KR100619444B1 - 태양열 시스템을 이용한 하이브리드형 수축열식 냉난방시스템 - Google Patents

태양열 시스템을 이용한 하이브리드형 수축열식 냉난방시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템을 개시하고 있다. 본 발명에 따른 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템은 압축기, 사방밸브, 한 쌍의 제 1 및 제 2 열교환기, 및 팽창밸브로 구성되고, 기체상태의 냉매를 상기 압축기로 고압 압축한 후 그 고압의 냉매를 상기 사방밸브에 의해 선택적으로 정·역방향으로 순환가동시켜 상기 냉매를 상기 제 1 열교환기에서 응축시킨 후, 상기 팽창 밸브를 통해 팽창시킨 다음, 상기 제 2 열교환기에서 증발시키는 과정을 반복 수행하는 히트펌프; 냉방 운전시 상기 히트펌프 내의 상기 제 1 열교환기와 결합되어 열교환수를 순환시키면서, 상기 히트펌프에 대하여 열교환 에너지를 제공해주는 제 1 외부 열원; 냉방 운전시 상기 히트펌프 내의 상기 제 2 열교환기와 결합되어 열교환수를 순환시키면서, 상기 히트펌프에 대하여 열교환 에너지를 제공해주는 축열장치부; 상기 히트펌프와 상기 축열장치부 사이에 위치하며, 상기 축열장치부에서 제공되는 고온의 열교환수를 상기 제 2 열교환기에서의 냉매와의 열교환에 의해 생성되는 저온의 열교환수에 의해 냉방이 행해지고, 상기 히트펌프의 가동에 의해 난방이 행해지는 실내기; 및 급탕탱크 및 태양열 집열기를 포함하되, 상기 급탕탱크에서 제공되는 저온수는 제 1 삼방밸브 및 펌프를 통해 상기 태양열 집열기로 공급되고, 상기 태양열 집열기에서 가열된 고온수를 제 2 삼방밸브를 통해 상기 급탕 탱크로 공급하며, 난방 운전시 상기 고온수 중 일부를 상기 제 2 삼방밸브를 통해 상기 축열장치부에 공급하는 태양열 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.
하이브리드형, 냉난방, 축열장치부, 삼방밸브

Description

태양열 시스템을 이용한 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템{Chilled water storage type hybrid heating and cooling system using a solar heat system}
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템 및 그 순환구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 태양열시스템을 이용하는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템에서 축냉 운전에 따른 냉매 및 열교환수의 순환과정을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 태양열시스템을 이용하는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템에서 냉방 운전에 따른 열교환수의 순환과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 태양열시스템을 이용하는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템에서 난방 운전에 따른 열교환수의 순환과정을 도시한 도면이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
102: 압축기 104: 사방밸브
106,110; 제 1 및 제 2 열교환기 108: 팽창밸브
112: 제 1 외부 열원(냉각탑) 120: 축열장치부(축열조)
132: 실내기 136: 히트펌프
142: 태양열 집열기 146: 급탕탱크
152: 태양열 시스템
본 발명은 태양열시스템을 이용하는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템에 관한 것으로, 특히, 난방 시에 히트펌프의 보조 열원으로 태양열시스템을 이용하는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템에 관한 것이다.
종래에는 실내의 냉난방을 위한 수단으로서 전기식 히트펌프유닛(EHP)이 주로 사용되었다. 그러나, 상기 전기식 히트펌프유닛은, 단독으로 냉난방을 수행하는 경우에 온도부하에 따라 부분부하운전을 수행하기 위한 인버터(Inverter)와, 동절기 낮은 외기온도로 인하여 열교환수 순환관의 외측에 결빙현상이 심하게 나타나 난방능력을 저하시키는 문제점을 해결하기 위한 성에제거용 보조열원으로서의 전기히터가 반드시 설치되어야 하므로, 장치 자체가 복잡하고 대형화될 뿐만 아니라 상기 인버터 및 전기히터의 사용으로 인하여 유지비용이 과다하게 소요되는 단점이 있었다.
