KR101095213B1

KR101095213B1 - 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템과 그 시스템의 운영방법

Info

Publication number: KR101095213B1
Application number: KR1020090093795A
Authority: KR
Inventors: 박기택
Original assignee: 박기택
Priority date: 2009-10-01
Filing date: 2009-10-01
Publication date: 2011-12-16
Also published as: KR20110036241A

Abstract

본 발명은 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템과 그 시스템의 운영방법에 관한 것으로, 바다 속에서 해수를 취수하여 해수송수관(22)을 통해 공급하는 복수의 수중펌프(M); 상기 수중펌프(M)에서 공급된 해수를 고압 급수용 부스터펌프(BP)를 통해 공급하는 메인 공급매니폴드(10); 상기 부스터펌프(BP)에서 공급된 해수가 메인 분배매니폴드(11)를 거쳐 유입되면 담수에 부동액이 혼합된 순환수와 열 교환을 일으키는 해수 판 열 교환기(13); 상기 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환이 이루어진 해수를 해수복귀관(23)을 통해 바다로 내보내는 메인 복귀매니폴드(12); 상기 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환된 순환수를 순환관(24)을 따라 공급하는 공급매니폴드(14); 상기 공급매니폴드(14)에서 순환수가 유입되면 기체냉매와 열 교환을 일으키는 냉난방용 히트펌프 유닛(16); 상기 공급매니폴드(14)에서 순환수가 유입되면 기체냉매와 열 교환한 후 그 기체냉매가 응축되는 과정에서 냉.난방수와 열 교환을 일으키는 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21); 상기 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환이 이루어진 순환수를 해수 판 열 교환기(13)로 복귀시켜 순환시키는 복귀매니폴드(15); 상기 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환된 냉난방수가 냉난방관(25)을 따라 건축물의 냉방 또는 난방을 위하여 유입되는 건축물 클러스터(17); 상기 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환된 상수가 건축물의 온수 공급을 위하여 유입되는 보온탱크(18)를 포함하여 이루어진 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템을 포함하여 이루어진 것이다. 본 발명은 해양에너지로서 해수의 수온을 이용하여 효율적인 열 교환을 통해 건축물 클러스터의 크기나 높이와 상관없이 냉난방과 온수의 공급을 거의 무한하게 도모할 수 있고, 해양자원의 재활용과 지구온난화 방지 및 원가 절감된 온수의 공급 등을 구현한 효과가 있다.

해수, 수중펌프, 매니폴드, 히트펌프, 냉난방, 온수, 냉수, 디수퍼히터

Description

해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템과 그 시스템의 운영방법{Efficient Composition of District Air-conditioning and Warm Water Supply System by Using Seawater and Ancillary Operation Methods}

본 발명은 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템과 그 시스템의 운영방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 일정 온도의 해수를 상수와 열 교환시켜 열 교환된 상수로 냉난방을 하거나 온수를 공급하는 시스템과 이를 이용한 공급 및 운영방법에 관한 것이다.

일반적으로 신재생에너지로서, 태양광(열), 풍력, 수력, 파력, 조력, 수소, 폐기물, 바이오, 열 병합, 해양, 지열 등은 지속 가능한 에너지 공급체계를 위한 미래에너지 공급원이다.

현재 화석연료의 고갈과 더불어 지구 온난화 등에 대응하여 친환경의 그린에너지를 생산하고자 하는 연구와 활동이 확산되고 있다.

더욱이 신재생에너지는 과다한 초기투자의 장애요인에도 불구하고 화석에너지의 고갈문제와 환경문제에 대한 핵심 해결방안이라는 점에서 선진각국에서는 신재생에너지에 대한 과감한 연구개발과 보급정책 등을 추진하고 있는 실정이다.

신재생에너지 중에서 해양에너지는 해양의 조수, 파도, 해류, 온도차 등을 변환시켜 전기 또는 열을 생산하는 기술로써 전기를 생산하는 방식은 조력, 파력, 조류, 온도차 발전 등이 있다. 특히 온도차 발전은 해양 표면층의 온수, 즉 25∼30℃와 심해 500∼1,000m정도의 냉수, 즉 5∼7℃와의 온도차를 이용하여 열에너지를 기계적 에너지로 변환시켜 발전하는 기술이다.

상기 해양에너지의 온도차 발전은 지열에너지를 생산하기 위한 것과 마찬가지로 설치규모와 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.

더욱이 거의 무한한 자원으로 알려진 해양에너지를 이용하는 것은 시급한 과제 중 하나이다.

해수를 이용한 냉방기술은 50여 년 전에 대양을 왕복하는 수많은 선박들의 선복냉방의 필요에 의해 개발 되었다. 과학 및 기술의 발달로 해수용 수중펌프와 해수 판 열 교환기(Ocean Plate Heat Exchanger), 해수 수송관 등이 개발 되었고, 선복에 위치하는 송풍기(Blower Unit)와 그 송풍기 냉각수 코일(Blower Water Coil)로 부터 해수 판 열 교환기를 지속적으로 순환하는 담수관 등이 개발되어, 해심 약 30M에서 5~10℃의 해수를 상기 수중펌프로 취수하여 선복에 위치한 해수 판 열 교환기를 거쳐 복귀관을 통해 바다로 배출시키고, 다른 한편으로 해수 판 열 교환기로 송풍기 냉각수를 지속적으로 유입하여 열 교환 순환시켜 송풍기를 작동시킴으로 냉방을 했다. 지금도 이와 같은 방법으로 선박과 열대 지방에서 냉방을 하고 있다. 그 후 약 30년 전에 아이슬란드나 미국 등에서 지열 히트펌프(Ground Source Heat Pump, Geothermal Heat Pump)가 개발되면서 지중 열은 물론 저수지, 호수, 하천, 강 등의 수열도 이용하여 냉난방(Air-Conditioning) 시스템을 연구개발, 현실화시켰고, 요즈음은 하나의 각광 받는 재생 에너지가 되어 발전 일로에 있다.

