KR102449269B1 - 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템 및 이의 운전방법 - Google Patents

태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템 및 이의 운전방법 Download PDF

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Abstract

본 실시예들에 의하면, 태양열 및 실내공기를 냉각하는 히트펌프에서 발산되는 열을 이용하여 제습로터의 재생을 수행함으로써 냉각과 함께 보다 효과적인 제습을 수행할 수 있으며, 또한 태양열에 의해 가열된 외기를 실내공간으로 공급하여 환기 및 난방을 수행할 수 있다.

Description

태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템 및 이의 운전방법{System for dehumidification, ventilation and heating-cooling using solar heat and air heat, and operation method of the same}
본 실시예들은 제습, 환기 및 냉난방 시스템 및 이의 운전방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템 및 이의 운전방법에 관한 것이다.
일반적으로, 제습 냉방 시스템은 고온에 의해 재생되는 제습로터를 구비하여 실내공기는 제습로터의 일측을 지나면서 고온 저습의 상태가 되도록 하고, 고온 저습의 실내공기는 다시 소정의 냉각기를 거치면서 저온 저습한 상태가 되도록 하여 최종적으로 실내에 공급한다.
이러한 제습 냉방 시스템에 구비된 제습로터의 재생에는 외부 열을 공급받아 구동하는 소정의 재생장치가 사용되며, 따라서 상기 재생장치에의 열 공급은 시스템 전체의 에너지 효율과 연계된다.
종래에는 태양열을 에너지원으로 하고 예를 들어 온수 등을 이용하여 상기 재생장치에 열을 공급하는 시스템이 있었는데, 태양열에만 의할 경우 효과적인 제습을 수행하기 어려운 문제가 있다.
본 실시예들은 전술한 배경에서 안출된 것으로서, 태양열 및 실내공기를 냉각하는 히트펌프에서 발산되는 열을 이용하여 제습로터의 재생을 수행함으로써 냉각과 함께 보다 효과적인 제습을 수행할 수 있으며, 또한 태양열에 의해 가열된 외기를 실내공간으로 공급하여 환기 및 난방을 수행할 수 있는 시스템 및 이의 운전방법에 관한 것이다.
본 실시예들에 의하면, 외기가 공급되는 외기유로, 외기유로에 구비되는 제 1 열교환기 및 공조공간 내에 구비되는 제 2 열교환기를 포함하는 히트펌프, 외기유로로 공급된 외기에 의해 재생되며 공조공간의 공기를 제습하는 제습로터, 외기유로에 구비되어 외기를 가열하는 태양열 에너지 공급부를 포함하는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템이 제공될 수 있다.
또한, 본 실시예들에 의하면, 상기 시스템의 운전방법으로서, 제 1 열교환기는 응축기로 작동시키고 제 2 열교환기는 증발기로 작동시키며, 제습로터를 응축기 및 태양열 에너지 공급부에 의해 가열된 외기로 재생하며, 공조공간을 제습 및 냉방하는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템의 운전방법이 제공될 수 있다.
또한, 본 실시예들에 의하면, 상기 시스템의 운전방법으로서, 제 1 열교환기는 증발기로 작동시키고 제 2 열교환기는 응축기로 작동시키며, 태양열 에너지 공급부에 의해 가열된 외기를 공조공간으로 공급하여, 공조공간을 환기 및 난방하는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템의 운전방법이 제공될 수 있다.
본 실시예들에 의하면, 태양열 및 실내공기를 냉각하는 히트펌프에서 발산되는 열을 이용하여 제습로터의 재생을 수행함으로써 냉각과 함께 보다 효과적인 제습을 수행할 수 있으며, 또한 태양열에 의해 가열된 외기를 실내공간으로 공급하여 환기 및 난방을 수행할 수 있다.
도 1 내지 도 2는 본 실시예들에 의한 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3 내지 도 4는 본 실시예들에 의한 시스템의 개략적인 구성도이다.
이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.
구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.
구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.
한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.
도 1 내지 도 2는 본 실시예들에 의한 시스템의 개략적인 구성도, 도 3 내지 도 4는 본 실시예들에 의한 시스템의 개략적인 구성도이다.
먼저, 본 실시예들에 대한 명확하고 원활한 설명을 위하여 다음과 같이 용어를 정의한다. 이하, 외부로부터 공급되는 공기를 '외기(outdoor air, OA)'라 하고, 외부로 배출되는 공기를 배기(exhaust air, EA)라 하고, 실내로 공급되는 공기를 '급기(supply air, SA)'라 하고, 실내를 순환하는 공기를 내기(return air, RA)라 한다.