상술한 전기식 히트펌프유닛(EHP)의 단점을 해결하기 위한 새로운 대체 수단으로 최근에는 가정 또는 사무실 등 소규모 주거공간에서 냉난방 겸용의 축열식 히트펌프유닛이 사용되고 있다. 축열식 히트펌프유닛은 심야의 값싼 잉여전력을 사용하여 여름철에는 냉수 또는 얼음(빙축열)을, 겨울철에는 고온수를 축열조에 저장하 여 주간의 냉ㆍ난방에 이용하는 공조시스템으로서, 심야의 싼 전력을 이용하므로 주간에 집중되는 소비성향으로 인한 전력수급에 대한 불균형을 분산 또는 해소하고, 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 이점을 갖는다.
그러나, 종래의 축열식 히트펌프유닛은, 축열조의 성능이 불량하여 작은 온도차에 의한 성층도로 운전됨으로써 그 효율성이 저조하게 나타나는 문제점이 있었다. 또한, 냉난방을 병행하는 종래의 축열식 히트펌프유닛은, 냉방 또는 난방모드로 전환되는 경우에 있어서, 냉방시에는 부하측에서 회수되는 물이 축열조의 상부로 유입되고 난방시에는 부하측에서 회수되는 물이 축열조의 하부로 유입되는 유체의 교체흐름을 유지하여야 하므로 배관설계상의 많은 어려움이 있었다.
한편, 최근에는 고온의 지열, 지표수, 지하수나 온천수 등의 열원을 에너지로 활용하고자 하는 연구가 매우 활발히 이루어지고 있다. 그 중에서도 특히 지표나 지중에 저장된 열에너지를 이용하여 냉방과 난방을 수행하는 지열식 히트펌프유닛이 있으며, 그 구체적인 예로 2003년 12월 31일자에 본 발명의 출원인에 의해 대한민국 특허출원 제 10-2003-0102110호로 출원된 “축열식 지열히트펌프유닛”이 있으며, 이러한 특허출원 제 10-2003-0102110호에 개시된 내용은 본 발명에 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다.
그러나, 상술한 종래 지열식 히트펌프유닛은 모두 지중에 관정 또는 트렌치를 판 후에 파이프를 수직 또는 수평으로 배치하여야 하므로, 파이프 매설에 따른 일정부분의 토지 확보가 필수적으로 요구되며 또한 별도의 공사 비용이 소요된다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 특징에 따르면, 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템에 있어서, 압축기, 사방밸브, 한 쌍의 제 1 및 제 2 열교환기, 및 팽창밸브로 구성되고, 기체상태의 냉매를 상기 압축기로 고압 압축한 후 그 고압의 냉매를 상기 사방밸브에 의해 선택적으로 정·역방향으로 순환가동시켜 상기 냉매를 상기 제 1 열교환기에서 응축시킨 후, 상기 팽창 밸브를 통해 팽창시킨 다음, 상기 제 2 열교환기에서 증발시키는 과정을 반복 수행하는 히트펌프; 냉방 운전시 상기 히트펌프 내의 상기 제 1 열교환기와 결합되어 열교환수를 순환시키면서, 상기 히트펌프에 대하여 열교환 에너지를 제공해주는 제 1 외부 열원; 냉방 운전시 상기 히트펌프 내의 상기 제 2 열교환기와 결합되어 열교환수를 순환시키면서, 상기 히트펌프에 대하여 열교환 에너지를 제공해주는 축열장치부; 상기 히트펌프와 상기 축열장치부 사이에 위치하며, 상기 축열장치부에서 제공되는 고온의 열교환수를 상기 제 2 열교환기에서의 냉매와의 열교환에 의해 생성되는 저온의 열교환수에 의해 냉방이 행해지고, 상기 히트펌프의 가동에 의해 난방이 행해지는 실내기; 및 급탕탱크 및 태양열 집열기를 포함하되, 상기 급탕탱크에서 제공되는 저온수는 제 1 삼방밸브 및 펌프를 통해 상기 태양열 집열기로 공급되고, 상기 태양열 집열기에서 가열된 고온수를 제 2 삼방밸브를 통해 상기 급탕 탱크로 공급하며, 난방 운전시 상기 고온수 중 일부를 상기 제 2 삼방밸브를 통해 상기 축열장치부에 공급하는 태양열 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상술한 본 발명의 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템은 히트펌프의 열원 으로 냉각탑 및 태양열시스템을 사용하는 것을 특징으로 하고 있다. 