KR101923976B1 - 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양열과 공기열을 모두 사용가능한 복합집열기에 있어서, 공기가 유입되는 유입구가 집열된 태양열을 이용하는 경우 자체 무게에 의해 닫혀진 상태를 유지함으로써, 공기 순환을 차단하여 열손실을 방지하도록 하고, 공기열을 획득하고자 유출구의 이송팬이 구동되면 가동압력에 의해 중력식 댐퍼가 자동으로 들리며 자동개방되는 구조를 가짐으로써, 댐퍼의 개/폐를 위한 별도의 제어수단이나 동력원이 불필요해지는 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템에 관한 것이다.

Description

히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템{hybrid system using the same of air circulation preventing structure by using complex use of air heat and solar thermal}

본 발명은 태양열과 공기열을 모두 이용하면서, 집열된 태양열에너지를 사용시에는 유입구의 댐퍼가 자체 무게에 의해 자동으로 밀폐되어, 집열기의 열성능 저하를 방지하고, 공기열 에너지를 획득하는 경우에는 유출구 측의 이송팬의 구동에 의해 댐퍼가 들리며 자동으로 오픈되어, 댐퍼의 구동을 위한 동력원이나 별도의 제어수단이 불필요한 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 주택과 같은 주거 공간 또는 사무실이나 공장과 같은 공간에서는 여름철의 냉방과 겨울철의 난방이 주된 생활환경의 요인으로 떠오르고 있으며, 최근에는 기후변화의 휘험을 줄이기 위해 각국에서는 신재생에너지의 사용을 확대하고 있는 실정이다.

신재생에너지는 태양에너지, 지열에너지, 해양에너지, 바이오에너지, 풍력에너지 등 다양한 분야의 에너지를 일컫는다. 이중에는 태양에너지, 지열에너지는 신재생에너지 분야에서도 많이 활용되고 있는 유망 에너지 분야이다. 하지만 이들 에너지는 에너지 밀도가 낮고 열원과 부하의 불일치로 인해 그 이용에 있어 많은 제약이 있다.

이러한 제약을 줄이기 위해서 신재생에너지 설비는 통상 화석연료와 연계하여 사용되고 있는게 현실적인 방법이었다. 하지만 최근들어 신재생에너지 기술이 보다 발전함에 따라 다양한 신재생에너지를 융복합 활용하여 보다 에너지 효율을 높이는 기술이 개발되고 있는 실정이며, 본 발명 또한 태양열, 공기열 에너지를 융복합 활용하는 기술에 관한 것이다.

통상 우리나라의 동절기는 기온이 낮고 부하량이 크기 때문에 태양열 등의 단일 신재생 에너지원만으로는 부하를 감당할 수 없는 문제점이 있다. 공기열을 활용하는 히트펌프 시스템의 경우는 동계 외기온도가 영하로 내려가면서 시스템의 효율이 급격히 저하되는 문제점이 발생한다.

또한 집열기 측면에서 보자면 하절기에는 집열측 과열로 인해 전체 시스템의 내구성을 떨어뜨리는 문제점이 있다.

일반적으로 태양열 집열기는 옥외에 설치하여 태양열 에너지를 열매체를 이용하여 저장가능한 열에너지로 축척하기 위해 사용하는데, 단일 목적(열에너지 획득)의 제품으로 태양빛 에너지를 열에너지로 변환하여 이를 난방, 급탕, 냉방의 열에너지로 활용하는 기술이다. 때문에 태양에너지가 부족한 환경에서는 에너지를 획득할 수 없는 단점이 있다

또한, 일반적인 태양열 집열기는 집열을 위해 대면적의 열전달이 높은 흡수판을 보유하고 있으나, 이 흡수판을 전적으로 태양열 에너지의 흡수용으로만 활용할 수 있어 일사량이 없는 밤시간이나, 흐린 날씨에는 그 활용이 제한되는 문제점이 있다.