또 하나의 무한한 에너지원인 해수를 냉난방, 특히 난방에 이용하는 것을 꺼려 온 것은 해수에 포함되어 있는 염분이 거의 모든 금속을 부식시키는 단점, 해수 취수장은 태풍, 지진해일(쓰나미), 해일 등을 견디어 내도록 건설해야 하는데 그 비용이 많이 드는 단점 및 해수 송수에 있어서 거리가 수 킬로미터 되는 경우도 있고 수두(Water Head)가 200M 이상으로 높은 경우도 있을 수 있는데 이를 극복하기 위해서는 역시 고 비용이 드는 단점 때문이었다. 그러나 상황은 달라졌다. 내염(耐鹽), 내 해수 수중펌프는 티타늄(Ti)이나 스테인리스강(鋼)(Stainless Steel)으로, 해수 송수관도 HDPE(High Density Polyethylene)관이나 스테인리스관 또는 티타늄관으로, 해수 판 열 교환기도 해수 통과 부분만 티타늄으로 제작 판매되고 있다. 일례로 아마 우리나라 군산 '새만금' 경제특구 전체의 냉난방을 감당할 내염 장비 및 자재비는 기존 지역난방 방식 시설의 굴뚝 1개 값도 안 될 수도 있다.

'새만금' 경제특구의 경우, 32Km가 넘는 제방 내에 커다란 해수 호수가 생겼다. 이런 경우는 위의 3가지 단점 중 2가지가 해결된다. 즉 취수장 건설비용과 수두(Water Head) 높이는 담수 호수나 저수지에 비해 같은 수준의 비용으로 가능하다. 나머지 하나는 염분의 부식 위험, 이것도 과학기술의 발달로 문제가 되지 않는다. 예로 현재 우리나라에서 채용되고 있는 지역난방은 열병합 발전소나 엘엔 지(LNG, 액화천연가스)를 연료로 하는 보일러의 중앙 공급방식이다. 그런데 이런 열 및 온수공급 시설을 건설하려면 수백억 원 단위의 투자를 하면서도 연료는 수입에 의존해야 하며 냉방을 위한 냉열공급은 못하고 있다. 그런데 해수를 이용한 효율적인 냉난방 및 온수공급 시스템을 채택하여 효율적인 운영방법들로 운영하면 냉방도 되고 난방도 되며 온수공급도 되는데 투자 및 사용자 부담은 축소되어 비용절감도 된다. 그야말로 일석이조의 효과를 창출하게 된다.

본 발명은 상기 해양에너지, 즉 해수가 갖고 있는 열을 이용하여 해수 판 열 교환기로 히트펌프의 순환수와 열 교환을 한 후, 그 순환수가 기체냉매와 열 교환하고, 기체냉매가 냉.난방수와 열 교환하여 지역 냉난방 및 온수를 공급할 수 있도록 하기 위한 것이 목적이다.

또한, 본 발명은 해양에너지로서 일정 깊이의 해수는 온도가 거의 일정하여 이를 이용할 경우에 화석연료를 사용하지 않아 친환경에 기여하고 지구온난화를 예방할 수 있는 자원으로 활용하기 위한 것이 다른 목적이다.

또한, 본 발명은 취수된 해수를 단일의 송수관을 통해 열 교환 및 공급, 그리고 해양으로 복귀할 수 있도록 하여 경제적이고 효율성을 향상시키기 위한 것이 또 다른 목적이다.

또한, 본 발명은 냉난방 히트펌프 유닛과 온수생산 전담 히트펌프 유닛을 설치하고 제어회로로 제어되는 개폐밸브를 설치하여 냉방이 소요되는 기간에는 상수도물로 히트펌프의 디수퍼히터와 응축기에서 열 교환으로 기체냉매를 액화 시켜냉방 공급을 수행하면서도 온수 생산 공급이 가능함으로 해수 취수, 송수 및 열 교환 기능을 정지 시키고 온수생산 전담 히트펌프도 정지시켜 시스템의 운영을 위한 에너지의 절약과 정비 및 유지보수 기간을 제공할 수 있도록 하기 위한 것이 또 다른 목적이다.

본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 바다 속에서 해수를 취수하여 해수송수관을 통해 공급하는 복수의 수중펌프; 상기 수중펌프에서 공급된 해수를 고압 급수용 부스터펌프를 통해 공급하는 메인 공급매니폴드; 상기 부스터펌프에서 공급된 해수가 메인 분배매니폴드를 거쳐 유입되면 담수에 부동액이 혼합된 순환수와 열 교환을 일으키는 해수 판 열 교환기; 상기 해수 판 열 교환기에서 열 교환이 이루어진 해수를 해수 복귀 관을 통해 바다로 내보내는 메인 복귀매니폴드; 상기 해수 판 열 교환기에서 열 교환된 순환수를 순환수관을 따라 공급하는 공급매니폴드; 상기 공급매니폴드에서 순환수가 유입되면 기체냉매를 매개로 하여 냉난방수와 열 교환을 일으키는 냉난방용 히트펌프 유닛; 상기 공급매니폴드에서 순환수가 유입되면 기체냉매와 열 교환하고, 그 기체냉매가 압축기에서 고압 고온 상태의 기체냉매가 된 후 상수도 물과 열 교환을 일으키는 온수생산 전담 히트펌프 유닛; 상기 냉난방용 히트펌프 유닛에서 열 교환이 이루어진 순환수를 해수 판 열 교환기로 복귀시켜 순환시키는 복귀매니폴드; 상기 냉난방용 히트펌프 유닛에서 열 교환된 냉난방수가 냉난방관을 따라 건축물의 냉방 또는 난방을 위하여 유입되는 건축물 클러스터; 상기 냉난방용 히트펌프 유닛에서 열 교환된 상수가 건축물의 온수 공급을 위하여 유입되는 보온탱크를 포함하여 이루어진 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템을 제공한 것이 특징이다.

