WO2020111339A1 - 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템 - Google Patents

중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템 Download PDF

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WO2020111339A1
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hollow fiber
fiber membrane
air
heat
membrane filter
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PCT/KR2018/015074
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English (en)
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채상묵
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(주)바이오데이즈
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D63/00—Apparatus in general for separation processes using semi-permeable membranes
    • B01D63/02—Hollow fibre modules
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F3/00—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems
    • F24F3/12—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling
    • F24F3/14—Air-conditioning systems in which conditioned primary air is supplied from one or more central stations to distributing units in the rooms or spaces where it may receive secondary treatment; Apparatus specially designed for such systems characterised by the treatment of the air otherwise than by heating and cooling by humidification; by dehumidification
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater

Definitions

  • the present invention provides a dehumidification and air conditioning system using a hollow fiber membrane membrane, provides a compact, economical and low-temperature reliable heat pump for hot water, without a hydraulic unit, and a condenser and heat pump.
  • the present invention relates to a solar heat pump air conditioning and heating system equipped with a hollow fiber membrane membrane filter dehumidifying device, which is configured integrally, has a function of a high efficiency MCHX evaporator, and is optimally designed for EVI heat pump cycle and scroll compressor applications.
  • the radiant heating and cooling system as described above is a unit of various equipments to control the condition of the supplied air, a mixture that introduces and mixes recirculated ventilation and fresh outside air, and heats, cools and dehumidifies the air. It consists of a heating coil and a cooling coil, an air filter for removing impurities in the air, and a humidification system and a control system that generate water spray or steam for humidification if necessary.
  • the heat pump radiant heating and cooling system deteriorates the heating capacity and the ability to produce hot water due to the decrease in the outside temperature in winter. Consumers choose a heat pump water heater with a steam compressor cycle at a higher initial cost and superior to that of boilers. However, when the temperature of the outside air in winter fell, we faced a realistic problem of not being able to receive warm hot water, which led to consumer complaints.
  • a decrease in the outside temperature causes a decrease in the evaporation temperature of the system, and a decrease in the heating capacity can be confirmed by the operating envelope (polygon) of the compressor.
  • the heat pump radiant heating and cooling system is an EVI (Enhanced Vapor Injection) system by improving the operating diagram of the compressor itself and applying a small economizer (e.g., Swep BPHX, Brazed Plate Heat eXchanger) when the outside air drops.
  • a small economizer e.g., Swep BPHX, Brazed Plate Heat eXchanger
  • the plate type heat exchanger applied in such a system is usually expressed as an intermediate gas supplementary heat exchanger, an enthalpy increasing heat exchanger, a subcooler, an economizer, etc., but it would be reasonable to view it as an economizer in its role.
  • the control of the working fluid (refrigerant) that is bypassed with an economizer and moves to the compressor outlet is implemented with EEV.
  • outside/outlet temperature will be applied instead of the evaporation/condensation temperature normally used in compressor operating diagrams.
  • the heating operation rate is 80% or more, and it is necessary to apply commercialized time defrost or demand defrost logic. Also, it is necessary to implement sensorless defrost logic. This is because the outdoor heat exchanger sensor can be deleted. This can be called defrost logic that can prevent false defrost by taking into account the image implantation and sub-zero non-imaging areas.
  • Desiccant refers to a substance having a form of a solid or liquid substance and having a large moisture holding capacity compared to its own weight.
  • desiccant exhibits a characteristic of decreasing humidity but increasing sensible heat when sucking steam. In this case, it is necessary to make a low enthalpy state through sensible heat exchange and evaporative cooling.
  • the cooling dehumidification method is a method of lowering humidity by condensing moisture in the air by contacting the air to be dehumidified with a freezer below the cooling coil surface below the dew point temperature, and dehumidifying with 1 ⁇ 2 as shown in FIG. 8. It is possible to reduce the temperature and humidity of the air, but there is a problem that the power of the compressor and the fan is consumed for this.
  • the method of using the adsorbent in the dehumidification process uses the principle that adsorbents such as silica gel and activated alumina adsorb moisture. 1 ⁇ 4 changes in the air diagram, and the heat of adsorption on the surface of the adsorbent during the process of moving along the isohumidity curve Since it occurs, it requires an additional amount of cooling heat to remove the generated heat.
  • the system using the hollow fiber membrane membrane to be applied in the present invention moves in the moving direction 1 ⁇ 3 on the air chart, no additional cooling heat amount and electric required power are required.
  • the water vapor in wet air has a large polarity, so the permeation constant is very large. Therefore, water vapor shows a relatively large permeability relative to other components of air (oxygen, nitrogen).
  • the dehumidification method using this is a dehumidification air conditioning system using a hollow fiber membrane membrane according to the present invention.
  • the pressure loss and flow characteristics of the internal air flow must be analyzed and also performed.
  • a structure that smoothly passes through the incoming air while supporting the membrane member of the hollow fiber membrane filter for arranging a large number of hollow fiber membrane filters and smoothly and efficiently dehumidifying the incoming air to be air-conditioned and the hollow fiber membrane filter It is necessary to develop a structure of a hollow fiber membrane filter assembly that can smoothly discharge the accumulated moisture in the hollow portion.
  • the object of the present invention is to solve the problems as described above, to provide a dehumidification air conditioning system using a hollow fiber membrane, a compact size (Compact), economical and provides a low temperature reliable heat pump for hot water, hydraulic unit Dehumidification of hollow fiber membrane membrane filter without (Hydraulic Unit), integrated condenser and heat pump, equipped with high-efficiency MCHX evaporator function, and optimally designed for EVI heat pump cycle and scroll compressor application It is to provide a solar heat pump air conditioning system equipped with a device.
  • the inlet air is introduced in a direction perpendicular to the long axis of the hollow fiber membrane filter and of the cylindrical hollow fiber membrane filter.
  • a vacuum pump By connecting a vacuum pump to the central through-hole provided in the center, a pressure lower than that of the incoming air, that is, lower than the outside of the hollow fiber membrane filter is applied, so that the incoming air passes through the hollow fiber membrane filter smoothly and the dehumidified moisture passes through the vacuum pump. It is to provide a solar heat pump air-conditioning system equipped with a hollow fiber membrane membrane filter dehumidifying device for easy discharge.
  • the present invention relates to a solar heat pump air conditioning system equipped with a hollow fiber membrane membrane filter dehumidifying device, which mixes, filters, cools and dehumidifies, heats and humidifies the air supplied to the case and enters the room.
  • Air conditioner A refrigerating device repeating the above process after using refrigerant for compression, condensation, expansion and evaporation to cool and dehumidify the air introduced into the case;
  • a heat collecting device for heating the heat medium oil to high temperature using solar heat;
  • a heat storage tank which is connected to the heat collecting device and connected to the piping and is provided with a first heat exchanger for converting water heated inside to hot water by heat exchange between heat medium oil and water;
  • a hollow fiber membrane filter module composed of a plurality of hollow fiber membrane members to reduce the absolute humidity of the mixed air; And it characterized in that it comprises a cyclone filter for filtering the mixed air.
  • the system integration technology can be secured and lowered based on the optimization of the heating and cooling system using the hollow fiber membrane dehumidifying device. , It is possible to build a subdivided system based on demonstration considering the domestic and foreign environment and the internal environment of the building, and the effect of applying element technologies of high-efficiency buildings such as green building and zero energy house is obtained.
