KR20180117267A - Pvt를 이용한 냉난방환기시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전기 및 열에너지의 동시생산이 가능하고 단위면적당 태양에너지의 효율적 활용이 가능한 PVT(photovoltaic-thermal, 태양광열) 모듈을 이용하여 겨울철 또는 여름철 등 필요에 따라 건물 내부를 냉난방할 수 있는 PVT를 이용한 냉난방환기시스템을 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 효과로는 온기 집열체를 활용해 차가운 날씨에는 외부의 차가운 공기를 열교환을 통해 데울수 있도록 하고, 따뜻한 날씨에는 반대로 실내의 차가운 공기를 온기 집열체로 보내 PV 모듈을 식혀주어 PV 모듈에 의한 전력 생산능력을 향상시킬 수 있는 것이고, 집열모듈에 의해 얻어진 온수는 히트펌프의 온수열원교환기로 보내 난방운전시에는 온수를 열원으로 사용하여 열을 회수하도록 하고 동시에 외부의 찬공기는 히트펌프로 유입시켜 응축기를 통해 냉매를 냉각시키는데 활용함으로써 히트펌프의 냉각 효율을 향상시킬 수 있으며, 히트펌프 양측면에 판상의 온수열원교환기는 건물의 난방 시에는 히트펌프의 증발열을 높여 난방효율을 높일 수 있고 건물의 냉방 시에는 냉매열교환기의 응축온도를 낮추므로써 히트펌프의 성능 향상을 도모할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.

Description

PVT를 이용한 냉난방환기시스템{Heating and cooling system of building using PVT}
본 발명은 PVT를 이용한 냉난방환기시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 PVT(photovoltaic-thermal, 태양광열) 모듈을 이용하여 겨울철 또는 여름철 등 필요에 따라 건물 내부를 냉난방할 수 있는 PVT를 이용한 냉난방환기시스템에 관한 것이다.
화석연료를 대체하는 대체 에너지원으로서 태양광, 태양열, 지열 등을 이용하는 추세가 증가하고 있다. 태양광을 전기로 변환하기 위해 태양전지판을 사용하여 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 광전지(PV) 모듈이 사용되고 있다.
그러나 지금까지 대부분 태양광 전지는 전기를 태양열 온수기는 온수를 각각의 장치에서 생산하는 방식으로 태양에너지를 활용해왔으며 최근에 들어와 태양광 전지와 태양열 온수기를 하나의 장치로 결합 융합한 PVT(태양광열모듈)로 전기에너지와 열에너지를 한꺼번에 생산하는 연구가 진행되고 있다.
즉 PVT(photovoltaic-thermal, 태양광열)모듈은 PV 모듈의 뒷면에 집열모듈을 결합한 구조인 것이다.
상기 PVT 모듈은 태양으로부터 오는 빛과 열을 태양의 빛을 받는 전면에는 전기생산 광전기(PV)를 광전지 후면에는 열을 얻기위한 모듈을 하나의 장치로 개발하여 상기 장치에서 발생 및 생산되는 열을 집열모듈이 집열하여 이 집열모듈 내를 통과하는 열매체와 열교환함으로써 PV 모듈의 온도 상승을 막고 집열모듈에서 열교환된 열을 재사용할 수 있는 이점이 있으며, 그리고 상기 PVT 모듈은 태양열 집열기의 상부에 태양광 셀을 접합하고 집열기 내부에 열교환 파이프를 매립하여, 전기 및 열에너지의 동시생산이 가능하며, 종래 태양광 발전 시스템에 비해 단위면적당 태양에너지의 효율적 활용이 가능하다.
그리고, 건물의 내부를 냉난방하기 위해서 다양한 열원이 이용되고 있다.
