KR20040065450A - 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉난방 및 급탕시스템에 관한 것으로, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 순차적으로 연결되어 냉동사이클을 이루고 있는 냉동기; 압축기, 과열열교환기, 사방제어밸브, 주열교환기, 양방향팽창밸브, 보조열교환기가 순차적으로 연결되어 냉난방사이클을 이루고 있는 히트펌프; 상기 냉동기의 응축기 및 상기 히트펌프의 과열열교환기와의 열교환으로 얻어진 고온의 온수를 저장 및 공급하기 위한 급탕공급수단; 및 상기 히트펌프의 주열교환기와의 열교환으로 얻어진 저온 또는 고온의 열매체를 냉난방에 사용하기 위하여 저장 및 순환시키기 위한 열매체순환수단을 포함하여 구성되고, 특히 냉난방 및 급탕이 가능한 히트펌프를 운전함에 있어서 동절기에 순간적으로 급탕이 다량 요구되거나 한밤중에 바닥난방에 대하여 난방부하가 최대로 발생되었을때 난방부하를 보완해주기 위하여 기준 난방부하 이하의 용량을 갖는 냉동기를 구비하여 상기 냉동기의 응축기에 의하여 단시간내에 최대난방부하에 대응할 수 있도록 하고, 하절기에 상기 히트펌프에 의하여 냉방운전을 행하면서 부가적으로 발생되는 온수를 이용할 수 있도록 하며, 냉동기와 히트펌프의 운전시 외기온도에 관계없이 높은 냉난방효율을 얻기 위하여 증발기 및 보조열교환기에 의하여 열교환되는 열원으로 지하수 또는 지열을 이용하여 운전을 행하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템에 관한 것이다.

Description

히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템{HEATING, COOLING AND HOT WATER SUPPLY SYSTEM WITH HEAT PUMP}

본 발명은 냉난방 및 급탕시스템에 관한 것으로, 특히 냉난방 및 급탕이 가능한 히트펌프를 운전함에 있어서 동절기에 순간적으로 급탕이 다량 요구되거나 한밤중에 바닥난방에 대하여 난방부하가 최대로 발생되었을때 난방부하를 보완해주기 위하여 기준 난방부하 이하의 용량을 갖는 냉동기를 구비하여 상기 냉동기의 응축기에 의하여 단시간내에 최대난방부하에 대응할 수 있도록 하고, 하절기에 상기 히트펌프에 의하여 냉방운전을 행하면서 부가적으로 발생되는 온수를 이용할 수 있도록 하며, 냉동기와 히트펌프의 운전시 외기온도에 관계없이 높은 냉난방효율을 얻기 위하여 증발기 및 보조열교환기에 의하여 열교환되는 열원으로 지하수 또는 지열을 이용하여 운전을 행하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템에 관한 것이다.

일반적으로 온돌문화가 발달한 우리나라의 대다수의 가정은 동절기에 보일러를 구동시켜 바닥난방이나 급탕을 행하고, 하절기에는 에어컨으로 냉방을 행하며, 필요에 따라 보일러나 별도의 열원을 이용하여 급탕을 행하고 있다.

이상과 같이 동절기와 하절기에 냉난방 수단으로 보일러와 에어컨 또는 별도의 열원을 이용하고 있기 때문에 가정에서 다수의 시스템을 구비하기에는 많은 비용이 소요되고, 상기 냉난방 수단을 모두 설치하였을 경우에는 최대난방부하에 맞게 시스템을 구성하기 때문에 시스템 전체의 용량이 커지는 문제점이 있었다.

또한, 히트펌프 만을 이용하여 난방을 행할 경우에는 응축기에서 발생되는 열에너지 만으로는 난방 및 급탕을 위한 난방부하를 감당할 수 없기 때문에 온수탱크에 별도의 전기히터 또는 버너와 같이 온수를 가열해주기 위한 보조가열수단이 부가되어야만 하기 때문에 다수의 구성이 포함됨으로 인해서 구성이 복잡해지고, 각각의 구성 마다 운전 및 제어가 이루어져야 하는 등의 불편함이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로서, 본 발명의 목적은 히트펌프에 의한 급탕 및 냉난방 운전시 순간적으로 다량의 급탕이 요구되거나 또는 동절기 최대난방부하가 요구될 때 부족한 급탕 또는 난방부하를 상호보완해주기 위하여 범용의 냉동기를 부가하여 시스템을 구성하고, 상기 시스템을 순환하는 온수 및 열매체의 현열을 축열하여 급탕부하시 또는 난방부하시 이를 이용할 수 있도록 축열조를 구비하며, 상기 시스템의 운전시 외기의 조건에 상관없이 고효율을 얻기 위하여 냉동기의 증발기와 히트펌프의 보조열교환기에 지하수 또는 지열과 같은 항온조를 연결하여 열교환이 이루어지도록 한 급탕 및 냉난방 시스템을 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템의 시스템 개략도,

도 2는 본 발명에 의한 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템의 급탕운전시 연결상태를 도시한 시스템 개략도,

도 3은 본 발명에 의한 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템의 급탕 및 난방운전시 연결상태를 도시한 시스템 개략도,

도 4는 본 발명에 의한 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템의 급탕 및 냉방운전시 연결상태를 도시한 시스템 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1: 냉동기 2: 히트펌프

