KR101100475B1 - 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치 - Google Patents

대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 모습에 따라, 인공태양 역할을 수행하는 광원과, 광원으로부터 에너지를 흡수하여 축열매체를 가열시키는 집광기와, 가열된 축열매체와 열교환을 통해 축열된 열매체를 저장하는 축열조를 포함하는 실험용 태양열 집열시스템; 압축기, 방향전환밸브, 팽창밸브, 제1 열교환기 및 외부와 열교환을 수행하는 제2 열교환기를 포함하는 히트펌프와, 제1 열교환기와 열교환을 수행하는 열매체를 저장하는 실험용 지열저장조를 포함하는 실험용 지열 히트펌프시스템; 난방시 축열조 또는 실험용 지열저장조로부터 고온의 열매체를 공급받아 추가 가열시키는 보조열원과, 난방시 보조열원에서 추가 가열된 열매체를 전달받고 냉방시 실험용 지열저장조에 저장된 저온의 열매체를 전달받아 외부와 열교환을 수행하는 제3 열교환기를 포함하는 보조열원 냉난방시스템; 및 조작에 따라 구성기기들의 작동을 제어하는 제어패널; 을 포함하여 이루어지는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치가 제안된다.

Description

대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치{AN EXPERIMENTAL AND TRAINING APPARATUS FOR HEATING AND REFRIGERATING SYSTEM USING ALTERNATIVE ENERGY}
본 발명은 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치에 관한 것이다. 구체적으로는 관련 분야의 기술자 또는 학생들에게 대체에너지를 이용한 냉난방시스템의 원리의 이해와 시스템의 실험에 교육용으로 사용되는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치에 관한 것이다.
기존의 화석연료가 고갈되어 감에 따라, 최근 대체에너지에 대한 관심이 증대되고 있다. 최근 각광받는 대체에너지로는 태양광과 지열 등이 주목을 받으면서, 태양광 및 지열을 이용하여 건축물의 냉난방을 효율적으로 하는 기술들이 개발되고 있다.
냉동기기의 실험실습장치는 많이 개발되어 왔으나, 대체에너지를 이용한 냉난방시스템에 관한 실험실습장치는 상대적으로 거의 개발되지 못하고 있다.
특히, 개별적으로 지열을 이용하는 냉난방 시스템 등이 개발되고 있으나, 대체에너지를 이용한 냉난방시스템의 통합적 이해를 도모할 수 있는 실험실습장치는 아직까지 개발되지 않고 있다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 관련 분야의 기술자 또는 학생들에게 대체에너지를 이용한 냉난방시스템의 원리의 통합적인 이해와 실험에 사용되는 교육용 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치를 제공하고자 한다.
보다 구체적으로는, 실험용 태양열 집열시스템, 실험용 지열 히트펌프시스템 및 보조열원 냉난방시스템을 구비하고, 각 구성들의 작동을 제어하는 제어패널을 포함하도록 하여, 교육용을 보다 쉽게 대체에너지를 이용한 냉난방시스템을 이해하고 실습할 수 있는 실험실습 장치를 제공하고자 한다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 하나의 실시예에 따라, 인공태양 역할을 수행하는 광원과, 광원으로부터 에너지를 흡수하여 축열매체를 가열시키는 집광기와, 가열된 축열매체와 열교환을 통해 축열된 열매체를 저장하는 축열조를 포함하는 실험용 태양열 집열시스템; 압축기, 방향전환밸브, 팽창밸브, 제1 열교환기 및 외부와 열교환을 수행하는 제2 열교환기를 포함하는 히트펌프와, 제1 열교환기와 열교환을 수행하는 열매체를 저장하는 실험용 지열저장조를 포함하는 실험용 지열 히트펌프시스템; 난방시 축열조 또는 실험용 지열저장조로부터 고온의 열매체를 공급받아 추가 가열시키는 보조열원과, 난방시 보조열원에서 추가 가열된 열매체를 전달받고 냉방시 실험용 지열저장조에 저장된 저온의 열매체를 전달받아 외부와 열교환을 수행하는 제3 열교환기를 포함하는 보조열원 냉난방시스템; 및 조작에 따라 구성기기들의 작동을 제어하는 제어패널; 을 포함하여 이루어지는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치가 제안된다.
본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 실험용 지열저장조는 제1 열교환기와 열교환을 수행하는 열매체가 순환하는 실험용 지열 파이프, 및 실험용 지열 파이프와 제1 열교환기에 연결되며 열매체를 저장하는 저장탱크를 포함하고 있다.
또한, 하나의 예에 따르면, 실험용 지열 파이프는 저장탱크와 구획 분할된 공간에 설치되고, 공간은 사용자가 볼 수 있도록 적어도 전면 또는 상면이 투명한 재질로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 축열조는 내부에 가열된 축열매체가 흐르는 열교환관이 형성되고, 집광기는 내부에 축열매체가 흐르는 히트파이프가 구비되고, 축열조 및 실험용 지열저장조에 저장된 열매체는 물이다.
본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 축열조와 집광기 사이에 축열조에서 열교환된 축열매체를 집광기로 순환시키는 제1 펌프, 축열조에 저장된 열매체가 순환되도록 축열조로 열매체를 인입시키는 제2 펌프 및 실험용 지열저장조에 저장된 열매체를 토출시키는 제3 펌프를 더 포함할 수 있다.
또, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 제1 열교환기는 판형 열교환기이고, 제3 열교환기는 라디에이터이다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 히트펌프는 압축기에서 압축된 냉매를 방향전환밸브인 사방밸브를 통해 제1 및 제2 열교환기 중의 하나로 공급하여 응축시키고 응축된 냉매를 팽창밸브를 통해 팽창시켜 제1 및 제2 열교환기 중 나머지 하나로 공급하여 증발시키고 증발된 냉매를 방향전환밸브를 거쳐 압축기에서 압축시키고, 제1 열교환기가 응축기로 동작하는 경우 실험용 지열저장조로 순환하는 열매체에 온열을 전달하고, 증발기로 동작하는 경우 실험용 지열저장조로 순환하는 열매체로부터 열을 빼앗아 열매체로 냉열을 전달한다.
또 하나의 예에서, 팽창밸브는 응축된 냉매를 팽창시켜 제1 열교환기로 공급하는 제1 팽창밸브 및 응축된 냉매를 팽창시켜 제2 열교환기로 공급하는 제2 팽창밸브를 포함하고, 히트펌프는 사방밸브의 방향 전환에 따라 응축된 냉매를 제1 또는 제2 팽창밸브로 전달하는 관로 상에 구비된 사이트글라스와 필터드라이어 및 사방밸브와 압축기의 인입구 측 사이에 설치되되 증발된 냉매를 회수하여 냉매 중 증발되지 않은 액상의 냉매를 분리시키고 압축기로 기체상 냉매를 제공하는 어큐멀레이터를 더 포함한다.
본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 보조열원으로 인입되는 관로 상에 설치된 제1 삼방밸브, 제3 열교환기로부터 배출되는 관로 상에 설치된 제2 삼방밸브, 제1 열교환기의 인입 및 배출 관로 상에 설치된 제3 삼방밸브 및 제4 삼방밸브를 더 포함하되, 제1 및 제3 삼방밸브 간 그리고 제2 및 제4 삼방밸브 간 배관 연결되고, 제1 내지 제4 삼방밸브 제어에 따라, 축열조의 열매체가 보조열원의 관로를 거쳐 제3 열교환기를 순환하거나 실험용 지열저장조의 열매체가 보조열원의 관로를 거쳐 제3 열교환기를 순환할 수 있다.
또한 하나의 예에 따르면, 제어패널은 외부 컴퓨터와 유선 또는 무선 연결되고, 컴퓨터의 조작에 의해 제1 내지 제4 삼방밸브가 제어될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 제어패널은 실험실습장치 냉난방시스템을 도시하는 그래픽과, 다수의 온도제어모듈과, 구성기기의 작동을 온/오프시키는 다수의 스위치모듈을 포함하되, 다수의 온도제어모듈은 집광기에서 가열되어 토출되는 축열매체, 축열조에 저장된 축열매체 및 축열조로부터 집광기로 순환되기 위해 토출되는 축열매체 중의 적어도 하나의 온도를 제어하는 축열매체 온도제어모듈과, 제1 열교환기로 인입되는 냉매 및 제1 열교환기로부터 토출되는 냉매 중의 적어도 어느 하나의 온도를 제어하는 냉매 온도제어모듈과, 열교환을 수행하기 위해 제1 열교환기로 인입되는 열매체, 제1 열교환기로부터 토출되는 열매체 및 실험용 지열저장조에 저장된 열매체 중의 적어도 어느 하나, 그리고 축열조에 저장된 열매체, 축열조로부터 토출되는 열매체 및 축열조로 인입되는 열매체 중의 적어도 어느 하나의 온도를 제어하는 열매체 온도제어모듈을 포함하고, 스위치모듈은 광원의 전원을 제어하는 광원스위치, 지열 히트펌프시스템의 작동을 제어하는 히트펌프 스위치, 방향전환밸브의 방향전환을 제어하는 방향전환 스위치, 보조열원의 작동을 제어하는 보조열원 스위치, 축열조 및 실험용 지열저장조를 순환하는 축열매체 및 열매체 각각의 펌핑을 제어하는 펌프 스위치 및 스위치들의 작동상태를 나타내는 작동램프들을 포함한다.
또한, 하나의 예에 따르면, 제어패널은 외부 컴퓨터와 유선 또는 무선 연결되고, 컴퓨터의 조작에 의해 스위치모듈 및 온도제어모듈이 제어될 수 있다.
본 발명의 모습에 따라, 실험용 태양열 집열시스템, 실험용 지열 히트펌프시스템 및 보조열원 냉난방시스템을 구비하고, 각 구성들의 작동을 제어하는 제어패널을 포함하도록 하여, 교육용을 보다 쉽게 대체에너지를 이용한 냉난방시스템을 이해하고 실습할 수 있는 실험실습 장치를 제공할 수 있게 되었다.
본 발명의 다양한 실시예에 따라 직접적으로 언급되지 않은 다양한 효과들이 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 구성들로부터 당해 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자에 의해 도출될 수 있음은 자명하다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치의 개략적인 블럭 구성도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
전술한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 설명될 것이다. 본 설명에 있어서, 동일부호는 동일한 구성을 의미하고, 중복되거나 발명의 의미를 한정적으로 해석되게 할 수 있는 부가적인 설명은 생략될 수 있다.
