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KR20240168088A - 폐열회수형 히트펌프 공기조화기 - Google Patents

폐열회수형 히트펌프 공기조화기 Download PDF

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KR20240168088A
KR20240168088A KR1020230065660A KR20230065660A KR20240168088A KR 20240168088 A KR20240168088 A KR 20240168088A KR 1020230065660 A KR1020230065660 A KR 1020230065660A KR 20230065660 A KR20230065660 A KR 20230065660A KR 20240168088 A KR20240168088 A KR 20240168088A
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KR
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heat
heat exchanger
port
valve
switching valve
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KR1020230065660A
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윤명진
Original Assignee
윤명진
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Publication date
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Abstract

본 발명은 간단한 구성에 의해 다양한 열원으로부터 열을 회수하거나 각열교환기의 절환운전이 가능하도록 구비되어 장치의 작동 및 효율을 개선 할 수 있도록 한 폐열회수형 히트펌프 공기조화기에 관한 것이다.

Description

폐열회수형 히트펌프 공기조화기{Air Conditioning of Waste Heat Recovery Type Heat Pump}
본 발명은 폐열회수형 히트펌프 공기조화기에 관한 것으로 보다 간단한 구성에 의해 2가지 이상의 열원과 2가지 이상의 부하를 사용할 수 있으며 1개의 사이클로 냉방, 난방, 급탕, 축열, 폐열회수 등 다양한 솔루션을 구현할 수 있도록 고안된 신개념의 폐열회수형 히트펌프공기조화기에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프공기조화기 또는 히트펌프시스템은 압축기, 응축기, 증발기 그리고 팽창밸브를 순환하는 냉매의 상변화를 통해 열을 흡수 또는 방출하여 냉온수 또는 냉.난방을 공급하도록 된 장치( 또는 시스템)로, 이러한 종래의 히트펌프 일례를 도면에서 설명하면 다음과 같다.
도 1에 도시된 바와 같이, 냉매의 순환사이클을 형성하도록 순환라인(20)에 의해 상호연결되는 압축기(11), 제1열교환기(12), 제2열교환기(13) 및 팽창밸브(14,15)가 구비되고, 냉방( 또는 냉수)과 난방( 또는 온수)에 따라냉매의 흐름을 절환할 수 있는 절환밸브(16)가 구비되며, 상기 각 팽창밸브(14,15)측에는 냉난방에 따른 냉매의 흐름이 변경하도록 체크밸브(17,18)가 구비되어 있다.
이러한 구성에 있어서, 상기 제1열교환기(12)와 제2열교환기(13)는 냉방 또는 난방모드에 따라 응축기 또는 증발기로 작동하게 되고, 상기 팽창밸브(14,15)는 냉방과 난방에 따라 별도의 팽창밸브(14,15)에 의해 냉매를 팽창하여 순환이 이루어지도록 결합되어 있다.
이와 같은 히트펌프는 상기 제1열교환기(12)또는 제2열교환기(13) 중의 어느하나에 냉방(또는 냉수)과 난방(또는 온수)등과 같은 부하측과의 라인이 연결되는데, 종래에는 상기 부하측에 연결되지 않은 다른 하나에 지열이나 폐온수 또는 외기 등과 같은 별도의 열원이 전혀 연결되지 않음에 따라 열교환 효율을 개선하는데에 한계가 있을 뿐만 아니라 단일의 열원이 연결되어 필요에 따라 또는 선택적으로 서로 다른 열원을 사용하는데에 한계가 있는 것이다.
또한 통상적으로 히트펌프는 겨울철의 난방시(또는 온수 생산시)에 실외온도가 낮음에 따라 실외에 설치되는 상기 제1열교환기(12) 또는 제2열교환기(13)에 적상(적상)이 발생되고, 이에 의해 난방능력이 급격히 저하되거나 또는 제상하기 위한 별도의 제상운전을 요하게 된다.
그런데 종래의 히트펌프는 계절적 요인(실외의 온도)에 의한 작동능력이 현저한 차이를 나타내는 것으로, 이는 상기 압축기(11)에 의해 생성된 고온 고압의 가스(hot gas)를 실외측에 위치된 상기 제2열교환기(13)측으로 유도하여 제상(통상의 핫가스제상)을 행하게 되는데, 이러한 경우에 종래의 히트펌프는 핫가스를 제2열교환기(13)측에 공급하기 위해 상기 제1열교환기(12)에 의한 난방이 일시적으로 중단됨으로 인해 연속적인 난방공급이 불가능하게 되는 문제점이 있는 것이다.
또한 종래의 히트펌프는 압축기(11)의 작동이 정지된 상태로 제상운전이 이루어짐에 따라 정상운전시에 상기 압축기(11)를 재가동할 때에, 상기 제2열교환기(13)로부터 응축된 액상의 냉매가 상기 압축기(11)로 유입됨에 따라 액압축에 따른 압축기의 소손 우려가 있어 장치의 고장이나 손상이 발생될 우려가 있는 것이다.
한국공개특허공고 제10-2011-0092106호( 2011.08.17.)
