KR20010104397A - 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수장치 - Google Patents

태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대체에너지 활용 일환으로 냉난방 및 온수를 사용할 수 있도록, 46°로 나열배치하는 태양열집열기와, 태양열집열기기를 통하여 얻은 대체에너지 열원으로 주간에 얻은 온수와, 상변화시 잠열을 발생하는 미세캡슐화된 상변화물질을 축열조내에 채워 온수 및 심야전력을 이용하여 전기에너지를 잠열재에 축적하였다가 열을 방출하면서 열 저장 및 공급을 위해 축열효과를 오랫동안 유지할 수 있도록 구성된 잠열축열조와, 필요시 축열된 열량의 일부를 수송하여 수온감지센서에 의해 저열에너지로 저장하였다가 열펌프의 열원으로 제공되는 열콘트롤탱크와, 저온의 열원에서 열을 흡수하여 고온의 수열체에 열을 반송하는 열펌프(Heat Pump)와, 냉난방효과를 일으키는 증발응축기로 구성되어 냉난방 및 온수를 사용할 수 있도록 이루어지는 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수장치를 제공한다.

Description

태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수 장치 {Cooling,Heating and Hot-Water supply device operated by Composition Connect Solar Energy Heat-Pump Latent Heat Storage System}
본 발명은 열전도성이 뛰어난 태양열집열기와 에너지이용합리화를 위한 심야전력과 축열밀도를 증가시켜 고효율의 열원을 얻을 수 있는 잠열축열조 및 열펌프를 연계하여 유용한 온도수준의 열에너지원으로 변환 이용할 수 있도록 한 냉난방 및 온수 장치 및 이를 이용한 열저장 및 공급방법에 관한 것으로, 더욱상세하게는 집열기의(일체형홈집열판) 열량을 잠열축열조에 저장 이용하고, 또한 심야전력을 이용하여 전기에너지를 잠열재에 축열시켜 놓았다가 이를 회수하여 전이온도가 원하는 온도 영역의 열원을 열콘트롤탱크에 저장하였다가, 열펌프의 열원으로 이용함으로써, 비교적 안정되고 열전달 효율이 향상된 열에너지원으로 에너지 소비 절감을 꾀할 수 있도록 하는 장치, 이를 이용한 새로운 열저장 및 이송매체로 활용 가능한 냉난방 및 온수시스템에 관한 것이다.
일반적으로 기존 냉난방시스템은 냉난방 수 온도차에 해당하는 현열에 의해 축열 및 열수송이 이루어졌고, 열 저장에 의한 효율의 극대화를 위하여 다양한 에너지 절약형 방안이 강구되고 있으며, 연료 수요측면에서 전력부하평준화를 위한 축열시스템과 폐기되는 냉난방열의 회수 공장에서 배출되는 폐열원 및 목욕탕, 온천에서 버리는 폐수에 있는 열원의 효율적 사용과 수요가 낮은 심야 잉여전력의 방안으로 에너지를 질적이나 시간적으로 분산 활용되어 사용하기 편리한 에너지원으로 사용되고 있지만 그 활용범위가 제한적이라는 단점이 있다.
그러나 이와같은 현열에 의해 축열된 에너지원은 축열밀도가 작고 부피가 커서 저장조 대형화 및 배관 크기 증가로 수송 및 저장량이 증가하게 되며 전열면적이 작아 균질의 에너지로서 사용하기 어려운 불합리성과 버려지는 미활용에너지를 회수하여 재활용하여 사용하고 있으나, 에너지 저장 및 공급시 대용량 폐열만이 사용 가능한 것으로 한정되어 가정용으로는 활용하지 못함이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 태양열집열기의 열량을 저장하여 에너지를 절약할 수 있으며, 또한 잠열미립자의 캡슐용기를 신축성이 뛰어나고 화학적으로 안정성이 있는 고분자 수지로 외부를 코팅하여 10㎛이하 정도로 제조된 미세캡슐화된 상변화물질을 축열조내얘 채워 온수 및 심야전력을 이용하여 축열밀도를 증가시킴으로서, 단위 부피당 많은 양의 열을 저장토록 하여 축열조의 크기를 감소시킬 수 있고, 열저장 기능은 물론 사용처로 고효율의 에너지를 전달할 수 있도록 한다.
종래 온수 및 난방축열조는 현열을 간접열교환에 의해 축열하여 사용거나 목욕탕, 온천 등 대용량의 폐열원만을 필요로 했던 것에 비해 태양열 및 잠열재에 축적된 열원을 제공받아 수온감지센서에 의해 전이온도가 원하는 온도영역으로 콘트롤함으로써, 열펌프의 열원으로 폐열원이 없는 장소에서도 열 공급이 가능하도록 하였으며, 상업용에서 가정용까지 광범위하게 활용, 에너지를 절약할 수 있을 뿐만 아니라 에너지의 이용 공급 측면에서도 냉난방 열원의 수요증가 시 열저장 기술 및 효과적인 열량을 증가시켜 쾌적한 생활을 할 수 있도록 하는 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방 및 온수장치 및 이를 저장, 공급하는 것을 제공하는데 본 발명의 목적이 있는 것이다.
