KR20130135581A - 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열 온수기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 보조 열원으로써 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기에 관한 것이다.
본 발명에 의할 경우 태양열을 이용할 수 없는 환경적 요인의 발생에도 불구하고 즉각적인 온수의 확보가 가능한 보조열원을 구비함으로써 지속적인 온수의 공급이 가능하고, 축열조 전체를 가열함이 없이 축열조 상부를 부분 가열함으로써 요구되는 온수를 부분적으로 확보할 수 있어 에너지를 절약할 수 있다.

Description

공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기{Water heater system using solar heat equipped with heat pump using air heat}

본 발명은 태양열 온수기에 관한 것으로 더욱 상세하게는 보조 열원으로써 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기에 관한 것이다.

일반적으로 태양열을 이용한 온수나 난방시스템은 석유나 석탄 또는 천연가스의 사용에 따른 화석연료의 낭비와 환경오염을 방지하기 위한 목적으로 그 에너지원이 무한에 가까운 태양열을 이용하여 실내의 난방과 온수의 공급을 수행할 수 있도록 한 것으로서, 그 보급 초기에는 태양열을 회수할 수 있는 시간이 주간에 한정되고 흐린 날씨나 우천시에는 태양열을 회수할 수 없게 되므로 태양열의 회수가 간헐적으로 이루어질 뿐만 아니라 그 집열밀도 또한 낮아 큰 에너지원으로 형성시킬 수 없다는 단점으로 인하여 그다지 널리 활용되지는 못하였으나, 최근에 들어서는 태양광선을 추적하면서 짧은 시간내에 태양열을 고밀도로 회수하여 그 열을 축적시킬 수 있는 기술이 발전함에 따라 태양열을 이용한 보일러시스템의 보급이 확산되고 있는 실정이다.

상기와 같이 태양열을 이용한 온수나 난방시스템은 그 설치장소와 설치방식에 따라 여러 가지의 형태로 나누어질 수 있으나 가장 대표적인 것으로는, 그 표면이 검은 동판 또는 구리 파이프 재질로 이루어지는 집열기를 투명한 뚜껑이 달린 상자에 넣어 지붕과 같이 태양열을 회수하기 용이한 장소에 설치하고, 상기 집열기의 내부로 열매체액을 순환시키기 위한 배관이 축열탱크의 내부에서 열교환기를 형성하도록 하며, 이 열교환기로부터 집열기로 연장되는 배관에는 열매체액의 순환을 위한 순환펌프가 설치된 구조로 이루어지는 것이다.

상기 열매체액은 물과 같은 잠열축열재를 이용할 수도 있고, 동절기에 열매체액이 동결되는 것을 방지하기 위하여 에틸렌 글리콜과 같은 부동액을 물과 50 : 50의 비율로 섞은 것을 사용할 수도 있으며, 상기 축열탱크의 내부에는 열매체액과의 열교환을 통하여 태양열을 흡수한 온수가 저장됨으로써 실내의 난방코일이나 급탕용 배관과 같이 난방과 급탕을 필요로 하는 장소로 온수를 공급할 수 있도록 되어 있다.

그러나 야간이나 흐린 날씨 또는 우천시와 같이 집열기로 태양열을 직접 흡수할 수 없는 기간이나, 집열기에서 흡수되는 태양열만으로는 난방이나 급탕용 온수를 요구하는 온도로 가열시키지 못할 경우 보조보일러를 사용하여 축열탱크에 저장된 온수를 가열시켜야 하는 데, 이는 본 시스템이 추구하는 화석연료의 사용을 최소화하는데 반하고, 화석연료나 전기를 이용해 축열조의 온수를 전체적으로 가열함에 따라 불필요한 에너지의 낭비를 초래하는 문제점이 있어왔다.

즉, 일시적으로 가용할 만큼의 온수를 상부에서 가열하고 이후 태양열을 이용한 온수의 확보가 가능한 경우라도, 보조열원은 축열조 전체를 가열하여 불필요한 에너지의 사용을 초래하는 문제점이 있어왔다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 태양열을 이용한 온수의 확보가 곤란한 경우 에너지 낭비를 최소화하는 보조열원을 제시함을 그 목적으로 하며, 비록 보조열원을 통해 온수를 확보하는 경우라도 요구되는 정도의 온수만을 확보할 수 있는 수단을 제시함을 그 목적으로 한다.

