KR102080260B1 - 태양열 히트펌프용 축열조 - Google Patents

태양열 히트펌프용 축열조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양열 히트펌프용 축열조에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양열을 열원으로 하는 히프펌프용 축열조에 있어서, 내부의 상하단에, 내부를 관통하면서 유동되는 열매체를 축열조 하우징 내부에 유입시킬 수 있는 디퓨저를 장착한 상, 하부관을 구비하고, 이러한 상, 하부관 사이에 상변화물질로 이루어진 잠열재볼을 설치함으로써, 사용자의 구동목적에 따라, 축열, 방열, 축열과 방열 동시사용, 정지 모드의 손쉬운 선택사용이 가능할 뿐만 아니라, 잠열재볼의 축열온도 특성을 통해 히트펌프 시스템의 효율이 상승하고, 전체적인 시스템 의 효율 및 집열기 효율을 높힐 수 있는 태양열 히트펌프용 축열조에 관한 것이다.

Description

태양열 히트펌프용 축열조{The Structure of solar heat pump heat storage tank}
본 발명은 태양열 에너지를 축열조에 축열하고, 축열된 열에너지를 이용하는 것과 관련된 것으로 태양열을 이용한 히트펌프 연계 시스템의 축열조에 관한 것이다.
통상 일반적인 태양열 축열조는 축열된 열에너지를 난방 또는 급탕에 직접 이용하는 방식으로, 그동안 국내 보급된 대부분의 시스템이 이러한 방식이다. 하지만 개발 기술은 태양열 집열기와 히트펌프 시스템이 연결되어 운전하는 태양열 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 축열조의 구조 및 제어방법에 따라 집열기의 성능 및 히트펌프 시스템의 성능에 차이가 크게 발생한다. 따라서 태양열 히트펌프 시스템에서 축열조 구조 및 제어방법이 시스템의 성능을 좌우하는 중요한 요소기술중 하나이다.
그동안 국내에서는 태양열 히트펌프 축열조에 대한 연구가 부족하여 제한적인 이용에 거치고 있었으며 일부 태양열 히트펌프에 관한 연구가 수행되기는 하였지만 축열조의 구조와 관련한 연구는 부족한 실정이었다. 기존의 태양열 온수 급탕시스템에서 사용되는 일반적인 태양열 축열조는 축열된 열에너지를 급탕 또는 난방용으로 직접 이용하며, 축열조의 구조를 보면 축열조 중하단부에 축열용 열교환기가 설치되고, 급탕(난방)을 위한 급탕부가 축열조의 최상단에 위치하고 급수구(환수부)는 축열조 최하단에 설치되는 구조가 대부분이다.
태양열 히트펌프용 축열조는 태양열 에너지의 축열기능과 축열된 열에너지를 히트펌프 열원으로 이용하기 위한 방열기능이 필요하며, 축열과 방열의 최적화를 통해 집열기의 효율을 높이고 연계된 히트펌프 시스템의 효율을 높일 수 있기 때문에 태양열 히트펌프에 있어 중요한 요소부품이다.
이에, 이러한 태양열 히트펌프용 축열조의 구조 및 제어방법 최적화를 위한 시스템의 개발이 절실히 대두되고 있는 실정이다.
대한민국 등록특허공보 10-1314643호(2013.09.27.등록)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 태양에너지를 열원으로 하는 히트펌프 시스템의 축열조 구조 개선 및 제어방법의 최적화 제시를 통해서 효율이 높은 시스템을 구축할 수 있고,
상기와 같이 축열조 내부의 구조를 최적화 하고, 최적제어기법을 적용하여 태양열 집열기의 성능을 높임과 동시에, 태양열히트펌프 시스템의 성능 또한 높일 수 있는 태양열 히트펌프용 축열조에 관한 것이다.
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,
축열조 하우징(10); 상기 축열조 하우징(10) 상단에 수평으로 관통설치되되, 일단은 태양열 집열기(A)의 열매체가 유입되는 환수관(P1)과 연결되고, 타단은 히트펌프(B)의 공급관(P2)과 연결되며, 중단은 축열조 하우징(10)과 연통되는 상부관(20); 상기 축열조 하우징(10) 하단에 수평으로 관통설치되되, 일단은 히트펌프(B) 환수관(P3)과 연결되고, 타단은 태양열 집열기(A)의 공급관(P4)과 연결되며, 중단은 축열조 하우징(10)과 연통되는 하부관(30); 상기 축열조 하우징(10) 내부에서, 상기 상부관(20)과 하부관(30) 사이에 다수 설치되며, 내부에 상변화물질이 채워져, 상부관(20)으로 유입되는 열매체로부터 열전도로 축열되거나, 또는 내부의 축열을 하부관(30)으로 유입되는 열매체에 열전도로 방열하는 기능을 가지는 사전설정형상의 잠열재볼(40); 상기 상부관(20) 양단 및 하부관(30) 양단에 각각 설치되어, 태양열 집열기(A)의 열매체를 통한 집열, 잠열재볼(40)에 집열된 열에너지를 방열, 집열과 방열의 동시사용, 축열조 가동중지 중 어느 하나의 모드에 따라, 온오프제어되는 제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4); 상기 축열조 하우징(10) 외주연에 형성되는 단열 케이싱(50); 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 잠열재볼을 이용하여 태양열 히트펌프의 축열조의 용량을 50% 정도 경량화 할 수 있고, 잠열재의 축열온도 특성을 이용하여 히트펌프의 증발부 온도조절을 통해 히트펌프 시스템의 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.(COP 향상도 2.5 --> 3.0 )
또한, 본 발명은 집열 효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 노즐이 일체형으로 형성된 직형의 상부관과 하부관의 적용에 의해, 태양열 하이브리드 시스템의 운전 모드를 구분하고 모드에 따라서 최적의 운전을 보장할 수 있도록 하여, 결론적으로 시스템의 효율 및 집열기 효율을 높일 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열 히트펌프용 축열조를 나타낸 일실시예의 도면.