더불어, 이러한 기존의 복합집열기의 경우, 공기의 유입 및 유출을 위한 개구부가 항시 개두되어 있음에 따라, 집열기 자체의 열성능을 저하시키는 단점이 있었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1084569호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 공기열과 태양열 모두 이용가능한 복합집열기에 있어서, 공기의 유입 및 유출을 위한 유입구와 유출구가 항시 개구되어 있음으로 인하여, 집열기의 열성능이 저하되는 것을 방지하기 위하여,

사선 형태로 기울어져 케이스를 설치하고, 공기가 유입되는 공기 유입구에는 중력식 댐퍼를 설치하여, 공기의 유출구에 설치된 이송팬의 구동이 정지된 상태(집열된 태양열 에너지를 사용하는 경우)에서는 항시 닫혀있도록 하여 공기 순환 차단으로 인해 집열기의 열손실을 차단할 수있도록 하고,

별도의 제어장치나 동력없이도, 평상시에는 중력식 댐퍼 자체 무게로 인하여 공기의 유입을 차단하는 구조를 가지되, 공기열 에너지를 획득하기 위해 이송팬이 구동되는 시점에서는 이송팬의 가동압력으로 댐퍼의 날개가 들려 자연스럽게 개방되는 구조를 가지도록 한 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 태양열 및 공기열 복합집열기(50)의 공기순환 방지구조에 있어서, 내부가 비어있으며, 사선설정각도를 가지고 일측을 향해 사선형태로 기울어진 케이스(10); 상기 케이스(10)의 일면 최상단에 설치되어, 태양열이 하우징 내부로 투과되도록 하는 투과체(14); 상기 투과체(14)의 저면에 사전설정간격 이격되며 수평배치되어, 태양에너지가 집열되는 집열판(15); 상기 케이스(10)의 내부 저면에 장착되는 단열재(16); 상기 집열판(15)의 하부에서 설치되되, 케이스(10)의 길이방향으로 지그재그 형태로 설치되며, 집열판(15)으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 튜브(17)와, 상기 튜브(17)와 직교되는 방향을 향해 다수개가 직립설치되어, 다수의 튜브(17)가 연속관통되는 적층된 판형핀(18)으로 이루어져, 집열판(15)과 단열재(16) 사이에서, 적층된 판형핀(18)과 판형핀(18) 사이로 공기가 이송되는 공기 유로(11)가 형성되는 핀튜브 열교환기(19); 상기 케이스(10)의 저면 일측에, 상기 공기 유로(11)와 연통되도록 형성된 유입구(12)에 설치되어, 공기의 유입출을 제어하되, 케이스(10)의 사선형태 설치로 인하여, 최초작동시 중력에 의해 닫힌 상태를 유지하는 중력식 댐퍼(20); 상기 케이스(10)의 저면 타측에, 상기 공기 유로(11)와 연통되도록 형성된 유출구(13)에 설치되어, 태양에너지를 이용할시 구동되어 공기 유로(11)내 공기를 배출함에 따라 댐퍼(20)가 개방되도록 하여, 케이스(10)의 내부로 외부의 공기가 유입되어, 열교환을 통해 공기열 에너지를 획득하거나 집열판(15)의 냉각용으로 내부 공기를 방열하도록 하고, 상기 집열판(15) 및 핀튜브 열교환기(19)의 축열된 태양에너지를 사용할시에는 가동이 중단되어, 상기 중력식 댐퍼(20)가 닫힌상태를 유지되도록 하여, 복합집열기(50) 내의 공기순환이 차단되어 열손실이 방지되도록 하는 이송팬(21); 으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 집열된 태양열을 이용하는 경우에는 공기의 유입구가 자동으로 차단되어 열손실을 방지함으로써, 높은 열성능을 가지는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 중력식 댐퍼의 개폐를 위한 별도의 동력원 및 제어요소를 구비하지 않아도 되므로, 제조시 제품 제작단가를 낮추고, 고장 요소를 줄일 수 있는 효과가 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 복합집열기 작동을 나타낸 일실시예의 작동도.
도 3은 본 발명의 복합집열기 구성을 나타낸 일실시예의 분해 사시도.
도 4는 본 발명의 집열판과 튜브의 연결구조를 나타낸 일실시에의 구성도.
도 5는 본 발명의 집열기와 종래의 집열기의 집열효율을 비교한 그래프.
도 6은 본 발명의 태양열 직접 축열모드를 나타낸 계통도.
도 7은 본 발명의 태양열 하이브리드 모드를 나타낸 계통도.
도 8은 본 발명의 공기열 하이브리드 모드를 나타낸 계통도.
도 9는 본 발명의 방열모드를 나타낸 계통도.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 히트펌프 시스템의 일실시예를 살펴보면,

