KR100773747B1 - 열병합발전 겸용 지열회수 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열병합발전을 통해 전기를 생산하고, 이러한 전기 중 일부를 지열회수 시스템의 히트펌프를 구동하는 전원으로 사용토록 함으로써 한전으로부터 수급받는 전력의 사용량을 최소화하면서 열병합발전과 지열회수를 통해 냉난방을 수행토록 한 열병합발전 겸용 지열회수 시스템에 관한 것이다.

이러한 본 발명은 가스를 공급받아 전기를 생산하는 열병합발전기와; 열병합발전기로부터 생산된 전력의 일부가 공급되어 냉매를 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기로 된 냉동사이클을 통해 순환시키는 히트펌프와; 히트펌프의 증발기와 접촉되도록 연결된 냉각수관과 지하로부터 지중열을 포함한 물을 순환시키는 지중열이송관을 서로 열교환시키는 지중열회수열교환기로 구성된 것으로, 이와 같이 하면 지중열을 회수하여 냉난방 및 급탕 기능을 수행함과 동시에 열병합발전기를 통해 전력을 생산하여 일반 가정용, 사무용, 동력용으로 활용할 수 있으며, 열병합발전기를 통해 생산된 전력 중 일부를 지중열 회수를 위한 히트펌프에 인가하여 최소한의 전력사용요금으로도 상기와 같은 열병합발전 시스템과 지중열 회수 시스템의 장점을 접목할 수 있는 것이고, 열병합발전기의 폐가스로부터도 열을 회수하여 냉난방 또는 급탕용으로 활용할 수 있는 것이다.

Description

열병합발전 겸용 지열회수 시스템{Terrestrial heat collecting system combined with cogeneration}

도 1은 본 발명에 따른 열병합발전 겸용 지열회수 시스템의 개략 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 열병합발전 겸용 지열회수 시스템의 지중열교환기 상세도.

*** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ***

10 : 열병합발전기 20 : 히트펌프 21 : 압축기

22 : 응축기 23 : 팽창밸브 24 : 증발기

25 : 냉각수관 31 : 지중열이송관 30 : 지중열회수열교환기

40 : 배기가스열교환기

50 : 배열 투입형 흡수식 냉온수기 또는 흡수식 냉동기

60 : 난방용 열교환기 70 : 급탕용 열교환기 71 : 저탕조

80 : 온수보일러 90 : 재킷냉각열교환기 100 : 방열용 열교환기

110 : 냉각탑 120 : 지중열교환기 121 : 식립관

122 : 지중열회수공간

본 발명은 열병합발전겸용 지열회수 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 열병합발전을 통해 전기를 생산하고, 이러한 전기 중 일부를 지열회수 시스템의 히트펌프를 구동하는 전원으로 사용토록 함으로써 한전으로부터 수급받는 전력의 사용량을 최소화하면서 열병합발전과 지열회수를 통해 냉난방을 수행토록 한 것이다.

주지하다시피, 아파트와 같은 공동주택에는 큰 크기의 중온수보일러를 통해 물을 가열하여 이를 각 세대별로 공급해주는 중앙난방 시스템이 주로 적용되며, 각 세대별로 각각 개별보일러가 설치되어 이를 통해 각 세대별로 개별적인 난방을 하는 개별난방 시스템을 적용한 곳도 있다.

그런데, 최근 난방기 또는 냉방기의 보급이 많아지면서 동절기 또는 하절기에 전력사용량이 증가됨에 따라 전력요금 누진제로 인해 과도한 요금이 발생되고 있어 이를 감안하여 전기 및 열을 발생시킬 수 있는 열병합발전 시스템이 대두되고 있다.

열병합발전 시스템은 열병합 발전기를 통해 전기와 함께 열을 발생시켜 이를 세대별로 공급해주는 방식으로서, 이와 같은 열병합 발전을 통해 발생되는 전기의 경우 전체 수요량의 70∼80% 정도를 충당할 수 있고, 열량의 경우 전체 수요량의 30% 정도를 충당할 수 있어 전기의 경우 그 부족분을 일반전력으로 충당하며, 열량의 경우 중앙난방 시스템과 병용하여 충당하게 된다.

한편, 지하 15m 이하의 공간은 연중 온도변화가 거의 없으며, 지하 400∼450m 지점에서는 연중 15∼20℃ 정도의 온도를 유지하게 된다.

