KR100797414B1 - 지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성시스템 - Google Patents

지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열을 이용하는 지열 열교환기와 지열용 히트펌프와 지열용 물탱크로 이루어진 고온수/냉수 생성시스템으로 동절기시 고온수를 생성하여 난방 및 온수를 공급하고, 하절기시 냉수를 생성하여 냉방 및 냉수를 공급하고, 고온의 폐수 열을 이용하는 폐수열교환용 물탱크와 시수열교환기와 폐수열용 히트펌프와 폐수열교환용 물탱크로 이루어진 저온수 생성시스템으로 저온수를 생성하여 공급하도록 형성된 지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성 시스템에 관한 것이다.
이러한 발명은 지열를 이용하도록 형성된 지열 열교환기와, 상기 지열 열교환기로부터 공급되는 지열수의 지열을 콘덴서의 열원으로 사용하는 지열용 히트펌프와, 상기 지열수용 히트펌프의 콘덴서를 이용하여 고온수 또는 냉수를 생성하여 저장하는 지열용 물탱크와, 상기 지열용 물탱크에 저장된 물이 펌프에 의하여 공급관을 통해 콘덴서에 공급되고 상기 콘덴서에서 열교환한 물은 환수관을 통해 실내열교환기나 밸브에 공급되도록 이루어진 지열을 이용한 고온수/냉수 생성시스템과;
고온폐수가 공급되는 폐수공급관과, 상기 폐수공급관으로 공급되는 고온폐수를 배출하는 폐수배출관과, 상기 폐수배출관내로 폐수가 배출되도록 하는 펌프와, 상기 펌프에 의하여 배출되는 폐수를 조절하여 일정한 수위가 유지되도록 수위를 감지하는 수위감지센서가 설치된 폐수열교환용 물탱크와;
상기 폐수열교환용 물탱크의 내측에 시수공급관으로 시수를 공급받아 고온폐수와 상호 열교환을 하여 시수배출관으로 예열된 시수를 배출하도록 설치된 시수열교환기와;
상기 시수배출관으로부터 예열된 시수를 공급받아 저장하도록 형성된 폐수열용 물탱크와;
상기 폐수열교환용 물탱크의 고온폐수 열을 증발기 열원으로 하여 폐수열용 물탱크에 저장된 시수를 예열하도록 설치된 폐수열용 히트펌프로 이루어진 폐수열을 이용한 저온수 생성시스템으로 구성된다.
지열, 폐수, 히트펌프, 하이브리드

Description

지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성 시스템{Hybrid hot water creation system using the heat of the earth and waste heat}
도 1 은 본 발명의 실시예를 나타낸 지열과 폐열을 이용한 하이브리드 온수생성 시스템에 대한 개략도
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
10 : 지열 열교환기 20 : 지열용 히트펌프
30 : 지열용 물탱크 40 : 폐수열교환용 물탱크
50 : 시수열교환기 60 : 폐수열용 물탱크
70 : 폐수열용 히트펌프
100 : 고온수/냉수 생성시스템
200 : 저온수 생성시스템
본 발명은 지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열을 이용하는 지열 열교환기와 지열용 히트펌프와 지열용 물탱크로 이루어진 고온수/냉수 생성시스템으로 동절기시 고온수를 생성 하여 난방 및 온수를 공급하고, 하절기시 냉수를 생성하여 냉방 및 냉수를 공급하고, 고온의 폐수 열을 이용하는 폐수열교환용 물탱크와 시수열교환기와 폐수열용 히트펌프와 폐수열교환용 물탱크로 이루어진 저온수 생성시스템으로 저온수를 생성하여 공급하도록 형성된 지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 주로 고온의 폐수가 많이 발생되는 대중목욕탕이나 호텔 등에서 사용되는 시스템이다.
종래에는 지열을 이용한 냉난방시스템과 폐수를 이용한 온수생성시스템은 환경오염 및 에너지의 절약 목적으로 많이 개발되어 제시되었으며, 현재에도 다양한 기술들이 개발되고 있다.
종래에 제시된 기술 중에서 특허등록 제506764호로 제시된 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프시스템은 폐열을 히트펌프로 급탕을 공급하도록 형성된 폐열 회수부와 지열을 히트펌프로 냉난방을 하도록 형성된 지열 교환부를 구비하고 상기 폐열회수부와 지열 교환부를 연결하여 폐열과 지열의 열원이 상호교류하도록 하여 안정된 온도의 급탕을 제공하도록 하였다.