또한, 본 발명은 (a) 수중펌프로 해수를 취수하여 메인 공급매니폴드에서 단일 해수송수관을 통해 메인 분배매니폴드로 송수하는 단계; (b) 상기 메인 분배매니폴드에서 해수 판 열 교환기로 해수를 공급하는 단계; (c) 상기 해수 판 열 교환기에서 해수와 순환수를 열 교환시키는 단계; (d) 상기 해수 판 열 교환기에서 열 교환된 순환수가 공급매니폴드에서 냉난방용 히트펌프 유닛으로 공급하고, 복귀매니폴드를 통해 순환수의 순환을 지속하는 단계; (e) 상기 냉난방용 히트펌프 유닛에서 순환수와 기체냉매 및 냉난방수를 열 교환시키는 단계; (f) 상기 냉난방용 히트펌프 유닛에서 열 교환된 냉난방수를 건축물 클러스터로 냉난방을 위하여 순환시키는 단계; (g) 상기 냉난방용 히트펌프 유닛에서 순환수와 기체냉매 및 냉온수를 열 교환시키는 단계, 및 (h) 상기 냉난방용 히트펌프 유닛에서 열 교환된 냉온수를 보온탱크로 공급하여 저장하는 단계를 포함하여 이루어진 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템의 운영방법을 제공한 것이 특징이다.

본 발명은 상기 해결수단에 의하여, 해양에너지인 해수열을 이용하여 효율적인 열 교환을 통해 건축물의 냉난방과 온수의 공급을 통해 거의 무한한 신재생에너지의 공급 및 이용을 도모할 수 있고, 해양자원의 재활용과 지구온난화 방지 및 원가 절감된 온수의 공급 등을 구현한 효과가 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템과 그 시스템의 운영방법에 관하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템을 나타낸 구성도이다.

먼저, 본 발명의 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템은 해수를 다단의 열 교환을 통해 지역 건축물의 냉난방이나 온수 등을 공급할 수 있도록 하여 고효율 및 원가 절감이 될 수 있도록 한 것이다.

수중펌프(Sea Water Submersible Pumps)(M)는 바다 속에서 해수를 취수하여 해수송수관(22)을 통해 공급하는 것으로, 수중펌프(M)는 복수개로 일정 깊이의 바다 속에 잠수 설치된다. 수중펌프(M)는 5~25℃의 온도를 가진 해수를 취수하여 공급하는 것이다. 또한, 수중펌프(M)는 해양의 깊이, 주간이나 야간 또는 계절별 온도에 따라 적절하게 운용할 수 있다. 즉 수중펌프는 수직 상하로 적정 온도의 해심으로 변경하여 위치 시킬 수 있다. 본 발명에서 적용된 수중펌프(M)는 해수뿐만 아니라 담수, 예를 들어 강물이나 댐 등의 저수지에 저수된 담수에도 사용 될 수 있다. 수중펌프(M)는 해양에 설치된 시추 대 식 해수 취수시설(30) 에서 취수가 가능하도록 설치된다. 수중펌프(M)에 연결된 해수송수관(22)은 최소 수십 개 이상으로 수용 설치되고, 1~2개의 송수관이 평균 5,000RT(Refrigerating Ton, 냉동톤) 이상의 냉난방 및 온수공급을 하는 것이다. 예를 들어, 100개의 송수관을 수용 설치하는 경우에 최소 250,000~500,000RT 이상의 냉난방 및 온수공급이 가능해질 것이다. 따라서 취수를 위한 설비의 설치 및 건설비용은 50~100개 지역에 분담할 수 있으므로 설치에 따른 건설비용 부담을 최소화할 수 있을 것이다.

또한, 상기 수중펌프(M)와 메인 공급매니폴드(10) 사이에 연결된 취수시설(30)에는 해수에 포함된 각종 이물질을 포집하거나 걸러낼 수 있도록 하기 위하여 필터나 스크린 등이 설치된다. 즉 해수에는 다양한 이물질들이 포함되어 있으므로 가능한 한 이물질이 포함되지 않은 해수를 이용할 수 있도록 스크린이나 필터 등이 적용되는 것이 좋다.

메인 공급매니폴드(10)는 상기 수중펌프(M)에서 공급된 해수를 고압 급수용 부스터펌프(BP)를 통해 공급하는 것이다. 메인 공급매니폴드(10)는 복수의 수중펌프(M)에서 취수된 해수가 유입되면 일정 거리까지 설치된 송수관을 통해 분배매니폴드(11)로 해수를 공급한다. 이때, 메인 공급매니폴드(10)와 분배매니폴드(11) 사이에 설치된 송수관에는 부스터펌프(BP)가 구성되어 고압으로 해수를 송수한다. 그리고 부스터펌프(BP)는 해수의 송수거리에 따라 설치를 생략해도 무방하다.

