KR100500954B1 - 축열식 히트펌프유닛 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열식 히트펌프유닛에 관한 것으로, 그 구성은, 냉매를 선택적으로 정·역방향 순환가동시킬 수 있는 통상의 냉동사이클장치부에, 심야 잉여전력에 의한 사이클 가동에 의해 축열된 열교환수를 저장할 수 있는 축열조가 결합된 것으로서, 압축기 및 양측에 각각 배치된 한 쌍의 열교환기와, 상기 압축기 및 각 열교환기 간의 냉매유로를 선택적으로 전환시켜주는 사방밸브와, 일방향성의 단일 팽창밸브와, 항상 팽창밸브의 방향에 맞게 냉매유로를 전환시켜주는 사방밸브와, 상기 팽창밸브와 일측 열교환기 사이에 배치된 상기 축열조와, 상기 각 열교환기에 각각 결합된 강제순환방식의 실외기 및 실내기와, 상기 축열조와 실내·외기 간의 상호 선택적 열교환수 순환이 가능하도록 적절히 설치된 다수의 방향전환밸브를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다. 따라서, 본 발명에 의하면, 가격이 저렴한 심야 잉여전력을 활용할 수 있는 양방향 사이클을 구성함으로써 특히 실내외 기온차가 극심한 겨울철에도 별도의 보조가열기 없이 그 축열만으로 증발측 냉매관에 대한 제상이 가능하여 에너지 효율을 극대화할 수 있으며, 단일 팽창밸브의 적용 등에 의한 구조적 단순화 및 이에 따른 제작 단가의 절감 효과를 도모할 수 있다.

Description

축열식 히트펌프유닛{Ice thermal storage heat pump unit}

본 발명은 축열식 히트펌프유닛에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 가격이 저렴한 심야 잉여전력을 활용하여 축냉 또는 축열할 수 있는 새로운 배관구조의 양방향 히트펌프사이클을 구성함으로써 특히 실내외 기온차가 극심한 겨울철에도 별도의 보조가열기 없이 그 축열만으로 실외측 열교환기의 냉매순환관에 대한 제상이 가능하게 되어 에너지 효율을 극대화할 수 있게 한 냉난방 겸용의 축열식 히트펌프유닛에 관한 것이다.

최근에는, 가정 또는 사무실 등 소규모 주거공간에서 냉난방 겸용의 축열식 히트펌프유닛이 일반적으로 사용되고 있다. 상기의 축열식 히트펌프유닛은 심야의 값싼 잉여전력을 사용하여 여름철에는 냉수 또는 얼음(빙축열)을, 겨울철에는 고온수를 축열조에 저장하여 주간의 냉ㆍ난방에 이용하는 공조시스템으로서, 심야의 싼 전력을 이용하므로 주간에 집중되는 소비성향으로 인한 전력수급에 대한 불균형을 분산 또는 해소하고, 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 이점을 갖게 된다.

통상적으로, 상기 축열식 히트펌프유닛은, 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성되는 정·역 순환이 가능한 냉동사이클장치부와, 축열조, 열교환수 순환펌프 및 열교환기(실내·외기) 등으로 구성되는 축열장치부와, 상기 장치부간 냉매유로를 전환시켜주기 위한 밸브장치부 등으로 이루어져 있다.

상기한 바와 같은 구성을 이루는 종래의 축열식 히트펌프유닛으로는, 2000년 특허출원 제 47045호의 '소형 축냉/축열식 복합 열펌프시스템'이 제안된 바 있다.

상기 인용발명에 의한 시스템 구성은, 압축기, 응축 또는 증발겸용의 열교환기, 냉매 유동방향 제어용 사방밸브, 저압 및 고압스위치, 어큐뮬레이터, 소음기, 분배기 및 스트레이너 등을 포함하는 실외기와, 실내기(휀코일유닛) 및 축열장치부로 이루어져 있다.

상기 축열장치부는, 상기 사방밸브의 냉매 유동방향 전환에 따라 증발 또는 응축겸용의 열교환기로 사용되는 열교환코일이 내장되어 있는, 열교환기의 기능을 병행하는 축열조의 일측에 보조가열기가 장착된 보조탱크를 형성하여서 된 것으로서, 필요에 따라 상기 보조탱크 내에서 열교환수를 급탕하여 목욕 등의 온수로 사용할 수 있게 한 것이다. 즉, 상기 축열조와 보조탱크 간의 격벽 상부에는 관통공이 형성되어 있어 이 관통공을 통해 범람한 일부 열교환수를 일시 저장해두었다가 보조가열기를 사용한 가열조작에 의해 유사시 목욕 등의 온수로 사용할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 상기 열교환기와 상기 축열장치부의 냉매관은 정·역방향으로의 순환에 따른 냉매의 유동방향을 제어하기 위하여 각각 이중관의 형태로 되어 있고, 각 이중관에는 팽창밸브 및 첵밸브 등이 결합된 구조를 이루고 있다.