그러나 상기 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프시스템은 고온의 폐수로부터 열을 히트펌프로만 흡수함으로써 고온의 폐수의 열을 모두 흡수하지 못하여 단독으로 사용처에서 원하는 온도의 온수를 공급하지 못하는 단점이 있다.
상기의 문제점을 해결하고자 본 발명은 안출된 것으로, 본 발명은 지열을 이용하여 고온수/냉수를 생성하여 고온수/냉수를 공급하는 시스템과, 고온의 폐수 열을 이용하여 저온수를 생성하여 저온수를 공급하는 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
고온의 폐수를 저장하여 열교환을 하도록 형성된 폐수열교환용 물탱크에 고온폐수의 열로 시수를 직접 예열하는 시수열교환기와, 고온폐수의 열로 시수를 간접 예열하는 폐수열용 히트펌프를 설치하여 고온의 폐수로부터 열(폐열)을 최대한 흡수할 수 있도록 하는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 고온의 폐수 열에 의하여 생성된 저온수를 이용하여 지열용 물탱크 수위를 조절하여 지열용 물탱크 온도가 급강하는 것을 방지하여 안정적인 고온수 공급을 하는데 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하고자 본 발명은
지열를 이용하도록 형성된 지열 열교환기(10)와, 상기 지열 열교환기(10)로부터 공급되는 지열수의 지열을 콘덴서(21)의 열원으로 사용하는 지열용 히트펌프(20)와, 상기 지열수용 히트펌프(20)의 콘덴서(22)를 이용하여 고온수 또는 냉수를 생성하여 저장하는 지열용 물탱크(30)와, 상기 지열용 물탱크(30)에 저장된 물이 펌프(33)에 의하여 공급관(31)을 통해 콘덴서(22)에 공급되고 상기 콘덴서(22)에서 열교환한 물은 분지관(35)을 통해 실내열교환기(36)나 밸브(37)에 공급되도록 이루어진 지열을 이용한 고온수/냉수 생성시스템(100)과;
고온폐수가 공급되는 폐수공급관(41)과, 상기 폐수공급관(41)으로 공급되는 고온폐수를 배출하는 폐수배출관(42)과, 상기 폐수배출관(42) 내로 폐수가 배출되도록 하는 펌프(43)와, 상기 펌프(43)에 의하여 배출되는 폐수를 조절하여 일정한 수위가 유지되도록 수위를 감지하는 수위감지센서(44)가 설치된 폐수열교환용 물탱크(40)와;
상기 폐수열교환용 물탱크(40)의 내측에 시수공급관(51)으로 시수를 공급받아 고온폐수와 상호 열교환을 하여 시수배출관(52)으로 예열된 시수를 배출하도록 설치된 시수열교환기(50)와;
상기 시수배출관(52)으로부터 예열된 시수를 공급받아 저장하도록 형성된 폐수열용 물탱크(60)와;
상기 폐수열교환용 물탱크(40)의 고온폐수 열을 증발기(71) 열원으로 하여 폐수열용 물탱크(60)에 저장된 시수를 예열하도록 설치된 폐수열용 히트펌프(70)로 이루어진 폐수열을 이용한 저온수 생성시스템(200)으로 구성된다.
이하, 첨부된 본 발명의 도면에 나타난 실시예를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1에서 보는 바와 같이 본 발명은 고온수/냉수와 저온수를 별도로 생성하여 공급할 수 있도록 지열을 이용한 고온수/냉수 생성시스템(100)과 폐수열을 이용한 저온수 생성시스템(200)을 구비한다.
상기 지열을 이용한 고온수/냉수 생성시스템(100)은 지중에 매설된 다수개의 지열교환 파이프로 지열로부터 열을 흡수하도록 형성된 지열 열교환기(10)와, 상기 지열 열교환기(10)로부터 공급되는 지열수를 난방(고온수)시에는 증발기역할을 하고 냉방(냉수)시에는 응축기역할을 하는 콘덴서(21)를 가지는 지열용 히트펌프(20)와, 상기 지열용 히트펌프(20)의 난방(고온수)시에는 응축기역할을 하고 냉방(냉수)시에는 증발기역할을 하는 콘덴서(22)를 이용하여 고온수 또는 냉수를 저장하는 지열용 물탱크(30)와 상기 콘덴서(22)에서 열교환한 물을 이용하여 냉난방을 하는 실내열교환기(36)로 이루어진다.