  • FIG. 1 is a block diagram of a solar heat pump air conditioning system equipped with a hollow fiber membrane membrane filter dehumidifying device according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2 is a perspective view of a hollow fiber membrane membrane member according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 3 is a sectional view of Fig. 2;
  • Figure 4 is a schematic perspective view of a hollow fiber membrane filter module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is an installation configuration of a hollow fiber membrane filter module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a shape diagram of a hollow fiber membrane filter module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a block diagram of a cyclone filter according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a block diagram of a solar heat pump air-conditioning system equipped with a hollow fiber membrane membrane filter dehumidifying device according to an embodiment of the present invention.
  • the air conditioning system 10 includes a heat collecting device 100, a heat storage tank 200, a refrigerating device 300, an air conditioner 400, a hollow fiber membrane filter module 500, and a cyclone filter. It is configured to include 600.
  • the heat collecting device 100 collects solar energy to heat the heat medium oil to a high temperature, and the heat collecting device 100 is connected to the heat exchanger 210a located in the middle of the heat storage tank 200 through the heat medium oil pipe 150 The heat medium oil is heated to a high temperature in the heat collecting device 100 while circulating the heat collecting device 100 and the heat storage tank 200 and makes hot water by heat exchange with water in the heat storage tank 200.
  • the heat medium oil pipe 150 for circulating the heat medium oil used for heat exchange with water in the heat storage tank 200 is provided with a heat medium oil circulation pump 152, and for example, the heat medium oil is a synthetic heat medium oil.
  • Therminol 55 is used.
  • the solar tracking sensor 166 is provided to detect the temperature of the solar heat converging therein and the inclination angle adjusting unit 164 for adjusting the inclination angle of the heat collecting tube 110, and to track the movement trajectory of the sun.
  • the horizontal rotation and inclination angle of the heat collecting tube 110 are adjusted while following the trajectory. Condensing (condensing) efficiency can be increased due to the installation of the tracking means 160 rather than a fixed concentrator.
  • the heat exchanger 210b located below the inside of the heat storage tank 200 is connected to the refrigerant circulation pipe 350 of the refrigeration device 300, and condensation heat that is discarded into the atmosphere from the condenser 320 of the refrigeration device 300 is stored in the heat storage tank ( 200) to exchange heat with water. That is, the temperature of the lower water in the heat storage tank 200 is maintained by the refrigeration device 300, and the temperature of the upper water is raised by using solar heat. In this way, water in the heat storage tank becomes hot water by heat (condensation heat and solar heat) supplied to the heat storage tank 200 and heat exchange in the heat exchangers 210a and 210b, and energy is saved by linking the hot water with the air conditioner 400 can do.
  • the air conditioner 400 is provided with a mixing chamber 420, an air filter 430, a cooling coil 440, a heating coil 450, a humidifier 460, and a blower 470 inside the case 410. Is done.
  • the filtered air is cooled and dehumidified by the cooling coil 440 and heated by the heating coil 450, wherein the cooling and heating coils 440 and 450 are forced to expand aluminum fins outside the copper pipe to improve heat transfer capability. Produced in close contact.
  • the refrigerant When the low-temperature, low-pressure liquid refrigerant that has passed through the expansion valve 330 of the refrigerating device 300 is supplied to the copper pipe of the cooling coil 440, the air is cooled and dehumidified while being exchanged with the filtered air, and the refrigerant is a low-temperature and low-pressure gas. It is converted into a phase and is supplied to the compressor 310 of the refrigerating device 300 through the refrigerant circulation pipe 350.
  • the refrigerant used is R-22 or its alternative refrigerant depending on the performance.
  • the copper pipe of the heating coil 450 is connected to the heat storage tank 200 and the heating pipe 220, when the hot water of the heat storage tank 200 is supplied to the heating coil 450, the air is heated while being heat exchanged with the cooled air. It moves to the humidifier 460 and the hot water is cooled and supplied to the heat storage tank 200 by the heating circulation pump 240 again.
  • the air heated through the heating coil 450 is humidified by the humidifier 460 and supplied to the room through the blower 470 installed at the indoor outlet while the humidity is increased.
  • the relative humidity in the room may be reduced through normal cooling dehumidification.
  • the refrigeration device 300 includes a compressor 310, a condenser 320, an expansion valve 330, an oil separator 340, and a liquid separator 360, and is connected through a refrigerant circulation pipe 350.
  • the compressor 310 compresses the evaporated R-22 or its alternative refrigerant gas into a high-temperature, high-pressure gas state.
  • the refrigerant circulates through the pipe, and after being heat-exchanged in the evaporator, comes out as a low-temperature low-pressure gas and is sucked into the compressor 310. It becomes the gas state of high temperature and high pressure, and heat is condensed in the air and condenser 320 in the atmosphere, and this heat is discarded in the atmosphere, but in the present invention, it is sent to the lower portion of the heat storage tank 200 and heat exchanged with low temperature water to be first discarded. Heat is recovered, and heat exchanged in the heat exchanger 210b under the heat storage tank 200, and then the liquid refrigerant is sent to the condenser 320.
  • the condenser 320 exchanges heat with outdoor air to condense the gaseous refrigerant into a liquid state, and the expansion valve 330 decompresses the liquid refrigerant passing through the condenser 320 into a low-temperature, low-pressure liquid refrigerant by throttling action. Order.
  • the refrigerant decompressed to low temperature and low pressure is supplied to the cooling coil 440 of the air conditioner 400 and heat-exchanged with filtered air, and then again compressed through the refrigerant circulation pipe 350 It is supplied to the 310 and circulated.
  • the liquid separator 360 and the oil separator 340 are respectively installed on the path of the refrigerant circulation pipe 350 between the cooling coil 440 and the heat storage tank 200 around the compressor 310, and the liquid separator 360 ) Prevents liquid compression by separating the refrigerant liquid in the gas sucked into the compressor 310, and the oil separator 340 protects the compressor by recovering refrigerated oil mixed with the refrigerant gas discharged from the compressor 310 and circulating. Make it possible.
  • the oil and the refrigerant that have passed through the compressor 310 are transferred to the oil separator 340 and the heat storage tank 200 through piping, wherein the oil is re-compressed by the internal valve operation of the oil separator 340 to the compressor 310 ) And the pure refrigerant moves to the condenser 320.
  • liquid refrigerant that is not evaporated during the phase change process from the liquid phase to the gas phase through heat exchange through the cooling coil 440 flows into the liquid separator 360, and the liquid separator 360 protects the compressor 310. In order to prevent the introduction of liquid refrigerant.
  • the filter dryer 370 is installed on the path of the refrigerant circulation pipe 350 extending from the condenser 320 toward the expansion valve 330, and moisture contained in the refrigerant transferred from the condenser 320 is installed. To prevent moisture from freezing in the throttling portion of the expansion valve.
  • FIG. 2 is a perspective perspective view of the hollow fiber membrane member 34
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of FIG. 2.
  • the hollow fiber membrane filter module 500 reduces the absolute humidity of the mixed air.
  • the filter module removes moisture from the mixed air and provides it to the cooling coil 440 or the heating coil 450 to reduce power of the refrigerator.
  • the hollow fiber membrane filter module 500 is made of, for example, a hollow fiber membrane member 534.