도 2는 본 발명에 따른 상부관(하부관)의 구조를 나타낸 일실시예의 도면.
도 3은 본 발명에 따른 태양열 히트펌프용 축열조의 축열모드를 나타낸 일실시예의 도면.
도 4는 본 발명에 따른 태양열 히트펌프용 축열조의 축열 및 방열 동시모드를 나타낸 일실시예의 도면.
도 5는 본 발명에 따른 태양열 히트펌프용 축열조의 방열모드를 나타낸 일실시예의 도면.
도 6은 본 발명에 따른 태양열 히트펌프용 축열조의 정지모드를 나타낸 일실시예의 도면.
도 7은 본 발명에 따른 태양열 히트펌프용 축열조가 적용된(제 1축열조) 히트펌프 연계 전체시스템의 계통도를 나타낸 일실시예의 도면.
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 일실시예를 살펴보면,
축열조 하우징(10); 상기 축열조 하우징(10) 상단에 수평으로 관통설치되되, 일단은 태양열 집열기(A)의 열매체가 유입되는 환수관(P1)과 연결되고, 타단은 히트펌프(B)의 공급관(P2)과 연결되며, 중단은 축열조 하우징(10)과 연통되는 상부관(20); 상기 축열조 하우징(10) 하단에 수평으로 관통설치되되, 일단은 히트펌프(B) 환수관(P3)과 연결되고, 타단은 태양열 집열기(A)의 공급관(P4)과 연결되며, 중단은 축열조 하우징(10)과 연통되는 하부관(30); 상기 축열조 하우징(10) 내부에서, 상기 상부관(20)과 하부관(30) 사이에 다수 설치되며, 내부에 상변화물질이 채워져, 상부관(20)으로 유입되는 열매체로부터 열전도로 축열되거나, 또는 내부의 축열을 하부관(30)으로 유입되는 열매체에 열전도로 방열하는 기능을 가지는 사전설정형상의 잠열재볼(40); 상기 상부관(20) 양단 및 하부관(30) 양단에 각각 설치되어, 태양열 집열기(A)의 열매체를 통한 집열, 잠열재볼(40)에 집열된 열에너지를 방열, 집열과 방열의 동시사용, 축열조 가동중지 중 어느 하나의 모드에 따라, 온오프제어되는 제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4); 상기 축열조 하우징(10) 외주연에 형성되는 단열 케이싱(50); 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 상부관(20)과 하부관(30) 각각은 양단이 축열조 하우징(10) 외부로 돌출되도록, 상기 축열조 하우징(10)을 관통하는 직형관(21)(31); 상기 축열조 하우징(10) 내부에서, 상기 직형관(21)(31)의 중단에 분기관(22, 32)으로 연통연결되되, 테두리가 국부적으로 관통되어 사방으로 열매체가 배출되면서, 다수의 잠열재볼(40) 및 축열조 하주징 내 전반에 걸쳐 고루 분포될 수 있도록 하는 디퓨저(23)(33); 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 태양열 히트펌프용 축열조에 있어서, 태양열 히트펌프용 축열조가 축열모드로 구동시, 상기 태양열 집열기(A)와 연결된 상부관(20) 일단 및 하부관(30) 타단만이 개방되어, 열매체가 상부관(20)의 중단에 형성된 디퓨저(23)를 통해 축열조 하우징(10) 내부에 유입된 후, 축열조 하우징(10) 하부로 이동되어, 하부관(30)의 중단에 형성된 디퓨저(33)를 통해 축열조 하우징(10) 외부로 순환되는 구조를 가지도록 함으로써, 축열조 하우징(10) 내 잠열재볼(40)에 열매체의 열에너지가 축열되도록 하고,
태양열 히트펌프용 축열조가 방열모드로 구동시, 상기 히트펌프(B)와 연결된 하부관(30) 일단 및 상부관(20) 타단만이 개방되어, 열매체가 하부관(30)의 중단에 형성된 디퓨저(33)를 통해 축열조 하우징(10) 내부에 유입된 후, 축열조 하우징(10) 상부로 이동되어, 상부관(20)의 중단에 형성된 디퓨저(23)를 통해 히트펌프(B)로 순환되는 구조를 가지도록 함으로써, 축열조 하우징(10) 내 잠열재볼(40)의 열에너지가 방열되며 열매체에 통해 히트펌프(B)에 전달되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 태양열 히트펌프용 축열조가 축열 및 방열 동시모드로 구동시, 상기 태양열 집열기(A) 및 히트펌프(B)와 연결된 하부관(30)과 상부관(20) 양단이 모두 개방되어, 상기 태양열 집열기(A)의 열매체가 상부관(20)의 길이방향을 따라 이동되어 축열조 하우징(10) 내부를 거쳐 히트펌프(B)로 직접 이송되고, 상기 히트펌프(B)를 거친 열매체는 하부관(30)의 길이방향을 따라 이동되어 태양열 집열기(A)로 재유입되는 순환구조를 가지도록 함으로써, 태양열 집열기(A)에서 직접 가열된 열매체의 열에너지가 히트펌프(B)의 증발부 열원으로 직접 이용되도록 하고,