지열회수시스템은 이러한 지하 깊은 곳에 관을 연결하여 그 내부에 있는 수온이 높은 물을 순환한 후 열만 회수하고 온도가 내려간 물은 다시 지중으로 돌려보내는 과정을 반복하여 상기 회수된 지중열을 통해 냉난방 기능을 구현할 수 있는 시스템으로서, 지열회수를 위한 지중열이송관, 냉동사이클이 구동되는 히트펌프, 지중열이송관으로부터 열기를 빼앗아 히트펌프로 전달하는 열교환기 등의 기기만 갖춘다면 대체에너지가 필요한 현시점에 가장 적합한 에너지 회수방식이라 할 수 있다.

그런데, 상기와 같이 지열회수 시스템을 구동하기 위해 히트펌프를 구동할 때에는 불가분 전력이 필요하며, 이러한 전력을 한국전력으로부터 공급되는 일반전력으로 100% 충당할 경우 그 전력사용요금이 과다하게 소요됨은 물론 전력사용량의 증가에 따라 전력요금 누진제로 인해 과도한 요금이 발생될 가능성도 많은 것이었다.

본 발명은 이러한 점에 착안하여 안출한 것으로, 열병합발전시스템과 지중열회수시스템을 동시에 구동하되, 열병합발전시스템으로부터 발생된 전력을 지중열회수시스템의 히트펌프에 인가해주도록 구성함으로써 적정한 량의 가스연료와 전력을 사용하면서도 최대한의 냉난방 기능을 수행토록 한 열병합발전 겸용 지열회수 시스템을 제공하고자 하는 것이다.

이하, 본 발명을 제시되는 실시예와 첨부된 도면에 따라 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 열병합발전 겸용 지열회수 시스템의 개략 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열병합발전 겸용 지열회수 시스템의 지중열교환기 상세도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 열병합발전 겸용 지열회수 시스템은 가스를 공급받아 전기를 생산하는 열병합발전기(10)와, 열병합발전기(10)로부터 생산된 전력의 일부가 공급되어 냉매를 압축기(21), 응축기(22), 팽창밸브(23), 증발기(24)로 된 냉동사이클을 통해 순환시키는 히트펌프(20)와, 히트펌프(20)의 증발기(24)와 접촉되도록 연결된 냉각수관(25)과 지하로부터 지중열을 포함한 물을 순환시키는 지중열이송관(31)을 서로 열교환시키는 지중열회수열교환기(30)로 구성된다.

또한, 열병합발전기(10)로부터 발생되는 배기가스로부터 열에너지를 회수하여 냉난방에 사용할 수 있도록 배기가스열교환기(40)가 더 구비되며, 이러한 배기가스열교환기(40)에는 배열투입형 흡수식 냉온수기 또는 흡수식 냉동기(50)로부터 냉매관이 연결되어 폐열을 통해 냉난방을 수행할 수 있고, 난방용 열교환기(60)로부터 냉각수관이 연결되어 폐열을 통해 난방을 수행할 수 있으며, 급탕용 열교환기(70)로부터 급탕관이 연결되어 폐열을 통해 급탕수를 가열해줄 수 있다.

또한, 급탕을 위해서는 저탕조(71)가 구비되어야 하며, 저탕조(71)와 급탕용 열교환기(70) 사이에는 저탕조(71)의 물을 순환시키는 급탕수 순환관이 연결되어야 하며, 별도의 온수보일러(80)를 구동하여 저탕조(71)를 가열해줄 수도 있다.

또한, 열병합발전기(10)를 냉각시켜주는 재킷냉각열교환기(90)가 열병합발전 기(10)와 냉각수관을 통해 연결되고, 재킷냉각열교환기(90)의 다른 쪽에는 재킷냉각수를 냉각시켜주기 위한 냉각수관이 배기가스열교환기(40) 또는 방열용 열교환기(100)와 연결되며, 방열용 열교환기(100)는 냉각탑(110)과 연결되어 재킷냉각수를 순환시키게 된다.

