KR100954233B1 - 해수를 이용한 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 견고하고 안전한 해수 취수 장치를 구축한 다음 히트펌프의 열원으로서 우수한 특성을 가지고 있는 연안 해역의 해수 또는 내륙 해안가의 지하 해수(염지하수) 등의 해수를 해저 암반층 위의 수평 흡입취수 방법 또는 내륙 해안가에 우물을 파서 취수하는 심정(관정) 취수 방법 등의 다양한 방법으로 효율적으로 취수하고(해수 취수), 이렇게 공급되는 일정 유량의 해수를 해수 열교환기로 열교환 시켜 열교환에 필요한 적정 온도범위의 열을 얻은 다음(간접 열교환)으로 히트 펌프 장치의 냉난방 및 급탕 열원으로 이용하여 열수요처에 고효율의 냉난방, 급탕을 실시함과 동시에 해수 중의 염분이 제거된 담수를 수요처에 공급하는 급수(중수)를 실시하되(해수 히트 펌프 냉난방 및 담수화 급수), 해양 생태계에 전혀 영향을 끼치지 않게끔 히트펌프 냉난방장치 및 해수 담수화 장치 가동 후 방출되는 해수 농축수는 해저 중간층으로 수평 방류하는 방법으로 확산방류 시킴으로써(후처리 배수), 환경친화적이고 난방 . 냉방 . 급탕의 복합부하에 효율적으로 대처할 수 있어 에너지 절약적인 고효율의 해수를 이용한 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치에 관한 것이다.

해수취수장치, 히트 펌프, 역삼투압 담수화, 난방 . 냉방 . 급탕, 중수

Description

해수를 이용한 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치{Multiple purpose sea water heat source heat pump system for heating and cooling}

본 발명은 온도차 에너지원으로서 해수를 이용한 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치에 관한 것으로서, 견고하고 안전한 해수 취수 장치를 구축한 다음 자연에너지로서 온도의 계절변동이 하천수에 비해 적고, 동결온도가 낮아 저온까지 열이용이 가능하여 히트펌프의 열원으로서 아주 우수한 특성을 가지고 있는 연안 해역의 해수 또는 내륙 해안가의 지하 해수(염지하수) 등의 해수를 해저 암반층 위의 수평 흡입취수 방법 또는 내륙 해안가에 우물을 파서 취수하는 심정(관정) 취수 방법 등의 다양한 방법으로 효율적으로 취수하고(전처리 여과 및 취수), 이렇게 공급되는 일정 유량의 해수를 해수 열교환기로 열교환 시켜 열교환에 필요한 적정 온도범위의 열을 얻은 다음(간접 열교환)으로 히트 펌프 장치의 냉난방 및 급탕 열원으로 이용하여 열수요처에 고효율의 냉난방, 급탕을 실시함과 동시에 해수 중의 염분이 제거된 담수를 수용처에 공급하는 급수(중수)를 실시하되(해수 히트 펌프 냉난방 및 담수화 급수), 해양 생태계에 전혀 영향을 끼치지 않게끔 히트펌프 냉난방장치 및 해수 담수화 장치 가동 후 방출되는 해수 농축수는 해저 중간층으로 수평 방류하는 방법으로 확산방류 시킴으로써(후처리 배수), 환경친화적이고 난방 . 냉방 . 급탕의 복합부하에 효율적으로 대처할 수 있어 에너지 절약적인 고효율의 해수를 이용한 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치에 관한 것이다.

점차 고갈되고 있는 에너지 사용과 이로 인한 환경 문제의 근본적 해결을 위해서는 환경 친화적이며 무제한 사용이 가능한 미활용 에너지를 적극적으로 이용하는 것이 바람직한데, 미활용에너지는 종류와 형태 및 이용방법에 따라 달리 사용되고 있으나 온도차에너지원은 주로, 냉난방 및 급탕용도로 활용되고 있으며 에너지원 변환설비로 히트펌프가 주로 이용된다.

최근 환경오염으로 인한 지구온난화를 줄이기 위해 대체에너지 개발사업을 활발히 진행하고 있으며, 이러한 대체에너지를 이용한 히트 펌프 냉난방 시스템은 공기열원, 지열열원, 폐수 열회수, 폐기열회수, 태양열 등을 이용하는 다양한 방식이 있으나, 특히 일년 내내 일정한 온도를 유지하는 안정적 열원으로서 지열에너지를 이용한 히트펌프 냉난방시스템은 태양열 에너지와 함께 대체에너지의 대표주자로 손꼽히며 보급이 확대되고 있다.

상기와 같이 고유가 시대의 지속, 에너지시장의 세계화에 대비한 에너지절약과 화석 에너지 감축 방법으로 최적으로 각광받고 있는 히트 펌프는 저온의 열원으로부터 열을 흡수하여 고온의 열원에 열을 주는 장치로서 실내의 냉난방에 널리 사 용되고 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 것으로서,

히트펌프를 가동하여 응축기에서 방출되는 고온의 열을 난방 및 급탕에 이용하며, 또한 증발기에서 차가워진 냉열을 건물의 냉방에 이용하는데, 냉열을 이용하는 것 이외에도 응축기에서 온열을 이용하므로 히트펌프 1대로 냉방과 난방(급탕)이 동시에 가능한 기기로서, 외부의 열을 회수하기 때문에 이 회수된 열만큼은 전력소비가 줄어들게 되어 성능(COP)이 높아지게 된다.