좀더 상세하게 설명하면, 지열로부터 열을 흡수하도록 형성된 지열 열교환기(10)와 지열용 히트펌프(20) 사이에는 지열수가 공급되도록 지열수 공급관(11)이 설치되고, 상기 지열수 공급관(11) 내에 지열수가 공급되도록 펌프(13)가 설치되며, 상기 지열수 공급관(11)으로 공급된 지열수가 지열용 히트펌프(20)의 콘덴서(21)를 통과하여 다시 지열 열교환기(10)로 환수되도록 형성된 지열수 환수관(12)이 설치된다.
상기 지열수의 지열을 이동시키는 지열용 히트펌프(20)와 상기 지열용 히트펌프(20)의 콘덴서(22)에서 열교환한 물을 저장하는 지열용 물탱크(30) 사이에는 지열용 물탱크(30)의 물이 지열용 히트펌프(20)의 콘덴서(22)에 공급되도록 공급관(31)이 설치되고, 상기 공급관(31) 내에 물이 공급되도록 펌프(33)가 설치되며, 상기 콘덴서(22)를 통과한 물이 다시 지열용 물탱크(30)로 환수되도록 형성된 환수관(32)이 설치되며, 상기 환수관(32)으로 환수되는 콘덴서(22)에서 열교환한 물은 분지관(35)을 통하여 실내열교환기(36)나 급수 밸브(37)로 공급되고, 상기 실내열교환기(36)에 공급된 물은 지열용 물탱크에 환수된다.
상기 분지관(35)을 환수관(32)에 설치함으로써 콘덴서(22)에서 예열된 물을 직접 사용함으로써 콘덴서(22)에서 열교환된 물이 저장된 지열용 물탱크(30) 물보다 난방시에는 고온을 냉방시에는 저온의 물을 공급할 수 있게 된다.
상기와 같이 구성된 지열을 이용한 고온수/냉수 생성시스템(100)은 지열 열교환기(10)에서 공급되는 지열수의 지열을 지열 히트펌프(20)를 사용하여 동절기에는 고온수를 생성하고, 생성된 고온수를 실내열교환기(36)에 공급하여 난방을 하고 급수밸브에 공급하여 고온수를 공급하며, 하절기에는 냉수를 생성하여 생성된 냉수를 이용하여 냉방 및 냉수를 공급한다.
상기 지열용 물탱크(30)의 수위는 수위센서(34)에 의하여 조절되며, 상기 수위센서(34)의 신호에 의하여 냉방시(냉수생성시)에는 시수공급관(51)으로 공급되는 시수를 공급받아 수위를 조절하며, 난방시(온수생성시)에는 후술되는 예열된 시수(저온수)를 공급하는 시수분지관(55)으로부터 예열된 시수(저온수)를 공급받아 수위를 조절한다.
상기 시수공급관(51)과 시수분지관(55)은 공급관(56)에 연설되어 있으며, 밸브에 의하여 선택적으로 공급된다.
냉방시에는 시수공급관(51)으로 공급되는 시수를 공급받고, 난방시에는 시수분지관(55)을 공급되는 예열된 시수(저온수)를 공급받아 지열용 물탱크(30)의 수위를 조절함으로써 지열용 물탱크(30)의 수위조절시 온도가 급변화하는 것을 방지할 수 있게 된다.
상기 폐수열을 이용한 저온수 생성시스템(200)은 고온의 폐수를 저장하여 열교환을 하도록 형성된 폐수열교환용 물탱크(40)와 상기 폐수열교환용 물탱크(40)의 고온폐수로부터 열을 흡수하여 공급되는 시수를 예열하도록 형성된 시수열교환기(50)와, 상기 시수열교환기(50)에서 예열된 시수를 저장하도록 형성된 폐수열용 물탱크(60)와, 상기 폐수열교환용 물탱크(40)의 고온폐수의 열로 폐수열용 물탱크(60)의 시수를 예열하도록 형성된 폐수열용 히트펌프(70)로 구성된다.
좀더 상세하게 설명하면, 고온의 폐수를 저장하는 폐수열교환용 물탱크(40)에는 고온의 폐수로부터 고온폐수가 공급되도록 형성된 폐수공급관(41)과, 상기 폐수공급관(41)으로 공급되는 고온폐수가 상호 열교환을 한 후 배출하도록 형성된 폐수배출관(42)과, 상기 폐수배출관(42) 내로 폐수가 배출되도록 형성된 펌프(43)와, 상기 펌프(43)에 의하여 폐수배출관(42)으로 배출되는 폐수가 일정한 수위가 유지할 수 있도록 수위를 감지하는 수위감지센서(44)가 설치된다.