구체적인 설명에 앞서, 본 명세서에서 하나의 구성요소가 다른 구성요소와 '직접 연결' 또는 '직접 결합' 등으로 언급되지 않는 이상, 단순히 '연결' 또는 '결합' 등으로 언급된 경우에는 '직접적으로' 연결 또는 결합될 수 있고, 나아가 그들 사이에 또 다른 구성요소가 삽입되어 연결 또는 결합되는 형태로도 존재할 수 있다.
본 명세서에 비록 단수적 표현이 기재되어 있을지라도, 발명의 개념에 반하지 않고 해석상 모순되거나 명백하게 다르게 해석되지 않는 이상 복수의 구성 전체를 대표하는 개념으로 사용될 수 있음에 유의하여야 한다.
본 명세서에서 '포함하는', '갖는', '구비하는', '포함하여 이루어지는' 등의 기재는 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 구성요소 또는 그들의 조합의 존재 또는 부가 가능성이 있는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치의 개략적인 블럭 구성도이다. 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다. 도 3은 본 발명의 또 하나의 실시예에 따른 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 1을 참조하여, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치를 살펴본다. 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치의 하나의 예에 따르면, 실험용 태양열 집열시스템(10), 실험용 지열 히트펌프시스템(30), 보조열원 냉난방 시스템(50) 및 제어패널(70)을 포함하여 이루어진다.
도 1, 2 및/또는 3을 참조하여, 보다 구체적으로 살펴본다.
도 1, 2 및/또는 3을 참조하면, 실험용 태양열 집열시스템(10)은 인공태양 역할을 수행하는 광원(11), 집광기(13) 및 축열조(15)를 포함하고 있다. 하나의 예에서, 광원(11)으로 LED 광원을 사용할 수 있다.
구체적으로, 집광기(13)는 광원(11)으로부터 에너지를 흡수하여 축열매체를 가열시킨다. 하나의 예에 따르면, 도시되지 않았으나, 집광기(13)는 내부에 축열매체가 흐르는 히트파이프가 구비될 수 있다. 또한, 하나의 예에 따르면, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 집광기(13)는 1차 집광기와 2차 집광기로 이루어질 수 있다. 이때, 1차 집광기에서 1차 가열된 축열매체가 2차 집광기에서 2차 가열된다. 또한, 도시되지 않았으나, 각각 내부에 축열매체가 흐르는 히트파이프가 구비될 수 있다.
다음으로, 실험용 태양열 집열시스템(10)의 축열조(15)는 가열된 축열매체와 열교환을 통해 축열된 열매체를 저장한다. 실시예에 따라, 축열매체와 열매체는 다른 물질일 수 있고, 또는 다른 실시예에서 동일한 물질일 수 있다. 예컨대, 축열매체와 열매체 모두 물을 사용할 수 있다. 또한, 하나의 실시예에 따르면, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 축열조(15)는 내부에 가열된 축열매체가 흐르는 열교환관(151)이 형성될 수 있다. 이때, 열교환관(151)은 코일형태로 감겨질 수 있다. 또한, 하나의 예에 따르면, 축열조(15)에 저장된 열매체는 물이다. 이때, 실험용 지열 히트펌프시스템(30)의 실험용 지열저장조(33)에 저장된 열매체 또한 물일 수 있다.
하나의 예에서, 실험용 태양열 집열시스템(10)은 적어도 하나 이상의 온도센서(도 2 및 3에서 'T'로 도시됨)를 포함할 수 있다. 예컨대, 집광기(13)에서 축열조(15)로 토출되는 축열매체의 온도를 측정하기 위한 센서, 축열조(15)에 저장된 축열매체의 온도를 측정하기 위한 센서 및/또는 축열조(15)로부터 집광기(13)로 순환되기 위해 토출되는 축열매체의 온도를 측정하기 위한 센서가 구비될 수 있다.
또한, 또 하나의 예에서, 축열조(15)에 저장된 열매체, 축열조(15)로부터 토출되는 열매체 및 축열조(15)로 인입되는 열매체 중의 어느 하나를 감지하기 위한 온도센서(도 2 및 3에서 'T'로 도시됨)가 구비될 수 있다.
계속하여, 도 1을 참조하면, 실험용 지열 히트펌프시스템(30)은 히트펌프(31)와 실험용 지열저장조(33)를 포함하고 있다.