  • the hollow fiber membrane member 534 is formed in the form of a separation membrane capable of separating substances having different particle sizes from the fluid.
  • the hollow fiber membrane member 534 is not limited in terms of structure, material, and principle of movement of the material passing through the hollow fiber membrane member 534, and may be anything if selective movement of the material can occur.
  • the hollow fiber membrane member 534 may be formed in a cylindrical shape. And the hollow fiber membrane member 534 may be disposed at least one or more to form a vertical in the direction of movement of the mixed air in front of the cooling coil (440).
  • the hollow fiber membrane member 534 is laid in a vertical direction, and is arranged to be moved to the cooling coil 440 side while the inflow of mixed air passes in the lateral direction of the member. At this time, the hollow fiber membrane member 534 can selectively absorb moisture from the mixed air through the outer circumferential surface surrounding the outer side of the cylindrical shape. As a result, humid air can be transformed into dry air where the absolute humidity level is significantly reduced.
  • the hollow fiber membrane member 34 forms a cylindrical hollow inside. And the moisture absorbed while passing through the brain member 534 is collected in the inner hollow of the hollow fiber membrane member 534 and discharged to the outside through the side of the hollow.
  • the surface of the outer circumferential surface of the hollow fiber membrane member 534 may be formed to be uneven or spirally curved. That is, even if the hollow fiber membrane member 534 has the same length, the water absorption effect is increased due to the effect of widening the surface contacting the inflow air.
  • the dry air that passes through the side of the hollow fiber membrane member 534 and enters the hollow passes through again and exits outside the hollow fiber membrane member 534.
  • the moisture is mixed with the dry air that is passed through again is changed to humid air, which is discharged to the outside of the case 410 through the hollow fiber membrane member 534 hollow, the moisture accumulated in the hollow fiber membrane member 534 Is removed.
  • the inner circumferential surface of the hollow fiber membrane member 534 is formed as a separator through which humid air can be discharged. As a result, humid air can be removed through the inner circumferential surface of the hollow fiber membrane member 534. And moisture is collected in the hollow of the hollow fiber membrane member 534, and is discharged to the outside.
  • the hollow fiber membrane filter module 500 may include a housing 532, a hollow fiber membrane membrane cartridge 534, a vacuum pump 536 and a filter.
  • the housing 532 allows a plurality of hollow fiber membrane cartridges 534 to be arranged side by side in vertical zigzag.
  • the housing 532 is formed with an empty space inside, and a plurality of through holes are formed symmetrically on opposite sides.
  • the filter prevents contamination from dust at the air inlet of the hollow fiber membrane cartridge to prevent performance degradation.
  • the hollow fiber membrane cartridges 534 are vertically inserted sideways through the through holes. That is, a plurality of hollow fiber membrane cartridges 534 may be disposed in the housing 532. At this time, the hollow fiber membrane cartridge 534 is formed in a cylindrical shape and is installed such that both ends are located on the left and right sides of the housing 532. A vacuum differential pressure is formed to allow air containing moisture to flow smoothly into the hollow of the hollow fiber through the side air holes of the plurality of hollow fiber membrane cartridges 534.
  • the dry air passing through the hollow fiber membrane membrane cartridge 534 passes through the outside of the hollow fiber membrane membrane cartridge 534 and is discharged to the outlet of the hollow fiber membrane membrane cartridge 534.
  • the moisture accumulated in the hollow fiber hollow membrane membrane cartridge 534 is changed to humid air to stay inside the hollow fiber membrane cartridge 534. That is, the air containing moisture is stored in the hollow of the hollow fiber membrane cartridge 534.
  • the vacuum pump 536 is connected to one or both sides of the left and right sides of the hollow fiber membrane cartridge, and is particularly connected to both ends of the hollow of the hollow fiber membrane cartridge 534.
  • the other end of the vacuum pump 536 is disposed to be exposed to the outside of the case 410.
  • humid air stored in the housing 532 may be discharged outside the case 410.
  • a pump (not shown) for smoothly discharging humid air may be further installed in the vacuum pump 536.
  • the membrane cartridge is stacked in the horizontal direction, so that the external inflow air is introduced in the lengthwise direction of the membrane, that is, in the horizontal stacking direction of the membrane cartridge.
  • the air intake hole which is an axially long-axis elliptical hole in the hollow fiber membrane cartridge cartridge housing, has a different length in the axial direction of the hollow fiber membrane cartridge, and is spaced apart at regular intervals in the circumferential direction of the outside air inlet hole and the hollow fiber membrane cartridge cartridge housing.
  • the above-described axial linear air inlet hole was formed in the front portion around the main cartridge housing and formed in the front portion around the main cartridge housing.
  • a certain interval in the circumferential direction of the cylinder may be changed according to the design specifications for carrying out the present invention, such as the size of the hollow fiber membrane membrane cartridge, and the amount of outside air, but it is appropriate if the hollow fiber membrane membrane area is about 60 to 90%.
  • a filter made of a non-woven fabric is provided so that foreign matters of a certain size or more, such as dust contained in the outside air, do not flow into the hollow fiber membrane filter module.
  • the installation configuration of the hollow fiber membrane filter module 500 is composed of a regulator, a controller, a vacuum pump, and a filter module.
  • the shape of the hollow fiber membrane filter module 500 is shown in FIG. 6.
  • the cyclone filter 600 includes a cylindrical portion 610, a cone portion 620, an inlet portion 630, an outlet portion 640, and a collecting portion 650. .
  • the cylindrical portion 610 has a predetermined diameter so that the air introduced from the mix chamber 420 can rotate along the inner wall surface, and the cone portion 620 gradually increases toward the lower side of the cylindrical portion 610. It is formed so that the diameter is reduced.
  • the inlet part 630 is formed to communicate with each other along the tangential direction so that the air containing the lint flowing into the inside of the cylindrical part 610 on one side of the cylindrical part 610 can be rotated, and the outlet part 640 Is formed along the axial direction in the shape of a pipe on the top of the shaft to guide the filtered air to the outside.
  • an outlet 621 through which filtrate separated from circulating air is discharged is formed.
  • At least one selected from the cylindrical portion 610, the cone portion 620, and the inlet portion 630 is preferably configured as a thermoelectric element to facilitate dehumidification of the cyclone.
  • the collecting unit 650 is provided at the lower portion of the lower outlet 621 of the cone portion 620 to store falling filtrate and the like, and preferably, water is prevented from falling in the inner space to prevent the falling filtrate from leaving. It is filled to a predetermined height.
  • the air conditioner 400 and the refrigeration device 300 are driven by supply of electricity, while the heat collection device 100 includes a solar tracking sensor 166, a horizontal rotation unit 162, and an inclination angle adjustment unit 164. While tracking the movement trajectory of the sun in connection with each other, the sunlight is collected in the heat collecting tube 110 to heat the heat medium oil to a high temperature, and the solar module 130 generates the voltage using the sunlight to generate the voltage of the heat collecting device 100. Use it on its own power.
  • the heat medium oil heated to the high temperature is supplied to the heat exchanger 210a in the middle of the heat storage tank 200 through the heat medium oil pipe 150 to make water stored by heat exchange into hot water.