본 발명은 간단한 구성에 의해 다양한 열원으로부터 열을 회수하거나 각열교환기의 절환운전이 가능하도록 구비되어 장치의 작동 및 효율을 개선 할 수 있도록 한 폐열회수형 히트펌프 공기조화기에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 열매체가 순환되는 순환라인(20)에 의해 상호연결되는 압축기(31), 응축기, 증발기를 포하하여 이루어진 히트펌프 공조기에 있어서; 상기 순환라인(20) 상에 응축기 또는 증발기로 작동되도록 구비되고 냉방(냉수)난방(온수)를 공급하도록 제1부하(R, R₁, R₂) 측에 연결된 제1열 교환기(32)와 ; 외기나 지열 또는 폐열을 포함한 제1열원( S, S₁, S₂)측에 연결되어 열교환이 이루워지게 된 제2열교환기(33)와; 제2열원( S, S₁, S₂)과 열교환을 하거나 제2부하(R, R₁, R₂)와 열교환이 가능한 제3열교환기(34)가 구비되고 제3열교환기(34)상에는 상기순환라인(20)상에 연결되어 열매체의 유출입이 가능하도록된 제1포트(44) 및 제2포트(45)가 구비되고 상기 각 포트(44,45)를 연결하는 제3열교환기(34)에는 열매체의 흐름을 절환하는 기기절환밸브(41)과 제1열교환기(32)에서 기기절환밸브(41)D포트에 연결되도록 열매체를 일방향으로 흐르게 할 수 있는 고압측 체크밸브(39)와 제2열교환기(33)에서 기기절환밸브(41)D포트로 열매체를 일방향으로 흐르게 할 수 있는 고압측 체크밸브(40)가 구비되며 또는 상기 기기절환 밸브(41)S포트에서 제1열교환기(32)와 제2열교환기(33)로 열매체가 일방향으로 흐르게 할 수 있는 저압측 체크밸브(37,38)가 구비되며 상기 기기절환밸브(41)E포트에서 제3열교환기(34) 제1포트(44)로 흐르는 열매체라인과 상기 기기절환밸브(41)C포트에서 상기 제3열교환기(34) 제2포트(45)로 흐르는 열매체라인(36)상에 열매체를 상변화 시키도록된 팽창밸브(35)가 구비된 것을 특징으로 하는 폐열회수형 히트펌프 공기조화기가 제공된다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 본 발명은 다수의 열교환기가 구비되고, 각 열교환기 상에 상호 다른 열원으로부터 열회수가 이루워지도록 연결됨에 따라 각 열교환기에 절환 및 교번운전이 가능하여 장치의 작동 및 효율을 개선할 수 있을 뿐만 아니라 각 열교환기의 절환 및 교번운전을 위한 구성이 간단하여 제작상의 편리함을 제공할 수 있으며 1대의 기기로 냉방 난방, 급탕, 축열, 폐열회수 등 다양한 솔루션을 구현할 수 있는 폐열회수형 히트펌프공기조화기를 제공하는 것이다
상기 순환라인(20)상에 연결되어 상기 응축기 또는 증발기로 작동되도록 구비되고, 냉방(냉수) 또는 난방(온수)를 공급하도록 부하공급라인(42)에 의해 부하(R, R₁, R₂)측에 연결된 제1열교환기(32)와;
상기 제1열교환기(32)에 대응되어 증발기 또는 응축기로 작동되도록 구비되고 외기나 지열 또는 폐열을 포함한 열원( S, S₁, S₂)과의 열교환이 이루어 지도록 열원( S, S₁, S₂)측에 연결된 제2열교환기(33)와,
제3열교환기(34)상에는 상기 순환라인(20)상에 연결되어 열매체의 유출입이 가능하도록 된 제1포트(44) 및 제2포트(45)와,
상기 각포트(44,45)를 연결하여 제3열교환기(34)에 열매체의 흐름을 절환하는 기기절환밸브(41)가 구비되며
제1열교환기(32)에서 기기절환밸브(41)D포트에 연결되도록 열매체를 일방향으로 흐르게 할 수 있는 고압측 체크밸브(39)와 제2열교환기(33)에서 상기 기기 절환밸브(41)D포트에 열매체를 일방향으로 흐르게 할 수 있는 고압측 체크밸브(40)가 구비되고,
상기 기기 절환밸브(41)S포트에서 제1열교환기(32)와 제2열교환기(33)로 열매체를 일방향으로 흐르게 할 수 있는 저압측 체크밸브(37,38)가 구비되며,
또한 상기 기기절환밸브(41)E포트에서 제3열교환기(34) 제1포트(44)로 흐르는 열매체라인과 상기 기기절환밸브(41)C포트에서 상기 제3열교환기(34)제2포트(45)로 흐르는 열매체라인 (36)상의 열매체를 상변화시키도록 된 팽창밸브(35)가 구비된 것을 특징으로 하는 폐열회수형 히트펌프 공기조화기가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 제2열 교환기(33)와 제3열교환기(34)에는 상기열원( S, S₁, S₂)중에서 상호 다른 제1열원(S₁)과 제2열원(S₂) 이 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 폐열회수형 히트펌프 공기조화기가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 순환라인(20)상에는 냉방 또는 난방운전에 따라 상기 압축기(31)측에서 공급되는 열매체의 흐름을 절환하도록 된 운전절환밸브(46)가 구비된 것을 특징으로 하는 폐열회수형 히프펌프 공기조화기가 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면 제3열교환기(34) 제2포트(45)와 팽창밸브(35)사이에 설치된 이코노마이져(60)와 전자변(61), 팽창변(62), 체크밸브(63)와 압축기(31)의 인젝션포트(M)로 구성된 EVI시스템을 적용하여 한냉지에서 난방능력과 효율을 높이고 열매체의 토출가스온도를 낮추어 장치의 안정성을 높인 폐열회수형 히트펌프공기조화기가 제공된다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면 열매체 순환라인(20)상에 응축기나 증발기로 작동되는 제1열 교환기(32)가 연결되고 상기 제1열교환기(32)에 대응되어 증발기나 응축기로 작동되는 제2 및 제3 열교환기(33,34)가 구비됨으로써, 냉난방 운전 중에 제2열교환기(33)와 제3열교환기(34)를 모두 사용하거나 어느하나를 선택적으로 사용하여 열교환이 이루워지도록 함에 따라 냉방이나 난방 또는 냉온수등과 같은 다양한 부하(R)에 대한 효율적인 대처가 가능할 뿐만 아니라 장치를 간단하게 구성하여 중복투자를 줄여, 대폭적인 시설비 및 에너지 절감을 할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 제3열교환기(34)의 열매체의 흐름을 절환하도록된 기기절환 밸브(41)가 구비됨으로써, 장치의 구성을 최소화 한 상태에서 제3열교환기(34)의 입출구포트(44,45)에 열매체의 흐름을 운전환경에 맞게 절환하므로 폐열회수 운전을 용이하게 하는 장점이 있다.
