KR102151130B1 - Pvt 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양에너지를 통해 전력 및 열에너지가 생산되는 PVT 집열기, 상기 PVT 집열기에서 생산된 전력이 사용처에 공급되는 전력계통 연계부, 상기 PVT 집열기에서 생산된 열에너지가 축열 순환펌프를 통해 저장되는 PCM 축열조, 압축기, 사방밸브, 응축 열교환기, 제 1증발 열교환기를 냉매가 순환하여, 제 1증발 열교환기를 통해 PCM 축열조에 축열된 열에너지와 열교환되는 히트펌프부, 상기 히트펌프부에 연결되어, 공기와의 열교환을 통해 공기열원을 생산하는 제 2증발 열교환기, 상기 히트펌프부의 응축 열교환기와 열교환되어, 수요처에 공급되기 위한 열에너지가 저장되는 부하측 버퍼탱크, 상기 PVT 집열기의 열에너지가, 상기 히트펌프부를 거치지 않고, 열교환을 통해 부하측 버퍼탱크에 직접 전달되어 저장되도록 하는 제 2축열 열교환기; 로 이루어져,
상기 PVT 집열기의 열에너지가 PCM 축열조 또는 부하측 버퍼탱크에 직접 저장되는 축열 운전모드, PCM 축열조에 저장된 열에너지가 히트펌프부를 거쳐 부하측 버퍼탱크에 저장되는 히트펌프 운전모드, 히트펌프부의 응축 열교환기가 증발기로 사용되고, 제 1증발 열교환기는 응축기로 사용되어, 제 2증발 열교환기의 제상에 사용되는 제상 운전모드로 작동되되, 상기 축열 운전모드, 히트펌프 운전모드, 제상 운전모드는 각각 또는 2개 이상이 복합적으로 작동가능한 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템{Solar heat pump system with PVT collector connected}
본 발명은 PVT 집열기(PVT_W)와 히트펌프 및 열교환기 등 각종 부대 설비를 이용한 태양열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 태양광-열(PVT) 집열기와 히트펌프 시스템을 연계한 복합열원 시스템에 관한 것으로, PVT 집열기와 이 집열기의 효율적인 이용을 위한 시스템에 관한 것이다.
PVT 모듈은 전기에너지를 생산하면서 동시에 열에너지를 활용할 수 있는 잇점 때문에 많은 연구개발이 진행되고 있으며, 선진국을 중심으로 상용보급이 확대되고 있다. 하지만 국내에서는 아직 그 기술적인 문제점이 극복되지 않고 있고 한국기후의 특수성으로 인해 상용화는 아직 걸음마 수준이다.
일부 기업에서 태양열 집열기와 지열 및 공기열 에너지를 히트펌프 시스템과 연계하는 시스템화 제품이 소개된바가 있다. 특히 이러한 집열모듈과 히트펌프 시스템화 기술은 회로의 구성과 제어의 방법에 따라 다양한 방법론적 접근이 가능하다. 종래의 기술은 태양열에너지와, 지열에너지, 공기열 에너지를 활용하는 점에서 유사점은 있지만 그 세부적인 활용기술에 있어서는 다소 차이점을 찾을 수 있다.
특히 PVT 모듈이나 태양열 집열기의 열에너지를 활용하기 위해서는 집열기의 동작조건, 히트펌프 회로의 구성방법 및 제어에 따라서 효율이 많이 달라지는 점이 있다.
보다 상세하게 설명하면, 히트펌프 시스템의 경우에는 냉매의 증발 및 응축에 필요한 에너지를 흡수 및 방출 함으로써 시스템의 싸이클 운전을 효율적으로 진행할 수 있다. 즉, 증발부에서는 열에너지를 공급하고, 응축부에서는 열에너지를 방출하여 각 열에너지를 활용하는 시스템이다. 집열기와 연계하는 시스템에서는 증발부에서 필요로하는 열에너지를 집열기를 통해서 공급한다는 기술적인 특징이 있다. 기존 기술에서도 태양열 열원을 열교환기를 통해서 공급하며 부족할 경우에는 공기열 열교환기를 활용하는 사례가 일반적인 사례다. 두가지 열에너지의 공급 방식은 히트펌프의 증발부 회로를 직렬연결 혹은 병열 연결배관을 통하여 열원을 선택적으로 공급하는 경우가 있었다. 하지만 이러한 경우 태양열 에너지의 공급에 있어 최적의 에너지를 공급하기에는 다소 무리가 있다. 즉 일정온도 이상에서는 태양열에너지를 활용하고, 일정온도 이하에서는 공기열 에너지를 활용하기에 태양열 에너지의 어떤 특정시점에 에너지의 전환이 일어나기에 집열된 열에너지량이 일정이하에 이르면 활용할 수 없는 단점이 있었다.