  • the refrigeration apparatus 300 repeats the compression of the compressor 310, the condensation of the condenser 320, the expansion of the expansion valve 330, and the evaporation process of the cooling coil 440 constituting the air conditioner 400. While the refrigerant circulates, the air supplied to the case 410 of the air conditioner 400 mixes the mix chamber 420, dehumidifies the hollow fiber membrane filter module 500, filters the cyclone filter 600, and air. After passing through the filtration of the filter 430, cooling and dehumidification of the cooling coil 440, heating of the heating coil 450, and humidification of the humidifier 460, it is introduced into the room.
  • the heat retained by the high-temperature and high-pressure refrigerant that has passed through the compressor 310 while circulating the refrigerating device 300 is not directly sent to the condenser 320, but the heat exchanger under the heat storage tank 200 through the refrigerant circulation pipe 350 Collected in (210b) to heat the water at the bottom of the heat storage tank 200, liquefied and sent to the condenser 320, the hot water of the heat storage tank 200 is supplied to the humidifier 460 through the humidification pipe 230 to the room It is used for humidification of the incoming air, and hot water is supplied to the heating coil 450 or the reheating coil through the heating pipe 220 to be used for heating or reheating the air flowing into the room.
  • the hot water supplied to the heating coil 450 or the reheating coil and used for heating or reheating air is supplied to the heat storage tank 200 and circulated again through the heating circulation pump 240 installed in the heating pipe 220.
  • the air conditioning system 10 can be efficiently operated by supplying it to the humidifier 460 and the heating coil 450 or the reheating coil of the air conditioner 400.
  • the present invention was conducted as part of the following research tasks.

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Abstract

중공사막 멤브레인 을 이용한 제습 공조시스템을 제공하는, 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템에 관한 것으로서, 케이스에 공급된 공기를 혼합, 여과, 냉각 및 제습, 가열, 가습 과정을 거쳐 실내로 유입하는 공기조화기; 냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발하여 상기 케이스에 유입된 공기의 냉각 및 제습에 사용한 후 상기한 과정을 반복하는 냉동장치; 태양열을 이용하여 열매체유를 고온으로 가열하는 집열장치; 상기 집열장치와 배관으로 연결되어 고온으로 가열된 열매체유와 물의 열교환에 의해 내부에서 순한되는 물을 온수로 만드는 제1 열교환기가 내부에 구비되는 축열조; 다수의 중공사막 멤브레인 부재로 구성되어 혼합 공기의 절대 습도를 저감시키는 중공사막 멤브레인 필터모듈; 및, 혼합 공기를 여과시키는 사이클론 여과기를 포함하는 구성을 마련한다. 상기와 같은 냉난방 시스템에 의하여, 중공사막 멤브레인 제습 장치를 이용하여 냉난방 시스템의 최적화를 바탕으로 국내외 환경 및 건물 내부 환경을 고려한 실증을 바탕으로 세분화된 시스템 구축 가능하며, 그린빌딩, 제로에너지하우스 등 고효율 건축물의 요소기술을 적용할 수 있다.

Description

중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템
본 발명은 중공사막 멤브레인을 이용한 제습 공조시스템을 제공하고, 크기가 컴팩트(Compact)하고 경제적이면서 저온 신뢰성의 온수용 히트펌프를 제공하고, 유압 유닛(Hydraulic Unit)을 장착하지 않고, 응축기와 히트펌프를 일체화로 구성하고, 고효율 MCHX 증발기의 기능을 구비하고, EVI 히트펌프 사이클 및 스크롤(scroll) 압축기 적용을 위해 최적 설계하는, 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 냉난방 및 가습, 제습의 기능이 포함된 히트펌프 복사 냉난방 시스템(또는 복합 공조시스템)과 일정한 온습도를 유지하게 하는 항온항습 시스템에서는, 지금까지 주로 전기를 사용하여 성능을 발휘 및 유지하여 왔다.
상기와 같은 복사 냉난방 시스템은 공급되는 공기의 상태를 조절하기 위해 여러 장비를 유닛화한 것으로, 실내에서 재순환되는 환기와 신선한 외기를 도입하여 이를 혼합시키는 혼합기, 공기를 가열 및 냉각, 제습을 하기 위한 가열코일 및 냉각코일, 공기 중의 불순물을 제거하기 위한 공기여과기, 필요 시 가습을 위해 물의 분무나 증기를 발생시키는 가습 시스템과 제어 시스템의 조합으로 이루어진다.
히트펌프 복사 냉난방 시스템은 겨울철 외기 온도 저하에 따라 난방 능력 및 온수 생산 능력이 저하된다. 소비자들은 높은 초기 비용을 감수하고 그동안의 보일러 등의 효율보다 월등한 증기 압축기 사이클의 히트펌프 온수기를 선택한다. 그러나 겨울철 외기 온도가 저하되었을 때 따뜻한 온수를 공급받지 못하는 현실적인 문제에 접하게 되어, 소비자들의 불만이 팽배하게 되었다.
외기 온도 저하는 시스템의 증발 온도 저하를 초래하게 되고 이로 인한 난방 능력 저하는 압축기 작동 선도(Operating envelope, polygon)로 확인 가능하다.
히트펌프 복사 냉난방 시스템은 압축기 자체의 작동 선도 개선과 외기 저하시 소형 이코노마이저(economizer)(예를 들어, Swep BPHX, Brazed Plate Heat eXchanger)의 적용으로 EVI(Enhanced Vapor Injection) 시스템이다. 이러한 시스템에서 적용되는 판형 열교환기를 통상 중간 기체 보충 열교환기, 엔탈피 증가 열교환기, 서브쿨러(subcooler), 이코노마이저(economizer) 등으로 표현하나, 그 역할상 이코노마이저(economizer)로 보는 것이 타당할 것이다. 이 경우 이코노마이저(economizer)로 바이패스(bypass) 되어 압축기 토출구로 이동하는 작동 유체(냉매)의 제어(control)는 EEV로 구현된다.
보통 압축기 작동선도에서 사용되는 증발/응축온도 대신에 외기/출수 온도를 적용할 것이다. 압축기에서 간혹 나타나는 배출 온도(discharge temperature)의 상승으로 인한 OLP(OverLoad Protector) 트리핑(tripping)을 개선한다.
한편, 외기 온도 저하에 따른 또 다른 문제는 잦은 착/제상에 따른 난방 운전율의 저하이다. 보통 난방 운전율을 80% 이상을 그 목표치로 하고 있으며 상용화된 시간 제상(time defrost)이나 요구 제상 로직(demand defrost logic)을 적용할 필요가 있다. 또한, 센서리스 제상로직(sensorless defrost logic)을 구현할 필요가 있다. 이를 통해 실외 열교환기 센서를 삭제할 수 있기 때문이다. 이는 영상 착상과 영하 비착상 영역까지 고려하여 오류 제상(false defrost)을 방지할 수 있는 제상로직(defrost logic)이라 할 수 있다.
또한, 습도가 쾌적성을 결정짓는 중요한 요소이므로, 종래기술에 의해 제습장치가 제안되고 있다. 제습장치의 운용에 필요한 에너지를 개선하는 방향으로 연구가 행해지고 있다. 제습은 주로 여름철에 필요하므로 냉방장치와 연계되어 있다. 에너지이용에 관한 효율성 증대 문제, 오존층 파괴문제, 지구온난화 등과 같은 환경문제로 인하여 대체 냉방기기가 연구되고 있다.