좀 더 구체적으로, 야간에 축냉시에는 축열장치부에 냉기를 저장하였다가 주간 냉방시에는 냉각탑 및 히트펌프를 사용하여 수축열 방식으로 냉방운전을 행한다. 한편, 태양열 시스템은 냉방시에는 급탕 탱크를 가열하여 급탕하는 용도로만 사용되고, 난방시에는 급탕 및 히트펌프의 보조 열원으로 사용된다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템을 첨부 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템(100) 및 그 순환구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 또한, 도 2 내지 도 4는 본 발명에 따른 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템(100)에 의한 축냉 운전, 냉방 운전, 및 난방 운전의 순환상태를 각각 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템(100)은 압축기(102), 사방밸브(104), 한 쌍의 제 1 및 제 2 열교환기(106,110), 및 팽창밸브(108)로 구성되고, 기체상태의 냉매를 상기 압축기(102)로 고압 압축한 후 그 고압의 냉매를 상기 사방밸브(104)에 의해 선택적으로 정·역방향으로 순환가동시켜 상기 냉매를 상기 제 1 열교환기(106)에서 응축시킨 후, 상기 팽창 밸브(108)를 통해 팽창시킨 다음, 상기 제 2 열교환기(110)에서 증발시키는 과정을 반복 수행하는 히트펌프(136); 냉방 운전시 상기 히트펌프(136) 내의 상기 제 1 열교환기(106)와 결합되어 열교환수를 순환시키면서, 상기 히트펌프(136)에 대하여 열교환 에너지를 제공해주는 제 1 외부 열원(112); 냉방 운전시 상기 히트펌프(136) 내의 상기 제 2 열교환기(110)와 결합되어 열교환수를 순환시키면서, 상기 히트펌프(136)에 대하여 열교환 에너지를 제공해주는 축열장치부(120); 상기 히트펌프(136)와 상기 축열장치부(120) 사이에 위치하며, 상기 축열장치부(120)에서 제공되는 고온의 열교환수를 상기 제 2 열교환기(110)에서의 냉매와의 열교환에 의해 생성되는 저온의 열교환수에 의해 냉방이 행해지고, 상기 히트펌프(136)의 가동에 의해 난방이 행해지는 실내기(132); 및 급탕탱크(146) 및 태양열 집열기(142)를 포함하되, 상기 급탕탱크(146)에서 제공되는 저온수는 제 1 삼방밸브(150) 및 펌프(148)를 통해 상기 태양열 집열기(142)로 공급되고, 상기 태양열 집열기(142)에서 가열된 고온수를 제 2 삼방밸브(144)를 통해 상기 급탕 탱크(146)로 공급하며, 난방 운전시 상기 고온수 중 일부를 상기 제 2 삼방밸브(144)를 통해 상기 축열장치부(120)에 공급하는 태양열 시스템(152)을 포함한다.
상기 각 구성요소들은 복수의 순환관, 밸브 및 펌프에 의해 서로 연결되어 있으며, 히트펌프(136), 제 1 외부 열원(112), 축열장치부(120), 및 실내기(132)는 각각 또는 서로 폐회로 상태로 연결되어 독립적으로 냉매 및 열교환수를 순환시킬 수 있도록 구성되어 있다. 또한, 및 태양열 시스템(152)은 그 자체가 폐회로 상태로 연결되어 독립적으로 급탕 용도로 사용될 수 있다.
상술한 본 발명의 히트펌프(136)는 통상적으로 사용되는 히트펌프로서, 저압상태의 기체 냉매를 고압으로 압축 및 배출시켜주는 압축기(102), 고압의 기체 냉매를 다른 작동 유체인 열교환수와 열교환하여 액화시켜주는 제 1 열교환기인 응축 기(106), 상기 액체 냉매를 유량 조정하여 저압의 액체 냉매로 급팽창시킨 후 분사시켜주는 팽창밸브(108), 및 분사된 액체 냉매가 급팽창되면서 주위로부터 열을 흡수하여 기화되어 기내(器內)를 냉각하는 제 2 열교환기인 증발기(110)를 포함한다. 여기서, 당업자라면 도 1에 도시된 응축기(106)와 증발기(110)는 열교환기로서 냉방과 난방시 서로 그 기능이 전환될 수 있다는 것을 충분히 이해할 것이다.