3: 급탕공급수단 4: 열매체순환수단

5: 냉난방부하부 11,21: 압축기

12: 응축기 13: 팽창밸브

14: 증발기 22: 과열열교환기

23: 사방제어밸브 24: 주열교환기

25: 양방향팽창밸브 26: 보조열교환기

30: 상수도공급부 31: 급탕탱크

32: 온수펌프 33,36,48: 체크밸브

34: 급탕공급전자변 35: 바이패스전자변

37: 온수보조열교환기 38: 급탕밸브

39: 온수배관 40: 바이패스관

41: 열매체탱크 42: 열매체펌프

43: 팬코일유닛 44: 분기관

45: 바닥코일 46: 냉난방부하펌프

47,47': 개폐밸브 49: 열매체배관

50: 냉난방배관 60: 지열/지하수배관

이와 같은 본 발명의 목적은, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 순차적으로 연결되어 냉동사이클을 이루고 있는 냉동기; 압축기, 과열열교환기, 사방제어밸브, 주열교환기, 양방향팽창밸브, 보조열교환기가 순차적으로 연결되어 냉난방사이클을 이루고 있는 히트펌프; 상기 냉동기의 응축기 및 상기 히트펌프의 과열열교환기와의 열교환으로 얻어진 고온의 온수를 저장 및 공급하기 위한 급탕공급수단; 및 상기 히트펌프의 주열교환기와의 열교환으로 얻어진 저온 또는 고온의 열매체를 냉난방에 사용하기 위하여 저장 및 순환시키기 위한 열매체순환수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템에 의하여 달성된다.

바람직하게는, 상기 냉동기의 증발기와 상기 히트펌프의 보조열교환기는 지하수 또는 지열에 의하여 열교환이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템에 의하여 달성된다.

더욱 바람직하게, 상기 급탕공급수단은, 급탕 제공을 위하여 온수를 순환시켜 주기 위한 온수펌프; 상기 온수펌프의 직전에 설치되어 급탕의 소모량 만큼 상수도를 보충해주기 위하여 체크밸브가 구비된 상수도공급부; 상기 응축기 및 상기 과열열교환기와의 열교환으로 가열된 온수를 저장하기 위한 급탕탱크; 및 상기 급탕탱크에 연결되어 고온의 온수를 배출시켜 사용하기 위한 급탕밸브를 포함하여 이루어지고, 상기 열매체순환수단은, 냉난방을 위하여 열매체를 순환시켜 주기 위한 열매체펌프; 상기 주열교환기와의 열교환으로 가열 또는 냉각된 열매체를 저장하기 위한 열매체탱크; 및 상기 열매체탱크에 연결되어 고온 또는 저온의 열매체를 냉난방부하부로 순환시켜 주기 위한 냉난방부하펌프를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템에 의하여 달성된다.

또한, 상기 냉난방부하펌프의 출구측과 상기 열매체탱크의 입구측에 분기관을 형성하여 상기 팬코일유닛과 상기 바닥코일이 분기되며, 상기 팬코일유닛과 상기 바닥코일의 입구측에 개폐밸브를 각각 형성하여 선택적 조작을 통하여 실내의 냉난방이 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템에 의하여 달성된다.

또, 상기 급탕공급수단의 응축기의 출구측과 과열열교환기의 출구측에 연결된 온수배관에 바이패스관이 연결되고, 상기 응축기 출구측으로부터 분기된 온수배관 및 바이패스관에 각각 급탕공급전자변 및 바이패스전자변이 형성되며, 상기 히트펌프의 주열교환기로부터 흡수한 열에너지에 대하여 난방시 요구되는 난방부하의 유지를 위하여 상기 주열교환기의 출구측 열매체배관과 상기 응축기 출구측 바이패스관에 온수보조열교환기가 구비되어 상기 난방부하를 상호 보완해주도록 구성되며, 상기 급탕공급전자변 및 상기 바이패스전자변은 급탕탱크 및 열매체탱크 내에 설치된 온도센서로부터 감지된 온도에 의하여 개폐작동되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템에 의하여 달성된다.

이하, 본 발명에 의한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 의한 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템의 시스템 개략도이며, 통상의 냉동기(1)와 히트펌프(2)가 구비된 상태에서 상기 냉동기(1)의 응축기(12)와 상기 히트펌프(2)의 주열교환기(24)로부터 흡수한 열을 이용하여 급탕 및 냉난방을 수행하기 위하여 급탕공급수단(3), 열매체순환수단(4) 및 냉난방부하부(5)가 상기 냉동기(1)와 상기 히트펌프(2)에 연결되어 있으며, 상기 냉동기(1)의 증발기(14)와 상기 히트펌프(2)의 보조열교환기(26)의 열교환 수단으로 항온의 지열 또는 지하수가 연결된 상태가 도시되어 있다.

먼저, 급탕 및 냉난방을 수행하기 위한 상기 히트펌프(2)의 구성을 설명하면, 상기 히트펌프(2)는 통상의 히트펌프와 동일하게 냉매를 고온고압의 상태로 압축하여 배출을 행하기 위한 압축기(21); 상기 히트펌프(2)의 냉방운전 또는 난방운전을 결정하기 위하여 냉매의 흐름방향을 결정하기 위한 사방제어밸브(25); 냉방운전시 증발기의 역할을 수행하고 난방운전시 응축기의 역할을 수행하면서 냉난방부하부(5) 측을 순환하는 열매체와 열교환을 행하기 위한 주열교환기(24); 상기 히트펌프(2)의 배관을 순환하는 냉매를 교축팽창시켜 압력을 급격하게 떨어뜨리기 위한 양방향팽창밸브(25); 및 냉방운전시 응축기의 역할을 수행하고 난방운전시 증발기의 역할을 수행하면서 지하수 또는 지열과 열교환을 행하기 위한 보조열교환기(26)로 구성되어 있고, 상기 히트펌프(2)를 이루고 있는 각각의 구성들이 상기한 순서대로 연결되어 냉난방사이클을 이루고 있으며, 특히 상기 히트펌프(2)의 압축기(21) 출구측에 급탕부하를 보충해주기 위한 과열열교환기(22)가 부가되어 있다.