상기 목적은 본 발명에 따라, 열원을 통해 공급받은 열을 온수로 저장하는 축열부(100)와 상기 축열부(100)와 연동되어 열원을 전달하되, 태양광을 집열하기 용이한 각도로 구비되는 집열부(200) 및 상기 축열부(100)와 집열부(200)를 고정하고 지지하는 거치부(300)를 포함하여 구성되는 태양열 온수기에 있어서, 상기 축열부(200)는 열원으로부터 전달받은 열을 온수로 저장하는 축열조(160)를 구비하고 상기 축열조의 일단에 고온으로 인한 수증기의 발생에 대비하여 이를 배출하는 안전밸브(170)를 구비하며, 상기 축열조(160)의 내측 상단면에 온수의 온도를 측정할 수 있는 센서(도시하지 않음)를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기를 제시하고,

상기 축열조(160)의 일단에는 액화된 냉매가 공기 중의 열을 흡수하면서 증발하는 증발기(130)를 구비하고, 그 증발된 냉매를 압축하는 압축기(140)를 구비하며, 그 압축된 냉매는 응축기(150)를 통해 응축되며 상기 축열조(160)의 온수에 열을 공급하도록 구성되는 공기열 히트펌프를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기를 제시하며,

상기 응축기(150)는 상기 축열조(160)의 내측 상단면에 수밀하게 인입됨으로써 축열조의 상단면의 온수에 열을 공급하도록 구비됨을 특징으로 하는 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기를 제시함으로써 달성된다.

이에 의해, 본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 태양열을 이용할 수 없는 환경적 요인의 발생에도 불구하고 즉각적인 온수의 확보가 가능한 보조열원을 구비함으로써 지속적인 온수의 공급이 가능하고,

둘째, 축열조 전체를 가열함이 없이 축열조 상부를 부분 가열함으로써 요구되는 온수를 부분적으로 확보할 수 있어 에너지를 절약할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 측면도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 후면도로서 집열부를 생략한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 집열부와 축열부의 개략도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.

첨부된 도면은 본 발명의 예시적인 형태를 도시한 것으로, 이는 본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 제공되는 것일 뿐, 이에 의해 본 발명의 기술적인 범위가 한정되는 것은 아니다.

본 발명에 따른 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기는 도 1에 도시된 바와 같이, 열원을 통해 공급받은 열을 온수로 저장하는 축열부(100)와 상기 축열부(100)와 연동되어 열원을 전달하되, 태양광을 집열하기 용이한 각도로 구비되는 집열부(200) 및 상기 축열부(100)와 집열부(200)를 고정하고 지지하는 거치부(300)를 포함하여 구성된다.

상기 집열부는 통상적으로 금속판으로 열 흡수를 증진시키기 위하여 검게 칠을 한 열 전도성이 뛰어난 재료를 사용한 열 흡수판을 이용하고, 그 열 흡수판을 통해 흐르는 유체에 에너지가 전달되어 저장고로 운송된다. 또한, 집열기의 열 손실을 최소화하기 위하여 집열기 뒷면에 단열재를 부착함이 일반적이고, 집열기 내에 열을 받아들이는 곳에 빛의 단파장에 투과성이 좋으면서 장파장은 투과시키지 않는 재료를 사용하여 덮개를 설치한다.

이 같은 평판형 집열기는 실난방을 위해서 위도에 15°를 더한 경사각과 정남에서 남서방향의 방위각을 갖도록 설치함이 바람직하며, 개방 유하식 집열기, 공기식 집열기, 액체식 집열기 등을 요구되는 사항에 맞게 선택하여 적용할 수 있다.

한편, 상기 거치부(300)는 바닥에 고정되는 구조물로써 상기 집열부를 거치함과 동시에 축열조를 안치할 수 있도록 구비될 수 있다.

도 2에서는 본 발명의 일실시예에 따른 후면도로서 집열부를 생략한 도면을 도시한다. 도시된 바와 같이 축열부(200)는 열원으로부터 전달받은 열을 온수로 저장하는 축열조(160)를 구비하고 상기 축열조의 일단에 고온으로 인한 수증기의 발생에 대비하여 이를 배출하는 안전밸브(170)를 구비하며, 상기 축열조(160)의 내측 상단면에 온수의 온도를 측정할 수 있는 센서(도시하지 않음)를 더 포함하여 구성된다.

한편, 상기 축열조(160)의 일단에는 액화된 냉매가 공기 중의 열을 흡수하면서 증발하는 증발기(130)를 구비하고, 그 증발된 냉매를 압축하는 압축기(140)를 구비하며, 그 압축된 냉매는 응축기(150)를 통해 응축되며 상기 축열조(160)의 온수에 열을 공급하도록 구성되는 공기열 히트펌프를 포함하여 구성된다.

한편, 상기 응축기(150)는 상기 축열조(160)의 내측 상단면에 수밀하게 인입됨으로써 축열조의 상단면의 온수에 열을 공급하도록 구비된다. 이는 대류작용에 의해 고온의 물이 상단부에 머무는 점을 고려할 때 투입되는 열을 상단면의 물을 데우는 것에만 사용함으로써 축열조 전체의 물을 데우지 않고 부분적인 가열을 통해 필요한 온수를 얻을 수 있도록 하기 위함이다. 따라서 태양광을 이용할 수 있는 상태에 도달하면 축열조 전체의 물을 데울 수 있도록 한다.

