KR100653238B1 - 히트펌프를 이용한 육상 수조식 양어장용 열회수 가온 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 육상의 수조식 양어장의 해수 가열장치에 관한 것으로, 특히 히트펌프를 이용하여 수조에서배출되는 약 섭씨 15-17도의 저온 폐열을 회수하여 히트펌프의 열원으로 이용하는 양어장의 열교환시스템에 관한 것으로, 그 주요 구성은, 해수가 저장되어 가열되는 원수저장조(14)와, 상기한 원수저장조(14)에서 원수를 공급 받는 수조(22)와, 수조(22)에서 폐기된 해수를 모아 저장하는 폐수저장탱크(24)와, 폐수저장탱크(24) 내의 폐해수의 열을 회수하는 히트펌프장치, 히트펌프장치로 부터 회수된 열량을 순환수에 의해 공급받으며, 상기한 원수저장소(14)로 가열된 순환수를 공급하는 보일러(16)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기한 히트펌프장치는, 폐수저장탱크(24) 내의 폐해수의 열을 회수하는 증발기(37)와, 케이싱(57) 내에 설치하는 압축기(3) 및 응축기(4)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기한 원수저장소(14) 내에는 엑셀파이프(18)가 설치되며, 엑셀파이프(18) 내의 순환수는 보일러(16)로 부터 열을 공급 받아 순환하는 구성인 것을 특징으로 하며, 상기한 원수저장소(14)에는 원수저장수조(12)가 연결되어 해수가 공급되며, 상기한 폐수저장탱크(24)에는 수조(22)로 부터 공급받는 폐해수의 열원이 부족시, 해수 원수를 보충할 수 있는 해수보충파이프(25)가 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기한 폐수저장탱크(24) 내의 폐해수가 증발기(37)로 공급되는 파이프 라인 사이에는 밸브(32)가 설치되며, 증발기(37)를 거쳐 폐수저장탱크(24)로 되돌아 오는 파이프 라인에도 밸브(33,35)를 설치하며, 상기한 폐해수가 밸브(32)로 유입되기 전의 파이 프라인 위치와, 상기한 밸브(33,35) 사이의 위치 사이에 별도의 파이프라인을 설치하여 그 파이프라인에 밸브(31)를 설치하며, 상기한 밸브(32)와 증발기(37)로 유입되기 전 사이의 파이프라인에는, 밸브(34)와 함께 별도의 파이프 라인을 설치하여, 평상시에는 밸브(32,33,35)를 개방하고, 밸브(31,34)는 폐쇄시켜 운전하며, 역수 운전시에는 밸브(31,33,34)를 개방하고, 밸브(32,35)를 폐쇄시켜 운전시켜, 장시간 시스템 운전시 증발기에 생성되는 파울링을 효율적으로 제거토록 한 것을 특징으로 한다

양어장, 히트펌프, 폐열회수

Description

히트펌프를 이용한 육상 수조식 양어장용 열회수 가온 장치{Heat-recoverable heating apparatus of fish farm water tank on ground using heat pump}

도 1 은 히트펌프 사이클에 대한 개념을 설명하기 위한 도면

도 2 는 본 발명에 따른 장치의 전체 구성에 대한 구성도

도 3 은 본 발명의 장치에 대한 이해를 돕기 위한 설명도

본 발명은 육상의 수조식 양어장의 해수 가열장치에 관한 것으로, 특히 히트펌프를 이용하여 수조에서 배출되는 폐수열을 회수하여 재활용 가능한 히트펌프 장치를 이용한 양어장의 열교환시스템에 관한 것이다

우리나라 양식업은 국내 수산물 총생산량의 33.3%를 점유하는 중요한 식량산업으로 성장하였으나, 최근에는 저가 수입 활어의 증가 및 유료비 상승 등으로 인하여 내외적인 요인에 의해 국내 양식업은 매년 경쟁력이 약화되고 있는 실정이다.

