KR20190058237A - 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템 - Google Patents

온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간단한 구성에 의해 잉여에너지를 이용하여 급탕을 공급함과 동시에 장치의 과냉각을 방지하여 장치의 효율을 대폭적으로 개선하도록 된 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 열매체가 순환되는 순환라인(20)에 의해 상호 연결되는 압축기(33), 응축기, 팽창밸브(34) 및 증발기를 포함하는 히트펌프시스템에 있어서; 상기 순환라인(20) 상에 연결되어 냉방 또는 난방운전시에 상기 응축기 또는 증발기로 작동되도록 구비되고, 지열을 포함한 열원(S) 측과의 열교환이 이루어지도록 열원수가 순환되는 열원공급라인(21)에 연결된 제1 열교환기(31)와; 상기 제1 열교환기(31)에 대응되어 증발기 또는 응축기로 작동되도록 구비되고, 냉난방을 공급하도록 부하공급라인(22)에 의해 부하(R) 측에 연결되는 제2 열교환기(32)와; 상기 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 위치되도록 상기 순환라인(20) 상에 연결되어 열매체와의 열교환을 통해 급탕(H)을 공급하도록 된 급탕공급라인(23)이 연결되며, 상기 순환라인(20) 상의 열매체의 흐름과 상기 급탕공급라인(23) 상의 피가열수의 흐름이 상호 반대방향으로 흐르도록 연결되는 급탕 및 과냉각 열교환기(35)와; 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 가열된 고온수를 저장하도록 된 단일의 탱크로 구비되되, 탱크 하부측의 저온수와는 온도차를 갖는 고온수를 탱크의 상부측으로 충전하도록 된 온도성층형 급탕탱크(40)를 포함하는 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템이 제공된다.

Description

온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템{Hot water and supercooling heat pump system using a thermal stratification type hot water tank}
본 발명은 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구성에 의해 잉여에너지를 이용하여 급탕을 공급함과 동시에 장치의 과냉각을 방지하여 장치의 효율을 대폭적으로 개선하도록 된 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프시스템은 압축기, 응축기, 증발기 그리고 팽창밸브를 포함하여 이루어져 열매체를 순환시킴에 따라 열을 흡수 또는 방출하여 냉난방과 냉온수를 기본적으로 공급함과 동시에 단시간 내에 일시적으로 온수를 생산하기 위한 급탕기능을 갖는 것인데, 이러한 종래의 히트펌프시스템을 도시된 도면에 의해 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 긴급 상황에서 급탕(H)을 공급하기 위해 디슈퍼히터(15)(과열저감기 또는 급탕열교환기라 함)를 구비한 히트펌프시스템으로, 이는 통상적인 히트펌프의 구성인 압축기(13), 응축기, 증발기 그리고 팽창밸브(14)를 포함하여 이루어져 순환하는 냉매의 상변화를 통해 열을 흡수 또는 방출하여 냉온수 또는 냉난방을 공급하도록 된 것이다.
이러한 구성에 더하여 압축기(13)로부터 공급되는 고온 고압의 핫가스를 이용하여 순간적으로 물을 가열함에 따라 급탕(H)을 공급하도록 된 디슈퍼히터(15)가 구비되는데, 이러한 디슈퍼히터(15)가 구비된 종래의 히트펌프시스템에 의해서는 냉방과 급탕(H)을 동시에 공급하거나 난방시에도 필요한 경우에 급탕(H)을 공급할 수 있다는 점에서 효과가 있는 것이기는 하나, 난방과 급탕(H)을 동시에 사용하는 경우에는 응축기로 작동되는 제2 열교환기(12) 측에서의 열교환 효율이 대폭적으로 떨어지는 문제점이 있을 뿐만 아니라 상기 디슈퍼히터(15)에서 1차적으로 열교환이 이루어져 상대적으로 낮은 온도를 통과되는 열매체를 응축하기 위해 온도를 높임에 따라 고압이 발생되는 문제점이 있는 것이다.
한편 냉방과 급탕(H)을 동시에 공급하는 경우에는 상기 디슈퍼히터(15)에 의해 급탕(H)을 공급하는 열매체는 응축기로 작동되는 상기 제2 열교환기(12) 측에서 에너지원의 30% 정도를 소비하고, 나머지 70%의 잉여에너지원을 제1 열교환기(11) 측에서 지중열과 같은 열원(S)과의 열교환을 통해 에너지를 방출함으로 인해 에너지원의 낭비가 발생되는 문제점이 있는 것이다.
