KR101078162B1 - 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열 등에 의한 열원을 이용하여 일정 온도 이상의 온수를 공급함과 동시에 냉난방을 공급할 수 있는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 케이스(10) 내에 구비되되, 지열을 포함한 열원(1)측과의 열교환이 이루어지도록 구비된 제1 열교환기(31)와, 이 제1 열교환기(31)에 냉매라인(40)에 의해 상호 연결됨과 동시에 냉수 또는 온수와의 열교환이 이루어지도록 구비된 제2 열교환기(32)와, 상기 냉매라인(40) 상에 구비되어 냉매의 흐름을 변환시키도록 된 절환밸브(35)와, 상기 제1 열교환기(31) 또는 제2 열교환기(32)로부터 토출된 냉매를 보다 냉각시킬 수 있도록 상기 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 위치되도록 상기 냉매라인(40)에 의해 상호 연결되는 과냉각콘덴서(36)를 포함하는 히트펌프 유니트(30)와; 상기 제1 열교환기(31)에 의해 열교환이 이루어지도록 열교환수가 순환됨과 동시에 라인의 일부가 상기 케이스(10)의 외부에 위치되는 열원(1) 측으로 연장 형성되는 열원공급라인(20)과; 상기 제2 열교환기(32)에 열교환되도록 연결되어 사용처(2) 또는 냉온수 저장탱크(60)에 열교환된 냉수 또는 온수를 공급하도록 상기 케이스(10)의 외부로 연장 형성된 냉온수라인(50)과; 상기 냉온수라인(50) 상에 구비되어 상기 제2 열교환기(32) 측으로 냉수 또는 온수를 토출시키는 순환펌프(51) 또는 자동조절밸브(56)를 포함하여 이루어지며; 상기 순환펌프(51) 또는 자동조절밸브(56)는 냉매의 압력 또는 냉수나 온수의 온도에 따라 토출량이 가변되도록 컨트롤러(52)에 의해 제어되거나 감지된 압력 또는 온도에 의해 자동적으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템이 제공된다.

Description

냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템{Hot and cool water, heating and cooling heat-pump system}

본 발명은 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지열 등에 의한 열원을 이용하여 사용처에서 요구하는 온도 이상의 온수를 공급함과 동시에 냉난방을 공급할 수 있는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템에 관한 것이다.

일반적으로 목욕탕이나 숙박시설과 같은 곳에서 온수 또는 냉난방을 공급할 때에, 전기 또는 화석연료를 사용하여 가동되는 보일러 또는 냉난방설비는 폐열 또는 기타 대체자원을 이용하여 열원을 공급받을 수 있도록 구비된 설비에 비해 상대적으로 에너지의 손실이 큰 것이다.

근래에 와서는 전술된 바와 같은 문제점을 개선하기 위해 폐온수로부터 폐열을 회수하거나 기타 대체자원(지열이나 태양열 또는 외기 등)을 이용하여 열원을 공급받아 온수 또는 냉난방을 공급하는 히트펌프식 열교환 시스템이 개발되고 있으나, 종래의 히트펌프식 열교환 시스템은 열교환 방법 및 구조상의 문제로 인하여 폐열회수 능력 또는 기타 열원의 회수능력이 떨어질 뿐만 아니라 그에 따라 온수 또는 냉난방을 제대로 공급하지 못하여 전기 또는 화석연료를 대체하거나 소비를 줄이고자 하는 효과를 충분히 나타내지 못하고 있는 실정이다.

일례로, 종래의 온수 및 냉난방 공급시스템은 온수탱크 내의 온수를 원하는 온도 수준으로 가열하기 위해서 온수탱크 내의 냉수 또는 미온수를 순환펌프에 의해 일정량을 순환시키도록 구비된 것이어서, 미지근한 상태로 가열된 온수 또는 충분히 가열되지 못한 온수(대략 40~50℃)를 사용처의 상황에 관계없이 일정량을 순환시키게 되고, 이에 의해 온수공급 및 난방불량이 발생될 뿐만 아니라 고온 운전시에 히트펌프 측의 과부하로 인하여 장치가 과열되거나 소손이 발생될 우려가 있는 것이다.

