KR102057367B1 - 히트펌프 열원 시스템 - Google Patents

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아츠시 가키우치
도시히로 도코로
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샤프 가부시키가이샤
린나이가부시기가이샤
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Abstract

히트펌프 열원 시스템은, 난방실행조건과 비등실행조건이 모두 성립하였을 때에, 난방 순환로(40)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 난방 열매체의 온도{난방온수 유입온도(Thb)}와 탱크 순환로(41)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 탕수의 온도{탱크탕수 유입온도(Ttb)}의 온도차(ΔTb)가 소정의 판정온도보다도 작을 때에는 난방운전과 비등운전의 동시운전을 허가하는 운전 제어부(153)를 구비한다.

Description

히트펌프 열원 시스템{HEAT PUMP HEAT SUPPLY SYSTEM}
본 발명은 히트펌프에 의해서 "저탕(貯湯) 탱크 내의 탕수의 가열"과 "난방 단말이 접속된 난방 순환로 내를 순환하는 난방 열매체의 가열"을 실행하는 히트펌프 열원 시스템에 관한 것이다.
종래에는, 히트펌프의 열매체가 순환하는 히트펌프 순환로와 저탕 탱크 내의 탕수가 순환하는 탱크 순환로와 난방 단말이 접속되어 난방 열매체가 순환하는 난방 순환로의 도중에 접속되며, 히트펌프의 열매체와 탱크 순환로 내의 탕수 및 난방 순환로 내의 난방 열매체의 사이에서 열교환을 실행하는 히트펌프 열교환기를 구비한 히트펌프 열원 시스템이 제안되어 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1에 기재된 히트펌프 열원 시스템에 있어서는, 저탕 탱크에서 급탕하는 급탕운전과 난방 순환로 내의 난방 열매체를 순환시키면서 히트펌프에 의해서 가열하는 난방운전을 동시에 실행하고 있을 때에, 저탕 탱크 내의 탕수가 부족하게 되었을 때에는, 난방 순환로에서 히트펌프 열교환기로의 난방 열매체의 유량을 감소시키거나 혹은 난방 열매체의 유통을 정지하고, 탱크 순환로에 저탕 탱크 내의 탕수를 순환시켜서 저탕 탱크 내의 탕수를 가열하는 비등운전을 실행하도록 하고 있다.
특허문헌 1 : 일본국 특허공개 2009-250481호 공보
상기 특허문헌 1에 기재된 히트펌프 열원 시스템에 있어서는, 저탕 탱크 내의 탕수가 부족하게 되었을 때에, 히트펌프 열교환기로의 난방 열매체의 유통량을 감소시켜서 비등운전과 난방운전의 동시운전을 실행하거나, 혹은 난방운전을 정지하여 비등운전만을 실행하도록 하고 있다.
여기서, 비등운전 또는 난방운전의 단독운전을 실행할 때에는, 히트펌프 열교환기에 있어서, 히트펌프의 열매체와 탱크 순환로를 유통하는 탕수 또는 난방 순환로를 유통하는 난방 열매체의 사이에서 열교환이 실행되는데, 이 열교환에 있어서는 어느 정도의 열손실이 생긴다.
또, 비등운전과 난방운전의 동시운전을 실행하면, 히트펌프 열교환기에 있어서, 히트펌프의 열매체와 난방 열매체 및 탕수의 사이의 열교환에 더하여, 난방 열매체와 탕수의 사이에서도 열교환이 실행되는 경우가 있으며, 이 경우에는 히트펌프 열교환기에 있어서의 열손실이 증대한다는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 배경에 감안하여 이루어진 것으로서, 난방운전과 비등운전의 실행 요구가 있었을 때에, 난방운전과 비등운전의 동시운전에 의해서 히트펌프 열교환기에 있어서의 열손실이 증대하는 것을 억제한 히트펌프 열원 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해서 이루어진 것으로서,
하부에 급수관이 접속됨과 아울러 상부에 출탕관이 접속되며, 상기 급수관에서 공급되는 물이 저장되는 저탕 탱크와,
상기 저탕 탱크의 하부와 상부를 접속한 탱크 순환로와,
상기 저탕 탱크의 하부에 저장된 물을 상기 탱크 순환로를 통해서 상기 저탕 탱크의 상부로 순환시키는 탱크 순환펌프와,
난방 단말이 접속된 난방 순환로와,
상기 난방 순환로 내에 난방 열매체를 순환시키는 난방 순환펌프와,
히트펌프 순환로를 가지며, 상기 히트펌프 순환로 내를 순환하는 히트펌프 열매체를 가열하는 히트펌프와,
상기 히트펌프 순환로와 상기 탱크 순환로와 상기 난방 순환로의 도중에 설치되며, 상기 히트펌프 순환로 내를 순환하는 히트펌프 열매체와 상기 탱크 순환로 내를 순환하는 탕수 및 상기 난방 순환로 내를 순환하는 난방 열매체의 사이에서 열교환을 실행하는 히트펌프 열교환기와,
소정의 난방실행조건이 성립하였을 때에, 상기 난방 순환펌프와 상기 히트펌프를 작동시킴에 의해서, 상기 난방 순환로 내를 순환하는 난방 열매체를 가열하여 상기 난방 단말에서 방열하는 난방운전을 실행하는 난방 제어부와,
소정의 비등실행조건이 성립하였을 때에, 상기 탱크 순환펌프와 상기 히트펌프를 작동시킴에 의해서, 상기 탱크 순환로 내를 순환하는 상기 저탕 탱크로부터의 탕수를 소정의 비등온도까지 가열하는 비등운전을 실행하는 탱크 제어부를 구비한 히트펌프 열원 시스템에 관한 것이다.
