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KR-20260061273-A - 공기열원 히트펌프 및 방법

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Abstract

공기 열교환기, 상기 열교환기 위로 주위 공기를 이동시키기 위한 모터 구동 팬, 및 상기 팬의 모터의 전기적 특성 또는 전기적 거동의 검출된 변화에 기초하여 상기 공기 열교환기의 제상 필요성을 판단하도록 프로그래밍된 프로세서를 포함하는 공기열원 히트펌프가 제공된다. 또한 공기 열교환기 및 상기 공기 열교환기 위로 공기를 이동시키기 위한 모터 구동 팬을 포함하는 공기열원 히트펌프의 프로세서에 의해 수행되는 방법으로서, 상기 팬의 모터의 전기적 특성 또는 전기적 거동의 검출된 변화에 기초하여 상기 공기 열교환기의 제상 필요성을 판단하는 단계를 포함하는, 방법이 제공된다.

Inventors

  • 카셀스 제이슨

Assignees

  • 옥토퍼스 에너지 히팅 리미티드

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240827
Priority Date
20230913

Claims (18)

  1. 공기 열교환기, 상기 열교환기 위로 주위 공기를 이동시키기 위한 모터 구동 팬, 및 상기 팬의 모터의 거동 또는 전기적 특성의 검출된 변화에 기초하여 상기 공기 열교환기의 제상 필요성을 판단하도록 프로그래밍된 프로세서를 포함하는 공기열원 히트펌프.
  2. 제1항에 있어서, 상기 팬 모터는 관련 제어기를 가지며, 상기 프로세서는 상기 팬의 모터의 전기적 특성에 관한 데이터를 상기 제어기로부터 획득하도록 구성되는, 히트펌프.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기적 특성은 모터 전력 소비이고, 상기 검출된 변화는 전력 소비의 증가 또는 전력 소비의 변화율의 증가인, 히트펌프.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전기적 특성은 모터 구동 전류, 펄스 폭 변조 구동 방식에서의 유효 듀티 사이클, 모터에 공급되는 전압, 모터에 인가되는 전류 펄스의 진폭 및/또는 위상 중 하나 이상을 포함하는, 히트펌프.
  5. 제1항에 있어서, 상기 전기적 특성은 모터 전력 소비이고, 상기 검출된 변화는 모터 전력 소비의 감소 또는 모터 전력 소비의 변화율의 감소인, 히트펌프.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 판단된 필요성 및 하나 이상의 다른 요인에 기초하여 공기 열교환기 제상 이벤트를 개시하기 전에 상기 하나 이상의 다른 요인을 추가로 고려하도록 프로그래밍되는, 히트펌프.
  7. 제6항에 있어서, 상기 히트펌프는 건물에 서비스를 제공하고, 상기 다른 요인은 예측 에너지 수요, 건물 재실 상황, 재실 상황의 예측된 변화, 거주자 스케줄 또는 약속, 재실 이력 패턴 및/또는 사용자 행동의 이력 패턴, 기상 예보 데이터 중 하나 이상을 포함하는, 히트펌프.
  8. 제7항에 있어서, 상기 히트펌프의 프로세서는 홈 자동화 시스템에 작동 가능하게 연결되는, 히트펌프.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프로세서는 모터의 전기적 특성의 데이터베이스에 접근 가능한, 히트펌프.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 모터는 전자 정류 모터인, 히트펌프.
  11. 제10항에 있어서, 상기 모터는 전자 모터 제어기에 결합되고, 상기 전자 모터 제어기는 상기 프로세서에 결합되는, 히트펌프.
  12. 제11항에 있어서, 상기 전자 모터 제어기와 상기 프로세서는 MODBUS를 통해 결합되는, 히트펌프.
  13. 공기 열교환기 및 상기 공기 열교환기 위로 공기를 이동시키기 위한 모터 구동 팬을 포함하는 공기열원 히트펌프의 프로세서에 의해 수행되는 방법으로서, 상기 팬의 모터의 전기적 특성 또는 전기적 거동의 검출된 변화에 기초하여 상기 공기 열교환기의 제상 필요성을 판단하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 팬 모터는 관련 제어기를 가지며, 상기 방법은 상기 전기적 특성 또는 전기적 거동에 관한 데이터를 상기 제어기로부터 수신하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 전기적 특성 또는 전기적 거동은 모터 전력 소비이고, 상기 검출된 변화는 전력 소비의 증가 또는 전력 소비의 변화율의 증가인, 방법.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 판단된 필요성 및 하나 이상의 다른 요인에 기초하여 공기 열교환기 제상 이벤트를 개시하기 전에 상기 하나 이상의 다른 요인을 고려하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 히트펌프는 건물에 서비스를 제공하고, 상기 다른 요인은 예측 에너지 수요, 건물 재실 상황, 재실 상황의 예측된 변화, 거주자 스케줄 또는 약속, 재실 및/또는 사용자 행동의 이력 패턴, 기상 예보 데이터 중 하나 이상을 포함하는, 방법.
  18. 공기열원 히트펌프를 설치하는 방법으로서, 상기 히트펌프는 모터 구동 팬을 포함하고, 상기 방법은: 상기 팬을 구동하기 위해 상기 모터를 운전하는 단계; 상기 모터의 전기적 특성 또는 전기적 거동을 모니터링하는 단계; 상기 모터의 특성 및/또는 거동에 관한 데이터를 저장하는 단계; 및 상기 공기열원 히트펌프의 공기 열교환기에 대한 제상 이벤트를 개시할지 여부를 결정하는 데 있어서 상기 히트펌프의 프로세서가 사용하기 위한, 소비 전력, 전기적 거동 또는 전기적 특성의 임계값을 결정하는 단계를 포함하는, 방법.