특히, 종래의 히트펌프 시스템은 난방시 공급온도가 낮음으로 인해, 고온을 요구하는 사용처에서나 긴급한 상황(다량의 온수를 단시간 내에 공급해야 되는 상황)에서는 히트펌프 만으로 원하는 시간에 충분한 온수를 공급할 수 없으므로 보일러와 같은 보조시스템을 설치해야 할 뿐만 아니라 그 보조시스템의 작동이 빈번해지게 되고, 이에 의해 에너지 소모가 증가하게 될 뿐만 아니라 히트펌프를 이용하여 에너지를 절감하고자 하는 효과를 전혀 기대할 수 없는 문제점이 있는 것이다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 일체형 공급시스템에 의해 사용처에서 요구하는 온도 이상의 온수와 냉난방을 지속적으로 공급하도록 구비되어 별도의 보일러나 냉각기를 구비할 필요가 없을 뿐만 아니라 그에 따른 에너지의 소모를 줄이며, 또한 지열 등에 의한 열원을 이용할 수 있도록 구성되어 에너지의 낭비를 줄임과 동시에 컴팩트하면서도 최적화된 장치에 의해 열교환 효율 및 에너지 사용효과를 극대화할 수 있는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따르면, 케이스(10) 내에 구비되되, 지열을 포함한 열원(1)측과의 열교환이 이루어지도록 구비된 제1 열교환기(31)와, 이 제1 열교환기(31)에 냉매라인(40)에 의해 상호 연결됨과 동시에 냉수 또는 온수와의 열교환이 이루어지도록 구비된 제2 열교환기(32)와, 상기 냉매라인(40) 상에 구비되어 냉매의 흐름을 변환시키도록 된 절환밸브(35)와, 상기 제1 열교환기(31) 또는 제2 열교환기(32)로부터 토출된 냉매를 보다 냉각시킬 수 있도록 상기 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 위치되도록 상기 냉매라인(40)에 의해 상호 연결되는 과냉각콘덴서(36)를 포함하는 히트펌프 유니트(30)와;

상기 제1 열교환기(31)에 의해 열교환이 이루어지도록 열교환수가 순환됨과 동시에 라인의 일부가 상기 케이스(10)의 외부에 위치되는 열원(1) 측으로 연장 형성되는 열원공급라인(20)과;

상기 제2 열교환기(32)에 열교환되도록 연결되어 사용처(2) 또는 냉온수 저장탱크(60)에 열교환된 냉수 또는 온수를 공급하도록 상기 케이스(10)의 외부로 연장 형성된 냉온수라인(50)과;

상기 냉온수라인(50) 상에 구비되어 상기 제2 열교환기(32) 측으로 냉수 또는 온수를 토출시키는 순환펌프(51) 또는 자동조절밸브(56)를 포함하여 이루어지며;

상기 순환펌프(51) 또는 자동조절밸브(56)는 냉매의 압력 또는 냉수나 온수의 온도에 따라 토출량이 가변되도록 컨트롤러(52)에 의해 제어되거나 감지된 압력 또는 온도에 의해 자동적으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템이 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 냉매라인(40) 상에는 고압측 냉매압력이 설정 압력에 도달하면 이를 감지할 수 있는 고압측 압력센서(41)와, 저압측 냉매압력이 설정 압력에 도달하면 이를 감지하여 작동되는 저압측 압력센서(42)가 더 구비되고;

상기 냉온수라인(50) 상에는 상기 제2 열교환기(32) 토출구 측의 냉수 또는 온수의 온도를 감지할 수 있는 온도센서(55)가 구비되며;

상기 고압측 압력센서(41)와 저압측 압력센서(42) 및 온도센서(55)는 그에 의해 감지된 압력 또는 온도에 따라 상기 순환펌프(51) 또는 자동조절밸브(56)의 토출량이 조절되도록 상기 컨트롤러(52)에 연결되거나 또는 상기 자동조절밸브(56)에 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 냉온수라인(50)은 상기 제2 열교환기(32)에 직접적으로 연결되거나 또는 상기 제2 열교환기(32) 측으로 유입되는 냉수 또는 온수를 예열할 수 있도록 상기 과냉각콘덴서(36)를 거쳐 상기 제2 열교환기(32) 측으로 연결되고;

상기 냉온수라인(50) 상에는 상기 제2 열교환기(32)와 과냉각콘덴서(36) 중에서 어느 하나에 선택적으로 냉수 또는 온수를 공급하도록 제어밸브(53,54)가 구비되는 것을 특징으로 하는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 열원공급라인(20)은 상기 제1 열교환기(31)에 직접적으로 연결되거나 또는 상기 제1 열교환기(31) 측으로 유입되는 열교환수를 예열할 수 있도록 상기 과냉각콘덴서(36)를 거쳐 상기 제1 열교환기(32) 측으로 연결되고;

상기 열원공급라인(20) 상에는 상기 제1 열교환기(31)와 과냉각콘덴서(36) 중에서 어느 하나에 선택적으로 열교환수를 공급하도록 제어밸브(22,23)가 구비되는 것을 특징으로 하는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템이 제공된다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 냉매라인(40)에 의해 상호 연결되는 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32)를 포함한 히트펌프 유니트(30)가 하나의 케이스(10) 내에 구비된 일체형 공급시스템을 제공함으로써, 일정 온도 이상으로 가열된 온수 또는 일정 온도 이하로 냉각된 냉수 및 이 냉온수를 이용한 냉난방을 지속적으로 공급하도록 구비되어 별도의 보일러나 냉각기의 구비할 필요가 없을 뿐만 아니라 그에 따른 설치비용 및 에너지의 소모를 줄이며, 또한 지열에 의한 열원(1)을 이용할 수 있도록 구비되어 에너지의 낭비를 줄임과 동시에 컴팩트하면서도 최적화된 장치에 의해 열교환 효율 및 에너지 사용효과를 극대화할 수 있는 장점이 있다.

