KR950003070B1 - 하이브리드(hybrid) 공기조화시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

하이브리드(HYBRID) 공기조화시스템

제1도는 본 발명의 구성도.

제2도는 본 발명에 있어 냉방 상태일 경우의 공기선도.

제3도는 본 발명에 사용되는 제습로우터 또는 현열교환로우터의 개략사시도.

제4도는 본 발명에 사용되는 가습장치의 개략사시도.

제5도의 (a)는 본 발명의 냉방작동시 사방밸브에 의한 냉매흐름계통도.

(b)는 본 발명의 난방작동시 사방밸브에 의한 냉매흐름계통도.

본 발명은 건물 또는 실내의 공기조화를 수행하는 공기조화시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 배출되는 배기공기의 열에너지를 유입되는 신선외기에 회수하여 재사용하므로서 기존의 공기조화시스템 보다 저렴하게 공기조화를 할수있음과 동시에 하나의 시스템으로 냉방, 난방, 제습, 가습, 환기등 각종 공기조화를 개별적으로 수행할 수도 있으며, 2-3가지의 공기조화를 복합적으로 수행하여 가장 쾌적한 공기를 얻을 수 있는 하이브리드(HYBRID) 공기조화시스템에 관한 것이다.

지금까지의 일반적인 공기조화기기는 각각의 목적에 맞게 설계되고, 제작되어 각종 공기조화를 위해서는 각각의 기능을 가진 기기를 구입해야만 했기 때문에 경제적 부담 및 에너지 손실을 감수해야만 했었다.

이와 같은 것을 감안하여 본 발명에 있어서는 하나의 공기조화 시스템에 여러가지의 공기조화를 개별적으로 혹은 복합적으로 수행하여 효율을 높임과 동시에 저렴하게 가장 쾌적한 공기조화를 수행할 수 있도록 한 것이다. 본 공기조화시스템은 기존의 에어콘 시스템의 일종인 Heatpump 원리를 응용하여 냉동장치의 열교환기 즉, 증발기와 응축기를 본 공기조화 시스템에 적용하여 냉방 및 난방에 혼용 적용하고, 신선외기 중에 포함한 습기를 흡착식으로 제습하여 공기중의 잠열비를 낮추어 적은 에너지를 쉽게 열교환이 이루워 질 수 있게 한 것이다.

기존의 에어콘 시스템은 과냉으로 인한 제습을 행하므로 에너지가 과소비되며, 프레온계 냉매를 사용하지 않는 비냉매 시스템으로 공조를 할 경우 용량에 비해 장치의 크기가 비대하여지므로 본 발명인 하이브리드(HYBRID) 공기조화시스템은 이러한 두 시스템중 장점만 살려 조합함으로써 제습에 필요한 에어콘의 과냉용량을 줄이고 적정 냉각용량만을 취함으로서 공조용 에너지 소비량을 최소한 시스템이라 할 수 있다. 또한, 본 발명인 공기조화시스템은 시스템에 유입된 신선외기중에 포함된 습기를 흡착식으로 제습하여 공기중의 잠열비를 낮추어 적은 에너지로 쉽게 열교환이 이루어질 수 있게한 흡착식 공기조화시스템이라 말할 수 있다.

즉, 열공식 δQ : GCdt

Q=GC(t₂-t₁)

(G : 중량, Q : 에너지, C : 비열, t : 온도)에서 보는 바와 같이 공기중에 포함된 습기를 제거하게 되면, 공기는 비중이 감소됨과 동시에 비열이 낮아져 적은 열량으로 공기는 쉽게 냉각 되어진다. 따라서, 본 시스템은 급기통로의 입구에 제습장치를 설치하여, 흡입되는 공기를 제습하여, 공기의 비열을 낮춘다음 공기중에 포함된 열에너지를 현열교환장치를 통해 1차 열교환시켜 냉각 또는 가열시킨 다음 2차 열교환 과정에서 요구하는 공기조화 냉방, 난방, 제습, 가습등의 공정을 거친 후 실내로 공기를 공급시키고, 실내의 탁한 배기공기를 다시 배기측의 현열교환장치를 통과시켜 배기 공기중의 열에너지를 회수, 재사용하여 에너지효율을 높여줄 수 있게 하였다. 또한, 냉동장치의 열교환기 즉, 증발기와 응축기를 사방향 밸브로 서로 절환 가능토록 하여 필요에 따라 증발기로 또는 응축기로 용이하게 변경 가능하게 하여 하나의 시스템으로 서로 상반되는 냉ㆍ난방을 동일 냉동장치로 사용될 수 있게 하였다. 또한, 본 시스템에 사용되는 보조 가열수단인 가열장치와 냉각장치에 사용되는 에너지원으로 엔진의 배기열, 열병합발전소에서 발생되는 폐열, 소각로의 소각열등의 폐열이나, 태양열, 지열, 지하수등 자연계에 존재하는 에너지를 열원으로 이용할 때 보다 저렴하게 시스템을 운영할 수 있다. 즉, 일반적으로 건물의 냉ㆍ난방에 이용되는 엘에너지는 고온에서 이루어지는 열교환기는 달리 대개 섭씨 100℃이하의 중ㆍ저온을 대부분 이용하기 때문에 상기에서 언급한 대로 폐열이나 주변의 자연환경에서 얻을 수 있는 열원을 본 공기조화시스템에 이용할 수 있도록 본 시스템을 적절히 설계한 것이다.

