KR101215102B1 - 하이브리드 냉난방 급탕 시스템 - Google Patents

하이브리드 냉난방 급탕 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 압축기(25)에서 송출되는 열매체가 난방시에는 사방변(26)에서 냉난방열교환기(22) 측으로 순환하고 냉방시에는 사방변(26)에서 축열교환기(23)측으로 순환되는 히트펌프(20) 상에서 열매체의 순환으로 냉난방과 급탕을 수행하는 시스템에 있어서: 온수탱크(16)와 열교환하도록 연결되는 온수열교환기(21)와, 냉난방유니트와 열교환하도록 연결되는 냉난방열교환기(22) 및 축열탱크(31)와 열교환하도록 연결되는 축열열교환기(23)의 일측을 연결하여 히트펌프(20)의 열매체가 순환되도록 공급관과 환수관으로 구성되는 순환수관(33); 상기 순환수관(33)과 연결되는 축열탱크(31)와, 상기 축열열교환기(23)와 열교환을 수행할 수 있도록 순환수관(33)과 연결되는 지중열교환기(32) 및 상기 축열탱크(31)와 온수탱크(16)의 열평형을 위해 축열탱크(31)의 급탕을 온수탱크(16)에 이송하도록 연결하는 보조관(36)을 구비하는 축열유니트(30); 상기 축열유니트(30)의 축열탱크(31)에 태양열을 전달하도록 집열판(41)과 축열탱크(31)를 연결하는 순환관(43)을 구비하는 태양열유니트(40); 및 상기 축열유니트(30)와 태양열유니트(40) 중 적어도 하나에 전원을 공급하도록 태양전지모듈(51)을 구비하는 태양광유니트(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 지열을 열원으로 냉난방과 급탕을 수행하면서 태양 에너지를 복합적으로 연계하여 에너지 효율을 향상하는 효과가 있다.