또한 상기 냉온수라인(50)을 통하여 유출입되는 물의 양을 컨트롤러(52)에 의해 토출량이 가변되는 순환펌프(51) 또는 자동조절밸브(56)에 의해 조절함으로써, 빠른 시간 내에 원하는 온도로 물을 가열하거나 냉각하여 온수 또는 냉수의 공급능력을 대폭적으로 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 냉온수(또는 냉난방)의 사용량이 많은 경우에도 용이하게 공급할 수 있어 전기 또는 화석연료를 사용하는 보일러나 냉각기를 추가적으로 가동하지 않아도 되므로 에너지 소모를 대폭적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 냉매라인(40) 상에는 냉매의 흐름을 변환시킬 수 있는 절환밸브(35)가 더 구비됨으로써, 상기 냉수나 온수(또는 냉방이나 난방)을 선택적으로 공급할 수 있으므로, 별도로 장치를 추가함이 없이 사용처(2)에 따라 냉온수 또는 냉난방을 선택적으로 공급할 수 있는 장점이 있다.

또한 상기 냉매라인(40) 상에는 상기 제1 열교환기(31) 또는 제2 열교환기(32)로부터 토출된 냉매를 보다 냉각시키도록 과냉각콘덴서(36)가 구비되어 상기 열교환기(31,32)의 응축효율을 증대시킬 수 있다.

특히 상기 제2 열교환기(32)에 의해 온수나 난방을 공급하는 경우에는 상기 제2 열교환기(32)에 열교환되는 냉온수라인(50)의 공급수가 상기 과냉각콘덴서(36)를 통과되도록 구비됨으로써, 공급수가 미리 예열된 후에 상기 제2 열교환기(32)로 유입되도록 구비되어 온수의 가열효과를 더욱 증가시킬 수 있는 장점이 있다.

또한 상기 제2 열교환기(32)에 의해 냉수나 냉방을 공급하는 경우에는 상기 열원공급라인(20)이 상기 과냉각콘덴서(36)를 거쳐 상기 제1 열교환기(31)에 열교환되도록 구비되어 상기 제2 열교환기(32)에 의한 냉각능력을 향상시킴과 동시에 성적계수를 더욱 향상시킬 수 있다.

또한 상기 냉매라인(40) 상에는 고압측 냉매압력을 감지할 수 있도록 고압측 압력센서(41)가 구비되고, 이 고압측 압력센서(41)에 의해 감지된 냉매의 압력이 소정 압력에 도달하면 이를 감지하여 작동되도록 상기 컨트롤러(52)에 연결되어 상기 순환펌프(51)의 토출량을 조절함으로써, 상기 히트펌프 유니트(30)에 과부하가 발생되거나 또는 과부하에 의해 장치의 손상 또는 정지됨을 방지하여 원활한 작동에 의해 지속적으로 원하는 온도의 온수를 공급할 수 있는 장점이 있다.

또한 상기 냉매라인(40) 상에는 저압측 냉매압력이 설정 압력에 도달할 때에 작동되는 저압측 압력센서(42)가 구비되거나 상기 냉온수라인(50) 상에는 상기 제2 열교환기(32) 토출구 측의 온도(공급온수의 온도)를 감지할 수 있는 온도센서(55)가 구비되고, 이 저압측 압력센서(42)나 온도센서(55)에 의해 감지된 냉매의 압력 또는 온수의 온도에 의해 상기 자동조절밸브의 토출량을 조절함으로써, 필요 이상으로 온수가 가열되거나 냉수가 냉각되는 것을 방지하여 상기 히트펌프 유니트(30)의 작동을 최소화할 수 있을 뿐만 아니라 과도한 작동을 방지하여 부하의 발생 및 그에 따른 장치의 손상 또는 정지됨을 방지할 수 있는 장점이 있으며, 또한 압축기(33)나 펌프의 용량 및 배관의 크기 등을 줄일 수 있어 전체적인 설비비를 절감할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 도시한 구성도
도 2는 본 발명의 다른 실시예을 도시한 구성도

상술한 본 발명의 목적, 특징들 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도 1과 도 2는 본 발명의 다양한 실시예를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예는 하나의 케이스(10) 내에 냉매라인(40)에 의해 상호 연결되는 제1 열교환기(31), 제2 열교환기(32), 압축기(33) 그리고 팽창밸브(34)를 포함하는 히트펌프 유니트(30)가 구비되어 상기 냉매라인(40)을 통하여 순환되는 냉매의 상변화에 의해 열교환이 이루어지도록 구비되어 있다.

이러한 구성에 있어서, 상기 제1 열교환기(31)는 지열과 같은 열원(1)을 이용하여 열교환 효율을 증대시킬 수 있도록 구비되는데, 이를 위해 상기 제1 열교환기(31)에는 지중에 일부가 매립되도록 상기 케이스(10)의 외부로 연장 형성되는 열원공급라인(20)이 연결되고, 이 열원공급라인(20) 상에는 순환펌프(21)가 구비되어 열교환수가 순환되면서 상기 제1 열교환기(31)에 의해 열교환이 이루어지도록 되어 있다.