또한 본 발명은 상기 제2열 교환기(33)와 제3열교환기(34)에 지열이나 폐수열 또는 외기와 같은 열원( S, S₂, S₂)중에서 상호 다른 제1열원(S₁)과 제2열원(S₂)을 열교환 가능하게 연결함으로써 계절적 특성이나 운전환경의 특성을 고려하여 상기 제2열교환기(33)나 제3열교환기(34)를 선택적으로 사용할 수 있으며 이에 의해 계절이나 운전환경등에 관계없이 연교환 효율을 최적화한 상태로 운전이 가능한 장점이 있다.
또한 본 발명은 제1열교환기(32)와 제2열교환기(33)와 제3열교환기(34)를 구비하고 각각의 열교환기가 흡열과 방열이 가능하게 하여 2가지 이상의 열원과 2가지이상의 부하를 사용할 수 있으며 1대의 기기로 냉방, 난방, 축열, 급탕, 폐열회수등 다양한 공조솔루션을 구현할 수 있는 장점이 있다.
도1은 종래의 히트펌프시스템일례를 도시한 구성도
도2는 본 발명의 일실시에에 따른 구성을 도시한 구성도
도3은 본 발명의 일실시예에 따른 구성도
도4a는 본 발명의 일실시례에 따른 지열급탕을 적용한 냉방급탕운전의 흐름도
도4b는 본 발명의 일실시예에 따른 지열급탕운전의 흐름도
도4c는 본 발명의 일실시예에 따른 지열, 냉방, 급탕의 흐름도
도5a는 본 발명의 일실시예의 따른 지열 +공기열 난방의 흐름도
도5b는 본 발명의 일실시예의 따른 공기열 난방의 흐름도
도5c는 본 발명의 일실시예의 따른 지열 난방의 흐름도
도6a는 본 발명의 일실시예의 따른 입형항온항습기의 냉방운전의 흐름도
도6b는 본 발명의 일실시예의 따른 입형항온항습기의 냉방제습운전의 흐름도
도7a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입형 항온항습기의 냉방운전의 흐름도
도7b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입형 항온항습기의냉방제습운전의 흐름도
도7c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 입형 항온항습기의 난방운전의 흐름도
도8a는 본 발명의 또다른 실시예의 따른 횡형항온항습공조기의 냉방운전흐름도
도8b는 본 발명의 또다른 실시예의 따른 횡형항온항습공조기의 냉방제습운전흐름도
도8c는 본 발명의 또다른 실시예의 따른 횡형항온항습공조기의 난방운전흐름도
도9는 본 발명의 또다른 실시예의 따른 EVI시스템을 적용한 난방운전의 흐름도
도10a는 본 발명의 또다른 실시예의 따른 냉방운전의 흐름도
도10b는 본 발명의 또다른 실시예의 따른 냉방제습운전(제상운전)의 흐름도
도10c는 본 발명의 또다른 실시예의 따른 난방운전의 흐름도
상술한 본 발명의 목적 특징들 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
도2내지 도10C을 본 발명의 다양한 실시예를 도시한 것이다.
도2에 도시된 바와 같이 본 발명은 응축기나 증발기로 작동되는 제1열교환기(32)에 대응되어 응축기나 증발기로 작동되는 제2열교환기(33)와 제3열교환기(34)가 구비되어 열매체가 순환되도록 형성된 순환라인(20)에 의해 열매체의 상변화에 따라 열교환이 이루어지도록 압축기(31)와 제1열교환기(32)와 팽창밸브(35) 및 제2열 교환기 및 제3열 교환기( 33,34)가 상호 연결된 것이다.
이러한 구성에 있어 상기 각 열교환기(33,34)는 냉방 또는 난방모드에 따라 증발기 응축기로 작동하는 것으로 상기 제1열교환기(32)는 통상의 실내기에 상응하여 사용처의 부하(R)에 따라 냉난방( 또는 냉온수 )를 공급하도록 공급수가 순환되는 부하공급라인(42)에 연결되고 상기 제2 및 제3열교환기(33,34)는 통상의 실외기에 상응하여 열매체의 열을 외부로 방출하거나 외부열을 흡수하도록 된 것이다.