그러나, 상기 인용발명에 따른 축열식 히트펌프유닛은, 겨울철 수축열 방식에 의한 난방시스템을 구현함에 있어서, 우리나라와 같이 실내외 기온차가 극심한 기후특성을 갖는 지역에서는 대기 자체를 히트펌프의 저온측 열교환부(증발부)로 직접 적용하기에는 그 증발효율성이 저조하게 나타나므로 실제로 냉난방겸용의 축열식 히트펌프유닛을 상용화하는데 많은 제약이 있었으며, 더욱이 그 냉매순환관(열교환코일)의 외측에 결빙현상이 심하게 나타나 난방효율을 크게 저하시킬 수 있으므로 이러한 냉매순환관의 결빙현상을 해소하기 위해서는 상기한 바와 같은 난방용의 보조가열기가 반드시 장착되어야 하는 구조적인 제한성이 있었다. 이는 결국 복잡한 구조를 이뤄 장치의 대형화를 조성할 뿐만 아니라 보조가열기의 구동에 의한 추가적 에너지 소모에 따른 경제적 손실을 의미하는 것이다.

본 발명은 상기한 바와 같은 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은, 가격이 저렴한 심야 잉여전력을 활용하여 축냉 또는 축열할 수 있는 새로운 배관구조의 냉방 및 난방이 가능한 양방향 히트펌프사이클을 구성함으로써 특히 실내외 기온차가 극심한 겨울철에도 별도의 보조가열기 없이 그 축열만으로 실외측 열교환기의 냉매순환관에 대한 제상이 가능하게 되어 에너지 효율 및 운전소요비용의 절감효과를 극대화할 수 있게 한 축열식 히트펌프유닛을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 냉매순환관의 제상을 위한 별도의 보조가열기가 불필요한 구조를 마련함과 아울러 복수의 사방밸브를 적절히 배치하여 일방향성의 단일 팽창밸브만으로도 정·역방향 사이클 구성이 가능하도록 함으로써 장치의 구조를 단순화하여 제작 단가를 절감할 수 있게 한 축열식 히트펌프유닛을 제공함에 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 축열식 히트펌프유닛은, 기체상태의 냉매를 고온고압으로 압축하여 토출시켜주는 압축기와, 상기 압축기의 양측에 각각 배치되어 그 중 어느 하나는 기내(器內)에서의 열교환을 통한 방열작용에 의해 고압의 기체냉매를 액체상태로 응축시키고 나머지 하나는 기내에서의 열교환을 통한 흡열작용에 의해 저압의 액체냉매를 기체상태로 증발시킬 수 있도록 상반된 열교환 과정을 각각 수행하는 한 쌍의 열교환기와, 상기 한 쌍의 열교환기 중 어느 한쪽에는 상기 압축기로부터 고압 기체냉매가 유입되게 함과 아울러 나머지 한쪽의 열교환기로부터는 상기 압축기에 저압 기체냉매가 유입되게 하기 위하여 상기 냉매의 유로를 선택적으로 전환시켜줄 수 있도록 상기 압축기와 각 열교환기 간의 유로분기지점에 설치된 압축기측 사방밸브와, 상기 각 열교환기 사이에 배치되어 어느 한쪽의 열교환기로부터 응축된 액체냉매의 유량조정에 의해 저압의 액체냉매로 급팽창시킨 후 그 액체냉매를 나머지 한쪽의 열교환기로 분사시켜주는 일방향성의 단일 팽창밸브와, 상기 각 열교환기 간의 냉매순환방향의 정·역 변화에 관계없이 상기 팽창밸브에 대하여 항상 일정방향으로 냉매가 순환될 수 있게 하기 위하여 상기 냉매의 유로를 선택적으로 전환시켜줄 수 있도록 상기 팽창밸브와 각 열교환기 간의 유로분기지점에 설치된 팽창밸브측 사방밸브와, 상기 팽창밸브와 어느 한쪽의 열교환기 사이에 배치되어 그 냉매순환관의 일부를 내측에 수용하고 심야 잉여전력에 의한 장치 가동시 냉매순환관으로부터 발생하는 발열 또는 흡열작용에 따른 내부 열교환수와의 열교환 과정에 의해 상기 열교환수를 얼음, 냉수, 또는 온수의 형태로 축열시켜 저장하는 상기 축열조와, 상기 한 쌍의 열교환기 중 어느 하나가 상기 축열조의 축냉 또는 축열된 열교환수에 의해 선택적으로 열교환될 수 있도록 배관 처리되어 실내외 기온차가 심한 겨울철에도 별도의 보조가열기 없이 상기 축열조내 고온의 열교환수에 의해 상기 열교환기 내의 