KR100777830B1 - 태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양열집열판과 연결되는 열매체라인 및 대기열회수기로부터 히트펌프장치의 압축기로 연장되는 냉매배관을 하나의 열교환기 내부로 집적시켜 태양열과 대기열을 냉매의 증발열원으로 사용토록 함과 동시에, 응축기로서의 온수가열기가 장입된 온수탱크로부터 상기 열교환기의 내부로 급탕용 온수의 일부를 순환시킬 수 있도록 함으로서, 실외의 온도가 매우 낮은 혹한기에도 주,야간에 관계없이 냉매의 증발열원을 충분하고 안정적으로 확보할 수 있도록 하며, 이로 인하여 히트펌프 시스템을 COP(열성적계수) 4 이상의 높은 효율로 가동시킬 수 있도록 함과 동시에, 좁은 공간에도 설치가 가능한 콤펙트한 구조를 가지면서도 증발열원의 효율적인 관리와 제어를 이루어낼 수 있도록 한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

이를 위하여, 본 발명은 순환펌프(3)로부터 연장되는 열매체라인(2)이 태양열집열판(1)을 거쳐 팽창탱크(4)와 연결되는 열매체순환싸이클과, 압축기로부터 토출된 고온고압의 냉매가스가 온수탱크(6)의 내부에 설치된 응축기로서의 온수가열기(9)와 팽창변을 거쳐 증발기로서의 대기열회수기(12)로 유입된 다음 압축기로 다시 회수되도록 하는 히트펌프장치(10)가 포함된 냉매순환싸이클로 이루어지며, 상기 온수탱크(6)에는 상온수의 급수관(7)과 온수의 급탕관(8)이 각각 연결 설치된 것에 있어서, 상기 태양열집열판(1)으로부터 팽창탱크(4)측으로 연장되는 열매체라인(2)이 열교환기(5)의 내부에서 열교환구조를 형성하며, 상기 대기열회수기(12)로 부터 히트펌프장치(10)의 압축기로 연장되는 냉매배관(11)에는 솔레노이드 밸브(13)가 설치되어, 이 솔레노이드 밸브(13)로부터 냉매의 증발을 위한 보조냉매배관(14)이 분기되고, 상기 보조냉매배관(14)이 열교환기(5)의 내부에서 열교환구조를 형성한 다음 열교환기(5)의 외부로 연장되어, 솔레노이드 밸브(13)로부터 히트펌프장치(10)의 압축기측으로 연장되는 냉매배관(11)과 다시 연결 설치되며, 상기 열교환기(5)는 순환펌프(16)를 구비하는 온수공급관(15)과 온수배출관(17)에 의하여 온수탱크(6)와 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.

태양열, 집열판, 대기열, 히트펌프, 축열탱크, 솔레노이드 밸브

Description

태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템{Heat pump system combined use of heat in the sunlight and air}

도 1은 본 발명의 제 1실시예에 의한 시스템을 나타내는 배관도.

도 2는 본 발명의 제 2실시예에 의한 시스템을 나타내는 배관도.

도 3은 본 발명의 제 3실시예에 의한 시스템을 나타내는 배관도.

도 4는 본 발명의 제 4실시예에 의한 시스템을 나타내는 배관도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 태양열집열판 2 : 열매체라인 3,16,22 : 순환펌프

4 : 팽창탱크 5 : 열교환기 6 : 온수탱크

7 : 급수관 8 : 급탕관 9 : 온수가열기

10 : 히트펌프장치 11,24 : 냉매배관 12 : 대기열회수기

13 : 솔레노이드 밸브 14 : 보조냉매배관 15,21 : 온수공급관

17,23 : 온수배출관 18 : 컨트롤러 19 : 태양열축열조

20 : 축열탱크 25 : 실내기

본 발명은 태양열집열판과 연결되는 열매체라인 및 대기열회수기로부터 히트펌프장치의 압축기로 연장되는 냉매배관을 하나의 열교환기 내부로 집적시켜 태양열과 대기열을 냉매의 증발열원으로 사용토록 함과 동시에, 응축기로서의 온수가열기가 장입된 온수탱크로부터 상기 열교환기의 내부로 급탕용 온수의 일부를 순환시킬 수 있도록 함으로서, 실외의 온도가 매우 낮은 혹한기에도 주,야간에 관계없이 냉매의 증발열원을 충분하고 안정적으로 확보할 수 있도록 하며, 이로 인하여 히트펌프 시스템을 COP(열성적계수) 4 이상의 높은 효율로 가동시킬 수 있도록 함과 동시에, 좁은 공간에도 설치가 가능한 콤펙트한 구조를 가지면서도 증발열원의 효율적인 관리와 제어를 이루어낼 수 있도록 한 태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 주택과 같은 주거공간 또는 사무실이나 공장과 같은 작업공간에서는 하절기의 냉방과 동절기의 난방이 생활환경의 주된 개선 요인으로 부각되고 있으며, 최근에는 인구의 증가에 따른 주거공간의 확산과 산업개발에 따른 공장부지 및 사무실의 증가로 인하여 냉,난방에 소요되는 에너지의 수요 또한 급격히 증가하고 있는 실정이다.

상기와 같은 에너지 수요의 증가에 비하여 에너지의 공급은 석유나 천연가스와 같은 화석연료의 가격상승과, 화석연료의 연소과정에서 발생하는 매연 등에 의한 환경오염으로 그 수요를 충분히 따라가지 못하고 있으며, 특히 농,축산업 및 수산업의 분야에서는 시설농가와 양식업의 경영자들이 화석연료의 사용에 따른 냉,난방비의 상승으로 경영압박을 받고 있는 실정이고, 제조업의 분야에서도 마찬가지로 에너지의 조달에 소요되는 비용의 상승으로 제품의 생산원가가 상승되어 많은 어려움을 겪고 있다.

