KR100849578B1

KR100849578B1 - 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템

Info

Publication number: KR100849578B1
Application number: KR1020070118219A
Authority: KR
Inventors: 이충근; 이후재; 김완구; 박창석; 신경수; 이정계; 중 윤
Original assignee: 두산건설 주식회사; (주)이에스
Priority date: 2007-11-20
Filing date: 2007-11-20
Publication date: 2008-07-31

Abstract

본 발명은 보일러 또는 폐열 회수 보일러의 배기가스를 이용한 난방 시스템에 있어서 계절별 에너지 수급 불균형 등의 사유로 열공급 온도차가 일어나는 온도 구간에서의 열량 보충용(승온 및 온도 유지) 보조 열원으로서 난방수를 가열하는 기존의 열량 보충용 보조 보일러(back up boiler)에 부가하여 히트펌프(heat pump)로 배기가스, 냉각수, 하천수, 지열, 해수, 공장폐수 등의 폐열원을 이용 저온수의 열을 승온시켜 정온의 온수를 상시 공급하게 하는 열에너지 공유 배관망을 상호 선택적이면서도 보완적으로 형성함으로써 고온의 폐기열과 비교적 저온의 폐수열 등 미활용 에너지를 유효이용하되 온수 가온 효율을 높이고 열원낭비를 줄여서 열 발생 설비의 가동부하를 줄이게 하는 방법으로 난방 시스템의 전체적인 열효율 및 성능계수 향상으로 소비되는 에너지를 절감하게 하는 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템에 관한 것이다.

열효율, 에너지 절약형 난방 시스템, 복합 열원, 보조 보일러, 히트펌프, 폐수원, 에너지 공유 배관망, 배기가스, 폐열 보일러, 보조 열원, 승온 구간, 열교환기, 축열장치, 가동부하

Description

복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템{High efficient energy saving type heating system using integrated assistant heat source means}

본 발명은 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템에 관한 것으로서, 더욱 자세히는 보일러 또는 폐열 회수 보일러의 배기가스를 이용한 난방 시스템에 있어서 계절별 에너지 수급 불균형 등의 사유로 열공급 온도차가 일어나는 온도 구간에서의 열량 보충용(승온 및 온도 유지) 보조 열원으로서 난방수를 가열하는 기존의 열량 보충용 보조 보일러(back up boiler)에 부가하여 히트펌프(heat pump)로 배기가스, 냉각수, 하천수, 지열, 해수, 공장폐수 등의 폐열원을 이용 저온수의 열을 승온시켜 정온의 온수를 상시 공급하게 하는 열에너지 공유 배관망을 상호 선택적이면서도 보완적으로 형성함으로써 고온의 폐기열과 비교적 저온의 폐수열 등 미활용 에너지를 유효이용하되 온수 가온 효율을 높이고 열원낭비를 줄여서 열 발생 설비의 가동부하를 줄이게 하는 방법으로 난방 시스템의 전체적인 열효율 및 성능계수 향상으로 소비되는 에너지를 절감하게 하는 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템에 관한 것이다.

우리나라는 에너지 자원 부족국가의 하나로서 에너지 절약은 필수적인 과제 이다.

그리고 화석연료로서 석탄과 석유는 연소할 때 대기오염과 지구 온난화의 원인이 되는 CO₂등을 많이 배출하기 때문에 새로운 에너지로의 전환이 요구되고 있다.

아파트나 주상복합단지 등 기존의 주거단지는 에너지 절약을 위하여 단지 내에 이산화탄소(CO₂)의 배출이 적은 천연가스 원료원 열병합발전소 등을 건설하고 폐열을 이용하는 열회수장치를 가동 냉난방 시스템을 구동하고 있으며 또한 최근에는 대규모 도시재개발과 신도시건설 시 화석연료를 대체하는 미활용 대체 에너지로서 냉열원으로 냉수, 온열원으로는 증기나 고온수를 인입하여 구동하는 지역 열원설비가 계획되고 있다.