또한, 본 발명의 히트펌프(136)에 있어서, 한 쌍의 열교환기(106,110) 중 어느 한쪽 열교환기(106 또는 110)에는 상기 압축기(102)로부터의 고압 기체 냉매가 유입되게 함과 아울러, 나머지 다른 한쪽의 열교환기(106 또는 110)로부터 상기 압축기(102)에 저압 기체냉매가 유입되게 하기 위하여, 즉, 상기 히트펌프(136) 내의 냉매의 유로를 상기 각 열교환기(106,110)에 대하여 선택적으로 전환시켜줄 수 있도록, 상기 압축기(102)와 각 열교환기(106,110) 사이의 냉매 순환관 상의 유로분기 지점에 사방밸브(104)가 설치되어 있다.
상술한 히트펌프(136) 구성에 있어서, 한 쌍의 열교환기(106,110)는 냉매와 열교환수(2차 유체) 간의 열교환을 위해 압축기(102)의 양측에 각각 배치되어 그 중 어느 하나는 기내(器內)에서의 열교환을 통한 방열작용에 의해 고압의 기체냉매를 액체상태로 응축시키고 나머지 하나는 기내에서의 열교환을 통한 흡열작용에 의해 저압의 액체냉매를 기체상태로 증발시킬 수 있도록 상반된 열교환 과정, 즉, 응축 및 증발 과정을 각각 수행한다. 즉, 냉방시에는 실외측(제 1 외부 열원: 112) 열교환기(106)에서 냉매의 응축과정이, 실내측(축열장치부: 120) 열교환기(110)에서 냉매의 증발과정이 각각 일어나고, 난방시에는 실외측 열교환기(106)에서 냉매 의 증발과정이, 실내측 열교환기(110)에서 냉매의 응축과정이 각각 일어난다. 이와 같이 냉방 또는 난방의 경우에 따라 사방밸브(104)의 작용에 의해 각각 냉매의 순환방향은 역전된다. 본 발명의 바람직한 실시에에 있어서, 제 1 외부 열원(112)은 냉각탑이고, 축열장치부(120)는 축열조이다.
한편, 본 발명의 축열장치부(120)는 상기 히트펌프(136) 내의 열교환기(110)와 결합되어 4개의 삼방밸브(124,128,130,134) 및 한 쌍의 개폐밸브(122,138)의 적절한 제어 조작과 함께 냉방시 펌프(126)의 가동에 의해 열교환수를 강제 순환시키되, 야간에는 저가의 심야 잉여전력으로 히트펌프(136)를 가동하여 상기 열교환기(110)에 의해 냉매와 열교환수를 상호 열교환시킴으로써 축열장치부(120) 상부로부터 공급된 열을 냉각시켜 축열장치부(120) 하부로 회수함으로써, 축열장치부(120) 내의 상하 온도차를 10℃ 이상으로 유지하여 축냉 열교환수를 저장할 수 있도록 한다.
나아가, 본 발명에서는 상기 축열장치부(120)의 일측에 태양열 시스템(152)이 연결되어 있다. 통상적으로, 본 발명의 태양열 시스템(152)은 주간에 급탕탱크(146)에 열을 공급하여 급탕용으로 사용된다. 그러나, 겨울철 난방시에는 외기 온도가 낮기 때문에 제 1 외부 열원인 냉각탑(112)을 사용할 경우 동파의 위험이 따르고 또한 시스템의 효율이 크게 저하된다. 따라서, 본 발명에서는 태양열 시스템(152)을 이용하여 생성된 고온수 중 일부를 축열장치부(120)에 저장하였다가, 히트펌프(136)를 가동하여 난방을 수행할 때 열교환기(106)에서의 열교환에 의해 축열장치부(120)로 회수되는 저온의 열교환수를 가열해주는 역할을 하게 된다.
이하에서는 상술한 본 발명의 구성에 의하여 이루어지는 각 운전모드별 냉매 및 열교환수의 순환과정을 설명하면 다음과 같다.