도 1, 2 및/또는 3을 참조하여 히트펌프(31)를 살펴보면, 히트펌프(31)는 압축기(311), 방향전환밸브(312), 팽창밸브(314), 제1 열교환기(313) 및 외부와 열교환을 수행하는 제2 열교환기(315)를 포함한다. 이때, 제2 열교환기(315)는 보조열원 냉난방시스템(50)의 제3 열교환기(53)와 별도로 하나의 냉난방기기로서 작용한다. 압축기(311)는 냉매를 고온고압으로 압축하여 토출시키고, 그에 따라 냉매의 순환이 가능하도록 한다. 하나의 예에서, 압축기(311)의 입구 및 출구 측에 인입 냉매 및 토출 냉매의 압력을 감지하는 압력센서(도 2 및 3에서 'P'로 도시됨)가 구비될 수 있다. 압축된 냉매는 방향전환밸브(312)를 통해 제1 및 제2 열교환기(313, 315) 중의 하나로 공급된다. 방향전환밸브(312)를 통해 압축된 냉매를 공급받은 제1 및 제2 열교환기(313, 315) 중의 하나는 응축기로서 고온고압의 냉매를 실험용 지열저장조(33)를 순환하는 열매체 또는 실외공기 등과 열교환을 통해 응축시키고 팽창밸브(314) 측으로 토출시킨다. 팽창밸브(314)에서는 응축된 냉매를 팽창시켜 제1 및 제2 열교환기(313, 315) 중 나머지 하나로 공급한다. 팽창밸브(314)는 고압의 액체 냉매를 저압의 냉매로 팽창시킴으로써 증발이 용이하게 일어날 수 있도록 하는 것으로, 모세관식, 전자식, 수동식 등이 사용될 수 있다. 팽창밸브(314)로부터 팽창된 냉매를 전달받은 제1 및 제2 열교환기(313, 315) 중 나머지 하나는 외부의 열, 예컨대 실험용 지열저장조(33)를 순환하는 열매체 또는 실외공기 등의 열을 흡수하여 냉매를 증발시킨다. 증발된 냉매는 방향전환밸브(312)를 걸쳐 압축기(311)로 제공되어 압축기(311)에서 압축된다. 하나의 실시예에서, 제1 열교환기(313)는 판형 열교환기일 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에서, 히트펌프(31)는 압축기(311)에서 압축된 냉매를 사방밸브(312)를 통해 제1 및 제2 열교환기(313, 315) 중의 하나로 공급하여 응축시키고, 제1 및 제2 열교환기(313, 315) 중 나머지 하나에서 냉매를 증발시킨다. 이때, 제1 열교환기(313)가 응축기로 동작하는 경우, 제1 열교환기(313)는 실험용 지열저장조(33)로 순환하는 열매체에 온열을 전달한다. 증발기로 동작하는 경우 제1 열교환기(313)는 실험용 지열저장조(33)로 순환하는 열매체로부터 열을 빼앗아 열매체로 냉열을 전달한다.
또한, 도 2 및 3을 참조하면, 본 발명의 또 하나의 예에서, 히트펌프(31)는 사이트글라스(316)와 필터드라이어(317) 및 어큐멀레이터(도시되지 않음)를 더 포함할 수 있다. 사이트글라스(316)와 필터드라이어(317)는 사방밸브(312)의 방향 전환에 따라 응축된 냉매를 팽창밸브(314)로 전달하는 관로 상에 구비될 수 있다. 필터드라이어(317)는 흐르는 냉매 속에 포함된 수분이나 먼지 등과 같은 이물질을 걸러주고 냉매에 함유되어 있는 수분을 제거하는 역할을 한다. 또한, 하나의 예에서, 도 2 및 3에 도시된 바와 같이, 팽창밸브(314)는 응축된 냉매를 팽창시켜 제1 열교환기(313)로 공급하는 제1 팽창밸브 및 응축된 냉매를 팽창시켜 제2 열교환기(315)로 공급하는 제2 팽창밸브를 포함할 수 있다. 응축된 냉매는 팽창밸브(314)를 거치면서 증발기 역할을 수행하는 제1 또는 제2 열교환기(313 또는 315)에서 증발될 수 있도록 팽창된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 2개의 팽창밸브가 아닌, 도 3에 도시된 바와 같이, 1개의 팽창밸브(314)를 사이트글라스(316)와 필터드라이어(317)와 같이 응축기에서 증발기로 향하는 공유 관로 상에 배치시켜 사용할 수도 있다. 또한, 도시되지 않았으나, 어큐멀레이터는 사방밸브(312)와 압축기(311)의 인입구 측 사이에 설치될 수 있다. 어큐멀레이터(도시되지 않음)는 증발된 냉매를 회수하여 냉매 중 증발되지 않은 액상의 냉매를 분리시키고 압축기(311)로 기체상 냉매를 제공한다. 어큐멀레이터는 액상 냉매를 분리시켜 기체상 냉매만을 압축기(311)로 제공함으로써, 압축기(311)로의 리퀴드 백(Liquid Back)을 방지하여 압축기(311)를 보호한다.
하나의 예에서, 제1 열교환기(313)로 인입되는 냉매 및 제1 열교환기(313)로부터 토출되는 냉매 중의 적어도 어느 하나의 온도를 감지하기 위한 온도센서(도 2 및 3에서 'T'로 도시됨)가 구비될 수 있다.
계속하여, 도 2를 참조하여 실험용 지열 히트펌프시스템(30)을 살펴보면, 실험용 지열저장조(33)는 히트펌프(31)의 제1 열교환기(313)와 열교환을 수행하는 열매체를 저장한다.