상기한 바와 같이 발전기를 동반하여 전력과 열을 동시에 생산하는 열병합발전기 또는 보일러의 배기가스 열을 회수하여 난방용 열원으로 이용하는 배기가스 열 회수 난방시스템은,

통상 고온의 배기가스로 폐열회수보일러(또는 보일러)를 구동 증기를 생산 하여 증기터빈을 구동시키고 열교환기를 이용 증기를 난방수 배관으로 순환되는 난방수와 열교환시키는 방법으로 승온(약 120℃)시켜 난방이나 급탕 등의 열수요처에 공급하고 열 수요처로부터 복귀되는 약 60℃의 난방 환수를 순환시키는 난방수 순환 시스템을 형성하게 되는데.

실내 온도를 설정온도 이상으로 유지시키도록 구성된 난방 시스템은 일정한 온도의 구간을 설정하고 외기와의 온도차에 의한 계절적 에너지 수급 불균형 등의 사유로 폐열을 이용한 난방 공급 열량이 부족하게 되면 보조 열원으로서 보조 보일러(back up boile)로 순환하는 난방수(급수)(약 60℃)를 가열(直火式)하여 부족한 열량을 보충하고 설정온도(약 120℃)의 온수를 열 사용처에 공급하게 된다(도 1 참조).

그러나 보조 열원으로서 열량 보충용 보조 보일러(back up boiler)를 이용하게 되는 경우 보일러를 가동하지 않는 여름철에도 안정적인 온수의 공급이 가능한 반면 보일러 운전용 추가 에너지 입력으로 저온의 보일러 급수를 가열하여 승온시킴에 따른 간헐적이고 한시적인 보일러 가동부하가 발생하여 이에 따른 에너지 비용이 추가로 발생하게 되며 따라서 에너지 절약형 난방 시스템의 시스템 효율을 떨어뜨리는 문제점이 발생한다.

또한 난방 피크(peak) 부하를 예상하여 상당한 수준의 고효율 보일러를 가동시킬 수 있으나 이 또한 설치 비용 과다 및 과대 용량으로 운전효율이 낮고 에너지 비용에 비하여 비경제적이고 비효율적인 방법이다.

따라서 가온 구간에서 열량을 보충하기 위하여 공해 발생 없는 미활용 에너지를 효과적으로 이용하고 열효율을 높이는 방법으로 보조적인 열발생 설비를 설치하여 시스템을 구성함으로써 가열 부하와 히트 패턴의 적정화로 열발생설비의 가동부하를 줄여 에너지를 절감시키게 하는 방법이 요구된다.

또한 에너지절약형 열공급원으로 히트 펌프는 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치로서 실내의 냉난방에 널리 사용되고 있는데, 히트펌프(Heat Pump)냉난방 시스템은 냉방 및 난방이 선택적으로 이루어지게 시스템을 구성하고, 냉방모드나 난방모드에 따라 시스템을 선택적으로 운전하여 냉매의 흐름이 서로 역방향으로 행하여지면서 선택 모드에 따라 냉방이나 난방, 급탕이 이루어지도록 한 것으로 운전비용이 저렴하고 배열도 이용할 수 있으며 난방성능도 높은 장점이 있다

물론 성능계수가 높은 성능계수(COP)가 높은 고효율 히트 펌프(super heat pump)를 장착하여 사용할 수 있으나 이 또한 설치 비용 및 운전효율 면에서 비경제적이고 비효율적인 방법이다.

전술한 바와 같이 여러 가지 문제점을 가지고 있는 종래 기술의 난방 시스템을 개선시키기 위하여 다양한 방법으로 미활용 에너지를 재활용하고 열효율을 개선 시키는 방안이 제시되어 왔으나 에너지 부하의 원활한 대응, 경제적 운전에 따른 종합 열효율향상 등 열역학적이나 경제성면에서 합리적이지 못한 풀어야 할 기술적 과제가 있다.

