KR101084569B1 - 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템에 관한 것으로, 그 목적은 태양열 집열기를 이용하여 온수 생산시 히트펌프식 공조기와 유기적으로 연결하여 히트펌프식 공조기가 여름철 냉방모드로 가동시 응축기 역할을 하는 실외 열교환기의 폐열을 회수하여 추가적인 온수를 생산토록 하되, 각각 생산된 온수가 기후변화에 따른 온수저장 효율 저하를 방지토록 생산된 온수의 분리 및 혼합 저장이 선택되게 구성한 하이브리드 온수 공급시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은 태양열을 집열하여 온수를 생산하되, 승온된 열매체가 순환하는 배관 일지점에 형성된 태양열 열교환기가 이중구조 축열조를 구성하는 태양열 집열기측 축열조에 설치되어 온수를 생산하도록 구성된 평판형 또는 진공관식 태양열 집열기와; 4계절 냉난방을 하도록 실외 열교환기, 실내 열교환기, 팽창밸브, 압축기, 4방밸브를 포함하여 구성되되, 상기 실외 열교환기가 제 1 실외열교환기와 제 2 실외열교환기로 구성되어 이중 제 2 실외 열교환기가 상기 이중구조 축열조를 구성하는 히트펌프 공조기측 축열조에 설치되어 여름철에 온수를 생산하도록 구성된 히트펌프식 공조기와; 상기 태양열집열기의 태양열 열교환기가 설치된 태양열 집열기측 축열조와 상기 히트펌프식 공조기의 제 2 실외 열교환기가 설치된 히트펌프 공조기측 축열조를 구비하여 기후 여건에 따라 공급된 물과 선택적으로 열교환하여 온수를 생산 저장하도록 구성된 이중구조 축열조와; 상기 이중구조 축열조에서 각각 생산된 온수를 단독 또는 혼합하여 사용처로 공급하도록 배관 및 온수공급펌프가 구성된 온수공급수단;을 포함하여 구성된 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템을 발명의 특징으로 한다.

Description

태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템{Hybrid hot water supplying system using solar collector and heat pump type air conditioner}

본 발명은 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수 공급시스템에 관한 것으로, 자세하게는 태양열집열기를 이용하여 온수를 생산하되, 여름철에는 공조기의 실외 열교환기(응축기)를 이용하여 추가적인 온수를 생산하고, 겨울철에는 공조기의 고온 냉매를 이용하여 태양열 집열기의 동파를 막아 온수생산 효율을 높인 온수 공급 시스템에 관한 것이다.

가정을 포함한 건물의 온수 공급 및 난방 시스템은 석유, 가스, 석탄 등의 화석에너지를 이용하여 물을 가열 후 사용하는 보일러 방식이 사용되고 일반적인 방법이다.

하지만 화석 연료의 고갈 내지 환경 오염 문제등을 해결 하기 위해 대두된 것이 청정에너지인 신 재생에너지를 이용한 온수 공급 또는 난방 시스템이다. 여기서 신 재생에너지 중 대표적인 것으로는 태양열, 지열, 풍력, 조력, 파력 등이 있다.

이러한 신재생 에너지를 이용한 온수 공급 또는 난방 방식 중 보편적으로 가장 광범위하게 사용되고 있는 것으로 태양열이 있다. 즉, 태양으로부터 오는 에너지를 모아서 열로 변환하는 태양열 집열기를 이용하는 것으로, 열을 모으는 투명한 유리나 플라스틱판으로 태양열 등을 흡수하여 저장후 이를 열전달 매체를 이용 축열조와 열교환시켜 난방용이나 온수용 물로 사용하는 장치이다.

상기 태양열 집열기를 이용한 온수 생산 및 난방방식은 주로 평판형 태양열 집열기를 이용한 방법과 진공관식 태양열 집열기를 이용한 방식이 대표적이다.

먼저, 평판형 태양열 집열기는 도 5에 도시된 바와 같이 몸체가 사각형상의 평판 형태로 이루어진 것으로, 구리나 알루미늄 등을 이용하여 제작된 얇은 금속판에 태양 광선을 최대한 흡수할 수 있도록 표면을 특수 화공처리한 집열판을 형성하는 한편, 상기 집열판으로부터 열을 전달받는 통상 동재질로 이루어진 다수개의 가는 지관을 일정간격으로 배열후 용접시켜서 사각형상의 틀체(프레임) 내에 삽입시키고 그 상부로 투명덮개를 씌어 일체의 집열기를 형성하게 된다. 작동원리는 태양열이 집열판을 가열시키고, 가열된 집열판은 지관 내부 물 등의 열매체에 열에너지를 전달하게 되며, 상기 지관내에서 열교환된 열매체는 집열기의 본관(헤더 파이프)에서 합류되어 축열조나 열교환기에 집열된 열에너지를 제공하도록 형성된다. 이때, 상기 평판형 태양열 집열기는 물을 직접 가열하여 이용하는 경우도 있지만 동절기 및 혹한기가 존재하는 지역에서는 물보다는 부동액을 열매체로 사용하기도 한다.

또한 상기 진공관형 태양열 집열기는 유리 튜브 형상을 하고 있으며 태양열 집열 표면과 접하는 폐쇄된 공간을 진공 처리하여 대류에 의한 열손실을 차단시킬 수 있게 형성된다. 그 구조는 하나의 유리튜브를 사용하는 방법과 2개의 유리튜브를 사용하는 이중 진공관 형태의 방법로 구분된다.

먼저 하나의 유리튜브를 사용하는 방법은 유리튜브 내부에 히트파이프가 장착된 집열판을 삽입시키고, 상기 유리튜브의 상단으로 히트파이프를 돌출시킨 상태에서 금속 재질의 마개로 밀폐시키고, 그 내부를 진공 처리함으로써 집열판 표면으로부터 집열된 태양열이 대류에 의해 외부로 손실되는 것을 차단시키게 된다.

또한 2개의 유리튜브를 이중 진공관의 형태로 사용하는 방법은 외부튜브와 태양열 집열을 위해 특수 표면 처리된 집열튜브 사이 공간을 진공으로 처리한 이중관을 형성하고, 상기 집열튜브의 내측으로 물을 채우며 이중관의 상부를 단열마개로 밀봉시켜 집열튜브 내측에 채워진 물을 데우도록 형성됨으로써 태양에너지를 집열하는 방식이다. 이때, 상기 외부튜브와 집열튜브 사이 공간에는 진공 처리로 인해 공기의 대류에 의한 외부로의 열손실을 차단시키게 된다.

한편, 가정을 포함한 건물의 냉난방을 위한 수단으로 보편적으로 많이 사용되는 것은 히프펌프식 냉난방 시스템이 있다.

히트펌프 원리는 냉매의 선택적 양방향 흐름을 통해 난방계절 동안은 고압측 열교환기(응축기)에서의 방출열을 이용하여 난방을 제공하고, 냉방계절 동안은 저압측 열교환기(증발기)에서의 주변열 흡수를 이용하여 냉기를 제공할 수 있도록 장치를 구현하고 있다.