특히, 데시컨트를 이용한 공조기술이 유망한 기술로 각광받고 있다. 데시컨트는 고체 또는 액체물질의 형태를 가지며, 자기 중량에 비해 큰 습기보유용량을 가진 물질을 의미한다. 또한, 데시컨트는 증기를 빨아들이는 경우 습도는 감소하나 현열이 증가하는 특성을 나타낸다. 이러한 경우 현열교환 및 증발냉각을 통하여 낮은 엔탈피 상태로 만들 필요가 있다.
따라서 중공사막 멤브레인을 적용하여 습공기선도 상의 감습 방향을 수직 하향으로 이동 가능하게 함으로써 냉각효율을 증대시키는 기술이 필요하다.
또한, 냉각식 제습 방법은 냉동기를 이용하여 제습하고자 하는 공기를 노점온도 이하의 냉각코일 표면과 접촉시켜 공기 중의 수분을 응축하여 습도를 낮추는 방법으로서 도 8에서 나타낸 바와 같이 ① → ②로 제습하는 과정에서 공기의 온도와 습도는 감소하는 것이 가능하나 이를 위한 압축기와 팬의 동력이 소비되는 문제를 가지고 있다.
그러나 기존 경험 축적 등의 이유로 현재 일반 건축물의 냉방 시 공조용으로 가장 널리 사용되는 방법이다. 제습과정에서 흡착제를 이용하는 방법은 실리카겔이나 활성알루미나 등의 흡착제가 수분을 흡착하는 원리를 이용하는 것으로 ① → ④으로 공기설도 상에서 변화하며, 공기는 등습구선을 따라 이동하는 과정에서 흡착제 표면에 흡착열이 발생하므로 발생열 제거를 위한 냉각열량을 추가로 필요로 한다. 이에 비하여 본 발명에서 적용하고자 하는 중공사막 멤브레인을 이용한 시스템은 도 1. 공기선도 상의 이동방향 ① → ③으로 이동하므로 추가적인 냉각열량 및 전기적인 소요동력이 필요하지 않게 된다. 일반적으로 습공기 중의 수증기는 큰 극성을 가지기 때문에 투과상수가 매우 크게 나타난다. 따라서 수증기는 상대적으로 공기(산소, 질소)의 기타 성분에 비하여 큰 투과도를 나타낸다.
이를 이용한 제습방법이 본 발명에 따른 중공사막 멤브레인을 이용한 제습공조시스템이다. 우선적으로 시스템의 최적 형상 설계를 위하여 내부 기류의 압력손실 및 유동특성을 분석해야 고 아울러 한다. 중공사막 멤브레인필터의 다수 개를 배치하고 공조대상이 대는 인입공기의 제습을 원활하고 효율적으로 하기 위한 중공사막 멤브레인 필터의 매브래인 부재를 지지하면서 인입공기를 원활히 통과시는 구조 그리고 중공사막 멤브레인필터의 중공부에 축척된 습기를 원활히 배출 할수 있도록 하는 중공사막 멤브레인 필터 결합체의 구조를 개발하여야 한다.
본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 중공사망 멤브레인을 이용한 제습 공조시스템을 제공하고, 크기가 컴팩트(Compact)하고 경제적이면서 저온 신뢰성의 온수용 히트펌프를 제공하고, 유압 유닛(Hydraulic Unit)을 장착하지 않고, 응축기와 히트펌프를 일체화로 구성하고, 고효율 MCHX 증발기 기능을 구비하고, EVI 히트펌프 사이클 및, 스크롤(scroll) 압축기 적용을 위해 최적 설계하는, 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템을 제공하는 것이다. 특히 제습의 효과를 증대하기 위하여 중공사막 멤브레인 필터의 중공부를 통하여 인입공기로부터 흡수한 습기를 배출하도록 하기 위하여 인입공기는 중공사막 멤브레인 필터의 장축에 수직한 방향으로 인입되고 원통형상의 중공사막 멤브레인 필터의 중앙에 구비된 중앙 관통공에 진공펌프를 연결하여 인입공기보다 낮은 즉 중공사막 멤브레인 필터의 외측보다 낮은 압력이 인가 되도록 하여 인입공기가 중공사막 멤브레인 필터를 원활히 통과하고 제습된 습기가 진공펌프를 통하여 용이하게 배출 되도록 하는 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템을 제공하는 것이다
상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템에 관한 것으로서, 케이스에 공급된 공기를 혼합, 여과, 냉각 및 제습, 가열, 가습 과정을 거쳐 실내로 유입하는 공기조화기; 냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발하여 상기 케이스에 유입된 공기의 냉각 및 제습에 사용한 후 상기한 과정을 반복하는 냉동장치; 태양열을 이용하여 열매체유를 고온으로 가열하는 집열장치; 상기 집열장치와 배관으로 연결되어 고온으로 가열된 열매체유와 물의 열교환에 의해 내부에서 순한되는 물을 온수로 만드는 제1 열교환기가 내부에 구비되는 축열조; 다수의 중공사막 멤브레인 부재로 구성되어 혼합 공기의 절대 습도를 저감시키는 중공사막 멤브레인 필터모듈; 및 혼합 공기를 여과시키는 사이클론 여과기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템에 의하면, 중공사막 멤브레인 제습 장치를 이용하여 냉난방 시스템의 최적화를 바탕으로 시스템 통합 기술 확보 및 저가화할 수 있고, 국내외 환경 및 건물 내부 환경을 고려한 실증을 바탕으로 세분화된 시스템 구축 가능하며, 그린빌딩, 제로에너지하우스 등 고효율 건축물의 요소기술 적용할 수 있는 효과가 얻어진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템의 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공사막 멤브레인 부재의 투영 사시도.
도 3은 도 2의 단면도.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공사막 멤브레인 필터모듈의 개략적 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공사막 멤브레인 필터모듈의 설치 구성도.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공사막 멤브레인 필터모듈의 형상도.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 사이클론 여과기에 대한 구성도.
이하, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 도면에 따라서 설명한다.
또한, 본 발명을 설명하는데 있어서 동일 부분은 동일 부호를 붙이고, 그 반복 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이 냉난방 공조시스템(10)은 집열장치(100), 축열조(200), 냉동장치(300), 공기조화기(400), 중공사막 멤브레인 필터모듈(500), 및 사이클론 여과기(600)를 포함하여 구성된다.
집열장치(100)는 태양 에너지를 집광하여 열매체유를 고온으로 가열하고, 상기 집열장치(100)는 열매체유배관(150)을 통해 축열조(200) 내부의 중간에 위치한 열교환기(210a)에 연결되어, 열매체유는 집열장치(100)와 축열조(200)를 순환하면서 집열장치(100)에서 고온으로 가열되고 축열조(200)에서 물과의 열교환에 의해 온수를 만든다.
이때 축열조(200)에서 물과 열교환에 사용된 열매체유를 집열장치(100)에 순환하는 열매체유배관(150)에는 열매체유 순환펌프(152)가 구비되며, 열매체유로는 예를 들어 합성 열매체유인 Therminol 55가 사용된다.