전술한 바와 같이 종래의 보일러 또는 폐열 회수 보일러의 배기가스를 이용한 난방 시스템은 여러 가지 문제점을 가지고 있는바,

계절별 에너지 수급 불균형 등의 사유로 열공급 온도차가 일어나는 온도 구간에서의 열량 보충용(승온 및 온도 유지) 보조 열원을 에너지 비용과 설비용량, 계절별 에너지 부하 등을 합리적으로 고려하여 피크 타임 또는 계절별 요인의 에너지 비용 절감이 가능한 저비용의 난방 시스템화로,

에너지절약형 열공급원으로서 미활용에너지를 유효하게 이용하되, 4 계절 에너지 부하의 원활한 대응, 경제적 운전에 따른 종합 열효율향상의 기술적인 당면 과제가 있다.

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 종합적으로 해결한 것으로서,

보일러 또는 폐열 회수 보일러의 배기가스를 이용한 난방 시스템에 있어서 계절별 에너지 수급 불균형 등의 사유로 열공급 온도차가 일어나는 온도 구간에서의 열량 보충용 보조 열원기기로서,

난방수를 가열하는 기존의 열량 보충용 보조 보일러(back up boiler)에 부가하여 히트펌프(heat pump)로 배기가스, 냉각수, 하천수, 지열, 해수, 공장폐수 등의 폐열원을 이용 저온수의 열을 승온시켜 정온의 온수를 상시 공급하게 하는 열에 너지 공유 배관망을 상호 선택적이면서도 보완적으로 형성하여,

미활용 에너지를 유효이용하되 온수 가온 효율을 높이고 열원낭비를 줄여서 열 발생 설비의 가동부하를 줄이게 하여 열원 기기의 총체적인 효율을 향상시키는 방법으로 복합 열원을 연계하여 지역열원의 공급조건에 관계없이 4 계절 내내 온도 편차 없이 온수를 공급할 수 있는 고효율 에너지 절약형 난방 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

이와 같이 된 본 발명은,

보일러 또는 폐열 회수 보일러에서 버려지는 고온의 배기가스를 회수 이용하는 에너지 절약형의 난방 시스템을 구성하고,

상기 난방 시스템에 부족한 열원을 보충하는 히트 펌프와 보조 보일러를 상호 보완적이고 선택적으로 연결 구성되는 미사용 에너지의 재활용, 열교환능력 향상 등의 복합 상승효과로,

온수 가온 효율을 높이고 열원낭비를 줄여서 열 발생 설비의 가동부하를 줄이게 되고 높은 성적계수로 열원 기기의 총체적인 효율을 향상시키게 하는 효과가 있다.

또한 본 발명은 보일러 시설용량의 증설 없이 난방의 열부하의 불균형에 유연하게 대응 열원의 계절별 온도 편차에 관계없이 적정 온도의 온수를 공급하여 적 절한 난방온도를 유지시킬 수 있다.

또한 에너지 절약적이면서 환경 친화적인 가스 이용 히트 펌프를 이용하여 대기 오염을 줄일 수 있으며 추가적인 히트 펌프 구동 전력을 저렴한 자체 생산 전력(열병합발전)으로 충당할 수 있다.

본 발명의 구성을 첨부 도면에 의해 상세하게 설명하면 다음과 같으며 본 발명의 요지를 불명료하게 흐릴 수 있는 공지의 구성요소에 대한 구체적인 설명은 생략한다

본 발명은 보일러 또는 폐열 회수 보일러(2)의 배기가스를 이용 증기 터빈(3)이 생산한 증기를 열교환기(4)에 공급하여 난방 및 급탕 용도의 온수와 열교환시켜 난방 및 급탕 용수로 공급하게 하는 보일러 순환 배관에,

열량 보충용(승온 및 온도 유지) 보조 열원장치로서 순환되는 난방 순환수를 배기가스, 냉각수, 하천수, 지열, 해수, 공장폐수 등의 폐열원을 이용 저온수의 열을 승온시키는 히트펌프(heat pump)(7)와 난방수를 가열하는 열량 보충용 보조 보일러(back up boiler)(8)가 순차적으로 연결되는 난방수 순환 배관이 병렬로 형성되어 배관망을 공유하는 구성으로서,