또한 급탕(H)이 없는 냉방전용의 장치일 경우에도 상기 디슈퍼히터(15)의 작동이 정지된 상태로 구비됨에 따라, 운전모드에 따라 구성의 일부가 정지된 상태가 되어 시스템의 전체적인 성적계수나 효율을 증대시키는 데에 활용도가 떨어지는 단점이 있는 것이다.
한국 등록특허공보 제10-1148714호(2012. 05. 11)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 통상의 디슈퍼히터를 배제한 상태에서도 잉여에너지를 이용하여 급탕이 가능하도록 장치를 구성함에 따라 에너지원의 낭비를 줄임과 동시에 장치의 과냉각을 방지하여 효율을 대폭적으로 개선할 수 있는 시스템을 제공하며, 간단한 감지구조와 유량조절 구조에 의해 성층형탱크 내의 온도분포나 가열상태를 개선할 수 있도록 된 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 특징에 따르면, 열매체가 순환되는 순환라인(20)에 의해 상호 연결되는 압축기(33), 응축기, 팽창밸브(34) 및 증발기를 포함하는 히트펌프시스템에 있어서;
상기 순환라인(20) 상에 연결되어 냉방 또는 난방운전시에 상기 응축기 또는 증발기로 작동되도록 구비되고, 지열을 포함한 열원(S) 측과의 열교환이 이루어지도록 된 제1 열교환기(31)와;
상기 제1 열교환기(31)에 대응되어 증발기 또는 응축기로 작동되도록 구비되고, 냉난방을 공급하도록 부하공급라인(22)에 의해 부하(R) 측에 연결되는 제2 열교환기(32)와;
상기 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 위치되도록 상기 순환라인(20) 상에 연결되어 열매체와의 열교환을 통해 급탕(H)을 공급하도록 된 급탕공급라인(23)이 연결되며, 상기 순환라인(20) 상의 열매체의 흐름과 상기 급탕공급라인(23) 상의 피가열수의 흐름이 상호 반대방향으로 흐르도록 연결되는 급탕 및 과냉각 열교환기(35)와;
상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 가열된 고온수를 저장하도록 된 단일의 탱크로 구비되되, 탱크 하부측의 저온수와는 온도차를 갖는 고온수를 탱크의 상부측으로 충전하도록 된 온도성층형 급탕탱크(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 온도성층형 급탕탱크(40)의 하부측 또는 출구측에는 저온수의 온도를 감지하도록 된 저온측 온도센서(41)가 구비되고;
상기 급탕공급라인(23) 상에는 상기 저온측 온도센서(41)에 의해 감지된 온도가 일정 온도 이하일 때에 작동하도록 구비되되, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)의 출구측에서 저온수의 온도를 감지하도록 된 급탕측 온도센서(43)와, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)의 입구측에 위치되어 상기 급탕측 온도센서(43)에 의해 감지된 온도에 따라 저온수의 순환량을 조절하도록 된 급탕측 유량밸브(44)가 연결된 것을 특징으로 하는 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제1 열교환기(31) 측에는 상기 저온측 온도센서(41)에 의해 감지된 온도가 일정 온도 이상일 때에 작동하도록 구비되되, 상기 제1 열교환기(31)의 입구 또는 출구측 온도를 감지하도록 된 열원측 온도센서(45)와, 상기 열원측 온도센서(45)에 의해 감지된 온도에 따라 열원(S)의 순환량을 조절하도록 된 열원측 유량제어수단(46)이 구비된 것을 특징으로 하는 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 순환라인(20) 상에는 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)를 우회하여 열매체가 흐르도록 된 바이패스라인(60)이 형성되고;
상기 부하공급라인(22) 상에는 상기 제2 열교환기(32)의 입구측에 위치되어 냉난방수의 온도를 감지하도록 된 부하측 온도센서(70)가 구비되며;
상기 순환라인(20) 상의 열매체는 상기 부하측 온도센서(70)에 의해 냉난방수의 온도가 일정 온도 이하일 때에 상기 바이패스라인(60)을 통해 흐르도록 된 것을 특징으로 하는 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 열원(S)은 열원공급라인(21)에 의해 상기 제1 열교환기(31)에 연결되는 지중열원(S1) 및 상기 지중열원(S1)에 대해 병렬로 연결되는 쿨링타워로 된 냉각열원(S2)을 포함하며;
