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KR-20260061274-A - 공기열원 히트펌프

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Abstract

냉매를 압축하기 위한 압축기(332), 난방 모드 운전 중 주위 공기로부터 에너지를 추출하기 위한 공기 열교환기(320), 공기 열교환기로부터 낙하하는 응축수를 포집하기 위한 드립 트레이, 및 공기 열교환기를 통한 공기 흐름을 발생시키기 위한 팬(324)을 포함하는 공기열원 히트펌프가 제공되며; 상기 공기 열교환기(320)는 하부에 액체 서브쿨러(23)를 포함하고, 상기 액체 서브쿨러(23)는 난방 모드 운전 시 액체 냉매를 수용하고 해당 냉매를 팽창 밸브(316)에 공급하도록 구성되며, 냉매는 상기 팽창 밸브(316)를 통과한 후 공기 열교환기(320)의 상부에 있는 증발기를 통과하도록 배열되고, 상기 액체 서브쿨러(23)는 적어도 부분적으로 드립 트레이 내에 수용되며 공기 흐름으로부터 차폐된다.

Inventors

  • 카셀스 제이슨

Assignees

  • 옥토퍼스 에너지 히팅 리미티드

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20240827
Priority Date
20230913

Claims (16)

  1. 냉매를 압축하기 위한 압축기(332), 난방 모드 운전 중 주위 공기로부터 에너지를 추출하기 위한 공기 열교환기(320), 공기 열교환기로부터 낙하하는 응축수를 포집하기 위한 드립 트레이, 및 공기 열교환기를 통한 공기 흐름을 발생시키기 위한 팬(324)을 포함하는 공기열원 히트펌프로서; 상기 공기 열교환기(320)는 하부에 액체 서브쿨러(23)를 포함하고, 상기 액체 서브쿨러(23)는 난방 모드 운전 시 액체 냉매를 수용하고 해당 냉매를 팽창 밸브(316)에 공급하도록 구성되며, 냉매는 상기 팽창 밸브(316)를 통과한 후 공기 열교환기(320)의 상부에 있는 증발기를 통과하도록 배열되고, 상기 액체 서브쿨러(23)는 적어도 부분적으로 드립 트레이 내에 수용되며 공기 흐름으로부터 적어도 부분적으로 차폐되는, 공기열원 히트펌프.
  2. 제1항에 있어서, 서브쿨러를 공기 흐름으로부터 차폐하기 위한 하나 이상의 구조물 또는 형성부가 마련되는, 공기열원 히트펌프.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물 또는 형성부는 함께 서브쿨러가 수용되는 공동을 형성하며, 상기 공동은 드립 트레이와 연통하는, 공기열원 히트펌프.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물은 적어도 하나의 플랜지를 포함하는, 공기열원 히트펌프.
  5. 제4항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물은 적어도 한 쌍의 대향 플랜지를 포함하는, 공기열원 히트펌프.
  6. 제2항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물은 열교환기 하우징의 바닥면에 형성된 홈 또는 리세스를 포함하는, 공기열원 히트펌프.
  7. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물 또는 형성부는 응축수 유출을 포집/관리하기 위한 드립 트레이 구조의 일부를 형성하는, 공기열원 히트펌프.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 히트펌프는 플라스틱 재료로 제조된 하우징 내에 수용되고, 드립 트레이는 상기 하우징과 일체로 형성되며, 선택적으로 상기 하나 이상의 구조물도 하우징과 일체로 형성되는, 공기열원 히트펌프.
  9. 제8항에 있어서, 플라스틱 재료의 하우징은 플라스틱 성형품을 포함하고, 드립 트레이는 상기 성형품의 일부로서 형성되며, 선택적으로 상기 하나 이상의 구조물도 성형품의 일부로서 형성되는, 공기열원 히트펌프.
  10. 제9항에 있어서, 상기 플라스틱 성형품은 공기 열교환기를 수용하며, 선택적으로 압축기도 수용하는, 공기열원 히트펌프.
  11. 제2항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 서브쿨러는 복수의 튜브 길이부를 포함하며, 상기 복수의 튜브 길이부는 함께 냉매 유동을 위한 하나 이상의 회로를 형성하는, 공기열원 히트펌프.
  12. 제11항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물 또는 형성부는 복수의 튜브 길이부 전부에 대해 공기 흐름으로부터의 적어도 부분적인 차폐를 제공하는, 공기열원 히트펌프.
  13. 제11항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물 또는 형성부는 복수의 튜브 길이부 중 일부만을 공기 흐름으로부터 차폐하는, 공기열원 히트펌프.
  14. 제13항에 있어서, 상기 일부는 복수의 튜브 길이부 중 적어도 절반, 선택적으로 대다수를 포함하는, 공기열원 히트펌프.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 공기 열교환기는 핀 구조체이며, 개별 핀이 액체 서브쿨러와 상부 모두에 공용되는, 공기열원 히트펌프.
  16. 제15항에 있어서, 상기 개별 핀은, 대기 중의 수증기로부터 응축수가 형성될 때 응축수가 핀을 따라 상부로부터 액체 서브쿨러 쪽으로 흘러내리도록 배열되는, 공기열원 히트펌프.