양식장의 현장 애로사항으로서는 보일러 사용에 의한 양식생산비 증가 및 유류 대체에너지 문제, 저수온에 의한 양식어의 저성장 및 폐사, 고수온의 미생물 번 식에 의한 양식어의 폐사, 적조 미생물에 의한 양식어의 폐사, 하절기 냉수대에 의한 양식어의 폐사 등을 들 수가 있다. 이들 사항의 대부분은 양식장의 수온과 밀접한 관계를 가지고 있어서, 양식장의 온조 조절시스템이 매우 중요하다고 할 수 있다.

특히, 양식장의 수온은 변온동물인 어류의 성장과 생존에 큰 영향을 줄 뿐 아니라 산소의 용존 등 수질변화를 초래하는 중요한 요인이다. 양식은 최적의 조건하에서 최대의 생산을 높이는 경제행위 이므로 양식을 위한 적정 사육 수온과 최적 사육 수온을 유지하는 것은 매우 중요하다. 우리나라의 여름철에는 섭씨 28도 내외의 고수온이 지속되면서 현재 주로 양식 되고 있는 넙치, 조피볼락, 농어 등의 성장과 생존에 상당한 제한 요인으로 작용되고 있을 뿐 아니라 이러한 현상은 지구의 온난화 현상으로 더욱 심화될 것으로 예상된다. 또한, 겨울철 수온은 온대성 어류의 양식 저해 요인으로 작용할 뿐 아니라 월동 제한 요인으로 작용하여 양식어종의 다양화에 어려움을 주고 있다. 남해안 일부 해역에서 월동이 가능한 어종도 다수 있으나 대다수의 어종은 섭씨 10도 이상의 월동 수온을 요하기 때문에 연중 양식이 어려운 실정이다.

현재 육상 수조식 양식장의 온도조절은 동계에는 직화식 보일러를 사용하여 수온을 상승시키며, 하계에는 액체질소, 얼음 및 지하수 등을 사용하고 있는 실정이다.

예를들어, 기존의 넙치를 양식하는 육상수조식 양어장에서는 겨울철 수온 섭씨 7도의 해수를 섭씨 21도 정도로 상승시켜, 양어 수조에 공급시키고 있다. 이와 같은 기름 직화식 양어 시스템에서는 자연상태의 환경조건을 인공적으로 형성하기 위해서 많은 양의 해수 소비가 필수적이다. 따라서 양어장 전체 운영비의 약 30-40%를 차지하는 기름 직화식 보일러의 연료비는 최근의 높은 인건비와 함께 양식어 원가상승의 주원인이 되고 있다.

구체적인 예를들면, 기존의 양어 시스템에서 1일 100톤의 물을 사용할 경우, 1개월에 1,500만원 정도의 연료비(총생산비의 약 40%)가 소요되고 있으나, 가열된 그 해수는 수조내의 수질오염 문제로 그대로 해양으로 버려지고 있는 실정이다. 따라서 기존의 양어장 시스템에서 일정온도로 가열된 해수를 그대로 배출시키지 않고, 소정의 장치를 통하여 저온도차(섭씨 10-15도 정도) 폐열를 고효율로 회수할 수 있는 에너지 절약적인 육상 수조식 양어장의 가온 히트펌프 시스템의 개발이 절실히 요구된다.

이를 해결하기 위해 만약 히트펌프 시스템만으로 가동을 할 경우에는 갑작스런 장치 트러블이 생길 경우, 어류 폐사가 발생될 수도 있으므로 이를 방지하기 위해 여분의 히트펌프 시스템이 요구된다는 단점을 가지고 있으므로, 기존에 설치된 보일러를 최소 사용하는 것을 전제로 하여 연료비를 대폭적으로 저감할 수 있는 시스템 개발이 필요하다.

