KR101273939B1 - 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템 - Google Patents

태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템 Download PDF

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Abstract

태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템이 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템은, 모터에 의해 회전되는 임펠러; 파이프 형상으로 이루어지고 수중에 설치되며 상기 임펠러가 삽입된 상태에서 회전하여 심층수를 상승, 순환시키는 수중관; 상기 모터에 전원을 공급하는 태양광 전지; 상기 수중관의 외부 또는 내부에 설치되어, 내부를 흐르는 열매체와 상기 임펠러에 의해 상승된 심층수 간에 열교환이 일어나는 열교환기; 열매체를 상기 열교환기에 투입하고, 상기 열교환기에서 열교환이 수행된 열매체를 공급받아 열매체의 온도를 더 낮추거나 높이는 히트펌프; 및 육상에 설치되어 상기 히트펌프에서 온도가 더 낮아지거나 높아진 열매체를 공급받아 냉난방으로 사용하고 사용된 열매체를 상기 히트펌프에 다시 되돌려 주는 수용가;를 포함하여 이루어질 수 있다.

Description

태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템{The Cooling and Heating System using water quality improvement device with solar cell}
본 발명은 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 태양광으로부터 얻어진 전력을 사용하여 댐, 저수지, 호수, 연못 또는 양어장 등의 용수원 물을 순환시켜 정화할 수 있는 태양광 물순환장치를 이용하여 용수원 인근의 수용가에 냉난방을 제공할 수 있는 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.
우리나라는 약 18,000개소의 용수원 호수를 가지고 있으며, 제방고 10m이하, 담수량 100만㎥이하의 호수가 전체의 약 80%인 14,500여 개소에 이르고 있다. 또한 이들 호수 대부분은 강우 시 강우 유출수의 영향으로 토사 및 이물질에 노출되어 도시 내 또는 인근에 위치한 호소에서는 수질이 더욱 악화 되는 경향이 있다. 또한 오염하천수의 유입에 따라 이들 대부분의 호소는 부영양화가 가속화되고 있으며, 탁질과 녹조현상으로 몸살을 앓고 있는 실정이다. 그리고 도시에 인공적으로 조성한 호수를 비롯하여, 과거 농업용수로 사용하던 저수지가 신도시의 개발 또는 도시역의 확대와 더불어 농업 용수원으로서의 활용도가 낮아진 저수지를 친수용 호수로 전환하면서 새롭게 친수용 호수로 조성되고 있다. 이들 친수용 호수는 수심이 낮기 때문에 특별한 유입오염원이 없는 상태에서도 대기로부터 공급되는 먼지에 의해 녹조가 심화되는 경향이 있으며, 호수의 저면 상태에 따라 탁질에 의한 심미적 영향을 받고 있다. 이들 호수의 공통적인 문제점인 미세부유물질과 녹조현상을 제어할 수 있는 수질개선 기술의 적용이 필수적이다.
정체 수역의 물을 순환 및 산소를 공급하기 위한 국내외 관련기술은 여러 가지가 있으나, 주로 산기관을 이용한 다공관식 연속포기 방식, 심층포기방식 그리고 물 순환장치 등이 있다. 실질적으로 국내에서는 주로 다공관식 연속포기의 방법이 주로 사용되고 있으나, 이는 수체 하부에 배관을 설치하는 번거로움과 경제성, 유지 관리면에서 애로점을 내포하고 있음이 보고되고 있다. 설치단계에서부터 심층 바닥에 위치해야하는 점으로 인해 큰 비용의 토목공사비가 소요되고 고장이 발생할 경우, 수리 후 재설치하는 과정에서 상당한 비용이 소모된다. 또한 육전을 사용하여 작동하는 만큼 사용시간 대비 전력비 발생이 누적되며 이는 관리하는 입장에서 크게 부담으로 작용한다. 또한 경제적 운전을 위해 간헐적 작동을 할 경우 수체 내의 침전물로 인해 산기관의 공극이 폐쇄되며 심할 경우 산기관 자체가 바닥에 매몰된다. 또한 심층포기장치를 이용한 수체 내의 산소공급은 효과적이나 그 영향범위가 국소적이며 동력에 필요한 전력을 지속적으로 공급하여야 하므로 유지관리비가 많이 소모되는 단점이 있다.
최근 태양광을 이용한 물순환장치가 미국에서 개발되었는데, 이 장치는 수체를 지속적으로 순환시키는 기술이며, 태양력을 이용하므로 외부전력의 소모가 필요 없어 매우 경제적이며 수체 내에 직접 설치되므로 별도의 부지비용, 공사비용이 발생하지 않으며, 수체 표면에 부유하도록 설치하므로 유지관리가 편리하다.
그런데 이러한 종래의 물순환장치는 단순히 심층에 있는 물을 표층으로 강제 이동시키는데, 심층수는 연중 일정한 온도를 유지하고 있으므로 이 열원을 에너지로 사용 가능한 방법이 요구된다.
본 발명의 실시 예들은 태양광 물순환장치에 열교환기와 히트펌프를 설치함으로써 댐, 저수지, 호수, 연못, 양어장 등의 물을 순환시켜 정화하는 동시에 심층수를 이용하여 인근의 수용가에 냉난방을 할 수 있는 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 모터에 의해 회전되는 임펠러; 파이프 형상으로 이루어지고 수중에 설치되며 상기 임펠러가 삽입된 상태에서 회전하여 심층수를 상승, 순환시키는 수중관; 상기 모터에 전원을 공급하는 태양광 전지; 상기 수중관의 외부 또는 내부에 설치되어, 내부를 흐르는 열매체와 상기 임펠러에 의해 상승된 심층수 간에 열교환이 일어나는 열교환기; 열매체를 상기 열교환기에 투입하고, 상기 열교환기에서 열교환이 수행된 열매체를 공급받아 열매체의 온도를 더 낮추거나 높이는 히트펌프; 및 육상에 설치되어 상기 히트펌프에서 온도가 더 낮아지거나 높아진 열매체를 공급받아 냉난방으로 사용하고 사용된 열매체를 상기 히트펌프에 다시 되돌려 주는 수용가;를 포함하여 이루어지는 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템이 제공될 수 있다.