대한민국 공개실용신안공보 20-2010-0007818호(2010.08.05.공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 PVT 집열기에서 생산하는 전력 에너지는 계통에 연계하여 전력을 생산하며, 생산된 열에너지는 온도에 따라서 히트펌프 시스템의 증발부 열원으로 활용하거나 직접 축열하여 부하측 열원으로 활용할 수 있도록 하고,
또한, PVT 집열기가 전력과 열에너지를 동시에 생산하므로 분리설치에 따른 장소의 제약에서 벗어날 수 있고, 또한 히트펌프 시스템과 연계함으로써 PVT 집열기의 효율을 극대화 하여 에너지 생산을 2배가량 높일 수 있도록 한 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서
태양에너지를 통해 전력 및 열에너지가 생산되는 PVT 집열기(1); 상기 PVT 집열기(1)에서 생산된 전력이 사용처에 공급되는 전력공급부(2'); 상기 PVT 집열기(1)에서 생산된 열에너지가 축열 순환펌프(4)를 통해 저장되는 PCM 축열조(6); 압축기(11), 사방밸브(10), 응축 열교환기(13), 팽창밸브(14), 제 1증발 열교환기(8)를 냉매가 순차적으로 순환하여, 제 1증발 열교환기(8)를 통해 PCM 축열조(6)에 축열된 열에너지와 열교환되는 히트펌프부(15); 상기 히트펌프부(15)에 연결되어, 공기와의 열교환을 통해 공기열원을 생산하는 제 2증발 열교환기(9); 상기 히트펌프부(15)의 응축 열교환기(13)와 열교환되어, 수요처에 공급되기 위한 열에너지가 저장되는 부하측 버퍼탱크(19); 상기 PVT 집열기(1)의 열에너지가, 상기 히트펌프부(15)를 거치지 않고, 열교환을 통해 부하측 버퍼탱크(19)에 직접 전달되어 저장되도록 하는 제 2축열 열교환기(16); 로 이루어져, 상기 PVT 집열기(1)의 열에너지가 PCM 축열조(6) 또는 부하측 버퍼탱크(19)에 직접 저장되는 축열 운전모드, PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가 히트펌프부(15)를 거쳐 부하측 버퍼탱크(19)에 저장되는 히트펌프 운전모드, 히트펌프부(15)의 응축 열교환기(13)가 증발기로 사용되고, 제 1증발 열교환기(8)는 응축기로 사용되어, 제 2증발 열교환기(9)의 제상에 사용되는 제상 운전모드로 작동되되, 상기 축열 운전모드, 히트펌프 운전모드, 제상 운전모드는 각각 또는 2개 이상이 복합적으로 작동가능한 것을 특징으로 한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 PVT 집열기와 히트펌프 시스템으로 구성되어, 에너지 절약을 위한 복합형 기기로써 발전과 함께 열에너지를 발생할 수 있는 효과가 있다.
또한, PVT 집열기가 전력과 열에너지를 동시에 생산하므로 분리설치에 따른 장소의 제약에서 벗어날 수 있고, 히트펌프 시스템과 연계함으로써 PVT 집열기의 효율을 극대화 하여 에너지 생산을 2배가량 높일 수 있도록 한, PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템을 제공할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 PVT 모듈을 더욱 효율적으로 이용할 수 있도록 시스템화하여 소비자 만족도를 높인 제품 생산이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템의 축열 제 1운전모드를 나타낸 일실시예의 회로도.
도 2는 본 발명에 따른 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템의 축열 제 2운전모드를 나타낸 일실시예의 회로도.
도 3은 본 발명에 따른 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템의 히트펌프 제 1운전모드를 나타낸 일실시예의 회로도.
도 4는 본 발명에 따른 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템의 히트펌프 제 2운전모드를 나타낸 일실시예의 회로도.
도 5는 본 발명에 따른 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템의 히트펌프 제 3운전모드를 나타낸 일실시예의 회로도.
도 6은 본 발명에 따른 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템의 제상 운전모드를 나타낸 일실시예의 회로도.