냉매순환관에 결상된 성에를 제거할 수 있도록 된 강제순환방식의 실외기와, 상기 실외기와 결합된 열교환기를 제외한 나머지 한쪽 열교환기가 상기 축열조의 축냉 또는 축열된 열교환수에 의해 선택적으로 열교환될 수 있도록 배관 처리된 정·역방향 순환이 가능한 강제순환방식의 실내기와, 상기 축열조와 실외기 및 실내기 각각의 배관 내 열교환수 순환에 대한 선택적 유로분기와 함께 이들간의 상호 선택적 열교환수 순환이 가능하도록 해당 유로분기지점마다 각각 설치된 다수의 방향전환밸브를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 축열조는 냉방 또는 난방운전중의 부하상태에 따라 그 운전에너지 효율을 극대화하기 위하여 냉동사이클장치부의 냉매순환관으로부터 냉매의 직접 또는 간접의 선택적인 분기순환이 가능하도록 상기 팽창밸브와 어느 한쪽의 열교환기 사이의 냉매순환관 일부에 병렬형태로 분기배관 처리된 냉매순환관이 그 내측에 수용되어 이루어지고, 상기 냉동사이클장치부의 냉매순환관 및 상기 축열조 내에 수용된 냉매순환관 간의 양 유로분기지점에는 한 쌍의 삼방밸브가 각각 설치된 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 축열식 히트펌프유닛을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 축열식 히트펌유닛의 순환구조를 개략적으로 도시한 것이고, 도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 축열식 히트펌프유닛에 의한 냉방축열운전시, 냉방운전시, 난방축열운전시 및 난방운전시의 각 순환상태를 각각 도시한 것이며, 도 6은 본 발명과 종래 기술에 따른 축열식 히트펌프유닛의 난방시 가동효율을 그래프화하여 비교 도시한 압력-엔탈피 선도를 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 축열식 히트펌프유닛은 상기 도 6에 도시된 바와 같이, 겨울철 난방시 심야 축열운전으로 생성된 축열조(50) 내의 고온수에 의해 필요한 증발열량을 공급하여 실외측 열교환기의 증발온도(d'-a'선 ⇒ d-a선)를 상승시킴으로써, 겨울철 실외측 열교환기(증발기)의 냉매순환관 외측에 맺힌 성에를 간단히 제거할 수 있고, 난방온도(c'-b'선 ⇒ c-b선) 및 열량을 높일 수 있으며, 이에 따라 전체 사이클의 성능을 향상시킬 수 있는 단순화된 냉매순환 구조를 이룬다.

즉, 상기 도면 중 ''는 종래의 장치와 본 발명의 장치를 각각 운전하였을 경우에 발생하는 압력 차로서, 증발온도가 상승하게 됨에 따라 실외의 낮은 온도에 의해 발생한 성에가 제거되는 과정을 의미하고, ''는 종래의 장치와 본 발명의 장치를 각각 운전하였을 경우에 발생하는 엔탈피 차로서, 응축온도의 상승에 따른 공급열량분을 의미하는 것이다.

이러한 원리를 구현하기 위한 본 발명에 따른 축열식 히트펌프유닛은, 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 기체상태의 냉매를 압축기(10)로 고압 압축한 후 그 고압의 냉매를 선택적으로 정·역방향 순환가동시킴으로써 압축, 응축, 팽창 및 증발과정을 반복 수행하는 통상의 냉동사이클장치부에, 잉여전력을 활용한 상기 냉동사이클장치부의 심야 가동에 의해 열교환시켜 축냉 또는 축열된 열교환수(2차 유체)를 저장할 수 있는 축열조(50) 및 강제순환방식의 실내·외기(60)(70)가 결합된 구조를 이룬다. 상기 각부 장치들은 냉매순환관에 의해 연결되어 적정형태로 순환할 수 있는 구조를 이루고, 그 순환경로에 따른 방향전환 제어가 가능하도록 그 유로분기지점마다 한 쌍의 사방밸브(11)(31) 및 삼방밸브(51)(52)와, 다수의 방향전환밸브(53)(54)(55)(61)(62) 등이 설치되어 있다. 도면 중 부호 63 및 71은 순환펌프를 나타낸다.