이러한 요인을 극복하기 위하여 최근에 와서는 공해를 발생시키지 않으면서도 화석연료와 거의 동등한 수준의 에너지를 얻을 수 있도록 냉매의 압축과 응축 및 증발의 순환과정에서 발생 및 회수되는 열을 이용하여 냉,난방을 수행하는 공기조화기기의 사용이 보편화되어 있으며, 그 중에서도 냉,난방과 냉,온수 시스템을 혼용하여 사용할 수 있도록 한 히트펌프 시스템이 대표적으로 보급되고 있다.

그러나, 상기와 같은 히트펌프 시스템에 있어서도 동절기와 같이 실외의 온도가 0℃ 이하로 매우 낮게 될 경우에는 히트펌프의 증발부를 10 ~ 15℃의 온도로 유지시킬 수 있는 열원이 부족하게 되므로, 화석연료에 의한 별도의 가열을 통하여 히트펌프의 증발부 열원을 보충하지 않게 되면, 히트펌프 시스템의 원활한 작동을 이루어낼 수 없게 되며, 이로 인하여 화석연료의 사용에 따른 에너지 조달비용의 상승과 공해의 문제점을 완전히 해소하지는 못하였다.

상기와 같이 동절기에 발생하는 히트펌프 시스템의 증발부 열원부족을 화석연료를 사용하지 않고 자연적인 태양열에 의하여 보충하도록 한 것으로서, 평판집열기를 사용하여 흡수한 태양열을 물과 같은 잠열축열재(상변화물질)에 저장하여 히트펌프 시스템의 증발부 열원으로 사용토록 한 것이 알려져 있으나, 평판집열기에 의한 집열온도가 비교적 낮고 야간에는 그 사용이 불가능한 문제점이 있었으며, 이로 인하여 동절기시 태양열만으로는 히트펌프 시스템의 증발부 열원을 확보하기가 어려운 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 보완할 수 있도록 대기나 지중에 산재하는 대기열이나지열을 태양열과 함께 히트펌프 시스템의 증발부 열원으로 사용토록 한 것이 알려져 있으며, 이러한 히트펌프 시스템의 경우 대부분 주간에는 태양열에 의하여 히트펌프 시스템의 증발열원이 확보되도록 하고, 야간에는 대기열이나 지열에 의하여 히트펌프 시스템의 증발열원이 확보되도록 한 것이다.

그러나, 상기와 같은 히트펌프 시스템의 경우에도 태양열과 대기열 및 지열과 같은 각각의 증발열원을 개별적으로 운용함에 따라 태양열과 대기열 및 지열과 같은 증발열원의 유기적인 적용을 이루어내지 못함으로서 증발열원의 효율적인 관리가 어려운 문제점이 있었으며, 이로 인하여 증발열원의 확보가 용이한 시간에는 히트펌프 시스템을 비교적 높은 효율로 작동시킬 수 있지만, 야간시나 우천시 또는 흐린 날씨와 같이 증발열원의 확보가 용이하지 못한 상황에서는 히트펌프 시스템을 고효율로 운전시키기가 어려운 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 의한 태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템은 태양열집열판과 연결되는 열매체라인 및 대기열회수기로부터 히트펌프장치의 압축기로 연장되는 냉매배관을 하나의 열교환기 내부로 집적시켜 태양열과 대기열을 냉매의 증발열원으로 사용토록 함과 동시에, 응축기로서의 온수가열기가 장입된 온수탱크로부터 상기 열교환기의 내부로 급탕용 온수의 일부를 순환시킬 수 있도록 함으로서, 실외의 온도가 매우 낮은 혹한기에도 주,야간에 관계없이 냉매의 증발열원을 충분하고 안정적으로 확보할 수 있도록 하며, 이로 인하여 히트펌프 시스템을 COP(열성적계수) 4 이상의 높은 효율로 가동시킬 수 있도록 함과 동시에, 좁은 공간에도 설치가 가능한 콤펙트한 구조를 가지면서도 증발열원의 효율적인 관리와 제어를 이루어낼 수 있도록 하는 것을 그 기술적인 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 순환펌프로부터 연장되는 열매체라인이 태양열집열판을 거쳐 팽창탱크와 연결되는 열매체순환싸이클과, 압축기로부터 토출된 고온고압의 냉매가스가 온수탱크의 내부에 설치된 응축기로서의 온수가열기와 팽창변을 거쳐 증발기로서의 대기열회수기로 유입된 다음 압축기로 다시 회수되도록 하는 히트펌프장치가 포함된 냉매순환싸이클로 이루어지며, 상기 온수탱크에는 상온수의 급수관과 온수의 급탕관이 각각 연결 설치된 것에 있어서, 상기 태양열집열판으로부터 팽창탱크측으로 연장되는 열매체라인이 열교환기의 내부에서 열교환구조를 형성하며, 상기 대기열회수기로부터 히트펌프장치의 압축기로 연장되는 냉매배관에는 솔레노이드 밸브가 설치되어, 이 솔레노이드 밸브로부터 냉매의 증발을 위한 보조냉매배관이 분기되고, 상기 보조냉매배관이 열교환기의 내부에서 열교환구조를 형성한 다음 열교환기의 외부로 연장되어, 솔레노이드 밸브로부터 히트펌프장치의 압축기측으로 연장되는 냉매배관과 다시 연결 설치되며, 상기 열교환기는 순환펌프를 구비하는 온수공급관과 온수배출관에 의하여 온수탱크와 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 대기열회수기가 태양열집열판과 인접한 위치에서 복층식으로 설치된 상태에서, 상기 대기열회수기 및 태양열집열판의 상단에 구비된 태 양열축열조를 통하여 히트펌프장치로부터 연장되는 냉매배관이 통과하도록 설치되는 것을 특징으로 하고, 상기 열교환기와 온수탱크의 사이에는 축열탱크가 설치되어, 이 축열탱크가 순환펌프를 구비하는 온수공급관과 온수배출관에 의하여 열교환기 및 온수탱크와 각각 연결 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기 히트펌프장치로부터 대기열회수기로 연장되는 냉매배관으로부터는 또 다른 냉매배관이 분기되어, 이 냉매배관이 실내에 설치되는 실내기를 통과한 다음, 솔레노이드 밸브로부터 히트펌프장치의 압축기측으로 연장되는 냉매배관과 다시 연결 설치되는 것을 특징으로 한다.