태양열 및 공기열 복합집열기(50)의 공기순환 방지구조에 있어서, 내부가 비어있으며, 사선설정각도를 가지고 일측을 향해 사선형태로 기울어진 케이스(10); 상기 케이스(10)의 일면 최상단에 설치되어, 태양열이 케이스(10) 내부로 투과되도록 하는 투과체(14); 상기 투과체(14)의 저면에 사전설정간격 이격되며 수평배치되어, 태양에너지가 집열되는 집열판(15); 상기 케이스(10)의 내부 저면에 장착되는 단열재(16); 상기 집열판(15)의 하부에서 설치되되, 케이스(10)의 길이방향으로 지그재그 형태로 설치되며, 집열판(15)으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 튜브(17)와, 상기 튜브(17)와 직교되는 방향을 향해 다수개가 직립설치되어, 다수의 튜브(17)가 연속관통되는 적층된 판형핀(18)으로 이루어져, 집열판(15)과 단열재(16) 사이에서, 적층된 판형핀(18)과 판형핀(18) 사이로 공기가 이송되는 공기 유로(11)가 형성되는 핀튜브 열교환기(19); 상기 케이스(10)의 저면 일측에, 상기 공기 유로(11)와 연통되도록 형성된 유입구(12)에 설치되어, 공기의 유입출을 제어하되, 케이스(10)의 사선형태 설치로 인하여, 최초작동시 중력에 의해 닫힌 상태를 유지하는 중력식 댐퍼(20); 상기 케이스(10)의 저면 타측에, 상기 공기 유로(11)와 연통되도록 형성된 유출구(13)에 설치되어, 태양에너지를 이용할시 구동되어 공기 유로(11)내 공기를 배출함에 따라 댐퍼(20)가 개방되도록 하여, 케이스(10)의 내부로 외부의 공기가 유입되어, 열교환을 통해 공기열 에너지를 획득하거나 집열판(15)의 냉각용으로 내부 공기를 방열하도록 하고, 상기 집열판(15) 및 핀튜브 열교환기(19)의 축열된 태양에너지를 사용할시에는 가동이 중단되어, 상기 중력식 댐퍼(20)가 닫힌상태를 유지되도록 하여, 복합집열기(50) 내의 공기순환이 차단되어 열손실이 방지되도록 하는 이송팬(21); 으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 튜브(17)는 상기 집열판(15)의 저면에 밀착되어 적층된 판형핀(18)에 관통설치되거나, 상기 집열판(15)의 저면에 밀착되지 않도록 이격되어, 적층된 판형핀(18)에 관통설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 냉매가 순환되며 복합집열기(50)와 별개의 시스템으로 작동되되, 증발기(64)에 의해서 상호간 간접열교환을 통해 복합집열기(50)와 연계되어 작동되도록 형성된 히트펌프(60)와; 상기 복합집열기(50) 또는 히트펌프(60)와 연계되어 축열되는 축열조(70); 를 더 구비하여 복합 시스템(100)을 이루고, 상기 복합 시스템(100)은 다수개의 운전모드를 포함하되; 상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 태양열 직접 축열운전모드는 상기 히트펌프(60)의 작동은 OFF되며, 상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 작동유체는 상기 축열조(70)의 내부를 축열시키고, 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 태양열 하이브리드 운전모드는 상기 히트펌프(60)를 작동되며, 히트펌프(60)의 증발기(64)의 선단부에 상변화물질이 충진된 잠열챔버(80)가 부가되고, 상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 작동유체는 상기 잠열챔버(80)를 간접열교환으로 통과되며, 상기 증발기(64)의 증발열원으로 사용되며, 다시 복합집열기(50)로 순환되며, 상기 히트펌프(60)의 응축기(62)는 축열조(70)에 연결되어 축열되도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 공기열 하이브리드 운전모드는 상기 히트펌프(60)를 작동되며, 히트펌프(60)의 증발기(64)의 선단부에 상변화물질이 충진된 잠열챔버(80)가 부가되고, 상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(21)의 작동에 의한 공기열로부터 집열된 작동유체는 상기 잠열챔버(80)를 간접열교환으로 통과되며, 상기 증발기(64)의 증발열원으로 사용되며, 다시 복합집열기(50)로 순환되며, 상기 히트펌프(60)의 응축기(62)는 축열조(70)에 연결되어 축열되도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 방열운전모드는 상기 히트펌프(60)의 작동은 OFF되며, 상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(21)의 작동에 의하여 복합집열기(50) 내부의 과열공기는 공기 유로(11)를 통하여, 외부공기가 유입되어 방열되며, 태양열로부터 집열된 작동유체는 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 것을 특징으로 한다.

이하, 도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템에서, 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 우선적으로 설명하면, 케이스(10), 투과체(14), 집열판(15), 단열재(16), 핀튜브 열교환기(19), 중력식 댐퍼(20), 이송팬(21)을 포함하며, 상기 집열기의 케이스(10)는 직접 건물 등에 부착되거나 받침대 같은 시설물에 의해 건물에 설치되고, 그렇게 설치된 집열기(50)는 태양에너지의 열을 흡수하여 열원을 필요한 곳에 전달함으로써, 난방, 온수 등에 사용되며, 그렇게 사용된 열원은 다시 집열기(50)에 리턴되어 태양에너지의 열에 의해 가열되는 방식으로 순환된다.