도 1을 참고하여 살펴보면, 본 실시예들에 의한 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템(100)은, 외기가 공급되는 외기유로(120), 외기유로(120)에 구비되는 제 1 열교환기(131) 및 공조공간(110) 내에 구비되는 제 2 열교환기(132)를 포함하는 히트펌프(130), 외기유로(120)로 공급된 외기에 의해 재생되며 공조공간(110)의 공기를 제급하는 제습로터(150), 및 외기유로(120)에 구비되어 외기를 가열하는 태양열 에너지 공급부(140)를 포함한다.
외기유로(120)로는 외기가 공급되며, 외기유로(120)에는 필터(160), 히트펌프(130)의 제 1 열교환기(131), 및 태양열 에너지 공급부(140)가 구비된다.
공조공간(110)은 제습, 환기 또는 냉난방이 수행되는 실내공간으로서, 공조공간(110)에는 필터(160) 및 히트펌프(130)의 제 2 열교환기(132)가 구비된다.
도면에는 생략되었으나 외기유로(120), 공조공간(110)에는 공기를 순환시키기 위한 팬이 구비될 수 있다.
히트펌프(130)는 외기유로(120)에 구비되는 제 1 열교환기(131) 및 공조공간(110) 내에 구비되는 제 2 열교환기(132)를 포함하며, 제 1 열교환기(131) 및 제 2 열교환기(132)가 응축기 또는 증발기로 작동함에 따라 외기와 내기 사이의 열교환이 수행된다.
제습로터(150)는 외기유로(120)로 공급된 외기에 의해 재생되며 공조공간(110)의 공기를 제습한다. 도면에는 제습로터(150)가 외기유로(120)에 구비되는 것으로 도시되어 있으나 이에 제한되지 않는다. 제습로터(150)로는 회전축을 중심으로 회전하며 일측이 고온의 공기에 의해 건조 재생되고 타측이 공기 중 수분을 흡착하며 제습하는 공지의 제습로터가 사용될 수 있으며, 제습로터의 구성 및 작동에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
태양열 에너지 공급부(140)는 태양열 집열기일 수 있으며, 또는 태양열 집열기에 의해 생산된 열이 공급되는 구성으로서 예를 들어 태양열 집열기에 의해 생산된 열이 축열탱크에 저장되고 축열탱크로부터 온수가 공급되는 구성일 수 있다. 태양열 에너지 공급부(140)는 태양열로부터 열을 생산하여 외기를 가열할 수 있는 것이면 족하며 본 실시예들을 제한하지 않는다.
본 실시예들에 의한 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템(100)은, 예를 들어 여름철에 실내공간을 제습 및 냉방하기 위한 모드로 작동될 수 있으며, 또한 예를 들어 겨울철에 실내공간을 환기 및 난방하기 위한 모드로 작동될 수 있다.
먼저, 본 실시예들에 의한 시스템(100)의 제습 및 냉방 작동에 대해 살펴보면, 제습로터(150)의 작동에 의해 내기의 습도가 낮춰지고, 제 1 열교환기(131)가 응축기로 작동하고 제 2 열교환기(132)가 증발기로 작동함에 따라 히트펌프(130)에 의해 내기의 온도가 낮춰지며, 저온 저습의 급기가 실내로 공급되게 된다.
외기유로(120)로 공급된 외기는 응축기 및 태양열 에너지 공급부(140)에 의해 가열된 후 제습로터(150)를 재생한다.
종래의 제습, 냉방 시스템 중에는 태양열을 이용하여 가열된 공기를 공급하여 제습로터의 재생을 수행하는 시스템이 있었는데, 제습로터를 재생하기 위한 공기를 태양열에 의하여만 가열하는 경우 높은 온도의 공기를 생성하기 어려워 제습로터가 충분히 건조 재생되지 못하고 따라서 제습효율이 저하되며, 특히 외기온도, 일사량 등의 외부요인에 의해 안정성이 떨어지는 문제가 있었다.
그러나, 본 실시예들에 의하면 제습로터(150)의 건조 재생을 위해 공급되는 외기가 태양열 에너지 공급부(140)뿐만 아니라 히트펌프(130)의 응축기에 의해 가열됨으로써 보다 고온의 공기를 생성할 수 있어 제습로터(150)의 제습효율이 향상되며, 특히 외부요인에 대한 영향이 적어 안정적으로 제습로터(150)에 의한 제습이 수행될 수 있게 된다.
즉, 종래의 시스템은 냉방 시 히트펌프에서 발생되는 열을 외부로 방출하였는데, 본 실시예들에 의한 시스템(100)에 의하면 냉방 시 히트펌프에서 발생되는 열을 제습로터의 재생에 사용함으로써 제습효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 제습로터(150)를 재생하기 위한 외기는 응축기로부터 열을 흡수한 후 태양열 에너지 공급부(140)에 의해 가열되는 것이 바람직하다. 즉, 외기유로(120)에서 태양열 에너지 공급부(140)는 외기의 경로상 제 1 열교환기(131)의 다음 순서에 배치되는 것이 바람직하다. 외기유로(120)로 공급된 외기는 응축기로 작동하는 제 1 열교환기(131)에 의해 1차로 가열되고 태양열 에너지 공급부(140)에 의해 2차로 가열된다. 따라서, 응축기로 작동하는 제 1 열교환기(131)의 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
한편, 도 2를 참고하여 살펴보면, 본 실시예들에 의한 시스템(100)은 내기의 온도를 낮추기 위한 냉각부(210)를 더 포함할 수 있다. 이러한 냉각부(210)는 예를 들어 간접증발기일 수 있다. 냉각부(210)는 제습로터(150)에 의해 습기가 제거된 내기의 온도를 낮출 수 있다. 도면에는 냉각부(210)가 외기유로(120)에 구비되는 실시예가 도시되어 있으나 이에 제한되지 않는다.