배기가스로 생성된 열량를 보충하기 위하여 보조 보일러(back up boiler)(8)와 히트펌프(heat pump)(7)를 상호 선택적이면서도 보완적으로 운전하는 방법으로 인접한 루프 사이클 상호 간에 다단계의 순차적으로 열을 공유하고 부하를 분담하여 상호 보완적으로 사용함으로써,

배기가스를 이용 대략 120℃의 온수를 열사용처(11)에 난방 및 급탕용수로 공급하고 약 60℃로 환수하여 사계절 난방 공급수의 온도 편차 없이 설정 온도 이상의 온수를 공급하게 하는 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템을 제공한다.

본 발명은 보일러 또는 폐열 회수 보일러(2)의 배기가스를 이용한 난방 시스템에 있어서,

배기가스를 대기로 배출시키는 연돌(굴뚝)(1)을 구비하고 고온의 배기가스로 증기를 발생시키는 폐열회수 보일러(2)를 기점으로 증기에 의해 회전에너지를 얻는 증기터빈(3), 증기터빈(3)을 거쳐 나온 증기를 열수요처(11)로부터 환수되는 난방 환수와 열교환시켜 난방 및 급탕 용수로 공급하게 하는 열교환기(4), 온수와 열교환되어 냉각된 증기(또는 물)를 보일러로 되돌리는 반송 펌프(P), 물에 녹아있는 산소를 제거하고 부식을 방지하는 탈기장치(Deaerator)(5), 온수를 축열 저장하는 축열 탱크(6)로 보일러 순환 배관을 형성한다

또한 상기 보일러 순환 배관에는 통과하는 증기를 열수요처(11)에서 난방 및 급탕을 수행하고 환류되는 난방 환수와 열교환시켜 난방수를 가열 공급하는 열 교환기(4)를 열중계 기지로 하고 이에 연결되는 난방수 순환 배관상에 보조 열원기기로서 배기가스, 냉각수, 하천수, 지열, 해수, 공장폐수 등의 열원으로 난방수를 승온시키는 히트펌프(7)와 난방수를 가열하는 보조 보일러(8)가 순차적으로 설치되어 열 사용처(11)에 난방 및 급탕수를 공급하는 난방수 순환 배관이 연결되는 구성으로서,

상기 난방수 순환 배관의 열 사용처(11) 후단에 연장되는 난방수 환수 배관으로는 에너지 절약형 장치로서 팽창된 난방수를 증기와 수분으로 분리하고 압력을 일정범위 내로 유지시키게 하는 기수 분리기(氣水分離器)(9)와 난방수를 축열하고 사용처의 난방용 온수 입력이 낮아지면 축열 저장된 증기 또는 온수를 보조 보일러(8)에 공급하여 열공급 부하를 일정하게 유지하게 하는 축열장치(Accumulator)(10)를 추가적으로 설치한다.

상기 난방수 환수 배관 상의 축열장치(Accumulator)(10)는 열 사용처(11)로부터 환수되는 정방향의 난방 환수는 물론 후술하는 난방수 공급 배관에서 열 사용처로 공급되지 않고 하향으로 진입하는 잉여열을 같이 축열하고,

난방 환수 진행방향의 반대방향으로 환수되는 역방향의 분기(가지) 배관을 추가로 형성하여 다열로 형성되는 난방수 환수 배관 모두에 접속하여 열교환기(4), 히트펌프(7)와 보조 보일러(8)를 이용하는 난방수 환수 배관 구성에 관계없이 축열된 난방 환수를 공급하게 구성한다.