아울러, 지열을 회수할 수 있도록 지중열이송관(31)을 통해 지하로부터 지중열을 포함한 물을 순환시키는 지중열교환기(120)가 더 구비되는데, 지중열교환기(120)는 지하 30∼50m까지 직립되게 세워지는 식립관(121)과, 식립관(121)의 단부로부터 지하 400∼450m까지 뚫리는 지중열회수공간(122)과, 일단부는 식립관(121)을 통해 지중열회수공간(122)의 아래쪽까지 삽입되고 타단부는 지중열회수열교환기(30)를 거쳐 식립관(121)의 상부에 위치된 지중열이송관(31)으로 구성할 수 있으며, 이외에도 지중열을 회수하여 이송할 수 있는 구성이면 어떠한 것도 가능하다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 열병합발전 겸용 지열회수 시스템은 다음과 같은 작용을 한다.

일반적으로 지하 15m 이하의 공간은 연중 온도변화가 거의 없으며, 지하 400∼450m 지점의 온도는 연장 15∼20℃를 유지하게 된다.

또한, 지표면으로부터 지하 30∼50m까지는 표사층을 이루고, 이후부터는 암반층을 이루게 되며, 지하수가 표사층의 중간부에서 그 수위를 항상 유지하고 있다.

본 발명은 상기와 같이 지하 400∼450m에 위치하고 있는 물로부터 지중열을 회수하여 이를 통해 냉난방을 수행함과 동시에 열병합발전기(10)를 통해 발생된 전기의 일부를 지중열 회수를 위한 히트펌프(20)에 인가할 수 있도록 한 것이다.

열병합발전기(10)에 가스를 공급하여 열병합발전기(10)를 구동하게 되면 이로부터 전기가 발생되며, 이러한 전기는 일반적인 가정용, 사무용, 동력용으로 사용할 수 있다.

또한, 열병합발전기(10)를 통해 발생된 전력 중 일부를 히트펌프(20)에 인가하여 이를 구동할 수 있으며, 히트펌프(20)가 구동되면 압축기(21), 응축기(22), 팽창밸브(23), 증발기(24)로 이루어진 냉동사이클이 순환된다.

또한, 히트펌프(20)를 가동함과 동시에 지중열교환기(120)를 구동하게 되면 지중열이송관(31)을 통해 지하 400∼450m에 있는 15∼20℃의 물이 상승하여 지중열회수열교환기(30)측으로 이송되며, 지중열회수열교환기(30)에서는 냉각수가 유동하는 냉각수관(25)과 지중열을 포함한 물이 유동하는 지중열이송관(31)이 열교환하도록 구성되어 있어 지중열이송관(31) 내부로 유동하는 지중열을 포함한 물은 냉각수관(25)의 냉각수와 열교환하는 과정에서 온도를 빼앗겨 다시 식립관(121)의 상부로 배출되고, 냉각수관(25) 내부를 유동하는 냉각수는 지중열을 포함한 물로부터 열을 빼앗아 온도가 상승된 상태로 히트펌프(20)의 증발기측으로 유동된다.

식립관(121) 상부로 다시 차가워진 상태의 물이 유입되더라도 식립관(121)의 수위는 항상 일정하게 유지되며, 이러한 차가워진 상태의 물은 다른 따뜻한 물과 희석되어 다시 온도가 따뜻해지고, 또 펌핑이 지하 400∼450m에서 이루어지게 되므로 지중열이송관(31)을 통해 이송되는 물은 항상 온도가 일정하게 된다.

히트펌프(20)의 증발기(24)를 통과하는 냉매는 냉각수관(25)을 통해 유동하는 따뜻한 냉각수와 열교환하여 증발될 수 있고, 냉각수관(25)의 냉각수는 다시 차가워진 상태로 지중열회수열교환기(30)측으로 유동하게 되며, 이러한 과정을 반복하게 되고, 히트펌프(20)의 증발기(24)에서 온도를 빼앗아 증발된 냉매는 이후 압축기(21)를 거쳐 고온고압의 상태로 압축되어 응축기(22)로 들어가게 되며, 응축기(22)에서는 그 냉매관 내부의 고온고압 상태의 냉매가 상대적으로 온도가 낮은 공기 또는 물과 열교환하는 과정에서 온도를 빼앗긴 상태로 응축되어 계속 순환되고, 냉매로부터 온도를 빼앗은 공기 또는 물은 직접 또는 다른 단계를 거쳐 난방 또는 급탕에 사용될 수 있는 것이다.