태양열 히트펌프용 축열조가 정지모드로 사용시, 상기 태양열 집열기(A) 및 히트펌프(B)와 연결된 하부관(30)과 상부관(20) 양단이 모두 차단되어 사용되도록 하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 히트펌프용 축열조를 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 태양열 히트펌프용 축열조는 태양열원 이용 히트펌프 (SAHP - Solar Assistant Heat Pump) 시스템의 축열조에 관한 기술로써, 태양열 히트펌프는 널리 공지된 기술처럼, 태양열 집열기(A, Solar Collector), 축열조(축열조 하우징(10)), 히트펌프(B, Heat Pump, 히트펌프 제어장치) 및 구동을 위한 다양한 기타 설비 등으로 구성되는데, 본 발명에서는 도 7에 도시된 바와 같이, 이러한 전체 시스템 중에서 축열조(도 7의 제 1축열조)에 관한 내용으로 축열조의 구조 및 축열 및 방열을 위한 밸브제어사항에 관한 내용이다.
이를 위한 본 발명의 태양열 히트펌프용 축열조의 구조를 살펴보면,
축열조 내부에 축열과 방열을 위한 상부관(20)과 하부관(30)(직렬형 배관) 및 이와 일체화된 노즐 그리고 축열과 방열을 제어하는 제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4)(전동밸브)로 구성된 것으로, 더욱 상세하게는 축열조 하우징(10), 상부관(20), 하부관(30), 잠열재볼(40), 제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4), 단열 케이싱(50)을 포함한다.
상기 축열조 하우징(10)은 내부에 설치공간이 형성되도록, 내부가 비어있는 하우징이며, 후술될 상부관(20)과 하부관(30) 및 잠열재볼(40)이 내부에 설치된다.
상기 상부관(20)(노즐 일체형 직형 공급 및 환수관)은 직선형의 관체로서, 전술된 축열조 하우징(10)의 상단에 지면과 수평을 이루는 형태로 관통설치되어, 양단이 축열조 하우징(10)의 외부로 돌출되어지는 형태를 가진다.
통상의 태양열 축열조의 연결배관은 축열조의 외벽에 독립적으로 설치되어 작동된다. 하지만 본 발명에서의 상부관(20) 및 하부관(30)은 노즐이 일체화되며, 각각에 있어 상부관(20)은 집열기 환수관(P1)과 히트펌프 공급관(P2)이 직형으로 연결되며, 하부관(30)은 집열기 공급관(P4)과 히트펌프 환수관(P3)이 직형으로 연결된다.
태양열 히트펌프(B)의 경우 태양열을 이용한 축열운전과 히트펌프(B) 열원으로 사용하는 방열운전이 복합적으로 운전되며, 이 경우 축열조 내부의 에너지를 어떻게 사용하느냐에 따라 전체 시스템의 효율 크게 달라지게 된다.(히트펌프(B)의 경우 작동 온도에 1℃ 상승함에 따른 약 COP 0.1 상승한다.) 따라서 본 발명에서는 운전 모드에 따라서 태양열 에너지를 가장 효율적으로 이용할 수 있는 방법과, 이를 위해서 상부관(20) 및 후술될 하부관(30)과 같은 배관 및 노즐의 형상과, 상부관(20) 및 하부관(30) 양단에 각각 설치된 제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4)의 제어에 관한 방법도 제시하고자 하는 것이다.
이에, 우선적으로 상부관(20)부터 설명하면 하기와 같다.
이러한 상부관(20)은 후술될 하부관(30)과 동일한 구조를 가지는 것으로서, 직형관(21)과 디퓨저(23)로 이루어진다.
상기 직형관(21)은 양단이 축열조 하우징(10) 외부로 돌출되도록, 상기 축열조 하우징(10)을 관통하는 직렬 관체이며, 상기 디퓨저(23)는 축열조 하우징(10) 내부에서, 상기 직형관(21)의 중단에 분기관(22)으로 연통연결되되, 테두리가 국부적으로 관통되어 사방으로 열매체가 배출되면서, 다수의 잠열재볼(40) 및 축열조 하우징(10) 내 전반에 걸쳐 고루 분포될 수 있도록 하는 것이다.