해수 판 열 교환기(Seawater Plate Heat Exchanger)(13)는 부스터펌프(BP)에서 공급된 해수가 분배매니폴드(11)를 거쳐 유입되면 담수에 부동액이 혼합된 순환수와 열 교환을 일으키는 것이다. 해수 판 열 교환기(13)는 하나 이상으로 설치되고, 복수의 분배매니폴드(11)에서 유입된 해수와 순환수 사이에 열 교환이 이루어지도록 하는 것이다. 즉 해수 판 열 교환기(13)에는 메인 분배매니폴드(11) 내에 인입된 해수송수관과 순환수가 순환되는 순환 관(24)이 각각 해수와 순환수 사이의 열 교환이 이루어지는 것이다.

메인 복귀매니폴드(12)는 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환이 이루어진 해수를 다시 해양으로 송수하는 것이다. 즉 하나 이상의 해수 판 열 교환기(13)로부 터 순환수와 열 교환이 완료된 해수를 모아 일정 길이의 해수 복귀 관(23)을 통해 해양으로 배출하는 것이다.

따라서 해양에 잠수된 수중펌프(M)에서 취수된 해수는 메인 공급매니폴드(10), 분배매니폴드(11), 해수 판 열 교환기(13)를 거쳐 메인 복귀매니폴드(12)를 통해 다시 해양으로 순환 배출되는 것이다. 그리고 수중펌프(M), 메인 공급매니폴드(10), 분배매니폴드(11), 해수 판 열 교환기(13), 메인 복귀매니폴드(12)를 포함하여 부스터펌프(BP)는 내염, 즉 해수에 의하여 부식되거나 산화되지 않는 내염재질이 적용된다. 또한, 해수를 공급하는 공급관이나 송수관 등은 내염관이 적용되고, 내염 관으로 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene), 스테인리스(Stainless) 또는 티타늄(Ti) 등의 재질로 이루어진 관이 적용된다. 또한 내염관은 180Cm 내외의 깊이로 지하에 매설하는 것이 좋다.

공급매니폴드(14)는 하나 이상의 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환된 순환수가 순환 및 공급되도록 하는 것이고, 복귀매니폴드(15)는 열 교환이 이루어진 순환수를 해수 판 열 교환기(13)로 복귀시키는 것이다. 해수 판 열 교환기(13)와 공급매니폴드(14) 사이에는 펌프(P)가 구비되어 열 교환이 이루어진 순환수가 지속적으로 순환되도록 한다.

냉난방용 히트펌프 유닛(16)에는 인가된 전력을 연결 또는 차단하는 메인스위치가 있고, 난방이나 냉방을 위한 전환스위치가 구비되어 있다. 즉 메인스위치를 온(on)시키면 압축기(Compressor)와 순환수 펌프가 기동한다. 그리고 전환스위치를 난방 위치에 놓으면 난방을 위한 사이클(도 2a)이 구동되고, 냉방 위치에 놓으면 냉방을 위한 사이클(도 2b)이 구동된다. 그리고 온수생산을 위하여 상수도 물의 유입을 개폐하는 전자식(電磁式) 밸브(V3, V7)를 토글스위치로 조작개방하면 밸브(V4)가 폐쇄되면서 온수생산을 위한 사이클(도 2c)이 구동된다.

더욱이 냉난방용 히트펌프 유닛(16)은 공급매니폴드(14)에서 순환수가 순환 관(24)을 통해 유입되면 냉난방수, 상수도 물 등이 기체냉매와 열 교환이 이루어지도록 하는 것이다. 냉난방용 히트펌프 유닛(16)은 냉난방 전담으로 건축물 클러스터(17)의 난방을 위한 도 2a에서, 냉난방용 히트펌프 유닛(16)은 냉난방관(25)의 순환수가 개폐밸브(V2)를 거쳐 유입되면 디수퍼히터(2-1b)와 열 교환되어 밸브(V1)을 통하여 순환한다. 냉매의 흐름은 전환밸브(2-1d)와, 냉매를 응축시키는 응축기(2-1c)를 거쳐 팽창밸브(2-1e)를 통해 기화기(2-1f)와, 전환밸브(2-1d)를 거쳐 압축기(2-1g)로 가서 고온 고압의 기체냉매가 되어 디수퍼히터(2-1b)로 순환한다.

또한, 냉난방용 히터펌프 유닛(16)으로부터 건축물 클러스터(17)의 냉방을 위한 도 2b에서, 냉난방용 히트펌프 유닛(16)은 상수도 물이 개폐밸브(V4)를 거쳐 유입되면 디수퍼히터(2-2b)와 열 교환으로 온수가 되어 보온탱크(18)로 보내진다. 냉매의 흐름은 디수퍼히터(2-2b)에서 전환밸브(2-2d)와, 냉매를 응축시키면서 밸브(V4)를 통해 유입되는 상수도물(2-2a)과 응축기(2-2f)가 열 교환하여 온수를 생산하여 보온탱크(18)로 보내면서 팽창밸브(2-2e)와, 기화기(2-2c)로 가서 기화한 후 차가워진 기체냉매는 열 교환기(2-4)로 가서 순환하고 있는 냉방수와 열 교환 한 후 전환밸브(2-2d)를 거쳐 압축기(2-2G)로 유입된다. 한편 개폐밸브(V7)를 거쳐 유입된 상수도 물이 냉방 순환수로 충족되면 밸브7을 폐쇄하여 냉방 순환수로써 열 교환기(2-4)와 열 교환하면서 순환한다. 건물의 냉방은 냉매가 기화기(2-2c)에서 기화할 때 송풍기와 닥트(duct)를 이용하여 냉풍 냉방을 할 수도 있고, 밸브(V7)을 폐쇄하고 건물클러스터(17)의 순환수를 열 교환기(2-4)에서 차가운 냉매와 열 교환시켜 냉방수를 순환 시켜서 건물의 팬코일 유니트(FCU)나 바닥코일(Floor Coil)로 냉방 할 수 있다.