상기 히트펌프(2)의 급탕부하 및 난방부하를 보충해주기 위하여 부가된 상기 냉동기(1)의 구성을 설명하면, 상기 냉동기(1) 역시 통상의 냉동기(1)와 동일하게 압축기(11); 응축기(12); 팽창밸브(13) 및 증발기(14)로 구성되어 있고, 각각의 구성들이 상기한 순서대로 연결되어 냉동사이클을 이루고 있다.

전술한 바와 같이, 상기 냉동기(1)의 증발기(14)와 상기 히트펌프(2)의 보조열교환기(26)에는 대략 15℃로 항온을 유지하고 있는 지하수 또는 지열과 열교환이 이루어지도록 지열/지하수배관(60)이 연결되어 있다. 상기 증발기(14)와 상기 보조열교환기(26)의 열교환시 지하수 또는 지열의 사용은 하절기 또는 동절기에 외기의 온습도 변화에 따라 냉난방 및 급탕성능이 결정되기 때문에 이를 일정하게 유지시켜주는 것이 필요하며, 이를 위해서는 상기 증발기(14)와 상기 보조열교환기(26)에 항온의 열원인 지하수 또는 지열을 이용하여 열교환을 행할 때 시스템의 성능을 일정하게 유지되므로 이때 최적의 운전조건을 설정하여 전체적으로 시스템의 운전 성능향상을 가져올 수 있다.

상기 냉동기(1)의 응축기(12)와 상기 히트펌프(2)의 과열열교환기(22)와의 열교환으로 얻어진 고온의 온수를 주방 또는 욕실에서 사용하기 위하여 이를 저장및 공급하기 위한 급탕공급수단(3)의 구성을 설명하면, 상기 급탕공급수단(3)은 상기 응축기(12)의 직전에 설치되어 급탕 제공을 위하여 온수를 순환시켜 주기 위한 온수펌프(32); 상기 온수펌프(32)의 직전에 설치되어 급탕의 소모량 만큼 상수도를 보충해주기 위하여 상수도 연결부(미도시됨)와 체크밸브(33)가 구비된 상수도공급부(30); 상기 응축기(12) 및 상기 과열열교환기(22)를 지나면서 가열된 온수를 저장하거나 온도가 낮아진 온수를 다시 가열하기 위하여 상기 응축기(12)로 재순환 시키기 위한 온수가 저장되는 급탕탱크(31); 상기 급탕탱크(31)에 연결되어 고온의 온수를 배출시켜 사용하기 위한 급탕밸브(38); 및 상기한 구성을 연결하여 온수를 순환 또는 공급하기 위한 온수배관(39)으로 구성되어 있다.

한편, 상기 히트펌프(2)에 의한 난방운전시 최대난방부하에 대하여 부족한 난방부하를 보완해주기 위하여 상기 응축기(12)의 출구측과 상기 과열열교환기(22)의 출구측 온수배관(39)에 바이패스관(40)이 연결되고, 상기 주열교환기(24)의 출구측에 연결된 열매체배관(49)과 상기 응축기(12) 출구측으로부터 분기된 상기 바이패스관(40)을 지나는 온수 또는 열매체 사이에 열교환이 이루어져 난방시 요구되는 난방부하가 유지 및 보완되도록 온수보조열교환기(37)가 구비되며, 상기 온수보조열교환기(37)의 출구측에는 온수의 역류를 방지하기 위한 체크밸브(36)가 형성되어 있으며, 상기 응축기(12) 출구측으로부터 분기된 온수배관(39) 및 바이패스관(40)에 선택적으로 온수의 흐름방향을 제어하기 위하여 각각 급탕공급전자변(34) 및 바이패스전자변(35)이 형성되어 있다.

여기서, 상기 급탕공급전자변(34) 및 상기 바이패스전자변(35)은급탕탱크(31) 및 열매체탱크(41) 내에 설치된 온도센서(미도시됨)로부터 감지된 온도에 의하여 자동으로 개폐작동된다.

상기 히트펌프(2)의 주열교환기(24) 또는 상기 냉동기(1)의 응축기(12)와의 열교환으로 얻어진 저온 또는 고온의 열매체를 실내에 설치된 팬코일유닛(43) 또는 바닥코일(45)(온돌)에 의한 냉난방에 사용하기 위하여 이를 저장 및 순환시키기 위한 열매체순환수단(4)의 구성을 설명하면, 상기 열매체순환수단(4)은, 냉난방을 위하여 열매체를 순환시켜 주기 위한 열매체펌프(42); 상기 과열열교환기(22)와 상기 주열교환기(24)와의 열교환으로 가열 또는 냉각된 열매체를 저장하기 위한 열매체탱크(41); 및 상기 열매체탱크(41)에 냉난방배관(50)으로 연결되어 고온 또는 저온의 열매체를 냉난방부하부(5)로 순환시켜 주기 위한 냉난방부하펌프(46)로 구성되어 있다.