한편, 상기 증발기(130)의 측단에는 팬모터(120)를 통해 구동되는 팬(110)을 구비한다. 이는 상기 증발기에 의해 대기중의 온도를 강제적으로 팬을 구동하여, 그 열을 증발기에서 빠르게 열교환시켜, 열교환된 열을 증발기에서 회수하여, 응축기의 응축열량을 높이고, 액압축을 방지하기 위해 설치된 장치이다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 집열부와 축열부의 개략도이다. 이를 통해 본 발명의 열전달 경로 및 온수의 획득에 관한 과정을 설명하고자 한다.

도시된 바와 같이 집열부(200)는 개방 유하식 집열기, 공기식 집열기, 액체식 집열기 중 어느 하나로 구성되어 태양열을 흡수하고 이에 따라 집열판에서 흡수된 열은 물이나 기타 열전달매체가 이동하는 열매체 투입관(210)을 통해 상기 축열조(160)의 열매체 투입공(180)에 연결되어 열을 전달하게 된다. 열을 전달한 열전달매체는 상기 축열조(160)의 열매체 방출공(181)을 통해 방출되어 이에 연결된 열매체 방출관(220)을 따라 집열부로 보내지게 되어 재차 열을 흡수하게 된다.

이 같은 과정을 통해 열을 흡수한 축열조의 온수는 필요에 따라 출수공(185)과 연결된 출수배관(183)을 따라 출수되고, 그 출수에 따라 비워진 만큼의 물이 입수공(184)과 연결된 입수배관(182)을 통해 유입된다.

상기한 과정은 태양열을 통한 집열이 이루어지는 경우에 온수의 획득과정을 설명한다. 그러나 기후의 영향이나 일몰 등으로 인해 태양열을 이용할 수 없는 경우가 문제되는데, 이 경우 축열조(160)의 내측 상단에 거치된 온도센서를 통해 일정온도 이하의 온수 온도를 감지하면, 공기열 히트펌프를 구동하게 된다. 그 구동에 따라 증발기(130)에서 흡수한 열을 함축한 냉매를 압축기를 통해 고온고압으로 압축하고 축열조 내에 수밀하게 인입된 응축기에서 온수로 열을 방출하면서 응축되게 한다. 이에 따라 공기 중의 열을 축열조 내에 전달할 수 있다.

물론, 이는 별도로 구비된 제어장치에 의해 자동으로 제어될 수 있음은 물론이며, 공기열 히트펌프의 구동에 요구되는 전력의 사용에 비해 보다 효율적인 열을 얻을 수 있다는 장점이 있다.

본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상의 범위에 포함되는 것은 자명하다.

100 : 축열부
110 : 팬 120 : 팬모터
130 : 증발기 140 : 압축기
150 : 응축기 160 : 축열조
170 : 안전밸브 180 : 열매체투입공
181 : 열매체 방출공
200 : 집열부
300 : 거치부

Claims (4)

1. 열원을 통해 공급받은 열을 온수로 저장하는 축열부(100)와 상기 축열부(100)와 연동되어 열원을 전달하되, 태양광을 집열하기 용이한 각도로 구비되는 집열부(200) 및 상기 축열부(100)와 집열부(200)를 고정하고 지지하는 거치부(300)를 포함하여 구성되는 태양열 온수기에 있어서,
   상기 축열부(200)는 열원으로부터 전달받은 열을 온수로 저장하는 축열조(160)를 구비하고 상기 축열조의 일단에 고온으로 인한 수증기의 발생에 대비하여 이를 배출하는 안전밸브(170)를 구비하며, 상기 축열조(160)의 내측 상단면에 온수의 온도를 측정할 수 있는 센서(도시하지 않음)를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 축열조(160)의 일단에는 액화된 냉매가 공기 중의 열을 흡수하면서 증발하는 증발기(130)를 구비하고, 그 증발된 냉매를 압축하는 압축기(140)를 구비하며, 그 압축된 냉매는 응축기(150)를 통해 응축되며 상기 축열조(160)의 온수에 열을 공급하도록 구성되는 공기열 히트펌프를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 응축기(150)는 상기 축열조(160)의 내측 상단면에 수밀하게 인입됨으로써 축열조의 상단면의 온수에 열을 공급하도록 구비됨을 특징으로 하는 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 증발기(130)의 측단에는 팬모터(120)를 통해 구동되는 팬(110)을 구비함을 특징으로 하는 공기열 히트펌프를 구비한 태양열 온수기.
   
   

Images