Description

하이브리드 냉난방 급탕 시스템{Hybrid heating and cooling system with hot water supply}
본 발명은 하이브리드 냉난방 급탕 시스템에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 지열을 열원으로 냉난방과 급탕을 수행하면서 태양 에너지를 복합적으로 연계하는 하이브리드 냉난방 급탕 시스템에 관한 것이다.
신재생에너지 중에서 태양열 분야는 기술개발이 상당히 진척돼 보급 위주의 정책이 시행되고 있는 반면, 풍력, 태양광, 바이오연료 등의 분야는 시장개화 내지 성장초기 단계로서 세계시장에서 선진국과 치열한 경쟁이 전개되고 있다. 근래에는 저탄소 녹색성장 정책에 부응하도록 에너지 효율과 경제성을 높이기 위해 신재생에너지인 태양광, 태양열, 지열, 풍력, 파력 등을 복합적으로 이용하려는 하이브리드 시스템에 대한 관심도 증대되고 있다.
일예로, 한국 등록특허공보 제0798347호의 "재생에너지를 이용한 주택의 복합형 냉난방 시스템"은 태양열을 이용하여 온수를 제공하는 시스템과, 지열을 이용한 지열히트펌프로 구성되는 지열냉난방시스템 또는 대기열을 이용한 대기열히트펌프로 구성되는 대기열 냉난방시스템으로 구성되며, 상기 지열냉난방시스템 또는 대기열 냉난방시스템 중 선택하여 태양광발전시스템과 연계하고 또 한전과 연계하여 구성되는 것으로서, 생산된 전기 또는 한전의 전기를 선택적으로 사용할 수 있게 하여 누진요금의 최대 요금을 줄여줌으로서 주택의 냉난방시스템에 경제성을 높이는 효과를 기대한다.
한국 등록특허공보 제0903765호의 "태양열과 수축열 히트펌프를 이용한 중앙 냉, 난방 공급시스템"은 히트펌프를 이용한 중앙 냉, 난방 시스템에 있어서, 제1 열교환기와 연결되어 냉방 에너지를 제공받아 저장하는 축냉탱크와; 압축기와 2 열교환기를 연결하는 관로 상에 마련되는 온수공급장치와; 상기 온수공급장치로부터 온수를 제공받아 수용하는 축열탱크와; 상기 축열탱크로부터 온수를 제공받고, 일측에는 난방 대상공간을 경유하는 난방관이 연결된 난방 축열탱크와; 제3 열교환기가 그 내부를 경유하며, 열매체를 내부공간 안에 수용하는 열매체 축열탱크와; 태양광을 수집하여 열에너지로 변환하는 집열판과; 및 상기 열매체 축열탱크와 집열판을 연결하는 열매체 순환관;을 포함하는 구성을 제안한다. 이에 따라, 계절에 상관없이 온수를 생산하고, 냉난방 성능을 보다 향상시킬 수 있으며, 보조열원 없이 저비용 고효율 시스템 구현이 가능한 효과를 기대한다.
상기한 선행특허에 의하면 하이브리드 냉난방 시스템의 구현으로 에너지 효율 향상을 어느 정도 기대할 수 있기는 하지만, 하이브리드 냉난방 시스템의 구현 방식에 있어서 에너지 효율의 제고를 위한 다양한 변화의 여지가 있다.
상기와 같은 신재생에너지 분야의 기술변화 추세에 부응하기 위한 본 발명의 목적은, 지열을 열원으로 냉난방과 급탕을 수행하면서 태양 에너지를 복합적으로 연계하여 에너지 효율을 향상하는 하이브리드 냉난방 급탕 시스템을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 압축기에서 송출되는 열매체가 난방시에는 사방변에서 냉난방열교환기 측으로 순환하고 냉방시에는 사방변에서 축열교환기측으로 순환되는 히트펌프 상에서 열매체의 순환으로 냉난방과 급탕을 수행하는 시스템에 있어서: 온수탱크와 열교환하도록 연결되는 온수열교환기와, 냉난방유니트와 열교환하도록 연결되는 냉난방열교환기 및 축열탱크와 열교환하도록 연결되는 축열열교환기의 일측을 연결하여 히트펌프의 열매체가 순환되도록 공급관과 환수관으로 구성되는 순환수관; 상기 순환수관과 연결되는 축열탱크와, 상기 축열열교환기와 열교환을 수행할 수 있도록 순환수관과 연결되는 지중열교환기 및 상기 축열탱크와 온수탱크의 열평형을 위해 축열탱크의 급탕을 온수탱크에 이송하도록 연결하는 보조관을 구비하는 축열유니트; 상기 축열유니트의 축열탱크에 태양열을 전달하도록 집열판과 축열탱크를 연결하는 순환관을 구비하는 태양열유니트; 및 상기 축열유니트와 태양열유니트 중 적어도 하나에 전원을 공급하도록 태양전지모듈을 구비하는 태양광유니트;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 축열유니트는 순환수관에서 병렬적으로 분기되는 상태로 연결되는 지중교환기를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 태양열유니트는 집열판의 적정온도를 유지하기 위해 정유량밸브를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명에 따르면 상기 태양광유니트는 인버터와 배선을 통하여 태양열유니트의 열매체순환펌프에 전원을 공급하는 것을 특징으로 한다.
이상과 같이 본 발명의 하이브리드 냉난방 급탕 시스템에 의하면, 지열을 열원으로 냉난방과 급탕을 수행하면서 태양 에너지를 복합적으로 연계하여 에너지 효율을 향상하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 시스템의 요부 연결 상태를 나타내는 블록도
이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 다수의 열교환기(21)(22)(23)를 지니는 히트펌프(20) 상에서 열매체의 순환으로 냉난방과 급탕을 수행하는 시스템에 관련된다. 히트펌프(20)는 온수열교환기(21), 냉난방열교환기(22), 축열열교환기(23), 압축기(25), 사방변(26), 팽창변(27)으로 열매체 순환경로를 구성한다. 온수열교환기(21)는 온수탱크(16)와 열교환하도록 연결되고, 냉난방열교환기(22)는 공급헤더(12)와 환수헤더(14)로 이루어지는 냉난방유니트(10)와 열교환하도록 연결된다. 온수탱크(16)는 상측의 급탕출구와 하측의 배수구를 지닌다.
본 발명에 따르면 축열유니트(30)가 상기 열교환기(21)(22)(23)의 일측과 순환수관(33)으로 연결되는 축열탱크(31)를 구비한다. 축열유니트(30)는 축열열교환기(23)와 열교환하도록 연결되는 축열탱크(31)를 구비한다. 난방시 압축기(25)에서 송출되는 열매체가 사방변(26)에서 냉난방열교환기(22) 측으로 순환을 개시하고, 냉방시 압축기(25)의 열매체가 사방변(26)에서 축열열교환기(23) 측으로 순환을 개시한다. 축열열교환기(23)과 축열탱크(31)는 공급관과 환수관으로 구성되는 순환수관(33)으로 연결되고, 순환수관(33) 상에 급탕대류펌프(35)와 팽창탱크(38)가 설치된다. 축열탱크(31)는 상측에 급탕출구와 릴리프밸브를 구비하고, 하측에 보급수구와 배수구를 지닌다.
이때, 본 발명의 상기 축열유니트(30)는 순환수관(33)에서 병렬적으로 분기되는 상태로 연결되는 지중열교환기(32)를 구비한다. 지중열교환기(32)는 순환수관(33)의 공급관과 환수관에 각각 연결되어 축열열교환기(23)와 함께 병렬회로를 구성한다. 이에 따라 축열열교환기(23)는 지중열교환기(32)와 열교환을 수행하는 지열열교환기의 역할도 담당한다.
한편, 축열탱크(31)와 온수탱크(16)는 보조관(36)을 이용하여 연결하여, 축열탱크(31)의 급탕을 온수탱크(16)에 보내도록 한다. 이에 따라, 전체 시스템의 열적 밸런스를 유지하는데 유리하다. 축열탱크(31)의 적정 온도는 40℃ 내외로 유지되도록 한다.
또, 본 발명에 따르면 태양열유니트(40)가 상기 축열유니트(30)에 태양열을 전달하도록 집열판(41)과 열매체순환펌프(45)를 구비한다. 집열판(41)은 설계용량에 맞도록 복수로 구성하며, 축열탱크(31)와 열교환하도록 순환관(43)을 이용하여 연결된다. 상기 순환관(43) 상에서 축열탱크(31)에 인접한 부분에 열매체순환펌프(45)와 함께 팽창탱크(48)를 설치한다.
이때, 본 발명의 상기 태양열유니트(40)는 집열판(41)의 적정온도를 유지하기 위해 정유량밸브(42)를 구비한다. 상기 순환관(43) 상에서 집열판(41)에 인접한 부분에 설치되는 정유량밸브(42)는 축열탱크(31)의 부하변동이 심한 경우에도 안정적인 유량을 유지하여 집열판(41)의 과열을 방지한다.
또, 본 발명에 따르면 태양광유니트(50)가 상기 축열유니트(30)와 태양열유니트(40) 중 적어도 하나에 전원을 공급하도록 태양전지모듈(51)을 구비한다. 태양전지모듈(51)은 설계용량에 맞도록 복수로 구성하며, 생산된 전기를 이용하여 축열유니트(30) 그리고/또는 태양열유니트(40)의 전원을 제공한다.
이때, 본 발명의 상기 태양광유니트(50)는 인버터(53)와 배선(55)을 통하여 태양열유니트(40)의 열매체순환펌프(45)에 전원을 공급한다. 인버터(53)는 생산된 직류전기를 교류로 변환한다. 배선(55)은 인버터(53)와 열매체순환펌프(45) 사이에 연결된다. 태양광유니트(50)는 일차적으로 태양열유니트(40)의 열매체순환펌프(45)에 전원을 제공하며, 잉여전기가 있는 경우 급탕대류펌프(35′)와 열매체순환펌프(45′)에 공급될 수도 있다. 급탕대류펌프(35′)는 냉난방유니트(10)와 난방열교환기(22) 사이에 위치하고, 열매체순환펌프(45′)는 온수탱크(16)와 온수열교환기(21) 사이에 위치한다.
이와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 지열 히트펌프의 열원조건을 다양화하여 히트펌프 가동시 최적의 열원을 활용할 수 있으므로 전체 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
10: 냉난방유니트 16: 온수탱크
20: 히트펌프 21~23: 열교환기
25: 압축기 30: 축열유니트
31: 축열탱크 32: 지중열교환기
33: 순환수관 35: 급탕대류펌프
36: 보조관 38, 48: 팽창탱크
40: 태양열유니트 41: 집열판
42: 정유량밸브 45: 열매체순환펌프
50: 태양광유니트 51: 태양전지모듈
53: 인버터 55: 배선