또한 상기 제2 및 제3열 교환기 (33,34)에는 지열이나 폐수열(폐온수) 또는 외기 등과 같은 열원(S₁, S₂)을 연결하여 열교환이 가능하도록 구비될 수 있는데, 상기 제2열교환기(33)에는 열원(S₁, S₂)중의 어느하나에 해당되는 제1열원(S₁)이 열교환 가능하게 되고 상기 제3열교환기(34)에는 상기 제1열원(S₁)과는 다른 제2열원(S₂)이 열교환 가능하게 연결될 수 있다.
특히 상기 제2 및 제3열교환기(33,34)에 상호다른 제1열원(S₁)과 제2열원(S₂)을 각각 적용하면 각 열원(S₁, S₂)의 공급상태나 계절적 특성에 따른 온도변화 또는 설치장소등의 운전환경에 따라 상기 제2열교환기(33)의 열원과 제3열교환기(34)의 열원을 선택적으로 사용하므로 냉난방 효율을 대폭향상 시킬수 있다.
또한 본 발명은 상기 제3열 교환기(34)상에 상기 순환라인(20)에 연결되어 열매체의 유출입이 가능하도록 구비된 제1포트(44)와 제2포트(45)가 구비되고, 기기절환밸브(41)에 의해 제1포트(44)와 제2포트(45)로 흐르는 열매체 흐름을 절환하여 제2열교환기(33)으로부터 폐열을 회수하도록 구성되며 상기 기기 절환밸브(41)C포트에서 제3열교환기(34) 제2포트(45)로 흐르는 열매체라인 상에 열매체를 상변화 시키도록 된 팽창밸브(35)가 구비된 것이다.
여기에서 상기 기기절환밸브(41)은 통상의 사방밸브로써 열매체를 다방향으로 유도할 수 있는 것이고 D포트(Discharge : 배출=고압), S포트(Suction : 흡입=저압), C포트( Condenser 응축기 ), E포트( Evaporator 증발기 )로 구성되며 제1열교환기(32)에서 기기절환밸브(41)D포트를 흐르는 열매체를 일방향으로 흐르게 할 수 있는 고압측 체크밸브(39)와 제2열교환기(33)에서 기기절환밸브(41)D포트로 흐르는 열매체를 일방향으로 흐르게 할 수 있는 고압측 체크밸브(40)가 구비되고 기기절환밸브(41) S포트에서 제1열교환기(32) 및 제2열교환기(33)으로 각각 일방향으로 흐르게 할 수 있는 저압측 체크밸브(37,38)를 조합하여 제3열 교환기(34)로의 열매체의 흐름을 절환할 수 있도록 구성되어 기기 절환밸브(41) C포트에서 제3열교환기(34) 제2포트(45)로 흐르는 열매체라인(36)상에 팽창밸브(35)가 위치됨에 따라 추가적인 밸브의 구성등을 최소화 하여 , 작동구성을 간소화시킬수 있도록 구성된 것이다.
도4a 는 본 발명의 일실시예로서 열원으로 지열을 사용하여 난방 급탕 운전을 도시한 것으로 제2열교환기(33)은 증발기로 작동되어 열원인 지열로부터 열을 흡수하고 제1열교환기(32)는 응축기로 운전되어 부하를 가열하며 난방운전이 되고 기기절환밸브(41)C포트에서 제3열교환기(34) 제1포트(44)로 유입되어 열교환기내를흐르면서 급탕을 가열하고 응축이 완료된 열매체는 팽창밸브(35)를 통과하면서 저온저압으로 되어 제2열교환기(33)로 흐르는 구조로 별도의 급탕시설없이 난방과 급탕을 공급하는 것이다.
도4b는 냉난방이 필요없는 환절기 급탕운전을 도시한 것으로 제2열교환기(33)에서 지열로부터 열을 흡수한 저온저압의 열매체는 운전절환밸브(46)C포트에서 S포트로 절환되어 압축기(31) 흡입측으로 흐르고 압축기(31)에서 압축하여 배출된 고온고합의 열매체는 운전절환밸브(46) D포트에서 E포트로 절환되어 제1열 교환기(32)의 열교환없이 고압측 체크밸브(39)를 거쳐 기기 절환밸프(41) D포트에서 E포트로 절환되어 제3열교환기(34)의 제1포트(44)로 유입되어 급탕을 가열하고 응축이 완료된 액체 열매체는 제3열 교환기(34) 제2포트(45)를 거쳐 팽창변(35)를 통과하면서 저온저압으로 상변화하여 기기 절환밸브(41) C포트에서 S포트로 절환되어 저압측 체크밸브(38)를 거쳐 제2열교환기(33)로 유입되면서 급탕운전 사이클이 완성된다.
도4c는 냉방급탕운전을 도시한 것으로 제1열교환기(32)는 증발기(냉방,냉수)로 제2열 교환기(33)는 제1응축기(지열)로 제3열 교환기(34)는 제2응축기(급탕)으로 구성되어 응축기 폐열을 급탕에 적용하여 압축기(31) 1대의 전력소모로 냉방급탕을 공급하므로 에너지 효율을 대폭 증가시킨 운전방식이다.