이러한 히트펌프식 냉난방 시스템은 기본적으로 압축 - 응축 - 팽창 - 증발 등의 일련의 냉방 사이클을 구성하는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성되어 이뤄지고, 이러한 냉방 사이클에 있어 냉매의 흐름방향을 선택적으로 정/역 전환하여 냉방 또는 난방 기기로의 전환사용이 가능하게 하는 사방변 밸브를 기본적으로 구성된다.

즉, 종래 일반적인 히트펌프식 냉난방 시스템은, 여름철에는 압축(압축기) - 응축(응축기-실외기) - 팽창(팽창밸브) - 증발(증발기-실내기) 등의 일련의 냉방 사이클을 통해 통상의 냉방운전이 가능하며, 사방변 밸브의 동작에 따른 냉매의 역순환에 따라 겨울철에는 증발(증발기-실외기) - 팽창(팽창밸브) - 응축(응축기-실내기) - 압축(압축기) 등의 히트펌프 과정을 거쳐 난방운전 역시 가능하다. 이외 히트펌프식 냉난방 시스템을 구성하는 기타 공지 기능 및 구성은 본 발명의 배경 기술 및 후술될 본 발명과 직접적인 상관이 없으므로 상세한 설명은 생략한다.

상기 설명한 바와 같이 건물의 온수공급 또는 냉난방을 위해서는 화석연료를 이용 온수를 공급하는 보일러 또는 신재생 에너지(특히 태양열)을 이용한 온수 공급 장치와 4계절 냉난방을 위한 히트펌프식 냉난방기 등이 사용됨을 알 수 있어서, 태양열을 이용하여 건물에서 필요한 온수 생산 및 냉난방을 위해서는 최소한 2가지 이상의 장치 수단이 혼용되어야만 온수를 포함한 냉난방이 원활하게 이루어짐을 알 수 있다.

하지만 상기와 같은 종래의 온수, 난방, 냉난방 시스템은 태양열 집열 시스템과 히트펌프식 냉난방기가 각각 별도로 가동됨으로 인해 자원화 할 수 있는 일부 에너지가 소모되어 아까운 자원이 낭비되고 있다.

예를 들자면 여름철 히트펌프방식 냉난방기의 실외기는 응축기로 사용되면서 온수로 사용될 수 있는 뜨거운 열원이 대기로 방출되고 있어 에너지가 낭비된다는 문제점이 있고,

또한 히트펌프방식 냉난방기의 실외기는 겨울철에 증발기로 사용되면서 대기 온도 저하에 따른 난방싸이클을 위해 별도의 전기히터 등의 보조 열원을 사용하고 있다는 에너지 효율 절감 차원의 단점이 있다. 즉, 겨울에 영하 15도 정도까지 내려가면 열교환이 이루어지지 않아 난방이 거의 안된다는 구조적 문제점이 있다. 물론 증발기 내부 냉매 온도가 영하 15도 이하로 차게 내려가 밖으로 찬 바람을 내보내면 실내에 더운 바람이 나올 수 있으나, 현재 상용화된 일반적인 냉매매체로는 영하 15도 이하로 차게 만들어 순환되기가 어렵다. 그래서 보조 히터등의 보조 열원이 사용되는데 이로인해 히트펌프방식 냉난방기를 구종하는데 추가적인 전기비가 많이 나온다는 문제점이 있다.

또한 태양열 집열기는 일반적으로 실외의 벽면 또는 옥상 등에 설치됨으로 인해 겨울철 등에 혹한의 기후 또는 밤낮의 온도차로 인해 집열판 유리, 헤더, 지관 및 냉매를 공급하고 회수하는 냉매배관 등이 냉매 팽창에 의해 동파될 수 있다는 구조적 문제점을 가진다. 비록 냉매 자체가 어느 정도 부동액 성질을 가졌기 때문에 동파가 일어나지 않게 되지만, 외부 기후 환경이 부동액의 어느점 이하로 더 내려가게 되면 동파가 일어날 수 밖에 없는 실정이다. 동파가 일어나면 겨울철 등에 온수 생산 효율이 급격히 떨어지므로 이를 막기 위해서는 기온이 급강하하게 되면 태양열집열기에 열원을 공급하도록 별도의 보일러나 히팅 수단 등을 구비해야 됨으로 인해 장치 추가등으로 인해 온수 생산 단가가 올라간다는 문제점이 있다.

상기와 같이 개별적으로 태양열 집열기와 히트펌프방식 냉난방기의 개별적인 운전에 의한 문제점을 해결하기 위한 종래의 방법으로는 도 6에 도시된 바와 같은 대한민국 특허출원 제 10-2008-67833호(명칭: 태양열과 수축열 히트펌프를 이용한 중앙 냉, 난방 공급시스템)이 있다. 이 기술은 여름철에 실외기인 증발기의 열원을 이용하여 온수를 생산하는 것으로, 히프펌프식 냉난방 시스템의 일부 폐열을 이용하여 태양열 집열기의 온수 생산량을 부분적으로 증가시켜 주는 역할을 하게 된다. 기본적인 구성을 해당 출원 명세서에 기재된 도면부호를 참조하여 설명하면 압축기(10), 제1 열교환기(20), 팽창밸브(30) 및 제2열교환기(40) 등 냉동 사이클을 이루는 기본 구성요소들과, 사방변 밸브(50a)(50b), 축냉탱크(60), 온수공급장치(70), 축열탱크(80), 난방 축열탱크(90), 열매체 축열탱크(100) 및 집열판(140)을 포함하는 구성으로 이루어져, 동절기는 물론 냉방기기로 활용되는 하절기에도 냉방을 구현함과 함께 온수 생성이 가능하고, 온수 생성 또는 동절기 난방을 구현함에 있어서는 지정된 위치에서의 냉매에 포함된 에너지는 물론 태양열을 열원으로 함께 사용함으로써, 저비용 고효율의 냉, 난방 시스템을 구현이 가능한 것을 요지로 한다.

하지만 상기 이러한 종래 기술은 히프펌프식 냉난방 시스템과 태양열 집열시스템에서 생산되는 온수가 항시 난방축열탱크(90)에서 모여 저장되도록 일체화된 온수 생산 시스템으로 이루어져, 흐린날이나 태양이 없는 심야에는 오히려 히트펌프식 냉난방시스템의 열교환 효율을 떨어뜨리는 문제가 있고, 특히 겨울철에는 난방을 위해 압축기에서 공급되는 고온고압의 기체가 온수 생산에 사용됨으로써 전체 난방 효율이 저하될 수 있다는 구조적 문제점을 가지고 있다.

또한 온수생산 과정이 히프펌프식 냉난방 시스템과 태양열 집열시스템을 혼합하여 사용됨으로 인해 히프펌프식 냉난방 시스템 또는 태양열 집열시스템에 의한 온수 생산 시스템 중 어느 하나의 온수 생산을 중단할 수 없다는 구조적 문제점과 온수 생산을 위해 여러개의 축열탱크, 축냉탱크, 난방축냉탱크 및 열매체 축열탱크와 같은 복잡한 축열구조를 가짐으로 인해 전체 시스템이 너무 복잡해져 유지보수와 단가 상승의 문제점이 있다.

