KR100237190B1 - 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자연에너지인 태양열 및 지하수열 등을 이용한 냉난방 시스템에관한 것으로서, 더욱 상세하게는 흡수성이 매우 강한 염화리듐(LICL)액체흡수제의 제습,재생의 원리를 이용하여 하절기 냉방의 경우 고농도저온흡수제로 실내습도 및 기온을 낮추어 냉방부하를 줄이며, 동절기 난방의 경우는 저농도고온흡수제를 이용하여 실내공기를 가습,가열되도록 한 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.

본 발명의 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템은, 하절기의 경우 태양열로 냉,온열매체인 액체흡수제의 수분을 증발시켜 농도를 높이며, 동절기의 경우 집열판으로 이용하여 고온의 액체흡수제를 이용가능하도록 하는 재생기(10); 하절기의 경우 상기 재생기(10)로부터 저장된 고농도의 액체흡수제를 지하수 및 시수를 이용하여 온도를 낮추며 전열교환기를 통해 실내공기를 제습,냉각한 후 다시 저장하며,동절기의 경우 상기 재생기(10)로부터 고온의 액체흡수제를 심야전력 등을 이용하여 적정온도를 유지시키며 보급수로 액체흡수제의 농도를 낮추어 저장하는 축건조탱크(20); 하절기의 경우 상기 축건조탱크(20)에 저장된 고농도 저온 액체흡수제를 이용하여 실내공기를 제습,냉각시키고, 동절기의 경우 저농도 고온 액체흡수제를 이용하여 실내공기를 가습,가열시키는 전열교환기(30); 동절기 심야전력을 이용하여 가열,저장한 후 상기 축건조탱크(20)의 보조열원으로 이용하는 급탕동시 이용이 가능한 온수축열탱크(40); 상기 재생기(10)와 축건조탱크(20) 사이에 설치되는 열교환기(50); 그리고 상기 재생기(10), 축건조탱크(20), 전열교환기(30), 온수축열탱크(40) 및 열교환기(50)를 서로 연결시키는 배관, 펌프(P1~P4) 및 밸브(V1)로 이루진 것을 특징으로 한다.

Description

자연에너지를 이용한 냉난방 시스템

본 발명은 자연에너지인 태양열 및 지하수열 등을 이용한 냉난방 시스템에관한 것으로서, 더욱 상세하게는 냉,온열매체인 흡수성이 매우 강한 염화리듐(LICL)액체흡수제의 제습,재생의 원리를 이용하여 하절기 냉방의 경우 고농도저온흡수제로 실내습도 및 기온을 낮추어 냉방부하를 줄이며, 동절기 난방의 경우는 저농도고온흡수제를 이용하여 실내공기를 가습,가열되도록 한 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.

최근 다양한 공조시스템의 개발로 실내환경개선 및 에너지절약형 냉난방이 가능하게 되어 거주환경의 질적인 향상을 가져왔다.

그러나 이러한 공조시스템의 대부분은 전기 및 화석에너지를 구동열원으로 사용하고 있으며, 기계적 공조장치의 한계성으로 인하여 막대한 에너지를 소모하므로 이로 인한 에너지고갈 및 환경파괴는 그 심각성을 더해주고 있다.

또한 기존 공조시스템의 경우 온도제어는 쉬으나 온,습도를 동시에 제어할 경우 조절의 어려움 및 하절기에는 난방제습 후 냉각하는 에너지의 이중소비 등 많은 문제점을 가지고 있다.

또한 온도제어에 의한 냉방은 인체의 건강적 측면에서 냉기류의 불쾌감 및 냉방병의 초래로 인하여 바람직하지 않으므로, 재실자의 쾌적성 및 건강성을 증대시키며 에너지절약 및 환경보존에도 크게 기여할 수 있는 온,습도 동시제어가 용이한 냉난방시스템이 요구된다.