이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 냉난방 및 온수 공급에 적합한 태양열을 연계한 심야전력, 열펌프-잠열축열시스템에 있어서, 상기 대체열원을 얻고자 대체에너지 활용 일환으로 태양열집열기를 46°로 나열배치하는 단계, 상기 대체에너지 열원으로 주간에 얻은 온수를 잠열축열조에 저장하고, 상기 저장된 온수에 물질의 상이 변할 때 부피팽창에 따른 응력이 발생하여 물질이 유출되지 않도록 신축성이 뛰어나고 화학적으로 안정성이 있는 고분자 수지로 외부를 코팅 처리된 미세캡슐화된 상변화물질(CH3COONa 3H2O)을 잠열축열조내 지지대에 밀착시켜 부착하고 심야전력을 이용하여 전기에너지를 잠열재에 축열시켜 축열밀도를 증가시키는 단계, 상기 단계 후 열펌프의 열원에 필요한 전이온도가 원하는 온도영역으로 수온 감지센서에 의해 콘트롤하는 단계, 상기 단계 후 열펌프의 증발응축을 통한 냉난방기능을 겸용할 수 있도록 한다. 즉, 태양열 열펌프-잠열축열조를 조합하여 주간에는 잠열축열조에 태양에너지를 저장 이용하고, 야간에는 심야전력을 이용함으로써, 열펌프의 열원으로 사용 냉.난방 기능의 겸용이 가능하도록 하여 동,하절기 필요한 고온 및 저온조절이 가능하고, 온도변화를 완화시켜 쾌적한 실내 열환경을 유지할 뿐만 아니라 냉난방비를 줄이는 에너지 절약효과를 얻을 수 있도록 구성됨으로써, 각종 주택냉난방, 시설원예작물 등의 가격경쟁력제고는 물론 화석에너지의 이용을 줄이고, 환경보전에 기여할 수 있도록 한 다양한 에너지원을 연계하여 전력수요를 줄이는 태양열 열펌프-잠열축열시스템 복합으로 냉난방온수장치 및 열저장, 이를 충분히 공급할 수 있는 단계로 이루어진 것에 특징이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수 장치를 나타낸 일시시예에 있어서 전체 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 잠열축열조내 미세캡슐화된 상변화물질 부착상태를 나타내는 부분도.
도 3은 본 발명에 따른 열콘트롤탱크내 저열원 저장을 나타낸 부분도.
도 4는 본 발명에 따른 열펌프의 열교환 원리를 나타낸 구성도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 태양열집열기 2 : 잠열축열조 3 : 상변화물질/잠열축열매체
4 : 열콘트롤탱크 5 : 직수탱크 6 : 열펌프 7 : 히터
8 : 수온감지센서 9 : 열교환기 10 : 순환펌프 11 : 지지대C형
본 발명은 냉난방 및 온수를 사용하고자 대체에너지 활용 일환으로 나열배치하는 태양열집열기(1)와, 상기 태양열집열기에 의해 얻어지는 대체에너지 열원으로주간에 얻은 온수를 저장 이용 및/또는 심야전력을 이용하여 전기에너지를 잠열재에 축적하였다가 열을 방출하면서 축열효과를 오랫동안 유지할 수 있도록 구성된 잠열축열조(2)와, 필요시 축열된 열량의 일부를 수송하여 수온감지센서에 의해 저열에너지로 저장함으로써, 열펌프의 열원으로 제공되는 열콘트롤탱크와, 상기 열콘트롤탱크내에 저장된 저열에너지를 열펌프의 열공급원으로 하고, 증발응축기를 통하여 열을 밖으로 방출하고, 외부로부터 열을 흡수하여 열교환이 이루어지게 함으로써, 유용한 온도수준의 열에너지를 얻는 열펌프(Heat Pump)(6)와, 상기 이를 냉난방 및 온수를 사용할 수 있도록 하는 저온수조와 급탕조로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수 장치이다.