보다 구체적으로 실험용 지열저장조(33)를 살펴보면, 하나의 실시예에서, 실험용 지열저장조(33)는 도시되지 않았으나, 실험용 지열 파이프 및 저장탱크를 포함할 수 있다. 이때, 실험용 지열 파이프(도시되지 않음)에는 제1 열교환기(313)와 열교환을 수행하는 열매체가 순환한다. 또 하나의 예에서, 실험용 지열 파이프는 수직형 지열 파이프와 수평형 지열 파이프로 이루어질 수 있다. 또한, 저장탱크(도시되지 않음)는 실험용 지열 파이프와 제1 열교환기(313)에 연결되며 열매체를 저장한다. 본 실시예에 따라 열매체를 저장하는 저장탱크 외에 실험용 지열 파이프를 더 포함함으로써, 피교육자에게 지열 히트펌프 시스템의 보다 명확한 이해를 도모할 수 있다.
또한, 도시되지 않았으나, 하나의 예에서, 실험용 지열저장조(33)는 저장된 열매체의 온도를 고온으로 유지시키기 위한 별도의 가열수단 또는/및 열매체의 온도를 저온으로 유지시키기 위한 냉각수단을 더 구비할 수 있다. 하나의 예에서, 가열수단(도시되지 않음)은 저장탱크 내 또는 실험용 지열 파이프 구간에 설치될 수 있다. 또한, 하나의 예에서, 냉각수단(도시되지 않음)은 실험용 지열 파이프 구간에 설치될 수 있다. 또 하나의 예에 따르면, 실험용 지열저장조(33)에 구비되는 가열수단 및/또는 냉각수단은 실험용 지열저장조(33)를 순환하는 열매체 또는/및 제3 열교환기(53)에서의 외기 또는/및 제2 열교환기(315)에서의 외기 등에 대한 온도제어에 따라 작동될 수 있다.
또한, 하나의 예에 따르면, 실험용 지열 파이프(도시되지 않음)는 저장탱크와 구획 분할된 공간에 설치되고, 공간은 사용자가 볼 수 있도록 적어도 전면 또는 상면이 투명한 재질로 이루어질 수 있다. 하나의 예에 따르면, 실험용 지열 파이프가 설치된 공간에는 실험용 지열 파이프 주위에 흙, 모래, 스치로폼 또는 물 등의 물질로 채워질 수 있다. 이에 따라, 실제의 지열 히트 파이프 시스템과 유사하게 실험용 지열 파이프를 꾸밈으로써, 피교육자 또는 사용자가 지열 히트펌프시스템을 보다 쉽게 이해할 수 있게 된다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 실험용 지열저장조(33)에 저장된 열매체는 물일 수 있다. 이때, 실험용 태양열 집열시스템(10)의 축열조(15)에 저장되는 열매체 또한 물일 수 있다.
또한, 또 하나의 예에서, 열교환을 수행하기 위해 제1 열교환기(313)로 인입되는 열매체, 제1 열교환기(313)로부터 토출되는 열매체 및 실험용 지열저장조(33)에 저장된 열매체 중의 적어도 어느 하나를 감지하기 위한 온도센서(도 2 및 3에서 'T'로 도시됨)가 구비될 수 있다.
계속하여, 도 1을 참조하면, 보조열원 냉난방시스템(50)은 보조열원(51)과 제3 열교환기(53)를 포함한다.
도 1, 2 및/또는 3을 참조하면, 보조열원(51)은 난방시 축열조(15) 또는 실험용 지열저장조(33)로부터 고온의 열매체를 공급받아 추가 가열시킨다. 예컨대, 보조열원(51)은 전기히터일 수 있다.
도 1, 2 및/또는 3을 참조하면, 제3 열교환기(53)는 난방시 보조열원(51)에서 추가 가열된 열매체를 전달받고 냉방시 실험용 지열저장조(33)에 저장된 저온의 열매체를 전달받아 외부와 열교환을 수행한다. 하나의 예에서, 실험용 지열저장조(33)로부터 저온의 열매체가 제3 열교환기(53)로 제공되어 냉방이 이루어지는 경우, 저온의 열매체는 작동 오프된 보조열원(51)의 관로를 통해 제3 열교환기(53)로 제공될 수 있다.
하나의 실시예에서, 제3 열교환기(53)는 라디에이터일 수 있다.
계속하여, 도 1을 참조하여, 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치를 살펴보면, 제어패널(70)은 조작에 따라 구성기기들의 작동을 제어한다. 하나의 예에 따르면, 도시되지 않았으나, 제어패널(70)은 외부 컴퓨터와 유선 또는 무선 접속되는 인터페이스를 구비하여 외부 컴퓨터와 유선 또는 무선 연결될 수 있다. 이때, 유선 또는 무선 연결된 외부 컴퓨터에서의 제어에 의해 제어패널(70)을 조작할 수 있다. 하나의 예에서, 무선 인터페이스는 근거리 무선통신 인터페이스이다. 또한, 제어패널(70)에 구비된 인터페이스를 통해 실험용 태양열 집열시스템(10), 실험용 지열 히트펌프시스템(30) 및 보조열원 냉난방 시스템(50)에서의 축열매체, 열매체, 냉매, 냉난방되는 외기의 온도 또는 압력 데이터 등이 외부 컴퓨터(도시되지 않음)로 제공될 수 있다.