상기 펌프(43)는 폐수열교환용 물탱크(40) 내측에 설치될 수 있도록 보통 수중펌프로 형성된다.
상기 수위감지센서(44)는 폐수열교환용 물탱크(40)내의 폐수 수위를 감지하고 펌프(43)를 제어하여 폐수열교환용 물탱크(40) 내의 폐수 수위를 일정한 수위가 유지되도록 한다.
상기 폐수열교환용 물탱크(40)의 내측에 설치되어 고온의 폐수 열(폐열)을 직접방식으로 흡열할 수 있도록 형성된 시수열교환기(50)는 일측에 시수를 공급하는 시수공급관(51)이 설치되고, 타측에 시수열교환기(50)에서 예열된 시수가 배출되도록 시수배출관(52)이 설치된다.
상기 폐수열교환용 물탱크(40) 내의 폐수로부터 시수열교환기(50)이 폐열을 용이하게 흡열할 수 있도록 폐수열교환용 물탱크(40)의 내부에는 다수개의 격벽을 이 형성하여 폐수가 지그재그 형태로 이동하도록 하고, 상기 격벽 사이 사이에는 코일모양으로 형성된 시수열교환기(50)을 설치하여 폐수로부터 다량의 폐열을 흡수하도록 하는 것도 가능하다.
상기 시수배출관(52)으로 배출되는 시수를 저장하도록 형성된 폐수열용 물탱크(60)와 폐수열교환용 물탱크(40) 사이에는 폐수열교환용 물탱크(40) 내의 폐수로부터 열을 흡열하여 폐수열용 물탱크(60) 내의 시수를 예열할 수 있도록 폐수열용 히트펌프(70)가 설치되고, 상기 폐수열용 히트펌프(70)의 증발기(71)는 폐수열교환용 물탱크(40) 내에 설치되어 폐수열교환용 물탱크(40)의 고온폐수로부터 폐열을 흡열하도록 한다.
상기 폐수열용 히트펌프(70)의 응축기(72)는 증발기(71)가 폐수로부터 흡열한 폐열로 폐수열용 물탱크(60)의 시수를 예열할 수 있도록 폐수열용 물탱크(60)의 시수가 공급되는 공급관(61)과, 상기 공급관(61)으로 공급되어 응축기(72)부터 예열된 시수가 다시 폐수열용 물탱크(60)로 환수되도록 하는 환수관(62)이 설치되고, 상기 공급관(61)에는 폐수열용 물탱크(60)의 시수가 공급관(61)과 응축기(72)와 환수관(62)을 순환할 수 있도록 펌프(63)가 설치된다.
다른 방법으로 상기 시수배출관(52)으로 배출되는 시수를 폐수열용 히트펌프(70)에 공급할 수 있도록 연결관(53)을 형성하여 시수배출관(52)으로 배출되는 시수를 폐수열용 히트펌프(70)에서 예열한 후 환수관(62)을 통하여 폐수열용 물탱크(60)로 공급하는 것도 가능하다.
상기 폐수열용 히트펌프(70)의 응축기(72)에 시수를 공급하는 공급관(61)에는 펌프(63)의 펌핑력으로 이용할 수 있도록 시수분지관(55)이 형성되고, 상기 시수분지관(55)을 통하여 예열된 시수(저온수)를 사용처(목욕탕 저온수밸브)에 공급하게 된다.
상기와 같이 구성된 폐수열을 이용한 저온수 생성시스템(200)은,
보통 대중 목용탕 등지에서 배출되는 고온폐수의 온도는 28~32℃이고, 폐수열교환용 물탱크(40) 내에 저장된 고온의 폐수(28~32℃) 열로 시수열교환기(50)는 15℃의 시수를 시수공급관(51)으로 공급받아 직접 예열방식으로 시수를 22℃로 예열하여 시수배출관(52)으로 폐수열용 물탱크(60)에 공급한다.
상기 폐수열용 물탱크(60)에 저장된 예열된 시수를 폐수열교환용 물탱크(40) 내에 저장된 고온폐수의 폐열을 열원으로 하는 폐열용 히트펌프(70)에 공급하여 시수를 간접 예열방식으로 32~36℃ 예열하여 환수관(62)로 폐수열용 물탱크(60)에 공급하여 상기 폐수열용 물탱크(60) 내의 예열된 시수온도를 27~29℃로 저장한다.