다음으로 본 발명에 따른 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수 장치의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
먼저 본 발명에 따른 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수 장치의 일실시예는 도 1에 나타낸 바와 같이, 상기 태양열집열기는 일체형홈집열판으로 구성하며, 상기 잠열축열조에 저장된 열량과 상기 집열축열조 열량을 열콘트롤탱크내 열펌프의 열원으로 수온감지센서에 의해 열교반이 이루어지게 하여 상기 열콘트롤탱크로 저열원을 상기 열펌프에 공급하여 증발응축의 열교환원리 적용으로 냉,난방이 가능하도록 구성하고, 상기 잠열축열조 내에 미세캡슐화된 상변화물질(잠열재)을 다수개의 지지대C형에 부착하여 상변화를 이루기 위한 충분한 열량과 적정한 온도수준을 유지하여 온도 지속시간을 연장시키도록 구성하며, 상기 열콘트롤탱크 내에 유입된 열량(온수)을 조절할 수 있는 수온감지센서로 구성하여열펌프의 열교환에 적합한 열원을 받아 증발응축에 의한 냉난방효과를 극대화하고, 현열과 잠열을 동시에 사용할 수 있도록 구성하는 것으로 이루어진다.
또 본 발명에 따른 태양열집열기(1) 열원을 잠열축열조(2)내 열량 저장 및 캡슐용기 부착상태를 도 2에 나타낸 바와같이, 열원의 저장 및 공급과정을 도시한 구성도로서, 특수 태양열집열기(일체형홈집열기)(1)에서 집열하고, 데워진 물을 잠열축열조(2)에 저장하여 열콘트롤탱크(4)내로 공급하는 것으로, 상기 잠열축열조(2)내에 미세캡슐화된 상변화물질(P.C.M))(3)을 온수 속에 내장하여 장기적인 온도변화 및 강제 순환 시에도 내부물질의 방출없는 안정성의 유지가 요구되는 만큼 상변화를 이루기 위한 충분한 열량과 적정한 온도수준을 유지하여 상변화물질(잠열축열매체)의 잠열축열효과를 증진시켜 필요시 시그널에 의해 순환펌프(10)의 자동작동으로 열콘트롤탱크(4)내에 필요한 열원을 조절유지토록하여 잠열축열조(2) 및 열 콘트롤탱크(4)와 호환성 있게 하는 것으로 이루어진다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 상변화물질(잠열축열매체)(3)를 충전한 캡슐은 타원형 형태로 지지대C형(11)에 고정시키고, 다수개 내장 밀착하도록 설치함으로써, 파손 방지가 가능하며, Z자형으로 배치시켜 전체에 균일한 열전도가 이루어져 고효율의 열량을 유지하고, 심야전력을 이용하여 축열 밀도를 증가시켜 고효율의 열원을 얻을 수 있고, 탱크의 소형경량화로 시간의 단축 및 고온을 유지할 수 있도록 한다.
도 1과 도 2에서와 같은 시스템에 의해 도 3내지 도 4, 도에서와 같이 상기 열펌프를 구성하는 것으로, 열펌프시스템 공급열원을 태양열복사에너지에 의해 집열된 열원과 심야전력에 의해 축열된 에너지를 잠열축열조에 고밀도의 열원을 축열시켜 놓았다가 필요시 일정한 열에너지를 회수하여 열콘트롤탱크에 저온의 열에너지로 저장한 다음 냉난방 및 온수 공급을 위한 열원으로 열펌프를 설치함으로써, 대용량의 폐열 및 폐수만을 회수에너지로 활용했던 것에 비해 지속적인 축열과 공급이 이루어지도록 하여 폐열 뿐만 아니라 자연에너지를 병행 활용할 수 있도록 하여 상업용건물에서 가정용에 이르기까지 광범위하게 연중 사용이 가능한 향상된 에너지 공급순환이 이루어지도록 구성되고, 냉,난방 기능을 가지고 있어 증발기측에서 냉매가 증발하면서 저온부로부터 열을 빨아드리고, 증발된 증기가 압축기에 의하여 압축되면서 고온부인 응축기에서 응축한다. 이 때 발생되는 열을 이용하는 것으로, 충분한 잠열을 보존할 수 있으며, 고밀도의 열원을 공급하여 동.하절기 냉난방용으로 사용가능토록 하여 탄력성 있는 균일한 온도 및 쾌적성, 안전성, 효율성을 고려하여 구성한다.
여기서 태양열집열기(1)와 잠열축열조(2), 열콘트롤탱크(4)에 축열된 온수의 공급과 환수 과정에서 수위센서에 의한 자동제어감지기 및 순환펌프(10)를 장착함으로써, 열펌프(6)의 열원으로 태양열집열기(1)의 열량 및/또는 잠열축열조(2)의 잠열을 동시에 이용함으로써, 기존의 간헐적인 현열 수송방식에 비해 3배 이상의 열 수송량을 증가시킬 뿐만 아니라 열펌프(6)에 소요되는 에너지는 소용량 압축기를 가동시키는 소량의 전기이나 발생시키는 에너지는 투입에너지의 2~3배 수준으로 폐열이 발생되지 않더라도 심야전력의 효과적인 활용과 폐기되는 미활용에너지를 회수 이용이 가능도록 하여 경제적인 에너지 이용은 물론 온실가스 저감을 위한 자연에너지를 활용함으로써, 각종 건물, 시설에 에너지 저감 방안으로 냉난방비를 줄이는 보온효과와 고온 및 저온 유지가 가능한 반대의 온도 특성을 고려, 태양열 열펌프- 잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방 및 온수장치로 적용할 수 있도록 한다.
