KR20180109110A - 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치 - Google Patents

태양열 이용 하이브리드 냉난방장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 동절기, 태양광이 없는 일몰 후나 우천시의 경우와 같이 종래의 태양열을 이용하는 냉난방장치에서 실질적인 냉난방 효과를 볼 수 없는 환경에서도 최적의 냉난방을 수행할 수 있도록 하는 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치에 관한 것으로, 냉난방기, 태양집열판에 집열된 태양열에 의해 가열된 매체가 순환하면서 승온되어 축열되고 상기 냉난방기와 열교환 하는 순환라인에 의해 열을 공급하는 태양열 축열조 및 상기 순환라인에 연결되어 열교환 하는 히트펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

태양열 이용 하이브리드 냉난방장치{Apparatus for hybrid heating and cooling using solar energy}
본 발명은 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사계절 전천후 효율적으로 냉난방을 수행할 수 있도록 한 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치에 관한 것이다.
근래에 냉난방장치에서 재생용 열원으로 태양열 집열 시스템을 활용하는 방식에 대해 연구개발이 이루어지고 있으며, 그 대표적인 예로서 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0756240호(2007.9.7.공고) 및 제10-1311278호(2013.9.25.공고)가 있다.
그러나 이와 같은 종래기술은 하절기에 태양광이 있을 경우에는 100℃ 이상 과열이 이루어져 효과적인 에너지 생산이 가능할 수 있어도 태양광이 없거나 동절기의 태양광이 약한 경우에는 그 효율이 떨어져 실질적으로 냉난방에 있어서 정상적인 사용이 불가능한 문제점이 지적되고 있다.
대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-0756240호(2007.9.7.공고) 대한민국 등록특허공보 등록번호 제10-1311278호(2013.9.25.공고)
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 본 발명은 동절기, 태양광이 없는 일몰 후나 우천시의 경우와 같이 종래의 태양열을 이용하는 냉난방장치에서 실질적인 냉난방 효과를 볼 수 없는 환경에서도 최적의 냉난방을 수행할 수 있도록 하는 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치를 제공하고자 하는 데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 태양열 축열조 열원의 저장을 잠열을 이용하도록 하여 열저장 공간의 최소화 및 열저장 효과의 증대를 도모할 수 있도록 한 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치를 제공하고자 하는 데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기존 냉난방장치에 큰 구조변경 없이 사계절 전천후 사용이 가능하도록 함으로써 제작이 쉽고 유지보수가 용이한 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치를 제공하고자 하는 데 목적이 있다.
상기한 바와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로, 본 발명인 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치는,
냉매를 증발이 이루어지도록 하는 증발기,
상기 증발기에서 발생한 냉매 증기를 흡수제로 흡수하는 흡수기,
상기 흡수기에서 공급되는 흡수제용액을 가열하여 냉매 증기를 분리하고 흡수제의 농도를 높여 재생시키는 재생기,
상기 재생기에서 분리된 냉매 증기를 응축시켜 상기 증발기로 공급하는 응축기,
냉각용수를 공급하는 냉각탑을 포함하여 구성되는 흡수식 냉난방기;
태양집열판에 집열된 태양열에 의해 가열된 매체가 순환하면서 승온되어 축열되고 상기 흡수식 냉난방기와 열교환 하는 순환라인에 의해 열을 공급하는 태양열 축열조 및
상기 순환라인에 연결되어 열교환 하는 히트펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트펌프를 구동하는 전력을 생산하는 태양광전지모듈을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 태양열 축열조의 내부의 축열매체는 파라핀인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 증발기는 제 1 증발기 및 제 2 증발기로, 상기 흡수기는 제 1 흡수기 및 제 2 흡수기로 나누어져 2단으로 구성되며,