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1 내지 도 4는 본 발명의 제 1 내지 제 4실시예에 의한 시스템을 나타내는 배관도이며, 도면에 대한 부호의 설명 중 미설명된 부호 10a는 히트펌프장치의 압축기로부터 연장되는 핫가스배관을 나타내는 것이고, 18b는 컨트롤러의 전원을 나타내는 것이다.

본 발명의 제 1실시예에 의한 시스템은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이, 순환펌프(3)로부터 연장되는 열매체라인(2)이 태양열집열판(1)을 거쳐 팽창탱크(4)와 연결되는 열매체순환싸이클과, 압축기로부터 토출된 고온고압의 냉매가스가 온수탱크(6)의 내부에 설치된 응축기로서의 온수가열기(9)와 팽창변을 거쳐 증발기로서의 대기열회수기(12)로 유입된 다음 압축기로 다시 회수되도록 하는 히트펌프장치(10) 가 포함된 냉매순환싸이클로 이루어진다.

상기 태양열집열판(1)은 태양열을 이용한 난방시스템에 일반적으로 적용되는 것과 마찬가지로 태양광선에 포함된 에너지를 모아서 열로 변환시키는 장치이며, 검은색의 티타늄 코팅 집열판이 태양광선이 투과되는 투명한 커버층(저철분 강화유리나 플라스틱)으로 덮혀진 상태에서 판상(板狀)의 알루미늄 케이스에 삽입되며, 티타늄 코팅 집열판과 알루미늄 케이스의 사이에는 단열재가 삽입되도록 한 구성으로 이루어지는 것이 대부분이다.

상기와 같은 태양열집열판(1)의 투명한 커버층을 태양광선이 통과하여 티타늄 코팅 집열판에 부딪히게 됨과 동시에 태양광선이 적외선으로 변환되는 데, 이 적외선은 투명한 커버층을 통과하여 외부로 나가지 못하기 때문에 태양열집열판(1)의 내부에 태양열이 점차적으로 축적되며, 이로 인하여 태양열집열판(1)의 내부온도가 점점 상승하게 되는 것이다.

상기 열매체라인(2)은 투명한 커버층과 티타늄 코팅 집열판의 사이에 장입되어 티타늄 코팅 집열판에 의한 집열면적에 지장을 초래하지 않는 범위내에서 티타늄 코팅 집열판을 따라 지그재그식으로 배열 설치됨으로서, 순환펌프(3)에 의하여 태양열집열판(1) 내부의 열매체라인(2)을 따라 열매체가 순환하는 과정에서 태양열집열판(1)의 내부에 축적된 태양열을 열매체가 흡수하게 되는 것이다.

상기 열매체라인(2)을 따라 순환되는 열매체는 물과 같은 잠열축열재가 될 수도 있고, 비등점이 56.3℃ 정도로 비교적 낮은 아세톤이나 알콜 또는 메탄올과 같은 액체가 될 수도 있으며, 상기 팽창탱크(4)는 태양열의 흡수에 따라 상승된 열 매체의 압력을 일정한 수준으로 낮추어 줌과 동시에 일정량의 액상 열매체를 확보토록 함으로서, 열매체의 지속적인 순환에 따른 태양열의 회수가 가능하도록 하는 역할을 수행한다.

그리고, 상기 히트펌프장치(10)의 내부에는 온수가열기(9)를 응축기로 하고 대기열회수기(12)를 증발기로 하는 냉매순환싸이클의 작동을 위하여 일반적인 히트펌프 시스템에 적용되는 것과 마찬가지로 압축기와 리시버탱크(수액기) 및 팽창변과 어큐뮬레이터(액분리기)가 설치되며, 냉매의 순환경로는 압축기로부터 응축기로서의 온수가열기(9)와 리시버탱크 및 팽창변(모세관이나 유량조절기구)을 통과한 다음, 증발기로서의 대기열회수기(12) 및 어큐뮬레이터를 거쳐 압축기로 재회수되는 경로를 가지게 된다.

상기와 같이 냉매순환싸이클의 응축기를 온수가열기(9)로 하여 온수탱크(6)의 내부에 코일(압축기로부터 토출된 고온고압의 냉매가스 즉, 핫가스가 유동하는 배관으로 형성됨)의 형태로 장입시킴으로서, 히트펌프장치(10)의 내부에 별도의 응축기를 설치한 상태에서 온수탱크(6)에 저장된 온수를 응축기로 순환시키는 복잡한 배관구조를 적용시키지 않더라도 온수의 가열을 신속하고 용이하게 이루어낼 수 있게 되며, 이로 인하여 압축기와 리시버탱크 및 팽창변과 어큐뮬레이터만으로 히트펌프장치(10)를 구성할 수 있게 된다.

따라서, 히트펌프장치(10)의 전체적인 크기를 소형화시켜 도면에 도시된 바와 같이 히트펌프장치(10)를 온수탱크(6)의 상단에 직접 설치하여 사용할 수 있게 됨으로서, 본 발명에 의한 히트펌프 시스템을 비교적 좁은 공간에도 용이하게 설치 할 수 있게 되는 것이며, 상기 온수탱크(6)에는 수도배관 등으로부터 연장되는 상온수의 급수관(7)과 실내로 급탕을 공급하여 실내의 난방이나 온수 사용을 가능토록 하는 급탕관(8)이 각각 연결 설치되어 있다.

또한, 상기 히트펌프장치(10)와 냉매배관(11)으로 연결되어 실외에 설치되는 증발기로서의 대기열회수기(12)는 판상의 몸체 내부를 따라 냉매의 유동통로가 지그재그식으로 형성됨으로서, 응축기로서의 온수가열기(9)와 리시버탱크 및 팽창변을 거쳐 공급된 냉매가 대기열회수기(12)를 유동하는 과정에서 증발열원이 되는 대기열(또는 지열이 될 수도 있다)을 흡수한 다음, 히트펌프장치(10)의 어큐뮬레이터를 거쳐 압축기로 다시 공급되는 것이다.