또한, 히트펌프(20)의 운전모드를 변경하면 히트펌프(20)에 구비된 3방변(미도시)이 절환되어 응축기(22)는 증발기의 역할을 하고, 증발기(24)는 응축기의 역할을 하게 되며, 이와 같이 하면 응축기(22)를 통과하는 냉매는 온도가 내려간 상태에 있게 되므로 상대적으로 온도가 높은 공기와 열교환하여 증발될 수 있고, 냉매와 열교환하여 온도가 내려간 공기를 외부로 송풍하여 냉방을 수행할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에 따르면 지중열 회수를 위해 상기와 같이 히트펌프(20)를 구동하는 전력을 열병합발전기(10)를 통해 생산된 전력으로 충당하게 되므로 열병합발전기(10)의 미가동시 임시로 일반전력을 사용하여 히트펌프(20)를 구동한다하더라도 누진세에 적용대상에 해당되지 않을 만큼의 최소한의 전력만을 사용할 수 있으므로 그 전력사용요금을 최소화할 수 있으며, 지열회수를 통해 냉난방을 수행 할 수 있어 그에 따른 장점을 얻을 수 있는 것이다.

한편, 열병합발전기(10)는 가스를 통해 구동되므로 불가분 온도가 높은 배기가스가 발생되며, 이러한 배기가스를 그냥 내보낼 수도 있지만 이로부터 열기를 회수하여 냉난방을 수행할 수도 있는 것으로, 열병합발전기(10)의 배기관상에 구비되어 있는 배기가스열교환기(40)에 배열투입형 흡수식 냉온수기 또는 흡수식 냉동기(50)로부터 냉매관을 연결하게 되면 배기가스로부터 열기를 빼앗아 냉난방을 수행할 수 있게 되고, 배기가스열교환기(40)에 난방용 열교환기(60)로부터 냉각수관을 연결하게 되면 배기가스의 폐열을 통해 난방을 수행할 수 있으며, 또 배기가스열교환기(40)에 급탕용 열교환기(70)로부터 급탕관을 연결하게 되면 폐열을 통해 저탕조(71)에 저수된 급탕수를 가열해주어 급탕용으로 활용할 수도 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 지중열을 회수하여 냉난방 및 급탕 기능을 수행함과 동시에 열병합발전기를 통해 전력을 생산하여 일반 가정용, 사무용, 동력용으로 활용할 수 있으며, 열병합발전기를 통해 생산된 전력 중 일부를 지중열 회수를 위한 히트펌프에 인가하여 최소한의 전력사용요금으로도 상기와 같은 열병합발전 시스템과 지중열 회수 시스템의 장점을 접목할 수 있는 것이고, 열병합발전기의 폐가스로부터도 열을 회수하여 냉난방 또는 급탕용으로 활용할 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 가스를 공급받아 전기를 생산하는 열병합발전기(10);

   상기 열병합발전기(10)로부터 생산된 전력의 일부가 공급되어 냉매를 하기의 냉각수관(25)에 연결된 증발기(24)가 냉각수관(25)으로부터 열을 흡수하여 액체 냉매가 기체 냉매로 변화되어 증발기(24)와 연결된 압축기(21)로 보내지며, 압축기(21)에서 기체 냉매를 압축하여 압축기(21)와 연결된 응축기(22)로 보내지고, 응축기(22)에서는 기체 냉매를 액체 냉매로 변화되면서 발생된 열은 급탕열원으로 보내고 변화된 액체 냉매는 응축기(22)와 연결된 팽창밸브(23)를 통과하여 팽창밸브(23)와 연결된 증발기(24)로 다시 보내지게 되는 냉동사이클을 통해 순환시키는 히트펌프(20); 및

   상기 히트펌프(20)의 증발기(24)와 접촉되도록 연결된 냉각수관(25)과 지하로부터 지중열을 포함한 물을 순환시키는 지중열이송관(31)을 서로 열교환시키는 지중열회수열교환기(30)를 포함한 것을 특징으로 하는 열병합발전 겸용 지열회수 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 지중열이송관(31)는, 이를 통해 지하에 위치된 물을 순환시킬 수 있도록 지하에 위치되어 있는 지중열교환기(120)와 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 열병합발전 겸용 지열회수 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 열병합발전기(10)로부터 발생되는 배기가스로부터 열에너지를 회수하여 냉난방에 사용할 수 있도록 배기가스열교환기(40)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 열병합발전 겸용 지열회수 시스템.

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