또한 겨울철 혹한기에는 비록 부동액 등의 냉매를 사용한다 할지라도 옥상이나 실외에 항시 배치됨으로 인해 밤이나 혹한 추위에 태양열 집열기의 내부 즉, 본관, 지관과 같이 냉매가 순환하는 파이프 내부의 냉매가 얼어 동파될 수도 있는데, 이를 저렴한 비용으로 확실히 방지해 줄 수단이 구비되어 있지 않아 동파 발생시 온수 생산이 중단될 수 있다는 등의 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 태양열 집열기를 이용하여 온수 생산시 히트펌프식 공조기와 유기적으로 연결하여 히트펌프식 공조기가 여름철 냉방모드로 가동시 응축기 역할을 하는 실외 열교환기의 폐열을 회수하여 추가적인 온수를 생산토록 하되, 각각 생산된 온수가 기후변화에 따른 온수저장 효율 저하를 방지토록 생산된 온수의 분리 및 혼합 저장이 선택되게 구성한 하이브리드 온수 공급시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 태양열 집열기와 히트펌프식 공조기에서 온수를 생산 및 저장하는 축열조 내부 공간을 2개의 공간부로 분리하여 여름철에는 각 공간부에 저장된 온수를 함께 이용하고, 겨울철에는 태양열 집열기 측 온수만을 사용하고, 나머지 공간부에는 태양열 집열기측 일부 온수를 히트펌프식 공조기측 축열조에 공급하여 증발기로 사용되는 실외 열교환기 증발기 주변 공간 온도를 높여 별도의 전기히터 없이 히트펌프식 공조기의 실외 열교환기가 작동하도록 한 하이브리드 온수 공급시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 태양열 집열기와 히트펌프식 공조기의 실외 열교환기를 이용하여 건물등에 온수 공급 및 냉난방시 겨울철에 히트펌프식 공조기의 고온 냉매를 이용하여 태양열 집열기의 동파를 막음으로써 항시 안정적인 온수 생산이 이루어지도록 한 하이브리드 온수 공급시스템을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명은 태양열을 집열하여 온수를 생산하되, 승온된 열매체가 순환하는 배관 일지점에 형성된 태양열 열교환기가 이중구조 축열조를 구성하는 태양열 집열기측 축열조에 설치되어 온수를 생산하도록 구성된 평판형 또는 진공관식 태양열 집열기와;

4계절 냉난방을 하도록 실외 열교환기, 실내 열교환기, 팽창밸브, 압축기, 4방밸브를 포함하여 구성되되, 상기 실외 열교환기가 제 1 실외열교환기와 제 2 실외열교환기로 구성되어 이중 제 2 실외 열교환기가 상기 이중구조 축열조를 구성하는 히트펌프 공조기측 축열조에 설치되어 여름철에 온수를 생산하도록 구성된 히트펌프식 공조기와;

상기 태양열집열기의 태양열 열교환기가 설치된 태양열 집열기측 축열조와 상기 히트펌프식 공조기의 제 2 실외 열교환기가 설치된 히트펌프 공조기측 축열조를 구비하여 기후 여건에 따라 공급된 물과 선택적으로 열교환하여 온수를 생산 저장하도록 구성된 이중구조 축열조와;

상기 이중구조 축열조에서 각각 생산된 온수를 단독 또는 혼합하여 사용처로 공급하도록 배관 및 온수공급펌프가 구성된 온수공급수단;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템을 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 이중구조 축열조는 태양열 집열기측 축열조 및 히트펌프 공조기측 축열조를 분리하도록 내부에 설치된 단열층과;

상기 태양열 집열기측 축열조와 히트펌프 공조기측 축열조간의 온수 연결을 위해 연통된 연결배관과;

상기 히트펌프 공조기측 축열조에 설치되어 내부 공간을 난방시키는 난방배관과;

상기 난방배관에 온수를 공급하도록 연결배관의 일지점에서 분지되어 연통되는 연결지관과;

상기 연결배관과 연결지관의 합류지점에 설치되어 온수의 유로를 변경하는 방향전환밸브;를 포함하여 구성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 난방배관은 히트펌프 공조기측 축열조 내부쪽으로 복수개의 방열핀을 더 포함하여 형성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 온수공급수단은, 태양열 집열기측 축열조에 연결된 제 1 온수배관과;

상기 히트펌프 공조기측 축열조에 연결된 제 2 온수배관과;

제 1 온수배관과 제 2 온수배관의 유로를 제어하는 방향전환밸브와;

방향전환밸브와 연결되어 사용처 내부로 연결되는 제 3 온수배관과;

온수를 공급하도록 제 3 온수배관 일지점에 설치된 온수공급펌프로 구성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 히트펌프식 공조기는 압축기에서 배출된 고온고압의 냉매 중 일부를 분지하여 평판형 또는 진공관식 태양열 집열기에 공급하여 동파를 방지하는 동파 방지 수단;을 더 포함하여 구성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 동파 방지 수단은 압축기와 4방밸브 사이의 냉매배관 일지점에서 분지되어 고온냉매를 공급하는 고온냉매 공급 배관과;

고온냉매 공급 배관으로부터 공급받은 고온 냉매의 열기를 평판형 또는 진공관형 타입 태양열 집열기 둘레를 순환하면서 공급하여 동파를 막도록 설치된 고온냉매 순환 배관과;

고온냉매 순환 배관을 순환한 고온냉매를 다시 압축기와 연결된 냉매배관으로 순환시키는 고온냉매 회수 배관과;

상기 고온냉매 배관 일지점에 설치되어 고온냉매의 유로를 개폐하는 전자밸브와;

태양열 집열기에 설치된 온도센서의 온도 정보에 따라 상기 전자밸브를 개폐시키는 컨트롤러;로 구성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 고온냉매 순환 배관의 내측방향으로 가로 질러 접하게 설치되어 고온냉매 열을 전도 받도록 설치된 하나 이상의 열선을 더 포함하여 구성할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 평판형 또는 진공관식 태양열 집열기에 형성된 열선은 평판형 태양열 집열기의 집열판 상부 유리 표면 또는 진공관형 태양열 집열기의 진공관 유리 표면에 하나 이상 설치할 수 있다.