또한, 본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 도시되지 않았으나, 제어패널(70)은 실험실습장치 냉난방시스템을 도시하는 그래픽과, 다수의 온도제어모듈과, 구성기기의 작동을 온/오프시키는 다수의 스위치모듈을 포함할 수 있다. 이때, 다수의 온도제어모듈(도시되지 않음)은 집광기(13)에서 가열되어 토출되는 축열매체, 축열조(15)에 저장된 축열매체 및 축열조(15)로부터 집광기(13)로 순환되기 위해 토출되는 축열매체 중의 적어도 하나의 온도를 제어하는 축열매체 온도제어모듈과, 제1 열교환기(313)로 인입되는 냉매 및 제1 열교환기(313)로부터 토출되는 냉매 중의 적어도 어느 하나의 온도를 제어하는 냉매 온도제어모듈과, 열교환을 수행하기 위해 제1 열교환기(313)로 인입되는 열매체, 제1 열교환기(313)로부터 토출되는 열매체 및 실험용 지열저장조(33)에 저장된 열매체 중의 적어도 어느 하나, 그리고 축열조(15)에 저장된 열매체, 축열조(15)로부터 토출되는 열매체 및 축열조(15)로 인입되는 열매체 중의 어느 하나의 온도를 제어하는 열매체 온도제어모듈을 포함할 수 있다.
또한, 스위치모듈(도시되지 않음)은 광원(11)의 전원을 제어하는 광원스위치, 지열 히트펌프시스템(30)의 작동을 제어하는 히트펌프 스위치, 방향전환밸브(312)의 방향전환을 제어하는 방향전환 스위치, 보조열원(51)의 작동을 제어하는 보조열원 스위치, 축열조(15) 및 실험용 지열저장조(33)를 순환하는 축열매체 및 열매체 각각의 펌핑을 제어하는 펌프 스위치 및 스위치들의 작동상태를 나타내는 작동램프들을 포함할 수 있다.
하나의 예에 따르면, 제어패널(70)은 외부 컴퓨터와 유선 또는 무선 연결되고, 컴퓨터의 조작에 의해 스위치모듈 및 온도제어모듈이 제어될 수 있다.
또한, 하나의 예에 따르면, 도시되지 않았으나, 제어패널(70)은 예컨대, 후면에 실험용 태양열 집열시스템(10), 실험용 지열 히트펌프시스템(30) 및/또는 보조열원 냉난방시스템(50)의 실제 작동을 제어하는 제어회로를 포함할 수 있다. 도시되지 않았으나, 하나의 예에서, 제어패널(70)은 사용자의 설정 조작에 따라 실험용 태양열 집열시스템(10), 실험용 지열 히트펌프시스템(30) 및/또는 보조열원 냉난방시스템(50)에서의 온도, 압력 중 적어도 온도를 포함한 하나 이상에 대한 시퀀스 제어신호를 생성하는 시퀀스제어모듈을 포함할 수 있다. 시퀀스제어모듈은 예컨대, 축열매체, 냉매 및/또는 열매체 등의 온도제어모듈과 냉매 및/또는 토출 혹은 입입되는 열매체 등의 압력제어모듈을 포함할 수 있다. 이때, 시퀀스 제어신호를 생성하는 온도제어모듈, 압력제어모듈 등은 릴레이소자를 포함할 수 있다.
도시되지 않았으나, 또 하나의 예에서, 제어패널(70)은 실험용 태양열 집열시스템(10), 실험용 지열 히트펌프시스템(30) 및/또는 보조열원 냉난방시스템(50)의 구성요소의 동작을 제어하는 다수의 전원제어모듈을 포함할 수 있다. 이때, 하나의 예에서, 전원제어모듈은 실험용 태양열 집열시스템(10), 실험용 지열 히트펌프시스템(30) 및/또는 보조열원 냉난방시스템(50)의 제어회로 상의 구성요소의 연결단자를 통하여 연결잭 등으로 연결될 수 있다. 예컨대, 전원제어모듈로서의 전자접촉기(MC)와 연결단자, 릴레이스위치와 연결단자 또는 타이머와 연결단자 등이 포함될 수 있다.
본 발명의 또 하나의 실시예에 따르면, 도시되지 않았으나, 실험용 태양열 집열시스템(10), 실험용 지열 히트펌프시스템(30), 보조열원 냉난방시스템(50) 및 제어패널(70)은 각각 분리 이동가능한 보드 패널에 설치될 수 있다. 이때, 실험용 태양열 집열시스템(10), 보조열원 냉난방시스템(50) 및 실험용 지열 히트펌프시스템(30) 사이에는 분리 가능한 배관을 통해 연결될 수 있다. 이에 따라, 보관 및 유지관리가 편리해 지고, 또한 분리형의 형태이므로 각 시스템별(태양열 시스템, 지열시스템, 보조열원 냉난방시스템) 분리 실험실습이 가능하고 나아가 각 시스템을 조합하여 합동 실험실습이 이루어질 수 있다.
또한, 도 2 및 3을 참조하여, 본 발명의 또 하나의 실시예를 살펴본다. 하나의 실시예에 따르면, 축열조(15)와 집광기(13) 사이에 축열조(15)에서 열교환된 축열매체를 집광기(13)로 순환시키는 제1 펌프(81), 축열조(15)에 저장된 열매체가 순환되도록 축열조(15)로 열매체를 인입시키는 제2 펌프(82) 및 실험용 지열저장조(33)에 저장된 열매체를 토출시키는 제3 펌프(83)를 더 포함할 수 있다. 하나의 예에서, 제1 내지 제3 펌프(81, 82, 83)는 각각 제어패널(70) 상의 펌프스위치모듈에 의해 제어될 수 있다.