Description

공기열원 히트펌프 본 발명은 공기열원 히트펌프 및 공기열원 히트펌프의 제상 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" 또는 "정상 운전") 온난한 기후 및 한랭한 기후에서 히트펌프의 공기 열교환기(증발기라고도 함)를 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, 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 비교적 따뜻한 냉매가 공기 열교환기로 공급되어 얼음을 녹임으로써 공기 열교환기의 효율을 회복시킨다. 제상 사이클 이벤트의 빈도는 1회에 약 10분씩 35분마다 발생할 수 있으나, 주위 조건, 시스템이 공급하려는 열 부하량 등에 따라 달라진다. 이와 같이, 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. 정상 운전 중에는 실외 열교환기의 증발기 표면에 응축수가 형성되어 증발기 외부 표면을 따라 흘러내린다. 마찬가지로, 제상 사이클 중에는 증발기에 축적된 동결 응축수가 융해되어 증발기의 외부 표면을 따라 흘러내린다. 이러한 이유로, 히트펌프 조립체의 일부로서 공기 열교환기 하부(선택적으로 히트펌프 본체 내부)에 드립 트레이가 마련되어 응축수를 포집하고 이를 적절한 배출 지점으로 유도함으로써, 제품 또는 주변 환경에 대한 악영향을 방지한다. 예를 들어, 응축수가 적절히 관리되지 않는 경우, 전기 부품과 같이 응축수와의 접촉에 적합하지 않은 히트펌프의 부품으로 응축수가 침입할 위험이 있다. 또한, 테라스나 보도 등 히트펌프 주변 또는 하부 지면에 응축수 웅덩이가 형성되어 동결될 경우 주변에 있는 사람에게 안전 위험이 발생할 수 있다. 특정 조건하의 정상 운전 중에는 증발기 표면에 서리 및 얼음이 코팅될 수 있으므로, 증발기 하부의 드립 트레이 내부 및 그 인근의 응축수가 동결되어 드립 트레이 내로의, 드립 트레이를 통한, 또는 드립 트레이 밖으로의 응축수 흐름을 차단할 수 있으며, 이로 인해 응축수 관리의 장애로 인한 문제가 발생할 수 있다. 본 발명은 적어도 부분적으로 이 문제를 해결하고 응축수로 인한 문제 발생 가능성을 줄이고자 한다. 제1 양태에 따르면, 냉매를 압축하기 위한 압축기, 난방 모드 운전 중 주위 공기로부터 에너지를 추출하기 위한 공기 열교환기, 공기 열교환기로부터 낙하하는 응축수를 포집하기 위한 드립 트레이, 및 공기 열교환기를 통한 공기 흐름을 발생시키기 위한 팬을 포함하는 공기열원 히트펌프가 제공되며; 상기 공기 열교환기는 하부에 액체 서브쿨러를 포함하고, 상기 액체 서브쿨러는 난방 모드 운전 시 액체 냉매를 수용하고 해당 냉매를 팽창 밸브에 공급하도록 구성되며, 냉매는 상기 팽창 밸브를 통과한 후 공기 열교환기의 상부에 있는 증발기를 통과하도록 배열되고, 상기 액체 서브쿨러는 적어도 부분적으로 드립 트레이 내에 수용되며 공기 흐름으로부터 적어도 부분적으로 차폐된다. 제2 양태에 따르면, 냉매를 압축하기 위한 압축기, 난방 모드 운전 중 주위 공기로부터 에너지를 추출하기 위한 공기 열교환기, 공기 열교환기로부터 낙하하는 응축수를 포집하기 위한 드립 트레이, 및 공기 열교환기를 통한 공기 흐름을 발생시키기 위한 팬을 포함하는 공기열원 히트펌프가 제공되며; 상기 공기 열교환기는 하부에 액체 서브쿨러를 포함하고, 상기 액체 서브쿨러는 난방 모드 운전 시 액체 냉매를 수용하고 해당 냉매를 팽창 밸브에 공급하도록 구성되며, 냉매는 상기 팽창 밸브를 통과한 후 공기 열교환기의 상부에 있는 증발기를 통과하도록 배열되고, 상기 액체 서브쿨러는 적어도 부분적으로 드립 트레이 내에 수용되며 트로프(trough) 또는 웰(well) 내에 격납됨으로써 공기 흐름으로부터 차폐된다. 