이어서, 도 3을 참고하여 살펴본다. 도 3은 본 실시예들에 의한 시스템(100)이 건물에 설치되는 일실시예를 도시한다.
외기유로(120)는 건물의 외부에 위치할 수 있으며, 외기유로(120)의 입구와 출구는 각각 댐퍼(315,312)에 의해 개폐될 수 있다. 입구와 출구의 사이에는 외기유로(120)를 제 1 유로(401) 및 제 2 유로(402)로 분리하기 위한 댐퍼(313), 그리고 제 1 유로(401)의 출구 및 제 2 유로(402)의 입구를 개폐하기 위한 댐퍼(314)가 구비될 수 있으며, 또한 벽면(300)에는 외기유로(120)와 공조공간(110)을 연결하는 댐퍼(311)가 구비될 수 있는데, 자세한 내용은 후술한다.
히트펌프(130)의 제 1 열교환기(131)와 제 2 열교환기(132)는 벽면(300)의 양측에 각각 구비되며, 제습로터(150)는 벽면(300)에 설치되어 외기유로(120) 및 공조공간(110)에 걸치게 구비될 수 있다.
따라서, 입구를 통해 외기유로(120)로 공급된 외기는 제 1 열교환기(131), 태양열 에너지 공급부(140), 제습로터(150)를 거쳐 출구를 통해 외부로 배출된다.
본 실시예들에 의한 시스템(100)의 제습 및 냉각 작동 시, 제 1 열교환기(131)가 응축기로 작동하고 제 2 열교환기(132)가 증발기로 작동하며 공조공간(110)이 냉방되고, 응축기로부터 열을 흡수한 후 태양열 에너지 공급부(140)에 의해 가열되며 한층 더 온도가 상승된 외기가 제습로터(150)를 건조 재생함에 따라 공조공간(110)의 습기가 제거된다. 이 때, 외기유로(120)와 공조공간(110)을 연결하는 댐퍼(311)는 닫힌 상태로 유지된다.
다음으로, 도 4를 참고하여 본 실시예들에 의한 시스템(100)의 환기 및 난방 작동에 대해 살펴본다.
벽면(300)에는 전술한 바와 같이 외기유로(120)와 공조공간(110)을 연결하는 댐퍼(311)가 더 구비되며, 댐퍼(311)가 개방되며 신선한 외기가 공조공간(110)으로 공급될 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나 댐퍼(311)를 통해 외기를 공급하기 위한 팬이 더 구비될 수 있다.
또한, 외기유로(120)는 입구와 출구 사이에 위치하는 댐퍼(313,314) 및 외기유로(120)와 공조공간(110)을 연결하는 댐퍼(311)에 의해 형성되는 제 1 유로(401) 및 제 2 유로(402)를 포함할 수 있다. 이 때, 외기유로(120)의 출구를 형성하는 댐퍼(312)는 폐쇄된다.
또한, 환기 및 난방 작동 시 제습로터(150)는 작동되지 않을 수 있으며, 따라서 제 2 유로(402)로 공급된 외기는 제습로터(150)를 통과하되 제습로터(150)는 공조공간(110)의 습기를 제거하지 않는다.
제 1 유로(401)와 제 2 유로(402)는 댐퍼(313)에 의해 공간적으로 분리되어, 제 1 유로(401)로 공급된 외기와 제 2 유로(402)로 공급된 외기는 서로 간섭되지 않는다.
제 1 유로(401)로 공급된 외기는 제 1 열교환기(131)를 거쳐 외부로 배출되며, 이 때 제 1 열교환기(131)는 증발기로 작동하고 제 2 열교환기(132)는 응축기로 작동함에 따라 공조공간(110)의 난방이 수행된다.
제 2 유로(402)로 공급된 외기는 태양열 에너지 공급부(140)를 거치고 외기유로(120)와 공조공간(110)을 연결하는 댐퍼(311)를 통해 공조공간(110)으로 공급된다. 제 2 유로(402)로 공급된 외기는 태양열 에너지 공급부(140)에 의해 가열될 수 있으며, 따라서 태양열 에너지 공급부(140)에 의해 가열된 외기가 공조공간(110)으로 공급되며 공조공간(110)의 난방이 수행될 수 있다. 도면에는 도시되지 않았으나 제 2 유로(402)를 통해 공조공간(110)으로 공급되는 외기를 필터링하기 위한 필터가 더 구비될 수 있다.
이하, 본 실시예들에 의한 시스템(100)의 운전방법에 대해 살펴본다.
본 실시예들에 의한 시스템(100)의 운전방법으로서, 제 1 열교환기(131)는 응축기로 작동시키고 제 2 열교환기(132)는 증발기로 작동시키며, 제습로터(150)를 응축기로 작동하는 제 1 열교환기(131) 및 태양열 에너지 공급부(140)에 의해 가열된 외기로 재생함으로써, 공조공간(110)을 제습 및 냉방할 수 있다.
또한, 제습로터(150)를 재생하는 외기는, 응축기로 작동하는 제 1 열교환기(131)로부터 열을 흡수한 후 태양열 에너지 공급부(140)에 의해 가열될 수 있다.
또한, 본 실시예들에 의한 시스템(100)의 운전방법으로서, 제 1 열교환기(131)는 증발기로 작동시키고 제 2 열교환기(132)는 응축기로 작동시키며, 태양열 에너지 공급부(140)에 의해 가열된 외기를 공조공간(110)으로 공급함으로써, 공조공간(110)을 환기 및 난방할 수 있다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 기술 사상의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템
110: 공조공간 120: 외기유로
130: 히트펌프 131: 제 1 열교환기
132: 제 2 열교환기 140: 태양열 에너지 공급부
150: 제습로터 160: 필터
210: 냉각부 300: 벽면
311-315: 댐퍼 401: 제 1 유로
402: 제 2 유로