상기와 같이 열매체순환싸이클과 냉매순환싸이클을 시스템의 기본적인 구성요소로 한 상태에서, 상기 태양열집열판(1)으로부터 팽창탱크(4)측으로 연장되는 열매체라인(2)이 열교환기(5)의 내부에서 열교환구조를 형성토록 함과 동시에, 상기 열교환기(5)가 순환펌프(16)를 구비하는 온수공급관(15)과 온수배출관(17)에 의하여 온수탱크(6)와 연결 설치되어 있다.

이와 동시에, 상기 대기열회수기(12)로부터 히트펌프장치(10)로 연장되는 냉매배관(11)측에는 솔레노이드 밸브(13)가 설치되어, 이 솔레노이드 밸브(13)로부터 보조냉매배관(14)이 분기되며, 이와 같이 분기된 상기 보조냉매배관(14)이 열교환기(5)의 내부에서 열매체라인(2)과 함께 열교환구조를 형성한 다음 열교환기(5)의 외부로 연장되어, 상기 솔레노이드 밸브(13)로부터 히트펌프장치(10)로 연장되는 냉매배관(11)과 다시 연결 설치되어 있다.

또한, 상기 태양열집열판(1)의 내부온도를 감지하는 미도시된 센서 및 히트펌프장치(10)의 내부에 구비된 압축기를 통하여 유입 및 토출되는 냉매의 온도와 압력을 감지하는 미도시된 센서가 컨트롤러(18)와 접속됨과 동시에, 상기 열매체라인(2) 및 온수공급관(15)에 설치된 각각의 순환펌프(3)(16)와 솔레노이드 밸브(13)가 컨트롤러(18)와 접속됨으로서, 각각의 센서로부터 입력된 신호에 의하여 상기 컨트롤러(18)가 순환펌프(3)(16) 및 솔레노이드 밸브(13)의 작동을 제어할 수 있도록 이루어진다.

상기와 같이 태양열집열판(1)으로부터 연장되는 열매체라인(2)과 대기열회수기(12)를 거쳐 연장되는 보조냉매배관(14)이 하나의 열교환기(5) 내부에서 열교환구조를 형성하도록 설치됨과 동시에, 상기 열교환기(5)의 내부로 온수탱크(6)에 저장된 온수의 일부를 순환시킬 수 있도록 한 상태에서, 상기 컨트롤러(18)가 순환펌프(3)(16) 및 솔레노이드 밸브(13)의 작동을 센서에 의하여 제어할 수 있도록 함에 따라, 태양열과 대기열(또는 지열) 및 온수의 열을 필요시마다 냉매의 증발열원으로 유기적으로 적용시킬 수 있게 된다.

그리고, 도면상 온수탱크(6)로부터 연장되는 온수공급관(15)이 열교환기(5)의 내부에서 열교환구조를 형성한 다음, 이 열교환구조로부터 열교환기(5)의 외부로 온수배출관(17)이 연장되어 온수탱크(6)와 다시 연결 설치된 것으로 도시되어 있는 바, 이러한 경우는 열교환기(5)의 내부에 물과 같은 별도의 전열매체가 저장되어야 한다.

상기와 같은 경우와는 달리, 온수공급관(15)을 통하여 공급된 온수 자체가 전열매체로서 열교환기(5)의 내부에 저장되었다가 온수배출관(17)을 통하여 배출되도록 할 수도 있는 바, 후자에 의한 경우가 전자에 의한 경우보다 온수에 의한 열교환 성능이 다소 우수하게 되며, 상기 열교환기(5)와 온수탱크(6)의 케이싱에는 단열재(보온재)에 의한 단열(보온)처리가 이루어져야 한다.

도 2는 본 발명의 제 2실시예에 의한 시스템을 나타내는 것으로서, 전체적인 시스템은 본 발명의 제 1실시예에 의한 것과 동일하게 이루어지며, 단지 차이가 있는 점은 상기 대기열회수기(12)가 태양열집열판(1)과 인접한 위치에서 복층식으로 설치됨과 동시에, 상기 대기열회수기(12) 및 태양열집열판(1)의 상단에 구비된 태양열축열조(19)를 통하여 히트펌프장치(10)로부터 연장되는 냉매배관(11)이 통과하도록 설치된다는 것이다.

즉, 본 발명의 제 2실시예에 의한 태양열집열판(1)은 그 상단부에 태양열축열조(19)가 추가적으로 설치되는 데, 상기 태양열축열조(19) 또한 태양열을 이용한 난방시스템에 일반적으로 적용되는 것과 마찬가지로, 고밀도 우레탄 단열재로 도포된 원통 형상의 케이싱 내부에 열매체라인(2)과 연결되는 열매체축열조가 스테인레스 열교환기와 함께 설치되어, 태양열축열조(19)의 케이싱 내부로 유입된 물을 태양열에 의하여 온수로 가열시키도록 한 구성으로 이루어진다.

본 발명의 제 2실시예에서는 상기 태양열축열조(19)에 저장되는 열매체 또는 온수의 온도를 냉매의 증발열원으로 사용할 수 있도록 태양열축열조(19)의 케이싱 내부를 따라 냉매배관(11)을 추가적으로 배열 설치한 것이며, 이와 동시에 본 발명의 제 1실시예에 적용되었던 판상의 대기열회수기(12)를 태양열축열조(19)와 인접 하게 위치시켜 냉매배관(11)의 연결작업을 용이하게 수행토록 하되, 보다 많은 대기열을 흡수할 수 있도록 복층식으로 배열 설치한 것이다.