그리고 효율적인 냉난방을 위해서는 열공급과 동시에 저장시킴으로써, 계절에 구애받지 않고, 냉난방을 겸할 수 있는 것으로 이루어진다.
상기에서는 본 발명에 따른 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방 및 온수장치의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 범위에 속한다.
상기와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 태양열집열기기의 열량을 저장하여 에너지 절감효과가 있다.
또한 심야전력을 이용하여 전기에너지를 잠열재에 축열시켜 축열밀도를 증가시켜 기후(날씨)에 전혀 영향을 받지 않고 동.하절기 심야전기 사용증대를 통한 발전소의 운전효율을 향상시킴으로서 전력생산시 편중된 전력부하를 평준화시키고, 추가 발전소 설립을 줄이는데 일조할 수 있을 뿐만 아니라 고유가 상승에 대비할 수 있도록 함으로써, 에너지 절약의 다변화를 꾀할 수 있다.
그리고 열펌프의 성능계수가 2.5kw~ 3.5이므로 1kw의 전기를 사용하여2.5~4.5kw에 해당하는 열에너지를 얻을 수 있어 가격경쟁력제고는 물론 화석에너지의 이용을 줄이는데 기여할 수 있다.
기존 열펌프의 열원으로는 대용량의 폐열, 폐수로만 가능했던 것에 비해 산업용에서 가정용에 이르기까지 스틸하우스, 사무실공장, 음식점, 온실 등의 냉난방시설로 광범위하게 활용할 수 있다. 또한 태양열을 연계하여 복합적으로 이루어지기 때문에 열저장 기능은 물론 저장탱크의 크기를 1/3 ~ 1/5로 줄일 수 있고, 에너지 절약과 공해방지에 크게 기여할 수 있다.

Claims (3)

  1. 본 발명은 냉난방 및 온수를 사용하고자 대체에너지 활용 일환으로 나열배치하는 태양열집열기와,
    상기 태양열집열기에 의해 얻어지는 대체에너지 열원으로 주간에 얻은 온수를 저장 이용 및/또는 심야전력을 이용하여 전기에너지를 잠열재에 축적하였다가 열을 방출하면서 축열효과를 오랫동안 유지할 수 있도록 구성된 잠열축열조와,
    필요시 축열된 열량의 일부를 수송하여 수온감지센서에 의해 저열에너지로 저장함으로써, 열펌프의 열원으로 제공되는 열콘트롤탱크와,
    상기 열콘트롤탱크내에 저장된 저열에너지를 열펌프의 열공급원으로 하고, 증발응축기를 통하여 열을 밖으로 방출하고, 외부로부터 열을 흡수하여 열교환이 이루어지게 함으로써,
    유용한 온도수준의 열에너지를 얻는 열펌프(Heat Pump)와, 상기 이를 냉난방 및 온수를 사용할 수 있도록 하는 저온수조와 급탕조로 이루어진 것을 특징으로 하는 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 태양열집열기는 일체형홈집열판으로 구성하며,
    상기 심야전력 이용으로 잠열축열조에 저장된 열량과 상기 잠열축열조 열량을 열콘트롤탱크내 열펌프의 열원으로 수온감지센서에 의해 열교반이 이루어지게하여 상기 열콘트롤탱크로 저열원을 상기 열펌프에 공급하여 증발응축의 열교환원리적용으로 냉,난방이 가능하도록 구성함으로써,
    상기 열펌프의 열교환에 적합한 열원을 공급받아 증발응축에 의한 냉난방효과를 극대화하고, 현열과 잠열을 동시에 사용하는 것으로 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 냉난방 및 온수 공급을 위한 열원으로 태양열을 연계한 복합시스템이 가능하며,
    대용량의 폐열 및 폐수만을 회수에너지로 활용했던 것에 비해 지속적인 축열과 공급이 이루어지도록 하여 폐열 뿐만 아니라 자연에너지를 병행 활용할 수 있도록 하였으며,
    상업용건물에서 가정용에 이르기까지 광범위하게 연중 사용이 가능한 향상된 에너지 공급순환이 이루어지도록 구성된 것을 특징으로 하는 태양열 열펌프-잠열축열시스템을 연계한 복합 냉난방온수 장치.
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