그리고 열교환기(4)로 승온된 난방수를 열 사용처에 공급하는 상기 난방수 순환 배관상에는 히트펌프(7)와 보조 보일러(8)를 각각 우회 경유하는 가지 배관(바이 패스 배관)을 난방수 공급 과정의 중간 단계에서 열량 보충용으로 이용할 수 있게끔 순차적이면서 상호 보완적으로 형성하되, 상기 히트펌프(7)와 보조 보일러(8) 사이의 난방수 공급 배관으로는 문제가 있을 때 관로를 개폐시키는 밸브 장치(V)가 장착되어 히트펌프(7)를 정방향 또는 역방향의 선택적으로 경유하게 함으로서 난방은 물론 냉방 용도의 2중 용도로 이용할 수 있게끔 구성한다.

또한 난방수 순환 배관의 열 사용처(11) 후단의 난방수 환수 배관에 설치된 기수분리기(9)와 축열장치(Accumulator)(10)를 경유한 난방 환수는 열교환기(4)를 경유하는 상향의 가지 환수 배관 및 열교환기(4)를 경유하지 않는 가지 상향의 환수 배관이 각각 좌우 병렬의 2라인으로 형성되어 상하 2단으로 구성된 반송 펌프(P)에 의하여 추가적인 압력의 손실 없이 연속적으로 펌핑 환수되어 열교환기(4) 및 히트 펌프(7)와 보조 보일러(8)로 가온된 난방수를 다시 열 사용처(11)로 공급하게 구성하는데,

난방수 환수 배관의 중간경로에서 열원기기인 열교환기(4)와 히트펌프(7), 보조 보일러(8)를 각각 연계하여 난방용 열에너지(난방수) 공급의 처음에서 마지막 단계에 이르기까지 다목적이고 단계적으로 이용하여 총체적인 에너지 효율을 높일 수 있게 되는 것이다.

특히 상기와 같이 설정 온도(예: 120℃ )이상으로 승온된 난방수는 열 수요처로 직접 공급되지만, 잉여열을 열수요처로 공급하지 않고 배관 중간에서 축열장치(Accumulator)(10)로 분기 연결하는 하향의 축열용 가지 배관을 복수 개 병렬로 형성하게 되는데,

일측 하향 배관은 직접 축열장치(Accumulator)(10)로, 타측 하향 배관은 난방 환수와 만나서 교차 분기되는 배관을 각각 형성하여 난방수를 축열장치(Accumulator)(10)에 축열 저장하고,

또한 이렇게 축열장치(Accumulator)에 저장된 잉여열을 열수요처(11)에 직접 또는 열원보충장치로서 열교환기(4), 히트펌프(7)나 보조 보일러(8)를 각각 경유시켜 승온 공급하는 상향의 난방수 공급 배관을 형성함으로써,

혹한의 한겨울 등 열에너지 수급 불균형시 축열장치(Accumulator)(10)에 저장된 난방 잉여열을 계절별 열부하에 변동이 있는 열수요처(11)에 공급하여 열공급 부하를 일정하게 유지하게 하는 기능을 수행함으로써 열에너지 부하 변동이 심한 경우에도 열보충 설비의 가동부하를 줄여 에너지를 절감시키는 방법으로 열에너지 공급 온도차 없이 설정온도 이상의 온수를 정지됨이 없이 꾸준히 공급하여 에너지를 절감하게 된다.

결국 본 발명의 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템은,

보일러 또는 폐열 회수 보일러의 배기가스로 증기 터빈이 생산한 증기를 열교환기에 공급하여 난방 및 급탕 용도의 온수와 열교환시켜 난방 및 급탕 용수로 공급하게 하는 보일러 배관을 형성하고,

상기 열교환기를 중심으로 열 공급처에 난방수(급탕 용수 포함)를 공급하고 환수되는 난방수 순환 배관을 기본 배관으로 형성하되,

상기 난방수 순환 배관에서 열교환기 후단의 난방수 공급용 배관으로는 냉각된 저온의 난방 환수(예:60℃)를 설정된 적정온도(예:120℃)로 승온시켜 공급하기 위한 열량 보충 장치로서 히트펌프와 보조 보일러를 각각 분기 경유하는 난방수 공급 배관을 추가 설치하고,