도5a는 본 발명의 또다른 실시례로써 제1열교환기(32)는 부하, 제2열교환기(33)의 열원은 공기열, 제3열교환기(34)의 열원은 지열을 적용하므로 하절기, 냉방운전시 제1열 교환기(32)는 증발기로 제2열 교환기(32) 제1응축기, 제3열교환기(34)는 제2 응축기로 동작하도록 하여;
제1열교환기에(32) 부하를 냉각(냉방)을 하고 증발한 저온저압의 기체 열 매체는 순환라인(20)를 거쳐 운전절환밸브(46)E포트에서 S포트로 절환되어 압축기(31)흡입측으로 흡입되어 압축되어진 고온고압의 배출가스는 운전절환밸브(46) D포트에서 C포트로 절환되어 제2열교환기(33)로 흐르면서 제2열교환기(32)의 공기열원과 열교환하여 열을 방출하고 고압측 체크밸브(40)을 거쳐 기기절환밸브(41) D포트로 유입되며 E포트로 절환되어 제3열교환기(34)의 제1포트(44)로 유입되어 재차 열교환을 하고 제3열교환기(34) 제2포트(45)로 유출되어 팽창밸브(35)를 거치면서 감압된 열매체는 기기절환밸브(41) C포트에서 S포트로 절환되어 저압측 체크밸브(37)를 통하여 제1열교환기(32)로 순환하면서 냉방운전이 된다.
도5b는 공기열 난방운전을 도시한 것으로 열매체의 흐름을 설명하면 다음과 같다. 제2열교환기(33)에서 외기로부터 열을 흡수한 열매체는 운전절환 밸브(46) C포트와 S포트를 거쳐 압축기(31) 흡입측으로 유입되고 압축기(31)에서 압축되어 배출된 고온고압의 열매체는 운전절환밸브(46)D포트와 E포트를 거쳐 제1열교환기(32)로 유입되어 부하(R)를 가열하면서 난방을 한다. 난방을 하면서 액화된 열매체는 제1열교환기(32) 출구로 나와 고압측 체크밸브(39)를 거쳐 기기 절환밸브(41)D포트에서 E포트로 절환되어 제3열교환기(34) 제1포트(44)로 유입되어 제3열교환기(34)를 흐르면서 지열원펌프를 ON OFF시켜 폐열을 지중으로 회수하고 출구인 제2포트(45)로 나와 팽창밸브(35)를 통과하면서 저온저압으로 감압된 열매체는 기기절환밸브(41) C포트에서 S포트로 절환되어 저압측 체크밸브(38)을 거쳐 제2열교환기(33)로 순환하면서 난방운전이 된다.
도5c는 지열난방운전을 도시한 예이다. 열매체의 흐름은 다음과 같다. 제3열교환기(34)에서 지열원펌프로부터 순환되는 지열원에서 열을 흡수하여 기화된 열매체는 제3열 교환기(34) 제1포트(44)로 나와 기기절환 밸브(41) E포트로 유입되고 절환되어 S포트를 거쳐 저압측 체크밸브(38)를 통과하면서 제2열교환기(33)으로 유입된다.
이때에 송풍기는 정지상태에서 제2열교환기(33)을 통과한 열매체는 운전절환밸브(46) C포트와 S포트를 거쳐 압축기(31) 흡입측으로 흡입되어 압축된 고온고압의 열매체는 운전절환밸브(46) D포트와 E포트를 거쳐 제1열 교환기(32)로 유입되어 부하(R)를 가열하며 난방운전이 된다.
이와 같은 운전방식은 계절적인 요인이나 환경에 따라 난방능력이 변화하는 히트펌프 특성에 맞추어 공기열원이나 지열원을 선택적으로 운전하므로서 난방효율을 대폭 상승시킬수 있도록 고안된 것이다.
도6a는 난방이 필요없는 항온항습기에 적응예로써 냉방운전의 열매체의 흐름도 이며 열매체의 흐름은 다음과 같다. 제1열교환기(32)와 제3열교환기(34)는 실내기에 배치하고 제2열교환기(33)는 실외기에 배치된 구성으로서
압축기(31)에서 배출된 고온고압의 열매체는 실외기에서 실외기 휀(33a)에 의해 외기와 열교환하고 응축되어 고압측체크밸브(40)을 거쳐 기기절환밸브(41) D-C포트로 절환되어 팽창밸브(35)를 통과하면서 저온저압이 되어 제3열교환기(34) 제2포트(45)로 유입되어 실내공기를 1차냉각하고 제3열교환기(34) 제1포트(44)로 나와 기기 절환밸브(41)E포트에서 S포트로 절환순환하면서 저압측 체크밸브(37)를 거쳐 제1열교환기로 유입되어 실내에서 유입되는 환기를 2차 냉각하고 기화된 열매체는 압축기(31) 흡입측으로 흡입되어 냉방운전이 된다. 이때 실내공기는 실내기 휀( 32a, 34a)에 의해 순환된다.
도6b는 냉방제습운전의 적용예이다. 제1열교환기(32)에서 환기로부터 냉각하고 기화된 열매체는 압축기(31)흡입측으로 흡입되어서 고온고압으로 압축배출하여 제2열 교환기(33)을 통과하면서 실외기 휀(33a)과 열교환하고 응축된 열매체는 고압측 체크밸브(40)를 거치면서 기기절환밸브(41) D포트에서 절환되어 E포트로 흐르면서 제3열교환기(34) 제1포트(44)로 유입되어 제1열교환기(31)로부터 냉각된 실내공기를 가열하고 과냉각되어 제3열 교환기(34) 출구인 제2포트(45)를 거쳐 팽창밸브(35)를 통과하면서 저온저압으로 감압되어 기기절환 밸브(41) C포트와 S포트를 거쳐 저압측 체크밸브(37)를 통과하여 제1열교환기(32)로 흐르면서 실내기휀( 32a, 34a)에 의해 순환되는 실내환기를 냉각하며 냉방제습운전이 된다.
