KR20170052780A - 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템 - Google Patents

태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 이는 태양열, 공기열 에너지를 1개의 복합열기 시스템으로 형성시키고, 이를 히트펌프의 열원으로 활용하여 히트펌프 시스템의 효율을 높이고 신재생에너지원을 보다 효율적으로 활용할 수 있는 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템으로써, 보다 상세하게는 하나의 복합집열기로 구성된 집열기와 연계하여 이들의 에너지를 선택적으로 획득하여 이들 에너지를 액체 매체를 통해 히트펌프 시스템과 연계하여 난방 및 냉방할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 복합집열기는 일사가 있는 경우에는 기존의 집열기와 마찬가지로 태양열 에너지를 획득하며, 일사량이 부족하거나 야간시에는 공기열 에너지를 획득할 수 있어 24시간 에너지 획득이 가능한 집열기에 관한 것이다.

Description

태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템{Hybrid heat pump system by using complex use of air heat and solar thermal}
본 발명은 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 이는 태양열, 공기열 에너지를 1개의 복합열기 시스템으로 형성시키고, 이를 히트펌프의 열원으로 활용하여 히트펌프 시스템의 효율을 높이고 신재생에너지원을 보다 효율적으로 활용할 수 있는 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템으로써, 보다 상세하게는 하나의 복합집열기로 구성된 집열기와 연계하여 이들의 에너지를 선택적으로 획득하여 이들 에너지를 액체 매체를 통해 히트펌프 시스템과 연계하여 난방 및 냉방할 수 있는 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명의 복합집열기는 일사가 있는 경우에는 기존의 집열기와 마찬가지로 태양열 에너지를 획득하며, 일사량이 부족하거나 야간시에는 공기열 에너지를 획득할 수 있어 24시간 에너지 획득이 가능한 집열기에 관한 것이다.
이는 다양한 적용 범위에 적용할 수 있는데 기존 집열기처럼 온수 급탕용으로 사용할 수 있음은 물론 일사가 없을 경우나 야간시에는 획득된 공기열 에너지를 히트펌프의 열원으로 이용하여 온수를 생산할 수 있어 집열기의 경제성 및 효율성이 획기적으로 높아지고, 집열기 내부에는 온도센서 및 이송팬이 내장되어 태양열 및 공기열의 선택적인 획득 할 수 있으며, 이러한 구조로 인해 하절기 집열기의 과열시 집열기 내의 고온 공기를 외부로 배출함으로써, 집열기를 냉각하여 과열에 의해 파손 등 집열기 내구성을 높일 수 있는 태양열 및 공기열을 복합 이용하는 하이브리드 태양열 집열기에 관한 것이며, 이를 냉난방시스템과 연계하여, 난방 및 냉방부하가 필요한 장소에 냉난방 열원을 공급하고자 하는 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.
대한민국 등록특허공보 제10-1084569호
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 태양열 에너지, 공기열 에너지를 동시에 또는 선택적으로 열원으로 활용할 수 있게 시스템을 구성하며 이를 위해 히트펌프 시스템과 연계하여 비교적 저온의 열원을 활용하여 부하에 대응할 수 있는 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은, 이들 열원을 회수함에 있어 열매체를 액체 방식을 적용하는데 이는 태양열 에너지와 공기열 에너지를 획득함에 있어 한가지 종류의 열매체를 사용함으로 인해 시스템을 간단하게 구성하는 히트펌프 시스템을 제공하고자 하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 복합집열기에서 얻어진 열에너지를 히트펌프 증발기의 열원으로 사용함에 있어 (특히 공기열 에너지의 활용의 경우) 겨울철에는 외기의 온도가 많이 저하되므로 증발부 또한 영하로 떨어지게 된다.