지열 에너지 중에서 해수, 하천수나 생활하수 등 수열원은 히트펌프를 사용해서 난방, 급탕용과 냉방용에도 이용 가능한 열원으로서 여름철에는 대기보다 낮고, 겨울철에는 대기보다 높은 온도를 가지고 있으므로 대기를 열원으로 할 때보다 높은 효율로 히트펌프를 구동할 수 있으며, 온수를 사용하여 버려지는 생활하수도 시스템 성능계수 및 열효율을 상승시키게 되는데,

해수 열에너지는 자연에너지로서 친환경적이어서 지구온난화 같은 부작용을 초래하지 않는데다 자연에 무한히 존재하는 장점이 있으며, 온도의 계절변동이 하천수에 비해 적고, 동결온도가 약 -2℃로 낮아 하천수보다 저온까지 열이용이 가능하며, 냉·난방 시 대기와 5∼10℃ 정도의 온도차를 가지고 있으므로 (여름에는 대 기보다 5∼10℃ 낮고 겨울에는 대기보다 5∼8℃ 높음), 히트펌프의 열원으로서 아주 우수한 특성을 가지고 있으며, 해수온도차 냉난방시스템의 경우 해수온도에 따라 다소 차이가 있지만 시스템의 효율은 40~60% 증가시킬수 있고 우리나라의 경우 3면이 바다인 점을 고려하면 해수 열에너지는 거의 무한한 에너지원이면서도 화석연료를 사용하지 않아 유류수급에 따른 영향을 받지 않고 화석연료를 사용했을 때 발생되는 CO₂의 배출이 없어 친환경적인 시스템이다.

그러나 해수 온도차 에너지를 이용한 히트 펌프 시스템에 있어서 고효율 펌프 설계, 히트 펌프 및 취수배관 시공, 열교환방법, 시스템을 운용하기 위한 제어기술 등 복합 기술은 시스템의 양부를 결정하는 중요한 선결과제이며, 특히 수질에 문제가 있는 오염부식성의 열원수로서 해수는 열교환기 오염방지 및 부식대책, 해양생물부착 방지 등 전처리기술의 확립이 요구된다.

또한 전 세계적으로 물 부족현상이 심각성하여 지속가능한 수자원의 확보가 를 위하여 해수 내 염분을 제거하여 담수를 생산하는 해수담수화는 댐 다음으로 다량의 수자원을 확보할 수 있어 해수담수화 기술은 생활용수 및 공업용수의 부족으로 인하여 야기되는 문제를 해결하기 위한 효과적인 기술이나 해수 열원 히트 펌프 냉난방 시스템과 해수 담수화 시스템을 연계한 고효율의 히트 펌프 냉난방 시스템은 아직 개발되지 않았다.

이에 본 발명자는 전술한 종래 해수 열원 히트 펌프 냉난방 시스템의 제반 문제점을 해결하여 경제적이고 환경 친화적인 방법의 해수 열원 히트 펌프 냉난방 시스템을 개발하고자 노력한 결과 해수의 열원적 성질을 냉난방 및 급탕용도로 활용하기 위하여 지형 여건에 따라 해수를 효율적으로 취수하고 에너지원 변환설비로 히트펌프를 이용하되 해수담수화 장치를 효율적으로 연계시켜 해수에서 염분이 제거된 담수를 중수로 공급하게 함으로써 환경오염을 방지하면서도 에너지 소비를 최소화시키는 냉난방, 급탕 및 생활 용수 급수(중수) 시스템 구성으로 본 발명을 완성하게 된 것이다.

전술한 바와 같이 종래의 해수 열원 히트 펌프 냉난방 시스템은 제반 문제점을 가지고 있는바,

청정도가 비교적 높은 해수(Sea Water)나 지하 해수를 취수할 수 있게끔 섬 또는 내륙 해안 지역 등 지형적 입지조건에 맞춰 해수 취수구 위치를 선정하고(해수 취수원 다변화) 이에 맞춰 견고하고 안전한 취수 장치를 구축하고 효율적으로 취수되는 불량한 수질의 해수를 정화시켜 적정한 유량의 해수를 지속적으로 히트 펌프 냉난방 장치에 공급하고,

취득한 일정 온도의 해수(하절기 21∼26℃, 동절기 3∼16℃)를 열원수로 히트 펌프 냉난방 장치를 환경친화적이고 에너지 절약적으로 운전하여 전체 냉난방 시스템 효율을 향상시키며,

에너지 절약적인 담수 장치를 이용 해수를 담수화시켜 생활용수로 공급하되 폐기되는 농축수(Concentrate Water) 방출에 따른 환경영향을 최소화하는 방법으로 적절한 배수 설비를 구비하여 확산 방류시키고,

열교환 후 그냥 버리던 폐 해수를 동시에 이용하여 동절기는 물론 하절기에도 적정 온도 해수의 효율적인 공급이 가능하여 해수의 지형적 요인이나 계절적 요인에 관계없이 열 효율이 높고 에너지 소비율이 낮은 고효율의 에너지 절약적인 해수 이용 히트 펌프 냉난방 시스템을 구성하여야 하는 기술적 과제가 있다

본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하기 위하여 창안한 것으로서,

섬 또는 내륙 해안 지역 등 지형적 입지조건에 맞춰 도시 인근 바다에서 직접 해수를 취수하거나 내륙 해안가에 취수정을 설치하여 지하 해수를 파이프로 끌어올려 취수할 수 있어 청정도가 높은 해수나 지하 해수를 친환경적이면서 에너지 절약적으로 취수할 수 있게끔 견고하며 안전한 해수 취수 장치를 구축하고(해수 취수 장치),

이렇게 구축된 선택적으로 해수 취수 장치에 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치를 효율적으로 연계하되(해수 취수장치와 히트펌프 연계),

해수 취수장치에 의하여 공급되는 일정 유량의 해수를 해수 열교환기를 이용 히트펌프와 해수의 직접 접촉 없는 간접 열교환 방식으로 히트 펌프 열원용 순환수와 열교환한 후 해수열을 취득하고(해수열교환장치),

상기와 같이 취득된 해수열을 히트펌프의 열원으로 이용하여 해수 에너지의 에너지 변환에 따른 열손실을 최소화하면서 해안 지역 열수요처 시설에 냉방과 난방 및 급탕을 동시에 실시하고(히트 펌프 냉난방 장치),

취수된 해수는 역삼투압 담수화장치로 염분이 제거된 중수로 변환시켜 생활용수로 공급하는 환경친화적이고 에너지 절약적인 방법의 해수를 이용한 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치를 제공하는데 목적이 있다.