상기 열 교환기(2-4)는 도 2d에서, 냉매와 냉방 순환수가 열 교환이 이루어지는 구조로 냉매관과 복수의 냉방 순환수관이 감겨진 구성이다.

따라서 냉난방용 히트펌프 유닛(16)은 도 2a에서 보는 바와 같이 건축물 클러스터(17)의 난방을 위하여 열 교환이 이루어진 난방 순환수를 개폐밸브(V1, V2)로 유출입하면서 난방을 하기도하고 응축기(2-1c)에 송풍기와 닥트(duct)를 이용하여 온풍난방도 할 수 있다. 그리고 도 2b에서 보는바와 같이 건축물 클러스터(17)의 냉방을 위하여 개폐밸브(V4, V7)를 통해 유입된 상수도 물을 밸브7을 폐쇄한 후 일정 온도 이하의 냉방수로 열 교환시켜 건축물 클러스터(17)로 순환시켜 팬코일 유닛이나 바닥 코일로 냉방을 하기도하고 기화기(2-2c)에 송풍기와 닥트(duct)를 이용하여 냉풍 냉방을 할 수도 있다. 디수퍼히터(2-1b)와 응축기(2-2f)에서 열 교환으로 온수가 된 상수도물은 보온탱크(18)로 공급 및 저장되도록 설치된다.

한편, 도 2c에서 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)은 공급매니폴드(14)에서 순환수가 순환관(24)을 통해 유입되면 기화기(2-3f)의 기체냉매와 열 교환하고 해수 판 열 교환기로 순환한다. 상수도 물은 밸브(V3 및 V7)을 통해 유입되어 디수퍼 히터(2-3b)와, 그리고 열 교환기(2-3c)에서 뜨거운 고압 고온 냉매와 열 교환하여 온수가 생산되어 보온탱크(18)로 공급 및 저장된다. 냉매의 흐름은 디수퍼히터(2-3b)에서 전환밸브(2-3d)를 거쳐 열 교환기(2-3c)에서 열 교환 후 팽창밸브(2-3e)를 거쳐 기화기(2-3f)를 거치고 전환밸브(2-3d)를 통해 압축기(2-3g)에서 압축 된 후에 디수퍼히터(2-3d)로 순환한다.

상기 메인 공급매니폴드(10), 메인 분배매니폴드(11), 메인 복귀매니폴드(12), 공급매니폴드(14), 복귀매니폴드(15)는 각각 1: n 또는 n: 1의 다지형(多枝型) 매니폴드이고, 해수송수관(22)과 해수복귀관(23)은 단일의 송수관으로 이루어진 것이다.

건축물 클러스터(17)는 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환된 상수가 건축물의 냉방 또는 난방을 위하여 유입되는 것이다. 건축물 클러스터(17)에는 팬 코일 유닛(Fan Coil Unit; FCU), 에어 핸들링 유닛(Air Handling Unit; AHU) 또는 바닥온도코일 등을 설치하여 냉.난방을 하게 된다. 즉 건축물 클러스터(17)는 건물의 냉방이나 난방을 위하여 건축물 내의 공기와 열 교환을 하는 각종의 장치가 포함된다.

한편, 상기 건축물 클러스터(17)에서 냉난방용 히트펌프 유닛(16)으로 상수를 순환시키기 위하여 펌프(P)가 설치되고, 냉난방용 히트펌프 유닛(16)과 공급매니폴드(14)의 출구와 복귀매니폴드(15)의 입구에 순환수의 공급을 단속하는 개폐밸브(V5, V6)가 설치된다. 그리고 냉난방용 히트펌프 유닛(16)과 건축물 클러스터(17) 및 상수도 물의 유입과 보온탱크(18) 사이에는 각각 개폐밸브(V3, V4)가 설치된다. 상기 개폐밸브(V1-V6)는 전자식 밸브(Magnetic Valve)로 제어회로(Control Circuit)가 포함된 제어장치에 의하여 제어된다.

상기 수중펌프(M)으로부터 건축물 클러스터(17) 및 보온탱크(18) 까지 연결된 관은 보온재로 보온이 유지될 수 있도록 하는 것이 좋고, 해수 판 열 교환기(13)와 냉난방용 히트펌프 유닛(16) 및 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)은 건축물의 기계실 등에 설치하는 것이 좋다.

이와 같이 이루어진 본 발명의 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템의 작용을 도 3의 흐름도를 참조하여 설명한다.

우선, 해양에서 복수의 수중펌프(M)로부터 5~25℃의 온도를 유지하는 해수가 취수되어 해수송수관(22)을 통해 통합 유입된다(S10). 이때, 필요에 따라 해수송수관(22)에는 고압의 급수용 부스터펌프(BP)를 이용하여 해수를 가압하여 송수할 수 있다(S11).

상기 해수송수관(22)을 통해 유입된 해수는 메인 공급매니폴드(10)로 송수된 후에 메인 공급매니폴드(10)와 일정 거리로 떨어져 있는 원격의 메인 분배매니폴드(11)로 지하에 매설된 송수관을 통해 송수되고, 메인 분배매니폴드(11)는 송수된 해수를 해수 판 열 교환기(13)로 공급한다(S12).

상기 해수 판 열 교환기(13)에서 메인 분배매니폴드(11)로부터 유입된 해수와 부동액이 섞인 순환수가 순환 관(24)을 통해 유입되어 해수와 순환수는 열 교환이 이루어진다(S13).

상기 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환이 완료된 해수는 메인 복귀매니폴 드(12)를 거쳐 해수복귀관(23)을 통해 해양으로 복귀된다(S14).