Description

공기열원 히트펌프 및 방법 본 발명은 공기열원 히트펌프 및 공기열원 히트펌프를 제상하는 방법에 관한 것이다. EU 지침 2012/27/EU에 따르면, 건물은 최종 에너지 소비의 40% 및 CO2 배출량의 36%를 차지한다. 2016년 EU 집행위원회 보고서 "현재 및 미래(2020~2030) 난방/냉방 연료 배치(화석/재생에너지)의 매핑 및 분석"은 EU 가정에서 난방 및 온수만으로도 최종 에너지 총사용량의 79%(192.5Mtoe)를 차지한다고 결론지었다. EU 집행위원회는 또한 "Eurostat의 2019년 수치에 따르면, 난방 및 냉방의 약 75%는 여전히 화석 연료로부터 생성되고 재생에너지로부터는 22%만이 생산된다"고 보고하고 있다. EU의 기후 및 에너지 목표를 달성하기 위해, 난방 및 냉방 부문은 에너지 소비를 대폭 줄이고 화석 연료 사용을 감축해야 한다. 공기, 지중 또는 물에서 에너지를 얻는 히트펌프는 이 문제를 해결하는 데 잠재적으로 중요한 기여자로 확인되었다. 물에서 에너지를 얻는 히트펌프를 사용하기 위한 수체(body of water)에 접근할 수 있는 가정은 일부에 불과하고, 지중열원 열교환기의 설치에 필요한 비용 및 공간 요건이 매우 크기 때문에, 일반적으로 공기열원 히트펌프를 설치하는 것이 더 저렴하고 편리하다. 또한 공기열원 히트펌프가 기존 가스 중앙난방 보일러를 더 잘 대체할 수 있는 것으로 일반적으로 인식되고 있다. 그러나 공기열원 히트펌프는 수체 또는 지중에서 에너지를 추출하는 히트펌프에는 없는 하나의 단점을 가지고 있는데, 그것은 히트펌프가 주위 공기로부터 에너지를 추출하도록 운전된 경우("난방 모드") 온난한 기후 및 한랭한 기후에서 히트펌프의 공기 열교환기를 주기적으로 제상할 필요가 있다는 것이다. 공기 열교환기는 난방 모드에서 주위 공기의 열이 액체 냉매로 전달되는 열교환기이다. 전형적으로 핀이 부착된 튜브(보다 일반적으로는 도관(conduit))의 매트릭스가 차가운 액체 냉매를 수용하고, 팬 또는 임펠러의 작용에 의해 주위 공기가 상기 튜브 위로 이동한다. 난방 모드에서, 액체 냉매가 주위 공기보다 차갑기 때문에 주위 공기로부터 에너지가 추출되며, 액체 냉매는 온도 상승의 결과로 증발되고 주위 공기의 온도는 낮아진다. 주위 공기에 의해 운반되는 수증기는 결과적으로 공기 열교환기의 표면에서 응축되는 경향이 있다. 주위 공기 온도가 충분히 낮은 경우(전형적으로 0℃ 내지 10℃ 범위), 공기 열교환기의 표면에서 응축된 물은 동결되어 얼음을 형성한다. 얼음이 축적되면 공기 열교환기의 열전달 효율이 저하되고, 얼음이 상당량 축적되면 공기 열교환기의 인접한 도관들 사이의 간극을 폐쇄하여 공기 흐름이 손실되고 효율이 더욱 저하될 수 있다. 따라서 공기열원 히트펌프는 제상 사이클(실질적으로 히트펌프를 냉방 모드로 일시적으로 운전하는 것으로, 냉방 모드에서는 냉매로부터 공기 열교환기를 통해 주위로 열이 방출됨)이라고 알려진 것을 수시로 수행하도록 구성되어 있으며, 이 과정에서 따뜻한 냉매가 공기 열교환기로 공급되어 얼음을 녹임으로써 공기 열교환기의 효율을 회복시킨다. 제상 사이클은 난방 모드에서 사용되는 통상적인 에너지 추출 사이클의 역전을 수반한다: 히트펌프는 역방향으로 작동하며, 에너지가 가정(예를 들어, 가정 내부의 난방 공간, 또는 공간 난방 시스템이나 가정용 온수 공급의 온수)으로부터 공기 열교환기로, 그리고 주위로 전달된다. 