상기 집열장치(100)에 추적(tracking)수단(160) 즉, 상기 집열장치(100)의 본체(102)에 고정되어 집열관(110)을 수평방향으로 회전하는 수평 회전부(162)와, 상기 집열관(110)의 경사각을 조절하는 경사각 조절부(164) 및 내부에 집속되는 태양열의 온도를 감지하여 태양의 이동 궤도를 추적할 수 있도록 하는 태양추적센서(166)를 구비하여, 태양의 이동 궤적을 따라가면서 집열관(110)의 수평 회전과 경사각이 조절된다. 고정식 집열장치보다는 상기 추적수단(160) 설치로 인해 집광(집열) 효율을 높일 수 있다.
상기 축열조(200) 내부의 아래에 위치한 열교환기(210b)는 냉동장치(300)의 냉매순환배관(350)으로 연결되어 냉동장치(300)의 응축기(320)에서 대기중으로 버려지는 응축열이 축열조(200)에 공급되어 물과 열교환 한다. 즉, 축열조(200) 하부 물의 온도는 냉동장치(300)에 의해 유지를 하고 상부 물의 온도는 태양열을 이용하여 승온하게 된다. 이렇게 축열조 내부의 물이 축열조(200)에 공급된 열(응축열과 태양열)과 열교환기(210a, 210b)에서의 열교환에 의해 온수가 되고 이 온수를 공기조화기(400)와 연계함으로써 에너지를 절감할 수 있다.
상기 공기조화기(400)는 케이스(410) 내부에 믹스실(420), 공기여과기(430), 냉각코일(440), 가열코일(450), 가습기(460) 및 송풍기(470)가 구비되어 이루어진다.
믹스실(420)에서는 실내 순환공기와 외부의 신선한 공기가 유입되어 혼합되며, 믹스실(420) 후단에 설치된 공기 여과기(430)를 통해 공기가 여과된다.
상기 여과된 공기는 냉각코일(440)에 의해 냉각 및 제습되고 가열코일(450)에 의해 가열되며, 이때 냉각 및 가열코일(440,450)은 열전달 능력을 향상시키기 위해 동관 외부에 알루미늄 핀을 강제적 확관으로 밀착시켜 제작한다.
냉동장치(300)의 팽창밸브(330)를 통과한 저온저압의 액체 냉매가 냉각코일(440)의 동관에 공급되는 경우 여과된 공기와 열교환되면서 공기는 냉각 및 제습되고, 냉매는 저온저압의 기체로 상변환되어 냉매순환배관(350)을 통해 냉동장치(300)의 압축기(310)에 공급된다.
이때 사용되는 냉매는 성능에 따라 R-22나 그 대체 냉매가 사용된다. 상기 가열코일(450)의 동관이 축열조(200)와 난방배관(220)으로 연결되어 상기 축열조(200)의 온수가 가열코일(450)에 공급되는 경우, 냉각된 공기와 열교환되면서 공기는 가열되어 가습기(460) 쪽으로 이동하고 온수는 냉각되어 난방순환펌프(240)에 의해 다시 축열조(200)에 공급 순환된다.
상기 가열코일(450)을 통해 승온된 공기는 가습기(460)에 의해 가습되어 습도가 증가된 채 실내측 토출구에 설치된 송풍기(470)를 통해 실내에 공급된다.
만일 실내의 상대습도가 목표치보다 높은 경우에는 정상적인 냉각 제습 작동을 통해 실내의 상대습도를 낮추면 된다.
상기 냉동장치(300)는 압축기(310), 응축기(320), 팽창밸브(330), 유분리기(340) 및 액분리기(360)를 포함하여 구성되고 냉매순환배관(350)을 통해 연결된다.
압축기(310)는 증발된 R-22나 그 대체 냉매 가스를 고온고압의 기체상태로 압축한다.
일반적인 냉동장치(300)에서 냉매는 배관 내를 순환하면서 증발기에서 열교환후 저온저압의 기체로 나와 압축기(310)에 흡인된 후. 고온고압의 가스상태가 되어 대기중의 공기와 응축기(320)에서 열교환 응축되어 대기 중에서 이 열이 버려지나, 본 발명에서는 축열조(200)의 하부로 보내져 낮은 온도의 물과 열교환되어 1차로 버려지는 열을 회수하고, 이를 축열조(200) 하부의 열교환기(210b)에서 열교환한 후 액체냉매를 응축기(320)로 보낸다.
상기 응축기(320)는 실외공기와 열교환시켜 기체상태의 냉매를 액체상태로 응축하며, 팽창밸브(330)는 상기 응축기(320)를 통과한 액체냉매를 교축작용에 의해 저온저압의 액체냉매로 감압시킨다.
상기 팽창밸브(330)를 통과하면서 저온저압으로 감압된 냉매는 상기 공기조화기(400)의 냉각코일(440)에 공급되어 여과된 공기와 열교환된 후, 다시 냉매순환배관(350)을 통해 압축기(310)에 공급되어 순환된다.
상기 압축기(310)를 중심으로 냉각코일(440)과 축열조(200) 사이의 냉매순환배관(350) 경로상에 각각 액분리기(360)와 유분리기(340)를 각각 설치하여, 액분리기(360)는 압축기(310)에 흡입되는 기체 중의 냉매액을 분리하여 액압축을 방지하고, 유분리기(340)는 압축기(310)에서 토출된 냉매 가스에 혼합되어 순환하는 냉동유를 회수하여 압축기를 보호할 수 있도록 한다.
즉, 상기 압축기(310)를 통과한 오일과 냉매는 배관을 통해 유분리기(340) 및 축열조(200)로 이송되는데, 이때 상기 오일은 유분리기(340)의 내부 밸브작동에 의해 다시 압축기(310)로 돌아가고 순수 냉매는 응축기(320)로 이동한다.
또한, 상기 냉각코일(440)을 통과하며 열교환되어 액상에서 기상으로 상변화 과정 중 증발이 안 된 액체냉매는 액분리기(360)로 유입되며, 상기 액분리기(360)는 압축기(310) 보호를 위하여 액체상태의 냉매가 유입되는 것을 방지한다.
여기에서, 상기 응축기(320)로부터 연장되어서 팽창밸브(330) 측으로 향하는 냉매순환배관(350)의 경로 상에 필터 드라이어(370)를 설치하여서, 상기 응축기(320)로부터 이송되는 냉매에 포함된 수분을 건조시켜 팽창밸브의 교축작용 부분에 수분이 결빙되는 것을 예방한다.
다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공사막 멤브레인 필터모듈(500)을 도 2 내지 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다. 도 2는 중공사막 멤브레인 부재(34)의 투영 사시도이며, 도 3은 도 2의 단면도이다.
중공사막 멤브레인 필터모듈(500)은 혼합 공기의 절대 습도를 저감시킨다. 특히, 외기가 고온 다습한 경우 혼합 공기에는 다량의 수분이 포함되며 이런 혼합 공기를 사용자에 의해 미리 설정되는 급기의 온도 및 습도로 조절하기 위해서는 요구되는 냉동기의 동력이 증가하게 된다. 여기서, 필터모듈은 혼합 공기에서 수분을 제거하여 이를 냉각코일(440) 또는 가열코일(450)로 제공함으로써 냉동기의 동력을 절감할 수 있도록 한다.
구체적으로, 중공사막 멤브레인 필터모듈(500)은 예를 들어, 중공사막 멤브레인 부재(534)로 이루어진다. 중공사막 멤브레인 부재(534)는 유체에서 입자 크기가 다른 물질을 분리할 수 있는 분리막의 형태로 이루어진다. 이런 중공사막 멤브레인 부재(534)는 구조, 소재, 중공사막 멤브레인 부재(534)를 통과하는 물질의 이동 원리 등에 대한 제한은 없으며, 물질의 선택적 이동이 일어날 수 있다면 어떤 것이라도 무방하다.