상기 지중열원(S1)이나 냉각열원(S2)은 모드전환에 의해 선택적으로 사용하도록 된 것을 특징으로 하는 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템이 제공된다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 상기 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 급탕 및 과냉각 열교환기(35)가 위치됨에 따라, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 시스템의 작동과정에서 발생되는 잉여에너지를 이용하여 급탕(H)을 공급하거나 열매체를 과냉각시켜 장치의 효율적인 작동이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명은 온도성층형 급탕탱크(40)에 의해 저온수를 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 공급한 후에, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 가열된 고온수를 상기 온도성층형 급탕탱크(40) 내에 저장하도록 구비됨에 따라, 단일의 탱크에 의해 저온수와 고온수를 상하로 분포시켜 저온수와 고온수를 개별적으로 충전하는 복수개의 탱크구조로 구비되는 것에 비해 컴팩트한 시스템을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 급탕공급라인(23) 상에 급탕측 온도센서(43)와 급탕측 유량밸브(44)가 구비됨에 따라, 온도성층형 급탕탱크(40) 내의 저온수 온도가 일정 온도 이하일 때에 상기 급탕측 온도센서(43)와 급탕측 유량밸브(44)에 의해 가열량을 조절하여 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의한 가열효과를 높임과 동시에 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에서의 열교환에 따른 열매체의 과냉각 효과에 의해 다른 열교환기나 팽창밸브(34)로 전달되는 열매체의 상태를 최적화시켜 장치의 작동효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 제1 열교환기(31) 측에 열원측 온도센서(45)와 열원측 유량제어수단(46)이 구비됨에 따라, 온도성층형 급탕탱크(40) 내의 저온수 온도가 일정 온도 이상일 때에 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)의 작동이 정지됨에 따른 열매체와의 열교환을 열원(S)에 의해 활성화시켜 장치의 작동효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)를 우회하여 열매체가 흐르도록 된 바이패스라인(60)이 형성되고, 상기 제2 열교환기(32)의 입구측에서 냉난방수의 온도를 감지하도록 된 부하측 온도센서(70)가 구비됨에 따라, 냉난방수의 온도가 일정 온도 이하일 때에 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)를 우회하여 열매체가 흐르도록 하여 열매체의 유동저항이 증가되는 것을 방지하고, 그에 따른 열매체의 순환량이 감소와 증발기 측에서의 온도저하 및 동파 등을 방지할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 지중열원(S1)이나 쿨링타워와 같은 냉각열원(S2)을 병렬로 연결하여 선택적으로 사용할 수 있도록 구비됨에 따라, 열원(S)의 공급상태나 계절적 특성 등에 따라 적절하게 연결하여 열교환 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 종래의 일례를 도시한 구성도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 구성도
도 3은 본 발명의 작동상태를 도시한 흐름도
도 4는 본 발명의 다른 작동상태를 도시한 흐름도
도 5는 본 발명의 또 다른 작동상태를 도시한 흐름도
도 6은 본 발명의 또 다른 작동상태를 도시한 흐름도
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성 및 작동상태 흐름도
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 다른 작동상태를 도시한 흐름도
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 구성 및 작동상태 흐름도
상술한 본 발명의 목적, 특징들 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시예를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 열매체가 순환되는 순환라인(20)에 의해 제1 열교환기(31), 제2 열교환기(32), 압축기(33) 그리고 팽창밸브(34)가 상호 연결되어 열매체의 상변화에 의해 열교환이 이루어져 부하(R) 측에 냉난방을 공급하고, 상기 제2 열교환기(32)에서 열매체와의 열교환 후에 남은 잉여에너지를 이용하여 급탕(H)을 공급하도록 된 급탕 및 과냉각 열교환기(35)가 구비된 것이다.
구체적으로, 상기 제1 열교환기(31)는 지열이나 공기열 또는 폐수열 등과 같은 다양한 형태의 열원(S)을 이용하여 열교환 효율을 증대시킬 수 있도록 구비되는데, 이를 위해 상기 제1 열교환기(31)에는 열원(S) 측으로 연장되는 열원공급라인(21)이 연결될 수 있고, 이 열원공급라인(21) 상에는 물 또는 브라인(brine)과 같은 열교환매체가 순환되면서 상기 제1 열교환기(31)에 의해 열교환이 이루어지도록 되어 있다.