상기 냉난방부하부(5)를 통하여 감당되는 냉난방부하는 실내의 온도조건을 설정된 값으로 일정하게 유지시키기 위하여 요구되는 열용량으로서, 상기 주열교환기(24) 또는 상기 응축기(12)와의 열교환에 의하여 가열된 열매체를 실내에 설치된 팬코일유닛(43) 또는 바닥코일(45)로 순환시켜 실내공기와의 열교환으로 냉풍 또는 온풍을 발생시켜주거나 또는 실내 바닥과의 전도 열전달에 의하여 바닥을 가열해주는 방식으로 냉난방을 행함으로써 상기 냉난방부하가 감당된다.

일반적으로, 상기 팬코일유닛(43) 또는 상기 바닥코일(45)의 작동은 개별적으로 이루어지기 때문에 상기 냉난방부하부(5)로의 열매체 순환은 다수의 경로에 대하여 흐름 방향을 설정하여 냉난방을 실시할 수 있다.

도시된 도면과 같이 상기 팬코일유닛(43)과 상기 바닥코일(45)을 개별적으로 운전하기 위한 냉난방배관(50)의 설치예는 다음과 같다. 상기 냉난방부하펌프(46)의 출구측과 상기 열매체탱크(41)의 입구측으로 연장된 냉난방배관(50)에 각각 분기관(44)을 형성하여 상기 팬코일유닛(43)과 상기 바닥코일(45)로 분기되어 있고, 상기 팬코일유닛(43)과 상기 바닥코일(45)의 입구측에 열매체의 흐름방향을 선택적으로 조작할 수 있도록 개폐밸브(47,47')가 각각 형성되어 있으며, 상기 분기관(44) 또는 상기 냉난방배관(50)의 끝단부에는 냉난방을 실시하기 위한 팬코일유닛(43)과 바닥코일(45)이 각각 형성되어 있다. 여기서, 상기 팬코일유닛(43)과 상기 바닥코일(45)의 출구측으로부터 연장되어 상기 열매체탱크(41)의 입구측 냉난방배관(50)과 합류되기 직전의 분기관(44)과 냉난방배관(50)에는 상기 열매체의 역류를 방지하기 위하여 각각 체크밸브(48,48)를 형성하여 실시하는 것이 바람직하다. 상기 분기관(44) 또는 상기 냉난방배관(50)에 형성된 팬코일유닛(43) 또는 바닥코일(45)은 다수의 장소에 설치하기 위하여 병렬 또는 직렬로 연결하여 실시하는 것도 가능하며, 상기 팬코일유닛(43)은 설치 장소에 따라 일반형 또는 직립형과 같이 다양한 형태로 설치하여 실시될 수 있다.

도 2는 본 발명에 의한 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템의 급탕운전시 연결상태를 도시한 시스템 개략도이며, 히트펌프(2)의 급탕운전에 대하여 부족한 급탕부하를 보완하기 위하여 냉동기(1)의 응축기(12)와 열교환되도록 온수배관(39)이 연결된 상태가 도시되어 있다.

평상시에 일정수준 이하의 급탕부하는 상기 히트펌프시스템의 운전으로도 감당될 수 있지만, 아침 또는 저녁시간에 주방과 욕실에서 다량의 온수가 사용될 때(최대급탕부하시)에는 상기 히트펌프(2) 만으로는 급탕부하를 감당할 수 없게 된다.

이때, 상기 냉동기(1)의 운전으로 상기 응축기(12)로부터 급탕부하를 보충받아서 상기 최대급탕부하를 감당할 수 있도록 시스템을 구성하는 것이 필요하다.

이를 위하여, 본 발명에 의한 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템에서 급탕운전을 위한 급탕시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.

상기 급탕시스템은 도 1에 도시된 냉동기(1), 히트펌프(2) 및 급탕공급수단(3)을 온수배관(39)으로 연결하여 상기 냉동기(1)의 응축기(12)와 상기 히트펌프(2)의 과열열교환기(22)에 의하여 가열된 온수를 저장하거나 이를 인출하여 급탕을 실시하도록 되어 있다.

여기서, 상기 냉동기(1)와 상기 히트펌프(2)는 각각 분리된 상태로 설치되어 있고, 상기 냉동기(1)의 증발기(14)와 상기 히트펌프(2)의 보조열교환기(26)에는 지하수 또는 지열이 지나면서 열교환되도록 지열/지하수배관(60)이 연결되어 있으며, 상기 냉동기(1)의 응축기(12)와 상기 히트펌프(2)의 과열열교환기(22)에는 상수도 및 온수가 지나면서 가열될 수 있도록 온수배관(39)이 연결되어 있다.

평상시 상기 급탕시스템의 운전을 설명하면, 상기 급탕탱크(31)에 저장된 저온의 온수 및 상수도공급부(30)로부터 공급된 상수도가 온수펌프(32)에 의하여 급탕공급수단(3)을 이루고 있는 온수배관(39)으로 순환되고, 상기 온수는 운전이 정지된 상기 냉동기(1)의 응축기(12)를 지나서 상기 히트펌프(2)의 과열열교환기(22)로 공급되는데 이때 상기 냉동기(1)의 출구측에 형성된 온수배관(39)으로부터 분기된 바이패스관(40)의 바이패스전자변(35)이 차단되고 급탕공급전자변(34)이 개방되어 상기 과열열교환기(22)로 유입된다.