상기 태양전지모듈에서 생산된 전력을 저장하는 축전지가 더 구비되며,
난방운전이고 태양열 축열조 온도가 25℃ 이상인 경우에는 상기 순환라인을 순환하는 순환 매체는 재생기 및 제 2 증발기를 순환하며 열교환 하도록 구성되며 상기 히트펌프는 '오프'상태가 되도록 구성되며,
난방운전이고 태양열 축열조 온도가 25℃ 미만인 경우에는 상기 순환라인을 순환하는 순환 매체는 재생기, 제 2 증발기 및 히트펌프를 순환하며 열교환 하도록 구성되며, 이때 히트펌프는 '온'상태가 되도록 구성되며,
냉방운전이고 태양이 있을 경우에는 상기 순환라인을 순환하는 순환 매체는 재생기만 순환하며 열교환 하도록 구성되며, 이때 히트펌프는 '오프'상태가 되도록 구성되며,
냉방운전이고 태양이 없을 경우에는 상기 순환라인을 순환하는 순환 매체는 재생기 및 히트펌프를 순환하며 열교환 하도록 구성되며, 이때 히트펌프는 '온'상태가 되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 과제해결수단을 통해, 본 발명인 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치는 동절기, 태양광이 없는 일몰 후나 우천시의 경우와 같이 종래의 태양열을 이용하는 냉난방장치에서 실질적인 냉난방 효과를 볼 수 없는 환경에서도 최적의 냉난방을 수행할 수 있도록 함으로써, 별도의 보조 냉난방수단을 가동하지 않아도 되므로 에너지 절감, 이산화탄소 배출 저감, 환경 개선 등의 효과가 기대되며, 태양열 축열조 열원의 저장을 잠열을 이용하도록 하여 열저장 공간의 최소화 및 열저장 효과의 증대를 도모할 수 있으며, 기존 냉난방장치에 큰 구조변경 없이 사계절 전천후 사용이 가능하도록 함으로써 반복 제작에 어려움이 없고 제작 설치 후 유지보수가 용이한 등의 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치를 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치의 태양열 축열조 온도가 25℃ 이상인 경우에서의 난방운전상태를 도시한 계통도이다.
도 3은 본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치의 태양열 축열조 온도가 25℃ 미만인 경우에서의 난방운전상태를 도시한 계통도이다.
도 4는 본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치의 태양이 있을 경우의 냉방운전상태를 도시한 계통도이다.
도 5는 본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치의 태양이 없을 경우의 냉방운전상태를 도시한 계통도이다.
본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치를 도시한 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치의 태양열 축열조 온도가 25℃ 이상인 경우에서의 난방운전상태를 도시한 계통도이며, 도 3은 본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치의 태양열 축열조 온도가 25℃ 미만인 경우에서의 난방운전상태를 도시한 계통도이며, 도 4는 본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치의 태양이 있을 경우의 냉방운전상태를 도시한 계통도이며, 도 5는 본 발명에 따른 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치의 태양이 없을 경우의 냉방운전상태를 도시한 계통도이다.
도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 증발기, 흡수기, 재생기(30), 응축기(40), 냉각탑을 포함하는 흡수식 냉난방기와, 태양열 축열조(70)와, 히트펌프(60)로 이루어진다.
구체적으로, 흡수식 냉난방기의 증발기는 제 1 증발기(11) 및 제 2 증발기(12)로, 상기 흡수기는 제 1 흡수기(21) 및 제 2 흡수기(22)로 나누어져 2단으로 구성된다.
흡수식 냉난방기를 순환하는 냉매는 증발기에서 증발이 이루어져 냉매 증기로 되며, 냉매 증기는 흡수기로 이동하여 흡수제에 흡수되게 되는데, 흡수제로는 리튬브로마이드(LiBr)가 사용될 수 있다.
이렇게 흡수기에서 흡수제에 의해 냉매는 흡수되어 농도가 옅어진 흡수제용액은 재생기(30)에 공급되고 재생기(30)에서 외부 열원에 의해 가열되어 냉매 증기는 분리되고 흡수제의 농도는 높아져 다시 공급되게 된다. 분리된 냉매 증기는 응축기(40)로 공급되며 응축기(40)에서 응축되게 된다.
상기 냉각탑(50)은 응축기(40) 등에 냉각용수를 공급하여 냉각을 수행하게 된다.