상기와 같이 본 발명은 태양열 집열기에 의한 온수 공급라인에 여름철에 응축기로 작동되는 히트펌프식 공조기의 실외열교환기를 통해 추가적인 온수 열원을 얻음으로 인해 여름철에는 온수 생산량을 증대시킬 수 있다는 장점과,

또한 태양열집열기와 히트펌프식 공조기간의 온수 배관을 분리 구성함으로써 기후변화나 밤낮의 기온차에 따른 온수 공급원간의 열교환에 의한 온수 온도 저하 문제를 저장공간의 분리 및 혼합 구성을 구비하여 선택적으로 변경할 수 있어 온수 저장 및 생산 효율을 증대시킬 수 있다는 장점과,

또한 태양열집열기와 히트펌프식 공조기의 열원으로부터 온수를 생산하는 축열탱크 내부 공간을 단열층을 이용하여 2개의 공간부로 분리함으로써 여름철에는 축열탱크 내부 공간 전체에 저장된 온수를 이용하고, 겨울철에는 태양열 집열기로부터 생산된 온수만을 사용하되, 증발기로 사용되는 히트펌프식 공조기의 실외 열교환기가 설치된 공간부를 일정량의 온수 배관을 통해 공급된 온수에 의해 주변 공간부를 난방시킴으로써 실외열교환기가 지속적으로 열교환이 이루어지도록 하여 겨울철 온도 저하에 따른 난방 효율 저하를 방지하였다는 장점과,

또한 겨울철에는 태양열집열기의 동파를 막는 열원을 히트펌프식 공조기의 압축기를 지난 고온고압의 고온냉매를 이용하여 열기를 태양열집열기에 전도시킴으로써 헤더와 지관 그리고 고온냉매 공급배관과 회수배관의 동파를 방지할 수 있고, 추가적인 열선장치를 이용하여 평판형 또는 진공관식 태양열 집열기의 유리를 통해서 공간부를 승온시켜 줌으로써 냉매에 의한 동파없이 안정적인 태양열 집열기로부터의 온수 공급이 유지된다는 장점을 가진 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 구성도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 동파 방지 수단이 설치된 태양열집열기 구성을 보인 예시도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 여름철 및 환절기 작동을 보인 예시도이고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 겨울철 작동을 보인 예시도이고,
도 5는 종래 한 실시예에 따른 태양열 집열기 구성을 보인 예시도이고,
도 6은 종래 일체형 태양열 집열기와 히트펌프식 공조기 구성을 보인 예시도이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 구성도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 동파 방지 수단이 설치된 태양열집열기 구성을 보인 예시도이다.

본 발명의 하이브리드 온수 공급시스템은 크게 태양열 집열기(1)와 히트펌프식 공조기(2)와, 상기 태양열집열기 또는 히트펌프식 공조기와 각각 열교환된 온수를 저장하는 이중구조 축열조(3)와, 이중구조 축열조에서 생산된 온수를 사용처(건물, 온실 등등)로 공급하는 온수공급수단(4)으로 구성된다. 이하 구체적으로 살펴본다.

먼저, 상기 태양열집열기(1)는 2가지 형태의 태양열 집열기 모두 사용가능하다. 2가지 형태란 전술한 바와 같이 평판형 태양열 집열기 또는 진공관식 태양열 집열기를 말한다. 도면에서는 설명의 편의상 평판형 태양열 집열기 형태를 예시하고 있다.

평판형 태양열 집열기 또는 진공관식 태양열 집열기에서 발생된 열원이 이중구조 축열조(3)와 열교환하는 방식은 여러 가지 형태로 다양하게 실시될 수 있는데, 가장 바람직하고 간단한 방법으로는 평판형 태양열 집열기(1)일 경우 일측 헤더(11)와 타측 헤더(11)간을 연결한 지관(12)들이 상부에 설치된 유리(13)를 통과후 집열판(14)에 집열되어 열전도된 태양열을 흡수하여 지관(12) 내부에 있는 열매체를 승온시키고, 승온된 열매체가 온도차에 따라 일측 헤더로 모인후 공급배관(15)을 통해 이중구조 축열조(3) 내부에 설치된 태양열 열교환기(16)를 통해 이중구조 축열조(3)에 저장된 물을 승온시켜 온수를 만들고, 열교환된 열매체는 이후 회수배관(17)을 통해 타측 헤더(11)로 되돌아오는 열교환 경로로 구성되는 간접방식 열교환 수단으로 구성할 수 있다.

또 다른 방법으로는 이중구조 축열조(3) 내부공간에 태양열 열교환기(16)를 설치하여 간접 열교환하지 않고 평판형 태양열 집열기(1)를 구성하는 헤더와 지관 내부에 물을 채운후 직접 공급하는 방식을 사용할 수도 있는데, 이 경우 물의 승온률이 낮고 겨울철 밤에는 물이 얼어 동파되는 경우도 있으므로 별도의 동파 방지 수단을 구비하지 않을 거라면 에틸렌글리콜 등의 부동액을 사용하는 간접방식 열교환이 바람직하다. 물론 이와 같은 방식에 의한 동파 방지도 한정적일 수 있으므로 후술되는 본 발명에 따른 동파 방지 수단을 구비하는 것이 가장 바람직하다.

한편, 히트파이프를 사용하는 진공관식 태양열 집열기는 미도시되었으나 공지된 구조상 히트파이프와 열교환 후, 그 상부에 설치된 축열조에서 물과 열교환됨으로써 온수가 생산되는 방식이므로 직접 히트파이프 내부에 충전된 열매체가 이중구조 축열조(3)로 공급되지 않고, 온수가 공급되는 형태로 구성할 수 있다. 물론 이때에도 히트파이프와 열교환되는 열매체를 물이 아닌 상기와 같이 에틸렌글리콜 등의 부동액을 사용하면 평판형 태양열 집열기처럼 간접방식 열교환이 아루어지도록 구성할 수 있다. 이 경우 추가적인 1차 보조 축열조만 더 포함되어 구성된다고 생각하면 된다.

상기 본 발명에 따른 히트펌프식 공조기(2)는 기본적인 구성은 4방밸브의 냉매 유로 전환에 따라 여름철에는 압축기, 응축기(실외 열교환기), 팽창밸브, 증발기(실내 열교환기)로 작동하고, 겨울철에는 압축기, 증발기(실외 열교환기), 팽창밸브, 응축기(실내 열교환기)로 작동하는 일반적인 히트펌프식 공조기 구성을 가진다.

하지만 본 발명은 종래 일반적인 히트펌프식 공조기와 달리 계절에 따라 응축기 또는 증발기로 그 성격이 전환되는 실외 열교환기가 제 1 실외열교환기(21a)와 제 2 실외열교환기(21b) 2개로 구성되고 이중 제 2 실외열교환기(21b)의 설치위치가 이중구조 축열조(3)에 설치되어 열교환 되도록 구성한 점이 종래와는 상이한 구성이다.

이는 여름철에 태양열집열기(1)에 의한 온수 생산량을 증대시킴과 동시에 일반적으로 공냉방식 응축기로 사용되는 실외 열교환기를 2개로 구성하여 여름철에 제 1 실외열교환기는 공랭식으로 사용하고 이와 연결된 제 2 실외열교환기(21b)는 여름철에 수냉식으로 구성하여 열교환 효율을 높임으로써 히트펌프식 공조기(2)의 응축효율을 높여 전체적인 냉방효과를 증대시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명은 겨울철에 증발기로 사용되는 실외 열교환기가 대기 온도 저하로 냉매의 열교환이 이루어지지 않아 난방이 중단되는 것을 막되, 종래와 같이 별도의 전기히터와 같은 보조 열원 없이 작동되도록 2개의 실외열교환기중 제 2 실외 열교환기(21b)를 이중구조 축열조(3) 내부에 설치하여 축열조 내부의 온도가 제 2 실외열교환기를 흐르는 냉매의 온도 보다 높도록 하여 겨울철에도 안정적인 난방이 이루어지도록 하였다.