상기 온수는 상기 히트펌프(2)의 냉방 또는 난방운전에 관계없이 상기 압축기(21)의 출구측에 형성된 과열열교환기(22)를 지나는 고온고압의 냉매에 의하여 열교환되어 가열되고, 상기 과열열교환기(22)를 지나온 상기 온수는 급탕탱크(31)에 저장되어 일측에 연결된 배관을 통하여 주방 또는 욕실의 급탕밸브(38)로 공급되어 급탕이 이루어지며, 상기 급탕탱크(31)로부터 인출되어 소모된 온수는 상기 상수도공급부(30)를 통하여 보충된다.

다량의 온수 또는 급탕의 사용이 될때 상기 급탕시스템의 운전을 설명하면, 아침 또는 저녁시간에는 욕실 및 주방에서 온수의 사용이 일시적으로 급증하는데 이때 상기 히트펌프(2)의 과열열교환기(22)에 의하여 가열되어 상기 급탕탱크(31)에 저장된 온수 만으로는 원활한 온수의 공급이 이루어지지 못한다. 따라서, 대개의 경우 보조히터 등을 상기 급탕탱크(31)에 설치하여 사용하는데 이는 상기 급탕탱크(31) 내의 온도분포가 단시간 내에 고르게 분포되지 않을 뿐만 아니라 상기 보조히터의 주위에만 높은 온도가 형성되므로 상기 급탕밸브(38)를 통하여 온수를 인출하여 사용할 때 차가운 온수가 배출될 수 있기 때문에 온수로서 적합하지 않은 문제점이 있다. 그러므로, 상기 급탕탱크(31)에 저장될 때 이미 균일한 온도분포를 갖는 온수를 저장하는 것이 필요하다.

이에 본 발명에 의한 급탕시스템은 상기 히트펌프(2)를 이용한 급탕시스템에 상기 히트펌프(2)의 용량보다 작은 용량을 갖는 냉동기(1)를 부가하여 운전을 행함으로써 상기 급탕탱크(31) 또는 상기 상수도공급부(30)로부터 유입된 온수 또는 상수도가 온수펌프(32)에 의하여 공급되어 상기 냉동기(1)의 응축기(12)를 지나면서 1차적으로 가열되도록 하고, 상기 히트펌프(2)의 과열열교환기(22)를 지나면서 2차적으로 가열되도록 하여 상기 히트펌프(2) 만으로 운전되었을 때의 최대급탕부하에 대하여 부족한 급탕부하를 보완해주도록 급탕시스템이 구성된다.

상기 급탕탱크(31)로부터 공급된 온수 및 상기 상수도공급부(30)로부터 유입된 상수도는 상기 냉동기(1)의 응축기(12)를 지나면서 1차적으로 가열되어 상기 과열열교환기(22)로 유입되는데 이때에도 상기 바이패스관(40)에 형성된 바이패스전자변(35)이 차단되고 상기 온수배관(39)에 형성된 급탕공급전자변(34)이 개방되면서 온수의 유로가 결정된다.

상기 온수는 상기 히트펌프(2)의 과열열교환기(22)를 지나는 고온고압의 냉매에 의하여 열교환되어 2차적으로 가열되고, 상기 과열열교환기(22)를 지나온 상기 온수는 급탕탱크(31)에 저장되어 일측에 연결된 배관을 통하여 주방 또는 욕실의 급탕밸브(38)로 공급되어 급탕이 이루어지며, 상기 급탕탱크(31)로부터 인출되어 소모된 온수는 상기 상수도공급부(30)를 통하여 보충된다.

한편, 상기 냉동기(1) 및 상기 히트펌프(2)가 함께 운전되는 동안 급탕시스템의 급탕부하가 충분하여 상기 히트펌프(2)가 정지된 경우에는 상기 바이패스전자변(35)이 개방되고, 상기 급탕공급전자변(34)이 차단되어 상기 온수배관(39) 내의 온수는 온수보조열교환기(37)를 통하여 열매체탱크(41)에 축열된 열을 보충받게 된다.

도 3은 본 발명에 의한 히트펌프(2)를 구비한 냉난방 및 급탕시스템의 급탕 및 난방운전시 연결상태를 도시한 시스템 개략도이며, 급탕 및 난방운전을 위하여 상기 냉동기(1)와 상기 히트펌프(2)에 급탕공급수단(3) 및 냉난방부하부(5)를 포함하는 열매체순환수단(4)이 연결된 상태가 도시되어 있다.

도 3에 도시된 냉난방 및 급탕시스템은 급탕운전을 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 급탕공급수단(3)이 상기 냉동기(1) 및 상기 히트펌프(2)에 연결되어 있고, 난방운전을 위하여 상기 히트펌프(2)의 주열교환기(24)에 상기 열매체순환수단(4)이 열매체배관(49)에 의하여 연결되어 있으며, 상기 열매체배관(49)의 끝단부에 연결되어 열매체를 저장하기 위한 열매체탱크(41)에는 실내의 난방을 행하기 위한 냉난방부하부(5)가 냉난방배관(50)에 의하여 연결되어 있다.

도 3에 도시된 냉난방 및 급탕시스템에 의한 급탕운전은 도 2에 도시된 급탕시스템을 운전하는 방법과 동일하게 운전되는데, 평상시 히트펌프(2)에 의존하여 급탕운전이 이루어지며, 최대난방부하 발생시 상기 히트펌프(2) 및 상기 냉동기(1)를 함께 구동시켜 최대난방부하에 대하여 부족한 난방부하를 상기 냉동기(1)의 응축기(12)로부터 얻어서 보완되도록 급탕운전이 이루어진다.