또한, 도 2를 참조하여 본 발명의 또 하나의 실시예를 살펴보면, 보조열원(51)으로 인입되는 관로 상에 설치된 제1 삼방밸브(91), 제3 열교환기(53)로부터 배출되는 관로 상에 설치된 제2 삼방밸브(92), 제1 열교환기(313)의 인입 및 배출 관로 상에 설치된 제3 삼방밸브 및 제4 삼방밸브(93, 94)를 더 포함할 수 있다. 제1 및 제3 삼방밸브(91, 94) 간 그리고 제2 및 제4 삼방밸브(92, 93) 간 배관 연결된다. 이때, 제1 내지 제4 삼방밸브(91, 92, 93, 94) 제어에 따라, 축열조(15)의 열매체가 보조열원(51)의 관로를 거쳐 제3 열교환기(53)를 순환하거나 실험용 지열저장조(33)의 열매체가 보조열원(51)의 관로를 거쳐 제3 열교환기(53)를 순환할 수 있다. 하나의 예에서, 실험용 지열저장조(33)의 저온 열매체는 제3 열교환기(53)를 통해 냉방이 제공하는 경우 작동 오프인 보조열원(51)의 관로를 통해 제3 열교환기(53)로 제공될 수 있다.
또한, 하나의 예에 따르면, 제어패널(70)은 외부 컴퓨터와 유선 또는 무선 연결되고, 컴퓨터의 조작에 의해 제1 내지 제4 삼방밸브(91, 92, 93, 94)가 제어될 수 있다.
또한, 도 3을 참조하면, 다른 하나의 예에서, 보조열원(51)으로 인입되는 관로 상에 설치된 제1 삼방밸브(91), 제3 열교환기(53)로부터 배출되는 관로 상에 설치된 제2 삼방밸브(92), 제1 열교환기(313)의 인입 및 배출 관로 상에 각각 설치된 사방밸브(95, 96)를 더 포함할 수 있다. 이때, 실험용 지열저장조(33)의 열매체가 제3 열교환기(53)로 순환하기 위해 사방밸브를 통해 제1 열교환기(313)와 열교환을 수행한 후 보조열원(51)의 관로를 거쳐 제3 열교환기(53)로 순환한다. 예컨대, 저온 열매체의 순환의 경우 보조열원(51)은 동작 오프가 된다.
이상에서, 전술한 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명에 대한 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자의 이해를 돕기 위해 예시적으로 설명된 것이므로, 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 한다. 따라서, 본 발명의 다양한 실시예는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 범위는 특허청구범위에 기재된 발명에 따라 해석되어야 하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 다양한 변경, 대안, 균등물들을 포함하고 있다.
10 : 실험용 태양열 집열시스템 11 : 광원
13 : 집광기 15 : 축열조
30 : 실험용 지열 히트펌프시스템 31 : 히트펌프
311 : 압축기 312 : 방향전환밸브
313 : 제1 열교환기 314 : 팽창밸브
315 : 제2 열교환기 33 : 실험용 지열저장조
50 : 보조열원 냉난방시스템 51 : 보조열원
53 : 제3 열교환기 70 : 제어패널

Claims (12)

  1. 인공태양 역할을 수행하는 광원과, 상기 광원으로부터 에너지를 흡수하여 축열매체를 가열시키는 집광기와, 상기 가열된 축열매체와 열교환을 통해 축열된 열매체를 저장하는 축열조를 포함하는 실험용 태양열 집열시스템;
    압축기, 방향전환밸브, 팽창밸브, 제1 열교환기 및 외부와 열교환을 수행하는 제2 열교환기를 포함하는 히트펌프와, 상기 제1 열교환기와 열교환을 수행하는 열매체를 저장하는 실험용 지열저장조를 포함하는 실험용 지열 히트펌프시스템;
    난방시 상기 축열조 또는 실험용 지열저장조로부터 고온의 열매체를 공급받아 추가 가열시키는 보조열원과, 난방시 상기 보조열원에서 추가 가열된 열매체를 전달받고 냉방시 상기 실험용 지열저장조에 저장된 저온의 열매체를 전달받아 외부와 열교환을 수행하는 제3 열교환기를 포함하는 보조열원 냉난방시스템; 및
    조작에 따라 구성기기들의 작동을 제어하는 제어패널; 을 포함하여 이루어지되,
    상기 실험용 지열저장조는 상기 제1 열교환기와 열교환을 수행하는 상기 열매체가 순환하는 실험용 지열 파이프, 및 상기 실험용 지열 파이프와 상기 제1 열교환기에 연결되며 열매체를 저장하는 저장탱크를 포함하고,
    상기 실험용 지열 파이프는 상기 저장탱크와 구획 분할된 공간에 설치되고,
    상기 공간은 사용자가 볼 수 있도록 적어도 전면 또는 상면이 투명한 재질로 이루어진 것을 특징으로 하는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 축열조는 내부에 상기 가열된 축열매체가 흐르는 열교환관이 형성되고,
    상기 집광기는 내부에 상기 축열매체가 흐르는 히트파이프가 구비되고,
    상기 축열조 및 실험용 지열저장조에 저장된 열매체는 물인 것을 특징으로 하는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 축열조와 상기 집광기 사이에 상기 축열조에서 열교환된 축열매체를 상기 집광기로 순환시키는 제1 펌프, 상기 축열조에 저장된 열매체가 순환되도록 상기 축열조로 열매체를 인입시키는 제2 펌프 및 상기 실험용 지열저장조에 저장된 열매체를 토출시키는 제3 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 열교환기는 판형 열교환기이고,
    상기 제3 열교환기는 라디에이터인 것을 특징으로 하는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치.