그리고 상기 열교환기는 열매체가 투입되는 투입부와, 열매체가 회수되는 회수부 및 상기 투입부와 회수부를 연결하고 심층수와 열교환이 발생하는 열교환부로 구성될 수 있다.
또한, 상기 모터는 받침대에 의해 안치되고, 상기 수중관의 상단에는 상승된 물을 사방으로 퍼지게 하는 분배 접시가 형성되며, 상기 받침대의 일측에는 연장 지지대가 결합되어 상기 연장 지지대에 부력재가 결합될 수 있다.
본 발명의 실시 예들은 태양광 물순환장치에 의해 심층수를 표층으로 상승시킴으로써 수질을 정화할 수 있고, 동시에 심층수를 이용하여 인근 육지의 수용가를 냉난방 하는데 에너지를 공급할 수 있으므로 에너지 절감하면서 친환경적인 냉난방 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템의 구조를 나타내는 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명에서 열교환기와 히트펌프가 생략된 태양광 물순환장치의 구조를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예를 따른 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템의 구조를 나타내는 단면도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세하게 설명하고자 한다. 하기 설명 및 첨부 도면에 나타난 바는 본 발명의 전반적인 이해를 위해 제시된 것이므로 본 발명의 기술적 범위가 그것들에 한정되는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 구성 및 기능에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 따른 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템의 구조를 나타내는 단면도, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명에서 열교환기와 히트펌프가 생략된 태양광 물순환장치의 구조를 나타내는 사시도이다.
도시된 바를 참조하면, 본 발명은 모터(12)에 의해 회전하는 임펠러(10), 물속에 설치되어 임펠러(10)에 의해 심층수가 상승되는 수중관(20), 모터(12)에 전원을 공급하는 태양광 전지(30), 수중관(20)을 통해 상승하는 심층수와 열교환이 일어나는 열교환기(40) 및 열교환이 이루어진 열매체의 온도를 더 낮추거나 높이는 히트펌프(50) 및 히트펌프에서 열매체를 공급받아 냉난방 되는 수용가(100)로 이루어지는 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템에 관한 것이다.
도 2를 참조하면, 상기 모터(12)는 받침대(60)에 의해 안치되고, 태양광 전지(30)에 의해 구동되며, 상기 받침대(60)의 하단에는 샤프트(14)에 의해 상기 모터(12)와 연결된 임펠러(10)가 위치한다. 그리고 상기 모터(12)의 동력에 의한 상기 임펠러(10)의 회전에 의해 상기 수중관(20) 하부의 물을 끌어올려 상승시킨다.
이때 상기 수중관(20)은 물속에 설치되고 파이프 형상을 가지며 내부에 상기 임펠러(10)가 삽입되거나 인접하게 설치된다.
그리고 상기 수중관(20)은 온도가 4℃ 정도로 연중 일정한 심층수까지 연장 설치되는 것이 바람직하다. 따라서, 설치되는 장소에 따라 길이가 변경될 수 있다.
또한 상기 수중관(20)의 상단에는 분배 접시(70)가 외측으로 연장 형성되어 상기 임펠러(10)에 의해 상승된 심층수를 사방으로 퍼지게 한다.
상기 분배 접시(70)는 원뿔 내지 접시 형상으로 이루어질 수 있고, 표층에 설치되는 것이 바람직하며, 상승된 물을 자연스럽게 사방으로 퍼지게 유도함으로써 상승된 심층수가 표층으로 확산되게 하여 물의 정화를 돕는다.
또 상기 받침대(60)의 가장자리에는 연장 지지대(80)가 중심을 기준으로 방사형으로 뻗어 있다. 그리고 상기 연장 지지대(80)의 끝단에는 연결부(82)를 통해 본 발명이 물에 부상된 상태를 유지하게 하는 부력재(90)가 부착된다.
상기 부력재(90)는 내부가 빈 구조를 가지거나 수면에 뜰 수 있는 재료로 이루어지는 부의 또는 부표일 수 있다.
참고로 상기 연결부(82)는 도시된 바와 같이 체인으로 형성되거나 신축을 지닌 고무재로 제작된다.
한편, 상기 태양광 전지(30)는 태양광에 의해 전기를 생산하여 상기 모터(12)를 구동하는 전력을 공급하는 구성으로서 태양광을 직접 받을 수 있도록 상기 받침대(60) 상부 혹은 도시된 바와 같이 상기 받침대(60) 테두리에 설치될 수 있을 것이다.
그리고 상기 태양광 전지(30)는 분리형으로 본체와 분리되어 운영될 수 있다.
다음으로 도 1을 참조하여 본 발명의 기술적 핵심에 해당하는 열교환기(40)와 히트펌프(50)에 대해 설명하기로 한다.