이와 같이 된 본 발명은,

바다와 밀접해 있어 위치적으로 유리한 입지적 조건을 가진 지역에 무한히 존재하는 청정도가 높은 해수나 지하 해수를 친환경적이면서 에너지 절약적으로 취수할 수 있어 다양한 취수원에 적용이 가능하며,

선택적으로 적용되는 해수 취수 장치에 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치를 효율적으로 연계하고 온도차 에너지로서 해수나 지하 해수의 열원적 성질을 유익하게 이용하고 해수 취수 장치에서 취득한 해수열을 다용도 열원으로 사용하여 열 효율은 높이면서 에너지 소비는 최소화시키는 방법으로 히트펌프로 건물 등의 냉방 및 난방, 급탕을 복합적으로 수행함은 물론 담수화 장치로 생산된 중수를 생활용수로 공급할 수 있어 에너지 절약적이고 환경친화적인 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치이다.

.

또한 본 발명의 해수 담수화 장치는 해수를 담수화 및 여과시키는 방법으로 다량의 중수자원을 확보할 수 있어 섬이나 해안가 물부족 지역 등에서의 용수수급 문제도 동시에 해결할 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부 도면에 의하여 상세하게 기술하면 다음과 같으며 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지의 구성 요소 에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

본 발명은 해수 취수 장치(A)에 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치(B)가 연계되어 해수 취수장치에 의하여 공급되는 일정 유량의 해수를 열원으로 해수 열교환기(1)를 통하여 히트 펌프 순환수와 열교환 한 후 해수 히트펌프(2)로 건물 등의 냉방 및 난방, 급탕, 급수(중수)기능을 복합적으로 수행하는 에너지 절약적이고 환경친화적인 해수를 이용한 복합 기능 해수온도차 히트 펌프 냉난방 장치이다.

상기한 해수 취수 장치(A)는 섬 또는 내륙 해안 지역 등 지형적 입지조건에 맞춰 해안가 인근 바다 해저에 유지관리 비용이 저렴하며 대용량의 취수가 가능한 취수구를 설치하고 취수 배관(파이프 라인)을 통하여 청정도가 높은 해수를 해저 5∼50m이하의 심해에서 직접 취수하거나, 내륙 해안가에 기본적인 우물의 형태인 수직 취수정(관정)을 설치하여 지하 해수(염지하수)를 취수관(파이프)으로 끌어올려 취수하는 내륙 지하 해수 취수장치를 선택적으로 설치할 수 있는데, 상기 지하 해수 관정 취수장치는 취수 용량이 제한적이기는 하나 설치가 용이하고 공사비가 저렴한 특성이 있어 소규모 히트펌프 냉난방 장치에 적용이 가능한 내륙 해안에 우물(취수정, 관정)을 설치하여 지하 해수를 양수하는 장치로서,

육상에 해수 취수 펌프를 설치하고 취수관에 타공관이 연장 형성된 지하 해수 관정 취수 장치와 이중 관으로 형성된 케이싱 내에 수중 모터가 내장되어 모래가 유입되지 않게끔 취수하는 지하 해수 심층 취수 장치로 구분되며 본 발명에서는 상기와 같이 다변화된 취수 장치(취수원)를 현장 여건에 따라 선택적으로 장착하게 된다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의하여 상세히 설명한다.

도 1에 본 발명의 제1 실시예로 도시한 바와 같이 본 발명의 연안 해역 해수 취수 장치가 구비된 해수를 이용한 히트 펌프 냉난방 장치는 해안에서 일정 거리(약 40∼50m) 떨어진 바다 심해 약 5m~50m정도 수심에 취수구(110)를 설치하고 취수 배관(140)을 해안가에 위치한 취수장(Basin)(130)에 연결하여 해수를 직접 취수하는 해수 취수 장치(A)에 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치(B)가 연계되는 구성으로 해수를 열원으로 하는 해수 온도차 냉난방과 급탕 및 염분이 제거되어 담수화된 해수를 정화시켜 생활용수(중수)를 건물이나 시설물에 공급하는 급수기능을 수행함으로써 냉방 및 난방, 급탕, 급수(중수)의 복합기능을 취수와 냉난방 장치가 유기적으로 결합된 하나의 장치로 에너지 절약적이고 환경친화적으로 수행하는 시스템 구성이다.