제3 양태에 따르면, 냉매를 압축하기 위한 압축기, 및 난방 모드 운전 중 주위 공기로부터 에너지를 추출하기 위한 공기 열교환기를 포함하는 공기열원 히트펌프가 제공되며, 상기 공기 열교환기는 하부에 액체 서브쿨러를 포함하고, 상기 액체 서브쿨러는 난방 모드 운전 시 액체 냉매를 수용하고 해당 냉매를 팽창 밸브에 공급하도록 구성되며, 냉매는 상기 팽창 밸브를 통과한 후 공기 열교환기의 상부에 있는 증발기를 통과하도록 배열되고, 상기 히트펌프는: 공기 열교환기로부터 낙하하는 응축수를 포집하기 위한 드립 트레이; 및 공기 열교환기를 통한 공기 흐름을 발생시키기 위한 팬을 포함하며; 상기 액체 서브쿨러의 적어도 일부는 드립 트레이 내에 수용되고, 상기 드립 트레이는 서브쿨러의 해당 부분을 공기 흐름으로부터 차폐한다. 제1 양태 내지 제3 양태 중 어느 하나에 따른 구성에 의하면, 드립 트레이 내의 응축수가 동결될 가능성이 낮아지고 응축수의 흐름이 방해될 가능성도 낮아진다. 제1 양태 내지 제3 양태 중 어느 하나에 따른 공기열원 히트펌프에서, 서브쿨러를 공기 흐름으로부터 차폐하기 위한 하나 이상의 구조물 또는 형성부가 마련될 수 있다. 상기 하나 이상의 구조물 또는 형성부는 함께 서브쿨러가 수용되는 공동(cavity)을 형성할 수 있으며, 상기 공동은 드립 트레이와 연통한다. 상기 하나 이상의 구조물은 적어도 하나의 플랜지, 선택적으로 적어도 한 쌍의 대향 플랜지를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 구조물은 열교환기 하우징의 바닥면에 형성된 홈 또는 리세스를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 구조물 또는 형성부는 응축수 유출을 포집/관리하기 위한 드립 트레이 구조의 일부를 형성할 수 있다. 제1 양태 내지 제3 양태의 임의의 변형예에 따른 공기열원 히트펌프에서, 히트펌프는 플라스틱 재료로 제조된 하우징 내에 수용될 수 있으며, 드립 트레이는 상기 하우징과 일체로 형성되고, 선택적으로 상기 하나 이상의 구조물도 하우징과 일체로 형성될 수 있다. 플라스틱 재료의 하우징은 플라스틱 성형품을 포함할 수 있으며, 드립 트레이는 상기 성형품의 일부로서 형성될 수 있고, 선택적으로 상기 하나 이상의 구조물도 성형품의 일부로서 형성될 수 있다. 상기 플라스틱 성형품은 공기 열교환기를 수용할 수 있으며, 선택적으로 압축기도 수용할 수 있다. 이러한 구성은 응축수 처리에 있어서 이점을 제공하면서 제조 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있다. 제1 양태 내지 제3 양태의 임의의 변형예에 따른 공기열원 히트펌프에서, 서브쿨러는 복수의 튜브 길이부를 포함할 수 있으며, 상기 복수의 튜브 길이부는 함께 냉매 유동을 위한 하나 이상의 회로를 형성한다. 상기 하나 이상의 구조물 또는 형성부는 복수의 튜브 길이부 전부에 대해 공기 흐름으로부터의 적어도 부분적인 차폐를 제공할 수 있다. 대안으로, 상기 하나 이상의 구조물 또는 형성부는 복수의 튜브 길이부 중 일부만을 공기 흐름으로부터 차폐할 수 있다. 상기 일부는 복수의 튜브 길이부 중 적어도 절반, 선택적으로 대다수를 포함할 수 있다. 제1 양태 내지 제3 양태의 임의의 변형예에 따른 공기열원 히트펌프에서, 공기 열교환기는 핀 구조체일 수 있으며, 개별 핀이 액체 서브쿨러와 상부 모두에 공용된다. 상기 개별 핀은, 대기 중의 수증기로부터 응축수가 형성될 때 응축수가 핀을 따라 상부로부터 액체 서브쿨러 쪽으로 흘러내리도록 배열될 수 있다. 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; 도 3a 내지 도