상기 난방수 순환 배관에서 열 사용처를 거쳐 환수되는 난방수 환수 배관에는 축열장치(Accumulator)를 설치하여 열 사용처로부터 환수되는 정방향의 난방 환수와 열 사용처로 공급되지 않고 하향으로 진입하는 잉여열을 같이 축열하여 난방수 환수 배관에 난방열을 공급하는 구성으로서,

상기 축열장치로부터 공급된 난방열(수)은 난방수 환수 배관에 공급되어 열교환기를 경유하는 난방 환수 배관, 열교환기 후단으로 열교환기를 경유하지 않고 히트 펌프나 보조 보일러 전단에서 합류되는 난방 환수 배관, 히트 펌프나 보조 보일러 후단 배관으로 연결되는 난방 환수 배관을 각각 형성함으로써,

에너지 절약형 장치로서 고온의 배기가스를 이용하는 폐열 보일러(또는 보일러)에 배기가스, 냉각수, 하천수, 지열, 해수, 공장폐수 등의 폐열원을 이용 저온수의 열을 승온시키는 히트 펌프, 난방수를 재가열하는 보조 보일러가 다단계의 순차적으로 열을 공유하고 열원설비 부하를 분담(동시부하율 및 여유율을 고려)하여 적절한 용량의 열에너지가 전달되지 않으면 국부적인 부하 피크나 열손실 없이 상 호 보완적으로 예열 및 가열시켜 사용하게 하는 최적의 다중 루프(loop) 순환 배관(사이클)이 확장형 네트워크로 형성되는 구성이다.

결국 기본 배관 이외에 서로 다른 용도의 순환 배관은 각각 별도의 독립된 배관 라인을 통해 순환하게 되며, 또한 본 발명에 있어서 폐열 회수 보일러(또는 보일러), 열교환기나 히트펌프, 보조 보일러는 난방 용량에 맞는 정격 용량, 적정 효율의 통상적인 제품을 사용하여 부하평준화로 투입 에너지 절감에 의한 에너지 절약효과를 구현하게 되며, 열 매체를 반송시키는 동력원으로서 강력한 토출압의 반송 펌프(P)와 개폐용 밸브 또는 압력을 조정하는 차압 밸브장치(V)가 적절한 배관 위치에 적당한 수량으로 단독 또는 집중적으로 장착된다.

그리고 통상의 컴프레서, 증발기, 응축기 등으로 구성된 히트펌프(Heat Pump)는 연소 생성물이 발생되지 않는 지역의 청정한 열원으로서 배기가스, 냉각수, 하천수, 지열, 해수, 공장폐수 등 폐열원의 저온 열을 회수하여 사용하여 연소시 생성물이 나오지 않게 되며 구동 전력은 열병합 발전기에서 생산한 자체 전력을 이용하는 것이 바람직하다.

결과적으로 본 발명은 병렬로 열을 서로 공유하도록 형성된 난방수 순환 라인에 다수개의 열교환기, 히트 펌프, 보조 보일러를 장착하고 폐열을 회수 열교환하고 공급 및 환수되는 다중 루프의 용수 순환 사이클을 구현하여 저온열원의 온도 를 높여 보일러 난방 시스템의 전체적인 열효율을 상승시킴과 동시에 보다 저렴하고 공해 없는 에너지를 지속적으로 공급할 수 있게 되는 것이다.

그리고 상기한 배관의 설치 및 순환 구조는 도시와 설명의 편의를 위하여 예시한 바람직한 실시예로서, 설치 조건에 맞춰 본 발명의 기술적 요지의 동일성 범위 내에서 다양한 변형 실시가 가능하다.

이하 보일러를 보조 열원으로 운영하는 난방 시스템의 난방수 승온 구간에서 본원 발명과 종래 기술에 의한 보조 보일러 에너지 소비율을 비교하면 다음과 같다.