제상 프로세스는 공기열원 히트펌프의 전체 효율을 명백히 저하시킨다. 제상 사이클 이벤트의 빈도는 1회에 약 10분씩 35분마다 발생할 수 있다. 히트펌프의 프로세서는 제상 사이클을 주기적으로 실행하도록 프로그래밍될 수 있는데, 고정된 주기에 따르거나, 주위 조건(주위 온도 및 경우에 따라서는 습도) 및 예를 들어 시스템이 공급하려는 열 부하량 등에 따른 주기에 따라 실행될 수 있다. 일부 상황에서는 히트펌프의 프로세서가 실제로 필요하지 않은 경우에도 제상 이벤트의 수행을 강제할 수 있다. 제상 이벤트를 수행하는 데 고유한 효율 손실을 고려할 때, 불필요한 제상 이벤트의 발생을 줄이는 것이 명백히 유익할 것이며, 공기 열교환기가 얼어붙은 상태로 공기열원 히트펌프를 운전하는 데 고유한 효율 손실을 고려할 때, 실제로 필요할 때마다 제상 이벤트가 수행되도록 보장하는 것 또한 바람직할 것이다. 본 발명은 기존 공기열원 히트펌프의 단점 중 적어도 일부를 전체적으로 또는 부분적으로 경감시킨 공기열원 히트펌프를 제공하고자 한다. 제1 양태에 따르면, 공기 열교환기, 상기 열교환기 위로 주위 공기를 이동시키기 위한 모터-구동 팬, 및 상기 팬의 모터의 거동 또는 전기적 특성의 결정된 변화에 기초하여 상기 공기 열교환기의 제상 필요성을 판단하도록 프로그래밍된 프로세서를 포함하는 공기열원 히트펌프가 제공된다. 제2 양태에 따르면, 공기 열교환기, 상기 열교환기 위로 주위 공기를 이동시키기 위한 모터-구동 팬, 및 상기 팬의 모터의 전기적 특성 또는 전기적 거동의 검출된 변화에 기초하여 상기 공기 열교환기의 제상 필요성을 판단하도록 프로그래밍된 프로세서를 포함하는 공기열원 히트펌프가 제공된다. 제1 또는 제2 양태에 따른 히트펌프에서, 팬 모터는 관련 제어기를 가질 수 있으며, 프로세서는 모터 제어기에 모터의 전력 소비(결정 방식에 무관하게) 또는 이에 대한 대용값(proxy)을 단순히 요청할 수 있다. 모터의 내부 제어기는 Modbus를 통해 어드레싱 가능할 수 있다. 제3 양태에 따르면, 히트펌프의 팬의 모터에 의해 소비되는 전력량의 검출된 증가에 기초하여 공기 열교환기의 제상 필요성을 검출하도록 프로그래밍된 프로세서를 포함하는 공기열원 히트펌프가 제공된다. 제4 양태에 따르면, 공기열원 히트펌프의 공기 열교환기를 제상하는 방법이 제공되며, 상기 방법은: 히트펌프의 팬의 모터에 의해 소비되는 전력을 모니터링하는 단계; 상기 팬에 의해 소비되는 전력의 증가를 검출하는 단계; 및 상기 팬에 의해 소비되는 전력의 증가를 검출하는 것에 응답하여 제상 이벤트를 개시하는 단계를 포함한다. 제5 양태에 따르면, 공기열원 히트펌프를 설치하는 방법이 제공되며, 상기 히트펌프는 모터-구동 팬을 포함하고, 상기 방법은: 상기 팬을 구동하기 위해 상기 모터를 운전하는 단계; 상기 모터의 전기적 특성 또는 전기적 거동을 모니터링하는 단계; 상기 모터의 특성 및/또는 거동에 관한 데이터를 저장하는 단계; 및 상기 공기열원 히트펌프의 공기 열교환기에 대한 제상 이벤트를 개시할지 여부를 결정하는 데 있어서 상기 히트펌프의 프로세서가 사용하기 위한, 소비 전력, 전기적 거동 또는 전기적 특성의 임계값을 결정하는 단계를 포함한다. 