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 m 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,
태양에너지를 통해 전력 및 열에너지가 생산되는 PVT 집열기(1); 상기 PVT 집열기(1)에서 생산된 전력이 사용처에 공급되는 전력공급부(2'); 상기 PVT 집열기(1)에서 생산된 열에너지가 축열 순환펌프(4)를 통해 저장되는 PCM 축열조(6); 압축기(11), 사방밸브(10), 응축 열교환기(13), 팽창밸브(14), 제 1증발 열교환기(8)를 냉매가 순차적으로 순환하여, 제 1증발 열교환기(8)를 통해 PCM 축열조(6)에 축열된 열에너지와 열교환되는 히트펌프부(15); 상기 히트펌프부(15)에 연결되어, 공기와의 열교환을 통해 공기열원을 생산하는 제 2증발 열교환기(9); 상기 히트펌프부(15)의 응축 열교환기(13)와 열교환되어, 수요처에 공급되기 위한 열에너지가 저장되는 부하측 버퍼탱크(19); 상기 PVT 집열기(1)의 열에너지가, 상기 히트펌프부(15)를 거치지 않고, 열교환을 통해 부하측 버퍼탱크(19)에 직접 전달되어 저장되도록 하는 제 2축열 열교환기(16); 로 이루어져, 상기 PVT 집열기(1)의 열에너지가 PCM 축열조(6) 또는 부하측 버퍼탱크(19)에 직접 저장되는 축열 운전모드, PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가 히트펌프부(15)를 거쳐 부하측 버퍼탱크(19)에 저장되는 히트펌프 운전모드, 히트펌프부(15)의 응축 열교환기(13)가 증발기로 사용되고, 제 1증발 열교환기(8)는 응축기로 사용되어, 제 2증발 열교환기(9)의 제상에 사용되는 제상 운전모드로 작동되되, 상기 축열 운전모드, 히트펌프 운전모드, 제상 운전모드는 각각 또는 2개 이상이 복합적으로 작동가능한 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 축열 운전모드는 상기 PVT 집열기(1)의 열에너지가, 축열 순환펌프(4)를 통한 수열원의 순환으로 PCM 축열조(6)에 저장되는 제 1축열 운전모드; 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 축열 운전모드는 상기 PVT 집열기(1)의 열에너지가, 축열 순환펌프(4)를 통한 수열원의 순환으로 PCM 축열조(6)에 저장되되, PCM 축열조(6)의 온도가 사전설정 축열온도를 초과하는 경우, PVT 집열기(1)와 PCM 축열조(6) 배관에 설치된 1차 삼방밸브(5)를 통해, 제 2축열 열교환기(16)로 수열원을 순환시켜, 상기 부하측 버퍼탱크(19)로 열에너지가 축열되도록 하는 제 2축열 운전모드;인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트펌프 운전모드는 상기 PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가, 증발펌프(7)를 통해 수열원으로 상기 히트펌프부(15)와 열교환되고, 상기 히트펌프부(15)는 부하측 버퍼탱크(19)와 열교환되면서 열에너지가 저장된 후 수요처에 공급되도록 하는 제 1히트펌프 운전모드; 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트펌프 운전모드는 상기 PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가, 증발펌프(7)를 통해 수열원으로 상기 히트펌프부(15)와 열교환되고, 상기 히트펌프부(15)는 부하측 버퍼탱크(19)와 열교환되면서 열에너지가 저장된 후 수요처에 공급되도록 하되, 상기 PCM 축열조(6)가 사전설정 축열온도에서 사전설정 제 1하강온도까지 낮아진 경우, 상기 히트펌프부(15)에 설치된 공기/물 삼방밸브(12)를 통해, 상기 히트펌프부(15)에 제 2증발 열교환기(9)를 통한 공기열원이 동시에 공급되어, 열에너지가 부하측 버퍼탱크(19)에 저장된 후 수요처에 공급되도록 하는 제 2히트펌프 운전모드; 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트펌프 운전모드는 상기 PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가, 증발펌프(7)를 통해 수열원으로 상기 히트펌프부(15)와 열교환되고, 상기 히트펌프부(15)는 부하측 버퍼탱크(19)와 열교환되면서 열에너지가 저장된 후 수요처에 공급되도록 하되, 상기 PCM 축열조(6)가 사전설정 축열온도에서 사전설정 제 2하강온도까지 낮아진 경우, 상기 증발펌프(7)를 OFF시켜 PCM 축열조(6)의 열에너지 공급을 차단한 후, 상기 히트펌프부(15)에 설치된 공기/물 삼방밸브(12)를 통해, 상기 히트펌프부(15)에 제 2증발 열교환기(9)를 통한 공기열원만이 사용되어, 열에너지가 부하측 버퍼탱크(19)에 저장된 후 수요처에 공급되도록 하는 제 3히트펌프 운전모드; 인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제상 운전모드는 상기 PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가, 증발펌프(7)를 통해 수열원으로 상기 히트펌프부(15)와 열교환되고, 상기 히트펌프부(15)는 부하측 버퍼탱크(19)와 열교환되면서 열에너지가 저장된 후 수요처에 공급되도록 하되, 상기 응축 열교환기(13)가 증발기로 사용되고, 제 1증발 열교환기(8)는 응축기로 사용되어, 제 2증발 열교환기(9)의 제상에 사용되도록 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제상 운전모드는 상기 PCM 축열조(6)의 열에너지를 증발열원으로 사용하지 않고, 상기 제 2축열 열교환기(16)를 통해 PVT 집열기(1)의 열에너지를 직접 사용하거나, PVT 집열기(1)의 열에너지를 사용할 수 없는 기상상태인 경우에는 부하측 버퍼탱크(19)에 저장된 열에너지를 사용함으로써, 상기 PCM 축열조(6)의 축열된 열에너지를 제상운전에 사용함에 따라, 부하측 버퍼탱크(19)의 온도가 낮아져 수요처의 난방에너지가 손실되는 것을 방지하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 1 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명은 PVT 집열기(Photovoltaic-thermal, 태양광-태양열 복합패널)(1)와 히트펌프 시스템으로 구성된 것으로서, PVT 집열기(1)는 에너지 절약을 위한 복합형 기기로써 발전과 함께 열에너지를 발생할 수 있는 시스템으로, 그 형태는 크게 공기식(PVT-A) 과 액체식(PVT-W)로 구분할 수 있으며, 본 발명에서는 PVT-W 형태의 모듈을 사용한다.