상기 케이스(10)는 내부가 비어있는 중공형태이며, 직사각형의 박스 형태를 가지며, 양측 중 일측에 상부로 들려, 사전설정각도로 가지고 일측을 향해 사선형태로 기울어진 구조를 가진다.

이러한 케이스(10)는 하단에 위치된 일측 저면에 공기가 내부로 유입될 수 있는 유입구(12)가 형성되어 있고, 상부로 들린 타측 저면에는 공기가 외부로 배출될 수 있도록 하는 유출구(13)가 형성되어 있도록 한다.

더불어, 상기 유입구(12) 측에는 외부의 오염된 공기를 필터링하기 위해 필터(미도시)가 더 설치되고, 상기 필터는 유입구(12) 측에서 교체가 용이한 구조로 케이스(10)가 이루어져 있을 수 있음이다.

상기 투과체(14)는 유리판으로써, 전술된 케이스(10)의 최상면에 대응설치되어, 케이스(10)의 내부로 태양열이 투과될 수 있도록 하는 것이다. 또한, 외부에서 빗물, 이물질 등이 케이스(10) 내에 유입되지 않도록 하는 기능을 하지며, 상기 케이스(10)와 밀봉되어 연결된다.

상기 집열판(15)은 케이스(10)의 내부에서 투과체(14)의 저면에 소정간격 이격되어, 상기 투과체(14)와 상호간 수평을 이루는 구조로 설치된다.

이러한 집열판(15)은 투과체(14)를 투과한 태양에너지의 태양열을 집열하는 역할을 한다. 상기 단열재(16)는 케이스(10)의 내부 저면에 장착되어 있는 단열을 위한 구조로, 핀튜브 열교환기(19) 및 집열판(15)을 받쳐주는 역할을 겸한다.

상기 핀튜브 열교환기(19)는 전술된 케이스(10) 내 집열판(15)의 하부에 설치되는 것으로서, 튜브(17)와 적층된 판형핀(18)으로 이루어진다.

즉, 상기 튜브(17)는 케이스(10)의 길이방향을 향해 좌, 우 지그재그 형태로 설치되며, 집열판(15)으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 역할을 한다.

상기 적층된 판형핀(18)은 튜브(17)와 직교되는 방향을 향해 다수개가 소정간격으로 이격되며 직립설치되어, 좌, 우로 지그재그 설치되는 다수의 튜브(17)가 다수의 이러한 적층된 판형핀(18)을 연속관통하며 상호간 일체를 이루는 것이며,

이로서, 집열판(15)과 단열재(16) 사이에서, 적층된 판형핀(18)과 판형핀(18) 사이로 공기가 이송되는 공기 유로(11)가 형성되며 핀튜브 열교환기(19)가 이루어지는 것으로, 상기 공기 유로(11)는 케이스(10)의 유입구(12) 및 유출구(13)와 연통된다.

더불어, 상기 튜브(17)의 경우, 본 발명에서는 사용자의 실시예에 따라, 상기 집열판(15)의 저면에 밀착되어 적층된 판형핀(18)에 관통설치되는 제 1실시예와, 상기 집열판(15)의 저면에 밀착되지 않도록 이격되어, 적층된 판형핀(18)에 관통설치되는 제 2실시예 중 하나를 사용되도록 하여, 튜브(17)가 집열판(15)와의 밀착여부에 따라 집열효과의 차이가 발생될 수 있도록 한다.

상기 중력식 댐퍼(20)는 전술된 케이스(10)의 저면에 있는 유입구(12)에 설치되는 것으로서, 상기 공기 유로(11)와 연통되도록 형성된 유입구(12)에 설치되어, 공기의 유입출을 제어하되, 케이스(10)의 사선형태 설치로 인하여, 최초작동시 중력에 의해 닫힌 상태를 유지하는 구조를 가진다.