  7. 청구항 1, 4, 5, 6 중 어느 하나에 있어서,
    상기 히트펌프는 상기 압축기에서 압축된 냉매를 상기 방향전환밸브인 사방밸브를 통해 상기 제1 및 제2 열교환기 중의 하나로 공급하여 응축시키고 응축된 냉매를 팽창밸브를 통해 팽창시켜 상기 제1 및 제2 열교환기 중 나머지 하나로 공급하여 증발시키고 증발된 냉매를 상기 방향전환밸브를 거쳐 상기 압축기에서 압축시키고,
    상기 제1 열교환기가 응축기로 동작하는 경우 상기 실험용 지열저장조로 순환하는 열매체에 온열을 전달하고, 증발기로 동작하는 경우 상기 실험용 지열저장조로 순환하는 열매체로부터 열을 빼앗아 상기 열매체로 냉열을 전달하는 것을 특징으로 하는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 히트펌프는 상기 사방밸브의 방향 전환에 따라 응축된 냉매를 상기 팽창밸브로 전달하는 관로 상에 구비된 사이트글라스와 필터드라이어, 및 상기 사방밸브와 상기 압축기의 인입구 측 사이에 설치되되 증발된 냉매를 회수하여 냉매 중 증발되지 않은 액상의 냉매를 분리시키고 상기 압축기로 기체상 냉매를 제공하는 어큐멀레이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치.
  9. 청구항 1, 4, 5, 6 중 어느 하나에 있어서,
    상기 보조열원으로 인입되는 관로 상에 설치된 제1 삼방밸브, 상기 제3 열교환기로부터 배출되는 관로 상에 설치된 제2 삼방밸브, 상기 제1 열교환기의 인입 및 배출 관로 상에 설치된 제3 삼방밸브 및 제4 삼방밸브를 더 포함하되, 상기 제1 및 제3 삼방밸브 간 그리고 상기 제2 및 제4 삼방밸브 간 배관 연결되고,
    상기 제1 내지 제4 삼방밸브 제어에 따라, 상기 축열조의 열매체가 상기 보조열원을 거쳐 상기 제3 열교환기를 순환하거나 상기 실험용 지열저장조의 열매체가 상기 보조열원의 관로를 거쳐 상기 제3 열교환기를 순환하는 것을 특징으로 하는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어패널은 외부 컴퓨터와 유선 또는 무선 연결되고,
    상기 컴퓨터의 조작에 의해 상기 제1 내지 제4 삼방밸브가 제어되는 것을 특징으로 하는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치.
  11. 청구항 1, 4, 5, 6 중 어느 하나에 있어서,
    상기 제어패널은 실험실습장치 냉난방시스템을 도시하는 그래픽과, 다수의 온도제어모듈과, 상기 구성기기의 작동을 온/오프시키는 다수의 스위치모듈을 포함하되,
    상기 다수의 온도제어모듈은 상기 집광기에서 가열되어 토출되는 축열매체, 상기 축열조에 저장된 축열매체 및 상기 축열조로부터 상기 집광기로 순환되기 위해 토출되는 축열매체 중의 적어도 하나의 온도를 제어하는 축열매체 온도제어모듈과, 상기 제1 열교환기로 인입되는 냉매 및 상기 제1 열교환기로부터 토출되는 냉매 중의 적어도 어느 하나의 온도를 제어하는 냉매 온도제어모듈과, 열교환을 수행하기 위해 상기 제1 열교환기로 인입되는 열매체, 상기 제1 열교환기로부터 토출되는 열매체 및 상기 실험용 지열저장조에 저장된 열매체 중의 적어도 어느 하나, 그리고 상기 축열조에 저장된 열매체, 상기 축열조로부터 토출되는 열매체 및 상기 축열조로 인입되는 열매체 중의 어느 하나의 온도를 제어하는 열매체 온도제어모듈을 포함하고,
    상기 스위치모듈은 상기 광원의 전원을 제어하는 광원스위치, 상기 지열 히트펌프시스템의 작동을 제어하는 히트펌프 스위치, 상기 방향전환밸브의 방향전환을 제어하는 방향전환 스위치, 상기 보조열원의 작동을 제어하는 보조열원 스위치, 상기 축열조 및 실험용 지열저장조를 순환하는 축열매체 및 열매체 각각의 펌핑을 제어하는 펌프 스위치 및 상기 스위치들의 작동상태를 나타내는 작동램프들을 포함하는 것을 특징으로 하는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 제어패널은 외부 컴퓨터와 유선 또는 무선 연결되고,
    상기 컴퓨터의 조작에 의해 상기 스위치모듈 및 온도제어모듈이 제어되는 것을 특징으로 하는 대체에너지를 이용한 냉난방시스템 실험실습 장치.
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