(1) 축냉 운전
도 2는 본 발명의 태양열시스템을 이용하는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템(100)에서 축냉 운전에 따른 냉매 및 열교환수의 순환과정을 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 압축기(102)에서 압축된 고온고압의 냉매는 사방밸브(104)를 통해 실외측 열교환기(106)를 지나면서 응축된다. 이 때, 냉각탑(112)은 삼방밸브(114,116) 및 펌프(118)를 통해 열교환기(106)에서 압축기(102)로부터 공급된 고온고압의 냉매를 냉각시킨다. 응축된 냉매는 팽창밸브(108)를 지나면서 저온저압 상태로 된 후 사방밸브(104)를 통해 실내측 열교환기(110)를 통과한다. 열교환기(110) 내에서 냉매는 증발과정을 거치면서 축열장치부(120)에서 공급되는 고온의 열교환수를 냉각시킨다. 냉각된 열교환수는 실내기(132)를 통과하지 않고, 삼방밸브(128,130)에 의해 축열장치부(120)로 회수된다. 회수된 열교환수는 축열장치부(120) 상부의 고온 열교환수(통상적으로 14℃)를 냉각시킨다. 냉각된 열교환수(통상적으로 4℃)는 축열조 하부에 저장된다.
즉, 열교환수는 펌프(126)의 가동에 의해 축열장치부(120)의 상부에서 강제 배출되어, 개폐밸브(122) 및 삼방밸브(124)의 일방향 개로(開路) 조작에 의해 상기 열교환기(110)를 통과하면서 냉각된 후, 다른 삼방밸브(128,130)의 일방향 개로 조작에 의해 상기 축열장치부(120)의 하부로 유입되는 순환과정이 이루어지면서 축열 장치부(120) 내에 축냉 저장된다.
(2) 냉방 운전
도 3은 본 발명의 태양열시스템을 이용하는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템(100)에서 냉방 운전에 따른 열교환수의 순환과정을 도시하고 있다. 도 3을 참조하면, 상술한 야간 축냉운전 과정을 거쳐서 축열장치부(120) 내에 저장된 냉수를 주간에 실내기(132)쪽으로 순환시켜 활용함으로써 냉방운전을 수행하게 된다.
냉방 운전시의 열교환수 순환과정을 보다 상세히 설명하면, 상술한 야간 축냉운전시의 축냉된 열교환수를 열교환기(110)를 거쳐 실내기(132) 쪽으로 냉기를 공급하는 것이다. 즉, 축열장치부(120)의 하부에 축냉 저장된 상대적 저온수는 펌프(126)의 가동에 의해 강제 배출되어 삼방밸브(124,128)의 일방향 개로(開路) 조작에 의해 실내기(132)를 통과하면서 실내 공간 쪽으로 냉기를 공급한 후, 삼방밸브(134)의 일방향 개로 조작 및 개폐밸브(122)의 개폐에 의해 축열장치부(120)의 상부로 유입된다. 이 때, 회수되는 일부 열교환수는 적정한 저온수의 온도를 만들기 위해 삼방밸브(124)를 통해 축열장치부(120) 하부의 저온수와 섞여 실외기(132) 측으로 다시 공급된다.
만일 실내기(132)의 냉방부하가 축열장치부(120)의 용량을 초과하거나, 순간적으로 급격한 냉방부하 증가시에는 히트펌프(136)를 구동하여 부족한 냉방부하 용량을 보충한다. 이 경우 히트펌프(136) 내에서의 냉매의 흐름은 도 2에 도시된 상술한 축냉시의 냉매의 흐름과 동일하다.
한편, 태양열시스템(152)은 냉방에는 직접 사용되지 않으며, 펌프(148)를 이용하여 급탕탱크(146)의 저온수를 삼방밸브(150)를 통해 태양열 집열기(142)로 공급하고, 공급된 저온수를 태양열 집열기(142)에 의해 가열하여 고온수를 생성한 후 이를 삼방밸브(144)를 통해 급탕탱크(146)에 저장한다. 저장된 고온수(대략 40~60℃)는 급탕에 이용된다. 따라서, 본 발명에서는 냉방시에는 축열장치부(120) 또는 축열장치부(120)와 히트펌프(136)의 가동에 의해 냉방운전이 이루어지며, 태양열시스템(152)은 냉방운전에 관여하지 않는다.