상기 태양열 축열조(70)는 태양집열판(71)에 집열된 태양열에 의해 가열된 매체가 순환하면서 승온되어 축열이 이루어지고 상기 흡수식 냉난방기와 열교환 하는 순환라인(CL)을 통해 열을 공급하게 된다.
이를 통해, 본 발명은 흡수식 냉난방기에 보일러 등의 가열장치를 부가하지 않고 태양열을 열원으로 함으로써, 에너지를 절감할 수 있게 된다.
그러나 이와 같은 구성만으로는 태양열을 충분히 활용하기 어려운 상황에서는 실질적인 냉난방이 어려우므로 히트펌프(60)를 별도로 설치하게 되며, 상기 히트펌프(60)는 상기 순환라인(CL)에 연결되어 열원으로서 보조적인 역할을 수행하게 된다.
본 발명에서는 대체 에너지의 활용을 위해 상기 히트펌프(60)를 구동하는 전력을 생산하는 태양광전지모듈(80) 및 상기 태양전지모듈(80)에서 생산된 전력을 저장하는 축전지가 구비되어 태양광의 이용이 가능한 시기에 태양광전지모듈(80)을 통해 발전을 하여 축전지를 충전하고 이를 활용하여 상기 히트펌프(60)를 구동하도록 구성된다.
본 발명의 추가적인 특징으로 상기 태양열 축열조(70) 내부의 축열매체는 파라핀을 사용함으로써, 태양열 축열조(70) 열원의 저장을 잠열을 이용하도록 하여 열저장 공간의 최소화 및 열저장 효과의 증대를 도모하게 된다.
이와 같은 구성에 추가하여 각종 배관, 펌프 및 밸브의 배치에 있어서 본 발명은 난방운전상태이고 태양광이 있어 태양열 축열조(70) 온도가 25℃ 이상인 경우에는 상기 순환라인(CL)을 순환하는 순환 매체는 재생기(30) 및 제 2 증발기(12)를 순환하며 열교환 하도록 구성되며 상기 히트펌프(60)는 '오프(OFF)'상태가 되도록 구성되며, 난방운전상태이고 태양광이 충분치 않아 태양열 축열조(70) 온도가 25℃ 미만인 경우에는 상기 순환라인(CL)을 순환하는 순환 매체는 재생기(30), 제 2 증발기(12) 및 히트펌프(60)를 순환하며 열교환 하도록 구성되며, 이때 히트펌프(60)는 '온(ON)'상태가 되도록 구성되어 히트펌프(60)가 보조적인 열원으로 사용될 수 있도록 하며, 냉방운전이고 태양이 있을 경우에는(구체적인 예로 축열조 내부 온도가 55도 이상인 경우) 상기 순환라인(CL)을 순환하는 순환 매체는 재생기(30)만 순환하며 열교환 하도록 구성되며, 이때 히트펌프(60)는 '오프'상태가 되도록 구성되며, 냉방운전이고 태양이 없을 경우에는(구체적인 예로 축열조 내부 온도가 55도 이상인 경우) 상기 순환라인(CL)을 순환하는 순환 매체는 재생기(30) 및 히트펌프(60)를 순환하며 열교환 하도록 구성되며, 이때 히트펌프(60)는 '오프'상태가 되도록 구성된다.
도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명은 구체적으로 2단 일체형 흡수식 냉난방기로 이루어질 수 있는데, 이를 기초로 하여 구체적으로 설명한다.
제 1 증발기(11)와 제 1 흡수기(21)는 하나의 셀로 구성되고, 제 2 증발기(12)와 제 2 흡수기(22)도 하나의 셀로 구성되며, 응축기(40)와 재생기(30)도 그 사이에 격벽이 구비되는 하나의 셀로 구성된다.
태양열 축열조(70)와 연결되는 순환라인(CL)은 재생기(30)와 연결되어 열교환 하도록 구성되며, 별도의 분기순환라인(DCL)을 구비하여 제 2 증발기(12)와도 열교환할 수 있도록 구성된다. 상기 분기순환라인(DCL)은 실내기(90)를 통과하는 실내기라인(IL)과 연결되도록 구성된다.