이와 같은 본 발명을 첨부한 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

즉, 급기측 통로(A)와 배기측통로(B) 사이에 원통형 제습로우터(2)와 원통형 현열교환로우터(3)가 설치되며, 급기측 통로(A) 입구에는 필터(1)가 설치되며, 상기 급기측통로(A)에 설치된 원통형 현열교환로우터(3)와 공기 조화대상 실내(10) 사이에는 외부에 설치되는 냉각장치의 실외기(4)와 이어지는 열교환기(EVA)(5) 및 보조가열장치(7) 및 가습장치(9)가 설치되어지며, 배기측 통로(B)의 중간에 중간배기구(15)와 공기조화 대상 실내(14) 사이에 배기팬(11) 및 상기 원통형 현열교환기로우터(3)의 하단 및 외부의 공급유니트(13)와 연결되는 냉각장치(12)가 설치되며, 상기 배기측 통로(B) 후단부에는 상기 냉각장치의 실외기(4)와 연결되는 열교환기(COND)(6) 및 보조가열장치(8) 및 배기팬(11') 및 원통형 제습로우터(2)의 하단이 위치되도록 한 것이다. 상기의 원통형 제습로우터(2) 및 원통형 현열교환로우터(3)의 중앙에는 축(21) 및 베어링(22)을 각각 삽치하며, 그 외측에는 벨트(23)에 의해 또는 기어에 의해 일방향으로 회전 가능하게 급기측통로(A)와 배기측통로(B) 사이에 설치 되어진다.

또한, 상기 급기측통로(A)에 설치되는 열교환기(EVA)(5) 및 배기측통로(B)에 설치되는 열교환기(COND)(6)는 냉각장치의 실외기(4)에 포함되는 4방향 밸브(17)로 서로 연결 되어진다.

도면중 미설명부호 25는 모타이며, 26은 감속기이다.

도면중 제1도의 화살표는 공기 흐름 방향을 의미하며, 제4도의 화살표는 냉매의 흐름 방향을 의미한다.

이와 같은 구조를 갖는 본 발명은 중대형 공간의 공기조화에 적절하게 이용되기 때문에 상기 급기측통로(A)에 설치되는 가습장치(9)는 전기, 전자적인 가습장치보다는 물을 직접 분사하여 증발시키는 가습장치가 사용되는 것이 바람직하다.

본 발명에 사용되는 가습장치(9)는 제4도체서 보는 바와 같이 일측에 물통(31)이 구비되며, 후레임(32)내측에 얇은 판재(33)를 적층한 증발부와 상방에 다수개의 물분사구(34)를 갖는 파이프(35)를 호스(36)로 상기 물통(31)과 연결시키는 것을 사용할 수 있다.

이와 같은 가습장치 증발부의 표면적이 넓어 단시간에 많은 양의 물을 증발 가습시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 지하수등을 이용할 때 청결하며, 경제적으로 가습장치를 설치할 수 있게 된다.

이와 같은 발명의 구성을 보다 상세히 설명함 동시에 그 작용 및 효과를 살펴보면 다음과 같다.

급기측 통로(A)로 유입되는 신선외기는 필터(1)를 거쳐 먼지등 이물질이 제거된 후, 제습장치인 원통형 제습로우터(2)에 의해 습기가 제거된다.

그 후 제1차 열교환장치인 원통형 현열교환로우터(3)를 거친 다음 냉각 또는 가열되며, 제2차 현열교환장차인 열교환기(5)를 통해 공조된 후 실내로 유입되고, 시랜의 탁한 배기공기는 배기측 통로(B)의 냉각장치인 증발식 냉각기(12)를 거쳐 1차 냉각되고(냉방시) 원통형 현열교환로우터(3)를 통해 공기중의 열량을 회수(난방시) 또는 방출(냉방시)한 다음 외부로 배출된다.