이럴 경우 히트펌프 시스템의 효율이 저하되고 기기에 무리가 따르게 된다. 이러한 문제를 해소하기 위해 본 기기의 증발부는 PCM(상변화 물질)을 사용하여 PCM 물질의 잠열을 활용하여 증발부에 에너지를 공급함으로써 증발부의 온도변화를 대폭 줄일 수 있어 히트펌프 시스템의 효율 향상과 기기의 내구성을 높일 수 있는 히트펌프 시스템을 제공하고자 하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상기 열원을 활용하여 에너지를 생산함에 있어 히트펌프의 일측에 별도의 수축열 방식을 적용하기 위해 독립된 버퍼 축열조를 둠으로써 열원과 부하의 불일치 문제를 해소하는 히트펌프 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, 케이스와, 상기 케이스의 내부에 구비되되 태양에너지를 집열하도록 유리판 하측에 형성되는 집열판과, 상기 집열판에 내부에 일체형으로 부착되어 집열판으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 다수개의 파이프와, 상기 다수개의 파이프 끝단부에 형성되어 파이프의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부 및 상기 집열판과 파이프와 헤더부를 받쳐주도록 하판 몸체의 하단부에 내장되는 단열재로 구성되며, 상기 집열판과 단열재 사이에는 공기가 이송되도록 공기 유로가 형성되고, 상기 케이스의 일단면에는 공기 유로와 연통되어 공기가 유입/유출되도록 유입구와 유출구가 각각 형성되며, 상기 유입구와 유출구에는 공기의 입출입을 제어하도록 슬롯형의 댐퍼가 설치되고, 상기 댐퍼의 개폐에 의해 케이스의 내부로 외부의 공기가 유입되어 열교환을 통해 공기열 에너지를 획득하거나 집열판의 냉각용으로 내부 공기를 방열하도록 형성된 복합집열기와; 상기 복합집열기와 연계되어 작동되도록 형성된 히트펌프와; 상기 복합집열기 또는 히트펌프와 연계되어 축열되는 축열조;로 이루어진 하이브리드 히트펌프 시스템은 다수개의 운전모드를 포함하도록 이루어진 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템을 제공하는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 태양열, 공기열을 동시 혹은 선택적으로 활용함으로써 에너지 효율을 높이고 신재생에너지의 단점중 하나인 부하 대응 능력에 있어 상기의 2가지 에너지를 복합 운영에 의해 어떠한 경우에도 부하에 적절하게 대응할 수 있는 효과를 제공하는데 있다.
이는, 복합집열기의 축열 에너지를 히트펌프 증발기 열원으로 직접 이용하므로 집열기의 운전 온도를 20°C 이상 떨어뜨려 전체 태양열 시스템의 효율을 25% 이상 높일 수 있는 효과를 제공하는데 있다.
또한 복합 집열기를 이용하여 전체 배관이 단순화 되고 제어요소가 단순화되어 시스템의 시공이 간소화고 비용이 절약되므로 보급 확대 가능한 효과를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 복합집열기의 부분 단면을 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명의 복합집열기의 나타낸 개략도.
도 3은 본 발명의 복합집열기의 하단부를 나타낸 사시도.
도 4는 본 발명의 태양열 직접 축열모드를 나타낸 계통도.
도 5는 본 발명의 태양열 하이브리드 모드를 나타낸 계통도.
도 6은 본 발명의 공기열 하이브리드 모드를 나타낸 계통도.
도 7은 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,
케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 내부에 구비되되 태양에너지를 집열하도록 유리판(1) 하측에 형성되는 집열판(2)과, 상기 집열판(2)에 내부에 일체형으로 부착되어 집열판(2)으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 다수개의 동파이프(3)와, 상기 다수개의 동파이프(3) 끝단부에 형성되어 동파이프(3)의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부(4) 및 상기 집열판(2)과 동파이프(3)와 헤더부(4)를 받쳐주도록 하판 몸체의 하단부에 내장되는 단열재(5)로 구성되며, 상기 집열판(2)과 단열재(5) 사이에는 공기가 이송되도록 공기 유로(11)가 형성되고, 상기 케이스(10)의 일단면에는 공기 유로(11)와 연통되어 공기가 유입/유출되도록 유입구(12)와 유출구(13)가 각각 형성되며, 상기 유입구(12)와 유출구(13)에는 공기의 입출입을 제어하도록 슬롯형의 댐퍼(20)가 설치되고, 상기 댐퍼(20)의 개폐에 의해 케이스(10)의 내부로 외부의 공기가 유입되어 열교환을 통해 공기열 에너지를 획득하거나 집열판(2)의 냉각용으로 내부 공기를 방열하도록 형성된 복합집열기(50)와;
상기 복합집열기(50)와 연계되어 작동되도록 형성된 히트펌프(60)와;
상기 복합집열기(50) 또는 히트펌프(60)와 연계되어 축열되는 축열조(70);로 이루어진 하이브리드 히트펌프 시스템(100)는 다수개의 운전모드를 포함하되;
상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 태양열 직접 축열운전모드는
상기 히트펌프(60)의 작동은 OFF되며,
상기 복합집열기(50)의 이송팬(30)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 상기 축열조(70)의 내부를 축열시키고, 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
또한, 두번째 실시예로서는
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(30)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 상기 잠열챔버(80)을 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; 이루어진 것이다.
또한, 세번째 실시예로서는,
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(30)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(30)의 작동에 의한 공기열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 상기 잠열챔버(80)을 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; 이루어진 것이다.