상기 이송팬(21)은 전술된 케이스(10)의 저면 타측에 있는 유출구(13)에 설치되어, 상기 공기 유로(11)와 연통되는 것으로서, 집열된 태양에너지를 이용할시 구동되어, 공기 유로(11)내 공기를 배출함에 따라, 이러한 이송팬(21)의 구동으로 인한 가동압력으로, 닫혀있던 중력식 댐퍼(20)가 자동으로 들리면서 개방되도록 하여, 케이스(10)의 내부로 외부의 공기가 유입되어, 열교환을 통해 공기열 에너지를 획득(이송팬(21)의 동작 및 중력식 댐퍼(20)의 개방에 의해 외부의 공기가 집열판(15)으로 접촉할 수 있게 되어 공기열에너지를 획득할 수 있다. 이렇게 획득된 공기열에너지는 외부의 히트펌프 열원으로 이용하여 온수를 생산할 수 있다. 물론, 상기 이송팬(21)의 작동에 의해 외부의 공기를 케이스(10) 내에 유입시키는 동시에, 케이스(10) 내에 열교환된 고온 공기를 열원이 필요한 곳이 이송시킬 수도 있는 것으로, 이때, 상기 이송팬(21)은 유입구(12) 또는 유출구(13)에 직접 연결되거나 덕트 등의 연결부재(미도시)에 의해 연결되어 공기를 이송시킨다.)하거나 집열판(15)의 냉각용으로 내부 공기를 방열하도록 하거나,

상기 집열판(15) 및 핀튜브 열교환기(19)의 축열된 태양에너지를 사용할시에는, 이러한 이송팬(21)의 가동이 중단되도록 하여, 상기 중력식 댐퍼(20)가 자체 무게로 인하여 닫힌상태를 유지되도록 하여, 복합집열기(50) 내의 공기순환이 차단되어 열손실이 방지되도록 한다.

즉, 상기 공기 유로(11)에서는 일사가 없는 조건에서 집열판(15)에 공기 유로(11)의 공기가 상호 열교환되어 외부 공기의 에너지를 획득한다. 집열판(15)에서 획득된 열에너지는 집열판(15)에 부착된 핀튜브 열교한기와 열전달이 이루어지며 이를 통해 외부로 열전달된다, 또한, 상기 공기열 에너지를 중력식 댐퍼(20)가 개방되어 이송팬(21)에 의해 야간시에 열원으로 사용하거나 집열기(50)가 과열시, 냉각용으로 방열시키는 역할을 할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기의 복합집열기(50)의 경우, 4가지 운전모드를 포함하는 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템에 연계되어 작동되는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명은 태양열과, 공기열 에너지를 열원으로 활용하여 히트펌프 시스템과 연계하여(히트펌프(60)는 냉매가 순환되며 복합집열기(50)와 별개의 시스템으로 작동되되, 증발기(64)에 의해서 상호간 간접열교환을 통해 복합집열기(50)와 연계되어 작동되도록 형성) 패키지화한 시스템으로 난방, 급탕 등의 에너지 부하에 효과적으로 대응할 수 있는 냉난방 하이브리드 복합 시스템이다.

특히, 히트펌프 시스템의 증발부 열원으로 이용되는 태양열 및 공기열 에너지의 도입을 위해서 사용되는 집열기는 복합집열기의 단일구성으로 태양열원 에너지 및 공기열원 에너지를 동시에 혹은 선택적으로 획득할 수 있어 기존 시스템과는 차별화된 히트펌프 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 운전 동작 모드에 따라 선택적으로 태양열 및 공기열을 획득함으로써 에너지 획득량이 많으며 집열기의 에너지 획득 효율을 대폭 확대할 수 있다.

시스템의 설치 부분에 있어서도 복합집열기를 활용함으로써 설치면적을 줄일 수 있는 특징이 있으며 설치 또한 간편하다.

본 발명은 태양열 및 공기열원의 회수를 위해 히트펌프 시스템을 사용하며 히트펌프 시스템은 통상의 히트펌프 시스템과 마찬가지로 압축기, 응축기, 팽창기, 증발기 등으로 구성된다.

또한, 본 발명의 특징적인 구성중에는 히트펌프의 증발부에 있다. 동계에는 외기 온도가 많이 저하하기 때문에 증발부에서 필요로하는 에너지를 획득하기가 어려워진다.

하지만 본 발명은 태양열을 활용할 수 있어서, 동계의 낮은 외기온으로부터의 에너지 획득의 문제점을 어느 정도 해소하는 것을 특징으로 하는 것이다.

또한, 공기열 획득에 있어서도 증발부의 온도가 급격히 저하되는 것을 막기 위해 증발기 내부에는 잠열을 활용할 수 있도록 내부에는 PCM(상변화 물질)재료를 적용하고, 또한, 3중 열교환 방식의 증발부 구조를 택함으로써 히트펌프 시스템을 안정적으로 운전할 수 있다.