지구환경보호 측면에서도 오존층파괴의 주 원인이 되는 프레온 냉매사용의 규제나 이산화탄소 방출기준강화 등 환경관련규제들이 점차 강화되고 있어 자연에너지를 이용한 냉난방시스템 개발이 시급한 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 태양열 및 지하수 등의 자연에너지를 이용하므로써 냉난방 부하를 줄일 수 있어 공조기용량을 경량화시켜 에너지절감을 가져오며, 부하변동에 따른 최적운전이 가능하며, 대기중에 오염물질 방출의 최소화 및 프레온냉매를 사용하지 않음으로써서의 오존층파괴를 방지하며, 인체에 무해하며 소독 및 살균성능이 있어 재실자에 건강한 공조환경을 제공하며, 또한 실내환경을 위한 공조용은 물론 대단위 지하공간 및 냉기류에 민감한 유아,노인이용시설 등의 제습냉방에 적합하며, 태양열 이외에 지역특성에 따라 건물의 폐열 등의 재활용에너지를 열원으로 이용하는 각종 시스템으로 적용이 가능하게 되는 등의 다양한 적용성을 갖게 되며, 나아가 시스템의 단순화로 초기 투자비 및 운전비를 대폭 절감시키며 건물의 하중,소음,진동 등에 적극 대응되도록 한 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템은, 냉,온매체로 흡수성이 매우 강한 염화리듐(LICL)액체흡수제의 제습,재생의 원리를 이용하여 하절기 냉방의 경우 고농도 저온흡수제로 실내습도 및 기온을 낮추어 냉방부하를 줄이고 이때 발생한 저농도 고온흡수제를 태양열에 의한 재생기로 고농도로 증발 재생시킨 후 지하수 또는 시수를 이용 냉각하여 재순환 사용하며, 동절기 난방의 경우는 저농도 고온흡수제를 이용하여 실내공기를 가습,가열시키고 이때 발생한 고농도 저온흡수제를 태양열로 가열하고 보급수를 이용 저농도화 시킨 후 재순환 사용하여 난방부하를 줄이게 하는 것을 특징으로 한다.

또한 이러한 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템은 재생기, 축건조탱크, 전열교환기로 이루어지며 하절기 및 동절기에 따라 각 구성기기의 작동기능이 바뀌도록 한 것을 특징으로 한다.

즉 하절기 냉방의 경우 재생기에서 태양열로 액체흡수제의 수분을 증발시켜 농도를 높이고 축건조탱크에 저장하며 지하수 및 시수를 이용하여 액체흡수제의 온도를 낮추며 전열교환기를 통해 실내공기를 제습냉각한 후 축건조탱크에 저장, 재생하게 하며, 한편 동절기 난방의 경우 재생기를 집열판으로 이용하며 고온의 액체흡수제를 축열탱크에 저장하며 보조열원으로는 심야전력 등을 이용하여 적정온도를 유지시키며 보급수로 액체흡수제의 농도를 낮추어 전열교환기를 통해 실내공기를 가습,가열한 후 축열탱크에 저장 재가열하여 사용하는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 자연에너지이용 공조시스템의 기본개요도,

도 2는 본 발명 시스템의 냉난방 원리를 나타낸 전체적인 구성도,

도 3은 본 발명의 하절기 시스템을 설명하기 위한 구성도,

도 4는 본 발명의 동절기 시스템을 설명하기 위한 구성도,

도 5는 본 발명 재생기의 풍속변화에 따른 시각별 재생량을 나타낸 그래프,

도 6은 본 발명 전열교환기의 흡수포텐셜과 제습량의 관계를 나타낸 그래프이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10: 재생기20: 축건조탱크

30: 전열교환기40: 온수축열탱크

50: 열교환기P1~P4: 펌프

V1: 밸브

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상술하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 자연에너지이용 공조시스템의 기본개요도이고, 도 2는 본 발명 시스템의 냉난방 원리를 나타낸 전체적인 구성도이며, 도 3은 본 발명의 하절기 시스템을 설명하기 위한 구성도이며, 도 4는 본 발명의 동절기 시스템을 설명하기 위한 구성도이며, 도 5는 본 발명 재생기의 풍속변화에 따른 시각별 재생량을 나타낸 그래프이며, 도 6은 본 발명 전열교환기의 흡수포텐셜과 제습량의 관계를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이 본 발명의 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템은 재생기(10), 축건조탱크(20), 전열교환기(30), 온수축열탱크(40), 열교환기(50)를 포함하며, 이들을 연결하는 배관과 밸브(V1) 및 펌프(P1~P4)를 더 포함한다.