그리고 해수 판 열 교환기(13)에서 해수와 열 교환된 순환수는 펌프(P)의 펌핑으로 공급매니폴드(14)로 공급된다(S15). 그리고 냉난방용 히트펌프 유닛(16)과 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)에서 기체냉매와 순환수, 그리고 기체냉매와 상수도 물 및 냉난방수의 열 교환이 이루어진다(S17). 이때, 공급매니폴드(14)의 출구와 복귀매니폴드(15)의 입구에 설치된 개폐밸브(V5, V6)의 개폐여부에 따라 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환이 발생된다. 따라서 개폐밸브(V5, V6)가 개방된 상태에서는 순환수와 냉난방용 히트펌프 유닛(16)의 기체냉매, 그리고 기체냉매와 건축물 클러스터(17)와 연결된 배관을 따라 순환하는 냉난방수는 열 교환이 이루어진다(S18).

더욱이 냉난방용 히트펌프 유닛(16)과 건축물 클러스터(17) 사이에는 개폐밸브(V1, V2)가 구비되어 개폐밸브(V1, V2)가 개방된 상태에서는 기체냉매와 열 교환된 냉난방수가 건축물 클러스터(17)의 냉난방에 이용된다. 따라서 냉난방수는 건축물 클러스터(17)에 하나 이상으로 설치된 팬 코일 유닛(FCU), 에어 핸들링 유닛(AHU) 또는 바닥온도코일에서 냉방이나 난방이 이루어진다.

그리고 냉방 때 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에는 개폐밸브(V4)를 통해 상수도 물이 유입되어 기체냉매와 열 교환이 이루어진 상수도 물이 온수로 전환되어 보온탱크(18)로 공급되어 축열 저장된다. 그러나 난방 때는 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서는 온수생산을 하지 않고 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)에서만 생산 공급한다.

또한, 공급매니폴드(14)에서 공급된 순환수는 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환이 이루어지고 난 후에 순환관(24)을 따라 복귀매니폴드(15)로 유입되어 반복 순환된다(S16).

더욱이 해수 판 열 교환기(13)에서 해수와 열 교환된 순환수는 펌프(P)의 펌핑으로 공급매니폴드(14)로 공급된 후에 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)에서 기체냉매와 열 교환하고 그 기체냉매가 압축(2-3g)되어 고온 고압의 상태로 디수퍼히터(2-3b)로 가면 상수도 물과 열 교환이 이루어진다(S19). 즉 개폐밸브(V3)을 통해 유입된 상수도 물은 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)을 거치면서 디수퍼히터(2-3b)에서 기체냉매와 열 교환을 한 후에 온수를 생산하고, 생산된 온수는 온수관(26)을 통해 보온탱크(18)로 축열 저장된다(S20). 그리고 아직도 고온 고압인 기체냉매는 디수퍼히터(2-3b)로부터 열 교환기(2-3c)로가서 밸브(V7)를 통해 유입되는 상수도물과 열 교환으로 추가로 온수생산을 해서 보온탱크(18)로 공급하고 팽창밸브(2-3e)를 거쳐 기화기(2-3f)에서 기화한 후 전환밸브(2-3b)를 거쳐 압축기(2-3g)로 순환한다.

상기 건축물 클러스터(17)는 해당하는 지역이나 구역 또는 아파트단지나 오피스텔 또는 오피스 건물, 백화점, 호텔, 리조텔 등의 대형 건축물로서, 순환수와 열 교환이 이루어진 상수를 이용하여 해당 건축물의 냉난방이나 온수가 공급된다.

온수의 공급은 난방이 소요되는 계절이나 냉난방이 필요하지 않은 계절, 예를 들어 아파트단지인 경우에 해당하는 동별 또는 몇 개의 동을 묶은 구역별 또는 단지 전체를 전담하는 별도의 히트펌프 유닛(21)을 운영할 수 있다. 그리고 지속적으로 생산되는 온수는 보온탱크(18)에 저수되고, 보온탱크(18)의 온수는 중력 하중에 의하여 해당하는 곳으로 공급된다. 또는 건축물로서 빌딩에는 빌딩별로 해당 수요에 적합한 냉난방용 히트펌프 유닛(16) 및/또는 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)의 적용으로 온수를 공급할 수 있다. 더욱이 냉난방용 히트펌프 유닛(16) 및/또는 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21) 내에서 압축된 기체냉매를 냉각시켜 액화시키는 응축기의 온도가 대략 70℃ 내외이므로 상수에 열 교환시키면 온수를 생산할 수 있다.

그러나 냉방이 소요되는 계절에는 상기 온수를 생산할 때 공급하는 상수를 개폐밸브, 즉 한쪽이 개방되면 다른 쪽 밸브가 닫히고 반대로 닫혔던 쪽의 밸브를 개방하는 다른 쪽의 밸브가 닫히도록 하는 전자식 밸브를 작동시킨다. 이때, 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환되어 공급된 순환수는 공급매니폴드(14)의 출구 측과 복귀매니폴드(15)의 입구 측에 각각 설치된 개폐밸브(V5, V6)가 자동적으로 폐쇄된다.

이때 별도로 설치된 제어회로에 의하여 어차피 폐기되는 응축기(2-4 및 2-2b) 의 열로 온수를 생산할 수 있어 상당한 경제적인 이득을 얻을 수 있다. 따라서 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환이 이루어지지 않아도 되므로 수중펌프(M)와 해수 판 열 교환기(13)의 운행을 정지시킬 수 있다. 그리고 수중펌프(M)와 해수 판 열 교환기(13) 등의 운행이 정지된 동안에 시스템에 부착된 오염물질의 제거나 점검 등의 유지보수를 수행할 수 있을 것이다. 그러므로 냉방이 필요 없고 난방이 필요한 계절에는 개폐밸브(V5, V6)를 절환시킴과 동시에 수중펌프(M)와 해수 판 열 교환기(13)가 가동되도록 제어장치를 구동시키면 된다.