또한 상기 제2 열교환기(32)에는 냉온수 또는 냉난방을 공급할 수 있도록 된 부하공급라인(22)이 연결되고, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기 측에는 급탕(H)을 공급하기 위한 급탕공급라인(23)이 연결되며, 상기 순환라인(20) 상에는 냉매의 흐름을 절환할 수 있는 사방밸브와 같은 절환밸브(36)가 구비되는데, 상기 절환밸브(36)에 의해서는 상기 제1 열교환기(31) 또는 제2 열교환기(32) 측에 우선적으로 열매체를 공급하도록 절환시킴에 따라 증발기 또는 응축기로 작동되는 상기 제1 열교환기(31) 또는 제2 열교환기(32)에 의해 냉온수(또는 냉난방)을 공급할 수 있도록 된 것이다.
구체적으로는, 겨울철에 온수와 난방이 필요한 경우(난방운전일 경우)에는 상기 제1 열교환기(31)는 증발기로 작동되고, 상기 제2 열교환기(32)는 응축기로 작동되며, 여름철에 냉수 또는 냉방이 필요할 경우(냉방운전일 경우)에는 상기 제1 열교환기(31)는 응축기로 작동되고, 상기 제2 열교환기(32)는 증발기로 작동되게 된다.
한편, 상기 순환라인(20) 상에는 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 급탕 및 과냉각 열교환기(35)가 위치되고, 그 전단 또는 후단에 난방운전 또는 냉방운전에 따라 냉매의 흐름을 제어하는 체크밸브(47~50) 및 팽창밸브(34)가 위치된 것으로, 상기 제2 열교환기(32)에 의해서는 부하(R) 측에 냉방이나 난방을 공급하게 되고, 이를 위해 상기 제2 열교환기(32) 상에는 냉난방수가 흐르도록 된 부하공급라인(22)이 연장 형성될 수 있는 것이다.
또한 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35) 측에는 급탕(H)을 공급하기 위한 고온수를 저장하도록 된 탱크가 연결될 수 있는데, 이 탱크는 일정량의 물을 충전한 상태로 상기 급탕공급라인(23)을 통해 공급하여 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 가열된 고온수를 다시 충전할 수 있도록 된 온도성층형 급탕탱크(40)로, 이는 단일의 탱크 내에 상하방향으로 온도분포를 달리하는 물이 일정한 층을 형성하여 동시에 저장이 가능하도록 한 것으로, 온도에 따른 물의 밀도차를 이용하여 저온수와 고온수를 층상으로 저장하는 것이다.
이러한 온도성층형 급탕탱크(40)에는 하부측에 공급배관(55)이 연결됨과 동시에 상부측에 급탕배관(56)이 연결되고, 물의 유출입시에 안정적이면서도 균일한 유출이 가능하도록 노즐(57,58)이 구비되며, 상하부 일측에는 각각 저온수와 고온수의 물온도를 감지 및 측정하도록 된 저온측 온도센서(41)와 고온측 온도센서(42)가 구비된 것이다.
이러한 온도성층형 급탕탱크(40)에는 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)가 연결되어 원하는 온도의 고온수를 생산하게 되는데, 이를 위해 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)는 상기 온도성층형 급탕탱크(40)의 하부측에서 저온수를 공급받도록 연결되고, 상부측으로 고온수를 저장하도록 연결되게 된다. 이때에 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35) 상에는 상기 순환라인(20) 상의 열매체의 흐름과 상기 급탕공급라인(23) 상의 피가열수의 흐름이 상호 반대방향으로 흐르도록 연결됨에 따라 대향류에 의한 가열효과를 발휘하게 된다.
또한 상기 급탕공급라인(40) 상에는 급탕 및 과냉각 열교환기(35)의 출구측에 급탕측 온도센서(43)가 구비되고, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(37)의 입구측에 급탕측 유량밸브(44)가 구비되는데, 이는 상기 온도성층형 급탕탱크(40)의 저온측 온도센서(41)에 의해 감지된 온도에 따라 작동되도록 제어될 수 있는 것이다.
예를 들면, 50도 정도의 고온수를 급탕(H)으로 제공하고자 하는데 상기 온도성층형 급탕탱크(40) 내의 저온수 온도가 30도 이하라면, 상기 저온측 온도센서(41)에 의해 저온수의 온도가 30도 이하임을 감지한 신호에 따라 상기 급탕측 온도센서(43)에 의해 50도로 셋팅하여 상기 급탕측 유량밸브(44)에 의해 저온수의 유량을 조절하여 공급함에 따라 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 50도로 가열할 수 있도록 한 것이다.