상기 재생기(10)는 옥상 등의 건물 외부에 설치되고 축건조탱크(20) 및 축열탱크(40)와 연결되어 하절기의 경우 태양열로 액체흡수제(염화리듐 LiCL)의 수분을 증발시켜 농도를 높여 축건조탱크(20)에 저장하고, 동절기의 경우 집열판으로 이용하여 고온의 액체흡수제를 축열탱크(40)에 저장되도록 한다.

축건조탱크(20)는 하절기의 경우 재생기(10)로부터 저장된 고농도의 액체흡수제를 지하수 및 시수를 이용하여 온도를 낮추며 전열교환기(30)를 통해 실내공기를 제습,냉각한 후 축건조탱크(20)에 다시 저장,재생하여 사용되게 하고, 동절기의 경우 재생기(10)로부터 저장된 고온의 액체흡수제 농도를 보급수로 낮추어 전열교환기(30)를 통해 실내공기를 가습,가열시킨 후 축건조탱크(20)에 다시 저장,재생하여 사용되게 한다.

전열교환기(30)는 하절기의 경우 상기 축건조탱크(20)에 저장된 고농도 저온 액체흡수제를 이용하여 실내공기를 제습,냉각시키고, 동절기의 경우 저농도 고온 액체흡수제를 이용하여 실내공기를 가습,가열시킨다.

온수축열탱크(40)는 동절기의 경우 심야전력 등을 이용하여 적정온도를 유지시키며 축건조탱크(20)와 열교환을 통해 축건조탱크(20)의 액체흡수제 온도를 높인다.

이하 하절기에 있어서의 본 발명 시스템의 작용을 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

펌프(P2)를 운전하게 되면 축건조탱크(20)내의 액체흡수제(LiCL)의 순환이 개시된다.

이때의 액체흡수제는 그 농도가 약 20%이고 그 온도가 약 35℃인 저농도 고온 액체흡수제이다.

이러한 저농도 고온의 액체흡수제는 배관을 따라 재생기(10)에 이송되어져 태양열에 의해 가열,건조된다.

이때 재생기(10) 1㎡의 재생량은 쾌청한 날(일사량 약800w)에 약 1kg/㎡로서 가정용 에어콘 1대이상의 제습효과가 있다.

즉 태양열에 의해 수분을 증발시켜 그 농도를 높이게 되고 다시 배관을 따라 이송되어 축건조탱크(20)에 저장되는데 그 과정에서 펌프(P3)가 운전되어 지하수 또는 시수에 의해 고농도의 액체흡수제는 저온으로 낮아져 저장된다.

이러한 고농도 저온의 냉매인 액체흡수제는 펌프(P1)의 운전에 의해 배관을 따라 전열교환기(30)를 통하게 되고 상기 전열교환기(30)를 통해 실내공기를 제습,냉각시키게 된다.

이때의 액체흡수제는 그 농도가 약 30%와 그 온도가 약 15℃인 고농도 저온 액체흡수제의 상태이다.

고농도 저온 액체흡수제는 저온의 건공기를 실내에 공급하고 실내의 고온 습공기가 회수하는 작용을 하게 되며, 이후 액체흡수제는 다시 축건조탱크(20)에 저장,재생사용이 가능한 상태에 놓이게 된다.

즉 상기한 냉방순환작용을 연속적으로 행하게 된다.

한편 동절기에 있어서의 본 발명 시스템의 작용을 도 2 및 도 4를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.

펌프(P2)를 운전하게 되면 축건조탱크(20)내의 액체흡수제(LiCL)의 순환이 개시된다.

이때의 액체흡수제는 그 농도가 약 30%이고 그 온도가 약 20℃인 고농도 저온 액체흡수제이다.

이러한 고농도 저온의 액체흡수제는 배관을 따라 재생기(10)에 이송되어져 태양열에 의해 가열되고 가열된 고온의 액체흡수제는 축건조탱크(20)에 저장된다.

즉 이때의 재생기(10)는 태양열의 집열판으로 이용되는 것이다.

온수축열탱크(40)에는 심야전력 등의 보조열원이 장치되어 있어 펌프(P4)를 운전하게 되면 축건조탱크(20)와 열교환이 이루어져 축건조탱크(20)에 저장된 액체흡수제는 보다 더 고온화된다.

축건조탱크(20)내의 고온화된 액체흡수제는 밸브(V1)의 개방에 의해 지하수 또는 시수 등의 보급수에 의해 액체흡수제를 저농도화시킨다.