(3) 난방 운전
도 4는 본 발명의 태양열시스템을 이용하는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템(100)에서 난방 운전에 따른 열교환수의 순환과정을 도시하고 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 히트펌프(136)를 가동하여 난방운전을 수행하게 된다. 이 때, 태양열시스템(152)에 의해 공급되는 일부의 고온수가 축열장치부(120) 내에 저장되고, 이 고온수는 열교환기(106)에서 냉매와의 열교환에 이용된다. 또한, 상기 고온수는 열교환기(106)에서의 열교환 후 생성되는 저온 열교환수가 축열장치부(120)로 회수되면, 이를 다시 가열해주는 기능을 한다.
상술한 열교환수 순환과정을 보다 상세히 설명하면, 압축기(102)에서 압축된 고온고압의 냉매는 사방밸브(104)를 통해 실내측 열교환기(110)를 지나면서 저온의 열교환수와의 열교환을 통해 응축된다. 이 때 열교환기(110)는 응축기의 역할을 한다. 열교환기(110)는 열교환을 통해 고온의 열교환수를 생성하고, 이 고온의 열교 환수는 삼방밸브(128)를 통해 실내기(132)에 온기를 전달하여 난방에 이용된다. 실내기(132)에 열을 전달한 고온의 열교환수는 저온의 열교환수가 되고, 삼방밸브(134)를 통과한 후 펌프(126)에 의해 강제로 열교환기(110)로 공급되어 열교환수의 순환이 이루어진다.
한편, 열교환기(110)를 통과한 냉매는 팽창밸브(108)를 지나면서 저온저압 상태로 된 후 사방밸브(104)를 거쳐 열교환기(106)를 통과하게 된다. 이 때 열교환기9106)는 증발기의 역할을 한다. 열교환기(106)에서 냉매는 증발되고 다시 사방밸브(104)를 거쳐 압축기(102)로 들어가게 되어 히트펌프(136)의 한 사이클이 완성된다.
본 발명에서는, 난방운전시 외기온도가 낮기 때문에 열교환기(106)에서의 열교환을 위해 냉각탑(112)을 사용할 경우 동파 발생 및 시스템 효율의 저하 등으로 인한 문제가 발생할 수 있으므로 냉각탑(112)의 사용은 바람직하지 않다.
이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명에서는 태양열시스템(152)을 이용하여 생성된 고온수 중 일부를 축열장치부(120)에 저장한다. 축열장치부(120)에 저장된 고온 열교환수는 히트펌프(136)의 가동에 의해 난방을 수행할 때, 펌프(140)에 의해 개폐밸브(138) 및 삼방밸브(114)를 통해 열교환기(106)로 공급되어 히트펌프(136) 내의 냉매와 열교환에 사용된다. 열교환에 의해 생성된 저온 열교환수는 삼방밸브(116,130)을 통해 축열장치부(120) 하부로 회수된다. 그러므로, 본 발명에서의 난방운전은 주간에 난방 부하 발생시 히트펌프(136)를 가동하여 수행되고, 축열장치부(120)는 태양열시스템(152)으로부터 고온수의 일부를 전달받아 히트펌프(136)를 가동할 때 증발기인 열교환기(106)에서 생성되어 축열장치부(120)로 회수되는 저온 열교환수를 가열해주는 열원을 제공하기 위한, 히트펌프(136)의 보조열원으로 이용된다.
아울러, 태양열시스템(152)에서는 펌프(148)를 이용하여 급탕탱크(146) 및 축열장치부(120)에서 공급되는 저온수를 삼방밸브(150)를 통해 태양열 집열기(142)로 공급하고, 공급된 저온수를 태양열 집열기(142)에 의해 가열하여 고온수를 생성한 후 이를 삼방밸브(144)를 통해 급탕탱크(146)에 저장한다. 이 때, 고온수 중 일부는 삼방밸브(144)를 통해 축열장치부(120)에 공급되어 히트펌프(136)의 난방운전시에 열교환기(106)에서의 냉매와의 열교환에 이용된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 태양열시스템을 이용하는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템을 사용하는 경우 다음과 같은 장점이 달성된다.
1. 본 발명의 냉난방 시스템에서는 냉난방뿐만 아니라 급탕 제공도 가능하다. 즉, 여름철의 경우 급탕부하가 겨울철보다는 작지만 일정한 양의 온수를 필요로 하기 때문에 급탕부하를 해결하기 위해 보일러, 온수기 등을 설치해야 하지만, 본 발명의 경우에는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템을 이용하여 냉방을 수행하면서, 태양열시스템을 가동하여 급탕부하를 제공할 수 있다.