상기 냉난방 및 급탕시스템에 의한 난방운전을 행하기 위해서는 도면에 도시된 바와 같이 열매체순환수단(4)의 열매체탱크(41) 내에 저장된 열매체를 열매체펌프(42)에 의하여 열매체배관(49)을 통하여 상기 히트펌프(2)의 주열교환기(24)로 공급하고, 상기 주열교환기(24)로 유입된 상기 열매체는 상기 히트펌프(2)의 압축기(21)로부터 압축되어 토출된 고온고압의 냉매와 상기 주열교환기(24)에서 열교환에 의해 가열되어 상기 열매체탱크(41)로 유입되어 현열이 축열되며, 상기 열매체탱크(41)에 저장된 열매체의 일부는 냉난방배관(50)을 통하여 상기 냉난방부하부(5)로 공급되고 상기 냉난방부하부(5)를 지나면서 냉각된 상기 열매체는 다시 상기 열매체탱크(41)로 환수되어 상기 열매체배관(49)을 통하여 주열교환기(24)로 순환되어 재가열된다. 한편, 상기 주열교환기(24)에서 상기 열매체와 열교환된 냉매는 저온고압으로 응축되어 이후 양방향팽창밸브(25)를 지나면서 교축팽창되고, 상기 양방향팽창밸브(25)에 의하여 저온저압의 기체상태로 상변화된 상기 냉매는 보조열교환기(26)를 지나면서 지하수 또는 지열과의 열교환으로 소폭 온도가 상승되어 사방제어밸브(25)를 통하여 다시 상기 압축기(21)로 유입된다.

상기 냉난방부하부(5)로 공급되는 고온의 열매체는 상기 열매체탱크(41)의 출구측에 형성된 냉난방부하펌프(46)에 의하여 팬코일유닛(43) 또는 바닥코일(45)로 공급되는데, 상기 냉난방부하펌프(46)의 출구측에 연결된 냉난방배관(50)은 다수의 장소로 상기 열매체를 순환시켜 냉난방을 행하기 위하여 분기관(44)에 의하여 분기되어 있으며, 상기 분기관(44)의 끝단부에는 실내의 공기를 데워주기 위한 팬코일유닛(43)이 형성되어 있으며, 상기 분기관(44)에 의하여 분기되지 않고 연장된 냉난방배관(50)에는 방바닥을 데워주기 위한 바닥코일(45)이 형성되어 있다. 여기서, 상기 열매체탱크(41)의 출구측 냉난방배관(50)이 분기되어 연장된 분기관(44) 및 냉난방배관(50)에는 각각 개폐밸브(47,47')가 형성되어 있으므로 상기 개폐밸브(47,47')의 조작을 통하여 상기 팬코일유닛(43)과 상기 바닥코일(45)을 함께 작동시키거나 또는 개별적으로 작동시켜 난방을 행할 수 있다. 상기 팬코일유닛(43)의 출구측에 연결된 분기관(44)과 상기 바닥코일(45)의 출구측에 연결된 냉난방배관(50)이 하나의 냉난방배관(50)으로 합류되기 이전에 체크밸브(48,48')를 형성하여 열매체의 역류를 방지하는 것이 바람직하다.

아울러, 상기 히트펌프(2)의 주열교환기(24)에 의하여 가열된 열매체를 순환시켜 난방을 행할경우 난방부하가 크게 요구되지 않는 경우에는 사용이 가능하지만, 외기의 온도가 급격하게 떨어지거나 귀가 후 실내온도를 단시간 내에 상승시키고자 할 경우에는 상기 난방시스템에 최대난방부하가 요구되므로 상기 냉동기(1)를 작동시켜 상기 응축기(12)에 의하여 가열된 온수와의 열교환을 통하여 열매체를 더욱 가열시키는 것이 필요하다. 따라서, 상기 냉동기(1)의 응축기(12) 출구측 온수배관(39)으로부터 분기된 바이패스관(40)에 형성된 바이패스전자변(35)을 개방시켜 온수를 우회시키고, 상기 바이패스관(40)의 끝단부에는 온수보조열교환기(37)를 형성하여 상기 주열교환기(24)에 의하여 가열된 열매체가 상기 온수보조열교환기(37)를 지나도록 하여 상기 온수와의 열교환으로 상기 열매체가 더욱 가열되도록 하여 최대난방부하의 부족분에 대한 보완이 이루어지도록 난방시스템이 구성되어 있다. 상기 온수보조열교환기(37)의 출구측에 연결된 바이패스관(40)에는 상기 열매체와의 열교환으로 냉각되어 순환되는 온수가 역류되지 않도록 체크밸브(36)가 형성되어 있다.

도 4는 본 발명에 의한 히트펌프(2)를 구비한 냉난방 및 급탕시스템의 급탕 및 냉방운전시 연결상태를 도시한 시스템 개략도이며, 급탕 및 냉방운전을 위하여 상기 냉동기(1)와 상기 히트펌프(2)에 급탕공급수단(3) 및 냉난방부하부(5)를 포함하는 열매체순환수단(4)이 연결된 상태가 도시되어 있다.