따라서, 본 발명은 상기한 점을 감안하여 발명한 것으로, 본 발명에 따른 육상 수조식 양어장 해수 가온 시스템은, 기존의 보일러와 해수열원 히트펌프 시스템과의 병합시스템이라 할 수 있다.

상기한 문제점을 해결토록 한 본 발명의 주요 구성은, 해수가 저장되어 가열되는 원수저장조(14)와, 상기한 원수저장조(14)에서 원수를 공급 받는 수조(22)와, 수조(22)에서 폐기된 해수를 모아 저장하는 폐수저장탱크(24)와, 폐수저장탱크(24) 내의 폐해수의 열을 회수하는 히트펌프장치(17), 히트펌프장치(17)로 부터 회수된 열량을 순환수에 의해 공급받으며, 상기한 원수저장소(14)로 가열된 순환수를 공급하는 보일러(16)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기한 히트펌프장치는, 폐수저장탱크(24) 내의 폐해수의 열을 회수하는 증발기(37)와, 케이싱(57) 내에 설치되는 압축기(3) 및 응축기(4)를 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기한 원수저장소(14) 내에는 엑셀파이프(18)가 설치되며, 엑셀파이프(18) 내의 순환수는 보일러(16)로 부터 열을 공급 받아 순환하는 구성인 것을 특징으로 하며, 상기한 원수저장소(14)에는 원수저장수조(12)가 연결되어 해수가 공급되며, 상기한 폐수저장탱크(24)에는 수조(22)로 부터 공급받는 폐해수의 열원이 부족시, 해수 원수를 보충할 수 있는 해수보충파이프(25)가 설치되는 것을 특징으로 하며, 상기한 폐수저장탱크(24) 내의 폐해수가 증발기(37)로 공급되는 파이프 라인 사이에는 밸브(32)가 설치되며, 증발기(37)를 거쳐 폐수저장탱크(24)로 되돌아 오는 파이프 라인에도 밸브(33,35)를 설치하며, 상기한 폐해수가 밸브(32)로 유입되기 전의 파이프라인 위치와, 상기한 밸브(33,35) 사이의 위치 사이에 별도의 파이프라인을 설치하여 그 파이프라인에 밸브(31)를 설치하며, 상기한 밸브(32)와 증발기(37)로 유입되기 전 사이의 파이프라인에는, 밸브(34)와 함께 별도의 파이프 라인을 설치하여, 평상시 에는 밸브(32,33,35)를 개방하고, 밸브(31,34)는 폐쇄시켜 운전하며, 역수 운전시에는 밸브(31,33,34)를 개방하고, 밸브(32,35)를 폐쇄시켜 운전시켜, 장시간 시스템 운전시 증발기에 생성되는 파울링을 효율적으로 제거토록 한 것을 특징으로 한다

상기한 특징 외의 다른 특징 및 구성에 대하여 이하, 첨부 도면에 의거 추가로 순차 상술한다

본 발명에서는 히트펌프를 이용하는데, 히트 펌프에 대한 개념을 참고로 설명을 하면 아래와 같다

2003년 에너지소비현황 및 전망에 대한 보고에 의하면, 우리나라는 에너지소비 세계 10위, 석유소비세계 7위, 에너지소비증가율 OECD 국가 중 1위의 위치를 차지하고 있으며, 분야별 소비형태는 산업이 55.4%, 가정 및 상업이 21.3%, 수송 21.1% 및 공공 2.2% 를 차지하고 있다. 따라서, 향후 2007년까지 산업 9,865 천TOE, 수송 1,271천TOE, 가정,상업 등 6,497천TOE 감소를 목표로 하고 있다. 이와같은 배경하에서 최근에는 산업 및 상업시설 등에서 버려지는 상대적으로 저온의 다양한 열원을 이용한 히트펌프 시스템 개발이 지속적으로 이루어지고 있다.