여기에서 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)를 작동시켜 열매체와의 열교환이 이루어지면 전술된 바와 같이 저온수를 가열하여 고온수를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 열교환 과정에서 열매체를 과냉각시킬 수 있음에 따라 고압발생 등을 억제하여 후단의 팽창밸브(34)나 장치 전체적인 작동효율을 개선할 수 있게 된다.
또한 상기 제1 열교환기(31)에 연결되는 열원공급라인(21) 상에는 상기 제1 열교환기(31)의 입구 또는 출구측에서 열원수의 온도를 감지하도록 된 열원측 온도센서(45)와, 상기 열원측 온도센서(45)에 의해 감지된 온도에 따라 열원수의 순환량을 조절하도록 밸브형태로 된 열원측 유량제어수단(46)이 연결될 수 있는 것으로, 상기 열원측 온도센서(45)는 상기 온도성층형 급탕탱크(40)의 저온측 온도센서(41)에 의한 감지온도에 따라 일정한 온도를 설정하여 작동하도록 된 것이다.
여기에서, 상기 제1 열교환기(31) 측에는 열원(S)이 공기열 등으로 연결되는 경우에는 상기 열원공급라인(21)이 구비될 필요가 없고, 상기 열원측 유량제어수단(46)의 경우에도 공기량을 조절할 수 있는 블로어로 구비될 수 있음은 당연한 것이다.
이러한 열원측 온도센서(45)와 유량제어수단(46)에 의해서는 열원수나 공기량 등의 열원(S)의 순환량을 늘려 제1 열교환기(31)에서의 열교환 정도를 활성화시키고, 이에 의해 압축기(33) 측으로 회수되는 열매체의 온도와 압력을 낮추어 압축과정이 원활하게 이루어지도록 하기 위한 것으로, 이는 급탕을 공급할 필요가 없거나 상기 온도성층형 급탕탱크(40) 내에 원하는 정도의 고온수가 저장되어 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 가열이 필요하지 않은 경우에 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에서 열교환을 행하지 않음에 따라 전술된 바와 같이 열매체의 온도나 압력상태를 상기 제1 열교환기(31) 측에서 조절해 줄 필요가 있는 것이기 때문이다.
이와 같은 본 발명의 구성에 따른 세부적인 작동상태를 도 3 내지 도 6에 의해 설명하면 다음과 같다. 도 3에 도시된 바와 같이, 난방과 급탕을 동시에 공급하는 경우에 열매체의 흐름은 압축기(33)로부터 공급되는 상기 제2 열교환기(32)와 급탕 및 과냉각 열교환기(35)를 순차적으로 거치면서 난방과 급탕(H)을 공급하게 된다. 이때에 상기 제2 열교환기(32)에서는 압축기(33)로부터 공급되는 고온 고압의 핫가스(열매체)의 일부를 이용하여 난방을 공급하고, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에서는 상기 제2 열교환기(32)로부터 전달된 나머지 핫가스와의 열교환을 통해 상기 온도성층형 급탕탱크(40)로부터 공급되는 저온수를 가열하여 급탕(H)을 공급하게 되는데, 상기 제2 열교환기(32) 측에서 대략 30% 정도의 열교환이 이루어지고, 나머지 70%를 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에서 열교환이 이루어지게 된다.
또한 난방수와 급탕흐름은 부하공급라인(22) 상의 난방수가 제2 열교환기(32)에서 열교환을 통해 부하(R) 측에 공급되고, 온도성층형 급탕탱크(40)로부터 공급되는 저온수를 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 가열하여 고온수를 생산하게 되는데, 이러한 가열과정에서는 상기 온도성층형 급탕탱크(40) 내의 저온수 온도에 따라 상기 급탕측 유량밸브(44)에 의해 저온수 공급량을 적절하게 조절함과 동시에 급탕 및 과냉각 열교환기(35) 자체에서의 열매체와 피가열수(저온수)와의 대향류 흐름을 형성하여 충분한 가열효과를 발휘하여 급탕(H)을 용이하게 공급할 수 있고, 또한 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에서의 열교환 작동에 따라 열매체의 과냉각이 이루어져 후단의 팽창밸브(34)와 제1 열교환기(31) 측으로 열매체를 전달하여 안정적인 장치의 작동이 가능하게 된다.
또한 도 4에 도시된 바와 같이, 냉방과 급탕을 동시에 공급하는 경우에 열매체의 흐름은 압축기(33)로부터 공급되는 열매체가 우선적으로 상기 제1 열교환기(31)와 팽창밸브(34)를 거친 후에 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에서 열매체와 저온수와의 열교환을 통해 급탕(H)을 위한 가열작동이 이루어지고, 이후에 상기 제2 열교환기(32)에서 열교환을 행한 후에 압축기(33)로 복귀하게 된다.