상기 본 발명의 제1 실시예로 연안 해역 해수 취수 장치가 구비된 해수를 이용한 히트 펌프 냉난방 장치는 해수 취수 장치(A)에 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치(B)가 연계 구성되는 해수를 이용한 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치에 있어서,

상기 해수 취수 장치(A)는 연안 바다 심해의 해수를 취수하는 취수구(110)와 취수구(110)에 연결되어 취수된 해수를 취수장(130)에 전달하는 파이프 라인의 취수배관(140)과, 상기 취수 배관(140)에 연결되어 해저에서 공급된 해수를 해수 취수 펌프(131)를 이용 히트 펌프 냉난방 장치(B)의 해수 열교환기(1)에 공급하는 취수장((Basin)(130)을 순차적으로 포함함으로써 열교환에 필요한 적정 온도범위 이내의 해수를 지속적으로 공급할 수 있게 구성되고,

상기 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치(B)는 상기 해수 취수 장치(A)에서 취수된 해수를 히트 펌프 열원용 냉난방 순환수와 열교환시켜 해수 히트 펌프(2)에 공급하는 해수 열교환기(1), 해수 열교환기(1)에 배관 연결되어 예열된 냉난방 순환수를 가열(냉각)시켜 냉온수 공급 헤더(3a) 및 냉온수 환수 헤더(3b)를 통하여 열 수요처 시설의 FCU(팬클링 유닛)(13)에 공급하고 환수되는 히트 펌프 냉난방수 순환 배관으로 냉난방을 수행하는 해수 히트 펌프(2), 해수 히트 펌프(2)에서 가열(냉각)된 냉난방 순환수를 열 수요처 FCU(13)에 공급하고 환수되는 냉온수 공급 헤더(3a) 및 환수 헤더(3b)에,

취수된 해수(3방 밸브를 이용하여 해수 열교환기를 순환한 해수 또는 해수 취수 장치(A)에서 직접 공급되는 해수를 계절에 따라 선택적 공급)와 열교환하여 취득한 열을 급탕용 히트 펌프(5)에 공급하는 급탕용 열교환기(4), 급탕용 열교환기에서 얻은 열로 냉난방 순환수(급탕수)를 가열하여 시설 내 열수요처 급탕(급수) 설비(12)로 공급하는 급탕 히트 펌프(5), 가열된 급탕수를 저장하는 급탕 탱크(6)가 순차로 구비되고,

상기 급탕 탱크(6) 후단으로 해수 열교환기(1)와 해수 히트펌프(2) 사이를 순환하고 감온된 해수를 바다로 방출하지 않고 담수하는 해수 담수조(7), 해수 담수조(7)에서 공급되는 해수에 포함된 염분을 제거하여 담수화시키는 역삼투압(R/O) 정수장치(8), 역삼투압(R/O) 정수장치(8)에서 담수화된 담수처리 해수를 공급받아 저장하고 시설 내 열수요처 급탕(급수) 설비(12)를 통하여 화장실 등의 생활 용수 로 공급하는 저수조(9)가 순차적으로 형성되어 냉방 및 난방, 급탕, 급수(중수)의 복합기능을 에너지 절약적이고 환경친화적으로 수행하게 된다.

상기 본 발명의 제1 실시예에 따른 연안 해역 해수 취수 장치를 보다 구체적으로 설명하면,

연안 해역 해수 취수 장치는 연안 바다 심해에 설치되어 해저의 심층 해수를 취수하는 취수구(110)와 취수구(110)에 해저 암반에 견고하게 고정된 취수배관(140)으로 연결되어 취수된 해수를 해수 취수 펌프(131)를 이용 히트 펌프 냉난방 장치의 해수 열교환기(1)에 공급하는 취수장(130)으로 구성되어 청정도가 높은 해수를 심해에서 직접 취수하여 히트 펌프 냉난방 장치에 공급하는 해수 취수 장치이고,

상기 취수구(110)는 해안의 수질에 따라 차이는 있으나 연안에서 일정 거리 떨어져서 오염이 덜되고 파도나 해일, 태풍 등에 의한 자연재해에도 안전한 해수를 이용하기 위하여 해역의 해수면에서 5m~50m 정도 깊이의 수심 해저 암반층에 설치되어 청정한 해수를 사이펀(Siphon) 현상에 의하여 취수하는 콘크리트 해저 구조물 형태의 취수구로서 내부에 수용 공간이 형성된 육면체 형상의 취수구 몸체(111) 일측의 외주벽 중심으로는 인입되는 파이프 형태의 취수배관(140)을 고정 안착시키는 배관 연결구멍(113)이 형성되고 배관 연결구멍(113)이 형성된 벽을 제외한 3면의 외주벽으로는 네트형 스테인레스 망체 스크린(112)이 설치되어 해저 이물질의 유입을 1차적으로 방지하면서도 해수를 효율적으로 흡인할 수 있게끔 구성되며, 또한 취수구 몸체(111) 전면으로 삽입되는 취수배관(140)의 말단 일부로는 스트레이너(114)가 설치되어 물고기나 따개비가 흡입되지 않도록 하고 취수구 몸체(110) 내부 중앙에 장착되는 스트레이너(114) 주위에 중량이 많이 나가는 모래 및 자갈 주머니(115)를 충전하고 매립함으로써 취수구의 안정성을 확보하는 구성으로서 취수구의 중량은 취수 배관 파이프 길이에 따라 다르게 하여 파도나 해일에 의해서도 파손되거나 움직이지 않도록 하는데 스트레이너는 오염을 줄이기 위하여 자동 역세 기능을 가진 스트레이너를 설치하는 것이 바람직하다.