그 일례로, 종래에는 대한민국 등록특허공보 제10-0698021호에 개시된 바와 같이, 제1열펌프; 상기 제1열펌프의 히트소스(heat source) 또는 히트싱크(heat sink)가 되는 제1열교환기; 제2열펌프; 및, 상기 제2열펌프의 히트소스(heat source) 또는 히트싱크(heat sink)가 되는 제2열교환기;를 포함하여 구성되되, 상기 제1열교환기는 건물의 하부에 설치되어 유출지하수를 저장하는 저수탱크의 내부에 설치되어 저장된 유출지하수와 열교환을 하는 코일형태의 제1열교환파이프; 및, 상기 제1열교환파이프의 내부를 순환하는 부동액이 포함된 제1순환유체;를 포함하고, 상기 제2열교환기는 상기 저수탱크의 격벽 내부에 매설되는 제2열교환파이프; 및, 상기 제2열교환파이프의 내부를 순환하는 부동액이 포함된 제2순환유체;를 포함하여 구성되는 지열원 열펌프를 이용한 건물냉난방시스템과, 그리고 공개특허공보 제10-2012-0079671호에 개시된 바와 같이, 건물의 외벽에 설치되어 건물 외벽과의 사이에 공기가 유동하는 공기 유동공간을 형성하는 단열 부재를 포함하되, 상기 공기 유동 공간은 상기 외부 공간과 상기 건물의 내부 공간을 단열시키도록 상기 건물의 지하 공간 및 외부공간과 각각 연결되어 상기 지하 공간의 공기가 상기 공기 유동 공간을 따라 유동하며 상기 외부 공간으로 선택적으로 배출되는 건물 냉난방 시스템이 이용되고 있는 것을 볼 수 있다.
상술한 바와 같이, 건물의 내부를 냉난방하기 위해서 다양한 열원이 이용되고 있지만, 태양에너지를 전기와 열복합모듈을 이용해 에너지의 효율적 활용이 가능한 냉난방 및 환기시스템이 지금까지는 없었으며, 이에 본 발명의 발명가는 상기의 PVT 모듈을 이용하여 건물의 냉난방 및 환기시스템을 개발하기에 이르렀다.
[선행기술문헌]
1. 대한민국 등록특허공보 제10-0698021호
2. 대한민국 공개특허공보 제10-2012-0079671호
본 발명의 목적은, 전기 및 열에너지의 동시생산이 가능하고 단위면적당 태양에너지의 효율적 활용이 가능한 PVT(photovoltaic-thermal, 태양광열) 모듈을 이용하여 겨울철 또는 여름철 등 필요에 따라 건물 내부를 냉난방할 수 있는 PVT를 이용한 냉난방환기시스템을 제공하는 데에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 성취하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 PVT를 이용한 냉난방환기시스템은, 건물 지붕에 설치된 PVT모듈 중 태양전지판을 구비하는 PV 모듈은 태양광으로부터 전기를 얻어 에너지저장시스템에 저장하고, PV 모듈 하부에 설치되어 태양광으로 열을 얻기 위한 집열모듈은 가열된 온수를 급탕탱크 또는 히트펌프로 보낼 수 있도록 구성된 냉난방환기시스템에 있어서, 상기 집열모듈 하부에는 온기 집열체를 형성하여 집열모듈에의해 발생한 열로 공기를 데울 수 있도록 하되, 온기 집열체에서 얻어진 따뜻한 공기는 열교환환기장치로 공급하여 차가운 날씨에는 외부의 차가운 공기를 열교환을 통해 데울수 있도록 하고, 따뜻한 날씨에는 반대로 실내의 차가운 공기를 온기 집열체로 보내 PV 모듈을 식혀주도록 함으로써 PV 모듈에 의한 전력 생산능력이 향상되도록 하며, 집열모듈에 의해 얻어진 온수는 히트펌프의 온수열원교환기로 보내 난방운전시에는 온수를 열원으로 사용하여 열을 회수하도록 하고 열교환기를 통해 축열조로 보내고, 외부의 찬공기는 히트펌프로 유입시켜 응축기를 통해 냉매를 냉각시키는데 활용함으로써 히트펌프의 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 상기 히트펌프의 양측면에는 판(板)상으로 이루어진 온수열원교환기가 힌지에 의해 결합되어 상하로 회동되도록 함으로써, 건물의 난방 시에는 온수열원교환기가 내려와 히트펌프의 냉매열교환기에 밀착하게 됨으로써 히트펌프(1) 운전시 차가운 공기가 흡입되어 냉매열 교환기와 열교환 하기전에 온수열교환기의 따뜻한 열원이 차가운 공기의 온도를 상승시켜 냉매열 교환기에 전달되도록 하여 히트펌프의 증발열을 높여 난방효율을 높이고, 건물의 냉방 시에는 온수열원교환기가 들려져서 히트펌프로 유입되는 외부 공기에 대한 인입 공기저항을 줄여주고 히트펌프 본체에 그늘을 형성해서 냉매열교환기의 응축온도를 낮추므로써 히트펌프(1)의 성능 향상을 도모할 수 있도록 구성됨을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 PVT를 이용한 냉난방환기시스템은, 겨울철 또는 여름철 등 필요에 따라 건물 내부를 냉난방 및 급탕온수를 사용하기 위해서, 또 전기 및 열에너지의 동시생산이 가능하고 단위면적당 태양에너지의 효율적 활용이 가능한 PVT 모듈을 이용함으로써, 종래의 냉난방시스템과 비교하여 환경에 대한 악영향을 미치지 않으면서 에너지의 효율적 활용을 배가시킬 수 있는 것이다.