상기 열교환기(40)는 상기 수중관(20)의 외부 또는 내부에 설치되어 주위의 심층수와 열교환을 발생시킨다. 내부에 설치하는 경우는 도 3을 참조하여 후술하기로 하고 먼저 외부에 설치된 경우를 설명한다.
상기 열교환기(40)는 투입부(42), 회수부(44), 열교환부(46)로 구성될 수 있는데, 상기 투입부(42)는 열매체가 투입되는 부분이고 상기 회수부(44)는 열매체가 배출되어 회수되는 부분이다. 그리고 상기 열교환부(46)는 상기 투입부(42)와 회수부(44)를 연결하고 내부에 열매체가 흐르면서 심층수와 열교환이 일어나는 부분이다.
상기 열교환부(46)는 열교환이 원활하게 일어나도록 열전달 면적이 큰 구조를 가질 수 있으며 이러한 구조는 공지된 바이므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 열교환기(40)는 상기 수중관(20)의 상단 외부에 설치되는 것이 바람직하며, 상기 수중관(20) 상부로 상승되어 주위로 확산되는 심층수와 열교환이 일어난다.
바람직한 것은 상기 열교환기(40)가 상기 수중관(20)의 상단 외부를 둘러싸도록 배치될 수 있다.
상기 히트펌프(50)는 육상에 설치되고 상기 열교환기(40)와 배관으로 연결되어 상기 열교환기(40)와 열매체를 주고 받는다.
즉, 상기 히트펌프(50)는 열매체로부터 열을 흡수하거나 열매체에 열을 가하여 열매체의 온도를 더 하강시키거나 또는 온도를 더 상승시켜 냉난방이 필요한 수용가(需用-家)에 공급할 수 있다.
이때 상기 히트펌프(50)는 별도의 전원을 사용하여 작동되는데, 공지의 구조를 가지므로 상세한 설명은 생략한다.
수용가(需用-家,100)는 냉난방이 필요한 가정, 공장에 해당하며 상기 히트펌프(50)로부터 열매체를 공급받아 냉방 혹은 난방된다.
즉, 상기 열교환기(40)에서 온도가 낮아지거나 높아진 열매체를 상기 히트펌프(50)에서 더 낮추거나 높인 후에 상기 수용가(100)에 공급되어 냉난방에 사용되고 사용된 후 온도가 높아지거나 낮아진 열매체를 다시 상기 히트펌프(50)에 되돌려 보낸다.
부가적으로 본 발명에서 상기 받침대(60)와 연장 지지대(80) 사이에는 길이조절부(84)가 구비될 수 있다. 즉, 상기 받침대(60)의 일측단과 상기 연장 지지대(80)의 중심부분에 길이조절부(84)가 형성되는데, 이는 상기 받침대(60)와 연장 지지대(80)의 중심부분 길이를 조절하여 부력재(90)의 높이를 조절함으로써 본 발명의 태양광 물순환장치의 수면의 높이를 조절하기 위해서이다.
또 상기 받침대(60)와 연결되어 받침대(60) 하부에 다리부(62)가 구비될 수 있다. 상기 다리부(62)는 육상에서 세워두기 위한 기능을 하며 동시에 분배 접시(70)를 하부에서 뜨받친다.
이하에서 도 3을 참조하여 본 발명의 다른 실시 예를 설명한다. 도 3은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예를 따른 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템의 구조를 나타내는 단면도이다.
도 3에 도시된 본 발명의 다른 실시 예는 상기 열교환기(40)의 위치가 상기 수중관(20) 내부에 위치할 수 있다.
도시된 바와 같이 투입부(42)와, 회수부(44) 및 열교환부(46)로 이루어질 있고 상기 투입부(42)와 회수부(44)에는 상기 히트펌프(50)와 배관으로 연결되되, 배관이 수중관(20)을 관통하면서 상기 투입부(42)와 회수부(44)에 결합될 수 있을 것이다.
다른 구조를 상술한 바와 대동소이하므로 설명을 생략한다.
이하에서는 본 발명의 작동과정을 간략하게 설명하기로 한다.
모터(12), 임펠러(10), 수중관(20), 태양광 전지(30)로 이루어지는 태양광 물순환장치는 상기 부력재(90)에 의해 부유한 상태이며 태양광 전지(30)에서 생산된 전력에 의해 모터(12)를 구동하고 모터(12)의 구동으로 임펠러(10)가 회전하여 수중관(20)으로 심층수가 상승되면서 표층에 심층수가 공급된다.
여기서, 상기 수중관(20) 외부 또는 내부에 위치하는 열교환기(40)도 상기 수중관(20) 또는 다리부(62)에 고정되어 태양관 물순환장치와 함께 부유한 상태이다.
먼저, 여름일 경우, 수용가(100)에서 냉방을 위해 사용된 열매체는 온도가 상승된 상태에서 상기 히트펌프(50)를 거쳐 상기 열교환기(40)의 투입부(42)에 투입되면 상기 열교환부(46)에서 심층수와 열교환이 일어나 온도가 낮아진다. 온도가 낮아진 열매체는 다시 상기 회수부(44)로 배출되어 상기 히트펌프(50)에서 열을 방출함으로써 더 낮은 온도를 가지게 된 후 수용가(100)의 냉방에 사용된다.
반대로, 겨울일 경우, 수용가(100)에서 난방을 위해 사용된 열매체는 온도가 하강된 상태에서 상기 히트펌프(50)를 거쳐 상기 투입부(42)에 투입되면 상기 열교환부(46)에서 심층수와 열교환이 일어나 온도가 높아진다. 온도가 높아진 열매체는 다시 상기 회수부(44)로 배출되어 상기 히트펌프(50)에서 열을 흡수함으로써 더 높은 온도를 가지게 된 후 수용가(100)의 난방에 사용된다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 하기의 특허청구범위에서 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 임펠러 12 : 모터
14 : 샤프트
20 : 수중관 30 : 태양광 전지
40 : 열교환기 42 : 투입부
44 : 회수부 46 : 열교환부
50 : 히트펌프
60 : 받침대 62 : 다리부
70 : 분배 접시
80 : 연장 지지대 82 : 연결부
84 : 길이조절부
90 : 부력재 100 : 수용가