또한 상기 취수구 몸체(111)로 삽입되는 파이프 라인의 취수배관(140)을 고정하는 취수배관 고정물(120)은 반원형의 취수배관 안치홈(122)이 형성된 콘크리트 구조물로서 하부 몸체(121)를 하부 몸체 양 측면에 다수 개 구비된 측면 날개 형상 앵커 체결편(126)의 앵커 삽입 구멍에 앵커(127)를 삽입하고 해저 암반에 견고하게 고정하게 되며, 하부 몸체(121)의 안치홈(122)에 취수 배관(140)을 고정한 상태에서 하부 몸체(121)와 상하 결합되는 상부 덮개(123)도 너트 형태 날개편 형상인 볼트 체결편(124)을 양 측면에 구비하여 볼트 체결편(124)에 형성된 나사공에 볼트(125)를 삽입 볼트로 조여서 견고하게 고정함으로써 파도나 해일에 의해서 파손되지 않도록 하였으며 해저 암반 지형에 맞춰 굴곡지게 형성되는 곡선형 파이프 라인의 취수배관(140)을 중간 중간을 단속적으로 커버하여 경제적으로 고정할 수 있게끔 취수배관 고정물(120)의 길이는 적정한 길이로 한정시키고 적당한 거리로 띄엄띄엄 장착한다.

또한 취수 배관(140)은 부식이 발생하지 않으면서 적정의 탄성력을 가지면서도 일정한 강도가 유지되는 폴리에틸렌 파이프 등 플라스틱 소재로 된 원형 관체를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 취수 배관(140)으로 연결되어 취수된 해수를 히트펌프 냉난방 장치에 공급하는 취수장(130) 시설도 해수면 보다 낮은 소정 위치의 해안가 지하에 콘크리트구조물로 견고하게 제작하되 해수가 월류할 수 있게끔 소정 높이의 칸막이 격벽으로 구획되는 다수개의 격실(침전 및 여과조)을 형성하고 취수된 해수를 조밀한 메시 망체의 2중 스크린으로 여과시키면서 비중 차가 나는 모래나 해조류 등의 이물질을 여러 번 침전시켜 이물질이 없는 깨끗한 해수를 수중용 해수 취수 펌프(131)로 펌핑하여 해수 히트 펌프 냉난방 장치(B)에 공급하게 되는데 수중용 해수 취수 펌프(131)는 취수장(130) 바닥에 설치하여 해수에 포함된 공동현상으로 인한 펌핑 장애(Trouble)를 해소시킨다.

즉 상기 취수장(130)에는 칸막이 격벽으로 침전 및 여과조가 형성됨으로써 자연 유입된 해수 중의 부유물 및 모래 등을 1차적으로 침전시키게 되며 2중으로 중첩 형성된 스크린(미도시함)은 침전 후 잔존하는 물고기나 해조류 등을 다시 걸러주게 됨으로써 깨끗하게 여과된 해수를 수중용 해수 취수펌프(131)로 흡입하여 인입 배관을 통하여 히트펌프 냉난방 장치에 공급할 수 있게 되는 것이다.

또한 상기 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치(B)는 열수요처 시설물의 지하에 설치되며 상기 해수 취수 장치(A)에서 취수된 해수를 히트 펌프 열원용 냉난방 순환수와 열교환시켜 해수 히트 펌프(2)에 공급하는 해수 열교환기(1), 상기 해수 열교환기(1)에 배관 연결되어 예열된 냉난방 순환수를 가열(냉각)시켜 냉온수 공급 헤더(3a) 및 환수 헤더(3b)를 통하여 시설의 FCU(13)에 공급하고 환수되는 히트 펌프 냉난방수 순환 배관으로 냉난방을 수행하는 해수 히트 펌프(2), 해수 히트 펌프(2)에서 가열(냉각)된 냉난방 순환수를 열 수요처 FCU(13)에 공급하고 환수되는 냉온수 공급 헤더(3a) 및 환수 헤더(3b)로 냉난방수 순환 회로를 구성하고,

해수 히트 펌프(2)가 해수 열교환기(1)를 열중계처로 하여 온도차 에너지인 해수와 직접 접촉하지 않는 간접 열교환 방식으로 열교환한 해수열을 가지고 해수 에너지의 에너지 변환에 따른 열손실을 최소화하면서 해안 지역 열수요처 시설에 냉방과 난방 및 급탕을 동시에 실시하게 된다.

또한 종래 해수 열교환기(1)를 통하여 열교환 후 바로 방출됨으로써 쓸모없 이 낭비되던 열원으로서 해수 히트 펌프(2)와 해수 열교환기(1) 사이를 순환한 해수를 열원으로 급탕용 열교환기(4)에서 열교환하여 얻은 열을 가지고 급탕용 히트 펌프(5)에서 냉난방 순환수(급탕수)를 가열하여 시설 내 열수요처 급탕(급수) 설비(12)로 겨울은 물론 여름에도 뜨거운 온수를 공급하는 급탕 사이클을 구현하게 되며 이때 급탕 탱크(6)에서는 급탕용 히트펌프(5)에서 가온시킨 급탕수를 저장하고 급탕 전동 밸브(11)(11a)의 밸브 동작으로 각 수요처에서 필요한 급탕을 실시하게 되는데,

여름철에는 해수 열교환기(1)를 통하여 순환한 해수를 급탕 열원으로 이용할 수 있으나 겨울철에는 해수 열교환기(1)에서 순환되어 환수되는 해수는 온도가 낮아지게 되므로 해수 인입 배관 상에 장착된 3방 밸브를 이용 배수관(15)을 통하여 바다에 그대로 방류하게 하고 그 대신에 해수 취수 장치(A)에서 직접 공급되는 해수만을 공급하게 된다.