또한 상기 제2 열교환기(32)에는 냉수나 온수(이하 "공급수"라 함)가 유출입되는 냉온수라인(50)이 상기 케이스(10)의 외부로 연장 형성되도록 연결되고, 이 제2 열교환기(32)에 의해 상기 냉온수라인(50)을 통하여 유출입되는 공급수와의 열교환을 이루어져 상기 냉온수라인(50)에 연결된 냉온수 저장탱크(60) 또는 사용처(2)에 냉온수 또는 냉난방을 공급할 수 있게 된다.

여기에서, 상기 냉매라인(40) 상에는 냉매의 흐름을 절환할 수 있는 사방밸브와 같은 절환밸브(35)가 구비되고, 이 절환밸브(35)에 의해 상기 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32)는 증발기 또는 응축기로 작동되면서 냉온수 또는 냉난방을 공급하게 되는데, 일례로 겨울철과 같은 온수와 난방이 필요로 할 경우(난방모드일 경우)에는 상기 제1 열교환기(31)는 증발기로 작동되고, 상기 제2 열교환기(32)는 응축기로 작동되며, 여름철과 같이 냉수 또는 냉방이 필요할 경우(냉방모드일 경우)에는 상기 제1 열교환기(31)는 응축기로 작동되고, 상기 제2 열교환기(32)는 증발기로 작동되게 된다.

이상과 같은 구성에 더하여, 상기 케이스(10) 내부에는 상기 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 위치된 냉매라인(40) 상에 과냉각콘덴서(36)가 구비되어 상기 제1 열교환기(31) 또는 제2 열교환기(32)로부터 토출된 냉매를 보다 냉각시킬 수 있는데, 이 과냉각콘덴서(36)에 의하면 상기 제1 열교환기(31) 또는 제2 열교환기(32)를 통과한 냉매가 더욱 냉각되어 응축효율을 증대시킬 수 있으며, 또한 이 과냉각콘덴서(36)에는 상기 제2 열교환기(32) 측으로 유입되는 공급수를 예열할 수 있도록 상기 냉온수라인(50)이 연결되고, 이 냉온수라인(50)이 상기 과냉각콘덴서(36)를 거쳐 상기 제2 열교환기(32) 측으로 연결되도록 구비될 수 있게 된다.

이때에, 상기 냉온수라인(50) 상에는 상기 제2 열교환기(32)와 과냉각콘덴서(36) 중에서 어느 하나에 선택적으로 공급수를 공급하도록 제어밸브(53,54)가 구비되며, 이 제어밸브(53,54)의 개폐에 따라 상기 냉온수라인(50)은 상기 제2 열교환기(32)에 직접적으로 공급수가 공급되거나 또는 상기 과냉각콘덴서(36)를 거쳐 상기 제2 열교환기(32) 측으로 공급수가 공급되게 되며, 상기 제어밸브(53,54)의 개폐는 냉방모드 또는 난방모드에 따라 결정될 수 있는 것이다.

또한 상기 열원공급라인(20)은 상기 과냉각콘덴서(36)를 거쳐 상기 제1 열교환기(31)에 연결되도록 구비될 수 있으며, 이때에는 상기 열원공급라인(20) 상에 상기 제1 열교환기(31)와 과냉각콘덴서(36) 중에서 어느 하나에 선택적으로 열교환수가 흐르도록 제어밸브(22,23)가 구비되며, 이 제어밸브(22,23)의 개폐에 따라 상기 열원공급라인(20)은 상기 제1 열교환기(31)에 직접적으로 열교환수가 순환되거나 또는 상기 과냉각콘덴서(36)를 거쳐 상기 제1 열교환기(31) 측으로 유입될 수 있으며, 상기 제어밸브(22,23)의 개폐는 냉방모드 또는 난방모드에 따라 결정될 수 있는 것이다.

이때에, 상기 열원공급라인(20)과 냉온수라인(50)은 상기 과냉각콘덴서(36)의 입구측과 출구측에서 라인이 합지되거나 또는 분기되도록 구비되는데, 전술된 상기 열원공급라인(20) 상의 제어밸브(22,23)와 상기 냉온수라인(50) 상의 제어밸브(53,54)는 각각 상기 과냉각콘덴서(36)의 입구측에 위치된 것이고, 이와는 별도로 상기 과냉각콘덴서(36)의 출구측에는 상기 열원공급라인(20)과 냉온수라인(50) 상에 각각 제어밸브(24,58)가 더 구비되어 열교환수 또는 공급수가 다른 방향(열교환수가 제2 열교환기(32) 측으로 유입되거나 공급수가 제1 열교환기(31) 측으로 유입되는 것)으로 흐르는 것을 방지하도록 되어 있다.

예를 들면, 난방모드일 경우에는 상기 제2 열교환기(32) 측에 구비된 제어밸브(53)를 차단한 상태에서 상기 과냉각콘덴서(36) 측의 다른 제어밸브(54)를 개방하여 상기 과냉각콘덴서(36)를 통하여 공급수가 예열되도록 하여 상기 제2 열교환기(32)에 의한 공급수의 가열효과를 더욱 증대시키고, 또한 냉방모드일 경우에는 상기 과냉각콘덴서(36) 측에 구비된 제어밸브(54)를 차단한 상태에서 상기 제2 열교환기(32) 측의 다른 제어밸브(53)를 개방하여 증발기로 작동되는 상기 제2 열교환기(32)에 직접적으로 공급수가 공급되도록 하여 충분한 냉각효과를 나타내도록 하는 것이 바람직하다.