히트펌프는, 도 1 에서 보듯이, 증발기에서 외부로 부터의 열을 흡수하면서 증발하고, 저온,저압의 가스상태가 되어 압축기로 흡입된다. 압축기에서는 냉매가 압축되면서 고온고압의 상태가 되어 응축기로 전달되며, 응축기에서는 열을 방출하면서 냉매는 액화된다. 고압 액화된 냉매는 팽창밸브에서 감압되고 저온저압 액화상태의 냉매는 증발기로 들어가는 시스템이다

따라서, 한대의 기기로서 증발기와 응축기 측의 온열 및 냉열 이용방향을 바꾸면 냉방과 난방(급탕)이 동시에 가능하다. 특히, 히트펌프는, 전력을 사용하여 온열을 발생시킨다는 의미에서는 전기히터와 동일하나, 히트펌프가 외부의 열을 회수하기 때문에 이 회수된 열만큼은 전력소비가 줄어든다.

따라서, 전기히터는 COP가 1이며, 히트펌프는 증발기에서 회수되는 온도에 따라 변하지만 대략 COP가 3∼5정도 이므로 전기히터보다 3∼5배의 열을 발생시킬 수가 있으며, 최근에 심야요금제도가 적용되면서 다른 열원에 비해 경제성이 우수하게 나타나고 있다

히트펌프는 증발기에서 저온의 열을 회수하고 압축기 동력을 부가하여 필요한 고온의 열을 발생시키므로 히트펌프에 투입되는 압축기 동력을 최소화하고 재활용 할 수 있는 저온의 폐열을 최대한으로 회수할 수 있다면 히트펌프의 성능은 더욱 증가하게 된다.

도 2 는 본 발명에 대한 전체 시스템에 대한 구성도 예이다

도시한 바와 같이, 본 발명에서는 해수가 필터(11)를 거쳐 필터링 된 후, 원수저장수조(12)로 유입되어 저장된다. 예를들어 섭씨 약 10 도 내외 온도로 저장된 해수 원수는 밸브(13)의 개폐로 공급이 되는데, 이 원수저장수조(12)의 해수는 원수저장소(14)로 유입된다. 원수저장소(14) 내에는 엑셀파이프(18)가 설치된다

원수저장소(14) 내의 해수 가열은, 예를들어 직화식의 보일러(16)와 연결되는 엑셀파이프(18)를 통하여 열공급을 받는다. 보일러(16)에서 가열되는 담수의 가열 온도는 섭씨 약 60도 정도로 가열되어 엑셀파이프(18)에 의해 원수저장소(14)에 열을 공급하며 이 원수저장소(14) 내의 해수 원수 온도는 예를들어 섭씨 약 25도 정도 된다. 원수저장소(14)를 거쳐 나온 엑셀파이프(18) 내의 담수 온도는 섭씨 약 35도 정도로 되어 보일러(16)로 들어와 순환된다. 보일러(16)로 회수되는 회수파이프(19) 라인에는 펌프(20)와 밸브(21)가 설치된다

한편 상기한 원수저장소(14) 내의 가열된 해수는 수조(22)로 공급된다. 그리하여 수조(22) 내의 온도가 예를들어, 약 섭씨 18 도 정도가 유지되도록 한다

종래에는 어류 등의 해산물이 수용되어 있는 수조(22) 내의 물을 수시로 즉, 예를들어 약 2 시간 마다 갈아주어야 하므로, 일일 약 7 회 정도 바다로 방류하여 왔다. 본 발명에서는 이 수조(22)에서 버려지는 폐수의 열을 회수하여 재활용한다

이 수조(22) 내의 폐해수를 회수필터(23)를 거치게 한 후, 폐수저장탱크(24)로 유입되게 한다. 이 폐수저장탱크(24) 내에는 수집된 폐수가 부족한 경우 보충할 수 있도록 해수 원수가 유입될 수 있게 해수보충파이프(25)를 설치하여 원수 해수가 보충될 수 있도록 하였다. 이 폐수저장탱크(24) 내의 해수 온도는 섭씨 약 15-17도 정도 된다. 폐수저장탱크(24) 내의 해수는 펌프(26)에 의해 증발기(37)로 유입된다