또 본 발명은 온기 집열체를 활용해 차가운 날씨에는 외부의 차가운 공기를 열교환을 통해 데울수 있도록 하고, 따뜻한 날씨에는 반대로 실내의 차가운 공기를 온기 집열체로 보내 PV 모듈을 식혀주어 PV 모듈에 의한 전력 생산능력을 향상시킬 수 있는 것이다.
또 본 발명은 집열모듈에 의해 얻어진 온수는 히트펌프의 온수열원교환기로 보내 난방운전시에는 온수를 열원으로 사용하여 냉매열교환기의 능력을 증대시켜 히트펌프의 난방효율을 높이고, 또 히터펌프의 냉방운전시에는 온수열교환기를 이용해 햇빛을 차단하는 그늘을 만들어 냉매열교환기가 냉매를 냉각하는데 도움을 줌으로써 히트펌프의 냉방 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.
또한 본 발명은 히트펌프 측면에 적용한 온수열원교환기가 힌지에 의해 상하로 회동가능토록 결합되어 건물의 난방 시에는 온수열원교환기를 내려 히트펌프의 냉매열교환기에 밀착하게 함으로써 온수열교환기의 따뜻한 열원이 냉매열 교환기에 전달되도록 하여 히트펌프 운전시 차가운 공기가 흠입되어 냉매열 교환기와 열교환 하기전에 온수열교환기의 따뜻한 열원이 차가운 공기의 온도를 상승시켜 히트펌프의 증발열을 높여 난방효율을 높일 수 있는 것이고, 건물의 냉방 시에는 온수열원교환기를 들어올려 히트펌프로 유입되는 외부 공기에 대한 인입 공기저항을 줄여주고 또 히트펌프 본체에 그늘을 형성해서 냉매열교환기의 응축온도를 낮추므로써 히트펌프의 성능 향상을 도모할 수 있는 매우 유용한 발명인 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PVT를 이용한 냉난방환기시스템에 의한 난방과정을 보인 개략도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 PVT를 이용한 냉난방환기시스템의 냉방과정을 보인 개략도.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 또 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다. 다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 공식적인 의미로 해석되지 않는다.
개략도를 참조하여 설명된 본 발명의 실시예는 본 발명의 이상적인 실시예를 구체적으로 나타낸다. 그 결과, 도해의 다양한 변형, 예를 들면 제조 방법 및/또는 사양의 변형이 예상된다. 따라서 실시예는 도시한 영역의 특정 형태에 국한되지 않으며, 예를 들면 제조에 의한 형태의 변형도 포함한다. 예를 들면, 편평하다고 도시되거나 설명된 영역은 일반적으로 거칠거나/거칠고 비선형인 특성을 가질 수 있다. 또한, 날카로운 각도를 가지는 것으로 도시된 부분은 라운드질 수 있다. 따라서 도면에 도시된 영역은 원래 대략적인 것에 불과하며, 이들의 형태는 영역의 정확한 형태를 도시하도록 의도된 것이 아니고, 본 발명의 범위를 좁히려고 의도된 것이 아니다.
이하, 본 발명에 따른 PVT를 이용한 냉난방환기시스템에 대한 바람직한 실시예에 대해 첨부된 도면들을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 PVT를 이용한 냉난방환기시스템에 의한 난방과정을 보인 개략도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 PVT를 이용한 냉난방환기시스템의 냉방과정을 보인 개략도이다.
우선, 도면들 중, 동일한 구성요소 또는 부품들은 가능한 동일한 참조부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략하기로 한다.
일반적으로, 건물 내부를 냉난방하기 위한 시스템은, 도 1 및 도 2에 시된 바와 같이, 히트펌프(1), 열교환기(2), 축열조(3), 열교환환기장치(4) 및 급탕탱크(5)로 이루어진다.