또한, 네번째 실시예로서는,
상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 방열운전모드는
상기 히트펌프(60)의 작동은 OFF되며,
상기 복합집열기(50)의 이송팬(30)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(30)의 작동에 의하여 복합집열기(50)내부의 과열공기는 공기유로(11)를 통하여, 외부공기가 유입되어 방열되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 것이다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템을 상세히 설명하도록 한다.
도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 태양열 및 공기열을 복합이용하는 복합집열기(50)는 케이스(10)와, 집열판(2)과, 동파이프(3)와, 단열재(5)와, 이송팬(30)으로 구성되는데, 상기 집열기(50)의 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 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이, 내부 공간이 중공되어 집열기(50)의 구성품이 구비되고, 상기 케이스(10)는 직사각형의 박스 형태로 상부면이 외부와 관통 형성된다.
여기서, 상기 관통된 케이스(10)의 상부면은 유리판(1)에 의해 차단되는데, 이때, 상기 유리판(1)은 외부에서 빗물, 이물질 등이 케이스 내에 유입되지 않도록 케이스와 밀봉되어 연결된다.
그리고, 상기 케이스(10)의 일단면 즉 상측면 또는 하측면 또는 측면에는 도 에서처럼, 내부의 공기 유로(11)와 연통되어 공기가 유입/유출되도록 유입구(12)와 유출구(13)가 각각 형성되고, 상기 유입구(12)와 유출구(13)에는 공기의 입출입을 제어하도록 슬롯형의 댐퍼(20)가 설치되는데, 상기 댐퍼의 일측에는 집열기(50)의 집열판(2)으로 공기를 유입할 수 있는 이송팬(30)이 설치된다. 이때 팬(30)의 동작 및 댐퍼(20)의 개폐에 의해 외부의 공기가 집열판(2)으로 접촉할 수 있게되어 공기열에너지를 획득할 수 있다. 이렇게 획득된 공기열에너지는 외부의 히트펌프 열원으로 이용하여 온수를 생산할 수 있다.
또한, 상기 유입구(12) 또는 유출구(13) 중 어느 한 곳에는 공기를 이송시킬 수 있는 이송팬(30)이 연결되고, 상기 이송팬(30)의 작동에 의해 외부의 공기를 케이스(10) 내에 유입시키는 동시에 케이스(10) 내에 열교환된 고온 공기를 열원이 필요한 곳이 이송시킨다. 이때, 상기 이송팬(30)은 유입구(12) 또는 유출구(13)에 직접 연결되거나 덕트 등의 연결부재(미도시)에 의해 연결되어 공기를 이송시킨다.
그리고, 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 있다.
한편, 상기 케이스(10)의 내부에는 케이스(10) 내부의 온도를 측정하도록 온도센서(40)가 설치되고, 상기 온도센서(40)의 측정을 통해 설정된 온도 이상시, 외부에 설치된 제어부(미도시)에 신호를 전달하며, 상기 제어부에서는 댐퍼(20)를 개방시키고 이송팬(30)을 작동시켜 케이스(10)의 고온 공기를 외부로 배출하여 내부 온도를 조절한다.
그 외에 집열기(50)의 구성품으로는 도 1 내지 도 2에서처럼, 케이스(10)의 내부에 구비되되 태양에너지를 집열하도록 유리판(1) 하측에 형성되는 집열판(2)과, 상기 집열판(2)에 내부에 일체형으로 부착되어 집열판(2)으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 다수개의 동파이프(3)와, 상기 다수개의 동파이프(3) 끝단부에 형성되어 동파이프(3)의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부(4) 및 상기 집열판(2)과 동파이프(3)와 헤더부(4)를 받쳐주도록 하판 몸체의 하단부에 내장되는 단열재(5)로 구성된다.
여기서, 상기 집열판(2)과 단열재(5) 사이에는 공기가 이송되도록 공기 유로(11)가 형성되고, 상기 공기 유로(11)는 케이스(10)의 유입구(12) 및 유출구(13)와 연통된다.
그리고, 상기 상기 공기 유로(11)에서는 일사가 없는 조건에서 집열판(2)에 공기유로(11)의 공기가 상호 열교환되어 외부 공기의 에너지를 획득한다. 집열판(2)에서 획득된 열에너지는 집열판(2)에 부착된 동파이프(3)와 헤더부(4)로 열전달이 이루어지며 이를 통해 외부로 열전달된다,
또한, 상기 공기열 에너지를 댐퍼(20)가 개방되어 이송팬(30)에 의해 야간시에 열원으로 사용하거나 집열기(50)가 과열시, 냉각용으로 방열시킨다.