단, 이때 여름철과 달리 실외 열교환기가 설치된 이중구조 축열조(3)의 일부 공간에 온수를 저장하지 않도록 하여 태양열 집열기(1)에서 생산된 온수의 온도 저하를 막도록 하였다. 즉, 이중구조 축열조(3)의 내부 일부 공간을 비운 공간부에 공랭식으로 제 2 실외 열교환기(21b)가 증발기로 작동하도록 함으로써 냉매보다 낮은 대기 온도 저하에 따른 증발기 작동 불능에 따른 난방중단을 막도록 내부 공간을 난방시킨 구조를 구비하였다, 이를 위해 이중구조 축열조(3)에 저장된 온수를 온수배관을 통해 제 2 실외 열교환기(21b)가 둘레에 공급되게 설치함으로써 공간부를 난방하도록 하였다. 이때 사용되는 온수는 이중구조 축열조에 저장된 온수 중 일부만 순환토록 구성함으로써 전체 온수량에 미치는 온도 저하가 적도록 구성하였다.

상기 본 발명의 한 실시예에 따른 이중구조 축열조(3)는 그 내부가 태양열 집열기측 축열조(31) 및 히트펌프 공조기측 축열조(32)로 분리 구성된다. 이를 위해 단열층(34)을 중앙에 설치하여 이중구조 축열조(3)를 2등분하였다.

여기서 단열층을 구성하는 재료는 스티로폼, 글라스울, 미네랄울, 세라믹단열재, 석고보드 등등의 일상적인 단열 건축자재 중 어느 하나 이상을 사용하여 구성하거나 열전도가 일어나지 않는 진공층을 형성한 단열층으로 구성하면 된다.

본 발명에서 이중구조 축열조(3) 내부를 2등분하여 2개의 공간부로 구성한 이유는 여름철에는 태양열 집열기측 축열조(31) 및 히트펌프 공조기측 축열조(32)에서 생산된 모든 온수를 다 같이 사용하지만, 겨울철에는 히트펌프 공조기측 축열조(32)에 온수를 저장하지 않도록 구성하기 위함이다. 겨울철 등에 이곳에 온수를 저장하지 않는 이유는 실외 열교환기의 역할이 증발기로 사용되므로 만약 온수가 저장되어 있으면 온수의 열을 빼앗아 가기 때문에 일정온도 이상의 온수를 공급하는 기능이 저하되기 때문이다. 이를 방지하기 위해 본 발명은 단열층(34)를 설치함으로써 태양열 집열기측 축열조(31)와 히트펌프 공조기측 축열조(32)간의 열 교환을 방지하게 된다.

한편, 겨울철에는 상기 히트펌프 공조기측 축열조(32)의 내부에는 보충수를 공급하는 연결배관(33)을 막아 온수가 생산되지 않지만 연결지관(331)을 통해 온수가 공급되어 방열핀(3211)이 형성된 난방배관(321)을 통해 공조기측 축열조(32)의 내부 공간을 난방하게 된다. 이와 같이 난방을 실시하는 이유는 종래 히트펌프식 공조기(2)는 겨울철에 증발기로 사용되는 실외 열교환기가 대기 온도 저하로 인하여 열교환이 이루어지지 않아 난방이 일어나지 않는 문제를 해결하기 위해 별도의 전기히터 등을 가동하여 실외 열교환기를 가열하여 난방 사이클이 작동되도록 하는데, 이 경우 추가적인 전기료가 들고 장치가 복잡해지고 이에 따른 설치비도 늘어나게 되지만, 본 발명은 태양열 집열기를 통해 생산된 온수를 이용하여 난방을 함으로써 제 2 실외 열교환기(21b)의 주변 공기를 가열시킴으로써 열교환이 이루어지게 됨으로써 추가적인 전기히터가 필요없는 난방 시스템을 구성할 수 있게 된다.

상기 태양열 집열기측 축열조(31)와 히트펌프 공조기측 축열조(32)는 히트펌프 공조기가 여름철 등과 같이 냉방모드로 가동시에는 각각 생산된 온수가 순환되어 열교환되도록 구성한다. 이와 같이 열교환이 되면 평균적인 온도를 가진 온수가 공급되게 된다.

이를 위해 태양열 집열기측 축열조(31)와 히트펌프 공조기측 축열조(32)간에는 서로간의 온수를 이동시키기 위해 연통된 연결배관(33)이 설치되어 온수가 온도차에 따라 이동하면서 열교환이 이루어지게 된다.

다만, 겨울철에는 히트펌프 공조기측 축열조(32)를 비워야 하기 때문에 태양열 집열기측 축열조(31)와 히트펌프 공조기측 축열조(32)간에는 연결배관(33)을 차단해야 하고, 대신 히트펌프 공조기측 축열조(32)를 난방하기 위해 공간부와 접하게 둘레에 설치된 방열핀(3211)이 형성된 난방배관(321)으로 온수가 공급되도록 하기 위해 연결배관에서 분지시킨 연결지관(331)을 통해 난방배관으로 온수를 공급하도록 구성한다. 상기 방열핀(3211)은 히트펌프 공조기측 축열조(32) 내부쪽 방향으로 형성된다.

온수가 공급되면 난방배관에 형성된 방열핀(3211)을 통해 열기가 내부로 전달되어 히트펌프 공조기측 축열조(32) 내부 공기를 난방시키게 된다. 이때 연결배관을 통해 태양열 집열기측 축열조(31)의 온수가 히트펌프 공조기측 축열조(32)로 공급되는 것을 차단하거나 연결지관으로 온수의 유로를 변경하기 위해 연결배관과 연결지관의 합류 지점에 방향전환밸브(332)를 설치한다.

또한 상기 이중구조 축열조(3)를 구성하는 태양열 집열기측 축열조(31)와 히트펌프 공조기측 축열조(32)에 공급되는 물은 태양열 집열기측 축열조(31)를 통해 보충수가 지속적으로 공급되게 구성한다. 이와 같은 구성한 이유는 겨울철에도 항시 온수가 생산되어 사용처로 공급됨으로써 없어진 온수 양 만큼 물이 공급되어야 하는데 온수가 생산되지 않는 히트펌프 공조기측 축열조(32)에 연결하는 것 보다 바람직하기 때문이다.

보충수는 별도의 도시된 것과 같이 보충수 저장탱크를 통해 공급할 수도 있고, 수도 등을 직접 연결하여 공급할 수 있다. 이때 태양열 집열기측 축열조(31)에 미도시된 수위조절레버나 수위조절센서등을 이용하여 특정 수위 이하로 내려갈 경우 공급되도록 하면 된다. 또한 이 경우 미도시된 밸브를 구비하여 보충수의 공급을 제어하도록 구성하면 된다.