조건:

1. 보조 보일러: 효율 90%

2. 입구(초기공급)온도: 60℃

3. 출구(배출)온도: 120℃

4. 수량: 100ton/h

Presure(ata)	Temp.(℃)
Enthalpy (kcal/kg)	Flow rate(ton/h)

- 60℃ 일 때

4.0(ata)	60 (℃)
60.0(kcal/kg)	100(ton/h)

- 120℃ 일 때

6.83(ata)	120 (℃)
120.2(kcal/kg)	100(ton/h)

이 된다.

따라서 상기 조건에서 보일러 이용 난방 시스템의 에너지 소비율을 계산할 때, 보조 보일러(Back-up Boiler)로 100ton/h의 수량을 60℃에서 120℃로 가열하기 위한 에너지 소모량은 아래와 같다.

1) 종래 기술의 보조 보일러(Back-up Boiler)로 가열할 경우.

계산식: Q(열량) = W(무게) ×C_P (비열) × (h₁-h₂)(엔탈피)

= 100,000 ×1 × (120.2 - 60)

= 60,200,000 kcal/hr 가 필요하며, 이때 보일러의 효율이 90%(보일러에 공급된 모든 열량에 대하여 보일러수 및 포화증기에 흡수 되어진 열량의 비율)일 때,

= 60,200,000 kcal/hr × { 1 + (1 - 0.9)}

= 60,200,000 kcal/hr × 1.1

= 66,220,000 kcal/hr가 소요되어 이를 도시가스로 환산하게 되면,

{저위발열량(LHV) - 9,530 kcal/Nm³}

= 66,220,000/ 9,530 = 6948.58 Nm³/hr 가 소요됨.

2) 본 발명에 따른 히트 펌프와 보조 보일러(Back-up Boiler)를 같이 사용할 경우.

조건: 히트 펌프의 성능계수(COP) 3.5이고 히트 펌프의 온도 구간을 60℃에서 120℃로 가열하기 위한 에너지 소모량은,

- 80℃ 일 때

6.83(ata)	80 (℃)
80(kcal/kg)	100(ton/h)

이고,

Q(열량) = W(무게) ×C_P (비열) × (h₁-h₂)(엔탈피)

= 100,000 ×1 × (80 - 60)

= 2,000,000 kcal/hr 로서, 히트 펌프를 가동하고 COP가 3.5라 할 때,

전기 사용량은

2,000,000/3.5= 571.428.57 kcal/hr

571.428.57/860= 664.45 Kwh가 되고,

보일러에 필요한 열량은,

히트펌프로 가온한 물량 + (보일러로 가온 되어야 할 열량)= 종래 열량이므로,

60,200,000 kcal/hr = 2,000,000+(x × 1.1)

58,200,000 = x × 1.1

x = 52,909,091 kcal/hr가 된다.

필요 가스량( 연료 단위량 온도 0℃ 압력 1,013mbar(1기압)로 환산한 N㎥)은

52,909,091/ 9, 530 = 5,552 Nm³/hr 임.

따라서 히트 펌프와 보조 보일러(Back-up Boiler)를 같이 사용하게 되면,

571.429 + 52,909,091 = 53,480,520 kcal/hr로서

결국 에너지 절감율은 100 - (53,480,520 / 66,220,000 ×100)= 19.23%가 되어, 종래 방식에 비해 소비되는 에너지가 1/5 정도 줄게 되므로, 본원발명에 따른 히트 펌프와 보조 보일러 조합 난방 시스템은 열효율이 종래 기술에 비해 에너지 소비를 대폭 절감할 수 있게 되는 것을 확인할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 여러 가지 치환, 변경이 가능하므로 전술한 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 종래 기술에 따른 난방수 승온 구간에서 난방수 순환 시스템 구성을 도시한 개념도

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템의 시스템 구성도

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

1:연돌(굴뚝) 2:폐열 회수 보일러(또는 보일러)

3:증기 터빈 4:열교환기

5:탈기장치(Deaerator) 6:축열탱크

7:히트펌프(heat pump) 8:보조 보일러(back up boiler)

9:기수 분리기(氣水分離器) 10:축열장치(Accumulator)