Claims (4)

  1. 압축기(25)에서 송출되는 열매체가 난방시에는 사방변(26)에서 냉난방열교환기(22) 측으로 순환하고 냉방시에는 사방변(26)에서 축열교환기(23)측으로 순환되는 히트펌프(20) 상에서 열매체의 순환으로 냉난방과 급탕을 수행하는 시스템에 있어서:
    온수탱크(16)와 열교환하도록 연결되는 온수열교환기(21)와, 냉난방유니트와 열교환하도록 연결되는 냉난방열교환기(22) 및 축열탱크(31)와 열교환하도록 연결되는 축열열교환기(23)의 일측을 연결하여 히트펌프(20)의 열매체가 순환되도록 공급관과 환수관으로 구성되는 순환수관(33);
    상기 순환수관(33)과 연결되는 축열탱크(31)와, 상기 축열열교환기(23)와 열교환을 수행할 수 있도록 순환수관(33)과 연결되는 지중열교환기(32) 및 상기 축열탱크(31)와 온수탱크(16)의 열평형을 위해 축열탱크(31)의 급탕을 온수탱크(16)에 이송하도록 연결하는 보조관(36)을 구비하는 축열유니트(30);
    상기 축열유니트(30)의 축열탱크(31)에 태양열을 전달하도록 집열판(41)과 축열탱크(31)를 연결하는 순환관(43)을 구비하는 태양열유니트(40); 및
    상기 축열유니트(30)와 태양열유니트(40) 중 적어도 하나에 전원을 공급하도록 태양전지모듈(51)을 구비하는 태양광유니트(50);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 급탕 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 태양열유니트(40)는 집열판(41)의 적정온도를 유지하기 위해 정유량밸브(42)를 구비하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 급탕 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 태양광유니트(50)는 인버터(53)와 배선(55)을 통하여 태양열유니트(40)의 열매체순환펌프(45)에 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 냉난방 급탕 시스템.
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