상기 온수공급수단(4)은 이중구조 축열조(3)를 구성하는 태양열 집열기측 축열조(31)에 연결된 제 1 온수배관(41)과 히트펌프 공조기측 축열조(32)에 연결된 제 2 온수배관(42)과, 제 1 온수배관과 제 2 온수배관의 유로를 제어하는 방향전환밸브(43)와 방향전환밸브와 연결되어 건물 내부로 연결되는 제 3 온수배관(44)과, 온수를 공급하도록 제 3 온수배관 일지점에 설치된 온수공급펌프(45)로 구성된다.

상기와 같이 온수배관을 이중구조 축열조(3)의 태양열 집열기측 축열조(31)와 히트펌프 공조기측 축열조(32)에 각각 설치한 이유는 여름철에는 양측 축열조에 있는 온수를 모두 사용하지만, 겨울철에는 히트펌프공조기측 축열조(32)에 물이 저장되지 않기 때문에 별도의 온수배관을 구비한 것이다. 즉, 겨울철에는 방향전환밸브(43)가 제 2 온수배관(42) 측을 닫아 제 1 온수배관(41)쪽만 제 3 온수배관으로 연결되어 온수가 공급되도록 구성한다.

물론 여름철에도 양쪽 축열조에 저장된 온수의 온도가 급작스런 기후차에 따라 차이가 날 경우 필요에 따라 어느 한쪽의 온수 공 급유로를 변경할 수 있다.

또한 상기 제 3 온수배관을 통해 공급되는 온수는 온수공급펌프(45)를 거친후, 미도시되었으나 건물 내부에 별도의 축열조로 공급되어 저장후 재공급되도록 구성하여 상기 이중구조 축열조(3)의 태양열 집열기측 축열조(31)와 히트펌프 공조기측 축열조(32)의 용량보다 많은 온수를 저장토록 함과 동시에 여름철 히트펌프 공조기측 축열조(32)에 저장된 물을 새로 공급함으로써 실외 열교환기의 열교환 효율을 더욱 높이도록 할 수도 있다.

또한 상기 제 3 온수배관을 지난 온수는 미도시 되었으나 별도의 축열조가 구비되지 않는다면 복수의 온수 사용처로 분배되도록 난방용 또는 온수용 배관으로 각각 공급되게 배관 구성한다.

그 외 본 발명의 한 실시예에 따른 히트펌프식 공조기(2)의 구조는 건물의 내부에 설치되어 계절에 따라 여름철에는 증발기로 사용되고 겨울철에는 응축기로 사용되는 실내 열교환기(22)와, 실외 열교환기와 실내 열교환기 사이에 설치되어 여름철 실외 열교환기(응축기) 또는 겨울철 실내 열교환기(응축기)에서 나온 고온고압 액체를 저온저압 액체화하는 팽창밸브(23)와, 여름철 실내 열교환기(증발기) 또는 겨울철 실외 열교환기(증발기)를 지난 냉매를 고온고압 기체화하는 압축기(24)와, 계절에 따라 압축기에서 나온 고온고압기체의 유로를 실외 열교환기 쪽 또는 실내 열교환기 쪽으로 전환해주는 4방밸브(25)로 구성된다.

이에 따라 본 발명에 따른 히트펌프식 공조기(2)는 여름철에는 압축(압축기) - 응축(응축기-실외 열교환기) - 팽창(팽창밸브) - 증발(증발기-실내 열교환기) 등의 일련의 냉방 사이클을 통해 통상의 냉방운전이 가능하며, 사방변 밸브의 동작에 따른 냉매의 역순환에 따라 겨울철에는 증발(증발기-실외 열교환기) - 팽창(팽창밸브) - 응축(응축기-실내 열교환기) - 압축(압축기) 등의 히트펌프 과정을 거쳐 난방운전을 하게 된다. 이외 본 발명과 직접적인 관계가 없는 일상적인 히트펌프식 냉난방 시스템을 구성하는 기타 구성 예를 들어 어큐률레이터와 같은 기타 공지 구성에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한 이하에서 고온냉매라 함은 일상적인 공조기의 냉난방사이클 중 압축기에서 발생하는 냉매의 온도를 말하는 것으로 특정 수치 보다는 증발기 역할을 하는 실외 또는 실내 열교환기의 온도보다 높다는 것으로 말하는 것으로 예를 들어 설명하면 보통 80℃ 내외의 온도가 일반적이다.

한편, 본 발명의 한 실시예에 따른 히트펌프식 공조기(2)는 동파 방지 수단(26)도 구비하였다. 즉, 본 발명의 한 실시예에 따른 동파 방지 수단(26)은 압축기(24)를 지난 고온고압 상태의 고온냉매를 이용하여 겨울철에 태양열 집열기를 가열시켜 줌으로써 태양열집열기가 안정적으로 태양열을 집열하여 온수를 생산하도록 구성하였다.

구체적으로 본 발명에 따른 동파 방지 수단(26)은 압축기(24)와 4방밸브(25) 사이의 냉매배관(27) 일지점에서 분지되어 고온냉매를 평판형 또는 진공관형 타입 태양열 집열기(1)로 공급하는 고온냉매 공급 배관(261)과, 이 고온냉매 공급배관으로부터 고온냉매를 공급받아 평판형 또는 진공관형 타입 태양열 집열기(1) 둘레에 고온냉매가 순환되면서 열기를 제공하게 설치된 고온냉매 순환 배관(266)과, 고온냉매 순환 배관(266)을 순환한 고온냉매를 다시 압축기와 연결된 냉매배관(27)으로 순환시키는 고온냉매 회수 배관(267)로 구성된다. 이때 고온냉매 순환 배관(266)은 상부 유리 근처 둘레의 집열판 프레임에 설치 구성되어 열전도되게 구성하면 된다.

또한 고온냉매 순환 배관(266)과 접하여 고온냉매의 열을 전도 받게 평판형 태양열 집열기(1)의 집열판 상부 유리 표면 및 진공관형 태양열 집열기의 진공관 유리 표면에 가로 질러 설치된 하나 이상 설치된 하나 이상의 열선(262)을 더 포함하여 구성된다. 열선(262)이 구비되면 혹 혹한기등에 차가워진 유리에 고온냉매의 온도가 직접 접촉되어 공급되어 급격한 온도 변화로 유리 제품이 파손될 경우를 방지하면서, 순차적으로 열이 전도 되어 집열기의 냉매 순환 구조를 이루는 헤더, 지관 등에 열원을 공급하여 동파를 방지하기 위함이다. 이때 열선 재질은 일반적인 금속 재질이면 되는데, 열전도율이 높은 것을 사용하여 승온 효과가 빨리 일어나도록 구성한다.

상기 고온냉매 공급배관(261) 일지점에는 고온냉매의 유로를 개폐하는 전자밸브(263)가 설치되어 태양열 집열기의 유리 표면에 설치된 온도센서(264)의 정보에 따라 개폐되도록 구성하였다. 온도센서를 유리표면에 형성한 이유는 태양열집열기에서 유리가 가장 중요한 구성요소 일뿐아니라 겨울철이라 할지라도 집열판 상부의 유리와 그 외 지점의 온도 차이가 많이 나므로 불필요한 고온냉매의 공급 작동을 막아 필요할 때만 고온냉매가 순환되어 동파를 막도록 하기 위함이다.