상기 냉동사이클장치부는 통상의 경우에서와 같이, 저압상태의 기체냉매를 고압으로 압축 및 토출시켜주는 압축기(10)와, 고압의 기체냉매를 다른 유체와 열교환하여 액화시켜주는 응축기로서의 열교환기(20 또는 40)와, 그 액체냉매를 유량 조정하여 분사시켜주는 팽창밸브(30)와, 분사된 액체냉매가 급팽창됨과 아울러 주위로부터 열을 흡수하여 기화하면서 기내(器內)를 냉각하는 증발기로서의 열교환기(20 또는 40)로 구성된다.

상기 냉동사이클장치부의 각 구성요소들을 하나씩 열거하여 상세히 설명해보면, 먼저, 상기 한 쌍의 열교환기(20)(40)는 냉매와 2차 유체간의 열교환을 위한 기기로서, 상기 압축기(10)의 양측에 각각 배치되어 그 중 어느 하나는 기내에서의 열교환을 통한 방열작용에 의해 고압의 기체냉매를 액체상태로 응축시키고 나머지 하나는 기내에서의 열교환을 통한 흡열작용에 의해 저압의 액체냉매를 기체상태로 증발시킬 수 있도록 상반된 열교환 과정을 각각 수행한다. 즉, 냉방시에는 실외측 열교환기(20)에서 냉매의 응축과정이, 실내측 열교환기(40)에서 냉매의 증발과정이 각각 일어나고, 난방시에는 실외측 열교환기(20)에서 냉매의 증발과정이, 실내측 열교환기(40)에서 냉매의 응축과정이 각각 일어난다. 이와 같이 냉방 또는 난방의 경우에 따라 각각 냉매의 순환방향은 역전된다.

상기 한 쌍의 열교환기(20)(40) 중 어느 한쪽, 예컨대 도면상 좌측의 열교환기(20)에는 상기 압축기(10)로부터 고압 기체냉매가 유입되게 함과 아울러 나머지 한쪽의 열교환기(40)로부터는 상기 압축기(10)에 저압 기체냉매가 유입되게 하기 위하여 상기 냉매의 유로를 선택적으로 전환시켜줄 수 있도록 상기 압축기(10)와 각 열교환기(20)(40) 간의 유로분기지점에 압축기측 사방밸브(11)가 설치된다.

또한, 상기 팽창밸브(30)는 일방향성의 유체흐름을 갖는 한 개의 기기를 적용한 것으로, 상기 각 열교환기(20)(40) 사이에 배치되어 어느 한쪽의 열교환기(20 또는 40)로부터 응축된 액체냉매의 유량조정에 의해 저압의 액체냉매로 급팽창시킨 후 그 액체냉매를 나머지 한쪽의 열교환기(40 또는 20)로 분사시켜준다.

상기 각 열교환기(20)(40) 간의 냉매순환방향의 정·역 변화에 관계없이 상기 팽창밸브(30)에 대하여 항상 일정방향으로 냉매가 순환될 수 있게 하기 위하여 상기 냉매의 유로를 선택적으로 전환시켜줄 수 있도록 상기 팽창밸브(30)와 각 열교환기(20)(40) 간의 유로분기지점에 팽창밸브측 사방밸브(31)가 설치된다.

부연하면, 상기 팽창밸브(30)는 냉매를 팽창시켜 저온저압의 상태로 환원시키는 역할을 하는 것으로, 그 개도(開道)를 조정함으로써 온도와 압력의 강하 폭을 조절할 수 있다. 그리고, 앞서 언급한 바와 같이 상기 팽창밸브(30)는 방향성이 있어 유로방향에 제한을 받게 되므로, 냉매의 방향이 역전되는 시스템에서는 두 개 이상의 팽창밸브와 첵밸브를 조합하여 이중관 형태로 배치하는 것이 통상적이나, 본 발명에서는 상기 사방밸브(31)와 단일의 팽창밸브(30)를 적절히 조합 적용하여 배관 처리함으로써 어느 운전모드에도 관계없이 동일한 단일 팽창밸브(30)만으로의 시스템 구현이 가능하게 된 것이며, 이로써 설비의 간소화에 기여할 수 있는 것이다. 본 발명에 있어서 상기 팽창밸브(30)는 등엔탈피 팽창과정을 수행한다.