이에 상부관(20)(더욱 자세히는 직형관(21)) 일단은 태양열 집열기(A)의 환수관(P1)과 연결되되, 제 1제어밸브(V1)가 설치되어 있도록 하고, 타단은 히트펌프(B)의 공급관(P2)과 연결되고, 제 2제어밸브(V2)가 설치되어 있도록 한다. 또한, 중단은 축열조 하우징(10) 내부와 연통되어, 일단에서 유입되는 열매체가 타단이 제 2제어밸브(V2)에 의해 차단되었을시, 상기 디퓨저(23)를 통해 축열조 하우징(10) 내부로 공급되어, 열매체가 축열조 하우징(10) 내 상부에서 하부로 이동하면서, 잠열재볼(40)을 통해 열매체가 가지고 있는 열에너지를 축열되도록 하는 것이다.
제 2제어밸브(V2)가 차단(히트펌프(B)측의 열매체 순환을 차단)되는 축열모드시에는 상기 디퓨저(23)를 통해 축열조 하우징(10) 내부로 공급되어, 열매체가 축열조 하우징(10) 내 상부에서 하부로 이동하면서, 잠열재볼(40)을 통해 열매체가 가지고 있는 열에너지에 의해 축열되도록 하고, 제 1제어밸브(V1)가 차단(태양열 집열기(A)로의 열매체 순환을 차단)되는 방열모드에서는 히트펌프측 열매체 회로가 순환하는 과정으로서, 축열조 내부의 열매체가 히트펌프 공급관(P2)을 통해서 히트펌프(B)에 공급되고 다시 히트펌프 환수관(P3)으로 순환한다. 이 때 잠열재볼(40)을 통해 축열된 열에너지는 축열조 내부로 열전달이 발생한다.
상기 하부관(30)은 전술된 상부관(20)과 동일한 구조를 가지는 관체로써, 축열조 하우징(10)의 하단부에서 축열조 하우징(10)을 관통하여, 양단이 외부로 돌출되어지는 형태로 설치되며, 상부관(20)과 마찬가지로, 직선형의 원통 직형관(31)과, 상기 직형관(31)의 중단에 분기관(32)으로 연통형성된 원판형의 디퓨저(33)로 이루어진다.
즉, 이러한 하부관(30)은 상부관(20)과 상호간 이격되어 상, 하대칭으로 수평을 이루는 것이며, 상기 하부관(30)은 일단은 히트펌프(B)의 환수관(P3)과 연결되되, 제 3제어밸브(V3)가 설치되어 있도록 하고, 타단은 태양열 집열기(A)의 공급관(P4)과 연결되고, 제 4제어밸브(V4)가 설치되어 있도록 한다. 또한, 중단은 축열조 하우징(10) 내부와 연통되어, 제 3제어밸브(V3)가 차단(히트펌프(B)측의 열매체 순환을 차단)되는 축열모드시에는 집열측 열매체 회로가 순환하는 과정으로, 태양열 집열기(A)에서 가열된 열매체가 집열환수관(P1)을 통해 유입되고 상기 디퓨저(33)를 통해 축열조 하우징(10) 내부에 열에너지를 축열한 후 축열조 하부의 집열기공급관(P4)를 통해 순환하는 과정이다.
이러한 축열운전 및 방열운전은 선택적으로 또는 동시에 동작 및 정지 운전이 발생할 수 있고, 이 경우 각각 잠열재볼(40)을 통해 축열 혹은 방열의 열전달 현상이 발생한다.
상기 잠열재볼(40)은 상변화물질로 이루어지는 것으로서, 전술된 축열조 하우징(10) 내 상부관(20)과 하부관(30) 사이에 다수 설치되어, 열매체로부터 열에너지를 전달받아 축열되거나, 축열된 열에너지를 열매체에 전달하며 방열하는 기능을 한다.
즉, 본 발명에서는 상변화물질(PCM-Phase change Material)을 축열 매체로 사용한다는 것으로서, 히트펌프(B)의 성능을 높이기 위해서 원구형의 PCM Ball을 축열조 하우징(10) 내부에 설치하여 히트펌프(B)의 작동 온도범위에서 잠열효과를 이용하여 축열조 온도변화를 최소화한 것이다.
상기 잠열재볼(40)(PCM Ball)은 일반적으로 액체의 상변화시 발생하는 잠열을 활용하기 위한 방법으로, 그 구성은 잠열재(액체식 잠열물질)와 잠열재 용기(볼형상)구조이다.
본 발명에서는 태양열 축열조 하우징(10) 내부에 PCM Ball을 축열조 하우징(10)의 30% ~ 70%(이 비율은 시스템의 설계에 따라 달라질 수 있으며 비율이 확정된 것은 아니며 이 물질을 사용하여 축열 및 방열시 온도차를 줄이고 축열 및 방열 열량을 높일 수 있다)사용하여 축열조 하우징(10) 내부의 축열 및 방열용 잠열원으로 사용된다. 여기에 사용되는 PCM 물질은 히트펌프(B)(히트펌프 증발부) 열원의 공급 조건에 부합하는 온도대의 재료를 사용할 수 있으며, 본 발명에서는 액상의 상변화 물질을 사용하며 그 물질은 물을 비롯하여 다양한 온도대의 상변화 물질(화합물 포함)이 대상이 되며 물질을 제한하지는 않는다. 다만 상변화 물질은 구형의 폴리머 케이스에 포장되며 크기는 80 ~ 150 mm 직경을 특징으로 한다.