제3열교환기(34)로 흐르는 열매체의 재열량은 실외기 휀모터(33a)의 대수제어나 인버터제어로 조절된다.
도7a는 냉방, 냉방제습, 난방운전이 가능한 항온항습기의 적용예로서 열매체의 흐름은 다음과 같다. 제1열교환기(32)로 순환되는 저온저압의 열매체는 실내환기를 1차 냉각하고 기화되어 운전절환밸브(46)E포트에서 S포트로 절환되어 압축기(31) 흡입측으로 흡입압축되고 고온고압으로 배출된 열매체는 운전절환밸브(46)D포트와 C포트를 통과하여 제2열 교환기(33)으로 흐르게 된다.
제2열교환기(33)에서 실외기 휀(33a)에의해 순환되는 외기와 열교환하고 응축된 열매체는 고압측체크밸브(40)를 거쳐 기기 열교환기(41) D포트로 유입되고 E포트로 절환되어 나온 열매체는 팽창밸브(35)를 통과하면서 저온저압으로 팽창되어 제3열교환기(34)제2포트(45)로 유입되어 제3열교환기(34)를 거쳐면서 실내에서 순환되는 환기를 2차 냉각하고 기화된 열매체는 제3열교환기(34) 제1포트(44)로 나와 기기절환밸브(41) E포트에서 S포트로 흐르고 저압측 체크밸브(37)를 통과하여 제1열 교환기(32)로 유입되면서 냉방운전이 된다.
7b는 냉방제습운전의 실시예이다. 제1열교환기(32)로 순환되는 저온저압의 열매체는 실내기휀(32a, 33a)로부터 순환되는 실내환기를 냉각하고 기화되고 운전절환밸브(46) E,S포트를 거쳐 압축기로 흡입되어 압축된 고온고압의 열매체는 운전절환밸브(46) D,C포트를 거쳐 제2열교환기(33)로 유입되어 실외기 휀(33a)에 의해 열교환 후 응축된 고온고압의 열매체는 고압측 체크밸브(40)를 거쳐 기기절환밸브(41) D,E포트를 지나 제3열교환기(34)제1포트(44)로 유입되어 제1열교환기(32)에서 냉각된 실내공기를 가열(재열)하고 제3열교환기(34)제2포트(45)를 통해 유출되어 팽창밸브(35)를 통과하면서 저온저압으로 감압되어 기기절환밸브(41) C, S포트를 거쳐 저압측 체크밸브(37)를 통과하여 제1열교환기(32)로 흐르면서 냉방제습운전이 된다.
도7c는 항온항습기 난방운전모드이다. 제1열교환기(32)로 흐르는 고온고압의 기체는 실내기 휀(32a, 34a)에의해 순환되는 실내환기를 1차 가열하고 고압측 체크밸브(39)를 거쳐 기기절환밸브(41) D,E포트를 통과하며 제3열교환기(34) 제1포트(44)로 유입되어 실내환기를 2차가열하고 제3열교환기(34) 제2포트(45)로 유출된 열매체는 팽창밸브(35)를 통과하면서 저온저압으로 감압되어 기기절환밸브(41) C,S포트를 거쳐 저압측 체크밸브(38)를 통과하여 제2열교환기(33)으로 유입되어 실외기 휀( 33a)으로부터 순환되는 외기에서 열을 흡수하고 기화된 저온저압의 열매체는 운전절환밸브(46) C,S포트를 통과하여 압축기(31)로 흡입되며 압축기(31)에서 압축된 고온고압의 기체는 운전절환밸브(46) D,E포트를 거쳐 제1열교환기(32)로 순환되어 난방운전이 된다.
도8a는 실내공기 순환이 덕트로 이루어진 중대형의 항온항습히트펌프공기조화기의 냉방운전의 실시예이다. 팽창변(35)에서 감압된 저온저압의 열매체는 제3열교환기(34)를 흐르면서 공조기휀(32a, 34a)에 의해 순환되는 환기(RA)를 2차 냉각하고 기기절환밸브(41) E, S포트를 거쳐 저압측 체크밸브(37)를 통과하여 제1열교환기(32)를 흐르면서 1차 냉각을 하며 기화된 저온저압의 열매체는 운전절환밸브(46) E,S포트를 거쳐 압축기(31)로 흡입된다.
압축기(31)로 흡입된 저온저압의 열매체는 고온고압으로 압축되어 운전절환밸브(46)의 D,C포트를 거쳐 제2열교환기(33)를 통과하면서 실외기휀(33a)으로부터 순환되는 외기를 가열하고 응축된 열매체는 고압측체크밸브(40)을 통과하여 기기절환밸브(41)의 D,C,포트를 거쳐 팽창밸브(35)에서 저온저압으로 감압되어 제3열교환기(34)로 흐르며 냉방운전이 된다.