그리고, 상기 히트펌프 열원 시스템에,
상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도를 검출하는 난방 열매체 유입온도 센서와,
상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도를 검출하는 탱크탕수 유입온도 센서와,
상기 난방실행조건과 상기 비등실행조건이 모두 성립하였을 때에, "상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도"와 "상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도"의 온도차가 소정의 판정온도보다도 작을 때에는, 상기 난방운전과 상기 비등운전의 동시운전을 허가하는 운전 제어부를 구비한 것을 특징으로 한다(제 1 발명).
제 1 발명에 의하면, 상기 운전 제어부에 의해서, 상기 난방실행조건과 상기 비등실행조건이 모두 성립하였을 때에, "상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도"와 "상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도"의 온도차가 소정의 판정온도보다도 작을 때에는 상기 난방운전과 상기 비등운전의 동시운전이 허가된다.
이 때문에, 상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도가 상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도보다도 상기 판정온도 이상 높은 상태에서 상기 난방운전과 상기 비등운전이 동시에 실행되며, 상기 히트펌프 열교환기에 있어서, 상기 난방 순환로의 난방 열매체와 상기 탱크 순환로의 탕수의 사이에서 열교환이 실행되어 상기 히트펌프 열교환기에 있어서의 열손실이 증대하는 것을 억제할 수 있다.
또, 제 1 발명에 있어서,
상기 탱크 순환로의 상기 히트펌프 열교환기의 상류측과 하류측을 연통하여 상기 히트펌프 열교환기에서 상기 탱크 순환로로 유출되는 탕수의 일부를 상기 탱크 순환로의 상기 히트펌프 열교환기의 상류측으로 되돌리는 탕수 환류로와,
상기 저탕 탱크에서 상기 탱크 순환로로 유출되는 탕수와 상기 탕수 환류로에서 상기 탱크 순환로로 유출되는 탕수의 혼합비를 변경하는 혼합비 변경부를 구비하고,
상기 운전 제어부는, 상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도가 상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도보다도 상기 판정온도 이상 높을 때에는, 상기 혼합비 변경부에 의해서 상기 혼합비를 변경하여, "상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도"와 "상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도"의 온도차를 감소시키는 처리를 실행하는 것을 특징으로 한다(제 2 발명).
제 2 발명에 의하면, 상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도가 상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도보다도 상기 판정온도 이상 높을 때에는, 상기 운전 제어부에 의해서 이것들의 온도차를 감소시키는 처리가 실행된다. 이 때문에, 상기 히트펌프의 효율 저하를 방지하여 상기 난방운전과 상기 비등운전의 동시운전을 실행할 수 있는 상황이 되는 범위를 확대할 수 있다.
도 1은 히트펌프 열원 시스템의 구성도
도 2는 난방운전과 비등운전의 동시운전 처리의 제 1 실시형태의 플로차트
도 3은 난방운전과 비등운전의 동시운전 처리의 제 2 실시형태의 플로차트
도 4는 급수온도에 대한 열원기의 효율의 설명도
본 발명의 실시형태에 대해서 도 1∼도 4를 참조하여 설명한다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 실시형태의 히트펌프 열원 시스템은 저탕 유니트(10), 히트펌프 유니트(50), 가스 열원 유니트(80) 및 히트펌프 열원 시스템의 전체적인 작동을 제어하는 컨트롤러(150)를 구비하고 있다.
저탕 유니트(10)는 저탕 탱크(11), 급수관(12), 출탕관(13) 등을 구비하고 있다. 저탕 탱크(11)는 내부에 탕수를 보온 저장하며, 높이 방향으로 거의 동일한 간격으로 탱크 온도센서(14∼17)가 설치되어 있다. 저탕 탱크(11)의 저부에는 사용자의 수동 조작에 의해서 개방되는 배수밸브(18)가 설치되어 있다.
급수관(12)은, 일단이 급수구(30)를 통해서 도시하지 않은 수도에 접속되어 있고 타단이 저탕 탱크(11)의 하부에 접속되어 있으며, 저탕 탱크(11)의 하부에서 저탕 탱크(11) 내로 물을 공급한다. 급수관(12)에는 저탕 탱크(11)의 내압이 과대하게 되는 것을 방지하기 위한 감압밸브(19)와, 급수관(12)에서 저탕 탱크(11)로의 방향만의 통수(通水)를 가능하게 하고 저탕 탱크(11)에서 급수관(12) 측으로의 탕수의 유출을 저지하는 제 1 역지밸브(20)가 설치되어 있다.
급수관(12)에서 분기된 급수 바이패스관(35)은 급탕 혼합밸브(21)를 통해서 접속 개소(X)에서 출탕관(13)에 연통되어 있으며, 급탕 혼합밸브(21)에 의해서 저탕 탱크(11)에서 출탕관(13)으로 공급되는 탕수와 급수 바이패스관(35)에서 출탕관(13)으로 공급되는 물의 혼합비가 변경된다.
급수 바이패스관(35)에는 이 급수 바이패스관(35)에 공급되는 물의 온도를 검출하는 급수온도센서(22)와, 급수 바이패스관(35)을 유통하는 물의 유량을 검출하는 급수유량센서(23)와, 급수 바이패스관(35)에서 출탕관(13)으로의 방향만의 통수를 가능하게 하고 출탕관(13)에서 급수 바이패스관(35) 측으로의 탕수의 유출을 저지하는 제 2 역지밸브(24)가 설치되어 있다.