제6 양태에 따르면, 공기열원 히트펌프를 설치하는 방법이 제공되며, 상기 히트펌프는 모터 구동 팬을 포함하고, 상기 방법은: 상기 팬을 구동하기 위해 상기 모터를 운전하는 단계; 상기 모터에 의해 소비되는 전력을 모니터링하는 단계; 상기 모터의 거동에 관한 데이터를 저장하는 단계; 및 상기 공기열원 히트펌프의 공기 열교환기에 대한 제상 이벤트를 개시할지 여부를 결정하는 데 있어서 상기 히트펌프의 프로세서가 사용하기 위한, 소비 전력 또는 전력 특성의 임계값을 결정하는 단계를 포함한다. 본 발명의 실시예들을 첨부 도면을 참조하여 예시적으로만 설명하며, 도면에서: 도 1은 난방 모드로 작동하는 공기열원 히트펌프를 개략적으로 나타낸다; 도 2는 제상 모드로 작동하는 도 1의 공기열원 히트펌프를 개략적으로 나타낸다; 및 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 히트펌프 설치를 개략적으로 예시한다. 도 1은 난방 모드로 작동하는 공기열원 히트펌프(10)를 개략적으로 나타낸다. 히트펌프의 주요 기계적 구성요소가 도시되어 있으나, 명확성을 위해 히트펌프의 제어기 또는 프로세서를 포함한 전기적, 감지 및 제어 요소와 연결부는 생략되었다. 도면의 우측 하단 모서리에서 시작하면, 차가운 액체 냉매가 압축기(32)의 작용에 의해 수액기(12)로부터 도관(14)을 따라 강제 이동되며, 상기 도관(14)은 공기 열교환기(20)의 하부를 통과하여 난방 팽창 밸브(16)에 이른다. 도관(14)은 개방 단부(15)를 가지며, 상기 개방 단부(15)는 사용 시 액체 냉매 내에 잠기도록 되어 있어, 냉매 증기가 아닌 냉매 액체가 수액기(12)로부터 도관(14)으로 공급된다. 난방 팽창 밸브(16)에서 냉매는 작은 개구부를 통과하며, 이로 인해 압력이 감소하고 이는 다시 냉매의 끓는점을 낮춘다. 팽창 밸브 입구에서의 냉매 온도 및 팽창 밸브 출구에서의 냉매 압력에 따라, 냉매의 일부가 자발적으로 기화될 수 있으며, 그 결과 냉매의 온도가 낮아져 냉매가 액체와 증기의 혼합물로서 팽창 밸브를 나올 수 있다. 팽창 밸브(16)로부터 냉매는 분배기(18)로 유입되며, 상기 분배기에서는 단일 입력 도관이 복수의 출력 도관에 결합되고, 각각의 출력 도관은 공기 열교환기(20)의 도관 하나씩에 냉매를 공급한다. 일방향 밸브(50)가 난방 팽창 밸브(16)와 병렬로 마련되어 있으나, 이는 분배기(18)로부터 도관(14)으로의 유동(냉방 모드 운전 시 냉매가 유동하는 방향)을 허용하고 도관(14)으로부터 분배기로의 냉매 유동을 차단하도록 배향되어 있어, 난방 모드에서 냉매는 분배기(18)에 도달하기 위해 난방 팽창 밸브(16)를 통과해야 한다. 통상의 기술자가 이해하는 바와 같이, 난방 팽창 밸브(16)(히트펌프의 다른 팽창 밸브와 마찬가지로)는 현재의 작동 조건에 적합한 냉매 과열도(superheat)의 목표값을 달성하도록 히트펌프의 프로세서에 의해 제어된다. 필터-건조기(51)가 난방 팽창 밸브(16)로의 유동 경로에 마련될 수 있으며, 마련된 경우 이 역시 냉방 및 제상 시 일방향 밸브(50)를 통한 유동에 의해 우회된다. 하나의 변형예에서, 분배기(18)는 3개의 유동 경로를 포함할 수 있는데, 소형 내부 고정 오리피스(미도시)를 갖는 단일 입력 도관(17), 복수의 출력 도관(참조 번호(19)로 표시) 및 내부 우회 도관이 그것이다. 난방 모드에서, 냉매는 난방 팽창 밸브(16)를 통해 분배기(18)의 단일 입력 도관(17)으로, 소형 내부 고정 오리피스를 통과하여 복수의 출력 도관(