상기 잠열재볼(40)이 보다 구체적인 축열 및 방열시 축열조의 급격한 온도변화를 완충하기 위한 역할을 수행하여, 기존 축열도 대비 온도 변화의 폭이 적은 특징이 있다. 태양열 히트펌프(B)의 축열조 하우징(10)에서 방열 운전을 예를들면 히트펌프(B) 증발부에서 다량의 에너지를 지속적으로 공급할 경우, 축열조 온도가 급격히 하락하며 이 경우 히트펌프(B)의 COP가 저하하는 특징이 있다. 하지만 PCM 재료를 이용한 축열조는 특정온도 대역에서 축열조의 이러한 급격한 온도 하락을 방지하여 히트펌프(B)의 성능저하를 줄일 수 있게 되는 것이다.
본 발명에서 잠열재볼(40)은 크게 축열동작과 방열동작을 번갈아 수행하며 하루에 1 ~ 2 차례 상변화 단계가 발생할 수 있으며 이는 태양열 에너지의 강도, 사용 부하량의 크기에 의존적일수 있다.
본 발명에 적용된 잠열재볼(40)은 0℃ 내외의 상변화 온도를 중심으로 동작하며, 태양열 에너지를 이용하여 액화시키는데 태양열 집열기(A)로부터 축열조 하우징(10)까지의 열전달 물질은 열매체(물 또는 에틸렌글리콜 용액)의 순환작용에 의하여 순환하며, 이때 축열조 하우징(10) 내부에 설치된 PCM Ball의 외피를 통해 대류전열을 통해서 열을 전달하는 것이다.
축열 과정에서는 축열모드로 동작하게 되며 이경우에는 축열조 하우징(10) 상부의 일체형노즐(상부관(20))을 통해서 축열조 하우징(10) 하부로 열매체가 이동하는 방식이다. 방열동작은 히트펌프(B)의 열원으로 축열된 열에너지를 방열하는 과정이며, 이 또한 열매체의 순환에 의해서 방열이 이루어지며, 축열조 하우징(10) 내부의 잠열재볼(40)의 외피를 통해 전도에 의해서 방열이 이루어지는 것이다. 방열동작시 열매체의 순환방향은 축열과 정반대로 축열조 하우징(10) 내 하부의 하부관(30)(일체형 노즐)에서 상부에 위치된 상부관(20)(일체형 노즐)을 향해, 축열조 하우징(10)의 상방향으로 매체의 순환이 일어나게 된다.
상기 제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4)는 전술된 상부관(20)의 양단과 하부관(30)의 양단에 각각 설치되는 전동밸브로써, 축열, 방열, 축열과 방열의 동시작동, 정지 등의 다양한 모드에 따라, 이러한 제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4)가 선택적으로 오픈 또는 차단되면서, 유로를 개방 또는 차단하도록 한 것이다.
이를 위해, 상부관(20)의 일측(태양열 집열기(A)의 환수관(P1)과 연결되는 부분)에는 제 1제어밸브(V1)가 설치되고, 상부관(20)의 타측(히트펌프(B) 공급관(P2)과 연결되는 부분)에는 제 2제어밸브(V2)가 설치되며, 하부관(30)의 일측(히트펌프(B) 환수관(P3)과 연결되는 부분)에는 제 3제어밸브(V3)가 설치되고, 하부관(30)의 타측(태양열 집열기(A) 공급관(P4)과 연결되는 부분)에는 제 4제어밸브(V4)가 설치되어지는 것이다. 축열조의 작동모드에 따른 이러한 각 제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4)의 작동은 하기 제어방법에서 상세히 설명하도록 한다.
상기 단열 케이싱(50)은 전술된 축열조 하우징(10)의 외주연에 설치되는 단열재이다.
이하에서는 상기와 같은 구조를 가지는 '태양열 히트펌프용 축열조'의 제어방법에 대해 설명하도록 한다.
이러한 제어방법에서 제어모드로는 크게 4가지 동작 모드로 축열모드, 축열/방열 동시모드, 방열모드, 정지모드로 이루어지며, 각 모드에 따라 제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4)의 개,폐로 순환이 제어되는 것이다.
1. 축열모드: 축열 모드는 태양열 집열기(A)에서 축열조(축열조 하우징(10))로 에너지를 축열하는 동작 모드로, 상부관(20)의 일측으로부터 열매체가 입수하여 하부관(30)의 타단으로 출수하는 과정이다.
순환매체는 열매체(물,에틸렌글리콜 수용액 등)로 집열기와 축열조 하우징(10) 사이에 설치된 별도의 순환펌프를 동력으로 하며, 이때 태양열 집열기(A)의 환수관(P1)과 연결된 측의 상부관(20) 일측 제 1제어밸브(V1)와, 태양열 집열기(A)의 공급관(P4)과 연결된 측의 하부관(30) 타측 제 4제어밸브(V4)만이 열리고, 상부관(20) 타측의 제 2제어밸브(V2)와 하부관(30) 일측의 제 3제어밸브(V3)(방열시 히트펌프(B)와 연결되는 측의 제어밸브)는 닫히게 된다.