출탕관(13)은, 일단이 급탕구(31)에 접속되어 있고 타단이 저탕 탱크(11)의 상부에 접속되어 있다. 저탕 탱크(11)의 상부에 저장된 탕수는 출탕관(13)을 통해서 급탕구(31)에서 도시하지 않은 급탕전(부엌, 세면소, 욕실의 수도꼭지나 샤워 등)으로 공급된다. 출탕관(13)에는 저탕 탱크(11)에서 출탕관(13)으로의 방향만의 통수를 가능하게 하고 출탕관(13)에서 저탕 탱크(11) 측으로의 탕수의 유입을 저지하는 제 3 역지밸브(25)와, 출탕관(13) 내의 탕수의 온도를 검출하는 탕수 온도센서(26)와, 출탕관(13)을 유통하는 탕수의 유량을 검출하는 탕수 유량센서(27)가 설치되어 있다.
출탕관(13)의 급수 바이패스관(35)과의 접속 개소(X)보다도 하류측의 도중 개소에 가스 열원 유니트(80)가 형성되어 있고, 저탕 유니트(10)에는 가스 열원 유니트(80)의 급탕 보조 열원기(70)를 바이패스하여 급탕 보조 열원기(70)의 상류측과 하류측의 출탕관(13)을 연통하는 출탕 바이패스관(33)과, 출탕 바이패스관(33)을 개폐하는 출탕 바이패스밸브(29)가 설치되어 있다.
출탕관(13)의 출탕 바이패스관(33)과의 분기 개소(Y)와 급탕 혼합밸브(21)의 사이에 급탕 혼합밸브(21)를 통해서 출탕관(13)에 공급되는 탕수의 온도를 검출하는 혼합 온도센서(28)가 설치되어 있다. 출탕관(13)의 출탕 바이패스관(33)과의 합류 개소(Z)와 급탕구(31)의 사이에 급탕구(31)에서 출탕되는 탕수의 온도를 검출하는 급탕 온도센서(32)가 설치되어 있다.
히트펌프 유니트(50) 및 가스 열원 유니트(80)와 접속된 난방 순환로(40)에는, 난방 순환로(40)에서 후술하는 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 온수의 온도를 검출하는 난방온수 유입온도 센서(45)(본 발명의 '난방 열매체 유입온도 센서'에 상당한다)와, 히트펌프 열교환기(55)에 의해서 가열되어 난방 순환로(40)로 유출되는 온수의 온도를 검출하는 난방온수 유출온도 센서(46)가 설치되어 있다.
또, 난방 순환로(40)에는, 히트펌프 유니트(50)를 바이패스하는 히트펌프 바이패스로(42)의 하류측에 있어서의 난방 순환로(40)와의 접속 개소의 직하 부분에 설치되어 난방 순환로(40)로부터의 온수와 히트펌프 바이패스로(42)로부터의 온수가 혼합된 온수의 온도를 검출하는 난방 혼합온수 온도센서(47)가 설치되어 있다.
또한, 난방 순환로(40) 측으로 유통하는 온수와 히트펌프 바이패스로(42) 측으로 유통하는 온수의 비율을 조절하기 위한 난방측 혼합밸브(48)가 설치되어 있다. 또, 히트펌프 유니트(50)와 접속된 탱크 순환로(41)에는 저탕 탱크(11)에서 탱크 순환로(41)로 공급되는 탕수의 온도를 검출하는 탱크 하부 온도센서(34)가 설치되어 있다.
저탕 유니트(10)에 구비된 각 센서의 검출신호는 컨트롤러(150)에 입력된다. 또, 컨트롤러(150)에서 출력되는 제어신호에 의해서 급탕 혼합밸브(21), 출탕 바이패스밸브(29) 및 난방측 혼합밸브(48)의 작동이 제어된다.
이어서, 히트펌프 유니트(50)는 저탕 탱크(11) 내의 탕수를 탱크 순환로(41)를 통해서 순환시켜서 가열함과 동시에, 난방 순환로(40) 내를 유통하는 온수(본 발명의 '난방 열매체'에 상당한다)를 가열하는 것이다.
히트펌프 유니트(50)는 히트펌프 순환로(52)에 의해서 접속된 증발기(53), 압축기(54), 히트펌프 열교환기(응축기)(55) 및 팽창밸브(56)로 구성된 히트펌프(51)를 가지고 있다.
증발기(53)는 팬(60)의 회전에 의해서 공급되는 공기와 히트펌프 순환로(52) 내를 유통하는 열매체{하이드로 플루오로 카본(HFC) 등의 대체 프레온, 이산화탄소 등, 본 발명의 '히트펌프 열매체'에 상당한다}의 사이에서 열교환을 실시한다. 압축기(54)는 증발기(53)에서 토출된 열매체를 압축하여 고압ㆍ고온으로 하고, 히트펌프 열교환기(55)로 송출한다. 팽창밸브(56)는 압축기(54)에 의해서 가압된 열매체의 압력을 개방한다.
서리제거밸브(61)는 팽창밸브(56)를 바이패스하여 설치되어 있으며, 압축기(54)에서 송출되는 열매체에 의해서 증발기(53)에서의 서리를 제거한다. 히트펌프 순환로(52)의 팽창밸브(56)의 상류측 및 하류측, 압축기(54)의 상류측 및 하류 측에는 히트펌프 순환로(52) 내를 유통하는 열매체의 온도를 검출하는 열매체 온도센서(62, 63, 64, 65)가 각각 설치되어 있다. 또, 증발기(53)에는 이 증발기(53)로 유입되는 공기의 온도를 검출하는 주위 온도센서(67)가 설치되어 있다.
히트펌프 열교환기(55)는 탱크 순환로(41)와 접속되어 있으며, 압축기(54)에 의해서 고압ㆍ고온으로 된 열매체와 탱크 순환로(41) 내를 유통하는 탕수의 열교환에 의해서 탱크 순환로(41) 내를 유통하는 탕수를 가열한다. 탱크 순환로(41)에는 저탕 탱크(11) 내의 탕수를 탱크 순환로(41)를 통해서 순환시키기 위한 탱크 순환펌프(66)가 설치되어 있다.