한편, 냉방수와 급탕공급 흐름은 상기 부하공급라인(22) 상의 냉방수가 제2 열교환기(32)에서 열교환을 통해 부하(R) 측에 공급되고, 온도성층형 급탕탱크(40)로부터 공급되는 저온수를 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 고온수를 생산하여 급탕(H)을 공급하게 된다.
이와 같은 냉방과 급탕(H) 또는 난방과 급탕(H)을 동시에 공급하는 경우에는 전술된 바와 같이 상기 온도성층형 급탕탱크(40) 내의 저온수 온도에 따라 상기 급탕측 온도센서(43)와 급탕측 유량밸브(44) 또는 열원측 온도센서(45)와 열원측 유량제어수단(46)에 의해 일정 온도의 설정값에 따라 유량을 조절하여 최적화된 조건으로 열교환이 이루어질 수 있게 된다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 난방만을 단독으로 공급하는 경우에는 압축기(33)로부터 공급되는 열매체가 상기 제2 열교환기(32)에 의해 난방을 공급하게 되는데, 이때에 상기 제2 열교환기(32)를 통과한 열매체는 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)를 그대로 통과한 후에, 상기 팽창밸브(34)와 제1 열교환기(31)를 거쳐 압축기(33)로 복귀하게 된다.
이때에 난방수의 흐름은 부하공급라인(22)을 통해 상기 제2 열교환기(32)에서 열교환을 행하여 부하(R) 측에 난방을 공급하게 되는데, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에서 열교환이 이루어지지 않음에 따라 상기 제1 열교환기(31) 측에서 열원(S) 측과의 열교환이 활성화되도록 열원측 온도센서(45)와 유량제어수단(46)을 적절하게 설정 및 조절할 필요가 있는 것이다.
또한 도 6에 도시된 바와 같이, 냉방만을 단독으로 공급하는 경우에는 열매체의 흐름은 압축기(33)로부터 공급되는 열매체가 제1 열교환기(31)에서 열매체와의 열교환이 이루어진 후에, 급탕 및 과냉각 열교환기(37)와 팽창밸브(34)를 거쳐 제2 열교환기(32)에서 열교환을 통해 냉방을 공급하게 되는 것이다.
이와 같은 본 발명은 전술된 바와 같이 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 급탕(H)을 공급하는 데에 유효하나, 상기 부하(R) 측과 급탕(H) 측의 온도상태나 운전상태에 따라서는 열매체의 흐름이 일부 원활하지 않을 수도 있는데, 이에 대한 다른 실시예를 도 7과 도 8에 의해 설명하면 다음과 같다.
도 7에 도시된 바와 같이, 상기 순환라인(20) 상에는 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35) 측에 바이패스라인(70)이 분기 형성되고, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)의 입구측과 바이패스라인(60) 상에 각각 열매체의 흐름을 제어하는 제1 및 제2 개폐밸브(61,62)가 구비되며, 상기 부하공급라인(22) 상에는 상기 제2 열교환기(32)의 입구측에 부하측 온도센서(70)가 구비될 수 있는 것이다.
또한 상기 순환라인(20) 상에는 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)와 팽창밸브(34) 사이에 열매체탱크(64)가 구비되어 열매체가 우회될 때에 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35) 측에 잔류된 열매체를 충전하게 되고, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)의 출구측에 역류방지를 위한 제3 개폐밸브(63)가 구비될 수 있는 것이다.
이러한 구성에 따르면, 상기 제2 열교환기(32) 측에 연결되어 열교환되는 부하(R) 측의 냉난방수의 온도가 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35) 측에 연결된 급탕온수의 온도에 비해 낮은 경우에 온도차에 따른 열매체의 유동저항의 증가로 인해 순환라인(20) 상의 열매체 순환량이 감소하고 후단의 증발기로 작동되는 제1 열교환기(31) 측에서의 증발온도가 급격히 저하되어 동파 등의 문제가 발생되는 것을 해소할 수 있게 된다.