도8b는 항온항습히트펌프 공기조화기 냉방제습운전모드이다. 저온저압의 열매체는 제1열교환기(32)내를 흐르면서 공기조화기 휀( 32a, 34a)으로부터 순환되는 환기(RA)를 냉각하면서 기화된 저온저압의 기체열매체는 운전절환밸브(46)의 E,S포트를 거쳐 압축기(31)로 흡입되고, 압축기에서 고온고압으로 압축된 열매체는 운전절환밸브(46)의 D,C포트를 거쳐 제2열교환기(33)로 유입되어 실외기 휀(33a)에의해 순환되는 외기와 열교환하며 응축된다.
이때 응축된 열매체는 고압측 체크밸브(40)를 통해 기기절환밸브(41)의 D포트로 유입되고 E포트로 절환되어 제3열교환기(34)로 흐르면서 제1열교환기(32)로부터 냉각된 실내환기(RA)를 가열(재열)하고 팽창밸브(35)를 통과 하면서 저온저압으로 감압되어 제1열교환기(32)로 순환하면서 냉방제습운전이 된다.
도8c는 폐열회수형 항온항습공기조화기의 난방운전모드이다. 제1열교환기(32) 내부를 흐르는 고온고압의 열매체는 공기조화기 급기휀( 32a, 34a)에의해 순환되는 환기(RA)를 가열하고 고압측 체크밸브(39)를 거쳐 기기절환밸브(41)의 D포트로 유입하여 E포트로 절환되어 제3열교환기(34)내를 흐르면서 환기를 재차 가열하고 응축된 열매체는 팽창밸브(35)를 거치면서 저온저압으로 감압하여 기기절환밸브(41) C,S포트를 거쳐 저압측 체크밸브(38)를 통과하면서 제2열교환기(33)로 유입되고 제2열교환기(33)을 흐르는 저온저압의 열매체는 실외기 휀(33a)에 의해 순환되는 외기와 열교환하면서 기화하여 운전절환밸브(46) C,S포트를 거쳐 압축기(31)로 흡입된다. 압축기(31)에서 압축되어 고온고압으로 만들어진 열매체는 운전절환밸브(46)의 D,E포트를 거쳐 제1열교환기(32)로 순환하면서 난방운전이 된다.
도9c는 EVI시스템이 적용된 폐열회수형 히트펌프공기조화기의 실시예이다. 도8c의 난방운전의 EVI시스템을 적용하여 한냉지에서 난방운전시 제3열교환기(34)의 제2포트(45)와 팽창밸브(35)사이에 설치하여 팽창밸브(35)전에 고압액을 과냉각시켜 난방능력을 증대하고 압축기(31)의 배출가스온도를 낮춰 히트펌프의 효율과 안정성을 향상시킨 운전방식이다.
도10a는 실외기가 필요없는 폐열회수 히트펌프공기조화기의 냉방운전흐름도를 도시한 것이다.
팽창밸브(35)에서 감압된 저온저압의 열매체는 제3열교환기(34) 제1포트(44)로 공급되어 급기휀(32a, 34a)에 의해 순환되는 실내공기를 냉각시키고 기화하면서 제3열교환기(34)제2포트(45)로 나와로 기기절환밸브(41) E,S포트를 거쳐 저압측 체크밸브(38)을 통과해서 제1열교환기(32)로 공급되어 열교환기내를 흐르면서 실내공기를 재차 냉각하고 완전기화된 열매체는 운전절환밸브(46)E,S포트를 거쳐 압축기(31)로 흡입된다. 압축기(31)에서 고온고압으로 압축된 열매체는 운전절환밸브(46)D,C포트를 거쳐 제2열교환기(33)을 순환하면서 배기휀(33a)에 의해 배기되는 공기와 열교환하면서 응축된다. 제2열교환기에서 응축이 완료되어 나온 열매체는 고압측 체크밸브(39)를 거쳐 기기절환밸브(41)D,C포트로 절환되어 팽창밸브(35)로 순환하면서 냉방운전이 된다.
도10b는 폐열회수형히트펌프공기조화기 냉방제습운전의 열매체흐름을 도시한 실시예로써 열매체의 흐름은 다음과 같다. 팽창밸브(35)에서 저온저압으로 감압된 열매체는 기기절환밸브(41) C-S포트를 거쳐 저압측 체크밸브(38)을 통과해 제1열교환기(32)내를 흐르면서 급기휀(32a, 34a)에 의해 순환되는 실내공기를 냉각하고 기화하여 운전절환밸브(46)E-S포트를 거쳐 압축기(31)에 흡입된다. 그리고 압축기(31)에서 압축되어 배출된 고온고압의 열매체는 운전절환밸브(46)의 D-E포트를 거쳐 제2열교환기(33)내를 흐르면서 배기휀(33a)에 의해 배기되는 공기와 열교환하고 응축되어 고압측 체크밸브(39)를 통과하고 기기절환밸브(41)의 D-E포트를 거쳐 제3열교환기(34)제2포트(45)로 유입되어 제3열교환기(34)내를 순환하면서 제1열교환기(32)에서 냉각된 실내공기를 가열(재열)하고 응축된 고온고압의 열매체는 제3열교환기(34)제1포트(44)를 거쳐 팽창밸브(35)로 공급되는 구조의 폐열회수히트펌프공기조화기의 냉방제습운전이 된다.
도10c는 폐열회수히트펌프공기조화기의 난방운전의 열매체 흐름을 도시한 실시예로써 열매체의 흐름은 다음과 같다.