이로써, 열매체는 태양열 집열기(A)에서 상부관(20)의 일측으로 유입되어 타측으로 이동되지 못하고 상부관(20)의 디퓨저(23)를 통해 축열조 하우징(10) 내부로 유입되고, 유입된 열매체는 축열조 하우징(10) 하부로 이동되면서, 하부관(30)의 디퓨저(33)를 통해 하부관(30) 내부로 유입되되, 하부관(30)의 일측으로는 이동되지 못하고 타측으로 이동되어, 태양열 집열기(A)로 다시 이송되어지는 것이다. 이후, 태양열 집열기(A)를 거친 열매체는 다시 삽부관의 일측으로 유입되어지는 순환을 반복하는 것이다. 즉, 상부관(20)과 하부관(30)에 각각 설치된 판상형의 디퓨저(23, 33)를 통해서, 유속이 축열조 하우징(10) 전반에 걸쳐 골고루 순환되도록 한 것이다.
이 과정을 통해서 태양열 집열기(A)에서 흡수된 열에너지를 열매체를 통해 축열조 하우징(10) 상부관(20)(더욱 자세히는 상부관(20)의 디퓨저(23))을 통해서, 축열조 하우징(10) 내 하부관(30) 측 디퓨저(33)로 유입하는 과정이 반복된다.
이때, 열매체는 상기 축열조 하우징(10) 내부에 배치된 잠열재볼(40)(PCM Ball)과 접촉하면서 전도에 의해 열전달되는 과정을 가지게 되며, 축열조의 온도에 따라서 P잠열재볼(40)의 잠열축열 혹은 현열축열로 동작하게 된다.
2. 축열 및 방열 동시모드: 축열 및 방열 동시 모드에서는 태양열 에너지를 축열함과 동시에 히트펌프(B)의 열원으로 방열을 동시에 수행하게 되는 것이다.
본 발명에서 제시한 상부관(20) 및 하부관(30)(노즐일체형 직형 공급 및 환수관)의 가장 핵심적인 운전모드로, 태양열 집열기(A)에서 생산된 열에너지를 히트펌프(B)의 열원으로 직접 이송할 수 있도록 한 것이다.
이 모드에서는 설치된 전동밸브(제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4))가 모두 개방하게 되며, 태양열 집열기(A)에서 축열된 열에너지는 태양열 축열조로의 축열과정 없이 히트펌프(B) 열원으로 직접 전달된다.
순환 순서로는 태양열 집열기(A) --> 상부관(20) 일측(P1) --> 상부관(20) 타측(P2)--> 히트펌프(B)(히트펌프 증발 열교환기) --> 하부관(30) 일측(P3)-->하부관(30) 타측(P4) --> 태양열 집열기(A) 이러한 순환과정을 반복하게 된다.
이 모드의 장점은 태양열 에너지로부터 직접 가열된 고온의 열에너지를 직접 히트펌프(B) 증발부 열원으로 이용하기 때문에, 높은 온도의 열원으로 인해 히트펌프(B)의 작동 COP(효율)높은 특징이 있다.
부가적으로 축열매체의 순환량과 열원이용부의 순환량의 미스매치가 발생할 경우에는, 일부의 열에너지를 축열조를 통해서 공급 받을 수 있는 특징이 있으며, 순환펌프의 직렬 운전효과로 인한 순환유량의 증가로 히트펌프 시스템의 효율(COP)를 높이는 기능도 있다.
3. 방열모드: 방열 모드는 태양열에너지의 축열이 없는 시간대에 축열조 하우징(10)에 저장된 열에너지를 방열하는 모드로서, 상부관(20)을 통해서 히트펌프(B)쪽으로 에너지를 전달하는 과정이다.
이 경우, 상부관(20)의 타측(히트펌프(B) 공급관(P2)과 연결된 측)의 제 2제어밸브(V2)와, 하부관(30)의 일측(히트펌프(B) 환수관(P3)과 연결된 측)의 제 3제어밸브(V3)만이 개방되어(축열시 사용되는 제 1, 4제어밸브(V1, V4)는 차단), 별도의 순환펌프를 통해 열매체 순환을 통해서 에너지를 공급하게 되는 일련의 과정이다.
이 과정에서는 축열조 하우징(10) 하부에서 상부로 열매체의 이동이 나타나는 것으로, 열매체는 히트펌프(B)에서 하부관(30)의 일측으로 유입되어 타측으로 이동되지 못하고 하부관(30)의 디퓨저(33)를 통해 축열조 하우징(10) 내부로 유입되고, 유입된 열매체는 축열조 하우징(10) 상부로 이동되면서, 상부관(20)의 디퓨저(23)를 통해 상부관(20) 내부로 유입되되, 상부관(20)의 일측으로는 이동되지 못하고 타측으로 이동되어, 히트펌프(B)로 이송되어지는 것이다. 이후, 히트펌프(B)를 거친 열매체는 다시 하부관(30)의 일측으로 유입되어지는 순환을 반복하는 것이다. 즉, 상부관(20)과 하부관(30)에 각각 설치된 판상형의 디퓨저(23, 33)를 통해서, 유속이 축열조 하우징(10) 전반에 걸쳐 골고루 순환되도록 한 것이다.