한편, 상기 축열조(50)는 상기 팽창밸브(30)와 어느 한쪽의 열교환기(20 또는 40) 사이에 배치되어 그 냉매순환관의 일부를 내측에 수용하고 심야 잉여전력에 의한 장치 가동시 냉매순환관으로부터 발생하는 발열 또는 흡열작용에 따른 내부 열교환수와의 열교환 과정에 의해 상기 열교환수를 얼음(축빙), 냉수(축냉), 또는 온수(축열)의 형태로 축열시켜 저장해준다.

여기서, 상기 축열조(50)는 냉방 또는 난방운전중의 부하상태에 따라 그 운전에너지 효율을 극대화하기 위하여 냉동사이클장치부의 냉매순환관으로부터 냉매의 직접 또는 간접의 선택적인 분기순환이 가능하도록 상기 팽창밸브(30)와 어느 한쪽의 열교환기(40) 사이의 냉매순환관 일부에 병렬형태로 분기배관 처리된 냉매순환관이 그 내측에 수용되어 이루어지고, 상기 냉동사이클장치부의 냉매순환관 및 상기 축열조(50) 내에 수용된 냉매순환관 간의 양 유로분기지점에는 한 쌍의 삼방밸브(51)(52)가 각각 설치되어 있다.

상기 축열조(50)의 내부에는 냉매가 직접 흐르는 냉매순환관의 일부가 인입되어 있으므로, 브라인 등의 열교환수(2차 유체)를 간접적으로 사용하는 기존의 축열방식에 비해서 효율이 높게 나타난다. 그리고, 상기 축열조(50)내의 냉매순환관은 실내(부하)측 열교환기(40)를 경유하게 되어 있고, 상기 축열조(50)의 전후부에 설치된 상기 삼방밸브(51)(52)의 전환조작에 따라서는 그 냉매가 상기 축열조(50)와 열교환기(40) 내를 동시에 통과하거나 또는 상기 열교환기(40)만을 통과할 수 있는 선택적인 구조를 이루게 되는 것이다.

또한, 상기 실외기(60)는 순환펌프(63)에 의한 강제순환방식의 구조로서, 상기 한 쌍의 열교환기(20)(40) 중 어느 하나의 열교환기(20 또는 40)가 상기 축열조(50)의 축냉 또는 축열된 열교환수에 의해 선택적으로 열교환될 수 있도록 배관 처리되고, 특히 실내외 기온차가 심한 겨울철에는 별도의 보조가열기 없이 상기 축열조(50)내 고온의 열교환수에 의해 상기 열교환기(20)(도 5 참조)내의 냉매순환관에 결상된 성에를 제거할 수 있도록 상기 축열조(50)와 연결되어 있다.

또한, 상기 실내기(70)는 순환펌프(71)에 의하여 정·역방향 순환이 가능한 강제순환방식의 구조로서, 상기 실외기(60)와 결합된 열교환기(20)를 제외한 나머지 한쪽 열교환기(40)가 상기 축열조(50)의 축냉 또는 축열된 열교환수에 의해 선택적으로 열교환될 수 있도록 배관 처리되어 있다.

상기 실외기(60)와 실내기(70)는 공기와 열교환수(2차 유체) 간의 열교환을 수행하기 위한 일종의 휀코일 형태의 열교환기로 볼 수 있다.

그리고, 상기의 각 부재들은 그 각 해당 유로분기지점마다 각각 설치된 다수의 방향전환밸브(53)(54)(55)(61)(62)에 의하여, 상기 축열조(50)와 실외기(60) 및 실내기(70) 각각의 배관 내 열교환수 순환에 대한 선택적 유로분기와 함께 이들간의 상호 선택적 열교환수 순환이 가능하도록 연결된 것이다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 구성에 의하여 이루어지는 각 운전모드별 냉매순환과정을 설명하면 다음과 같다.