또한 전자밸브의 개폐 관련 작동 온도는 필요에 따라 전자밸브가 개폐되도록 온도센서의 정보를 컨트롤러(265)에 의해 설정하면 된다. 예를 들자면 대기 온도센서로 측정된 온도가 설정된 온도 이하의 영하로 떨어지면 컨트롤러 제어에 의해 전자밸브가 작동하도록 설정할 수 있고, 작동시간은 온도센서에서 설정된 온도값 이하일 때 항시 작동하게 하거나 특정 시간 또는 일정 시간별로 작동하게 구성할 수 있다. 상기 전자밸브(솔레노이드 밸브)는 상용의 전자밸브를 사용하면 된다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 하이브리드 온수 공급 시스템의 작동을 설명하겠다.

도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 여름철 및 환절기 작동을 보인 예시도이다. 도시된 바와 같이 여름철이나 환절기에 일정온도로 대기온도가 올라가면 히트펌프식 공조기(2)는 냉방사이클이 가동되게 된다. 이러한 냉방싸이클은 실내에 장치된 리모컨을 이용하여 냉방 모드 선택시 4방밸브의 유로가 전환되어 작동된다.

여름철이나 환절기에 히트펌프식 공조기(2)가 냉방사이클로 작동하게 되면 응측기로 작용하는 제 1 실외 열교환기(21a)와 제 2 실외 열교환기(21b)가 작동하면서 발열하게 되는데, 이중 이중구조 축열조(3) 내부 공간부에 설치된 제 2 실외 열교환기(21b)의 열원을 이용하여 이중구조 축열조(3)의 히트펌프 공조기측 축열조(32)에 저장된 물과 열교환시켜 온수를 생산하게 된다. 이러한 제 2 실외 열교환기(21b)와 물과의 접촉에 의한 온수 생산구조는 종래기술에서는 찾아 볼 수 없는 기술이다.

이와 동시에 태양열 집열기(1)에서 집열된 열매체는 이중구조 축열조(3)의 태양열 집열기측 축열조(31)에 저장된 물과 태양열교환기(16)를 통해 열교환하여 온수를 생산하게 된다.

상기에서 생산된 온수는 이중구조 축열조(3)의 태양열 집열기측 축열조(31)와 히트펌프 공조기측 축열조(32)에 각각 연결된 제 1 온수배관(41) 및 제 2 온수배관(42)을 통해 배출된 후 방향전환밸브(43)를 통해 합쳐진 후, 온수공급펌프(45)에 의해 제 3 온수배관(44)을 통해 사용처인 건물 또는 온실등으로 공급되어 온수 또는 난방용으로 사용된다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 겨울철 작동을 보인 예시도이다. 겨울철은 상기 도 3에 도시된 여름철 또는 환절기와는 다른 온수 생산 및 공급과정을 가진다. 이하 구체적으로 살펴본다.

겨울철에 일정온도로 대기온도가 내려가면 히트펌프식 공조기(2)는 난방사이클이 가동되게 된다. 즉, 실내에 장치된 리모컨을 난방모드로 작동시키면 4방밸브(25)의 유로가 전환되어 여름철 등에 압축기에서 발생된 고온고압기체를 실외 열교환기로 보내던 유로가 실내 열교환기로 보내도록 유로가 전환된다.

이와 같이 히트펌프식 공조기(2)가 난방사이클로 작동하게 되면 제 1 실외 열교환기(21a)와 제 2 실외 열교환기(21b)로 이루어진 실외 열교환기가 증발기로 작용하면서 차가운 열매체가 흐르게 되는데 대기 온도가 영하 15도 이하까지 떨어지면 냉매관을 흐르는 냉매 온도보다 외부 대기의 온도가 더 낮아 냉매가 열을 얻지 못해 증발기 역할로서의 열교환이 이루어지지 않게 되어 난방사이클이 작동하지 않게 된다, 하지만 본 발명은 이중구조 축열조(3)의 히트펌프 공조기측 축열조(32)를 비워 물이 없도록 하고, 여기에 제 1 실외 열교환기(21a)와 제 2 실외 열교환기(21b)로 이루어진 실외 열교환기 중 제 2 실외 열교환기(21b)가 설치된 공간부를 난방하여 증발기 역할을 지속하도록 구성하였다.

이를 위해 태양열 집열기측 축열조(31)와 히트펌프 공조기측 축열조(32)간의 온수가 이동하면서 열교환하도록 배관된 연결배관(33)에 설치된 방향전환밸브(332)를 이용하여 연결배관을 흐르는 온수가 히트펌프 공조기측 축열조(32)로 공급되지 않고 히트펌프 공조기측 축열조(32)의 내부 공간부를 덮히기 위해 설치된 난방배관(321)로 흐르게 한다. 이와 같이 난방배관을 통해 온수가 흐르게 되면 히트펌프 공조기측 축열조(32) 내부 공간이 난방되면서 대기 온도보다 높아지게 되고, 이에 따라 증발기로 사용되는 제 2 실외 열교환기(21b)를 통한 열교환이 지속적으로 이루어지게 된다.

한편, 태양열 집열기(1)에서 집열된 열매체는 이중구조 축열조(3)의 태양열 집열기측 축열조(31)에 저장된 물과 태양열교환기(16)를 통해 열교환하여 온수를 생산하게 된다.

상기에서 생산된 온수는 이중구조 축열조(3)의 태양열 집열기측 축열조(31)에 연결된 제 1 온수배관(41)을 통해 배출된후 방향전환밸브(43)를 거쳐 온수공급펌프(45) 및 제 3 온수배관(44)을 통해 사용처인 건물 또는 온실 등으로 공급되어 온수 또는 난방용으로 사용된다. 이때 히트펌프 공조기측 축열조(32)에 제 2 온수배관(42)은 방향전환밸브(43)에 의해 유로가 차단되도록 하여 온수의 역류를 방지토록 한다.

또한 도면에서는 본 발명에 따른 히트펌프식 공조기(2)의 난방사이클 작동중 압축기로부터 발생된 고온고압기체상태의 냉매를 이용하여 태양열 집열기(1)의 동파를 방지하는 구조가 나타나 있는데, 압축기(24)에서 발생된 고온고압기체 상태의 고온냉매가 압축기와 4방밸브(25) 사이의 냉매배관(27) 일지점에서 분지된 고온냉매 공급 배관(261)을 통해 흐른 후, 평판형 태양열 집열기(1)의 둘레에 설치된 고온냉매 순환 배관(266)을 순환하면서 열기를 전도시켜 동파를 방지한 후 고온냉매 회수배관(267)을 통해 회수 된다.