평상시 운전은 다음과 같다

먼저, 밸브(32,33,35)를 개방하고 밸브(31,34)를 폐쇄한다. 그러면 폐수저장탱크(24) 내의 해수가 펌프(26)에 의해 밸브(32)를 거쳐 증발기(37)로 들어가 열을 빼앗긴 뒤 밸브(33)과 밸브(35)를 경유하여 최종 배수파이프(42)를 통하여 배출된다

본 시스템에서 증발기 열원으로서 해수의 폐열을 이용하므로, 증발기 내에 파울링이 생성되는데 이를 방지하기 위해 증발기로 유입되는 폐수 흐름을 역으로 하여야 하는데, 이 경우엔 밸브(32,35)를 폐쇄하고 밸브(31,33,34)를 개방한다. 그러면 펌프(26)을 통하여 나온 해수가 밸브(31)를 경유하여 밸브(33)를 거쳐 증발기(37) 내부의 파이프를 통과하여 밸브(34)를 거쳐 나와 최종 배수한다. 이와 같이, 파이프 내부를 역류(역흐름) 시키는 것에 의해 파이프 내에 끼어 있는 찌꺼기 등을 세척하여 낼 수 있다

상기와 같이 폐해수가 증발기(37)를 거치는 과정에 의해, 폐열을 흡수한 증발기(37)의 냉매는 압축기(3)와 응축기(4)를 거치는 히트펌프의 순환과정을 거친다

히트펌프를 구성하는 압축기(3)에 의해 냉매 압축을 행하여진 후, 응축기(4)에서 방열을 행한다. 이렇게 방열되는 열원은 보일러(16)의 순환수와 열교환하는데 사용된다. 이렇게 보일러 순환수를 미리 가열한 후, 보일러(16)로 유입된 순환수는 부족한 열을 보일러에서 다시 더 보충하여 원수저장소(14)로 보내어진다.

상술한 증발기(37)는 해수 부식에 견딜 수 있는 티타늄 쉘 및 튜브 열교환기로 구조적으로 구성하고, 압축기(3)와 응축기(4)는 케이싱(57)에 내장되게 구조적으로 만들 수 있다. 이와 같은 구조적인 구성은, 본 발명자에 의해 선등록된 특허등록 제 490,927 호에 이미 상세히 나오므로 이에 대한 상세한 구조적인 설명은 불필요하다

상술한 본 발명의 사이클을 이해가 쉽게 간략하게 도시하면 도 3 과 같다

본 발명의 개요를 첨부된 도 3 을 참고로 다시 한번 정리하면, 수조(22)에 서 방류되는 폐해수를, 폐수저장탱크(24)로 유입시킨 후, 증발기(37)에서 열을 회수한 후, 압축기(3)에서 일량을 더하여 응축기(4)에서 열을 방출시킨다. 응축기(4)에서는 보일러(16)의 순환수와 응축기(4) 내의 담수와의 열교환을 수행하여 일정 온도로 가온된 후, 부족분에 대한 열을 보일러(16)를 통하여 공급하게 된다. 이렇게 열교환에 의해 공급된 열은, 원수저장소(14)) 내의 엑셀파이프(8)를 통하여 해수와 보일러수와의 열교환을 통하여 일정 온도로 가온되어 양어장의 육상 수조(22)에 공급하는 시스템이다.