본 시스템의 동작은 축열 모드에 따라 크게 4가지 모드로 구성되며 크게 태양열 직접 축열모드, 태양열 하이브리드 운전모드, 공기열 하이브리드 운전모드, 방열운전모드로 외기조건에 따라서, 각각 동작함을 특징으로 한다.

도 6은 본 발명의 태양열 직접 축열모드를 나타낸 계통도이며, 이는 본 발명의 첫번째 운전모드의 실시예로서,

상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 태양열 직접 축열운전모드는

일사량이 충분할 경우에는 태양열 에너지를 직접 축열하도록 운전제어가 되며, 이는 상기 히트펌프(60)의 작동은 OFF되며,

상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 공급액(작동유체, 이하 기재되는 공급액에 모두 동일하게 적용)은 튜브(17)를 통해 상기 축열조(70)의 내부를 축열시키고, 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 것이다.

또한, 부하량이 클 경우에는 하이브리드 모드로 운전하여 태양열 및 공기열 에너지를 열원으로 하여 히트펌프 시스템과 연계하여 에너지를 생산하도록 이루어지 지며, 이는 도 7 및 도 8에 나타난 바와 같다.

도 7은 본 발명의 태양열 하이브리드 모드를 나타낸 계통이며, 이는 본 발명의 두번째 운전모드의 실시예로서,

상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 태양열 하이브리드 운전모드는

상기 히트펌프(60)를 작동되며, 히트펌프(60)의 증발기(64)의 선단부에 상변화물질이 충진된 잠열챔버(80)가 부가되는 것을 특징으로 한다.

동계에는 외기 온도가 많이 저하하기 때문에 히트펌프(64)의 증발기(64)의 증발부에서 필요로 하는 에너지를 획득하기가 어려워진다.

본 발명의 태양열 하이브리드 운전모드는 태양열을 활용할 수 있어서 동계의 낮은 외기온으로부터의 에너지 획득의 문제점을 해소할 수 있으며, 또한,

잠열챔버(80)와 증발기(64)를 직렬로 연결구성시키는 것이다.

이는 잠열 챔버(80) 내부에는 집열 열교환을 위한 열매체(부동액), 에너지 저장을 위한 PCM (상변화물질)팩으로 구성되며, 증발부의 온도 변화를 줄이기 위해 PCM 물질을 적용하며 PCM 재료로 선택적으로 물을 사용할 수 있는 것이다.

PCM 패키지에 있어서도 PCM 물질의 누유를 방지하기 위해 액체상태의 물을 갤상으로 유지하기 위해 SAP( 고흡수성 물질)를 첨가한 형태로 패키징을 실시하는 것이다.

상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 튜브(17)를 통해 상기 잠열챔버(80)을 간접열교환으로 통과되며, 상기 증발기(64)의 증발열원으로 사용되며, 이로 인하여 잠열 챔버(80) 후단에 증발기(64)가 설치되어 잠열챔버(80)에서 축열(축냉)된 에너지를 활용하여 냉매의 증발기(64)열원으로 활용할 수 있는 것이다.

도 8은 본 발명의 공기열 하이브리드 모드를 나타낸 계통도이며, 이는 일사량이 부족한 경우의 본 발명의 세번째 운전모드의 실시예로서,

상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 공기열 하이브리드 운전모드는

상기 히트펌프(60)를 작동되며, 히트펌프(60)의 증발기(64)의 선단부에 상변화물질이 충진된 잠열챔버(80)가 부가되는 것을 특징으로 하는 것이다.

복합집열기(50)에서 얻어진 열에너지를 히트펌프 증발기(64)의 열원으로 사용함에 있어서 (특히 공기열 에너지의 활용의 경우), 겨울철에는 외기의 온도가 많이 저하되므로 증발기(64) 또한 영하로 떨어지게 된다.

이럴 경우 히트펌프 시스템(100)의 효율이 저하되고 기기에 무리가 따르게 된다. 이러한 문제를 해소하기 위해 본 발명의 잠열챔버(80)는 PCM(상변화 물질) 을 사용하여 PCM 물질의 잠열을 활용하여 증발부에 에너지를 공급함으로써 증발기(64)의 온도변화를 대폭 줄일 수 있어 히트펌프 시스템의 효율 향상과 기기의 내구성을 높일 수 있도록 제공되는 것이다.