이때에, 상기 열원공급라인(20)을 순환하는 열교환수는 난방모드일 경우에는 상기 과냉각콘덴서(36)를 거치지 않고 직접적으로 상기 제1 열교환기(31)에 유입되도록 상기 과냉각 콘덴서(36) 측의 제어밸브(23)를 닫은 상태에서 상기 제1 열교환기(31) 측의 제어밸브(22)를 개방시키고, 냉방모드일 경우에는 열교환수가 상기 과냉각콘덴서(36)를 거치도록 상기 제1 열교환기(31) 측의 제어밸브(22)를 닫은 상태에서 상기 과냉각콘덴서(36) 측의 제어밸브(23)를 개방시킬 수 있게 구비되는 것이 바람직하며, 또한 냉방모드일 경우에는 상기 과냉각콘덴서(36)의 출구측에 구비된 상기 열원공급라인(20) 상의 제어밸브(24)는 개방되고, 상기 냉온수라인(50) 상의 제어밸브(58)는 폐쇄하게 되며, 난방모드일 경우에는 상기 제어밸브(24,58)의 개폐가 반대로 이루어지게 된다.

이와 같은 과냉각콘덴서(36)가 구비됨에 따라, 상기 제1 열교환기(31) 또는 제2 열교환기(32)를 통과한 냉매가 더욱 냉각되어 응축효율을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라 상기 냉온수라인(50)의 공급수가 예열되어 가열효과를 증대시킬 수 있으며, 또한 상기 과냉각콘덴서(36)가 구비됨으로 인해 상기 압축기(33) 측의 부하도 줄일 수 있어 상대적으로 작은 용량의 압축기(33)를 사용할 수 있게 된다.

한편 상기 냉온수라인(50) 상에는 상기 제2 열교환기(32) 측으로 공급수를 펌핑하는 순환펌프(51)가 구비되고, 이 순환펌프(51)는 그 토출량이 가변되도록 모터의 회전수를 변환시키도록 된 인버터와 같은 컨트롤러(52)에 의해 제어되어 상기 제2 열교환기(32) 입구측으로 공급되는 공급수의 양이 조절 가능하게 된다.

이는 상기 컨트롤러(52)에 의해 상기 순환펌프(51)의 단위 토출량을 감소시켜 상기 냉온수라인(50)을 흐르는 단위시간당 공급수량을 적게 함으로써, 상기 제2 열교환기(32)와의 열교환이 충분히 이루어지게 함과 동시에 빠른 시간 내에 원하는 온도로 가열될 수 있게 할 수 있으며, 이에 의해 사용처(2)에서 온수의 사용량이 증가될 경우나 다량의 온수를 단시간 내에 공급해야 되는 긴급한 상황에 용이하게 대처할 수 있게 된다.

이와 관련하여, 상기 냉온수라인(50)은 사용처(2)에 직접적으로 연결되거나 또는 냉온수 저장탱크(60)에 연결되어 냉수나 온수 또는 냉방이나 난방을 공급하게 되는데, 일례로 상기 냉온수라인(50)이 냉온수 저장탱크(60)에 연결되어 온수 또는 난방을 공급하는 경우를 설명하면 다음과 같다.

상기 냉온수 저장탱크(60)는 그 하부측에 수돗물 또는 지하수와 같은 공급수가 인입되도록 급수관(61)이 구비되고, 상부측에 냉수나 온수를 공급하기 위한 공급라인(62)이 연결되며, 상기 냉온수라인(50)은 상기 냉온수 저장탱크(60)의 상부측에 연결되는 것이 통상적이다.

이때에 상기 냉온수 저장탱크(60)는 상기 급수관(61)에 의해 급수조에 연결된 상태에서 배출되는 양만큼의 물이 상기 급수조로부터 수압에 의해 유입되도록 구비되어 있을 뿐만 아니라 긴급한 상황에서도 용이하게 온수를 공급할 수 있도록 보일러가 구비되는 것이 일반적이다.

또한 상기 냉온수 저장탱크(60) 내로 유입된 공급수는 상기 냉온수라인(50)을 통하여 상기 제2 열교환기(32)와의 열교환이 이루어지도록 순환되는데, 상기 냉온수라인(50)은 상기 냉온수 저장탱크(60)의 하부에서 상부로 순환수가 순환되도록 구비되고, 그 관로상에 상기 컨트롤러(52)에 의해 제어되는 순환펌프(51)가 구비되며, 이 순환펌프(51)에 의해 상기 제2 열교환기(32) 입구측으로 공급되는 순환수의 양이 조절 가능하게 된다.