냉각탑(50)과 연결되는 냉각수라인(CWL)은 제 1 흡수기(21) 및 응축기(40)와 연결되어 열교환할 수 있도록 구성되며, 또한, 상기 냉각수라인(CWL)은 상기 실내기라인(IL)과도 연결되도록 구성된다.
제 1 증발기(11)와 제 2 흡수기(22)를 순환하는 내부순환라인(ICL)이 구비된다.
히트펌프(60)는 공기열 히트펌프로서, 압축기(61), 히트펌프 증발기(62), 팽창변(63), 판형 열교환기(64)로 이루어져 히트펌프용 냉매가 순환하며, 상기 순환라인(CL)은 상기 판형 열교환기와 연결되도록 구성된다.
또한, 도 2 내지 도 5에 도시된 바와 같이 방열기(91)를 구비하여 응축기(40)와 열교환 하도록 구성되며, 방열기(91)와 연결되는 방열기라인(HOL)은 상기 냉각수라인(CWL)과 연결되도록 구성된다.
또한, 제 2 흡수기(22)에서 배출되는 농도가 낮은 흡수제용액은 재생기(30)로부터 배출되는 농도가 높은 흡수제용액과 열교환할 수 있도록 용액 열교환기(92)가 더 구비된다.
이와 같이 구성되는 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치의 작동과정에 대해 구체적으로 설명한다.
난방운전상태이고 태양광이 있어 태양열 축열조(70) 온도가 25℃ 이상인 경우에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 순환라인(CL)을 순환하는 순환 매체는 재생기(30) 및 제 2 증발기(12)를 순환하며 열교환 하게 된다. 이때 실내기라인(IL)은 제 1 흡수기(21)와 연결되어 열교환 하게 되며, 내부순환라인(ICL)을 통해 내부순환매체는 순환하며 제 1 증발기(11)와 제 2 흡수기(22)의 열교환이 이루어지도록 작동한다. 상기 히트펌프(60)는 '오프'상태를 유지하게 된다.
그리고 냉난방수는 실내기(90), 실내기라인(IL), 제 1 흡수기(21)를 순환하면서 제 1 흡수기(21)에서 가열되어 실내기라인(IL)에 공급되며, 태양열 축열조(70)에서 승온된 순환 매체는 순환라인(CL)을 통해 재생기(30), 제 2 증발기(12)를 거치면서 재생기(30) 및 제 2 증발기(12)와 열교환하게 된다.
난방운전상태이고 태양광이 충분치 않아 태양열 축열조(70) 온도가 25℃ 미만인 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 순환라인(CL)을 순환하는 순환 매체는 재생기(30), 제 2 증발기(12) 및 히트펌프(60)를 순환하며 열교환 하도록 구성되며, 이때 실내기라인(IL)은 제 1 흡수기(21)와 연결되어 열교환 하게 되며, 내부순환라인(ICL)을 통해 내부순환매체로 순환하며 제 1 증발기(11)와 제 2 흡수기(22)의 열교환이 이루어지도록 작동하며, 히트펌프(60)는 '온'상태가 되도록 구성되어 히트펌프(60)가 열원으로 사용되게 된다.
그리고 냉난방수는 실내기(90), 실내기라인(IL), 제 1 흡수기(21)를 순환하면서 제 1 흡수기(21)에서 가열되어 실내기라인(IL)에 공급되며, 히트펌프(60)에 의해 승온된 순환 매체는 순환라인(CL)을 통해 재생기(30), 제 2 증발기(12)를 거치면서 재생기(30) 및 제 2 증발기(12)와 열교환 하게 된다. 이때, 태양열 축열조(70)와 태양집열판(71) 사이의 열교환을 중지되게 된다.
냉방운전이고 태양이 있을 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 순환라인(CL)을 순환하는 순환 매체는 재생기(30)만 순환하며 열교환 하도록 구성되며, 이때 실내기라인(IL)은 제 2 증발기(12)와 연결되어 열교환 하게 되며, 내부순환라인(ICL)을 통해 내부순환매체로 순환하며 제 1 증발기(11)와 제 2 흡수기(22)와 열교환이 이루어지도록 작동한다. 상기 히트펌프(60)는 '오프'상태가 되도록 구성된다.