4: 열사용처

P:펌프 V:밸브

Claims

보일러 또는 폐열 회수 보일러(2)의 배기가스를 이용 증기 터빈(3)이 생산한 증기를 열교환기(4)에 전달하고 보일러로 환류되는 보일러 순환 배관과 상기 보일러 순환 배관에서 전달한 열을 열교환기(4)에서 공급받아 난방 및 급탕 용도의 난방수로 열 수요처(11)에 공급하고 환수되는 난방수 순환 배관이 병렬로 형성되어 배관망을 공유하는 난방 시스템에 있어서,

상기 난방수 순환 배관에 부족한 열량 보충용 보조 열원장치로서 순환되는 난방 순환수를 승온시키는 히트펌프(heat pump)(7)와 난방수를 가열하는 열량 보충용 보조 보일러(back up boiler)(8)를 순차적으로 연결하여,

에너지 절약형 장치로서 고온의 배기가스를 이용하는 폐열 보일러(또는 보일러)에 배기가스, 냉각수, 하천수, 지열, 해수, 공장폐수 등의 폐열원을 이용 저온수의 열을 승온시키는 히트 펌프, 난방수를 재가열하는 보조 보일러가 다단계의 순차적으로 열을 공유하고 열원설비 부하를 분담하여 필요한 용량의 열에너지가 전달되지 않으면 국부적인 부하 피크나 열손실 없이 상호 보완적으로 예열 및 가열시켜 사용하게 하는 구성임을 특징으로 하는 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템
제 1항에 있어서, 보일러 순환 배관은 배기가스를 대기로 배출시키는 연돌(굴뚝)(1)을 구비하고 고온의 배기가스로 증기를 발생시키는 폐열회수 보일러(2)를 기점으로 증기에 의해 회전에너지를 얻는 증기터빈(3), 증기터빈(3)을 거쳐 나온 증기를 열수요처(11)로부터 환수되는 난방 환수와 열교환시켜 난방 및 급탕 용수로 공급하게 하는 열교환기(4), 온수와 열교환되어 냉각된 증기(또는 물)를 보일러로 되돌리는 반송 펌프(P), 물에 녹아있는 산소를 제거하고 부식을 방지하는 탈기장치(Deaerator)(5), 온수를 축열 저장하는 축열 탱크(6)로 구성됨을 특징으로 하는 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템
제 1항에 있어서,

난방수 순환 배관은 열 사용처(11) 후단에 에너지 절약형 장치로서 팽창된 난방수를 증기와 수분으로 분리하고 압력을 일정범위 내로 유지시키게 하는 기수 분리기(氣水分離器)(9)와 난방수를 축열하고 사용처의 난방용 온수 입력이 낮아지면 축열 저장된 증기 또는 온수를 보조 보일러(8)에 공급하여 열공급 부하를 일정하게 유지하게 하는 축열장치(Accumulator)(10)를 추가적으로 설치함을 특징으로 하는 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템
제 3항에 있어서, 난방수 순환 배관의 축열장치(Accumulator)(10)로는 열 사용처(11)로부터 환수되는 정방향의 난방 환수와 난방수 공급 배관에서 열 사용처로 경유하지 않고 공급되는 잉여열을 같이 축열시켜 공급함을 특징으로 하는 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템
제1항,제3항 또는 제4항중 어느 하나의 항에 있어서, 축열장치(Accumulator)를 거쳐서 예열 복귀되는 난방수 환수 배관은 열교환기(4)를 거치는 환수 배관, 열교환기(4)를 거치지 않고 히트펌프(7)와 보조 보일러(8) 전단 배관으로 접속되는 환수 배관, 열교환기(4)나 히트펌프(7), 보조 보일러(8)를 거치지 않고 열수요처로 직접 연결되는 환수배관이 병렬의 순차적이면서 상호 보완적으로 형성되어 총체적인 에너지 효율을 높이게 함을 특징으로 하는 복합 열원을 연계한 고효율 에너지 절약형 난방 시스템