여기서, 상기 히트펌프(1), 열교환기(2), 축열조(3), 열교환환기장치(4) 및 급탕탱크(5)는 건물 내부의 냉난방 처리를 위해서 통상적으로 구성된 장치들로써 당업자가 충분히 이해하고 있을 것으로 판단하여 그들에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
그리고, 본 발명에서는 상기와 같은 구성요소에, PVT(photovoltaic-thermal, 태양광열) 모듈(10)의 태양광전지(PV, 11)에 의해 얻어진 전기를 저장하고 있는 에너지저장시스템(ESS: Energy storage system, 6)으로 부터 전기를 받아 히트펌프(1)를 작동시킴으로써 건물 내부가 냉난방함에 있어 가장 효율적인 시스템을 구축하기 위한 것이다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이, 겨울철과 같은 추운 날씨에 건물 내부를 난방하기 위한 시스템을 살펴보면 다음과 같다.
대개 지붕 위에 설치된 PVT 모듈(10)은 전기에너지 및 열에너지를 동시에 생산하게 되는데, PV 모듈(11)은 태양전지판을 구비하고 있어 태양광으로부터 전기를 얻게 되고, 또 동시에 PV 모듈(11) 하부에 설치되어 태양광으로 열을 얻기 위한 집열모듈(12)로 부터 열을 얻게 된다. 또한 상기 집열모듈(12) 하부에 설치되어 온기 집열체(13)는 집열모듈(12)에 의해 가열된 온기를 모아 실내 난방에 활용하게 된다.
이때 PV 모듈(11)에 의해 얻어진 전기는 에너지 저장시스템(6)으로 보내서 저장하거나 한전으로 보내지게 되고, 집열모듈(12)에 의해 얻어진 온수는 건물 내부에 있는 급탕탱크(5)로 보내 저장하거나 히트펌프(1)로 보내지게 된다.
상기 히트펌프(1)의 온수열원교환기(20)로 보내진 온수는 도 1에 도시한 바와 같이 난방운전시에는 온수를 히트펌프(1)의 열원으로 사용하여 이로부터 열을 회수한 다음 열교환기(2)를 통해 축열조(3)로 보내지게 되는데, 이때 외부의 공기는 차가운 상태이므로 외부의 찬공기가 온수열원교환기(20)를 거치면서 가열하여 냉매열교환기의 냉매온도를 상승시켜 히트펌프(1)의 난방효율을 높이며, 냉방운전시에는 온수열교환기(20)로 히프펌프(1)의 냉매열교환기측에 태양열을 차단하는 그늘을 만들어 히트펌프(1)의 냉매열교환기의 냉각능력을 향상시켜 히트펌프(1)의 냉방 효율이 향상되면서 히트펌프(1)의 효율을 극대화시킬 수 있는 것이다.
또한 축열조(3)의 온수는 열교환환기장치(4)로 직접 보내 순환하게 할 수도 있고, 난방배관을 통해 건물 실내를 난방하게 된다.
아울러, 상기 온기 집열체(13)를 통해 얻어진 따듯한 공기는 열교환환기장치(4)로 직접 보내 열교환기(미도시) 통해 찬공기를 가열하므로써 난방 효율을 높일 수 있는 것이다.
실내 냉방시는 축열조(3)의 냉수를 열교환환기장치(4)로 보내 열교환기(미도시) 통해 실내냉방을 할 수 있다.
또 실내 냉방을 통해 발생한 실내의 차가운 공기는 온기 집열체(13)로 보내서 PV 모듈(11)을 식혀주도록 구성될 수도 있는데, 이처럼 차가운 공기가 PV 모듈(11)을 식혀주게 되면 PV 모듈(11)에 의한 전력 생산능력이 향상되는 것이어서 일석이조의 효과를 얻을 수 있는 것이다.
또한 히트펌프(1)는 냉방운전시 외부의 더운 공기를 흡입하여 축열조(3)을 냉각시키는데 활용하게 되는데, 이때 히트펌프(1)의 냉각 효율을 극대화하기 위하여 히트펌프(1)의 본체 양측면에 판(板)형의 온수열원교환기(20)가 상하방향으로 힌지수단(20a)에 의해 상하로 회동가능하게 하여 여닫히도록 구성할 수도 있다.
따라서 도 1에 도시된 바와 같이 건물의 난방 시에는 온수열원교환기(20)가 내려와 히트펌프(1)의 냉매열교환기에 밀착하게 됨으로써 겨울철 찬공기가 온수열원교환기(20)를 거치면서 가열되어 냉매열 교환기의 냉매온도를 상승시켜 히트펌프(1)의 증발열을 높이게 됨으로써 난방효율을 높이며, 도 2에 도시된 바와 같이 건물의 냉방 시에는 온수열원교환기(20)가 열려져서, 즉 들려서 히트펌프(1)로 유입되는 외부 공기에 대한 인입 공기저항을 줄여주고 히트펌프(1) 본체에 그늘을 형성해서 태양열을 차단하여 주변온도를 낮춰줌으로써 히트펌프(1)의 성능향상을 도모할 수 있다.