저탕 탱크(11) 내의 하부에 저장된 탕수는 탱크 순환펌프(66)에 의해서 탱크 순환로(41)로 유도되며, 히트펌프 열교환기(55)에 의해서 가열되어 저탕 탱크(11)의 상부로 되돌려진다. 탱크 순환로(41)의 히트펌프 열교환기(55)의 상류측에는 탱크 순환로(41)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 탕수의 온도를 검출하는 탱크탕수 유입온도 센서(68)가 설치되어 있다.
탱크 순환로(41)의 히트펌프 열교환기(55)의 하류측에는 히트펌프 열교환기(55)에서 탱크 순환로(41)로 유출되는 탕수의 온도를 검출하는 탱크탕수 유출온도 센서(69)가 설치되어 있다. 또, 히트펌프 열교환기(55)에는 그 내부의 분위기 온도를 검출하는 분위기 온도센서(57)가 설치되어 있다.
탱크 순환로(41)에는, 탱크 순환로(41)의 히트펌프 열교환기(55)의 상류측과 하류측을 연통하여 히트펌프 열교환기(55)에서 탱크 순환로(41)로 유출되는 탕수의 일부를 탱크 순환로(41)의 히트펌프 열교환기(55)의 상류측으로 되돌리는 탕수 환류로(58)와, 저탕 탱크(11)에서 탱크 순환로(41)로 공급되는 탕수와 탕수 환류로(58)에서 탱크 순환로(41)로 유입되는 탕수의 혼합비를 변경하는 히트펌프 혼합밸브(59)(본 발명의 '혼합비 변경부'에 상당한다)가 설치되어 있다.
또, 히트펌프 열교환기(55)는 난방 순환로(40)에 접속되어 있으며, 압축기(54)에 의해서 고압ㆍ고온으로 된 열매체와 난방 순환로(40) 내를 유통하는 온수와의 열교환에 의해서 난방 순환로(40) 내를 유통하는 온수를 가열한다.
히트펌프 유니트(50)에 구비된 각 센서의 검출신호는 컨트롤러(150)에 입력된다. 또, 컨트롤러(150)에서 출력되는 제어신호에 의해서 압축기(54), 탱크 순환펌프(66), 팬(60) 및 히트펌프 혼합밸브(59)의 작동이 제어된다.
이어서, 가스 열원 유니트(80)는 출탕관(13)에서 공급되는 탕수와 난방 순환로(40) 내를 유통하는 온수를 가열하는 것이다.
가스 열원 유니트(80)는 급탕 버너(71)와 이 급탕 버너(71)에 의해서 가열되는 급탕 열교환기(72)를 가지는 급탕 보조 열원기(70)와, 난방ㆍ재가열용의 난방 버너(76)와 이 난방 버너(76)에 의해서 가열되는 난방 열교환기(77)를 가지는 난방 보조 열원기(75)와, 재가열 열교환기(87) 등을 구비하고 있다.
급탕 버너(71) 및 난방 버너(76)는 도시하지 않은 가스 공급관으로부터 연료가스가 공급됨과 동시에, 도시하지 않은 연소 팬에 의해서 연소용 공기가 공급된다. 컨트롤러(150)는 급탕 버너(71) 및 난방 버너(76)에 공급되는 연료가스와 연소용 공기의 유량을 조절하여 급탕 버너(71) 및 난방 버너(76)의 연소량을 제어한다.
급탕 열교환기(72)는 출탕관(13)의 도중에 접속되어 있으며, 급탕 버너(71)의 연소열에 의해서 급탕 열교환기(72)의 내부를 유통하는 탕수가 가열된다. 출탕관(13)에는 상류측에서부터 순차적으로 출탕관(13)의 개방도를 변경하는 수량 서보밸브(93)와, 출탕관(13)을 흐르는 탕수의 유량을 검출하는 탕수 유량센서(88)가 설치되어 있다.
급탕 열교환기(72)의 상류측과 하류측은 열원 바이패스관(89)에 의해서 연통되어 있으며, 열원 바이패스관(89)에는 이 열원 바이패스관(89)의 개방도를 변경하는 열원 바이패스밸브(90)가 설치되어 있다. 출탕관(13)의 급탕 열교환기(72)의 출구 부근에는 열교환기 출탕 온도센서(91)가 설치되어 있고, 출탕관(13)의 열원 바이패스관(89)과의 접속 개소의 하류측에는 열원 출탕 온도센서(92)가 설치되어 있다.
이 구성에 의해서, 저탕 탱크(11)에서 출탕관(13)으로 공급되는 탕수의 온도가 설정급탕온도보다도 낮을 때(탕수부족상태)에, 급수 바이패스관(35)에서 출탕관(13)으로 공급되는 물이 급탕 열교환기(72)에 의해서 가열되어 탕수가 되고, 열원 바이패스관(89)으로부터의 물과 혼합되어 설정급탕온도의 탕수가 급탕구(31)에서 공급되도록 되어 있다.
또, 출탕관(13)은 탕수 공급관(100)에 의해서 욕조(101)에 접속된 욕조 순환로(102)에 연통되어 있다. 탕수 공급관(100)에는 이 탕수 공급관(100)을 개폐하는 탕수 공급밸브(103)와, 욕조 순환로(102)에서 출탕관(13)으로의 탕수의 유입을 저지하는 역지밸브(104)가 설치되어 있다. 탕수 공급밸브(103)를 개방함으로써, 출탕관(13)에서 탕수 공급관(100) 및 욕조 순환로(102)를 통해서 욕조(101)에 탕수를 공급할 수 있다.