이러한 모듈은 열에너지와 전력에너지를 동시에 생산할 수 있어 공간을 절약할 수 있기에 최근 관심이 높은 제품이다. 또한 기존 태양열집열기와 비교시 열에너지 변환 효율이 낮기 때문에 소비자들이 유효하게 에너지를 활용하기 위해서는 시스템적인 접근이 필요하며, 본 발명에서는 이러한 시스템적인 부분을 도면 1 내지 도 6과 같이 시스템을 구성하여, 각종 열교환기, 밸브, 히트펌프부(15), PCM 축열조(6) 등을 배관으로 구성하여 적절한 제어를 통해, 에너지의 효율을 높이고 시스템의 안정성을 높일 수 있게 한 것이다.
본 발명에 따른 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템에 사용되는 구성을 우선 설명하도록 한다.
1. PVT 집열기(1)(PVT-W 모듈) : 전력 및 열에너지를 생산하는 집열판으로 전력은 계통에 연계된다.
2. 태양광 접속반(2) : PVT 집열기(1)에서 생산한 전력을 접속하여 인버터에 연결하는 장치이다.
3. DC-AC 인버터(3) : PVT 집열기(1)에서 생산한 전력(DC)를 AC로 전환하여 전력계통에 연결 가능토록 하는 장치이다. 본 발명에서는 태양광 접속반(2)과 함께 전력공급부(2')라 명명한다.
4. 축열 순환펌프(4): PVT 집열기(1)에서 생산된 열에너지를 PCM 축열조(6)에 저장하기 위한 순환펌프이다.
5. 1차 삼방밸브(5) : PVT 집열기(1)의 온도에 따라 축열의 방향을 변경하는 3방향 밸브로, 온도가 낮을 때는 PCM 축열조(6)에, 온도가 높을 경우에는 제 2축열 열교환기(16)쪽으로 작동한다.
6. PCM 축열조(6) : 내부에 PCM Ball을 활용하여 PVT 집열기(1)의 동작온도에 따라 PCM Ball의 장열에너지를 활용하여 시스템의 효율을 높히는 것이다.(본 시스템의 PCM 물질은 물이 사용된다.)
7. 증발펌프(7) : PCM 축열조(6)에 축열된 열에너지를 제 1증발 열교환기(8)로 이송하는 펌프로, 그 작동 유무에 따라 제 1증발 열교환기(8) 열원의 공급과 중단을 제어할 수 있다.
8. 제 1증발 열교환기(8) : 히트펌프부(15)에 연결된 열교환기로 히트펌프부(15)의 증발부에 열원을 공급한다. 형식은 물-냉매 열교환기이며 판형 열교환기의 형태을 가진다. PCM 축열조(6)와 순환되는 형태로 연결되어 있는 증발펌프(7)의 동작 유,무에 따라 에너지의 공급,차단이 결정된다.
9. 제 2증발 열교환기(9) : 히트펌프부(15)에 연결된 열교환기로 히트펌프부(15)의 증발부에 열원을 공급한다. 형식은 공기-냉매 열교환기이며 핀-코일형 열교환기이며, 외기환경 및 PCM 축열조(6)의 온도에 따라, 히트펌프부(15) 회로상(연결라인)에 설치된 공기/물 삼방밸브(12)의 절환으로 작동과 정지가 결정된다.
10. 사방밸브(10) : 통상의 공기식 히트펌프 시스템의 경우와 마찬가지로, 절환에 따라 냉매의 방향이 절환되어 증발부와 응축부의 방향을 전환할 수 있다. 본 시스템에서는 냉방 및 난방 절환 혹은 제상운전시 작동한다.
11. 압축기(11) : 히트펌프부(15)의 냉매를 압축하는 용도의 기계장치이다.
12. 공기/물 삼방밸브(12) : 증발부(제 1증발 열교환기(8))의 열에너지원의 공급원을 절환하는 장치로, 본 시스템에서는 이 장치와 증발펌프(7)의 작동에 따라 세가지 증발운전 모드로 작동 시킬 수 있는 특징이 있다.
13. 응축 열교환기(13) : 히트펌프부(15)에 연결된 열교환기로, 히트펌프부(15)의 응축부에 열에너지를 공급한다. 형식은 물-냉매 열교환기이며 판형 열교환기의 형태이다.
14. 제 2축열 열교환기(15) : PVT 집열기(1)의 온도가 높은 경우, 부하측 버퍼탱크(19)에 열에너지를 직접 축열하기 위한 열교환로로, 물-물 열교환기이며 판형 열교환이다.
15. 2차 삼방밸브(17) : 부하측 버퍼탱크(19)배관에 연결되어 축열에너지를 절환하기 위한 용도이며, 응축 열교환기(13)와 제 2축열 열교환기(16)에 선택적으로 개폐 할 수 있다.
16. 부하측 버퍼탱크(19) : 히트펌프부(15)(PVT 집열기(1))에서 생산된 열에너지를 축열하고 부하측에 공급할 수 있는 축열조의 역할을 하는 탱크이며, 온수 혹은 냉수를 축열한다.