(1) 축냉운전

축냉운전에 따른 냉매순환과정은 도 2에 도시한 바와 같다. 즉, 압축기(10)에서 압축된 고온고압의 냉매는 압축기측 사방밸브(11)를 통해 실외기측 열교환기(20)를 지나면서 응축되고, 다시 그 냉매는 팽창밸브측 사방밸브(31)를 통해 팽창밸브(30)를 지나면서 저온저압 상태로 된 후 축열조(50)를 통과하게 되며, 상기 냉매는 축열조(50) 내에서 증발과정을 거치면서 주위를 냉각시킨다. 이때, 상기 축열조(50) 내부의 열교환수는 얼음 상태로 냉각된다. 그리고, 상기 축열조(50)를 경유한 냉매는 실내측 열교환기(40)를 재차 통과하면서 완전 증발되고, 적정형태의 과열증기로 변하여 상기 압축기측 사방밸브(11)를 통해 상기 압축기(10)로 다시 흡입된다(Cycle A).

이러한 축냉운전시 실외기(60)측의 열교환수는 그 실외기(60)와 열교환기(20) 사이를 순환하며 외부로의 방열이 이루어진다(Cycle B).

(2) 냉방운전

냉방운전에 따른 냉매순환과정은 도 3에 도시한 바와 같다. 즉, 상기의 야간 축냉운전 과정을 거쳐서 축열조(50) 내에 저장된 얼음을 주간에 해빙시켜 활용함으로써 냉방운전을 수행하게 된다. 이때, 실내기(70)측의 열교환수는 순환펌프(71)에 의해 실내기(70)와 열교환기(40) 사이를 순환하며 냉기를 전달하게 된다(Cycle A').

그러나, 만일 냉방부하가 축열조(50)의 축열량을 초과하거나 순간적으로 급격히 냉방부하가 증가하게 될 경우에는, 냉방사이클을 구동하여 이를 보충할 수 있다. 이 경우에 있어서의 냉매의 흐름은, 신속한 반응을 얻기 위하여, 상기 축열조(50)를 거치지 않고 삼방밸브(51)(52)에 의해 직접 실내측 열교환기(40)로 진행된다는 것이다. 이러한 차이점을 제외하면 상기의 축냉운전시와 동일한 냉매순환과정을 갖는다. 아울러, 실내기(70)측의 열교환수는 상기 축열조(50) 및 열교환기(40)를 모두 통과하므로 보다 큰 냉방부하시에도 원활한 운전이 가능하게 된다.

(3) 축열(수축)운전

축열운전에 따른 냉매순환과정은 도 4에 도시한 바와 같다. 즉, 압축기(10)에서 압축된 고온고압의 냉매는 압축기측 사방밸브(11)를 통해 실내기측 열교환기(40) 및 축열조(50)를 지나면서 응축되고, 상기 축열조(50) 내에서의 냉매의 응축과정에서 주위로의 방열이 이루어지면서 상기 축열조(50) 내부의 열교환수가 가열되어 고온상태로 축열된다. 상기 축열조(50)를 통과한 냉매는 팽창밸브측 사방밸브(31)를 통해 팽창밸브(30)를 지나면서 저온저압 상태로 된 후 실외기측 열교환기(20)를 통과하게 되고, 그 과정에서 완전 증발된 후, 다시 압축기측 사방밸브(11)를 통해 상기 압축기(10)로 다시 흡입된다(Cycle C).

이때, 상기 실내기(70)측의 열교환수는 축냉운전시와 마찬가지로 순환하지 않고, 상기 실외기(60)측의 열교환수는 그 실외기(60)와 열교환기(20) 사이를 순환하여 열교환되면서 외부로부터의 흡열이 이루어진다(Cycle D).

(4) 난방운전

난방운전에 따른 냉매순환과정은 도 5에 도시한 바와 같다. 즉, 상기의 야간 축열운전 과정을 거쳐서 축열조(50) 내에 저장된 고온수를 주간에 해열시켜 활용함으로써 난방운전을 수행하게 된다.

여기서, 고온수에 의한 열은 난방에 직접적으로 사용하는 것이 아니라 상기 증발기용 열교환기(20)와의 열교환을 통해 기내의 냉매순환관상에 착상된 성에를 제거하는 열원으로 활용함으로써 난방운전을 원활하게 작동되도록 하는 것이다. 즉, 상기 축열조(50)에 저장되었던 고온의 열교환수는 순환펌프(63)에 의해 증발기용 열교환기(20)로 이동하고, 상기 열교환기(20)의 기내에서 증발하는 냉매와 고온의 열교환수 간에 열교환이 이루어진 후, 그 열교환수는 다시 축열조(50)로 환수된다(Cycle D').