또한 상기 급탕 탱크(6) 후단에 위치하여 해수 취수 장치(A)에서 직접 공급되고 급탕 열교환기(4)와 급탕 히트 펌프(5)를 순환한 후 공급되는 해수를 담수하는 해수 담수조(7), 상기 해수 담수조(7)에서 공급되는 해수에 포함된 염분을 제거하여 담수화시키는 역삼투압(R/O) 정수장치(8), 그리고 상기 역삼투압(R/O) 정수장치(8)에서 담수화된 담수처리 해수를 공급받아 저장하고 시설 내 열수요처 급탕(급수) 설비(12)를 통하여 화장실 등의 생활 용수로 공급하는 저수조(9)가 순차적으로 형성되어 염분이 제거되고 정수된 담수(해수)를 저수조(9)에 저장하고 열 수요처 건물의 각 층에 정수된 해수를 생활용수로 공급하는 담수화 급수 과정을 수행하게 된다.

또한 급탕 열교환기(6)와 급탕 히트 펌프(7) 사이를 순환한 해수가 해수 담수조(7)에 이송 저장됨에 있어서 해수 담수조(7)의 액면 높이를 검출하는 플로트 스위치(float switch, 레벨 스위치)(번호 미표기)에서 만수 수위 알람을 경보할 경우 해수 담수조(7)로 통하는 유로 개폐용 전동밸브(10)의 절환 작용으로 배수 후 배수관(15)을 통하여 바로 바다에 해수를 방류하게 되며 해수 담수조(7)가 저수위로서 만수 수위 경보 알람이 발생하지 않을 경우에는 해수 담수조(7)로 펌핑 이송된다.

그리고 본 발명의 해수 담수화장치는 바닷물 중에 녹아 있는 염분을 제거해 민물을 얻는 장치이고 해수 담수화장치 중의 하나인 상기 역삼투압(R/O,Reverse Osmosis) 정수장치(8)는 막의 선택적 투과를 이용하여 바닷물에서 염분을 제거하는 경제적 탈염장치로서, 식물의 삼투압 원리를 기초로 하여 인공적으로 만든 반투막을 사이에 두고 역으로 상당한 압력을 가하여 해수와 담수를 분리하는 장치로 해수 담수조(7)의 해수를 흡입하고 정수 처리하여 정수된 해수를 저수조(9)로 이송하게 되며 해수담수화 처리되어 염분 농도가 상승한 농축수는 배수관(15)을 통해 바다로 방류하게 되는데 주변 해수와 쉽게 배합 및 희석됨으로써 해양 생태계에 미치는 환경영향을 최소화하기 위하여 배수관(15)을 바다의 중간 높이에 설치하여 바다 수중 에 수평으로 확산 방류하는 것이 바람직하다.

결국 상기와 같이 본 발명의 해수 담수화장치는 펌프를 통해 해수 및 담수를 운반하면서 역삼투압법을 이용하여 해수를 담수화시키는 역삼투압(R/O) 정수장치(8)에서 배출되는 해수 이외에 해수 담수조(7)로 유입되기 전 해수 담수조(7) 수위의 만수 경보가 있을 경우에도 해수가 다음 공정 장치로 이송되지 못하고 배수관(15)을 통하여 바다로 전부 방류되는 것으로서, 본 발명은 제어장치에서 전달되는 운전상태 정보로 해수의 입출수 동작과 유량이 효율적으로 제어되어 일정한 유량의 담수화가 자동으로 이루어질 수 있으며, 일정유량을 담수화시킴에 따라 불필요한 에너지소모를 줄일 수 있어 R/O 시스템의 운전에 따른 비용을 최소화시킬 수 있게 되는 것이다.

여기서 해수 열교환기(1)와 급탕 열교환기(4)는 순환관과 해수 이송관이 각각 그 상하단에 연결되어 순환관과 해수 이송관의 내부를 순환하는 매체들 간에 상호 열 교환이 이루어지도록 하는 구성으로서 해수 열교환기는 염분이 많이 포함되어 있는 해수로부터 열교환기의 부식을 방지하기 위해 내식성이 우수한 티타늄으로 제작을 하는 것이 바람직하며 유체 이송 배관의 중간 경로상에는 유체를 펌핑하기 위한 다수개의 펌프와 밸브가 구비된다.

결국 본 발명의 일실시예로서 해수온도차를 이용한 히트펌프 냉난방 시스템 은 해수를 취수 배관(파이프)으로 끌어올리고 히트펌프를 이용해 직접 냉방 및 난방, 급탕을 실시함은 물론 해수를 여과 및 담수화시켜 공급하는 급수(중수)의 복합기능을 에너지 절약적이고 환경친화적으로 수행하게 되며 지표수원이 부족한 해안지역 및 도서지역에 수질 용도 요구 조건을 충족시킬 수 있는 대체수자원으로써 도입 타당성이 있게 되는 것이다.

'지하염수'는 해안의 지하 심층부 암반층에서 암반의 공극이나 균열을 따라 해양 심층부의 해수가 틈입, 육지의 지하 심층 대수층을 따라 흘러 내려온 천연 암반 지하수와 지질학적 시간과 공간의 조건에서 상호 교호작용, 저류, 숙성, 이온화된 물이다.