한편 별도의 재생용 공기를 배기측 통로(B)의 원통형 제습로우터(2)로 통과시켜 흡기측 통로(A)의 원통형 제습로우터(2)를 재생토록 하였다. 후술하는 바와 같이 원통형 제습로우터(2)의 재새용 공기는 가열시 소비되는 에너지를 절약하기 위해 실내에서 재순환되는 공기보다 온도가 높은 외기를 사용토록 하였다.

또한, 급기측 통로(A)과 배기측 통로(B)는 각각의 급기팬(10)가 배기팬(11)(11')을 가지며, 급기측 통로(A)에는 가습장치(9)와 가열장치(7)가 설치되며, 배기측 통로(B)에는 원통형 제습로우터(2)를 재생시켜 주는 가열장치(8)가 각각 설치되며, 냉동장치(4)로부터 방열과 흡열을 하는 각각의 열교환기(5)(6)가 급기측 통로(A)의 열교환기(5)는 냉방식 찬공기를 내는 증발기(EVA)가 되며, 난방시에는 더운공기를 내는 응축기(COND)의 작용을 하게 된다.

이와 반대로 배기측 통로(B)의 열교환기(6)는 난방시에는 더운공기를 내는 응축기가 되며, 냉방시에는 찬공기를 내는 증발길 교환, 작동시키기 위하여 사방밸브(17)로 급기측 통로(A)와 배기측 통로(B)의 열교환기(5)(6)의 회로를 용이하게 절환될 수 있게 하였다.

또한, 상기 원통형 제습로우터(2)는 급기측 통로(A)와 배기측 통로(B)가운데 설치되며, 가운데에 축(21)과 베어링(22)으로 지지되어 원활하게 일방향으로 회전되어지게된다. 따라서, 원통형 제습로우터(2)는 급기측 통로(A)에서는 공급되는 신선외기 중의 습기를 빨아드려 제습하고 배기측 통로(B)에서는 상기 빨아들인 습기를 증발 건조시켜 다시 급기측 통로(A)로 회전시켜 급기측 통로(B)에서 제습작용을 할 수 있게 한다.

또한, 배기측 통로(B)의 원통형 제습로우터(2) 앞에서 원통형 제습로우터(2)를 연속적으로 제습하기 위한 재생수단으로 열을 방사하는 가열장치(8)가 구비 되어진다.

이와 같이 회전하는 원통형 제습로우터(2)는 그 제습소재로 폴리에스테르 필름 또는 세라믹 재질의 박판, 알루미늄 박판이나 이들을 혼합한 재질로 된 벌집모양(Hyneycomb type)이나, 수평타임(Parallel type)으로 구성하고 이에 화학제습제인 실리카겔, Nax, 염화리듐등의 제습물질을 코팅 처리하였다.

또한, 상기의 원통형 현열교환로우터(3)는 원통형 제습로우터(2)와 마찬가지로 급기측 통로(A)와 배기측 통로(B)의 가운데에 축(21)과 베어링(22)으로 설치되어 일방향으로 회전하면서 배기측(B)로 유입되는 신선외기에 흡수된 열에너지를 교환하여 제1차 열교환이 이루어지게 된다.

이와 같은 현열교환로우터(3)는 원통형 제습로우터(2)와 마찬가지로 그 소재를 폴리에스테르 필름과 알루미늄 박판 또는 세라믹 박판등과 같은 판지를 벌집모양(Honeycomb type)이나 둥글게 말아 수평타입(Parallel type)으로 구성된다.

또한, 냉각장치의 실외기(4)와 연결된 급기측 통로(A)의 열교환기(5)는 여름철 냉방식 찬공기를 내는 증발기가 되며, 배기측 통로(B)의 열효관기(6)는 여름철에 더운공기를 내는 응축기로 작동되어 원통형 제습로우터(2)를 재생시켜 주게 된다. 그러나, 냉동장치의 실외기(4)와 연결된 급기측 통로(A)의 열교환기(5)는 겨울철 난방식 더운공기를 내는 응축기가 되며, 배기측 통로(B)의 가열장치(8)등에 의해 원통형 제습로우터(2)는 열을 받아 급기측 통로(A)으로 유입되는 신선외기에 열을 가하는 현열교환기의 역할을 하게 된다.

이와 같이 구성된 본 공기조화시스템으로 여름철 냉방을 할 경우를 설명하면 다음과 같다.