도 4에 도시된 냉난방 및 급탕시스템은 급탕운전을 위하여 도 2에 도시된 바와 같이 급탕공급수단(3)이 상기 냉동기(1) 및 상기 히트펌프(2)에 연결되어 있고, 냉방운전을 위하여 상기 히트펌프(2)의 주열교환기(24)에 상기 열매체순환수단(4)이 열매체배관(49)에 의하여 연결되어 있으며, 상기 열매체배관(49)의 끝단부에 연결되어 열매체를 저장하기 위한 열매체탱크(41)에는 실내의 냉방을 행하기 위한 냉난방부하부(5)가 연결되어 있다.

도 4에 도시된 냉난방 및 급탕시스템에 의한 급탕운전은 도 2에 도시된 급탕시스템을 운전하는 방법과 동일하게 운전된다.

상기 냉난방 및 급탕시스템에 의한 냉방운전을 행하기 위해서는 도면에 도시된 바와 같이 열매체순환수단(4)의 열매체탱크(41) 내에 저장된 열매체는 열매체배관(49)을 통하여 열매체펌프(42)에 의하여 상기 히트펌프(2)의 주열교환기(24)로 공급되고, 상기 주열교환기(24)로 유입된 상기 열매체는 상기 히트펌프(2)의 양방향팽창밸브(25)에 의하여 교축팽창되어 저온저압의 기체상태로 상변화된 냉매와의 열교환에 의하여 냉각되어 온수보조열교환기(37)를 지나서 상기 열매체탱크(41)로 유입되어 현열이 축열된다. 상기 열매체탱크(41)에 저장된 열매체의 일부는 상기 냉난방부하부(5)로 공급되고, 상기 냉난방부하부(5)를 지나면서 열을 흡수한 상기 열매체는 다시 상기 열매체탱크(41)로 환수되어 열매체펌프(42)의 작동으로 상기 열매체배관(49)을 통하여 주열교환기(24)로 순환되어 재냉각된다. 한편, 상기 주열교환기(24)에서 상기 열매체와 열교환된 냉매는 증발되어 이후 사방제어밸브(25)를 통하여 압축기(21)로 유입되고, 상기 압축기(21)에서 고온고압의 기체로 압축되어 토출된 냉매는 과열열교환기(22)를 지나면서 온수와의 열교환으로 소폭 냉각되며, 상기 사방제어밸브(25)를 통하여 보조열교환기(26)로 유입된 냉매는 지하수 또는 지열과의 열교환으로 더욱 냉각되어 저온고압의 냉매로 응축이 이루어지며, 상기 냉매는 양방향팽창밸브(25)를 지나면서 교축팽창되어 저온저압의 기체상태로 상변화되어 상기 주열교환기(24)로 이송된다.

일반적으로, 냉방이 요구되는 하절기에는 팬코일유닛(43)에 의한 실내의 냉방이 주로 이루어지므로 바닥코일(45)에 의한 바닥냉방을 제외한 상태에서의 냉난방부하부(5)의 열매체 순환 경로가 결정되어 냉방운전이 수행된다. 따라서, 상기 냉난방부하부(5)로 공급되는 저온의 열매체는 상기 열매체탱크(41)의 출구측에 형성된 냉난방부하펌프(46)에 의하여 팬코일유닛(43)으로 공급되어 실내공기와의 열교환으로 실내의 냉방이 이루어진다.

상기 냉난방부하부(5)는 도 3에 도시된 난방시스템과 동일하게, 상기 냉난방부하펌프(46)의 출구측에 연결된 냉난방배관(50)은 다수의 장소에 상기 열매체를 순환시켜 냉난방을 행하기 위하여 분기관(44)에 의하여 분기되어 있고, 상기 분기관(44)이 연장된 끝단부에는 실내의 공기를 데우거나 냉각시키기 위한 팬코일유닛(43)이 형성되어 있고, 상기 분기관(44)에 의하여 분기되지 않고 연장된 상기 냉난방배관(50)에는 바닥코일(45)이 형성되어 있으며, 상기 분기관(44) 및 상기 냉난방배관(50)에는 개폐밸브(47,47')가 형성되어 있다.

따라서, 냉방운전시에는 상기 바닥코일(45) 측의 개폐밸브(47)를 차단시키고상기 팬코일유닛(43) 측의 개폐밸브(47')를 개방시켜 상기 팬코일유닛(43)으로 열매체가 순환되도록 유로를 결정하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 팬코일유닛(43)과 상기 바닥코일(45)의 출구측에는 상기한 난방운전시와 같이 체크밸브(48,48')를 형성하여 열매체의 역류를 방지하는 것이 바람직하다.

또한, 도 4에 도시된 냉난방 및 급탕시스템에 의한 냉방운전시에는 열매체순환수단(4)의 열매체배관(49) 내로 저온의 열매체가 순환되기 때문에 난방운전시에 사용된 온수보조열교환기(37)가 사용되지 않으며, 동시에 상기 급탕공급수단(3)의 바이패스관(40)에 형성된 바이패스전자변(35)이 차단되어 상기 온수보조열교환기(37)로 온수가 유입되지 않는다.

이상에서 설명한 본 발명에 의한 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환과 변경이 가능함이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 히트펌프에 의한 급탕운전시 순간적으로 다량의 급탕이 요구될때 즉, 최대급탕부하시 상기 급탕이 원활하게 공급되지 못하여 발생되는 급탕부하를 보완해주기 위하여 상기 히트펌프에 냉동기를 부가하고, 상기 냉동기의 응축기에 급탕공급수단의 온수배관을 연결한 후 온수를 지나게 하여 1차적으로 온수를 가열해주며, 이후 상기 온수를 상기 히트펌프의 과열열교환기를 지나게 하여 2차적으로 온수를 가열하여 신속하게 다량의 온수공급이 가능하도록 하였다.