욕조 순환로(102)에는 욕조(101) 내의 탕수를 욕조 순환로(102)를 통해서 순환시키는 욕조 순환펌프(105)와 재가열 열교환기(87)가 설치되어 있다. 재가열 열교환기(87)는 재가열 왕관(往管)(107) 및 재가열 복관(復管)(108)을 통해서 난방 순환로(40)에 접속되어 있다. 재가열 왕관(107)에는 이 재가열 왕관(107)을 개폐하는 재가열 밸브(109)가 설치되어 있다.
컨트롤러(150)는 욕조 순환펌프(105)를 작동시켜서 욕조(101) 내의 탕수를 욕조 순환로(102)를 통해서 순환시킨 상태에서, 재가열 밸브(109)를 개방하고, 후술하는 난방 순환펌프(111)를 작동시켜서 난방 순환로(40)에서 재가열 왕관(107) 및 재가열 복관(108)을 통해서 재가열 열교환기(87)로 온수를 순환 공급함에 의해서 욕조(101) 내의 탕수를 재가열한다.
난방 열교환기(77)는 난방 순환로(40)의 도중에 설치되어 있으며, 난방 버너(76)의 연소열에 의해서 난방 순환로(40) 내를 유통하는 온수를 가열한다. 난방 순환로(40)는 난방 열교환기(77) 이외에 바닥 난방기(200)(본 발명의 '난방 단말'에 상당한다) 및 온풍 난방기(210)와 접속되어 온수에 의한 열을 공급한다.
난방 순환로(40)에는 상기한 히트펌프 열교환기(55) 및 난방 보조 열원기(75)의 난방 열교환기(77)와 시스턴(110)과 난방 순환펌프(111)가 설치되어 있다. 또, 난방 순환로(40)는 난방 순환펌프(111)와 난방 열교환기(77)의 사이의 개소에서 저온 난방로(112)와 고온 난방로(130)로 분기되어 있다.
고온 난방로(130)에는 온풍 난방기(210)가 접속되어 있고, 저온 난방로(112)에는 바닥 난방기(200)가 접속되어 있다. 고온 난방로(130)와 저온 난방로(112)는 온풍 난방기(210) 및 바닥 난방기(200)의 하류측에서 합류되어 있다. 고온 난방로(130)의 온풍 난방기(210)의 접속부와 난방 열교환기(77)의 사이의 개소에서 고온 난방로(130)로부터 분기되어 시스턴(110)에 연통되는 난방 바이패스로(113)가 형성되고, 난방 바이패스로(113)에는 이 난방 바이패스로(113)의 개방도를 변경하는 난방 바이패스밸브(114)가 설치되어 있다.
난방 순환로(40)의 난방 순환펌프(111)의 출구 부근에는 난방 순환펌프(111)에서 송출되는 온수의 온도를 검출하는 복귀 온수 온도센서(115)가 설치되어 있다. 또, 난방 순환로(40)의 난방 열교환기(77)의 출구 부근에는 난방 열교환기(77)에서 송출되는 온수의 온도를 검출하는 공급 온수 온도센서(116)가 설치되어 있다.
저온 난방로(112)는 열동밸브(120)를 통해서 바닥 난방기(200)에 접속되어 있으며, 열동밸브(120)의 개폐에 의해서 저온 난방로(112)에서 바닥 난방기(200)로의 온수의 공급과 정지가 전환된다. 또, 고온 난방로(130)에서 온풍 난방기(210)로의 온수의 공급과 정지는 온풍 난방기(210)에 구비된 열동밸브(211)의 개폐에 의해서 실행된다. 바닥 난방기(200)를 조작하기 위한 바닥 난방 리모컨(201)에는 바닥 난방기(200)가 설치된 실내의 온도를 검출하는 실온센서(202)가 접속되어 있다.
바닥 난방 리모컨(201)과 컨트롤러(150)는 통신 가능하게 접속되어 있으며, 바닥 난방 리모컨(201)에 의해서 설정된 목표난방온도의 데이터와 실온센서(202)에 의한 검출온도의 데이터가 컨트롤러(150)에 송신된다.
열원 리모컨(160)은 컨트롤러(150)와 통신 가능하게 접속되어 있다. 열원 리모컨(160)에는 히트펌프 열원 시스템의 운전상태나 운전조건의 설정상태 등을 표시하는 표시기(161)와 히트펌프 열원 시스템의 운전조건 등을 설정하는 조작부(162)가 구비되어 있다.
히트펌프 열원 시스템의 사용자는 열원 리모컨(160)의 조작부(162)를 조작함에 의해서 저탕 탱크(11) 내의 탕수의 비등지시, 급탕구(31)에서의 급탕온도(설정급탕온도), 욕조(101)에 대한 급탕온도(설정탕수공급온도) 등을 설정할 수 있다.
가스 열원 유니트(80)에 구비된 각 센서의 검출신호는 컨트롤러(150)에 입력된다. 또, 컨트롤러(150)에서 출력되는 제어신호에 의해서 급탕 버너(71), 난방 버너(76), 열원 바이패스밸브(90), 수량 서보밸브(93), 탕수 공급밸브(103), 욕조 순환펌프(105), 재가열밸브(109), 난방 순환펌프(111), 난방 바이패스밸브(114) 및 열동밸브(120)의 작동이 제어된다.
컨트롤러(150)는 도시하지 않은 CPU, 메모리 등에 의해서 구성된 전자 회로 유니트이며, 메모리에 저장된 히트펌프 열원 시스템의 제어용 프로그램을 CPU에서 실행함으로써 난방 제어부(151), 탱크 제어부(152) 및 운전 제어부(153)로서 기능하여 히트펌프 열원 시스템의 작동을 제어한다.