또한, 본 발명은 상기의 복합집열기를 4가지 운전모드를 포함하는 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템에 연계되어 작동되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명은 태양열과, 공기열 에너지를 열원으로 활용하여 히트펌프 시스템과 연계하여 패키지화한 시스템으로 난방, 급탕 등의 에너지 부하에 효과적으로 대응할 수 있는 냉난방 하이브리드 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 복합 집열기를 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 구성중에느 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 4는 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(30)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 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 5 및 도 6에 나타난 바와 같다.
도 5는 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(30)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 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 6은 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(30)의 작동에 의하여 파이프(3)내의 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 하이브리드 히트펌프 시스템(100)을 안정적으로 운전하도록 이루어진다.
이를 위하여, 상기 복합집열기(50)의 이송팬(30)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(30)의 작동에 의한 공기열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 상기 잠열챔버(80)을 간접열교환으로 통과되며, 상기 증발기(64)의 증발열원으로 사용되며, 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 것이다.
도 7은 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(30)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(30)의 작동에 의하여 복합집열기(50)내부의 과열공기는 공기유로(11)를 통하여, 외부공기가 유입되어 방열되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 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 하이브리드 히트펌프 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 복합집열기를 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 복합집열기를 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.
1 : 유리판 2 : 집열판
3 : 동파이프 4 : 헤더부, 공급관
5 : 단열재 10 : 케이스
11 : 공기 유로 12 : 유입구
13 : 유출구 20 : 댐퍼
30 : 이송팬 40 : 온도센서
50 : 집열기 60 :히트펌프
61 : 압축기 62 : 응축기
63: 팽창밸브 64 : 증발기
70: 축열조 71: 응축 공급관
80: 잠열챔버 100: 하이브리드 히트펌프 시스템

Claims (5)

  1. 케이스(10)와, 상기 케이스(10)의 내부에 구비되되 태양에너지를 집열하도록 유리판(1) 하측에 형성되는 집열판(2)과, 상기 집열판(2)에 내부에 일체형으로 부착되어 집열판(2)으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 다수개의 동파이프(3)와, 상기 다수개의 동파이프(3) 끝단부에 형성되어 동파이프(3)의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부(4) 및 상기 집열판(2)과 동파이프(3)와 헤더부(4)를 받쳐주도록 하판 몸체의 하단부에 내장되는 단열재(5)로 구성되며, 상기 집열판(2)과 단열재(5) 사이에는 공기가 이송되도록 공기 유로(11)가 형성되고, 상기 케이스(10)의 일단면에는 공기 유로(11)와 연통되어 공기가 유입/유출되도록 유입구(12)와 유출구(13)가 각각 형성되며, 상기 유입구(12)와 유출구(13)에는 공기의 입출입을 제어하도록 슬롯형의 댐퍼(20)가 설치되고, 상기 댐퍼(20)의 개폐에 의해 케이스(10)의 내부로 외부의 공기가 유입되어 열교환을 통해 공기열 에너지를 획득하거나 집열판(2)의 냉각용으로 내부 공기를 방열하도록 형성된 복합집열기(50)와;
    상기 복합집열기(50)와 연계되어 작동되도록 형성된 히트펌프(60)와;
    상기 복합집열기(50) 또는 히트펌프(60)와 연계되어 축열되는 축열조(70);로 이루어진 하이브리드 히트펌프 시스템(100)는 다수개의 운전모드를 포함하되;
    상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 태양열 직접 축열운전모드는
    상기 히트펌프(60)의 작동은 OFF되며,
    상기 복합집열기(50)의 이송팬(30)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 상기 축열조(70)의 내부를 축열시키고, 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    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(30)의 작동은 OFF되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 상기 잠열챔버(80)을 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; 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템.
  3. 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(30)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(30)의 작동에 의한 공기열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 상기 잠열챔버(80)을 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; 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 다수개의 운전모드중에 선택되는 방열운전모드는
    상기 히트펌프(60)의 작동은 OFF되며,
    상기 복합집열기(50)의 이송팬(30)의 작동은 ON되며, 상기 이송팬(30)의 작동에 의하여 복합집열기(50)내부의 과열공기는 공기유로(11)를 통하여, 외부공기가 유입되어 방열되며, 태양열로부터 집열된 공급액은 헤더부(4)를 통해 공급관(4)에 의하여 다시 복합집열기(50)로 순환되도록 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템.
  5. 제 2항 또는 제3항에 있어서,
    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 것을 특징으로 하는 태양열 및 공기열 복합집열기에 의한 하이브리드 히트펌프 시스템.
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