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양 방향 캐스케이드 히트펌프시스템

개요

히트펌프(heat pump)는 압축기에 의해 압축된 냉매(refrigerant)가 응축기에서 방출하는 열을 난방에 이용 가능하도록 구성된 냉매증기 압축식 시스템이다. 근래에 들어 히트펌프는 지열, 태양열과 각종 폐열을 열원으로 이용함으로써 에너지 효율이 보다 향상된 시스템으로 확대되고 있다. 이러한 시스템에 있어서 지열 등 보조 열에너지는 주로 열전달용 유체 순환회로를 통해 시스템 내의 열교환기로 전달된다.

일반적으로 히트펌프는 난방 및 냉방으로의 운전모드 전환을 위해 냉매의 흐름방향을 전환밸브로 전환하는 방식을 적용한다. 이러한 종래의 시스템은 응축기와 증발기가 양쪽 기능을 모두 갖춰야 하기 때문에 효율적인 열교환기 설계가 불가능했다. 따라서 이에 따르는 효율손실과 전환밸브에서의 저항손실 등으로 시스템의 에너지 효율이 저하됐다. 이러한 문제들이 해결된 개선된 히트펌프시스템이 필요하다.


기술현황

히트펌프시스템 중 지열 히트펌프시스템은 흔히 지표면 밑 보어필드(borefield) 등을 통해 지중(ground)과 열을 교환하는 냉매시스템이 구성된다. 보어필드에는 기본적으로 유체가 순환하는 배관망이 매설된다. 유체는 보어필드를 통해 흐르면서 주변 지중과 열을 교환하고, 냉매시스템은 교환된 열에너지를 실내공간에 대한 난방이나 냉방 공급을 위해 사용한다.

이러한 지열 히트펌프는 종래에는
① 운전모드의 제한,
② 가역냉매회로(reversible refrigerant circuits)의 필요,
③ 열교환기에 대한 응축기및 증발기로의 전환 필요,
④ 불필요한 고온․저온 유체의 혼합 등의 단점을 갖고 있었다.
이에 따라 지열 용도뿐만 아니라 종래의 수 열원 시스템에 효과적인 개선된 히트펌프 개발이 필요하다.


발 명의 내 용

특허명: BI-DIRECTIONAL CASCADE HEAT PUMP SYSTEM  
특허번호 : WO2011084122

이 발명은 대체적으로 냉매시스템, 특히 캐스케이드 히트펌프시스템(cascade heat pump system)에 관련된다. 이 발명은 냉매와 제2유체(secondary fluid)로 운전하는 히트펌프시스템을 구성한다.




히트펌프시스템은 지열유체공급원(geothermal fluid source), 응축기를 갖는 제1 칠러(first chiller), 증발기를 갖는 제2 칠러(second chiller),그리고 지열유체공급원과 제1 칠러 및 제2 칠러 사이를 열이 전달되게 연결하는 유체순환루프(fluid circulation loop)를 포함한다. 제2유체는 유체순환루프를 통해 지열유체공급원으로부터 응축기와 증발기를 흐른 후 다시 지열유체공급원으로 복귀한다.

이 발명에 의한 히트펌프시스템은 제1 우선모드(first priority mode)와 제2 우선모드(second priority mode)로 선택하여 작동할 수 있다.

이 시스템은 지열유체공급원, 압축기 및 열교환기가 구성된 냉매시스템, 지열유체공급원와 열교환기를 열이 전달 되도록 연결하는 유체순환루프, 지열유체공급원과 유체순환루프에 연결되는 변속 가능(variable speed)의 제1 펌프, 유체순환루프 상부 제1 위치에 있는 제1 온도센서, 그리고 유체순환루프 상부 제2 위치에 있는 제2 온도센서를 포함한다.

이 시스템이 제1 우선모드로 운전할 때 제1 온도센서에 따라 제1 펌프의 속도가 조절된다. 그리고 시스템이 제2 우선모드로 운전할 때 제1 펌프는 제2 온도센서에 따라 속도가 조절된다.

이 시스템은 제1 압축기, 제1 열교환기를 갖는 제1 칠러를 포함한다.여기서 제1 열교환기는 냉매와 제2 유체 사이에서 열을 전달한다. 또한 이 시스템은 유체순환펌프와 이 유체순환펌프를 제1열교환기와 연결하는 유체순환 루프, 그리고 유체순환 루프 내의 루프 세그먼트(loop segment)를 구성한다. 루프 세그먼트에는 상류 루프 포인트(upstream loop point)와 하류 루프 포인트(down stream loop point)가 포함된다. 여기서 "상류" 및 “하류”는 루프 세그먼트를 흐르는 제2 유체의 흐름방향을 기준으로 한다.

이 시스템은 루프 세그먼트에 연결되는 제2 유체공급원, 그리고 제2유체공급원과 루프 세그먼트 사이에서 제2 유체를 수송하는 제2 유체펌프를 포함한다. 이에 따라 제2 유체공급원으로부터 제2 유체는 하류 루프 포인트에서 루프 세그먼트로 유입되고, 제2 유체공급원으로흐르는 제2 유체는 하류 루프 포인트의 루프 세그먼트에서 유출된다.

이 발명은 냉매, 제2유체, 냉방부하, 난방부하로 작동하는 다양한 운전모드를 갖는 히트펌프시스템을 제공한다.

히트펌프시스템에는 응축기-A와 증발기-A를 갖는 칠러-A가 포함된다. 이 시스템은 또한 응축기-B와 증발기-B를 갖는 칠러-B를 포함하며, 제2 유체공급원, 다수의 밸브, 제2 유체를 운반하고, 제1 칠러,제2 칠러, 제2 유체공급원 및 다수의 밸브를 연결되는 유체순환루프를 포함한다.

유체순환루프는 냉방 및 난방 부하와 연결된다. 다수의 밸브는 히트펌프시스템을 다음 모드로 선택하여 작동하도록 구성된다. 여기에는① 증발기-A를 냉방부하와 연결하는 A/냉방모드, ② 증발기-B를 냉방부하와 연결하는 B/냉방모드, ③ 증발기-A 및 증발기-B를 냉방부하와 연결하는 AB/냉방모드, ④ 응축기-A를 난방부하와 연결하는 A/난방모드, ⑤ 응축기-B를 난방부하와 연결하는 B/난방모드, ⑥ 응축기-A 및 응축기-B를 난방부하와 연결하는 AB/난방모드가 구성된다.


효 과 및 응 용

이 발명에 의한 히트펌프시스템은 각 실내공간의 환경조건에 따라 동시에 냉난방이 요구되는 경우의 냉난방 동시운전 등 다양한 운전모드로 운전하는 것이 가능하다. 그리고 냉매의 흐름방향을 전환하지 않으므로 응축기 및 증발기의 최적설계가 가능함에 따라 시스템 전체의 에너지효율이 향상된다.

이 히트펌프시스템 기술은 지열, 태양열 등 보조 열에너지 공급원 또는 열저장 장치를 갖는 냉난방시스템을 포함한 각종 열에너지 공급시스템에 폭 넓게 응용할 수 있다.

해당 특허 보기: http://worldwide.espacenet.com/publicationDetails/biblio?DB=worldwide.espacenet.com&II=0&ND=3&adjacent=true&locale=en_EP&FT=D&date=20110714&CC=WO&NR=2011084122A1&KC=A1

자료출처 : Trane International Inc., "Bi-directional cascade heat pump system", WO2011084122, pp.1~47


출처: Reseat
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