난방 제어부(151)는 바닥 난방기(200)에서 방열하는 난방운전을 실행한다. 탱크 제어부(152)는 저탕 탱크(11) 내의 탕수를 열원 리모컨(160)에 의해서 설정되어 있는 급탕온도(설정급탕온도 또는 설정탕수공급온도)에 대응한 비등온도까지 가열하는 비등운전을 실행한다. 운전 제어부(153)는 난방운전의 실행조건(난방실행조건)과 비등운전의 실행조건(비등실행조건)이 모두 성립되었을 때에 난방운전과 비등운전의 동시운전을 허가할 것인지 아닌지를 결정한다.
이어서, 난방실행조건과 비등실행조건이 모두 성립된 경우의 처리에 대해서, 난방운전의 실행중에 비등실행조건이 성립된 경우를 예로 하여 설명한다.
〈동시운전처리의 제 1 실시형태〉
우선, 도 2에 나타낸 플로차트를 따라서 컨트롤러(150)에 의한 바닥 난방기(200)의 난방운전과 저탕 탱크(11) 내의 탕수의 비등운전의 동시운전처리의 제 1 실시형태에 대해서 설명한다.
도 2의 스텝 1∼스텝 4 및 스텝 20∼스텝 21은 난방 제어부(151)에 의한 처리이다.
스텝 1에서, 난방 제어부(151)는 난방실행조건이 성립되었는지 아닌지를 판단한다. 난방실행조건으로서는, 예를 들면 ① 사용자에 의해서 바닥 난방 리모컨(201)의 난방개시 조작이 실행된 것과, ② 바닥 난방 리모컨(201)에 의해서 설정되어 있는 타이머 운전의 개시시각이 된 것이 설정되어 있다.
스텝 1에서 난방실행조건이 성립하였을 때는 스텝 2로 진행하며, 난방 제어부(151)는 난방측 혼합밸브(48)에 의해서 이 난방측 혼합밸브(48)에서 히트펌프 바이패스로(42) 측으로의 온수의 유통을 정지하여 히트펌프 열교환기(55) 측으로 온수를 유통시키는 난방순환상태로 한다.
계속되는 스텝 3에서, 난방 제어부(151)는 난방 순환펌프(111)를 ON(기동)하고, 스텝 4에서 히트펌프(51)을 ON한다. 이것에 의해서, 히트펌프 열교환기(55)에 있어서 난방 순환로(40) 내를 순환하는 온수가 히트펌프 순환로(52) 내를 순환하는 열매체에 의해서 가열되어 바닥 난방기(200)에 공급되며, 바닥 난방기(200)에 의한 난방이 실행된다.
한편, 스텝 1에서 난방실행조건이 성립하지 않은 때에는 스텝 20으로 진행한다. 그리고, 난방 제어부(151)는 스텝 20에서 난방 순환펌프(111)를 OFF(정지)하고, 스텝 21에서 히트펌프(51)를 OFF하고서 스텝 1로 되돌아간다.
그리고, 스텝 5∼스텝 9 및 스텝 30은 운전 제어부(153)에 의한 처리이다.
운전 제어부(153)는 스텝 5에서, 난방 순환로(40)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 온수의 온도{이하, 난방온수 유입온도(Thb)라 한다}를 난방온수 유입온도 센서(45)에 의해서 측정한다.
계속되는 스텝 6에서, 운전 제어부(153)는 비등실행조건이 성립하였는지 아닌지를 판단한다. 여기서, 비등실행조건으로서는 저탕 탱크(11)가 탕수부족상태로 되어 있는 것이 설정되어 있다. 저탕 탱크(11)의 탕수부족은 ① 급탕 보조 열원기(70)의 작동, ② 탱크 온도센서(17)의 검출 온도가 탕수부족 판정온도(예를 들면, 비등온도 -5℃) 이하까지 저하, ③ 탕수 온도센서(26)의 검출 온도가 탕수부족 판정온도 이하까지 저하, 등에 의해서 판단된다. 그리고, 비등실행조건이 성립하였을 때는 스텝 7로 진행하고, 비등실행조건이 성립하지 않은 때에는 스텝 1로 되돌아간다.
스텝 7에서, 운전 제어부(153)는 탱크 순환로(41)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 탕수의 온도{이하, 탱크탕수 유입온도(Ttb)라 한다}를 탱크탕수 유입온도 센서(68)에 의해서 측정한다. 그리고, 계속되는 스텝 8에서, 운전 제어부(153)는 난방온수 유입온도(Thb)와 탱크탕수 유입온도(Ttb)의 온도차(절대값)(ΔTb)가 5℃(본 발명의 '소정의 판정온도'에 상당한다)보다도 작은지 아닌지를 판단한다.
그리고, 온도차(ΔTb)가 5℃보다도 작을 때는 스텝 30으로 진행하며, 운전 제어부(153)는 난방운전과 비등운전의 동시운전을 허가하고서 스텝 1로 되돌아간다. 이것에 의해서, 난방 순환로(40)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 난방온수 유입온도(Thb)와 탱크 순환로(41)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 탱크탕수 유입온도(Ttb)의 온도차(ΔTb)가 작아서, 히트펌프 열교환기(55)에 있어서, 난방 순환로(40)를 유통하는 온수와 탱크 순환로(41)를 유통하는 탕수의 사이에서의 열교환에 의한 히트펌프 열교환기(55)에 있어서의 열손실의 증대의 영향이 작을 때에 한정하여, 난방운전과 비등운전의 동시운전이 허가된다.