이와 같은 구성에 의하면, 상기 냉온수 저장탱크(60)에 저장되는 온수의 온도는 대략 50~70℃를 지속적으로 유지한 상태에서 사용처(2)의 온수 사용량에 큰 영향을 받지 않고 공급 가능하게 되는데, 온수의 사용량이 많지 않을 때에는 냉온수 저장탱크(60) 내에 저장된 온수만으로도 충분한 공급이 가능할 뿐만 아니라 배출량이 적음에 따라 상기 급수관(61)을 통하여 냉온수 저장탱크(60)로 유입되는 공급수의 양이 적게 되며, 이에 의해 상기 급수관(61)을 통해 유입된 공급수는 상기 냉온수 저장탱크(60) 내의 상부측에 위치되는 대부분의 온수에 대하여 층류를 형성하여 상기 냉온수 저장탱크(60)의 하부측에 위치되어 있게 된다.

그러므로 상기 순환펌프(51)는 상기 컨트롤러(52)에 의해 제어되지 않은 상태에서도 상기 공급수를 일정량으로 토출시켜 냉온수라인(50)을 통하여 순환되더라도 상기 제2 열교환기(32)에 의해 충분한 열교환이 이루어질 수 있게 된다.

또한, 사용처(2)에서 온수의 사용량이 증가될 경우에는 상기 냉온수 저장탱크(60) 내에 저장된 온수가 지속적으로 배출됨에 따라 그 수위가 상대적으로 낮아지게 되고, 이에 따라 상기 급수관(61)을 통하여 유입되는 공급수의 양이 증가하게 되는데, 이때에는 상기 순환펌프(51)에 의해 공급수를 정량 토출시켜 상기 냉온수라인(50)에 일정량의 순환수를 순환시키게 되면, 상기 제2 열교환기(32)의 열교환 효율이 낮아져서 원하는 온도로 가열되지 않는 온수가 상기 냉온수 저장탱크(60) 내로 유입되어 상기 냉온수 저장탱크(60) 내에 저장된 온수의 온도를 오히려 낮추게 되므로, 이를 방지하기 위해, 상기 컨트롤러(52)에 의해 상기 순환펌프(51)의 단위 토출량을 감소시키게 되고, 이에 의해 냉온수라인(50)을 흐르는 순환수의 단위시간당 순환량을 적게 하여 상기 제2 열교환기(32)와의 열교환이 충분히 이루어지게 함과 동시에 빠른 시간 내에 원하는 온도로 가열될 수 있도록 하게 된다.

이 경우에는 상기 냉온수라인(50)을 통하여 순환되는 순환수의 양이 상대적으로 적으므로 냉온수 저장탱크(60) 내에는 온수의 레벨이 상당부분 감소되고 냉수의 레벨이 증가되기는 하나, 통상적으로, 목욕탕과 같은 사용처(2)에서의 온수의 사용량이 증가하는 경우는 대략 2~3시간 정도의 피크타임에 한정되는 것이므로, 이를 감안한 냉온수 저장탱크(60)의 저장용량과 상기 순환펌프(51)에 의한 단위 토출량이 사전에 미리 계산되면 사용처(2)에서의 사용량에 큰 영향을 받지 않고 온수를 지속적으로 공급 가능하게 된다.

또한 이상과 같은 순환펌프(51)의 작동에 관련하여, 상기 냉매라인(40)의 관로상에는 상기 과냉각콘덴서(36)로부터 고온 고압 상태로 유출되는 냉매의 고압측 압력을 감지할 수 있는 고압측 압력센서(41)가 더 구비되고, 이 고압측 압력센서(41)는 상기 컨트롤러(52)에 전기적으로 연결되게 된다. 그러므로 상기 컨트롤러(52)는 상기 고압측 압력센서(41)에 의해 감지된 냉매의 압력에 의해서도 작동 가능하게 되고, 이에 의해 상기 순환펌프(51)는 냉매의 압력이 설정된 일정 압력에 도달하면 그 단위 토출량을 조절하도록 제어 가능하게 된다.

이는 상기 순환펌프(51)에 의해 정량 토출되는 순환수가 지속적으로 상기 냉온수라인(50)을 통하여 순환됨으로 인해 상기 제2 열교환기(32)를 포함한 상기 히트펌프 유니트(30)의 과부하가 발생될 우려가 있을 뿐만 아니라 장치가 손상될 우려가 있어 이를 방지하기 위한 것이나, 보다 정확하게는 전술된 바와 같은 장치의 손상을 방지하기 위해 대략적으로 고압측의 냉매압력은 설정압력 이상일 경우에는 상기 압축기(33)의 작동이 자체적으로 정지되도록 하여 장치를 보호하는 것이 일반적이므로 상기 고압측 압력센서(41)에 의해 고압측 냉매압력을 감지하여 상기 순환펌프(51)에 의한 단위 토출량을 줄여 상기 히트펌프 유니트(30) 측의 부하를 줄임으로써, 상기 히트펌프 유니트(30)에 과부하가 걸리지 않은 상태에서 지속적으로 작동이 가능하게 할 뿐만 아니라 이에 의해 온수를 지속적으로 공급할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 냉온수라인(50) 상에는 전술된 바와 같은 순환펌프(51) 대신에 전동식(또는 전자식) 자동밸브 형태의 자동조절밸브(56)가 구비될 수 있는데, 이 자동조절밸브(56)는 냉매의 압력 또는 공급수의 온도에 따라 작동될 수 있으며, 이를 위해 상기 냉매라인(20) 상에는 저압측 냉매압력이 설정 압력에 도달하면 작동되는 저압측 압력센서(42)가 구비되고, 상기 냉온수라인(50) 상에는 상기 제2 열교환기(32)의 토출구 측에 공급수의 온도가 설정 온도에 도달하면 이를 감지할 수 있는 온도센서(55)가 구비될 수 있다.