하기에서는 본 발명의 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템의 운전모드에 대해 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에서 히트펌프의 기본적인 작동 싸이클은 기존 히트펌프 작동싸이클과 유사하며, 다만 집열기(PVT-W) 모듈에서 획득된 열에너지를 활용하는 부분에 있어 기존기술과 구별되는 특이점을 갖고 있다.
본 발명의 작동 싸이클은 도 1 내지 도 6과 같이, 6가지 동작 회로로 구성될 수 있으며 각 작동 회로는 독립적으로 작동되는 특징이 있다.
축열 운전모드 2가지(축열 제 1운전모드, 축열 제 2운전모드), 히트펌프 운전모드 3가지(히트펌프 제 1운전모드, 히트펌프 제 2운전모드, 히트펌프 제 3운전모드), 제상 운전모드 1가지의 모드를 갖고 있으며 이들 각 모드의 동작은 독립적으로 동작한다.
1. Mode 1 : 열원탱크 축열모드 (축열 제 1운전모드)
날씨가 맑은날 집열된 열에너지에 의해 열매체 회로의 온도가 상승하며, PVT 집열기(1)의 온도가 PCM 축열조(6) 온도보다 일정온도 이상일 경우, PCM 축열조(6)와 연결된 배관에 설치된 축열 순환펌프(4)의 동작에 의해, 물이 PVT 집열기(1)에서 PCM 축열조(6)로 순환하며 열에너지를 PCM 축열조(6)에 축열하는 과정이다.
이 경우 PCM 축열조(6) 온도에 따라 잠열축열구간과 현열축열 구간으로 구분되며, PCM 축열조(6) 온도가 0도 내외에서는 잠열 축열구간으로 PCM Ball의 얼음이 물로 상변화하면서 에너지를 축열하는 과정을 가진다. 순환회로의 물질은 열매체로 통상 에틸렌글리콜이나 프로필렌 글리콜 30 ~ 50% 농도의 수용이 사용된다.
2. Mode 2 : 부하탱크 축열모드 (축열 제 2운전모드)
날씨가 맑은날 상기의 열원탱크 축열모드(축열 제 1운전모드)의 작동에 의해 PCM 축열조(6)의 온도가 충분히 가열된 (통상 50℃내외) 이후, PVT 집열기(1)와 PCM 축열조(6)를 순환연결하는 배관에 설치된 1차 삼방밸브(5)의 작동회로가 제 2축열 열교환기(16) 측으로 열리면서, 부하측 버퍼탱크(19)로 열에너지를 축열하는 과정을 갖는다.
3. Mode 3 : 태양열 히트펌프 모드 (히트펌프 제 1운전모드)
태양열 히트펌프 모드는 히트펌프의 싸이클로써,
압축기(11) --> 사방밸브(10) --> 응축 열교환기(13) --> 팽창밸브(14) --> 제 1증발 열교환기(8) 순으로 냉매(R410) 순환이 이루어진다.
그리고 증발 열교환기는 제 1증발 열교환기(8)쪽으로 회로가 열리며, 이 때 증발펌프(7)의 동작으로 PCM 축열조(6)의 열에너지를 이송하며, 이 에너지를 냉매 증발열원으로 사용한다. 또한 이와 동시에 응축 열교환기(13)에서 발생하는 응축열은 응축펌프(18)의 작동에 의해 부하측 버퍼탱크(19)에 축열한다.
즉, 제 1증발 열교환기(8)에서는 냉매가 PCM 축열조(6)의 열에너지(물)와 열교환되고, 응축 열교환기(13)에서는 냉매가 부하측 버퍼탱크(19)를 순환하는 물과 열교환되어, PCM 축열조(6)의 열에너지가 히트펌프부(15)를 거쳐 부하측 버퍼탱크(19)에 축열될 수 있도록 한 것이다.
이 모드는 PCM 축열조(6)의 에너지량에 따라서 제어되며, 이 에너지량은 PCM 축열조(6)의 온도 및 외기온도에 따라서 제어한다.
4. Mode 4 : 태양열 + 공기열원 히트펌프 모드 (히트펌프 제 2운전모드)
태양열 + 공기열원 히트펌프 모드는 히트펌프의 싸이클로써,
전술된 히트펌프 제 1운전모드 구동시, 제 2증발 열교환기(9)를 동시 구동하여, 태양열과 공기열원을 동시에 사용할 수 있도록 한 것이다.
압축기(11) --> 사방밸브(10) --> 응축 열교환기(13) --> 팽창밸브(14) --> 제 1증발 열교환기(8)--> 제 2증발 열교환기(9) 순으로 냉매(R410) 순환이 이루어진다.
이 때 증발펌프(7)의 동작으로 PCM 축열조(6)의 열에너지를 이송하며 제 2증발 열교환기(9)는, 히트펌프부(15)의 배관에 설치된 공기/물 삼방밸브(12)의 동작에 의해 개로하며 증발기에 설치된 팬의 동작에 의해 공기열에너지를 활용한다. 또한 이와 동시에 응축 열교환기(13)에서 발생하는 응축열은, 부하측 버퍼탱크(19)에 연결설치된 배관의 응축펌프(18) 작동에 의해 부하측 버퍼탱크(19)에 축열한다.