이러한 원리로 동작하는 잠열챔버(80)의 구조는 상기 잠열챔버(80)는 TANK IN COIL 형태의 열교환기 구조이며, 코일내부는 상기 복합집열기(50)의 액체 매체 순환하며, 탱크 내부는 PCM(상변화 물질)로서, 충진되며, 복합집열기(50)의 순환매체액과의 열전달을 제공하여, PCM 물질의 잠열을 활용하여 증발부에 에너지를 공급함으로써 증발기(64)의 온도변화를 대폭 줄일 수 있어 히트펌프 시스템의 효율 향상과 기기의 내구성을 높일 수 있도록; 이루어진 것이다.

또한, 복합집열기(50)로부터 이송팬(21)의 작동에 의하여 튜브(17) 내 공급액이 공기열 획득에 있어서도 잠열챔버(80)의 온도가 급격히 저하되는 것을 막기 위해 잠열챔버(80)의 내부에는 잠열을 활용할 수 있도록 내부에는 PCM(상변화 물질)을 재료와 함께 3중 열교환 방식의 증발부 구조를 택함으로써, 잠열챔버(80)의 후단에 설치된 증발기(64)를 포함하는 복합 시스템(100)을 안정적으로 운전하도록 이루어진다.

이를 위하여, 상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(21)의 작동에 의한 공기열로부터 집열된 공급액은 튜브(17)를 통해 상기 잠열챔버(80)을 간접열교환으로 통과되며, 상기 증발기(64)의 증발열원으로 사용되며, 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 것이다.

도 9는 본 발명의 방열모드를 나타낸 계통도이며, 이는 하절기 일사량이 높을 경우에 집열기 내부의 FAN 가동을 통해 집열 시스템의 과열을 방지하기 위한 본 발명의 네번째 운전모드의 실시예로서,

상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 방열운전모드는

상기 히트펌프(60)의 작동은 OFF되며,

상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(21)의 작동에 의하여 복합집열기(50)내부의 과열공기는 공기 유로(11)를 통하여, 외부공기가 유입되어 방열되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 튜브(17)를 통해 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 것이다.

상기 히트펌프(60) 내부에는 압축기(61), 응축기(62), 팽창밸브(64), 증발기 (64)등의 기능 부품이 내장되며, 부하측 에너지 활용을 위해서 응축부에는 판형 열교환기가 설치되며 일측에 축열조(70)가 설치되어 에너지가 충분한 시간에 시스템 가동을 통해 에너지를 저장하는 복합 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기의 다수개의 운전모드를 선택하여, 에너지를 생산함에 있어 히트펌프(60)의 일측에 수축열 방식을 적용하기 위해 독립된 버퍼 축열조(70)를 둠으로써 열원과 부하의 불일치 문제를 해소함을 특징으로 한다.

버퍼 탱크의 구조는 상부에는 태양열 직접 열교환을 할 수 있는 열교환기가 구성되며 하단부에는 히트펌프와 연결되어지는 배관 접속부가 1조 구성되며, 축열된 에너지를 활용하기 위한 접속부가 1조 구성되는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명은 태양열 에너지와 공기열 에너지를 동시에 또는 선택적으로 획득 할 수 있는 복합집열기(50)를 사용하며, 상기 집열기와 연계하여 효과적으로 온수를 얻기 위해 히트펌프 시스템을 제공하는 것이다.

종래의 기술은 획득된 열에너지를 히트펌프의 증발부 열원으로 활용하는 기술에 관하여, 태양열 집열부분과 공기열 획득 부분은 각각 별개의 제품(부품)으로 구성하였으나, 본 발명은 단일의 복합집열기(50)를 활용함으로 집열기의 운전 온도를 기존 50°C 내외에서 20°C이하로 낮춤으로써 집열효율이 기존 대비 20% 이상 높은 특징이 있는 것이다. 또한 동절기 실외온도의 저하에 따라 히트펌프(60)의 증발부 온도가 급격히 저하하는 문제점을 해소하기 위해 잠열챔버를 활용할 수 있도록 PCM 물질을 적용한 증발챔버구조를 제공하는 것에 특징이 있는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

10: 케이스 11: 공기 유로
12: 유입구 13: 유출구
14: 투과체 15: 집열판
16: 단열재 17: 튜브
18: 적층된 판형핀 19: 핀튜브 열교환기
20: 중력식 댐퍼 21: 이송팬
50 : 집열기 60 :히트펌프
61 : 압축기 62 : 응축기
63: 팽창밸브 64 : 증발기
70: 축열조 71: 응축 공급관
80: 잠열챔버 100: 복합 시스템

Claims (6)