이 과정에서 축열조 하우징(10) 내 잠열재볼(40)에 저장된 열에너지를 열전도에 의해 열매체로 이동되고, 이 열매체가 히트펌프(B)에 직접 열전달하게 된다. 방열모드 운전에서는 축열측 배관인 태양열 집열기(A)와 연결된 제 1, 4제어밸브(V1, V4)는 닫히게 되어 집열회로는 차단되게 된다.
4 정지모드 : 일체의 축열 및 방열이 정지된 상태로 모든 밸브(V1, V2, V3, V4)를 차단하여 집열기로부터의 자연순환과 히트펌프(B)로부터의 불필요한 에너지 손실을 차단하게 된다.
본 발명은 상기와 축열조 하우징(10)의 구조와, 다양한 작동모드로 인하여, 하기와 같은 효과를 가진다.
1. 잠열재볼(40)을 이용하여 태양열 히트펌프(B)의 축열조의 용량을 50% 정도 경량화 할 수 있고, 잠열재볼(40)의 축열온도 특성을 이용하여 히트펌프(B)의 증발부 온도조절을 통해 히트펌프(B) 시스템의 효율을 높일 수 있다. (COP 향상도 2.5 --> 3.0 )
Figure 112018045434159-pat00001
<참고 차트 1>
상기 참고 챠트 1은 증발부 열원공급온도(축열조 온도)에 따른 히트펌프(B) 시스템의 성능을 표현한 것이며, 공급수 온도의 증가에 따라 시스템 COP의 상승효과가 있음을 알 수 있다.
일반 축열조의 경우는 축열조의 온도가 청색 부분에서 작동하며, PCM 물질을 사용한 본 발명의 축열조의 경우는 연두색 그림 부분의 작동 온도로 동작하게 된다. (명확하게 구분되지는 않으며 대략적인 설명을 위한 참고이다.) 이에 따라 잠열재볼(40)을 사용한 본 발명의 축열조는 일반적인 형상의 축열조 대비하여 월등이 높은 성능을 보이며, 동절기 높은 부하특성으로 인해 히트펌프(B) 연계 축열조는 비교적 낮은 온도를 나타내지만, 잠열재의 잠열 축열 효과로 인해 일반 축열조 대비 5 ~ 10℃ 정도 높은 운전온도 특성을 보이는 바, 일반형 축열조 사용 히트펌프 시스템 대비 시스템의 성능이 월등히 높음을 알 수 있다.
2. 집열 효율 향상 효과.
일반적인 태양열 축열조에서 축열조의 온도는 통상 40℃ 내외의 유효온도 범위로 작동한다. 하지만 히트펌프(B) 연계 본 발명의 축열조 시스템은, 축열조 작동 온도 범위는 하기 참고 차트 2와 같이 대기온도와 유사한정도의 낮은 작동온도를 보인다.
일반적으로 집열기의 효율은 하기 참고 차트 2의 왼쪽(저온) 영역으로 이동할수록 집열기의 효율은 상승하며, 우측으로 이동할수록 집열기의 효율은 하락한다. 본 발명은 히트펌프(B)와 직접 연결되는 시스템으로, 일반형 축열조의 작동범위가 35~ 55 ℃(동계) 인데 비하여, 본 발명이 적용된 제품은 0~ 35 ℃ 범위로 운전하기에 효율 면에서 기존제품 대비 200% 정도 높은 특징이 있다.
이로써 같은 면적의 집열기를 사용하여 에너지 획득량을 두배로 높일 수 있기에 국내 태양열에너지 산업에 있어 획기적인 기회를 가져올 수 있게 되는 것이다.
Figure 112018045434159-pat00002
<참고 차트 2>
3. 상부관(20) 및 하부관(30)(노즐 일체형 직형 공급 및 환수관) 적용에 따른 효과.
본 발명은 태양열 하이브리드 시스템의 운전 모드를 구분하고, 각종 모드에 따라서 최적의 운전을 보장할 수 있도록 하여, 결론적으로 시스템의 효율 및 집열기 효율을 높일 수 있다는 효과가 있다.
특히, 축열 및 방열 동시 운전모드에서는 집열회로에서 생산된 높은 열에너지를 축열하지 않고 그대로 히트펌프(B)에 전달할 수 있어, 집열기 측에서는 집열 효율을 높일 수 있고, 히트펌프(B) 측면에서는 COP를 높일 수 있기에 일석이조(一石二鳥)의 효과를 누릴 수 있게 된다.
기존에는 이러한 효과를 구현하기 위해서 집열기를 직팽식 증발기로써 사용하는 경우도 있는데, 본 발명에서의 운전모드에서는 이와 유사한 동작특성을 가지며 직팽식 증발기로 사용시 단점으로 작용하여 냉매의 과도한 온도 상승을 억제할 수 있어 직팽식보다 높은 안정성을 가지게 된다.