2. 여름철 외기온도가 높을 경우 냉각수의 온도 상승으로 열교환기(응축기)의 냉매 온도가 상승하게 되어 히트 펌프의 소비전력 증가 및 성능이 저하되나, 본 발명의 경우에는 외기온도가 일정온도 이상일 때 축열장치부 상부의 온도를 14℃정 도의 온수를 유지하여 전체 시스템의 성능을 향상시킬 수 있다. 한편, 겨울철의 경우에는 태양열시스템을 가동하여 얻은 고온수를 축열장치부에 저장해 두었다가 열교환기(증발기)로 공급하여 증발기측 냉매온도를 일정하게 유지함으로써, 히트펌프 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
3. 또한, 본 발명은 태양열시스템을 이용함으로써 화석연료를 사용하지 않기 때문에 온실가스, 황산화물(SOx), 질산화물(NOx), 미세먼지 등 환경오염 물질 배출이 발생하지 않아 환경개선에 기여할 수 있다.
4. 아울러, 종래 축열식 지열 히트펌프 유닛에서는, 지열을 이용하기 위해 파이프 매설에 따른 일정부분의 토지 확보가 필수적으로 요구되며 또한 별도의 공사 비용이 요구되지만, 태양열 시스템을 이용하는 본 발명에서는 이러한 파이프 매설에 따른 문제점이 해소될 수 있다.
다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.

Claims (3)

  1. 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템에 있어서,
    압축기, 사방밸브, 한 쌍의 제 1 및 제 2 열교환기, 및 팽창밸브로 구성되고, 기체상태의 냉매를 상기 압축기로 고압 압축한 후 그 고압의 냉매를 상기 사방밸브에 의해 선택적으로 정·역방향으로 순환가동시켜 상기 냉매를 상기 제 1 열교환기에서 응축시킨 후, 상기 팽창 밸브를 통해 팽창시킨 다음, 상기 제 2 열교환기에서 증발시키는 과정을 반복 수행하는 히트펌프;
    냉방 운전시 상기 히트펌프 내의 상기 제 1 열교환기와 결합되어 열교환수를 순환시키면서, 상기 히트펌프에 대하여 열교환 에너지를 제공해주는 제 1 외부 열원;
    냉방 운전시 상기 히트펌프 내의 상기 제 2 열교환기와 결합되어 열교환수를 순환시키면서, 상기 히트펌프에 대하여 열교환 에너지를 제공해주는 축열장치부;
    상기 히트펌프와 상기 축열장치부 사이에 위치하며, 상기 축열장치부에서 제공되는 고온의 열교환수를 상기 제 2 열교환기에서의 냉매와의 열교환에 의해 생성되는 저온의 열교환수에 의해 냉방이 행해지고, 상기 히트펌프의 가동에 의해 난방이 행해지는 실내기; 및
    급탕탱크 및 태양열 집열기를 포함하되, 상기 급탕탱크에서 제공되는 저온수는 제 1 삼방밸브 및 펌프를 통해 상기 태양열 집열기로 공급되고, 상기 태양열 집열기에서 가열된 고온수를 제 2 삼방밸브를 통해 상기 급탕 탱크로 공급하며, 난방 운전시 상기 고온수 중 일부를 상기 제 2 삼방밸브를 통해 상기 축열장치부에 공급하는 태양열 시스템
    을 포함하는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템에서, 축냉 운전시 상기 축열장치부의 고온의 열교환수는 상기 제 2 열교환기와 열교환 후, 상기 실내기를 거치지 않고 상기 축열장치부로 회수되는 하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 외부 열원은 냉각탑이고, 상기 축열장치부는 축열조이며, 상기 제 1 및 제 2 열교환기는 각각 냉방 운전시에는 응축기 및 증발기 역할을 하고, 난방 운전시에는 상기 증발기 및 응축기 역할을 하며,
    상기 태양열 시스템에서 상기 고온수 중 일부를 공급받은 상기 축열조는 난방 운전시 상기 증발기 역할을 하는 상기 제 1 열교환기에 고온의 열교환수를 제공해주며, 열교환 후 생성되는 저온의 열교환수는 상기 축열조로 회수되는
    하이브리드형 수축열식 냉난방 시스템.
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