따라서, 이러한 난방운전 과정에서는, 그 축열량을 직접 난방에 이용하지 않고 상기 증발기용 열교환기(20)를 원활히 열교환시키기 위한 제상용 열원으로 적용함으로써, 결과적으로 원활한 난방운전을 유도하고 난방효율을 향상시켜준다. 이 경우에 있어서의 냉매의 흐름은, 상기 냉방운전에서와 같이 신속한 반응을 얻기 위하여, 상기 축열조(50)를 거치지 않고 삼방밸브(51)(52)에 의해 직접 팽창밸브(30)로 진행된다는 것이다. 이러한 차이점을 제외하면 상기의 축열운전시와 동일한 냉매순환과정을 갖는다. 아울러, 상기 실내기(70)측의 열교환수는 상기 축열조(50) 및 열교환기(40)를 모두 통과한다(Cycle C').

이상, 본 발명의 구조에 의한 각각의 운전모드별 냉매순환 작동상태를 살펴보았다. 참고적으로, 이러한 선택된 운전모드에 따라 각각 다른 냉매순환과정을 수행하는 본 발명의 축열식 히트펌프유닛과, 종래의 축열식 히트펌프유닛에 있어서의 각각의 성능을 비교하기 위하여, 동일조건 하에서 실시한 몇 가지 시험운전결과를 제시해보면 아래의 표 1과 같다.

[표 1] 시험운전결과

상기 표 1의 시험운전결과에 의하면, 본 발명 장치에 따른 하절기 냉방COP지수는 4.73, 동절기 난방COP지수는 4.34 이상으로서 종래의 장치를 사용한 경우에 비해 고효율 성능을 발휘하는 것으로 나타났고, 그 운전소요비용은 종래 장치에 비해 하절기 냉방운전시 33%, 동절기 난방운전시 1 내지 3% 정도의 비용절감효과를 발휘하는 것으로 나타났으며, 특히 동절기의 경우에는 대기온도가 낮아지면 낮아질수록 난방운전시의 비용절감 효과는 더욱 크게 나타남을 알 수 있었다.

따라서, 본 발명의 장치는 대기온도가 영하로 떨어지는 혹한기에 사용하는 경우에는 종래의 장치를 가동하는 경우에 비해 그 성능면에서 더욱 현격한 비용절감 효과를 거둘 수 있는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같은 본 발명에 따른 축열식 히트펌프유닛에 의하면, 가격이 저렴한 심야 잉여전력을 활용하여 축냉 또는 축열할 수 있는 새로운 배관구조의 양방향 히트펌프사이클을 구성함으로써 특히 실내외 기온차가 극심한 겨울철에도 별도의 보조가열기 없이 그 축열만으로 실외측 열교환기의 냉매순환관에 대한 제상이 가능하게 되어 에너지 효율 및 운전소요비용의 절감효과를 극대화할 수 있으며, 냉매순환관의 제상을 위한 별도의 보조가열기가 불필요한 구조를 마련함과 아울러 복수의 사방밸브를 적절히 배치하여 일방향성의 단일 팽창밸브만으로도 정·역방향 사이클 구성이 가능하도록 함으로써 장치의 구조를 단순화하여 제작 단가를 절감할 수 있게 되는 효과가 있다.

본 발명은 첨부된 도면에 도시된 실시예를 기준하여 설명되어 있으나 이는 예시적인 것이라 할 수 있고, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시예들을 생각해 낼 수 있으므로 이러한 균등한 실시예들 또한 본 발명의 특허청구범위 내에 포함되는 것으로 보아야 함은 극히 당연한 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 결정되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 축열식 히트펌유닛의 순환구조를 도시한 개략도이다.

도 2는 본 발명에 따른 축열식 히트펌프유닛에 의한 냉방축열운전시의 순환상태를 도시한 개략도이다.

도 3은 본 발명에 따른 축열식 히트펌프유닛에 의한 냉방운전시의 순환상태를 도시한 개략도이다.

도 4는 본 발명에 따른 축열식 히트펌프유닛에 의한 난방축열운전시의 순환상태를 도시한 개략도이다.

도 5는 본 발명에 따른 축열식 히트펌프유닛에 의한 난방운전시의 순환상태를 도시한 개략도이다.