따라서, 본 발명의 제 2실시예에 의하면, 응축기로서의 온수가열기(9)와 리시버탱크 및 팽창변을 거쳐 공급된 냉매가 복층식의 대기열회수기(12) 및 태양열축열조(19)를 통하여 유동하는 과정에서 증발열원이 되는 대기열 및 태양열을 흡수한 다음, 필요에 따라 열교환기(5)를 거쳐 히트펌프장치(10)의 어큐뮬레이터로부터 압축기로 다시 공급되는 것이며, 냉매의 유동경로는 대기열회수기(12)로부터 태양열축열조(19) 방향이 될 수도 있고, 태양열축열조(19)로부터 대기열회수기(12) 방향이 될 수도 있다.

그러나, 시스템의 효율 측면에서 가장 바람직한 냉매의 유동경로는 대기열회수기(12)를 거쳐 태양열축열조(19)로 유입되는 경로인 바, 그 이유는 동일한 일조량하에서 회수되는 열량이 상대적으로 적은 대기열회수기(12)로부터 그 회수되는 열량이 상대적으로 많은 태양열축열조(19)로 냉매를 공급하는 것이 냉매에 의한 열회수 성능을 보다 더 향상시킬 수 있기 때문이다.

또한, 태양열축열조(19) 및 열교환기(5)에 태양열을 골고루 분산 축열시켜 태양열축열조(19) 및 열교환기(5)에 축열된 태양열을 냉매의 증발열원으로 보다 효율적으로 활용할 수 있도록, 상기 열매체라인(2)은 태양열집열판(1)의 1/2에 해당하는 부분을 거쳐 태양열축열조(19)와 연결된 다음, 태양열축열조(19)로부터 연장되는 열매체라인(2)이 태양열집열판(1)의 나머지 1/2에 해당하는 부분을 거쳐 열교환기(5)와 연결되도록 하는 것이 바람직하다.

도 3은 본 발명의 제 3실시예에 의한 시스템을 나타내는 것으로서, 전체적인 시스템은 본 발명의 제 1실시예 및 제 2실시예에 의한 것과 동일하게 이루어지며, 단지 차이가 있는 점은 상기 열교환기(5)와 온수탱크(6)의 사이에 축열탱크(20)가 설치되어, 이 축열탱크(20)가 순환펌프(16)(22)를 구비하는 온수공급관(15)(21)과 온수배출관(17)(23)에 의하여 열교환기(5) 및 온수탱크(6)와 각각 연결 설치된다는 것이다.

그리고, 위에서 설명되어진 바와 같이 축열탱크(20)로부터 연장되는 온수공급관(21)이 열교환기(5)의 내부에서 열교환구조를 형성한 다음, 이 열교환구조로부터 열교환기(5)의 외부로 온수배출관(23)이 연장되어 축열탱크(20)와 다시 연결 설치될 수도 있고, 축열탱크(20)로부터 온수공급관(21)을 통하여 공급된 온수 자체가 열교환기(5)의 내부에 저장되었다가 온수배출관(23)을 통하여 축열탱크(20)로 배출되도록 할 수도 있으며, 상기 온수공급관(21)에 설치되는 순환펌프(22) 또한 컨트롤러(18)와 접속되어 컨트롤러(18)에 의하여 제어된다.

상기 축열탱크(20)는 주간시 온수탱크(6)로부터 공급된 급탕용 온수가 그 내부에 저장되도록 한 상태에서, 실외의 온도가 매우 낮은 혹한기의 야간시와 같이 태양열집열판(1)이나 대기열회수기(12)에 의한 냉매의 증발열원 확보가 거의 불가능한 반면 급탕에 의한 실내의 난방부하는 상대적으로 커지는 시점에서, 그 내부에 저장된 급탕용 온수를 열교환기(5)로 순환시켜 냉매의 증발열원을 확보할 수 있도록 한 것이다.

이로 인하여, 상기 축열탱크(20)의 케이싱 또한 단열재(보온재)에 의한 단 열(보온)처리가 이루어져야 하며, 축열탱크(20)에 저장된 온수에 의한 냉매의 증발열원 공급을 보다 더 효율적으로 수행할 수 있도록 하기 위하여, 필요에 따라서는 상기 축열탱크(20)의 내부에 심야전기를 이용하는 히터를 설치하여 축열탱크(20)의 내부에 저장된 온수를 심야전기로서 가열시킨 다음 열교환기(5)로 순환시키도록 할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 제 4실시예에 의한 시스템을 나타내는 것으로서, 전체적인 시스템은 본 발명의 제 1 내지 제 3실시예에 의한 것과 동일하게 이루어지며, 단지 차이가 있는 점은, 상기 히트펌프장치(10)와 대기열회수기(12)를 연결하는 냉매배관(11)으로부터 또 다른 냉매배관(24)이 연장되어, 이 냉매배관(24)이 실내에 설치되는 실내기(25)를 통과한 다음, 솔레노이드 밸브(13)로부터 히트펌프장치(10)의 압축기측으로 연장되는 냉매배관(11)과 다시 연결 설치되도록 한 것이다.

상기 실내기(25)는 하절기 실내의 냉방을 수행토록 하는 냉방기가 될 수도 있고, 농,축산업 시설농가나 수산업의 양식시설에 있어 작물이나 가축 또는 어류 등의 생장을 위하여 하우스나 축사 및 양식장의 온도와 습도를 일정한 수준으로 유지시키도록 하는 에어컨디셔너(Air-conditioner) 등이 될 수도 있으며, 실내기(25)를 통한 냉매의 유동은 실내기(25) 자체에 설치되는 미도시된 밸브나 제어수단 등에 의하여 선택적으로 조절될 수 있고, 냉매배관(24)상에 솔레노이드 밸브와 같은 별도의 개폐밸브를 설치하여 실내기(25)로의 냉매 공급을 선택적으로 조절시키도록 할 수도 있음을 밝혀두는 바이다.