이러한 저농도 고온냉매인 액체흡수제는 펌프(P1)의 운전에 의해 전열교환기(30)를 통해 순환되어져 이제는 실내공기를 가습,가열하게 된다.

이때의 액체흡수제는 그 농도가 약 20%와 그 온도가 약 40℃인 저농도 고온 액체흡수제의 상태이다.

저농도 고온 액체흡수제는 고온의 습공기를 실내에 공급하고 실내의 저온 건공기가 회수하는 작용을 하게 되며, 이후 상기 액체흡수제는 다시 축건조탱크(20)에 저장,재가열사용이 가능한 상태에 놓이게 된다.

즉 상기한 난방순환작용을 연속적으로 행하게 된다.

그런데 본 발명에 이용되는 액체흡수제인 염화리듐(LiCL)은 증기압이 낮고 흡수성이 뛰어나 물에 잘 녹으며 상온에서 재생이 가능하며 또한 화학적으로 안정되어 있으며 인체에 전혀 해가 없으며 살균 및 소독효과가 있는 등의 특성이 있는 반면 부식성이 강하므로 시스템 제작실험시 대체소재 개발을 병행하여 실시하였다.

또한 이러한 액체흡수제를 이용하는 흡수식 제습방식은 실리카겔 등을 이용하는 고체 흡착식에 비해 재생이 매우 유리하나 액체가 갖는 특수성으로 재생 및 흡수효율을 정량화하기 어려우므로 시스템개발에 앞서 기초실험 및 시뮬레이션을 통하여 각 실험요소가 시스템효율에 미치는 영향에 대하여 검토하였다.

특히 시스템 구성기기중 재생기(10) 및 전열교환기(30)의 하절기 기초실험 조건 및 결과를 설명하면 다음과 같다.

먼저 재생기(10)의 측정실험 결과를 도 5에 의거 설명한다.

재생효율에 영향을 미치는 요소로는 풍속, 유량, 일사량, 유입공기의 온,습도 등이며, 재생기(10)의 재생면 조건 즉, 경사각과 액체흡수제의 편류현상 등은 재생량을 크게 좌우하므로 재생면의 최적구조 선정을 위해 여러형태의 재생면을 제작하여 경사각별로 측정실험을 하였다.

실험조건으로는 액체흡수제를 일정유량(450kg/h)으로 하여 풍속변화(1.1m/s, 0.8m/s, 0.6m/s)에 따른 시각별 재생량을 측정비교하였다.

하절기 재생기(10)의 측정실험 결과는 도 5에서와 같이 쾌청한 날(일사량 800w/㎡)의 재생량은 풍속에 따라 다르나 최적조건시 약 1kg/㎡이상 재생됨을 알 수 있다.

한편 전열교환기(30)의 측정실험 결과를 도 6에 의거 설명한다.

전열교환기(30) 내부에 액체흡수제와 공기의 접촉면적을 늘리기 위해 충진제로서 래싱링(rashing ring)을 사용하여 제습효율을 높였다.

액체흡수제는 상부에서 하부로, 공기는 하부에서 상부로 서로 교차하며 제습,냉각되도록 하여 측정실험을 하였다.

실험조건으로는 염화리듐의 초기농도를 약 38wt.%로 하였으며, 공기의 상대습도는 약 90%로 유지하면서 유량 및 풍량을 변화시켜 제습량을 측정하였다.

하절기 전열교환기(30)의 실험결과로서 액체흡수제 및 습공기의 초기상태를 고려한 흡수포텐셜과 제습량의 상관관계를 도 6에 나타냈다.

여기서 흡수포텐셜(Q/L×(Xai-Xli)과 제습량과의 상관관계는 r²=0.85로서 양호한 결과를 얻을 수 있었다.

즉 흡수포텐셜로서 ±15%오차 이내의 제습량을 예측할 수 있다.