한편, 온도차(ΔTb)가 5℃ 이상일 때에는 스텝 9로 진행하며, 운전 제어부(153)는 난방운전과 비등운전의 동시운전을 금지하고서 스텝 1로 되돌아간다. 이것에 의해서, 난방 순환로(40)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 난방온수 유입온도(Thb)와 탱크 순환로(41)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 탱크탕수 유입온도(Ttb)의 온도차(ΔTb)가 커서, 히트펌프 열교환기(55)에 있어서, 난방 순환로(40)를 유통하는 온수와 탱크 순환로(41)를 유통하는 탕수의 사이에서의 열교환에 의한 히트펌프 열교환기(55)에 있어서의 열손실의 증대의 영향이 클 때에, 난방운전과 비등운전의 동시운전이 금지된다.
여기서, 도 4는 급탕 보조 열원기(70) 및 난방 보조 열원기(75)(이하, 간단히 '열원기'라 한다)로의 급수온도와 열효율의 관계를 나타낸 것이며, 수직 축이 열원기의 열효율(1차 에너지 효율, %)로 설정되어 있고, 가로 축이 열원기로의 급수온도(열원기에 공급되는 물의 온도, ℃)로 설정되어 있다. 도 4는 열원기로의 급수온도가 높아짐에 따라서 열원기의 열효율이 저하되는 것을 나타내고 있다.
그리고, 난방운전과 비등운전의 동시운전을 실행하였을 경우에, 급탕 보조 열원기(70)와 난방 보조 열원기(75)를 작동시킬 필요가 있을 때에는, 급탕 보조 열원기(70)로의 급수온도는 저탕 탱크(11)의 탕수부족에 의해서 저온(예를 들면 5℃, 잠열 회수타입의 열원기라면 예를 들면 25℃)으로 되는 것에 대해서, 난방 보조 열원기(75)로의 급수온도{난방 순환로(40)에서 난방 보조 열원기(75)로 유입되는 온수의 온도}는 30℃ 정도가 된다. 이 때문에, 난방 보조 열원기(75)보다도 급탕 보조 열원기(70) 쪽이 열효율이 높아지게 된다.
그리고, 난방운전과 비등운전의 동시운전을 실행하였을 경우에, 히트펌프 열교환기(55)에 있어서 난방 순환로(40)를 유통하는 온수와 탱크 순환로(41)를 유통하는 탕수의 사이에서의 열교환이 실행된 결과, 난방 보조 열원기(75)로의 급수온도가 저하된다. 또, 급탕 보조 열원기(70)로의 급수온도가 상승하면, 급탕 보조 열원기(70)에서 사용되는 연료가스의 양이 감소하고, 난방 보조 열원기(75)에서 사용되는 연료가스의 양이 증가한다. 이 때문에, 난방 보조 열원기(75) 및 급탕 보조 열원기(70)의 합계 효율이 저하된다.
〈동시운전처리의 제 2 실시형태〉
이어서, 도 3에 나타낸 플로차트를 따라서 컨트롤러(150)에 의한 바닥 난방기(200)의 난방운전과 저탕 탱크(11) 내의 탕수의 비등운전의 동시운전처리의 제 2 실시형태에 대해서 설명한다.
도 2의 스텝 50∼스텝 53 및 스텝 70∼스텝 71은 난방 제어부(151)에 의한 처리이다.
이 처리는 상기한 제 1 실시형태의 스텝 1∼스텝 4 및 스텝 20∼스텝 21의 처리와 같기 때문에, 여기서는 그 설명을 생략한다.
그리고, 스텝 54∼스텝 59 및 스텝 80∼스텝 81은 운전 제어부(153)에 의한 처리이다.
운전 제어부(153)는 스텝 54에서, 난방온수 유입온도(Thb)를 난방온수 유입온도 센서(45)에 의해서 측정한다.
계속되는 스텝 55에서, 운전 제어부(153)는 비등실행조건이 성립하였는지 아닌지를 판단한다. 그리고, 비등실행조건이 성립하였을 때는 스텝 56으로 진행하고, 비등실행조건이 성립하지 않은 때에는 스텝 50으로 되돌아간다.
스텝 56에서, 운전 제어부(153)는 탱크탕수 유입온도(Ttb)를 탱크탕수 유입온도 센서(68)에 의해서 측정한다. 그리고, 계속되는 스텝 57에서, 운전 제어부(153)는 난방온수 유입온도(Thb)와 탱크탕수 유입온도(Ttb)의 온도차(절대값)(ΔTb)가 5℃ 이상인지 아닌지를 판단한다.
그리고, 온도차(ΔTb)가 5℃ 이상일 때는 스텝 80으로 진행하고, 온도차(ΔTb)가 5℃보다도 작을 때에는 스텝 58로 진행한다.
스텝 80에서, 운전 제어부(153)는 탱크 순환펌프(66)를 작동시키고, 히트펌프 혼합밸브(59)에 의해서 '저탕 탱크(11)에서 탱크 순환로(41)로 공급되는 탕수의 유량'과 '탕수 환류로(58)에서 탱크 순환로(41)로 환류되는 탕수의 유량'의 혼합비를 변경하여 온도차(ΔTb)를 감소시키는 온도조절제어를 실시하고, 스텝 58로 진행한다.
스텝 58에서, 운전 제어부(153)는 난방온수 유입온도(Thb)와 탱크탕수 유입온도(Ttb)의 온도차(ΔTb)가 5℃ 미만인지 아닌지를 판단한다. 그리고, 온도차(ΔTb)가 5℃ 미만일 때는 스텝 81로 진행하며, 운전 제어부(153)는 난방운전과 비등운전의 동시운전을 허가하고서 스텝 50으로 되돌아간다.