이 모드는 PCM 축열조(6)의 에너지량에 따라서 제어되며, 이 에너지량은 PCM 축열조(6)의 온도 및 외기온도에 따라서 제어한다.
5. Mode 5 : 공기열원 히트펌프 모드 (히트펌프 제 3운전모드)
공기열원 히트펌프 모드는 히트펌프의 싸이클로써,
상기 히트펌프 제 2운전모드(Mode 4)와 회로의 싸이클은 동일하며, 제 1증발 열교환기(8)측으로 태양열 에너지를 공급하는 축열 순환펌프(4)를 정지시킴으로써 에너지를 차단한다.
작동 싸이클은 압축기(11) --> 사방밸브(10) --> 응축 열교환기(13) --> 팽창밸브(14) --> 제 1증발 열교환기(8)--> 제 2증발 열교환기(9) 순으로 냉매(R410) 순환이 이루어진다. 이 때 제 2증발 열교환기(9)에 PCM 축열조(6)의 열에너지를 전달하는 증발펌프(7)도 정지한다.
상기 제 2증발 열교환기(9)는 공기-/물 삼방밸브의 동작에 의해 개로하며 증발기에 설치된 팬의 동작에 의해 공기열에너지를 활용한다. 또한 이와 동시에 응축 열교환기(13)에서 발생하는 응축열은, 응축펌프(18)의 작동에 의해 부하측 버퍼탱크(19)에 축열한다.
이 모드는 PCM 축열조(6)의 에너지량에 따라서 제어되며, 이 에너지량은 PCM 축열조(6)의 온도 및 외기온도에 따라서 제어한다.
6. Mode 6 : 제상모드 (제상 운전모드)
제상모드는 제2 증발 열교환기의 열교환기가 외기온도 및 습도의 영향으로 열교환기 표면에 성애가 끼는 현상을 해소하기 위한 목적의 운전 모드로, 통한의 공기열히트펌프 시스템에서 필요한 운전모드이다.
작동 싸이클은 압축기(11) --> 사방밸브(10) --> 제 2증발 열교환기(9)(응축기로 작동된다.) --> 제 1증발 열교환기(8) --> 팽창밸브(14) --> 응축 열교환기(13)(증발기로 작동된다.) 순으로 냉매(R410)가 순환한다.
통산의 히트펌프 시스템의 제상 싸이클과 구별되는 부분은, 제상열원의 공급 방식에 있어 차별화된 점에 있다. 통산의 제상열원과 달리, 경우에 따라 태양열 집열기의 열에너지를 제상싸이클로 직접 활용할 수 있도록, 응축펌프(18)가 구비된 부하측 버퍼탱크(19)의 관로와 연결된 상기 제 2축열 열교환기(16)를 통해서, PVT 집열기(1)의 열에너지를 직접 활용할 수 있으며, 기상상태(외기조건 및 PVT 집열기(1) 온도)에 따라 부하측 버퍼탱크(19)의 열에너지를 열원으로 활용할 수 있다.
즉, 본 시스템 제상의 장점은, 태양열 집열기의 에너지를 활용하므로 부하측 버퍼탱크(19)의 에너지 손실을 줄일 수 있고, 제상싸이클 운전에 따른 난방저하의 문제를 해소할 수 있다는 것이다.
상기와 같은 전술된 각 싸이클(축열 운전모드 2가지(축열 제 1운전모드, 축열 제 2운전모드), 히트펌프 운전모드 3가지(히트펌프 제 1운전모드, 히트펌프 제 2운전모드, 히트펌프 제 3운전모드), 제상 운전모드)은 각각 독립적으로 제어되므로, 축열 운전모드와 히트펌프 운전모드, 축열 운전모드와 제상 운전모드 등은 독립적으로 작동하므로, 사용자의 다양한 실시예에 따라, 각 운전모드들은 각각 혹은 2개 이상이 동시에 작동되도록 할 수 있음이다.
또한 태양열 일사량이 존재하는 시간에는 축열 운전과 더불어, PVT 집열기(1)(PVT-W 모듈)에서 생산되는 전력에너지를 계통에 연계되어 전력을 생산한다. 이는 기존 PVT 모듈의 작동과 동일한 개념으로 별도의 설명은 생략한다. 이 경우 생산된 전력은 계통에 연결되어 히트펌프 시스템의 가동 전력에도 사용되므로, 히트펌프부(15)의 작동에 따른 사용 전력에너지의 절감이 가능하다.
즉, 본 발명은
열원부로는 PVT 집열기(PVT-W 모듈) 및 제 2증발 열교환기(9)(공기열 열교환기), 히트펌프부(15)(히트펌프 시스템)을 사용하여, 열원부에서 생산된 열에너지를 활용하여 히트펌프 운전싸이클을 통해 열에너지를 축열하여 난방 및 급탕( 또는 낸방)에 활용하는 기술이다.