그리고 냉난방수는 실내기(90), 실내기라인(IL), 제 2 증발기(12)를 순환하면서 제 2 흡수기(22)에서 냉각되어 실내기라인(IL)에 공급되며, 태양열 축열조(70)에서 승온된 순환 매체는 순환라인(CL)을 통해 재생기(30)를 거치면서 재생기(30)와 열교환 하게 된다. 또한, 냉각탑(50)을 통과하는 냉각수라인(CWL)의 냉각수는 제 1 흡수기(21) 및 응축기(40)와 열교환하게 된다.
냉방운전이고 태양이 없을 경우에는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 순환라인(CL)을 순환하는 순환 매체는 재생기(30) 및 히트펌프(60)를 순환하며 열교환 하도록 구성되며, 이때 히트펌프(60)는 '온'상태가 되도록 구성된다.
그리고 냉난방수는 실내기(90), 실내기라인(IL), 제 2 증발기(12)를 순환하면서 제 2 흡수기(22)에서 냉각되어 실내기라인(IL)에 공급되며, 태양열 축열조(70)에서 승온된 순환 매체는 순환라인(CL)을 통해 재생기(30)를 거치면서 재생기(30)와 열교환 하게 된다. 순환라인(CL)의 순환 매체는 히트펌프(60)를 순환하게 된다. 이때 태양열 축열조(70)와 태양집열판(71) 간의 열교환 중지되게 된다. 또한, 냉각탑(50)을 통과하는 냉각수라인(CWL)의 냉각수는 제 1 흡수기(21) 및 응축기(40)와 열교환하게 된다.
상기한 바와 같은 구성과 작용을 통해, 본 발명인 태양열 이용 하이브리드 냉난방장치는 동절기, 태양광이 없는 일몰 후나 우천시의 경우와 같이 종래의 태양열을 이용하는 냉난방장치에서 실질적인 냉난방 효과를 볼 수 없는 환경에서도 최적의 냉난방을 수행할 수 있도록 함으로써, 별도의 보조 냉난방수단을 가동하지 않아도 되므로 에너지 절감, 이산화탄소 배출 저감, 환경 개선 등의 효과가 기대되며, 태양열 축열조 열원의 저장을 잠열을 이용하도록 하여 열저장 공간의 최소화 및 열저장 효과의 증대를 도모할 수 있으며, 기존 냉난방장치에 큰 구조변경 없이 사계절 전천후 사용이 가능하도록 함으로써 반복 제작에 어려움이 없고 제작 설치 후 유지보수가 용이한 등의 이점을 가지게 되는 것이다.
11: 제 1 증발기 12: 제 2 증발기
21: 제 1 흡수기 22: 제 2 흡수기
30: 재생기
40: 응축기
50: 냉각탑
60: 히트펌프
61: 압축기 62: 히트펌프 증발기
63: 팽창변 64: 판형 열교환기
70: 태양열 축열조 71: 태양집열판
80: 태양전지모듈
90: 실내기 91: 방열기
92: 용액 열교환기
CL: 순환라인 DCL: 분기순환라인
IL: 실내기라인 CWL: 냉각수라인
HOL: 방열기라인 ICL: 내부순환라인
P: 펌프

Claims (1)

  1. 냉난방기,
    태양집열판에 집열된 태양열에 의해 가열된 매체가 순환하면서 승온되어 축열되고 상기 냉난방기와 열교환 하는 순환라인에 의해 열을 공급하는 태양열 축열조 및
    상기 순환라인에 연결되어 열교환 하는 히트펌프를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는
    태양열 이용 하이브리드 냉난방장치
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20200141577A (ko) * 2019-06-10 2020-12-21 이만숙 태양열 및 공기 열에 의한 히트펌프 시스템과 태양광이 융합된 하이브리드 난방 시스템 및 제어방법
CN112682838A (zh) * 2020-12-21 2021-04-20 北京华厚能源科技有限公司 适用于大型公共建筑的相变蓄能耦合空气源热泵供能系统

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