또한 상기 본 발명 제1 실시예의 연안 해역 해수 취수 장치가 구비된 해수를 이용한 히트 펌프 냉난방 장치를 이용하여 바다 심해에서 해수를 취수하는 방법 이외에 지하 염수를 취수하는 장치로 대체하여 내륙 해안 지역 특성에 맞춰 기본적인 우물의 형태로서 수직 취수정(관정)을 설치하여 지하 해수(염지하수)를 취수관(파이프)으로 끌어올려 취수하는 연안 내륙 지하 해수 관정 취수 장치는 도 5 내지 도 6에 도시한 바와 같은데,

상기 제 2 실시예의 관정 해수 취수 장치는 해안지역의 지하수에 염수가 침투된 지하 해수(염지하수)를 취수하는 장치로, 내륙 해안지역에 지하 해수 취수 펌프(211)와 맨홀(212)이 구비된 콘크리트 구조물(210)로 형성된 형태의 펌프실(기계실)을 설치하고 수직으로 50m이상 천공하여 외부 케이싱(STS관)(215)을 설치한 다음 외부 케이싱(215) 안으로 모래층(5m 이내)에서부터 암반층(5∼50m 이내) 상단부 1m 깊이까지는 모래가 유입되지 않도록 타공이 없는 통상의 단순 파이프 형태 상부 취수본관(213)을 설치하고 여기에다 취수가 용이하도록 약 16 mm 직경으로 타공된 하부 타공관(214)(연장관)을 연장 장착하여 모래가 유입되지 않으며 연중 일정한 온도를 유지하는 5∼50m 암반층에서 지하 해수를 흡입 취수하여 해수 열교환기(1)로 보내서 열교환시켜 히트 펌프 열원으로 공급하게 하는 구성으로서,

암반 대수층에서 지하 해수를 취수하는 방식이므로 해수가 대수층을 통과하면서 부유성 고형물, 미생물 등이 걸러지므로 양질의 해수를 얻을 수 있고 설치가 용이하며 공사비가 저렴하므로 소규모 히트펌프 냉난방 장치에 적용이 가능한 장점이 있는바 여기에 연계되어 냉난방 및 급탕, 급수 기능을 동시에 수행하는 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치(B)는 전술한 실시예1의 구성과 동일하므로 자세한 설명은 생략한다.

또한 본 발명에 따른 제 3실시예로서 지하 해수 심층 취수 장치는 도 7 내지 도 8에 도시한 바와 같이,

해안지역의 지하수에 염수가 침투된 지하 해수(염지하수)를 취수하는 장치로, 내륙 해안지역에 맨홀(315)이 구비된 콘크리트 구조물(310)로서 펌프실(기계실)을 설치하고 수직으로 50m이상 천공하여 외부 케이싱(STS관)(313)을 설치한 다음 외부 케이싱(313) 안에 내부 케이싱(312)이 동심원상의 중첩적으로 설치된 이중 원관 형상으로 형성하되,

모래층(5m 이내)에서부터 암반층(5∼50m 이내) 상단부 1m 깊이까지는 모래가 유입되지 않도록 내부 케이싱(312)을 타공이 없는 PE 또는 PVC 재질 파이프 형태로 구성하고 이에 연장되는 하부 연장관도 동일한 재질로 16 mm 직경으로 타공된 타공관으로 부가 형성하게 되며, 내부 케이싱(312) 안쪽으로는 통상의 타공이 없는 단순 파이프 형상의 PE 재질 취수 본관(311) 말단부에 해수 수중 펌프(314)가 설치되어 연중 일정한 온도를 유지하는 5∼50m 암반층에서 지하 해수를 흡입 취수하여 해수 열교환기로 보내서 열교환시켜 히트 펌프 열원으로 공급하게 하는 구성이다.

따라서 본 발명의 제 3실시예로서 지하 해수 심층 취수 장치는 해수 수중 펌프(314)를 설치함으로써 지상의 펌프장 설치 면적이 최소화되고 복잡한 기계장치가 불필요하게 노출될 필요가 없어 단순화되어 시공이 용이한 효과가 있고 소규모 히트펌프 냉난방 장치에 적용이 편리하며 특히 본 발명은 이중관 형태로 내구성이 있으며 부식에도 강하게 된다.

결국 본 발명은 미활용에너지인 해수를 지형적 여건에 따라 다변화된 해수 취수원 장치 중에서 가장 효율적인 방식으로 선택하여 해수를 안전하게 취수하고 이렇게 취득한 해수를 히트 펌프 열원으로 활용 냉난방 온도차 에너지를 생성하고 사계절 냉난방 및 급탕은 물론 해수(염수)를 담수화(민물화)시켜 생활용수(중수)로 공급함으로써 에너지절약 및 에너지의 고효율 이용 그리고 공해방지와 경제성을 모두 충족시키는 효과가 있다.

따라서 본 발명은 정부 시책인 ‘저탄소 녹색성장’ 프로젝트에 적극 부응하여 온실효과 유발 가스의 배출이 거의 없게 됨으로써 지구 온난화를 억제하기 위한 기후변화협약의 이행에도 크게 기여할 수 있게 되므로 국가 경쟁력을 향상시키게 된다.

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 본 발명의 제 1 실시예로서 연안 해역 해수 취수 장치가 구비된 해수를 이용한 히트 펌프 냉난방 장치 전체 시스템 구성을 개략적으로 도시한 시스템 구성도

도 2는 본 발명의 히트 펌프 냉난방 장치 시스템 구성을 확대 도시한 시스템 구성 도면

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연안 해역 해수 취수 장치 취수 배관 고정 구조물을 도시한 도면으로서

3a는 정면 구성도

3b는 사시 도면

도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 연안 해역 해수 취수 장치 취수구 구성을 상세 도시한 도면으로서

4a는 취수구의 사시 도면

4b는 취수구의 평면 구성 도면

도 5는 본 발명의 제 2 실시예로서 내륙 해안가 지하 해수 관정 취수 장치가 구비된 해수를 이용한 히트 펌프 냉난방 장치 전체 시스템 구성을 개략적으로 도시한 시스템 구성도

도 6은 본 발명의 제 2 실시예로서 내륙 해안가 지하 해수 관정 취수 장치 상세 구성 도면

도 7은 본 발명의 제 3 실시예로서 내륙 해안가 지하 해수 심층 관정 취수 장치가 구비된 해수를 이용한 히트 펌프 냉난방 장치 전체 시스템 구성을 개략적으로 도시한 시스템 구성도