이를 보다 자세히 설명하면 온수열원교환기(20)는 겨울철 등 외기가 낮아 건물의 난방 시 히트펌프(1)의 냉매열교환기(미도시)에 밀착되어 외부 차가운 공기가 유입될 때 온수열교환기로 부터 따뜻한 열원을 얻어 냉매열교환기에 전달하여 히트펌프(1)의 증발열을 높임으로써 난방효율은 높여주고, 여름철 등 외기가 높아 건물의 냉방 시에는 상방향으로 들려져서 히트펌프(1)로 유입되는 외부 공기에 대한 인입 공기저항을 줄여줌과 동시에 히트펌프(1)에 그늘을 형성해주게 되어 히트펌프(1)의 주변 공기의 온도를 낮추게 되어 냉매열교환기의 응축온도를 하강시켜 냉방효율을 높일 수 있게 되는 것이다.
따라서, 상술한 바와 같이, 겨울철 또는 여름철 등 필요에 따라 건물 내부를 냉난방하기 위해서, 전기 및 열에너지의 동시생산이 가능하고 단위면적당 태양에너지의 효율적 활용이 가능한 PVT 모듈을 이용함으로써, 종래의 냉난방시스템과 비교하여 환경에 대한 악영향을 미치지 않으면서 에너지의 효율적 활용을 크게 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
1: 히트펌프 2: 열교환기
3: 축열조 4: 열교환환기장치
5: 급탕탱크
10: PVT 모듈 11: 태양광전지
12: 집열모듈 13: 온기 집열체
20: 온수열원교환기

Claims (2)

  1. 건물 외부에 설치된 PVT모듈(10) 중 태양전지판을 구비하는 PV 모듈(11)은 태양광으로부터 전기를 얻어 에너지저장시스템(6)에 저장하고, PV 모듈(11) 하부에 설치되어 태양광으로 열을 얻기 위한 집열모듈(12)은 가열된 온수를 급탕탱크(5) 또는 히트펌프(1)로 보낼 수 있도록 구성된 냉난방환기시스템에 있어서,
    상기 집열모듈(12) 하부에는 온기 집열체(13)를 형성하여 집열모듈(12)에의해 발생한 열로 공기를 데울 수 있도록 하되, 온기 집열체(13)에서 얻어진 따뜻한 공기는 열교환환기장치로 공급하여 실내의 차가운 공기를 열교환을 통해 데울수 있도록 하고, 따뜻한 날씨에는 반대로 실내의 차가운 공기를 온기 집열체(13)로 보내 PV 모듈(11)을 식혀주도록 함으로써 PV 모듈(11)에 의한 전력 생산능력이 향상되도록 하며,
    집열모듈(12)에 의해 얻어진 온수는 히트펌프(1)의 온수열원교환기(20)로 보내 난방운전시에는 온수를 열원으로 사용하여 열을 회수하도록 하고 열교환기(2)를 통해 축열조(3)로 보내고, 외부의 찬공기는 히트펌프(1)로 유입시켜 응축기를 통해 냉매를 냉각시키는데 활용함으로써 히트펌프(1)의 냉각 효율을 향상시킬 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 PVT를 이용한 냉난방환기시스템.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 히트펌프(1)의 양측면에는 판(板)상으로 이루어진 온수열원교환기(20)가 힌지(20a)에 의해 결합되어 상하로 회동되도록 함으로써,
    건물의 난방 시에는 온수열원교환기(20)가 내려와 히트펌프(1)의 냉매열교환기에 밀착하게 됨으로써 히트펌프(1) 운전시 차가운 공기가 흡입되어 냉매열 교환기와 열교환 하기전에 온수열교환기의 따뜻한 열원이 차가운 공기의 온도를 상승시켜 냉매열 교환기에 전달되도록 하여 히트펌프(1)의 증발열을 높여 난방효율을 높이고,
    건물의 냉방 시에는 온수열원교환기(20)가 들려져서 히트펌프(1)로 유입되는 외부 공기에 대한 인입 공기저항을 줄여주고 히트펌프(1) 본체에 그늘을 형성해서 냉매열교환기의 응축온도를 낮추므로써 히트펌프(1)의 성능 향상을 도모할 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 PVT를 이용한 냉난방환기시스템.
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