이와 같이 냉난방용 히트펌프 유닛(16)이 냉방을 수행하는 동안에는 자체 내에서 폐기되는 기체냉매의 열을 이용하여 온수를 생산하여 공급할 수 있어 에너지의 이용효율을 증대시킨 장점이 있다.

또한, 온수를 생산할 때에는 상수도 물을 개폐밸브(V3, V4)를 작동시켜 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환이 이루어지도록 한다. 즉 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환된 순환수가 공급매니폴드(14)와 복귀매니폴드(15) 사이에 설치된 개폐밸브(V5, V6)의 폐쇄로 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 상수도 물이 열 교환으로 온수가 생산되어 보온탱크(18)에 공급 및 저장되도록 제어장치로 제어할 수 있다.

상기 온수의 생산은 난방이 소요되는 기간이나 냉난방이 소요되지 않는 기간에는 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)으로 열 교환을 통하여 온수의 생산이 가능하고, 냉방이 소요되는 기간에는 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)을 정지 및 휴식시킨 상태에서 해수의 취수, 송수 및 열 교환 기능도 휴식시켜 해수의 공급을 위하여 사용되는 에너지와 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)의 운영 에너지 등을 절약할 수 있으면서 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)들의 정비, 유지보수 등의 기간을 제공할 수 있다.

더욱이 보다 편리하고 효율적으로 냉난방 및 온수생산을 할 수 있도록 제어회로(Control Circuit), 즉 냉방이 소요되는 기간에 온수생산을 위하여 공급하는 상수도 물을 개폐밸브(온/오프 토글밸브, On/Off Toggle Valve, 한쪽이 개방되면 다른 쪽의 밸브는 닫히고 반대로 닫혔던 쪽의 밸브를 개방하면 다른 쪽 밸브가 닫히도록 하는 전자식밸브(Magnetic Valve))(V3 또는 V4)를 온(ON)으로 작동시키면 해수 판 열 교환기에서 열 교환하여 공급되던 물이 공급매니폴드(14)와 냉난방용 히트펌프 유닛(16) 및/또는 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21) 사이에 있는 개폐밸브(V5)와 복귀매니폴드(15) 사이에 설치되어 있는 개폐밸브(V6)가 자동적으로 폐쇄되고, 상수도 물이 냉난방용 히트펌프 유닛(16)으로만 유입되어 압축기의 출구, 응축기 사이에 설치된 디수퍼히터와 열 교환으로 온수가 되어 보온탱크로 보내지도록 제어회로(Control Circuit)를 설치하여 운영할 수 있다. 그리고 냉난방이 소요되지 않거나 난방이 소요되는 계절이 오면 개폐밸브(V3, V4)를 전환시키는 동시에 수중펌프와 해수 판 열 교환기도 가동 되도록 제어회로를 구성하면 보다 편리하고 효율적이며 경제적인 시스템의 운영이 가능해질 것이다.

본 발명의 냉난방용 히트펌프 유닛의 용량 선정은 해당 건축물의 설계 당시 냉난방 및 온수생산을 위한 열에너지의 수요를 산정하여 선정될 것이다. 따라서 지역 냉난방 및 온수공급을 위한 용량 선정은 전체 열에너지의 수요 피크치를 기준으로 하여 120% 이상으로 늘려 잡아야 한다. 이는 최종 사용자나 수요자가 추가되는 경우를 대비하여 추가할 수 있는 용량으로 안정된 운영을 도모할 수 있도록 한다. 그리고 수요가 예상되는 해당 열량의 열 교환을 수용할 수 있는 해수 판 열 교환기의 선정과 열 교환을 위하여 공급되어야 하는 수두(head), 물의 양, 유속 및 압력 등을 기준으로 수중펌프 및 부스터펌프 등의 선정이 이루어져야 한다.

이와 같이 본 발명의 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템은 해양에너지 중에 일정한 온도를 유지하는 해수를 이용하여 해수와 순환수, 그리고 순환수와 기체냉매, 기체냉매와 상수의 열 교환을 통해 거의 무한한 신재생에너지의 효율적인 이용과, 해양자원의 재활용과 지구온난화 방지 및 원가 절감된 냉.난방과 온수의 공급 등을 구현한 장점이 있다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 냉난방용 히트펌프 유닛을 나타낸 것으로, 도 2a는 냉난방용 히트펌프 유닛의 난방 싸이클을 나타낸 것이고, 도 2b는 냉방 싸이클을, 2c는 온수생산 전담 싸이클을 나타낸 것이며, 도 2d는 열교환기의 일종으로 여기서는 기체냉매와 상수가 열 교환되는 열교환기이다.

도 3은 본 발명에 따른 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템의 작동을 나타낸 흐름도이다.