이때에, 상기 저압측 압력센서(42)와 온도센서(55)는 상기 자동조절밸브(56)에 전기적으로 연결되어 그에 따라 감지된 압력 또는 온도에 따라 상기 자동조절밸브(56)의 작동이 직접적으로 제어하게 된다.

이러한 상기 저압측 압력센서(42)와 온도센서(55)에 의한 상기 자동조절밸브(56)의 토출량 조절은 상기 제2 열교환기(32)가 증발기로 작동되어 상기 냉온수 저장탱크(60) 또는 사용처(2)에 냉수(또는 난방)을 공급하고자 할 때(냉방모드일 때)에 바람직하게 적용될 수 있는 것이며, 이때에 상기 열원공급라인(20)은 상기 과냉각콘덴서(36)를 거쳐 응축기로 작동되는 상기 제1 열교환기(31) 측으로 열교환수가 순환되도록 상기 제어밸브(22,23)가 개폐되는 것이 바람직하다.

이때에 상기 자동조절밸브(56)는 자체적으로 공급수를 펌핑하기 어려운 것이므로, 상기 냉온수라인(50) 상에 상기 자동조절밸브(56) 측으로 공급수를 펌핑할 수 있는 순환펌프(57)가 구비되는 것은 당연한 것이며, 상기 자동조절밸브(56)는 자체적으로 그 개폐정도를 조절할 수 있는 것을 사용하거나 또는 단지 자동적으로 개방 또는 폐쇄되는 것을 사용할 수 있다.

이러한 자동조절밸브(56)는 본 발명의 히트펌프시스템의 용량에 비해 상대적으로 큰 용량의 설비를 요하는 경우에 다수개의 히트펌프시스템을 병렬로 연결하여 사용하는 데에 용이하게 적용할 수 있으며, 이는 상기 냉온수라인(50) 상에 상기 순환펌프(57)로부터 펌핑되는 공급수를 분기할 수 있도록 다수개의 자동조절밸브(56)를 구비되고, 이 자동조절밸브(56)의 개폐에 의해 각 히트펌프 유니트(30) 측으로 공급수가 순환되어 냉온수를 생산하거나 필요에 따라서는 상기 자동조절밸브(56)를 폐쇄하여 일부의 히트펌프시스템 만을 작동시키는 데에 용이할 뿐만 아니라 이는 전술된 컨트롤러(52)가 구비되는 순환펌프(51)가 구비되는 것에 비해 상대적으로 경비 및 제작비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

한편, 상기 열원(1)을 통과한 열교환수가 상기 과냉각콘덴서(36)를 거치면서 예열되어 상기 제1 열교환기(31)에 의해 열교환이 이루어지는 경우에는, 상기 제1 열교환기(31)의 응축효율이 증가함과 동시에 이에 의해 상기 제1 열교환기(32)에 의한 냉각능력이 증가하여 장치의 전체적인 성적계수의 향상을 도모할 수 있으며, 이는 통상적으로 냉방모드일 때에 공급하는 냉수의 온도를 대략 7~8℃ 정도로 가정한다면, 전술된 바와 같은 구성에서는 이를 1~2℃ 정도 더 낮춰 대략 5~6℃ 정도로 공급할 수 있으며, 이에 의해 동일한 용량의 냉방을 공급할 때의 압축기 또는 펌프의 용량 및 배관 등의 크기를 줄일 수 있어 설비비를 대략 30~40% 정도 절감할 수 있게 된다.

이상과 같은 본 발명의 실시예에서는 상기 고압측 압력센서(41)에 의해 순환펌프(51)가 제어되도록 구비되고, 상기 저압측 압력센서(42)와 온도센서(55)에 의해 상기 자동조절밸브(56)가 제어되도록 구비된 것이나, 특별히 이에 한정되는 것이 아니라 상기 순환펌프(51)와 자동조절밸브(56)는 냉방모드 또는 난방모드에 무관하게 상호 대체 가능한 구성일 뿐만 아니라 고압측 압력센서(41)와 저압측 압력센서(42) 그리고 온도센서(55)는 어느 하나가 구비되거나 또는 동시에 다수개가 구비되어 냉방 또는 난방모드에 따라 구성의 일부를 일시 정지시킬 수 있음은 당연한 것이다.

또한 이상과 같은 실시예에서는 상기 제1 열교환기(31)가 지열로부터 열을 회수하도록 된 공급시스템을 설명하였으나, 상기 열원(1)은 지열이외에도 폐온수로부터 폐열을 회수하거나 외부공기에 의해서도 열원(1)을 공급받을 수 있음은 당연한 것이며, 본 발명은 전기 또는 화석연료가 아닌 지열이나 폐온수 또는 외부공기 등과 같은 자연열원 또는 폐기열원으로부터 열을 회수하여 에너지의 낭비를 줄일 수 있을 뿐만 아니라 에너지 절감효과를 대폭적으로 개선할 수 있으며, 또한 온수뿐만 아니라 필요에 따라서는 냉난방을 선택적으로 공급하면서도 컴팩트한 구성에 의해 사용처(2)에 따라 구성을 추가하지 않은 상태에서 용이하게 변경 설치가 가능하며, 이에 의해 온수 및 냉난방 공급능력을 적재적소에 공급할 수 있는 최적화된 시스템을 제공할 수 있게 된다.