중공사막 멤브레인 부재(534)는 원통 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 중공사막 멤브레인 부재(534)는 냉각코일(440) 전방에 혼합 공기의 이동 방향으로 수직을 이루도록 적어도 하나 이상 배치될 수 있다.
구체적으로, 중공사막 멤브레인 부재(534)는 수직 방향으로 누워 있어, 유입되는 혼합 공기가 부재의 측면 방향으로 통과하면서 냉각코일(440) 측으로 이동될 수 있도록 배치된다. 이때, 중공사막 멤브레인 부재(534)는 원통 형상의 외측을 둘러싸는 외주면을 통해 혼합 공기에서 수분을 선택적으로 흡수할 수 있다. 그 결과, 다습한 공기는 절대 습도의 수치가 크게 감소되는 건조한 공기로 변화될 수 있다.
또한, 중공사막 멤브레인 부재(34)는 내측에 원통의 중공을 형성한다. 그리고 브레인 부재(534)를 통과하면서 흡수된 수분들은 중공사막 멤브레인 부재(534)의 내측 중공에 모여서 중공의 측면을 통해 외부로 배출된다.
또한, 다른 실시 예로서, 중공사막 멤브레인 부재(534)의 외주면의 표면이 울퉁불퉁하게 또는 나선형으로 굴곡지게 형성될 수 있다. 즉, 중공사막 멤브레인 부재(534)는 길이가 동일해도 유입 공기와 맞닿는 면을 더 넓게 하는 효과로 인해 수분 흡수 효과가 상승된다.
한편, 다습한 혼한 공기가 중공사막 멤브레인 부재(534)를 통과하면 중공사막 멤브레인 부재(534)에는 수분이 축적된다. 이 때, 축적되는 수분은 일정 정도 제거되어야 중공사막 멤브레인 부재(534)를 통한 수분 흡수가 지속적으로 이루어질 수 있다.
이를 위해, 중공사막 멤브레인 부재(534)의 측면을 통과하여 중공에 들어가는 건조한 공기는 다시 통과하여 중공사막 멤브레인 부재(534) 외부로 빠져나온다. 이때, 수분은 다시 통과되는 건조한 공기와 혼합되어 습한 공기로 변화되고, 이는 중공사막 멤브레인 부재(534) 중공을 통해 케이스(410) 외부로 배출되어 중공사막 멤브레인 부재(534)에 축적되어 있던 수분은 제거된다.
따라서, 중공사막 멤브레인 부재(534)의 내주면은 습한 공기가 배출될 수 있는 분리막으로 형성된다. 그 결과, 습한 공기는 중공사막 멤브레인 부재(534)의 내주면을 통과하여 제거될 수 있다. 그리고 수분은 중공사막 멤브레인 부재(534)의 중공에 모이게 되어, 외부로 배출된다.
도 4에서 보는 바와 같이,중공사막 멤브레인 필터모듈(500)은 하우징(532), 중공사막멤브레인 카트리지(534), 진공펌프(536) 및 필터를 포함할 수 있다. 하우징(532)은 복수 개의 중공사막 멤브레인 카트리지(534)가 옆으로 나란하게 상하 지그재그로 정렬되도록 한다.
이를 위해, 하우징(532)은 내부가 빈 공간으로 형성되고, 대향하는 양 측면에 복수 개의 통공이 대칭적으로 형성된다. 필터는 중공사막 멤브레인 카트리지의 공기유입구에 먼지로부터의 오염을 방지하여 성능저하가 일어나지 않게한다.
그리고 중공사막 멤브레인 카트리지(534)가 통공을 통해 각각 수직하게 옆으로 삽입된다. 즉, 중공사막 멤브레인 카트리지(534)는 하우징(532) 내에 복수 개 배치될 수 있다. 이때, 중공사막 멤브레인 카트리지(534)는 통형으로 형성되고 양단부가 하우징(532)의 좌우 측면에 위치하도록 설치된다. 다수의 중공사막 멤브레인 카트리지(534)의 측면 공기구 통해 중공사의 중공으로, 수분을 함유한 공기가 원활이 유입될수 있도록 진공 차압을 형성한다.
중공사막 멤브레인 카트리지(534)를 통과하는 건조한 공기는 중공사막 멤브레인 카트리지(534)의 중공사 외부를 지나서 중공사막 멤브레인 카트리지(534)의 출구로 배출된다. 반면, 중공사막 멤브레인 카트리지(534) 내의 중공사 중공에 축적되어 있는 수분은 습한 공기로 변화되어 중공사막 멤브레인 카트리지(534)의 내측 중공으로 머물게 된다. 즉, 수분을 함유하는 공기가 중공사막 멤브레인 카트리지(534)의 중공 내에 저장된다.
진공펌프(536)는 중공사막 멤브레인 카트리지 좌우 일측면 또는 양측면에 연결되고, 특히, 중공사막 멤브레인 카트리지(534)의 중공의 양 단부와 연결된다. 또한, 진공펌프(536)의 타단이 케이스(410)의 외측에 노출되도록 배치된다. 그 결과, 하우징(532)에 저장되어 있던 습한 공기가 케이스(410)의 외측으로 배출될 수 있다. 한편, 진공펌프(536)에는 습한 공기의 배출을 원활하게 하는 펌프(미도시) 등이 더 설치될 수 있다.
또한 도5b의 매브레인 카트리지는 수평방향으로 적층된 형태로서 외부 유입공기는 매브레인 길이 방향 즉매브레인 카트리지의 수평 적층 방향으로 유입 되게 됨으로 가능한 한 공기통과 유로가 길어야 한다. 본 발명에서는 이를 위하여 중공사막 멤브레인 카트리지 하우징에 축 방향으로 장축 타원형 형태의 홀인 공기 유입공이 중공사막 멤브레인 카트리지 축방향으로 길이를 다르게 하고, 외기 유입공과 중공사막 멤브레인 카트리지 하우징의 원통 둘레 방향으로 일정간격 이격되며, 상기한 축방향 직선형태의 공기 유입공을 메인 카트리지 하우징 둘레 전면부에 형성을 메인 카트리지 하우징 둘레 전면부에 형성 하였다.
본 발명에서 원통 둘레 방향으로 일정간격 이라 함은 중공사막 멤브레인 카트리지의 크기 외기유입량 등의 본 발명을 실시하는 설계 사양에 따라 변경 될수 있으나 중공사막 멤브레인 하우징 면적으로60~90% 정도 이면 적정 하다.
또한 외기에 포함된 먼지 등 일정크기 이상의 이물질이 중공사막 멤브레인 필터 모듈 로 유입되지 아니하도록 부직포 등으로 이루어진 필터가 구비 되어있다.
다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 중공사막 멤브레인 필터모듈(500)의 설치 구성 및 형상을 도 5 내지 도 6을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 5와 같이, 중공사막 멤브레인 필터모듈(500)의 설치 구성은 레귤레이터, 콘트롤러, 진공펌프, 및 필터모듈로 구성된다.
또한, 중공사막 멤브레인 필터모듈(500)의 형상은 도 6과 같다.