구체적으로, 정상적인 난방운전의 개시 전에 예열 제어되는 경우에는 상기 부하측 온도센서(70)와 상기 급탕측 온도센서(43)에 의한 온도를 비교하여 급탕온도(THW)가 난방온도(TH)에 비해 높으면 상기 바이패스라인(60) 상의 제2 개폐밸브(62)를 개방(급탕 및 과냉각 열교환기(35) 측의 제1 개폐밸브(61)는 폐쇄)하여 열매체의 흐름을 우회시키고, 부하(R) 측의 난방온도(TH)가 급탕(H) 측의 급탕온도(THW)에 비해 같거나 더 높으면 상기 제1 개폐밸브(61)를 개방(바이패스라인(60)의 제2 개폐밸브(62)는 폐쇄)하여 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35) 측으로 열매체가 흐르도록 하며, 상기 온도성층형 급탕탱크(40) 내의 급탕가열이 완료된 이후에도 전술된 바와 같이 상기 바이패스라인(60)으로 열매체를 우회시킬 수 있는 것이다.
한편 도 8에 도시된 바와 같이, 난방운전 중에 증발기로 작동되는 제1 열교환기(31) 상에 적상이 발생되면 난방이나 급탕(H)의 공급을 일시 정지하고, 제상운전 모드로 전환될 수 있는데, 제상운전시에는 상기 제2 열교환기(32)와 급탕 및 과냉각 열교환기(35)의 작동을 일시 정지한 상태에서 압축기(33)로부터 공급되는 핫가스를 제1 열교환기(31)로 흐르도록 하여 제상작업이 이루어진 후에, 상기 바이패스라인(60)으로 열매체를 우회시켜 상기 제2 열교환기(32) 측에서 열교환이 없이 그대로 통과시키게 되며, 제상작업이 완료된 이후에는 정상적인 난방 또는 급탕운전으로 모드를 전환하게 된다.
이와 같은 구성에 있어서, 상기 급탕공급라인(23) 상에는 상기 온도성층형 급탕탱크(40) 내에 저장된 급탕공급수의 순환을 제어하기 위한 순환펌프(24)와 체크밸브(25)가 구비되는데, 이러한 순환펌프(24)는 시스템의 기동운전 시에 미리 가동되어 사용자가 입력한 설정온도가 상기 급탕측 온도센서(43)에 의해 감지된 온도보다 높은 경우에 시스템을 기동하도록 연동시킬 수 있는 것이다.
이외에도 본 발명의 또 다른 실시예에서는 상기 제1 열교환기(32) 측에 연결되는 열원(S)을 다양하게 연결하여 사용하게 되는데, 이를 도 9에 의해 설명하면 다음과 같다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 열원(S)은 열원공급라인(21) 분기 형성되어 상기 제1 열교환기(31) 측에 상호 병렬로 연결되는 지중열원(S1)과 쿨링타워와 같은 냉각열원(S2)으로 이루어질 수 있는 것으로, 상기 열원공급라인(21) 상에는 입출구 측에 제1 내지 제4 개폐밸브(81~84)가 구비되어 선택적으로 개폐되어 물이나 브라인 등으로 된 열교환매체의 흐름을 제어할 수 있는 것이다.
이와 같은 다른 종류의 열원(S)을 선택적으로 사용하도록 연결되면 열원(S)의 공급상태나 계절적 특성 등에 따라 상기 지중열원(S1) 또는 냉각열원(S2)을 선택적으로 연결할 수 있는데, 이때에 상기 지중열원(S1)와 냉각열원(S2)에 사용하는 열교환매체의 종류를 달리하면 열원(S)의 변경시에 물 또는 브라인을 전부 드레인시킬 필요가 있는 것이고, 이를 위해 상기 열원공급라인(21)의 일측에는 공기압축기(90)와 드레인밸브(101,102)가 구비된 배수라인(100)이 더 연결될 수 있는 것이다.
예를 들어, 상기 지중열원(S1)을 사용한 후에 상기 냉각열원(S2)으로 변경하고자 한다면 상기 지중열원(S1)과 냉각열원(S2) 측의 제1 내지 제4 개폐밸브(81~84)를 모두 닫은 상태에서 상기 공기압축기(90)를 가동하여 열원공급라인(21) 상의 브라인을 배수라인(100)을 통해 배출하고, 상기 냉각열원(S2) 측의 개폐밸브(83,84)를 개방하여 물을 순환시켜 사용하게 되며, 반대로 냉각열원(S2)에서 지중열원(S1)으로 변경하는 경우에도 전술된 바와 같은 퇴수과정을 거쳐 열교환매체를 교체 사용하는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 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.