♣ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♣

10: 메인 공급매니폴드 11: 메인 분배매니폴드

12: 메인 복귀매니폴드 13: 해수 판 열 교환기

14: 공급매니폴드 15: 복귀매니폴드

16: 냉난방용 히트펌프 유닛 2-1a~2-3a: 순환관

2-1b~2-3b: 디수퍼히터 2-1c, 2-2f, 2-3c: 응축기

2-1d~2-3d: 전환밸브 2-1e~2-3e: 팽창밸브

2-1f, 2-2c, 2-3f: 기화기 2-1g~2-3g: 압축기

2-4: 열교환기 17: 건축물 클러스터

18: 보온탱크 21: 온수생산 전담 히트펌프 유닛

22: 해수송수관 23: 해수복귀관

24: 순환관 25: 냉난방관

26: 온수관 30: 취수시설

M: 수중펌프 BP: 부스터펌프

P: 펌프 V1-V7: 개폐밸브

Claims

바다 속에서 해수를 취수하여 해수송수관(22)을 통해 공급하는 복수의 수중펌프(M);

상기 수중펌프(M)에서 공급된 해수를 고압 급수용 부스터펌프(BP)를 통해 공급하는 메인 공급매니폴드(10);

상기 부스터펌프(BP)에서 공급된 해수가 메인 분배매니폴드(11)를 거쳐 유입되면 담수에 부동액이 혼합된 순환수와 열 교환을 일으키는 해수 판 열 교환기(13);

상기 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환이 이루어진 해수를 해수복귀관(23)을 통해 바다로 내보내는 메인 복귀매니폴드(12);

상기 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환된 순환수를 순환관(24)을 따라 공급하는 공급매니폴드(14);

상기 공급매니폴드(14)에서 순환수가 유입되면 기체냉매와 열 교환을 일으키는 냉난방용 히트펌프 유닛(16);

상기 공급매니폴드(14)에서 순환수가 유입되면 기체냉매와 열 교환을 일으키는 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21);

상기 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환이 이루어진 순환수를 해수 판 열 교환기(13)로 복귀시켜 순환시키는 복귀매니폴드(15);

상기 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 기체냉매와 열 교환된 냉난방수가 냉난방관(25)을 따라 건축물의 냉방 또는 난방을 위하여 유입되는 건축물 클러스터(17);

상기 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환된 상수가 건축물의 온수 공급을 위하여 유입되는 보온탱크(18)를 포함하여 이루어진 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템.
제1항에 있어서, 시스템의 냉방 소요기간에는 냉난방용 히트펌프유닛(16)의 디수퍼히터(2-2b)와 응축기(2-2f)를 상수도물로 열 교환하여 냉각시키면서 온수가 생산되어 공급 저장됨으로 해수의 취수, 송수, 해수 판 열 교환기에서의 열 교환 및 해수의 복귀가 불필요함으로써 정지시켜 운영 에너지도 절약하고 더욱이 오물제거 등 손질, 정비 및 수리시간을 갖게 한 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급온수 공급 시스템.
제1항에 있어서, 시스템의 냉방수행 기간 외에는 상기 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)은 상수도 물이 개폐밸브(V3)를 거쳐 유입되면 열 교환하는 디수퍼히터(2-3b)와, 이 때 냉매의 흐름은 전환밸브(2-3d)를 거쳐 열 교환기(2-3c)에서 V7밸브로 유입되는 상수도물과 열 교환으로 온수를 생산하고 팽창밸브(2-3e)를 거쳐 기화기(2-3f)에서 기화한 후 전환밸브(2-3d)를 거쳐 압축기(2-3g)로 순환하도록 구성함으로써 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)의 전 역량을 온수생산에만 집중시켜 보온탱크(18)로 공급 저장하도록 구성된 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템.
제1항에 있어서, 상기 온수생산 전담 히트펌프 유닛(21)은 난방이 소요되는 기간과 냉.난방이 소요되지 않는 기간에만 사용할 수 있도록 하고 냉방 소요 기간에는 정지시켜 운영 에너지도 절약하고 더욱이 정비 및 보수 시간을 갖게 하는 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템.
제1항에 있어서, 상기 메인 공급매니폴드(10), 메인 분배매니폴드(11), 메인 복귀매니폴드(12), 공급매니폴드(14), 복귀매니폴드(15)는 각각 1:n 또는 n:1의 다지형(多枝型) 매니폴드이고, 해수송수관(22)과 해수복귀관(23)은 단일의 송수관으로 이루어진 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템.
(a) 수중펌프(M)로 해수를 취수하여 메인 공급매니폴드(10)에서 단일 해수송수관(22)을 통해 메인 분배매니폴드(11)로 송수하는 단계;

(b) 상기 메인 분배매니폴드(11)에서 해수 판 열 교환기(13)로 해수를 공급하는 단계;

(c) 상기 해수 판 열 교환기(13)에서 해수와 순환수를 열 교환시키는 단계;

(d) 상기 해수 판 열 교환기(13)에서 열 교환된 순환수가 공급매니폴드(14)에서 냉난방용 히트펌프 유닛(16)으로 공급하고, 복귀매니폴드(15)를 통해 순환수의 순환을 지속하는 단계;

(e) 상기 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 순환수와 기체냉매 및 냉난방수를 열 교환시키는 단계;

(f) 상기 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환된 냉난방수를 건축물 클러스터(17)로 냉난방을 위하여 순환시키는 단계;

(g) 상기 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 순환수와 기체냉매, 기체냉매와 냉방수 및 난방수를 열 교환시키는 단계, 및

(h) 상기 냉난방용 히트펌프 유닛(16)에서 열 교환된 온수를 보온탱크(18)로 공급하여 저장하는 단계를 포함하여 이루어진 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템의 운영방법.
제6항에 있어서, 상기 수중펌프는 시추대가 설치되고, 수중펌프를 통해 수십 개 이상의 해수송수관을 수용할 수 있도록 하고, 1~2개의 해수송수관이 평균 5,000RT(Refrigeration Ton, 냉동톤) 이상을 송수하는 시스템을 갖추면 건설비용을 수십 개 지역에서 나누어 부담하게 됨으로 소비자들의 부담이 경미 해 지는 해수를 이용한 지역 냉난방 및 온수 공급 시스템의 운영방법.