이를 위해 집열부(PVT 집열기(1), PCM 축열조(6)), 히트펌프부(15), 다수의 열교환부, 배관 및 PCM 축열조(6)로 구성된 시스템으로 구성된다. 특히 증발회로는 증발 열교환배관에 1차 삼방밸브(5)(3방향 절환 밸브)를 설치하여, 증발부 배관을 태양열 단독배관 회로(제 1축열 운전모드) 혹은 태양열 및 공기열 직렬배관회로(제 1, 2, 3히트펌프 운전모드)로 운전할 수 있도록 구성하고, PCM 축열조(6)의 온도에 따라서 PCM 축열조(6) 온도가 사전설정 축열온도 이상 높은 경우에는, 태양열 단독운전 모드로 동작(제 2축열 운전모드)하며 에너지를 공급하는 것이다.
상기 제 1히트펌프 운전모드의 운전이 계속됨에 따라 PCM 축열조(6) 온도가 하강하게 되고 사전설정 제 1하강온도에 도달하면(낮아지게 되면), 공기/물 삼방밸브(12)의 절환에 의해 태양열 및 공기열 직렬회로로 변경되며, 제 1증발 열교환기(8)를 통해서 태양열에서 공급한 열에너지를 일차적으로 공급하고, 부족한 열에너지는 제 2증발 열교환기(9)(공기열 열교환기)를 통해서 공급하게 된다.(제 2히트펌프 운전모드)
상기 제 2히트펌프 운전모드의 지속적인 운전 혹은 태양열에너지의 상태에 따라 점점 하강하는 PCM 축열조(6) 온도가 사전설정 제 1하강온도(2차 설정온도 이하)에 도달하게 되면, 더 이상 PCM 축열조(6)의 에너지는 의미가 없으므로, 동작 회로는 그대로 둔채 PCM 축열조(6)에 연결된 증발펌프(7)의 동작을 정지시킴으로써 PCM 축열조(6)의 열에너지 공급을 차단한다. 이러한 방법으로 운전함으로써 태양열 PCM 축열조(6)의 에너지를 최대한 활용할 수 있다.(제 3히트펌프 운전모드)
통산 기존 시스템 대비 5℃ 가량 더 낮은 에너지까지 활용할 수 있기에 히트펌프의 효율을 높일 수 있다. 또한 집열기의 경우 작동온도가 낮아지면서 집열기 효율이 기존대비 5 ~ 10% 가량 높아지는 특징이 있다.
제상 운전모드의 경우에도 기존 시스템은 축열된 열에너지를 활용함으로 인해 부하 축열조의 온도를 낮추어 난방에너지 손실을 가져올 수 있었다. 하지만 본 시스템의 제상 운전모드에서는 제상운전 싸이클 전환시 PVT 집열기의 열에너지를 활용하여 증발열원으로 활용하기에 부하측 버퍼탱크(19)의 에너지를 절약할 수 있다.
또한 시스템에 적용된 PVT 집열기 모듈은 발전량 3kW급으로 전력을 생산할 수 있기에 히트펌프 시스템의 소요전력 2 ~ 5kW에 비하여 상당한 전력 에너지를 생산하므로 계통연계를 통해 일평균 20~100%의 소요 전력을 절감할 수 있는 특징이 있어 환경친환적인 에너지 설비가 되는 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.
1: PVT 집열기 2: 태양광 접속반
2' : 전력공급부 3: DC-AC 인버터
4: 축열 순환펌프 5: 1차 삼방밸브
6: PCM 축열조 7: 증발펌프
8: 제 1증발 열교환기 9: 제 2증발 열교환기
10: 사방밸브 11: 압축기
12: 공기/물 삼방밸브 13: 응축 열교환기
14: 팽창밸브 15: 히트펌프부
16: 제 2축열 열교환기 17: 2차 삼방밸브
18: 응축펌프 19: 부하측 버퍼탱크

Claims (8)

  1. 태양에너지를 통해 전력 및 열에너지가 생산되는 PVT 집열기(1);
    상기 PVT 집열기(1)에서 생산된 전력이 사용처에 공급되는 전력공급부(2');
    상기 PVT 집열기(1)에서 생산된 열에너지가 축열 순환펌프(4)를 통해 저장되는 PCM 축열조(6);
    압축기(11), 사방밸브(10), 응축 열교환기(13), 팽창밸브(14), 제 1증발 열교환기(8)를 냉매가 순차적으로 순환하여, 제 1증발 열교환기(8)를 통해 PCM 축열조(6)에 축열된 열에너지와 열교환되는 히트펌프부(15);
    상기 히트펌프부(15)에 연결되어, 공기와의 열교환을 통해 공기열원을 생산하는 제 2증발 열교환기(9);
    상기 히트펌프부(15)의 응축 열교환기(13)와 열교환되어, 수요처에 공급되기 위한 열에너지가 저장되는 부하측 버퍼탱크(19);
    상기 PVT 집열기(1)의 열에너지가, 상기 히트펌프부(15)를 거치지 않고, 열교환을 통해 부하측 버퍼탱크(19)에 직접 전달되어 저장되도록 하는 제 2축열 열교환기(16); 로 이루어져,
    상기 PVT 집열기(1)의 열에너지가 PCM 축열조(6) 또는 부하측 버퍼탱크(19)에 직접 저장되는 축열 운전모드, PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가 히트펌프부(15)를 거쳐 부하측 버퍼탱크(19)에 저장되는 히트펌프 운전모드, 히트펌프부(15)의 응축 열교환기(13)가 증발기로 사용되고, 제 1증발 열교환기(8)는 응축기로 사용되어, 제 2증발 열교환기(9)의 제상에 사용되는 제상 운전모드로 작동되되,