즉, 고온다습한 외기가 필터(1)을 통해 먼지등 이물질이 제거되어 급기측 통로(A)로 유입되는 신선외기는 원통형 제습로우터(2) 습기가 제거되어 저습한 공기도 된다. 이와 같이 원통형 제습로우터(2)를 통과하여 제습된 직후의 공기는 흡입되는 초기의 공기 온도보다 약간 상승하게 된다. 그 이유는 배기측 통로(B)에 구비된 열교환기(6)가 응축기로 작동하여, 열을 발산하에 되며, 이열에 의해 회전되는 원통형 제습로우터(6)를 배기측 통로(B)에서 빨아들인 습기를 증발시키기 위해 열기를 흡수하였기 때문이다.

이와 같이 배기측 통로(B)에서 재생을 위해 가열된 열은 원통형 제습로우터(2)를 통과한 급기측 통로(A) 공기의 온도상승을 유발한다. 그 후 제1차 열교환장치인 원통형 현열교환로우터(3)를 통과한 신선외기는 배기측 통로(B)로 부터 열교환이 되어 저온저습한 공기가 된다.

즉, 배기측 통로(B)의 원통형 현열교환로우터(3)는 급기측 통로(A)의 공기보다 배기측 통로(B)의 증발식 냉각기(12)에 의해 발생된 온도가 낮은 공기가 회전하는 원통형 현열교환로우터(3)를 통과하기 때문에 급기측 통로(A)의 원통형 현열교환로우터(3)를 통과한 공기는 온도가 낮아지게 되는 것이다. 그 후 제2차 열교환장치인 열교환기(5) 즉, 증발기를 통과하여 급냉된 후 실내로 유입된다.

실내의 탁한 배기공기는 배기측 통로(B)로 유입됨과 동시 배기측 통로(B)의 물증발식 냉각기(12)에 의해 온도를 더 강하시키게 되면 온도가 강하된 배기공기는 배기측 통로(B)의 원통형 현열교환로우터(3)를 냉각시키게 된다.

즉, 배기측 통로(B)의 원통형 현열교환로우터(3)를 통과한 배기공기는 급기측 통로(A)로 유입된 신선외기에 의해 더워진 배기측 통로(B)의 원통형 현열교환로우터(3)를 냉각시켜 주는 것이다.

그 후, 배기공기의 일부는 배기팬(11)으로 별도의 배기덕트인 중간 배기구(15)를 통해 외부로 방출시킨다. 또한, 상기 중간 배기구(15)로 배기되는 공기는 급기축(A)으로 유입되는 신선외기의 온도보다 그 온도가 낮으므로, 배기되는 공기중 일부를 별도의 순환 덕트를 통해 급기측 통로(A)로 공급하여 혼합함으로써 경우에 따라 전부를 순환시킬 때 보다 에너지 소비를 줄여서 시스템을 운영할 수 있다.

이하, 본 공기조화시스템으로 겨울철 난방을 할 경우를 설명하면 다음과 같다.

필터(1)를 통해 먼지등 이물질이 제거된 저온의 외기는 급기측 통로(A)의 원통형 제습로우터(2)와 원통형 현열교환로우터(3)를 통과하는 동안 열교환이 이루어져 온도가 상승된다. 난방시에는 원통형 제습로우터(2)는 재생시키지 않으므로 원통형 현열교환로우터(3)와 마찬가지 역활을 수행하게 된다. 그 후 제2차 열교환 장치인 열교환기(5) 즉, 응축기에 의해 가열되어 실내로 공급된다.

실내를 순환한 공기는 배기측 통로(B)로 유입된 후 배기측 통로(B)의 원통형 현열교환모우터(3)에서 열교환되어 냉각된다. 즉, 실내의 공기의 온도는 급기측 통로(A)으로 유입되는 신선외기의 온도보다 높기 때문에 배기측 통로(B)의 원통형 현열교환모우터(3)와 원통형 제습로우터(2)는 배출되는 열을 흡수하여 급기측 통로(A)으로 공급되는 신선외기에 열을 전달하게 된다. 필요시 급기측 통로(A)의 가습장치 (9)를 가동시켜 실내의 습도를 조절할 수 있다. 또한 난방시 배기측 통로(B)에 설치된 증발식 냉각기(12)는 가동이 되지 않는다.

이와 같이 배기측 통로(B)의 원통형 현열교환로우터(3)를 통과한 배기공기는 배기덕트인 중간 배기구(15)를 통해 외부로 방출되며, 배기공기의 일부를 순환턱트를 통해 급기측(A)의 공급하여 배기 공기중의 열을 유입 공기에 혼합하여 사용할 때 본 시스템을 보다 경제적으로 운영할 수 있다.