마지막으로, 도 3 및 도 4에 도시된 본 발명의 각 실시예에서는 히트펌프장 치(10)가 온수탱크(6)와 분리된 것으로 도시되어 있으나, 이는 핫가스배관(10a) 및 냉매배관(11)에 의한 냉매의 유동경로를 보다 이해하기 쉽도록 도시한 것에 불과하며, 응축기로서의 온수가열기(9)를 온수탱크(6)의 내부에 장입시킴으로서 히트펌프장치(10)가 압축기와 리시버탱크 및 팽창변과 어큐뮬레이터만으로 콤펙트화 되도록 한 것은 도 1 및 도 2에 도시된 본 발명의 실시예와 동일하게 이루어지는 것이다.

이하, 상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 작용관계를 첨부된 도면을 참조하여 각 실시예별로 상세하게 설명하며, 본 발명의 작용관계에 대한 설명은 하절기에 비하여 냉매의 증발열원 확보가 어려운 동절기를 기준으로 하여 설명하고자 한다.

먼저, 도 1에 도시된 본 발명의 제 1실시예에 의하면, 동절기 오전시와 같이 실외의 온도가 비교적 낮게 되지만 태양열집열판(1)과 열매체라인(2) 및 대기열회수기(12)에 의한 태양열 및 대기열의 회수가 가능한 경우에는, 태양열집열판(1)을 통과하는 열매체라인(2)에 의하여 회수되어 열교환기(5)의 내부에 축적되는 태양열 및 대기열회수기(12)에 의하여 회수되는 대기열을 냉매의 증발열원으로 동시에 적용시키게 된다.

다시 말해서, 히트펌프장치(10)의 압축기로부터 온수가열기(9)로 공급된 냉매(핫가스)가 온수를 가열시킨 다음, 리시버탱크와 팽창변을 거쳐 냉매배관(11)을 따라 대기열회수기(12)로 공급되고, 이와 같이 공급된 냉매가 대기열회수기(12) 주변의 열을 흡수하면서 1차 증발된 다음, 솔레노이드 밸브(13) 및 보조냉매배관(14)을 통하여 열교환기(5)로 공급됨으로서 열교환기(5)에 축적된 태양열을 흡수하여 2 차 증발되며, 이와 같이 증발된 냉매가스가 보조냉매배관(14) 및 냉매배관(11)을 따라 히트펌프장치(10)의 어큐뮬레이터를 거쳐 압축기로 회수되도록 한다는 것이다.

상기와 같이 히트펌프 시스템을 가동시키는 과정에서 동절기 오후와 같이 대기의 온도가 비교적 높게 되어 대기열회수기(12)만으로도 냉매의 증발열원 확보가 가능한 경우에는, 솔레노이드 밸브(13)를 작동시켜 대기열회수기(12)로부터 냉매배관(11)을 거쳐 히트펌프장치(10)의 압축기측으로 냉매가 직접 공급되도록 하고, 태양열집열판(1)으로부터 열매체라인(2)을 통하여 회수된 태양열은 일몰(日沒) 직전이나 일몰 이후의 사용을 위하여 열교환기(5)의 내부에 축열되도록 한다.

상기와 같이 동절기 오전과 오후 및 일몰 후 어느 정도의 시간까지는 태양열집열판(1)과 대기열회수기(12)에 의하여 회수된 태양열 및 대기열을 냉매의 증발열원으로 사용함으로서 히트펌프 시스템을 가동시키게 되며, 일몰 직전이나 일몰 이후의 시스템 가동은 열매체라인(2)에 설치된 순환펌프(3)의 작동을 중지시킨 상태에서, 대기열회수기(12)를 거쳐 1차 증발된 냉매가 솔레노이드 밸브(13) 및 보조냉매배관(14)을 통하여 열교환기(5)로 공급된 다음, 열교환기(5)에 미리 축적되어 있던 태양열을 흡수하여 2차 증발되도록 하는 과정으로 이루어진다.

즉, 일몰과 동시에 태양열집열판(1)에 의한 태양열의 회수는 불가능하게 되지만, 대기온도는 일몰 후 어느 정도의 시간을 두고 서서히 낮아지기 때문에 일몰 후 어느 정도의 시간까지는 대기열을 이용할 수 있으며, 이로 인하여 대기열을 냉매의 증발에 1차 사용토록 한 다음, 열교환기(5)에 축적된 태양열을 냉매의 증발에 2차적으로 사용토록 하는 것이며, 일몰 후 어느 정도의 시간이 경과한 동절기의 야간시에는 대기열 및 열교환기(5)에 축적된 태양열에 의한 냉매의 증발열원 확보가 어렵게 된다.

이와 같은 동절기의 야간시에는 온수공급관(15)에 설치된 순환펌프(16)를 작동시켜 온수탱크(6)에 저장된 급탕용 온수의 일부를 열교환기(5)의 내부로 공급시킴으로서, 대기열회수기(12)로부터 보조냉매배관(14)을 거쳐 공급된 냉매가 열교환기(5)의 내부에서 급탕용 온수에 의하여 증발되도록 한 다음 히트펌프장치(10)로 다시 공급되도록 하게 되며, 이는 동절기 우천시나 흐린 날씨와 같이 태양열 및 대기열에 의한 증발열원이 부족한 경우에도 동일하게 적용된다.

상기와 같은 방식으로 시스템을 구동시키더라도 히트펌프 시스템의 고효율 운전에는 크게 지장을 초래하지 않게 되는 데, 그 이유는 열교환기(5)의 내부로 소량의 급탕용 온수만을 순환시키더라도 냉매의 증발열원은 충분히 확보할 수 있고, 이로 인하여 냉매의 증발작용이 원활히 이루어지게 되면 압축기에서의 냉매 압축성능 및 냉매에 의한 온수의 가열성능이 상대적으로 크게 향상되므로, 온수탱크(6)에 저장되는 급탕용 온수의 온도가 거의 낮아지지 않기 때문이다.