    상기 축열 운전모드, 히트펌프 운전모드, 제상 운전모드는 각각 또는 2개 이상이 복합적으로 작동가능하며,
    상기 축열 운전모드는
    상기 PVT 집열기(1)의 열에너지가, 축열 순환펌프(4)를 통한 수열원의 순환으로 PCM 축열조(6)에 저장되는 제 1축열 운전모드; 또는
    상기 PVT 집열기(1)의 열에너지가, 축열 순환펌프(4)를 통한 수열원의 순환으로 PCM 축열조(6)에 저장되되, PCM 축열조(6)의 온도가 사전설정 축열온도를 초과하는 경우, PVT 집열기(1)와 PCM 축열조(6) 배관에 설치된 1차 삼방밸브(5)를 통해, 제 2축열 열교환기(16)로 수열원을 순환시켜, 상기 부하측 버퍼탱크(19)로 열에너지가 축열되도록 하는 제 2축열 운전모드;
    인 것을 특징으로 하는 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 히트펌프 운전모드는
    상기 PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가, 증발펌프(7)를 통해 수열원으로 상기 히트펌프부(15)와 열교환되고, 상기 히트펌프부(15)는 부하측 버퍼탱크(19)와 열교환되면서 열에너지가 저장된 후 수요처에 공급되도록 하는 제 1히트펌프 운전모드;
    인 것을 특징으로 하는 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 히트펌프 운전모드는
    상기 PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가, 증발펌프(7)를 통해 수열원으로 상기 히트펌프부(15)와 열교환되고, 상기 히트펌프부(15)는 부하측 버퍼탱크(19)와 열교환되면서 열에너지가 저장된 후 수요처에 공급되도록 하되,
    상기 PCM 축열조(6)가 사전설정 축열온도에서 사전설정 제 1하강온도까지 낮아진 경우,
    상기 히트펌프부(15)에 설치된 공기/물 삼방밸브(12)를 통해, 상기 히트펌프부(15)에 제 2증발 열교환기(9)를 통한 공기열원이 동시에 공급되어, 열에너지가 부하측 버퍼탱크(19)에 저장된 후 수요처에 공급되도록 하는 제 2히트펌프 운전모드;
    인 것을 특징으로 하는 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 히트펌프 운전모드는
    상기 PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가, 증발펌프(7)를 통해 수열원으로 상기 히트펌프부(15)와 열교환되고, 상기 히트펌프부(15)는 부하측 버퍼탱크(19)와 열교환되면서 열에너지가 저장된 후 수요처에 공급되도록 하되,
    상기 PCM 축열조(6)가 사전설정 축열온도에서 사전설정 제 2하강온도까지 낮아진 경우,
    상기 증발펌프(7)를 OFF시켜 PCM 축열조(6)의 열에너지 공급을 차단한 후,
    상기 히트펌프부(15)에 설치된 공기/물 삼방밸브(12)를 통해, 상기 히트펌프부(15)에 제 2증발 열교환기(9)를 통한 공기열원만이 사용되어, 열에너지가 부하측 버퍼탱크(19)에 저장된 후 수요처에 공급되도록 하는 제 3히트펌프 운전모드;
    인 것을 특징으로 하는 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제상 운전모드는
    상기 PCM 축열조(6)에 저장된 열에너지가, 증발펌프(7)를 통해 수열원으로 상기 히트펌프부(15)와 열교환되고, 상기 히트펌프부(15)는 부하측 버퍼탱크(19)와 열교환되면서 열에너지가 저장된 후 수요처에 공급되도록 하되,
    상기 응축 열교환기(13)가 증발기로 사용되고, 제 1증발 열교환기(8)는 응축기로 사용되어, 제 2증발 열교환기(9)의 제상에 사용되도록 하는 것을 특징으로 하는 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템.
  6. 제 1항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 제상 운전모드는
    상기 PCM 축열조(6)의 열에너지를 증발열원으로 사용하지 않고,
    상기 제 2축열 열교환기(16)를 통해 PVT 집열기(1)의 열에너지를 직접 사용하거나, PVT 집열기(1)의 열에너지를 사용할 수 없는 기상상태인 경우에는 부하측 버퍼탱크(19)에 저장된 열에너지를 사용함으로써,
    상기 PCM 축열조(6)의 축열된 열에너지를 제상운전에 사용함에 따라, 부하측 버퍼탱크(19)의 온도가 낮아져 수요처의 난방에너지가 손실되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 PVT 집열기 연계 태양열 히트펌프 시스템.
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