상기 폐수열용 물탱크(60) 내의 27~29℃로 예열된 시수(저온수)는 시수분지관(55)을 통하여 사용처(목욕탕 저온수 밸브)에 공급된다.
상기와 같이 구성된 본 발명은 지열을 이용하여 고온수/냉수를 생성하고, 폐열을 이용하여 예열된 시수(저온수)를 생성함으로써 사용처(목욕탕)에 동절기에는 고온수와 저온수를 하절기에는 냉수와 저온수를 공급할 수 있는 것이다.
고온수/냉수 생성시스템 히트펌프의 콘덴서에서 열교환된 물를 환수시키는 환수관에 분지관을 연설함으로써 공급관에 설치된 펌프의 펌핑력으로 열교환된 물을 공급하는 동시에 콘덴서에서 열교환된 물을 직접 공급하는 것이다.
폐수열교환용 물탱크에 저장된 고온폐수의 폐열로 시수를 직접 예열하는 시수열교환기와 간접 예열하는 폐수열용 히트펌프를 병합하여 사용함으로써 폐수열교환용 물탱크에 저장된 고온폐수의 폐열을 최대한 흡열할 수 있는 것이다.
폐수열에 의하여 예열된 시수(저온수)를 이용하여 지열에 의하여 생성되는 고온수를 저장하는 지열용 물탱크의 수위를 조절함으로써 고온수를 안정적으로 공급할 수 있는 것이다.

Claims (4)

  1. 지열를 이용하도록 형성된 지열 열교환기(10)와, 상기 지열 열교환기(10)로부터 공급되는 지열수의 지열을 콘덴서(21)의 열원으로 사용하는 지열용 히트펌프(20)와, 상기 지열수용 히트펌프(20)의 콘덴서(22)를 이용하여 고온수 또는 냉수를 생성하여 저장하는 지열용 물탱크(30)와, 상기 지열용 물탱크(30)에 저장된 물이 펌프(33)에 의하여 공급관(31)을 통해 콘덴서(22)에 공급되고 상기 콘덴서(22)에서 열교환한 물은 분지관(35)을 통해 실내열교환기(36)나 밸브(37)에 공급되도록 이루어진 지열을 이용한 고온수/냉수 생성시스템(100)과;
    고온폐수가 공급되는 폐수공급관(41)과, 상기 폐수공급관(41)으로 공급되는 고온폐수를 배출하는 폐수배출관(42)과, 상기 폐수배출관(42) 내로 폐수가 배출되도록 하는 펌프(43)와, 상기 펌프(43)에 의하여 배출되는 폐수를 조절하여 일정한 수위가 유지되도록 수위를 감지하는 수위감지센서(44)가 설치된 폐수열교환용 물탱크(40)와;
    상기 폐수열교환용 물탱크(40)의 내측에 시수공급관(51)으로 시수를 공급받아 고온폐수와 상호 열교환을 하여 시수배출관(52)으로 예열된 시수를 배출하도록 설치된 시수열교환기(50)와;
    상기 시수배출관(52)으로부터 예열된 시수를 공급받아 저장하도록 형성된 폐수열용 물탱크(60)와;
    상기 폐수열교환용 물탱크(40)의 고온폐수 열을 증발기(71) 열원으로 하여 폐수열용 물탱크(60)에 저장된 시수를 예열하도록 설치된 폐수열용 히트펌프(70)로 이루어진 폐수열을 이용한 저온수 생성시스템(200)으로 구성됨을 특징으로 하는 지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 지열을 이용한 고온수/냉수 생성시스템(100)의 지열용 물탱크(30)에 공급되는 물은 냉방시에는 시수공급관(51)으로부터 저온의 시수를 공급받고, 난방시에는 폐수열을 이용한 저온수 생성시스템(200)에서 생성된 저온수를 공급받는 것을 특징으로 하는 지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 폐열을 이용한 저온수 생성시스템(200)의 폐수열용 물탱크(60)에서 폐수열용 히트펌프(70)로 예열된 시수(저온수)를 공급하는 공급관(61)에는 펌프(63)의 펌핑력으로 사용처에 공급할 수 있도록 시수분지관(55)이 설치됨을 특징으로 하는 지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 지열용 물탱크(30)에 폐수열을 이용한 저온수 생성시스템(200)에서 생성된 저온수가 공급되도록 시수분지관(55)에 공급관(56)이 형성됨을 특징으로 하는 지열과 폐열을 이용한 하이브리드 냉난방 및 온수생성 시스템.
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