도 6은 본 발명과 종래 기술에 따른 축열식 히트펌프유닛의 난방시 가동효율을 그래프화하여 비교 도시한 압력-엔탈피 선도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 ; 압축기 11 ; 압축기측 사방밸브

20, 40 ; 열교환기 30 ; 팽창밸브

31 ; 팽창밸브측 사방밸브 50 ; 축열조

51, 52 ; 삼방밸브 53, 54, 55, 61, 62 ; 방향전환밸브

60 ; 실외기 63, 71 ; 순환펌프

70 ; 실내기

Claims (2)

1. 기체 냉매를 고온고압으로 압축하여 토출시켜주는 압축기;

   상기 압축기의 양측에 각각 배치되어, 그 중 어느 하나는 기내(器內)에서의 열교환을 통한 방열작용에 의해 고압의 기체냉매를 액체상태로 응축시키고, 나머지 하나는 기내에서의 열교환을 통한 흡열작용에 의해 저압의 액체냉매를 기체상태로 증발시킬 수 있도록 상반된 열교환 과정을 각각 수행하는 한 쌍의 열교환기;

   상기 한 쌍의 열교환기 중 어느 한쪽에는 상기 압축기로부터 고압 기체냉매가 유입되게 함과 아울러 나머지 한쪽의 열교환기로부터는 상기 압축기에 저압 기체냉매가 유입되게 하기 위하여 상기 냉매의 유로를 선택적으로 전환시켜줄 수 있도록 상기 압축기와 각 열교환기 간의 유로분기지점에 설치된 압축기측 사방밸브;

   상기 각 열교환기 사이에 배치되어 어느 한쪽의 열교환기로부터 응축된 액체냉매의 유량조정에 의해 저압의 액체냉매로 급팽창시킨 후 그 액체냉매를 나머지 한쪽의 열교환기로 분사시켜주는 일방향성의 단일 팽창밸브;

   상기 각 열교환기 간의 냉매순환방향의 정·역 변화에 관계없이 상기 팽창밸브에 대하여 항상 일정방향으로 냉매가 순환될 수 있게 하기 위하여 상기 냉매의 유로를 선택적으로 전환시켜줄 수 있도록 상기 팽창밸브와 각 열교환기 간의 유로분기지점에 설치된 팽창밸브측 사방밸브;

   상기 팽창밸브와 어느 한쪽의 열교환기 사이에 배치되어 그 냉매순환관의 일부를 내측에 수용하고, 심야 잉여전력에 의한 장치 가동시 냉매순환관으로부터 발생하는 발열 또는 흡열작용에 따른 내부 열교환수와의 열교환 과정에 의해, 상기 열교환수를 얼음, 냉수, 또는 온수의 형태로 축열시켜 저장하는 상기 축열조;

   상기 한 쌍의 열교환기 중 어느 하나가 상기 축열조의 축냉 또는 축열된 열교환수에 의해 선택적으로 열교환될 수 있도록 배관 처리되어, 실내외 기온차가 심한 겨울철에도 별도의 보조가열기 없이 상기 축열조내 고온의 열교환수에 의해 상기 열교환기 내의 냉매순환관에 결상된 성에를 제거할 수 있도록 된 강제순환방식의 실외기;

   상기 실외기와 결합된 열교환기를 제외한 나머지 한쪽 열교환기가 상기 축열조의 축냉 또는 축열된 열교환수에 의해 선택적으로 열교환될 수 있도록 배관 처리된 정·역방향 순환이 가능한 강제순환방식의 실내기; 및

   상기 축열조와 실외기 및 실내기 각각의 배관 내 열교환수 순환에 대한 선택적 유로분기와 함께, 이들간의 상호 선택적 열교환수 순환이 가능하도록 해당 유로분기지점마다 각각 설치된 다수의 방향전환밸브;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 축열식 히트펌프유닛.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 축열조는 냉방 또는 난방운전중의 부하상태에 따라 그 운전에너지 효율을 극대화하기 위하여 그 냉동사이클장치부의 냉매순환관으로부터 냉매의 직접 또는 간접의 선택적인 분기순환이 가능하도록 상기 팽창밸브와 어느 한쪽의 열교환기 사이의 냉매순환관 일부에 병렬형태로 분기배관 처리된 냉매순환관이 그 내측에 수용되어 이루어지고, 상기 냉동사이클장치부의 냉매순환관 및 상기 축열조 내에 수용된 냉매순환관 간의 양 유로분기지점에는 한 쌍의 삼방밸브가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 축열식 히트펌프유닛.