아래는 본 발명에 따른 시스템과 종래의 단순 보일러시스템을 사용하여 해수를 각각 가열하여 수조에 투입하여 사용한 것에 대한 비교 결과이다

구 분	종래의 보일러 시스템	본 발명에 따른 폐열회수시스템
열교환	폐열 이용하지 않음	폐열 회수
폐열 회수	없음	해수 보다 3-4 도 정도 높은 온도의 폐열 회수 가능
보일러 용량	100만 kcal/h	100만 kcal/h
연료비	1,500만원/월	1,000∼1,100만원/월
가동기간	7개월 (9월-5월)	7개월 (9월-5월)
에너지절약		보일러만의 시스템에 비해 저온폐열을 회수하면 약 30∼40%/월 의 생산비 절감 가능

상술한 표에서 보듯이, 종래의 단순 보일러 가열 방식과 달리 본 발명에 의하면, 섭씨 약 3- 4 도의 정도로 더 높은 온도를 열회수할 수 있어서 그에 따라 월 30-40%의 생산비 절감 효과를 낼 수 있었다

상기한 본 발명의 구성에 의하면, 종래 육상 수조식 양어장에 설치된 대형 보일러는 유류비 손실이 크나 본 발명의 시스템에 의하면 유류비를 크게 절감을 기할 수 있다

또한 본 발명에 의하면, 수온 조절의 폭이 넓어지므로 다양한 어류 예를들어, 복어, 강도다리, 동갈돗돔 등의 양식이 가능하다.

Claims (5)

1. 삭제
2. 삭제
3. 해수가 저장되어 가열되는 원수저장조(14)와,

   상기한 원수저장조(14)에서 원수를 공급 받는 수조(22)와,

   수조(22)에서 폐기된 해수를 모아 저장하는 폐수저장탱크(24)와,

   폐수저장탱크(24) 내의 폐해수의 열을 회수하는 히트펌프장치와,

   히트펌프장치로 부터 회수된 열량을 순환수에 의해 공급받으며, 상기한 원수저장소(14)로 가열된 순환수를 공급하는 보일러(16)를 포함하며,

   상기한 히트펌프장치는, 폐수저장탱크(24) 내의 폐해수를 공급받아, 냉매에 의해 폐해수의 열을 회수하는 증발기(37)와, 증발기(37)로 부터 공급받은 냉매를 압축하는 압축기(3)와, 압축기(3)에서 보내진 냉매의 열을 방출시키는 응축기(4)를 포함하며,

   상기한 원수저장소(14) 내에는 엑셀파이프(18)가 설치되며, 엑셀파이프(18) 내의 순환수는 보일러(16)로 부터 열을 공급 받아 순환하는 구성인 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 육상 수조식 양어장용 열회수 가온 장치
4. 제 3 항에 있어서,

   상기한 원수저장소(14)에는 원수저장수조(12)가 연결되어 해수가 공급되며,

   상기한 폐수저장탱크(24)에는 수조(22)로 부터 공급받는 폐해수가 부족시, 해수 원수를 보충할 수 있는 해수보충파이프(25)가 설치되는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 육상 수조식 양어장용 열회수 가온 장치
5. 제 3 항에 있어서,

   상기한 폐수저장탱크(24) 내의 폐해수가 증발기(37)로 공급되는 파이프 라인 사이에는 밸브(32)가 설치되며,

   증발기(37)를 거쳐 폐수저장탱크(24)로 되돌아 오는 파이프 라인에도 밸브(33,35)를 설치하며,

   상기한 폐해수가 밸브(32)로 유입되기 전의 파이프라인 위치와, 상기한 밸브(33,35) 사이의 위치 사이에 별도의 파이프라인을 설치하여 그 파이프라인에 밸브(31)를 설치하며,

   상기한 밸브(32)와 증발기(37)로 유입되기 전 사이의 파이프라인에는, 밸브(34)와 함께 별도의 파이프 라인을 설치하여,

   평상시에는 밸브(32,33,35)를 개방하고, 밸브(31,34)는 폐쇄시켜 운전하며, 역수 운전시에는 밸브(31,33,34)를 개방하고, 밸브(32,35)를 폐쇄시켜 운전시켜, 장시간 시스템 운전시 증발기에 생성되는 파울링을 제거토록 한 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용한 육상 수조식 양어장용 열회수 가온 장치

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