Claims (7)

  1. 외기가 공급되는 외기유로;
    상기 외기유로에 구비되는 제 1 열교환기 및 공조공간 내에 구비되는 제 2 열교환기를 포함하는 히트펌프;
    상기 외기유로로 공급된 외기에 의해 재생되며 상기 공조공간의 공기를 제습하는 제습로터; 및
    상기 외기유로에 구비되어 상기 외기를 가열하는 태양열 에너지 공급부;
    를 포함하며,
    상기 외기유로와 상기 공조공간을 연결하는 댐퍼를 더 포함하고,
    상기 외기유로는, 상기 외기가 상기 제 1 열교환기를 거쳐 외부로 배출되는 제 1 유로 및 상기 외기가 상기 태양열 에너지 공급부를 거쳐 상기 댐퍼를 통해 상기 공조공간으로 공급되는 제 2 유로를 포함하는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기는 응축기로 작동하고 상기 제 2 열교환기는 증발기로 작동하며,
    상기 외기는 상기 응축기 및 태양열 에너지 공급부에 의해 가열된 후 상기 제습로터를 재생하는 것을 특징으로 하는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 외기는 상기 응축기로부터 열을 흡수한 후 상기 태양열 에너지 공급부에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 열교환기는 증발기로 작동하고 상기 제 2 열교환기는 응축기로 작동하는 것을 특징으로 하는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템.
  5. 제 1 항에 따른 시스템의 운전방법으로서,
    상기 제 1 열교환기는 응축기로 작동시키고 상기 제 2 열교환기는 증발기로 작동시키며,
    상기 제습로터를 상기 응축기 및 태양열 에너지 공급부에 의해 가열된 외기로 재생하며,
    상기 공조공간을 제습 및 냉방하는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템의 운전방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제습로터를 재생하는 외기는, 상기 응축기로부터 열을 흡수한 후 상기 태양열 에너지 공급부에 의해 가열되는 것을 특징으로 하는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템의 운전방법.
  7. 제 1 항에 따른 시스템의 운전방법으로서,
    상기 제 1 열교환기는 증발기로 작동시키고 상기 제 2 열교환기는 응축기로 작동시키며,
    상기 태양열 에너지 공급부에 의해 가열된 외기를 상기 공조공간으로 공급하여,
    상기 공조공간을 환기 및 난방하는 태양열과 공기열을 이용하는 제습, 환기 및 냉난방 시스템의 운전방법.
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