이것에 의해서, 난방 순환로(40)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 난방온수 유입온도(Thb)와 탱크 순환로(41)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 탱크탕수 유입온도(Ttb)의 온도차(ΔTb)가 작아서, 히트펌프 열교환기(55)에 있어서, 난방 순환로(40)를 유통하는 온수와 탱크 순환로(41)를 유통하는 탕수의 사이에서의 열교환에 의한 히트펌프(51)의 효율 저하의 영향이 적을 때에 한정하여, 난방운전과 비등운전의 동시운전이 허가된다.
한편, 온도차(ΔTb)가 5℃ 이상일 때에는 스텝 59로 진행하며, 운전 제어부(153)는 난방운전과 비등운전의 동시운전을 금지하고서 스텝 50으로 되돌아간다. 이것에 의해서, 제 1 실시형태와 마찬가지로, 난방 순환로(40)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 난방온수 유입온도(Thb)와 탱크 순환로(41)에서 히트펌프 열교환기(55)로 유입되는 탱크탕수 유입온도(Ttb)의 온도차(ΔTb)가 커서, 히트펌프 열교환기(55)에 있어서, 난방 순환로(40)를 유통하는 온수와 탱크 순환로(41)를 유통하는 탕수의 사이에서의 열교환에 의한 히트펌프(51)의 효율 저하의 영향이 클 때에, 난방운전과 비등운전의 동시운전이 금지된다.
또한, 본 실시형태에서는 본 발명의 난방 단말로서 바닥 난방기(200)를 예로 하여 설명하였으나, 온풍 난방기(210)를 본 발명의 난방 단말로서 적용하여도 좋다.
또, 본 실시형태에서는 급탕 보조 열원기(70) 및 난방 보조 열원기(75)로서 가스 버너를 가열수단으로 하는 열원기를 나타내었으나, 등유 버너 등의 다른 종류의 가열수단을 이용하는 열원기를 이용하여도 좋다.
10 - 저탕 유니트 11 - 저탕 탱크
40 - 난방 순환로 41 - 탱크 순환로
42 - 히트펌프 바이패스로 45 - 난방온수 유입온도 센서
48 - 난방측 혼합밸브 50 - 히트펌프 유니트
51 - 히트펌프 52 - 히트펌프 순환로
55 - 히트펌프 열교환기 58 - 탕수 환류로
59 - 히트펌프 혼합밸브 68 - 탱크탕수 유입온도 센서
70 - 급탕 보조 열원기 75 - 난방 보조 열원기
80 - 가스 열원 유니트 150 - 컨트롤러
151 - 난방 제어부 152 - 탱크 제어부
153 - 운전 제어부 200 - 바닥 난방기

Claims (2)

  1. 하부에 급수관이 접속됨과 아울러 상부에 출탕관이 접속되며, 상기 급수관에서 공급되는 물이 저장되는 저탕 탱크와,
    상기 저탕 탱크의 하부와 상부를 접속한 탱크 순환로와,
    상기 저탕 탱크의 하부에 저장된 물을 상기 탱크 순환로를 통해서 상기 저탕 탱크의 상부로 순환시키는 탱크 순환펌프와,
    난방 단말이 접속된 난방 순환로와,
    상기 난방 순환로 내에 난방 열매체를 순환시키는 난방 순환펌프와,
    히트펌프 순환로를 가지며, 상기 히트펌프 순환로 내를 순환하는 히트펌프 열매체를 가열하는 히트펌프와,
    상기 히트펌프 순환로와 상기 탱크 순환로와 상기 난방 순환로의 도중에 설치되며, 상기 히트펌프 순환로 내를 순환하는 히트펌프 열매체와 상기 탱크 순환로 내를 순환하는 탕수 및 상기 난방 순환로 내를 순환하는 난방 열매체의 사이에서 열교환을 실행하는 히트펌프 열교환기와,
    소정의 난방실행조건이 성립하였을 때에, 상기 난방 순환펌프와 상기 히트펌프를 작동시킴에 의해서, 상기 난방 순환로 내를 순환하는 난방 열매체를 가열하여 상기 난방 단말에서 방열하는 난방운전을 실행하는 난방 제어부와,
    소정의 비등실행조건이 성립하였을 때에, 상기 탱크 순환펌프와 상기 히트펌프를 작동시킴에 의해서, 상기 탱크 순환로 내를 순환하는 상기 저탕 탱크로부터의 탕수를 소정의 비등온도까지 가열하는 비등운전을 실행하는 탱크 제어부를 구비한 히트펌프 열원 시스템에 있어서,
    상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도를 검출하는 난방 열매체 유입온도 센서와;
    상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도를 검출하는 탱크탕수 유입온도 센서와;
    상기 난방실행조건과 상기 비등실행조건이 모두 성립하였을 때에, 상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도와 상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도의 온도차가 소정의 판정온도보다도 작을 때에는, 상기 난방운전과 상기 비등운전의 동시운전을 허가하는 운전 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 열원 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 탱크 순환로의 상기 히트펌프 열교환기의 상류측과 하류측을 연통하여 상기 히트펌프 열교환기에서 상기 탱크 순환로로 유출되는 탕수의 일부를 상기 탱크 순환로의 상기 히트펌프 열교환기의 상류측으로 되돌리는 탕수 환류로와,
    상기 저탕 탱크에서 상기 탱크 순환로로 유출되는 탕수와 상기 탕수 환류로에서 상기 탱크 순환로로 유출되는 탕수의 혼합비를 변경하는 혼합비 변경부를 구비하고,
    상기 운전 제어부는, 상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도가 상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도보다도 상기 판정온도 이상 높을 때에는, 상기 혼합비 변경부에 의해서 상기 혼합비를 변경하여, 상기 난방 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 난방 열매체의 온도와 상기 탱크 순환로에서 상기 히트펌프 열교환기로 유입되는 탕수의 온도의 온도차를 감소시키는 처리를 실행하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 열원 시스템.
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