또한 상기 냉매라인(40) 상에는 구비되어 냉방모드 또는 난방모드에 따라 냉매의 흐름을 제어하는 체크밸브(43)가 구비되는데, 이 체크밸브(43)에 의해 냉매의 흐름을 제어함으로 인해 냉매의 흐름(정방향 또는 역방향)에 관계없이 하나의 팽창밸브(34)에 의해 냉매의 팽창이 가능하게 되며, 이는 종래처럼 냉방모드 또는 난방모드에 따라 2개의 팽창밸브(34)가 구비될 필요가 없는 것으로, 그에 따른 시스템의 제작 및 경비의 절감효과가 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 구성 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

Claims (4)

1. 케이스(10) 내에 구비되되, 지열을 포함한 열원(1)측과의 열교환이 이루어지도록 구비된 제1 열교환기(31)와, 이 제1 열교환기(31)에 냉매라인(40)에 의해 상호 연결됨과 동시에 냉수 또는 온수와의 열교환이 이루어지도록 구비된 제2 열교환기(32)와, 상기 냉매라인(40) 상에 구비되어 냉매의 흐름을 변환시키도록 된 절환밸브(35)와, 상기 제1 열교환기(31) 또는 제2 열교환기(32)로부터 토출된 냉매를 보다 냉각시킬 수 있도록 상기 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 위치되도록 상기 냉매라인(40)에 의해 상호 연결되는 과냉각콘덴서(36)를 포함하는 히트펌프 유니트(30)와;
   상기 제1 열교환기(31)에 의해 열교환이 이루어지도록 열교환수가 순환됨과 동시에 라인의 일부가 상기 케이스(10)의 외부에 위치되는 열원(1) 측으로 연장 형성되는 열원공급라인(20)과;
   상기 제2 열교환기(32)에 열교환되도록 연결되어 사용처(2) 또는 냉온수 저장탱크(60)에 열교환된 냉수 또는 온수를 공급하도록 상기 케이스(10)의 외부로 연장 형성된 냉온수라인(50)과;
   상기 냉온수라인(50) 상에 구비되어 상기 제2 열교환기(32) 측으로 냉수 또는 온수를 토출시키는 순환펌프(51) 또는 자동조절밸브(56)를 포함하여 이루어지며;
   상기 순환펌프(51) 또는 자동조절밸브(56)는 냉매의 압력 또는 냉수나 온수의 온도에 따라 토출량이 가변되도록 컨트롤러(52)에 의해 제어되거나 감지된 압력 또는 온도에 의해 자동적으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 냉매라인(40) 상에는 고압측 냉매압력이 설정 압력에 도달하면 이를 감지할 수 있는 고압측 압력센서(41)와, 저압측 냉매압력이 설정 압력에 도달하면 이를 감지하여 작동되는 저압측 압력센서(42)가 더 구비되고;
   상기 냉온수라인(50) 상에는 상기 제2 열교환기(32) 토출구 측의 냉수 또는 온수의 온도를 감지할 수 있는 온도센서(55)가 구비되며;
   상기 고압측 압력센서(41)와 저압측 압력센서(42) 및 온도센서(55)는 그에 의해 감지된 압력 또는 온도에 따라 상기 순환펌프(51) 또는 자동조절밸브(56)의 토출량이 조절되도록 상기 컨트롤러(52)에 연결되거나 또는 상기 자동조절밸브(56)에 직접적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉온수라인(50)은 상기 제2 열교환기(32)에 직접적으로 연결되거나 또는 상기 제2 열교환기(32) 측으로 유입되는 냉수 또는 온수를 예열할 수 있도록 상기 과냉각콘덴서(36)를 거쳐 상기 제2 열교환기(32) 측으로 연결되고;
   상기 냉온수라인(50) 상에는 상기 제2 열교환기(32)와 과냉각콘덴서(36) 중에서 어느 하나에 선택적으로 냉수 또는 온수를 공급하도록 제어밸브(53,54)가 구비되는 것을 특징으로 하는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 열원공급라인(20)은 상기 제1 열교환기(31)에 직접적으로 연결되거나 또는 상기 제1 열교환기(31) 측으로 유입되는 열교환수를 예열할 수 있도록 상기 과냉각콘덴서(36)를 거쳐 상기 제1 열교환기(32) 측으로 연결되고;
   상기 열원공급라인(20) 상에는 상기 제1 열교환기(31)와 과냉각콘덴서(36) 중에서 어느 하나에 선택적으로 열교환수를 공급하도록 제어밸브(22,23)가 구비되는 것을 특징으로 하는 냉온수 및 냉난방 히트펌프시스템.

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