도 8은 본 발명의 제 3 실시예로서 내륙 해안가 지하 해수 심층 관정 취수 장치 상세 구성 도면

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

A:해수취수 장치 B:히트 펌프 냉난방(급탕) 장치

1:해수 열교환기 2:해수 히트펌프

3a:냉온수공급 헤더 3b:냉온수 환수 헤더

4:급탕 열교환기 5:급탕 히트펌프

6:급탕 탱크 7:해수 담수조

8:역삼투압 정수장치 9:저수조

10:전동밸브 11, 11a: 급탕용 전동밸브

12:급탕(급수)설비 13:FCU(팬 클링 유닛)

15:배수관 110:취수구

111:취수구 몸체 112:망체 스크린

113:배관 연결구멍 114:스트레이너

115:자갈 및 모래주머니 120:취수 배관 고정물

121:하부 몸체 122:안치홈

123:상부 덮개 124:볼트 체결편

125:볼트 126:앵커 체결편

127:앵커 130:취수장

131:해수 취수 펌프 140:취수 배관

210:콘크리트 구조물 211:해수 취수 펌프

213:상부 취수 본관 214:하부 타공관

215:외부 케이싱

310:콘크리트 구조물 311:취수관

312:내부 케이싱 313:외부 케이싱

314:해수 수중 펌프

Claims (8)

1. 해수 취수 장치(A)에 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치(B)가 연계된 히트 펌프 냉난방 장치로서, 상기 해수 취수 장치(A)는 섬 또는 내륙 해안 지역 등 지형적 입지조건에 맞춰 해안가 인근 바다 해저에 대용량의 취수가 가능한 취수구(110)를 설치하고 취수 배관(140)(파이프 라인)을 통하여 청정도가 높은 해수를 해저 5∼50m이하에서 직접 취수하는 연안 해역 해수 취수 장치나, 내륙 해안에 우물을 설치하여 지하 해수를 양수하는 지하 해수 관정 취수장치로서 육상에 해수 취수 펌프(211)를 설치하고 취수관에 타공관이 연장 형성된 지하 해수 관정 취수 장치 또는 이중 관으로 형성된 케이싱 내에 해수 수중 펌프(314)가 내장되어 모래가 유입되지 않게끔 취수하는 지하 해수 심층 취수 장치 중에서 현장 여건에 따라 선택하고 구축하여 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치(B)에 연계 결합하고, 상기 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치(B)는 상기 해수 취수 장치(A)에 의하여 공급되는 해수를 해수 열교환기(1)를 이용 히트펌프(2)와 해수의 직접 접촉 없는 간접 열교환 방식으로 히트 펌프 열원용 순환수와 열교환한 후 해수열을 취득하고, 상기와 같이 취득된 해수열을 히트펌프의 열원으로 이용하여 해안 지역 열수요처 시설에 냉방과 난방 및 급탕을 동시에 실시하며 취수된 해수는 역삼투압 담수화장치(8)로 염분이 제거된 중수로 변환시켜 생활용수로 공급하는 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치에 있어서,

   상기 해수 열원 히트 펌프 냉난방 장치(B)는 상기 해수 취수 장치(A)에서 취수된 해수를 히트 펌프 열원용 냉난방 순환수와 열교환시켜 해수 히트 펌프(2)에 공급하는 해수 열교환기(1), 해수 열교환기(1)에 배관 연결되어 예열된 냉난방 순환수를 가열(냉각)시켜 냉온수 공급 헤더(3a) 및 환수 헤더(3b)를 통하여 열수요처 시설의 FCU(13)에 공급하고 환수되는 히트 펌프 냉난방수 순환 배관으로 냉난방을 수행하는 해수 히트 펌프(2), 해수 히트 펌프(2)에서 가열(냉각)된 냉난방 순환수를 열 수요처 FCU(13)에 공급하고 환수되는 냉온수 공급 헤더(3a) 및 환수 헤더(3b)에 이어서, 해수와 열교환하여 취득한 열을 급탕용 히트 펌프(5)에 공급하는 급탕용 열교환기(4), 급탕용 열교환기에서 얻은 열로 냉난방 순환수(급탕수)를 가열하여 시설 내 열수요처 급탕(급수) 설비(12)로 공급하는 급탕용 히트 펌프(5), 가열된 급탕수를 저장하는 급탕 탱크(6)가 순차로 구비되고, 상기 급탕 탱크(6) 후단으로 해수 열교환기(1)와 해수 히트펌프(2) 사이를 순환하고 감온된 해수를 바다로 방출하지 않고 담수하는 해수 담수조(7), 해수 담수조(7)에서 공급되는 해수에 포함된 염분을 제거하여 담수화시키는 역삼투압(R/O) 정수장치(8), 역삼투압(R/O) 정수장치(8)에서 담수화된 담수처리 해수를 공급받아 저장하고 시설 내 열수요처 급탕(급수) 설비(12)를 통하여 화장실 등의 생활 용수로 공급하는 저수조(9)가 순차적으로 형성되어 냉방 및 난방, 급탕, 급수(중수)의 복합기능을 에너지 절약적이고 환경친화적으로 수행함을 특징으로 하는 해수를 이용한 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 1항에 있어서, 급탕 열교환기(4)에 급탕 열원으로 공급되는 해수는 3방 밸브를 이용하여 하절기에는 해수 열교환기를 순환한 해수를, 동절기에는 해수 취수 장치(A)에서 직접 공급되는 해수를 계절에 따라 선택적으로 공급함을 특징으로 하는 해수를 이용한 복합 기능 히트 펌프 냉난방 장치

Images