20: 순환라인 21: 열원공급라인
22: 부하공급라인 23: 급탕공급라인
31: 제1 열교환기 32: 제2 열교환기
33: 압축기 34: 팽창밸브
35: 급탕 및 과냉각 열교환기 40: 온도성층형 급탕탱크
41: 저온측 온도센서 42: 고온측 온도센서
43: 급탕측 온도센서 44: 급탕측 유량밸브
45: 열원측 온도센서 46: 열원측 유량제어수단
47~50: 체크밸브 55: 공급배관
56: 급탕배관 57,58: 노즐
60: 바이패스라인 61~63: 제1 내지 제3 개폐밸브
64: 열매체탱크 70: 부하측 온도센서
81~84: 제1 내지 제4 개폐밸브 90: 공기압축기
100: 배수라인 101,102: 드레인밸브

Claims (5)

  1. 열매체가 순환되는 순환라인(20)에 의해 상호 연결되는 압축기(33), 응축기, 팽창밸브(34) 및 증발기를 포함하는 히트펌프시스템에 있어서;
    상기 순환라인(20) 상에 연결되어 냉방 또는 난방운전시에 상기 응축기 또는 증발기로 작동되도록 구비되고, 지열을 포함한 열원(S) 측과의 열교환이 이루어지도록 된 제1 열교환기(31)와;
    상기 제1 열교환기(31)에 대응되어 증발기 또는 응축기로 작동되도록 구비되고, 냉난방을 공급하도록 부하공급라인(22)에 의해 부하(R) 측에 연결되는 제2 열교환기(32)와;
    상기 제1 열교환기(31)와 제2 열교환기(32) 사이에 위치되도록 상기 순환라인(20) 상에 연결되어 열매체와의 열교환을 통해 급탕(H)을 공급하도록 된 급탕공급라인(23)이 연결되며, 상기 순환라인(20) 상의 열매체의 흐름과 상기 급탕공급라인(23) 상의 피가열수의 흐름이 상호 반대방향으로 흐르도록 연결되는 급탕 및 과냉각 열교환기(35)와;
    상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)에 의해 가열된 고온수를 저장하도록 된 단일의 탱크로 구비되되, 탱크 하부측의 저온수와는 온도차를 갖는 고온수를 탱크의 상부측으로 충전하도록 된 온도성층형 급탕탱크(40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 온도성층형 급탕탱크(40)의 하부측 또는 출구측에는 저온수의 온도를 감지하도록 된 저온측 온도센서(41)가 구비되고;
    상기 급탕공급라인(23) 상에는 상기 저온측 온도센서(41)에 의해 감지된 온도가 일정 온도 이하일 때에 작동하도록 구비되되, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)의 출구측에서 저온수의 온도를 감지하도록 된 급탕측 온도센서(43)와, 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)의 입구측에 위치되어 상기 급탕측 온도센서(43)에 의해 감지된 온도에 따라 저온수의 순환량을 조절하도록 된 급탕측 유량밸브(44)가 연결된 것을 특징으로 하는 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 열교환기(31) 측에는 상기 저온측 온도센서(41)에 의해 감지된 온도가 일정 온도 이상일 때에 작동하도록 구비되되, 상기 제1 열교환기(31)의 입구 또는 출구측 온도를 감지하도록 된 열원측 온도센서(45)와, 상기 열원측 온도센서(45)에 의해 감지된 온도에 따라 열원(S)의 순환량을 조절하도록 된 열원측 유량제어수단(46)이 구비된 것을 특징으로 하는 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 순환라인(20) 상에는 상기 급탕 및 과냉각 열교환기(35)를 우회하여 열매체가 흐르도록 된 바이패스라인(60)이 형성되고;
    상기 부하공급라인(22) 상에는 상기 제2 열교환기(32)의 입구측에 위치되어 냉난방수의 온도를 감지하도록 된 부하측 온도센서(70)가 구비되며;
    상기 순환라인(20) 상의 열매체는 상기 부하측 온도센서(70)에 의해 냉난방수의 온도가 일정 온도 이하일 때에 상기 바이패스라인(60)을 통해 흐르도록 된 것을 특징으로 하는 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열원(S)은 열원공급라인(21)에 의해 상기 제1 열교환기(31)에 연결되는 지중열원(S1) 및 상기 지중열원(S1)에 대해 병렬로 연결되는 쿨링타워로 된 냉각열원(S2)을 포함하며;
    상기 지중열원(S1)이나 냉각열원(S2)은 모드전환에 의해 선택적으로 사용하도록 된 것을 특징으로 하는 온도성층형 급탕탱크를 이용한 급탕 및 과냉각 히트펌프시스템.
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