Claims (3)

  1. 모터(12)에 의해 회전되는 임펠러(10);
    파이프 형상으로 이루어지고 수중에 설치되며 상기 임펠러(10)가 삽입된 상태에서 회전하여 심층수를 상승, 순환시키는 수중관(20);
    상기 모터(12)에 전원을 공급하는 태양광 전지(30);
    상기 수중관(20)의 외부 또는 내부에 설치되어, 내부를 흐르는 열매체와 상기 임펠러(10)에 의해 상승된 심층수 간에 열교환이 일어나는 열교환기(40);
    열매체를 상기 열교환기(40)에 투입하고, 상기 열교환기(40)에서 열교환이 수행된 열매체를 공급받아 열매체의 온도를 더 낮추거나 높이는 히트펌프(50); 및
    육상에 설치되어 상기 히트펌프(50)에서 온도가 더 낮아지거나 높아진 열매체를 공급받아 냉난방으로 사용하고 사용된 열매체를 상기 히트펌프(50)에 다시 되돌려 주는 수용가(100);를 포함하여 이루어지고,
    상기 모터(12)는 받침대(60)에 의해 안치되고, 상기 수중관(20)의 상단에는 상승된 물을 사방으로 퍼지게 하는 분배 접시(70)가 형성되며, 상기 받침대(60)의 일측에는 연장 지지대(80)가 결합되어 상기 연장 지지대(80)에 부력재(90)가 결합되되,
    상기 받침대(60)와 연장 지지대(80) 사이에는,
    상기 받침대(60)와 연장 지지대(80)의 중심부분 길이를 조절하여 부력재(90)의 높이를 조절 가능하게 하는 길이조절부(84)가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기(40)는 열매체가 투입되는 투입부(42)와, 열매체가 회수되는 회수부(44) 및 상기 투입부(42)와 회수부(44)를 연결하고 심층수와 열교환이 발생하는 열교환부(46)로 구성되는 것을 특징으로 하는 태양광 물순환장치를 이용한 냉난방 시스템.
  3. 삭제
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