여기서 Q=풍량(kg/h), L=액체흡수제의 유량(kg/h), Xai=인입공기의 절대습도(g/kg), Xli=인입흡수제의 절대습도(용액접촉면이 평향상태에 달한 경우 공기의 절대습도: g/kg)이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템은, 태양열 및 지하수 등의 자연에너지를 이용하며 냉,온매체로 흡수성이 매우 강한 염화리듐(LICL)액체흡수제의 제습,재생의 원리를 이용하며, 하절기 냉방의 경우 고농도 저온흡수제로 실내습도 및 기온을 낮추어 냉방부하를 줄이고 이때 발생한 저농도 고온흡수제를 태양열에 의한 재생기로 고농도로 증발 재생시킨 후 지하수 또는 시수를 이용 냉각하여 재순환 사용하며, 동절기 난방의 경우는 저농도고온흡수제를 이용하여 실내공기를 가습,가열시키고 이때 발생한 고농도 저온흡수제를 태양열로 가열하고 보급수를 이용 저농도화 시킨 후 재순환 사용하여 난방부하를 줄이게 되는 특징을 갖게 되고, 이러한 특징에 의해 태양열 및 지하수 등의 자연에너지를 이용하므로써 냉난방 부하를 줄일 수 있어 공조기용량을 경량화시켜 에너지절감을 가져오며, 염화리듐 수용액의 용량조절로 부하변동에 폭넓게 대응 가능하여 부하변동에 따른 최적운전이 가능하며, 대기중에 오염물질 방출의 최소화 및 프레온냉매를 사용하지 않음으로써서의 오존층파괴를 방지하며, 인체에 무해하며 소독 및 살균성능이 있어 재실자에 건강한 공조환경을 제공하며, 또한 실내환경을 위한 공조용은 물론 대단위 지하공간 및 냉기류에 민감한 유아,노인이용시설 등의 제습냉방에 적합하며, 태양열 이외에 지역특성에 따라 건물의 폐열 등의 재활용에너지를 열원으로 이용하는 각종 시스템으로 적용이 가능하게 되는 등의 다양한 적용성을 갖게 되며, 나아가 시스템의 단순화로 초기 투자비 및 운전비를 대폭 절감시키며 건물의 하중,소음,진동 등에 적극 대응되는 등의 효과와 함께 하나의 시스템으로 하절기 및 동절기에 따라 각 구성기기의 작동기능이 바뀌도록 하는 것이 가능하게 되는 효과가 있다.

본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 사상과 범위내에서 변형이나 변경할 수 있음은 본 발명이 속하는 분야의 당업자에게는 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부한 특허 청구범위에 속한다 할 것이다.

Claims (3)

1. 하절기의 경우 태양열로 냉,온열매체인 액체흡수제의 수분을 증발시켜 농도를 높여 축건조탱크에 저장하고, 동절기의 경우 집열판으로 이용하여 고온의 액체흡수제를 축열탱크에 저장하는 재생기(10);

   하절기의 경우 상기 재생기(10)로부터 저장된 고농도의 액체흡수제를 지하수 및 시수를 이용하여 온도를 낮추며 전열교환기를 통해 실내공기를 제습,냉각하고, 동절기의 경우 상기 재생기(10)로부터 저장된 고온의 액체흡수제를 보충수를 이용하여 농도를 낮추어 전열교환기를 통해 실내공기를 가습,가열한 후 축건조탱크에 다시 저장,재생하케 하는 축건조탱크(20);

   하절기의 경우 상기 축건조탱크(20)에 저장된 고농도 저온 액체흡수제를 이용하여 실내공기를 제습,냉각시키고, 동절기의 경우 저농도 고온 액체흡수제를 이용하여 실내공기를 가습,가열시키는 전열교환기(30);

   동절기의 경우 심야전력 등을 이용하여 적정온도를 유지시키며 보급수로 액체흡수제의 농도를 낮추어 상기 전열교환기(30)를 통해 실내공기를 가습,가열시키는 축열탱크(40);

   상기 재생기(10)와 축건조탱크(20) 사이에 설치되는 열교환기(50); 그리고

   상기 재생기(10), 축건조탱크(20), 전열교환기(30), 온수축열탱크(40) 및 열교환기(50)를 서로 연결시키는 배관, 펌프(P1~P4) 및 밸브(V1)로 이루진 것을 특징으로 하는 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉,온열매체인 액체흡수제는 염화리듐 수용액인 것을 특징으로 하는 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템.
3. 제1항에 있어서, 액체흡수제와 공기의 접촉면적을 늘려 제습효과를 늘리기 위해 상기 전열교환기(30)에 래싱링(rashing ring)을 충진하는 것을 것을 특징으로 하는 자연에너지를 이용한 냉난방 시스템.

Images