또한 이와 동시에 고온냉매 순환 배관(261)간을 가로 질러 평판형 태양열 집열기(1)의 집열판 상부 유리 표면 또는 진공관형 태양열 집열기의 진공관 유리 표면에 다수개 설치된 열선(262)으로도 고온냉매 순환 배관(261)을 흐르는 고온냉매의 열기가 전도되어 열선을 승온시키게 된다. 승온된 하나 이상의 열선은 유리표면을 가열시켜 집열판 내부 공간부의 온도를 승온시키게 되고, 이로 인해 헤더와 지관의 온도가 올라가 헤더와 지관을 흐르는 내부 냉매의 팽창에 의한 동파를 방지하게 된다. 이러한 동파 방지 작용에 의해 태양열 집열기(1)는 겨울철 기후나 온도 여건과 상관없이 지속적인 태양열을 집열하여 온수생산 효율이 높아지게 된다.

이때, 겨울철이라고 무조건 고온냉매를 공급하여 동파 방지 작동을 하는 것은 아니고, 대기 온도가 영상 등의 기온일때를 대비하여 상기 고온냉매 배관에는 고온냉매용 전자밸브(263)가 설치되어 태양열 집열기의 유리 부근에 설치된 온도센서(264)의 정보에 따라 개폐되도록 구성한다.

또한 전자밸브의 개폐 관련 작동 온도는 필요에 따라 전자밸브가 개폐되도록 온도센서의 정보를 컨트롤러(265)에 의해 설정한다. 즉, 대기의 온도를 온도센서(264)로 측정하여 그 온도가 설정된 영하 이하로 떨어지면 컨트롤러(265) 제어에 의해 고온냉매용 전자밸브(263)가 작동하도록 설정한다. 또한 작동시간은 온도센서의 설정값 이하일 때 항시 작동하게 하거나 특정시간 또는 일정 시간별로 작동하게 구성한다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(1) : 태양열 집열기 (2) : 히트펌프식 공조기
(3) : 이중구조 축열조 (4) : 온수공급수단
(11) : 헤더 (12) : 지관
(13) : 유리 (14) : 집열판
(15) : 공급배관 (16) : 태양열교환기
(17) : 회수배관 (21a) : 제 1 실외 열교환기
(21b) : 제 1 실외 열교환기 (22) : 실내 열교환기
(23) : 팽창밸브 (24) : 압축기
(25) : 4방밸브 (26) : 동파 방지 수단
(27) : 냉매배관 (31) : 태양열 집열기측 축열조
(32) : 히트펌프 공조기측 축열조 (33) : 연결배관
(34) : 단열층 (41) : 제 1 온수배관
(42) : 제 2 온수배관 (43) : 방향전환밸브
(44) : 제 3 온수배관 (45) : 온수공급펌프
(261) : 고온냉매 공급 배관 (262) : 열선
(263) : 전자밸브 (264) : 온도센서
(265) : 컨트롤러 (266) : 고온냉매 순환 배관
(267) : 고온냉매 회수 배관 (321) : 난방배관
(331) : 연결지관 (332) : 방향전환밸브
(3211) : 방열핀

Claims (8)

1. 태양열을 집열하여 온수를 생산하되, 승온된 열매체가 순환하는 배관 일지점에 형성된 태양열 열교환기가 이중구조 축열조를 구성하는 태양열 집열기측 축열조에 설치되어 온수를 생산하도록 구성된 평판형 또는 진공관식 태양열 집열기와;
   4계절 냉난방을 하도록 실외 열교환기, 실내 열교환기, 팽창밸브, 압축기, 4방밸브를 포함하여 구성되되, 상기 실외 열교환기가 제 1 실외열교환기와 제 2 실외열교환기로 구성되어 이중 제 2 실외 열교환기가 상기 이중구조 축열조를 구성하는 히트펌프 공조기측 축열조에 설치되어 여름철에 온수를 생산하도록 구성된 히트펌프식 공조기와;
   상기 태양열집열기의 태양열 열교환기가 설치된 태양열 집열기측 축열조와 상기 히트펌프식 공조기의 제 2 실외 열교환기가 설치된 히트펌프 공조기측 축열조를 구비하여 기후 여건에 따라 공급된 물과 선택적으로 열교환하여 온수를 생산 저장하도록 구성된 이중구조 축열조와;
   상기 이중구조 축열조에서 각각 생산된 온수를 단독 또는 혼합하여 사용처로 공급하도록 배관 및 온수공급펌프가 구성된 온수공급수단;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 이중구조 축열조는 태양열 집열기측 축열조 및 히트펌프 공조기측 축열조를 분리하도록 내부에 설치된 단열층과;
   상기 태양열 집열기측 축열조와 히트펌프 공조기측 축열조간의 온수 연결을 위해 연통된 연결배관과;
   상기 히트펌프 공조기측 축열조에 설치되어 내부 공간을 난방시키는 난방배관과;
   상기 난방배관에 온수를 공급하도록 연결배관의 일지점에서 분지되어 연통되는 연결지관과;
   상기 연결배관과 연결지관의 합류지점에 설치되어 온수의 유로를 변경하는 방향전환밸브;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 난방배관은 히트펌프 공조기측 축열조 내부쪽으로 복수개의 방열핀을 더 포함하여 형성된 것을 특징으로 하는 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 온수공급수단은, 태양열 집열기측 축열조에 연결된 제 1 온수배관과;
   상기 히트펌프 공조기측 축열조에 연결된 제 2 온수배관과;
   제 1 온수배관과 제 2 온수배관의 유로를 제어하는 방향전환밸브와;
   방향전환밸브와 연결되어 사용처 내부로 연결되는 제 3 온수배관과;
   온수를 공급하도록 제 3 온수배관 일지점에 설치된 온수공급펌프로 구성된 것을 특징으로 하는 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 히트펌프식 공조기는 압축기에서 배출된 고온냉매 중 일부를 분지하여 평판형 또는 진공관식 태양열 집열기에 공급하는 동파 방지 수단;을 더 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 동파 방지 수단은 압축기와 4방밸브 사이의 냉매배관 일지점에서 분지되어 고온냉매를 공급하는 고온냉매 공급 배관과;
   고온냉매 공급배관으로부터 공급받은 고온냉매의 열기를 평판형 또는 진공관형 타입 태양열 집열기 둘레를 순환하면서 공급하도록 설치된 고온냉매 순환 배관과;
   고온냉매 순환 배관을 순환한 고온냉매를 다시 압축기와 연결된 냉매배관으로 순환시키는 고온냉매 회수 배관과;
   상기 고온냉매 배관 일지점에 설치되어 고온냉매의 유로를 개폐하는 전자밸브와;
   태양열 집열기에 설치된 온도센서의 온도 정보에 따라 상기 전자밸브를 개폐시키는 컨트롤러;로 구성된 것을 특징으로 하는 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 고온냉매 순환 배관의 내측방향으로 가로 질러 접하게 설치되어 고온냉매의 열을 전도 받도록 설치된 하나 이상의 열선을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템.
   
8. 청구항 6에 있어서,
   상기 평판형 또는 진공관식 태양열 집열기에 형성된 열선은 평판형 태양열 집열기의 집열판 상부 유리 표면 또는 진공관형 태양열 집열기의 진공관 유리 표면에 하나 이상 설치된 것을 특징으로 하는 태양열집열기와 히트펌프식 공조기를 이용한 하이브리드 온수공급시스템.

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