전술한 바와 같이 난방시 원통형 제습로우터(2)는 제습장치의 기능보다 원통형 현열교환로우터(3)의 마찬가지로 열을 흡수하여 급기측 통로(A)로 공급되는 신선외기를 가열하여 주는 현열교환기의 역할을 주로 행하게 된다.

또한, 급기측 통로(A)와 배기측 통로(B)에 각각 설치된 가열수단(7)(8)은 보조가열수단으로 가스와 전기등과 같은 직접적인 에너지를 이용하는 방법도 있으나, 주변에 엔진의 배기열이나, 열병합발전소의 폐열, 소각로의 소각열, 건물의 배기열등 폐열을 이요하거나 태양열, 지열등 자연계에 존재하는 열원이 주변에 있다면 이를 이용할 때보다 저렴하게 시스템을 운영할 수 있다.

이와 같이 본 발명이 공기 조화시스템은 배출되는 폐열을 이용하여 총체적으로 본 시스템을 운영할 수 있음과 동시에 급기되는 공기를 먼저 제습하여 공기가 포함한 처리부하를 낮추어 단시간 내에 공기를 냉각 또는 가열되게한 것으로 하나의 시스템으로 각종 공기조화(냉방, 난방, 제습, 환기등)를 원활히 수행할 수 있으며, 또한, 기존의 에어콘 시스템은 과냉으로 인한 제습을 행하므로 에너지가 과소비되며, 프레온계 냉매를 사용하지 않는 비냉매 시스템만으로 공조를 할경우 용량에 비하여 보면 공기조화장치의 크기가 비대하여지기 때문에 본 발명인 하이브리드 공기조화시스템은 이와 같은 두 시스템의 장점을 살려 조합함으로서 제습에 필요한 에어콘의 과냉 용량을 줄이고 적정 냉각 용량만을 취함으로서 공조용 에너지 소비량을 최소화한 아주 유용한 발명인 것이다.

Claims (11)

1. 급기측 통로(A)와 배기측통로(B) 사이에 원통형 제습로우터(2)와 원통형 현열교환로우터(3)가 설치되며, 급기측 통로(A) 입구에는 필터(1)가 설치되며, 상기 급기측 통로(A)에 설치된 원통형 현열교환로우터(3)와 공기 조화대상 실내(10) 사이에는 외부에 설치되는 냉각장치의 실외기(4)와 이어지는 열교환기(EVA)(5) 및 보조가열장치(7) 및 가습장치(9)가 설치 되어지며, 배기측 통로(B)의 중간에 중간배기구(15)와 공기조화 대상 실내(14) 사이에 배기팬(11) 및 상기 원통형 현열교환로우터(3)의 하단 및 외부의 공급 유니트(13)와 연결되는 냉각장치(12)가 설치되며, 상기 배기측 통로(B) 후단부에는 상기 냉각장치의 실외기(4)와 연결되는 열교환기(COND)(6) 및 보조가열장치(8) 및 배기팬(11') 및 원통형 제습로우터(2)의 하단이 위치되도록 한 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.
2. 제1항에 있어서, 원통형 제습로우터(2)와 원통형 현열교환로우터(3)는 그 중앙에 축(21)과 베어링(22)으로 지지되어 급기측 통로(A)와 배기측 통로(B) 사이에 회전 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.
3. 제1항에 있어서, 원통형 제습로우터(2)와 원통형 현열교환로우터(3)가 세라믹 박지나 알루미늄 박판으로 구성된 판지를 벌집모양(Honeycomb type)으로 구성한 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.
4. 제1항에 있어서, 원통형 제습로우터(2)와 원통형 현열교환로우터(3)가 폴리에스테르 필름으로된 판지를 둥글게 말아 수평형(Parallel type)으로 된 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.
5. 제1항에 있어서, 원통형 제습로우터(2)에 화학제습제를 코팅한 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.
6. 제1항에 있어서, 보조가열장치(7)(8)가 전기나 가스를 사용한 보일러를 이용하여 직접가열에 의한 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.
7. 제1항에 있어서, 보조가열장치(7)(8)이 폐열이나, 태양열, 저열, 지하수등 자연계에 존재하는 에너지를 이용한 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.
8. 제1항에 있어서, 급기측 통로(A)와 배기측 통로(B)에 설치된 냉각장치(4) 실외기와 연결된 열교환기(5)(6)가 사방 밸브(17)에 의해 절환될 수 있는 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.
9. 제5항에 있어서, 화학제습제가 실리카겔인 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.
10. 제5항에 있어서, 화학제습제가 염화리듐인 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.
11. 제5항에 있어서, 화학제습제가 Nax인 것을 특징으로 하는 하이브리드 공기조화시스템.