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: 축열조 하우징 20: 상부관
21, 31: 직형관 22, 32: 분기관
23, 33: 디퓨저 30: 하부관
40: 잠열재볼 50: 단열 케이싱
P1: 태양열 집열기 환수관 P2: 히트펌프 공급관
P3: 히트펌프 환수관 P4: 태양열 집열기 공급관
V1: 제 1제어밸브 V2: 제 2제어밸브
V3: 제 3제어밸브 V4: 제 4제어밸브
A: 태양열 집열기 B: 히트펌프

Claims (4)

  1. 축열조 하우징(10);
    상기 축열조 하우징(10) 상단에 수평으로 관통설치되되, 일단은 태양열 집열기(A)의 열매체가 유입되는 환수관(P1)과 연결되고, 타단은 히트펌프(B)의 공급관(P2)과 연결되며, 중단은 축열조 하우징(10)과 연통되는 상부관(20);
    상기 축열조 하우징(10) 하단에 수평으로 관통설치되되, 일단은 히트펌프(B) 환수관(P3)과 연결되고, 타단은 태양열 집열기(A)의 공급관(P4)과 연결되며, 중단은 축열조 하우징(10)과 연통되는 하부관(30);
    상기 축열조 하우징(10) 내부에서, 상기 상부관(20)과 하부관(30) 사이에 다수 설치되며, 내부에 상변화물질이 채워져, 상부관(20)으로 유입되는 열매체로부터 열전도로 축열되거나, 또는 내부의 축열을 하부관(30)으로 유입되는 열매체에 열전도로 방열하는 기능을 가지는 사전설정형상의 잠열재볼(40);
    상기 상부관(20) 양단 및 하부관(30) 양단에 각각 설치되어, 태양열 집열기(A)의 열매체를 통한 집열, 잠열재볼(40)에 집열된 열에너지를 방열, 집열과 방열의 동시사용, 축열조 가동중지 중 어느 하나의 모드에 따라, 온오프제어되는 제 1, 2, 3, 4제어밸브(V1, V2, V3, V4);
    상기 축열조 하우징(10) 외주연에 형성되는 단열 케이싱(50);으로 이루어지며,
    상기 상부관(20)과 하부관(30) 각각은
    양단이 축열조 하우징(10) 외부로 돌출되도록, 상기 축열조 하우징(10)을 관통하는 직형관(21)(31);
    상기 축열조 하우징(10) 내부에서, 상기 직형관(21)(31)의 중단에 분기관(22, 32)으로 연통연결되되, 테두리가 국부적으로 관통되어 사방으로 열매체가 배출되면서, 다수의 잠열재볼(40) 및 축열조 하주징 내 전반에 걸쳐 고루 분포될 수 있도록 하는 디퓨저(23)(33); 로 이루어지며,
    축열모드로 구동시,
    상기 태양열 집열기(A)와 연결된 상부관(20) 일단 및 하부관(30) 타단만이 개방되어, 열매체가 상부관(20)의 중단에 형성된 디퓨저(23)를 통해 축열조 하우징(10) 내부에 유입된 후, 축열조 하우징(10) 하부로 이동되어, 하부관(30)의 중단에 형성된 디퓨저(33)를 통해 축열조 하우징(10) 외부로 순환되는 구조를 가지도록 함으로써, 축열조 하우징(10) 내 잠열재볼(40)에 열매체의 열에너지가 축열되도록 하고,
    방열모드로 구동시,
    상기 히트펌프(B)와 연결된 하부관(30) 일단 및 상부관(20) 타단만이 개방되어, 열매체가 하부관(30)의 중단에 형성된 디퓨저(33)를 통해 축열조 하우징(10) 내부에 유입된 후, 축열조 하우징(10) 상부로 이동되어, 상부관(20)의 중단에 형성된 디퓨저(23)를 통해 히트펌프(B)로 순환되는 구조를 가지도록 함으로써, 축열조 하우징(10) 내 잠열재볼(40)의 열에너지가 방열되며 열매체에 통해 히트펌프(B)에 전달되도록 하는 하고,
    축열 및 방열 동시모드로 구동시,
    상기 태양열 집열기(A) 및 히트펌프(B)와 연결된 하부관(30)과 상부관(20) 양단이 모두 개방되어, 상기 태양열 집열기(A)의 열매체가 상부관(20)의 길이방향을 따라 이동되어 축열조 하우징(10) 내부를 거쳐 히트펌프(B)로 직접 이송되고, 상기 히트펌프(B)를 거친 열매체는 하부관(30)의 길이방향을 따라 이동되어 태양열 집열기(A)로 재유입되는 순환구조를 가지도록 함으로써, 태양열 집열기(A)에서 직접 가열된 열매체의 열에너지가 히트펌프(B)의 증발부 열원으로 직접 이용되도록 하고,
    정지모드로 사용시,
    상기 태양열 집열기(A) 및 히트펌프(B)와 연결된 하부관(30)과 상부관(20) 양단이 모두 차단되어 사용되도록 하는 것을 특징으로 하는 태양열 히트펌프용 축열조.
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