상기와 같이 본 발명에 의한 히트펌프 시스템은 냉매순환싸이클의 응축기를 온수가열기(9)로 하여 온수탱크(6)의 내부에 코일의 형태로 장입시킴으로서, 압축기와 리시버탱크 및 팽창변과 어큐뮬레이터만으로 히트펌프장치(10)를 콤펙트하게 소형화시킬 수 있게 되고, 이로 인하여 히트펌프장치(10)를 포함하는 본 발명에 의한 히트펌프 시스템을 비교적 좁은 공간에도 용이하게 설치하여 사용할 수 있게 되 는 것이다.

또한, 본 발명에 따른 시스템은 태양열집열판(1)과 연결되는 열매체라인(2) 및 대기열회수기(12)로부터 솔레노이드 밸브(13)를 거쳐 히트펌프장치(10)의 압축기로 연장되는 보조냉매배관(14)을 하나의 열교환기(5) 내부로 집적시켜 태양열과 대기열을 냉매의 증발열원으로 동시에 또는 필요에 따라 선택적으로 사용 가능하게 함으로서, 증발열원의 유기적인 제어와 관리를 통하여 히트펌프 시스템의 사용에 따른 실용성을 크게 향상시킬 수 있게 된다.

뿐만 아니라, 온수탱크(6)로부터 상기 열교환기(5)의 내부로 급탕용 온수의 일부를 순환시킬 수 있도록 함으로서, 동절기 흐린 날씨나 우천시를 포함하여 동절기의 주,야간에 관계없이 냉매의 증발열원을 충분하고 안정적으로 확보할 수 있게 되며, 이로 인하여 동절기간 동안 히트펌프 시스템을 COP(열성적계수) 4 이상의 높은 효율로 가동시킬 수 있게 됨으로서, 특히 농,축산업 및 수산업의 분야와 관련되는 시설농가와 양식장에 최적으로 적용시킬 수 있는 실용성과 기능성이 우수한 히트펌프 시스템을 제공할 수 있게 되는 것이다.

그리고, 도 2에 도시된 본 발명의 제 2실시예에 의하면 본 발명의 제 1실시예에 의한 작용관계와 더불어, 동절기 오전이나 오후 시간동안 태양열집열판(1)에 의하여 회수되는 태양열이 태양열축열조(19)와 열교환기(5)에 분산 축열되도록 한 상태에서, 솔레노이드 밸브(13)의 조작에 의하여 동절기 오전과 오후에는 대기열회수기(12)에 의하여 회수되는 대기열 및 태양열축열조(19)에 저장된 태양열을 냉매의 증발열원으로 동시에 이용하여 냉매의 증발열원을 보다 더 용이하게 확보토록 함과 동시에, 일몰 후 어느 정도의 시간까지는 냉매의 증발열원으로서 대기열과 함께 태양열축열조(19) 및 열교환기(5)에 각각 축열되어 있는 태양열을 순차적으로 이용할 수 있게 된다.

이로 인하여, 일몰 후 보다 긴 시간동안 주간에 축적된 태양열을 냉매의 증발열원으로 사용토록 하여 온수탱크(6)에 저장된 급탕용 온수를 냉매의 증발열원으로 사용하는 시간을 단축시킴으로서, 본 발명의 제 1실시예에 의한 경우보다 동절기 야간시 온수가열기(9)에 의한 급탕부하를 상대적으로 낮추어 줄 수 있음에 따라 히트펌프 시스템의 가동에 따른 효율을 보다 더 향상시킬 수 있게 된다.

그리고, 도 3에 도시된 본 발명의 제 3실시예에 의하면 본 발명의 제 1 및 제 2실시예에 의한 작용관계와 더불어, 동절기 오전이나 오후시 태양열과 대기열을 냉매의 증발열원으로 하여 히트펌프 시스템을 가동시키는 과정에서 발생하는 급탕용 온수를 축열탱크(20)의 내부에 저장시켜 놓았다가, 실외의 온도가 매우 낮은 혹한기의 야간시와 같이 태양열집열판(1)이나 대기열회수기(12)에 의한 냉매의 증발열원 확보가 거의 불가능한 반면 급탕에 의한 실내의 난방부하는 상대적으로 커지는 시점에서, 축열탱크(20)의 내부에 저장된 급탕용 온수를 열교환기(5)로 순환시켜 급탕에 의한 실내난방이나 온수 공급에 거의 지장을 초래하지 않으면서도 냉매의 증발열원은 충분히 확보할 수 있게 된다.

마지막으로, 도 4에 도시된 본 발명의 제 4실시예에 의하면 본 발명의 제 1 내지 제 3실시예에 의한 작용관계와 더불어, 히트펌프장치(10)로부터 대기열회수기(12)로 공급되는 냉매의 일부가 냉매배관(24)을 따라 실내기(25)로 유입됨으로서 하절기 실내의 냉방을 수행토록 하거나, 하우스나 축사 또는 양식장에 구비된 실내기(25)로서의 에어컨디셔너로 유입되어 하우스나 축사 및 양식장의 온도와 습도를 일정한 수준으로 유지시킬 수 있게 되는 것이며, 이와 같이 실내기(25)를 통과한 냉매가 대기열회수기(12){및 열교환기(5)}를 통과한 냉매와 함께 냉매배관(11)을 따라 히트펌프장치(10)의 압축기로 다시 공급되는 것이다.

상기와 같이 본 발명에 의한 태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템은, 냉매순환싸이클의 응축기를 온수가열기로 하여 온수탱크의 내부에 코일의 형태로 장입시킴으로서, 압축기와 리시버탱크 및 팽창변과 어큐뮬레이터만으로 히트펌프장치를 콤펙트하게 소형화시키는 효과가 있고, 이로 인하여 히트펌프장치를 포함하는 본 발명에 의한 히트펌프 시스템을 비교적 좁은 공간에도 용이하게 설치하여 사용할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 태양열집열판과 연결되는 열매체라인 및 대기열회수기로부터 솔레노이드 밸브를 거쳐 히트펌프장치의 압축기로 연장되는 보조냉매배관을 하나의 열교환기 내부로 집적시켜 태양열과 대기열을 냉매의 증발열원으로 동시에 또는 필요에 따라 선택적으로 사용 가능하게 함으로서, 냉매 증발열원의 유기적인 제어와 관리를 통하여 히트펌프 시스템의 사용에 따른 실용성을 크게 향상시키도록 하는 효과가 있다.