다음으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 사이클론 여과기(600)의 구성을 도 7를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
도 7a 및 도 7b에서 보는 바와 같이, 사이클론 여과기(600)는 원통부(610), 원추부(620), 유입부(630), 유출부(640) 및 수집부(650)를 포함하여 구성된다.
원통부(610)는 믹스실(420)로부터 유입된 공기가 내벽면을 따라 선회할 수 있도록 소정의 직경을 갖고, 원추부(620)는 상기 원통부(610)의 하측에 아래로 갈수록 점진적으로 직경이 축소되도록 형성된다.
유입부(630)는 상기 원통부(610)의 일측에 원통부(610)의 내부로 유입되는 린트를 함유한 공기가 선회할 수 있도록 접선방향을 따라 상호 연통되게 형성되고, 유출부(640)는 여과된 공기를 외부로 유도하기 위해 축심 상부에 파이프 형상으로 축선방향을 따라 형성된다.
상기 원추부(620)의 하단에는 순환공기로부터 분리된 여과물 등이 배출되는 배출구(621)가 개방 형성된다.
상기 원통부(610), 원추부(620) 및 유입부(630) 중에서 선택된 하나 이상은 사이클론의 제습작용이 더욱 용이해 지도록 열전소자로 구성하는 것이 바람직하다.
수집부(650)는 낙하하는 여과물 등을 저장하기 위해 상기 원추부(620) 하단 배출구(621)의 하부에 구비되며, 바람직하게는 낙하된 여과물의 이탈을 방지하기 위해 그 내부공간에 물이 소정의 높이로 충진된다.
이와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 공조시스템의 작용을 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 전기의 공급에 의해 공기조화기(400)와 냉동장치(300)가 구동되는 한편, 집열장치(100)는 태양추적센서(166)와 수평 회전부(162) 및 경사각 조절부(164)가 서로 연계하여 태양의 이동 궤적을 추적하면서 집열관(110)에서 태양빛을 집광하여 열매체유를 고온으로 가열하고, 태양광모듈(130)에서 태양광을 이용해 전압을 발생하여 집열장치(100)의 자체 동력으로 사용한다.
상기 고온으로 가열된 열매체유는 열매체유배관(150)을 통해 축열조(200) 중간의 열교환기(210a)에 공급되어 열교환에 의해 저장된 물을 온수로 만든다.
한편, 상기 냉동장치(300)는 압축기(310)의 압축, 응축기(320)의 응축, 팽창밸브(330)의 팽창, 공기조화기(400)를 구성하는 냉각코일(440)의 증발 과정을 반복하면서 냉매가 순환하고, 공기조화기(400)의 케이스(410)에 공급된 공기는 믹스실(420)의 혼합, 중공사막 멤브레인 필터모듈(500)의 제습, 사이클론 여과기(600)의 여과, 공기여과기(430)의 여과, 냉각코일(440)의 냉각 및 제습, 가열코일(450)의 가열, 가습기(460)의 가습 과정을 거쳐 실내로 유입된다.
이때 상기 냉동장치(300)를 순환하면서 압축기(310)를 통과한 고온고압의 냉매가 보유한 열은 응축기(320)로 직접 보내지지 않고 냉매순환배관(350)을 통해 축열조(200) 하부의 열교환기(210b)에 모아져 축열조(200) 하부의 물을 가열한 후 액화되어 응축기(320)로 보내지며, 상기 축열조(200)의 온수는 가습배관(230)을 통해 가습기(460)로 급수되어 실내로 유입되는 공기의 가습에 사용되고, 또한 온수는 난방배관(220)을 통해 가열코일(450) 또는 재열코일에 공급되어 상기 실내로 유입되는 공기의 가열 또는 재열에 사용된다.
상기 가열코일(450) 또는 재열코일에 공급되어 공기의 가열 또는 재열에 사용된 온수는 난방배관(220)에 설치된 난방순환펌프(240)를 통해 다시 축열조(200)에 공급되어 순환된다.
이와 같이 공기조화기(400)와 냉동장치(300)로 이루어진 공조시스템에서 응축기(320)로 버려지는 응축폐열을 일차적으로 회수하고, 집열장치(100)를 이용해 얻어지는 온수를 축열조(200) 내에서 분리하여 공기조화기(400)의 가습기(460)와 가열코일(450) 또는 재열코일에 공급함으로써 냉난방 공조시스템(10)을 효율적으로 운용할 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
본 발명은 아래와 같은 연구과제의 일환으로 진행되었다.
과제고유번호 : 20172020109140
부처명: 산업통상자원부
연구관리전문기관 : 한국에너지기술평가원
연구사업명 : 에너지기술개발지원사업
연구과제명 : 맴브레인 방식의 제습장치를 이용한 태양얄 히트펌프 냉난방 시스템(보조 보일러 사용)
기여율 : 1/1
주관기관 : ㈜ 바이오데이즈
연구기간 : 2017. 05. 01 ~ 2019. 12. 30

Claims (4)

  1. 케이스에 공급된 공기를 혼합, 여과, 냉각 및 제습, 가열, 가습 과정을 거쳐 실내로 유입하는 공기조화기;
    냉매를 압축, 응축, 팽창, 증발하여 상기 케이스에 유입된 공기의 냉각 및 제습에 사용한 후 상기한 과정을 반복하는 냉동장치;
    태양열을 이용하여 열매체유를 고온으로 가열하는 집열장치;
    상기 집열장치와 배관으로 연결되어 고온으로 가열된 열매체유와 물의 열교환에 의해 내부에서 순한되는 물을 온수로 만드는 제1 열교환기가 내부에 구비되는 축열조;
    다수의 중공사막 멤브레인 부재로 구성되어 혼합 공기의 절대 습도를 저감시키는 중공사막 멤브레인 필터모듈; 및
    혼합 공기를 여과시키는 사이클론 여과기를 포함하는 것을 특징으로 하는 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템.
  2. 제1항에 있어서 중공사막 멤브레인 필터모듈은 중공사막 멤브레인 필터가 수직 수평 방향으로 적층되며, 외부로부터 유입되는 공기는 중공사막 멤브레인 필터의 길이방향의 수직방향에서 유입되며, 각각의 중공사막 멤브레인 필터의 중공부에는 제습된 수분을 제거하고 중공사막 멤브레인 필터의 외부보다 중공사막 멤브레인 필터의 중공부에 압력이 낮아 질수 있도록 연결된 펌프가 구비된 것을 특징으로 하는 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템.
  3. 제2항에 있어서
    중공사막 멤브레인 필터모듈은
    중공사막 멤브레인 카트리지 하우징에 축 방향으로 장축 타원형 형태의 홀인 공기 유입공이 중공사막 멤브레인 카트리지 축방향으로 길이를 다르게하고, 외기 유입공과 중공사막 멤브레인 카트리지 하우징의 원통 둘레 방향으로 일정간격 이격되며, 상기한 축방향 직선형태의 공기 유입공을 메인 카트리지 하우징 둘레 전면부에 형성 것을 특징으로 하는 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템.
  4. 제3항에 있어서
    중공사막 멤브레인 필터모듈은 중공사막 멤브레인 필터 모듈 로 유입되지 아니하도록 부직포 등으로 이루어진 필터를 더 구비한 것을 특징으로 하는 중공사막 맴브레인 필터 제습장치가 구비된 태양열 히트 펌프 냉난방시스템.
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