팽창밸브(35)를 통과하면서 감압된 저온저압의 열매체는 기기절환밸브(41)C-S포트를 지나 저압측 체크밸브(37)를 통과하여 제2열교환기(33)내를 흐르면서 배기휀(33a)에 의해 배기되는 배기공기와 열교환하면서 열을 흡수하고 증발된 열매체는 운전절환밸브(46)의 E-S포트를 거쳐 압축기(31)로 흡입된다. 압축기(31)에서 압축되어 배출된 고온고압의 열매체는 운전절환밸브(46) D-C포트를 거쳐 제1열교환기(32)를 순환하면서 급기휀(32a, 34a)에 의해 순환되는 실내공기를 가열하고 재차 고압측 체크밸브(40)를 통과하여 기기절환밸브(41)의 D-E포트를 거쳐 제3열교환기(34)제2포트(45)로 유입되어 열교환기내를 흐르면서 제1열교환기(32)에서 가열된 실내순환공기를 재차가열하며 응축이 완료된 열매체는 팽창밸브(35)로 공급되면서 난방운전이 된다.
이상에서 설명한 본발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사항을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다.
R : 부하 S : 열원
S₁: 제1열원 S₂: 제2열원
R₁: 제1부하 R₂: 제2부하
31 : 압축기 32 : 제1열교환기
33 : 제2열교환기 34 : 제3열교환기
35 : 팽창밸브 36 : 열매체 순환라인
37 : 저압측 체크밸브 38 : 저압측 체크밸브
39 : 고압측 체크밸브 40 : 고압측 체크밸브
41 : 기기절환밸브(사방밸브)
42 : 부하공급라인 43 : 열원공급라인
44 : 제3열교환기 제1포트 45 : 제3열교환기 제2포트
46 : 운전절환밸브(사방밸브)
사방밸브 D포트 : DISCHARGE (배출: 고압)
S포트 : SUCTION (흡입: 저압)
E포트 : EVAPORATER (증발기)
C포트 : CONDENSER (응축기)
사방밸브는 D포트에 고압라인이 연결되고
S포트에 저압라인이 연결되어야 만
E-C포트가 절환될 수 있다.

Claims (4)

  1. 열매체가 순환되는 순환라인(20)에 의해 상호연결되는 압축기(31), 응축기, 증발기를 포함하여 이루어진 폐열회수형 히트펌프 공기조화기에 있어서;
    상기 순환라인(20)상에 연결되어 상기 응축기 또는 증발기로 작동되도록 구비되고 냉방(냉수) 또는 난방(온수)를 공급하도록 공기나 물 또는 냉매와 열교환이 이루워지도록 제1부하(R, R₁, R₂)측에 연결되는 제1열교환기(32)와 ;
    상기 제1열교환기(32)에 대응되어 증발기 또는 응축기로 작동 되도록 구비하고, 외기나 지열 또는 폐열을 포함한 제1열원( S, S₁, S₂)과의 열교환이 이루워지도록 열원측에 연결된 제2열교환기(33)와 또 다른 제2열원( S, S₁, S₂)과 열교환이 이루워지거나 또다른 제2부하(R, R₁, R₂)와 열교환이 이루어질 수 있는 제3열교환기(34)를 포함하여 구성되며;
    상기 제3열교환기(34) 상에는 상기 순환라인(20)상에 연결되어 열매체의 유출입이 가능하도록 된 제1포트(44) 및 제2포트(45)가 구비되고 상기 각포트(44,45)를 연결하는 제3열교환기(34)에는 열매체의 흐름을 절환하는 기기 절환밸브(41)와 제1열교환기(32)에서 기기절환밸브(41) D포트에 연결되도록 열매체를 일방향으로 흐르게 할 수 있는 고압측 체크밸브(39)와 제2열교환기(33)에서 기기절환밸브(41)D포트로 연결되도록 열매체를 일방향으로 흐르게 할 수 있는 고압측 체크밸브(40)가 구비되고 기기절환밸브(41) S포트에서 제1열교환기(32)와 제2열교환기(33)로 열매체가 일방향으로 흐르게 할 수 있는 저압측 체크밸브(37,38)가 구비되며, 상기기기 절환밸브(41) E포트에서 제3열교환기(34)제1포트(44)로 흐르는 열매체라인이 구비되고 상기 기기절환밸프(41)C포트에서 제3열교환기(34) 제2포트(45)로 흐르는 열매체라인(36)상에 열매체를 상변화시키도록 된 팽창밸브(35)가 구비된 것을 특징으로 하는 폐열회수형 히트펌프 공기조화기
  2. 제1항에 있어서 상기 제2열 교환기(33)와 제3열교환기(34)에는 상기열원 ( S, S₁, S₂)중에서 상호 다른 제1열원(S₁)과 제2열원(S₂)이 각각연결되는 것을 특징으로 하는 폐열회수형 히트펌프공조기
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서 상기순환라인(20)상에는 냉방 또는 난방운전에 따라 상기 압축기(31)측에서 공급되는 열매체의 흐름을 절환하도록 된 운전절환밸브(42)가 구비된 것을 특징으로 하는 폐열회수형 히프펌프공기조화기
  4. 1항과 2항 3항에 있어서 제3열교환기(34) 제2포트(45)와 팽창밸브(35)사이에 설치된 이코노마이져(60)와, 전자변(61), 팽창변(62), 체크밸브(63), 압축기(31)의 인젝션포트(M)으로 구성된 EVI시스템이 적용된 폐열회수형 히프펌프 공기조화기
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