또한, 상기 히트펌프에 의한 난방운전시 동절기 최대난방부하가 요구될때 상기 히트펌프의 난방운전만으로는 최대난방부하를 감당할 수 없으므로 이를 보완해주기 위하여 상기 히트펌프에 냉동기를 부가하여 응축기에 의하여 가열된 온수와 열교환하기 위한 온수보조열교환기를 열매체순환수단에 형성하여 상기 온수와의 열교환으로 열매체가 더욱 가열되도록 하여 부족한 난방부하를 보완해 주었으며, 상기 히트펌프에 의한 냉방운전시에도 상기 급탕공급수단이 과열열교환기에 연결되어 다량의 온수공급이 가능하도록 하였다.

아울러, 상기 급탕공급수단 및 상기 열매체순환수단을 통하여 순환하면서 열을 흡수한 온수 및 열매체의 현열을 축열하여 급탕부하시 또는 냉난방부하시 이를 이용할 수 있도록 축열조를 구비하여 원활한 급탕 및 냉난방이 가능하도록 하였으며, 본 발명에 의한 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템의 운전시 상기 히트펌프의 보조열교환기 및 상기 냉동기의 증발기가 외기의 조건에 상관없이 일정한 온도 조건에서 열교환이 이루어져 전반적인 시스템의 성능향상을 얻기 위하여 상기 보조열교환기 및 상기 증발기에 지열/지하수배관을 연결하여 지하수 또는 지열이 공급되어 열교환이 이루어질 수 있도록 하였다.

Claims (7)

1. 압축기(11), 응축기(12), 팽창밸브(13) 및 증발기(14)가 순차적으로 연결되어 냉동사이클을 이루고 있는 냉동기(1);

   압축기(21), 과열열교환기(22), 사방제어밸브(25), 주열교환기(24), 양방향팽창밸브(25), 보조열교환기(26)가 순차적으로 연결되어 냉난방사이클을 이루고 있는 히트펌프(2);

   상기 냉동기(1)의 응축기(12) 및 상기 히트펌프(2)의 과열열교환기(22)와의 열교환으로 얻어진 고온의 온수를 저장 및 공급하기 위한 급탕공급수단(3); 및

   상기 히트펌프(2)의 주열교환기(24)와의 열교환으로 얻어진 저온 또는 고온의 열매체를 냉난방에 사용하기 위하여 저장 및 순환시키기 위한 열매체순환수단(4);

   을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 냉동기(1)의 증발기(14)와 상기 히트펌프(2)의 보조열교환기(26)는 지하수 또는 지열에 의하여 열교환이 이루어지도록 한 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 급탕공급수단(3)은,

   급탕 제공을 위하여 온수를 순환시켜 주기 위한 온수펌프(32);

   상기 온수펌프(32)의 직전에 설치되어 급탕의 소모량 만큼 상수도를 보충해주기 위하여 체크밸브(33)가 구비된 상수도공급부(30);

   상기 응축기(12) 및 상기 과열열교환기(22)와의 열교환으로 가열된 온수를 저장하기 위한 급탕탱크(31); 및

   상기 급탕탱크(31)에 연결되어 고온의 온수를 배출시켜 사용하기 위한 급탕밸브(38);

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 열매체순환수단(4)은,

   냉난방을 위하여 열매체를 순환시켜 주기 위한 열매체펌프(42);

   상기 주열교환기(24)와의 열교환으로 가열 또는 냉각된 열매체를 저장하기 위한 열매체탱크(41); 및

   상기 열매체탱크(41)에 연결되어 고온 또는 저온의 열매체를 냉난방부하부(5)로 순환시켜 주기 위한 냉난방부하펌프(46);

   를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 냉난방부하펌프(46)의 출구측과 상기 열매체탱크(41)의 입구측에 분기관(44)을 형성하여 상기 팬코일유닛(43)과 상기 바닥코일(45)이 분기되며, 상기 팬코일유닛(43)과 상기 바닥코일(45)의 입구측에 개폐밸브(47,47')를 각각 형성하여 선택적 조작을 통하여 실내의 냉난방이 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템.
6. 제1항에 있어서,

   상기 급탕공급수단(3)의 응축기(12)의 출구측과 과열열교관기(22)의 출구측에 연결된 온수배관(39)에 각각 바이패스관(40)이 연결되고, 상기 응축기(12) 출구측으로부터 분기된 온수배관(39) 및 바이패스관(40)에 각각 급탕공급전자변(34) 및 바이패스전자변(35)이 형성되며, 상기 히트펌프(2)의 주열교환기(24)로부터 흡수한 열에너지에 대하여 냉난방시 요구되는 난방부하의 유지를 위하여 상기 주열교환기(24)의 출구측 열매체배관(49)과 상기 응축기(12) 출구측 바이패스관(40)에 온수보조열교환기(37)가 구비되어 상기 난방부하를 상호 보완해주도록 구성된 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템.
7. 제6항에 있어서,

   상기 급탕공급전자변(34) 및 상기 바이패스전자변(35)은 급탕탱크(31) 및 열매체탱크(41) 내에 설치된 온도센서로부터 감지된 온도에 의하여 개폐작동되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 구비한 냉난방 및 급탕시스템.