이와 동시에, 상기 열교환기의 내부로 급탕용 온수의 일부를 순환시킬 수 있도록 함으로서, 동절기 흐린 날씨나 우천시를 포함하여 동절기의 주,야간에 관계없 이 냉매의 증발열원을 충분하고 안정적으로 확보할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인하여 동절기간 동안 히트펌프 시스템을 COP(열성적계수) 4 이상의 높은 효율로 가동시킬 수 있게 됨으로서, 특히 농,축산업 및 수산업의 분야와 관련되는 시설농가와 양식장에 최적으로 적용시킬 수 있는 실용성과 기능성이 우수한 히트펌프 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 제 2실시예에 의하면, 태양열집열판에 의하여 회수되는 태양열이 태양열축열조와 열교환기에 분산 축열되도록 함으로서, 일몰 후 보다 긴 시간동안 태양열축열조 및 열교환기에 각각 축적된 태양열을 냉매의 증발열원으로 사용할 수 있도록 하는 효과가 있으며, 이로 인하여 급탕용 온수를 냉매의 증발열원으로 사용하는 시간을 단축시켜 동절기 야간시 온수가열기에 의한 급탕부하를 상대적으로 낮추어 줄 수 있음에 따라 히트펌프 시스템의 가동에 따른 효율을 보다 더 향상시키는 효과가 있다.

그리고, 본 발명의 제 3실시예에 의하면, 실외의 온도가 매우 낮은 혹한기의 야간시와 같이 냉매의 증발열원 확보가 거의 불가능한 반면 급탕에 의한 실내의 난방부하는 상대적으로 커지는 시점에서 주간동안 축열탱크의 내부에 저장된 급탕용 온수를 열교환기로 순환시키도록 함에 따라, 급탕에 의한 실내 난방이나 온수 공급에 거의 지장을 초래하지 않으면서도 냉매의 증발열원은 충분히 확보할 수 있도록 하는 효과가 있다.

마지막으로, 본 발명의 제 4실시예에 의하면, 히트펌프장치로부터 대기열회수기로 공급되는 냉매의 일부가 냉매배관을 따라 실내기로 유입되도록 함으로서, 하절기시에 실내의 냉방을 수행토록 하거나 하우스나 축사 또는 양식장에 구비된 실내기로서의 에어컨디셔너로 유입되어 하우스나 축사 및 양식장의 온도와 습도를 일정한 수준으로 유지시키도록 하는 효과가 있으며, 이로 인하여 히트펌프 시스템의 실용성과 기능성을 보다 더 향상시키는 효과가 있는 것이다.

Claims (5)

1. 순환펌프(3)로부터 연장되는 열매체라인(2)이 태양열집열판(1)을 거쳐 팽창탱크(4)와 연결되는 열매체순환싸이클과, 압축기로부터 토출된 고온고압의 냉매가스가 온수탱크(6)의 내부에 설치된 응축기로서의 온수가열기(9)와 팽창변을 거쳐 증발기로서의 대기열회수기(12)로 유입된 다음 압축기로 다시 회수되도록 하는 히트펌프장치(10)가 포함된 냉매순환싸이클로 이루어지며, 상기 온수탱크(6)에는 상온수의 급수관(7)과 온수의 급탕관(8)이 각각 연결 설치된 것에 있어서,

   상기 태양열집열판(1)으로부터 팽창탱크(4)측으로 연장되는 열매체라인(2)이 열교환기(5)의 내부에서 열교환구조를 형성하며,

   상기 대기열회수기(12)로부터 히트펌프장치(10)의 압축기로 연장되는 냉매배관(11)에는 솔레노이드 밸브(13)가 설치되어, 이 솔레노이드 밸브(13)로부터 냉매의 증발을 위한 보조냉매배관(14)이 분기되고,

   상기 보조냉매배관(14)이 열교환기(5)의 내부에서 열교환구조를 형성한 다음 열교환기(5)의 외부로 연장되어, 솔레노이드 밸브(13)로부터 히트펌프장치(10)의 압축기측으로 연장되는 냉매배관(11)과 다시 연결 설치되며,

   상기 열교환기(5)는 순환펌프(16)를 구비하는 온수공급관(15)과 온수배출관(17)에 의하여 온수탱크(6)와 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 대기열회수기(12)는 태양열집열판(1)과 인접한 위치에서 복층식으로 설치된 상태에서, 상기 대기열회수기(12) 및 태양열집열판(1)의 상단에 구비된 태양열축열조(19)를 통하여 히트펌프장치(10)로부터 연장되는 냉매배관(11)이 통과하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 열교환기(5)와 온수탱크(6)의 사이에는 축열탱크(20)가 설치되어, 이 축열탱크(20)가 순환펌프(16)(22)를 구비하는 온수공급관(15)(21)과 온수배출관(17)(23)에 의하여 열교환기(5) 및 온수탱크(6)와 각각 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 히트펌프장치(10)로부터 대기열회수기(12)로 연장되는 냉매배관(11)으로부터는 또 다른 냉매배관(24)이 분기되어, 이 냉매배관(24)이 실내에 설치되는 실내기(25)를 통과한 다음, 솔레노이드 밸브(13)로부터 히트펌프장치(10)의 압축기측으로 연장되는 냉매배관(11)과 다시 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템.
5. 제 3항에 있어서, 상기 히트펌프장치(10)로부터 대기열회수기(12)로 연장되는 냉매배관(11)으로부터는 또 다른 냉매배관(24)이 분기되어, 이 냉매배관(24)이 실내에 설치되는 실내기(25)를 통과한 다음, 솔레노이드 밸브(13)로부터 히트펌프 장치(10)의 압축기측으로 연장되는 냉매배관(11)과 다시 연결 설치되는 것을 특징으로 하는 태양열과 대기열의 복합식 히트펌프 시스템.

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