1. 태양열 및 공기열 복합집열기(50)의 공기순환 방지구조에 있어서,
   내부가 비어있으며, 사선설정각도를 가지고 일측을 향해 사선형태로 기울어진 케이스(10);
   상기 케이스(10)의 일면 최상단에 설치되어, 태양열이 케이스(10) 내부로 투과되도록 하는 투과체(14);
   상기 투과체(14)의 저면에 사전설정간격 이격되며 수평배치되어, 태양에너지가 집열되는 집열판(15);
   상기 케이스(10)의 내부 저면에 장착되는 단열재(16);
   상기 집열판(15)의 하부에서 설치되되, 케이스(10)의 길이방향으로 지그재그 형태로 설치되며, 집열판(15)으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 튜브(17)와, 상기 튜브(17)와 직교되는 방향을 향해 다수개가 직립설치되어, 다수의 튜브(17)가 연속관통되는 적층된 판형핀(18)으로 이루어져, 집열판(15)과 단열재(16) 사이에서, 적층된 판형핀(18)과 판형핀(18) 사이로 공기가 이송되는 공기 유로(11)가 형성되는 핀튜브 열교환기(19);
   상기 케이스(10)의 저면 일측에, 상기 공기 유로(11)와 연통되도록 형성된 유입구(12)에 설치되어, 공기의 유입출을 제어하되, 케이스(10)의 사선형태 설치로 인하여, 최초작동시 중력에 의해 닫힌 상태를 유지하는 중력식 댐퍼(20);
   상기 케이스(10)의 저면 타측에, 상기 공기 유로(11)와 연통되도록 형성된 유출구(13)에 설치되어, 태양에너지를 이용할시 구동되어 공기 유로(11)내 공기를 배출함에 따라 댐퍼(20)가 개방되도록 하여, 케이스(10)의 내부로 외부의 공기가 유입되어, 열교환을 통해 공기열 에너지를 획득하거나 집열판(15)의 냉각용으로 내부 공기를 방열하도록 하고, 상기 집열판(15) 및 핀튜브 열교환기(19)의 축열된 태양에너지를 사용할시에는 가동이 중단되어, 상기 중력식 댐퍼(20)가 닫힌상태를 유지되도록 하여, 복합집열기(50) 내의 공기순환이 차단되어 열손실이 방지되도록 하는 이송팬(21);으로 구성되며,
   상기 튜브(17)는 집열판(15)의 저면에 밀착되어 적층된 판형핀(18)에 관통설치되거나, 상기 집열판(15)의 저면에 밀착되지 않도록 이격되어, 적층된 판형핀(18)에 관통설치되며,
   냉매가 순환되며 복합집열기(50)와 별개의 시스템으로 작동되되, 증발기(64) 에 의해서 상호간 간접열교환을 통해 복합집열기(50)와 연계되어 작동되도록 형성된 히트펌프(60)와;
   상기 복합집열기(50) 또는 히트펌프(60)와 연계되어 축열되는 축열조(70);를 더 구비하여 다수개의 운전모드를 포함하는 복합 시스템(100)을 이루고,
   상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 태양열 하이브리드 운전모드는
   상기 히트펌프(60)를 작동되며, 히트펌프(60)의 증발기(64)의 선단부에 상변화물질이 충진된 잠열챔버(80)가 부가되고,
   상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 작동유체는 상기 잠열챔버(80)를 간접열교환으로 통과되며, 상기 증발기(64)의 증발열원으로 사용되며, 다시 복합집열기(50)로 순환되며,
   상기 히트펌프(60)의 응축기(62)는 축열조(70)에 연결되어 축열되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템.
   
2. 제 1항에 있어서
   상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 공기열 하이브리드 운전모드는
   상기 히트펌프(60)를 작동되며, 히트펌프(60)의 증발기(64)의 선단부에 상변화물질이 충진된 잠열챔버(80)가 부가되고,
   상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(21)의 작동에 의한 공기열로부터 집열된 작동유체는 상기 잠열챔버(80)를 간접열교환으로 통과되며, 상기 증발기(64)의 증발열원으로 사용되며, 다시 복합집열기(50)로 순환되며, 상기 이송팬(21)에 의해서 이송된 외부공기는 다시 외부로 유출되며,
   상기 히트펌프(60)의 응축기(62)는 축열조(70)에 연결되어 축열되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 방열운전모드는
   상기 히트펌프(60)의 작동은 OFF되며,
   상기 복합집열기(50)의 이송팬(21)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(21)의 작동에 의하여 복합집열기(50) 내부의 과열공기는 공기 유로(11)를 통하여, 외부공기가 유입되어 방열되며, 태양열로부터 집열된 작동유체는 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 히트펌프에 연계된 태양열 및 공기열 복합집열기의 공기순환 방지구조를 이용한 복합 시스템.
   
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