KR101290776B1 - 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템 - Google Patents

변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변전소 변압기 내부에서 발생하는 열을 외부로 버리지 않고 공기열원 히트펌프의 난방운전시 열원으로 활용하여 공기열원 히트펌프의 성능과 출력을 증대시키기 위한 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 히트펌프 내부의 냉매회로에 공기-냉매 열교환기(11)와 수-냉매 열교환기(13)가 구비되고 외부의 공기 열을 회수하거나 방출하는 실외기 팬(12) 이 구비되어 냉방과 난방을 하나의 시스템으로서 운전이 가능한 공기열원 히트펌프(9) 시스템에 있어서,
변전소 변압기에서 발생하는 배열을 회수하여 공기열원 히트펌프(9)의 난방운전시 열원으로 사용하도록, 변압기(2)와 냉각탑(3)이 설치된 냉각수배관 회로(100)에 연결되어 배열을 회수하고 제1수배관 회로(200)에 배열을 전달하는 배열회수 열교환기(5);
상기 배열회수 열교환기(5)와 공기열원 히트펌프(9)의 사이에 설치되며 상기 제1수배관 회로(200)와 연결되어, 배열회수 열교환기(5)에서 전달한 배열을 저장하고 공기열원 히트펌프(9)의 가동시간에 맞추어 제1수배관 회로(200)를 통해 공기열원 히트펌프(9)에 배열을 공급하는 버퍼탱크(7);
상기 제1수배관 회로(200)가 연결되어 버퍼탱크(7)에서 공급하는 배열을 회수하고 회수한 배열을 공기열원 히트펌프(9) 내부로 유입되는 외부의 공기와 열교환시켜 외부의 공기온도를 상승시키도록 공기열원 히트펌프(9)의 양 측면에 각각 설치된 배열공급 열교환기(10);
제2수배관 회로(300)가 설치되고 공기열원 히트펌프(9)와 냉난방 장소(17) 사이에 설치되어 심야전력을 활용하기 위해 공기열원 히트펌프(9)에서 공급된 열을 통해 얻은 냉온수를 저장한 후 주간시간에 냉난방 장소(17)에 공급하는 냉온수 축열조(15)로 이루어진 것을 특징으로 하는 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템에 관한 것을 특징으로 한다.

Description

변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템{Using for arranging substation transformer of Water Storage-type air source heat pump system}
본 발명은 변전소 변압기 내부에서 발생하는 열을 외부로 버리지 않고 공기열원 히트펌프의 난방운전시 열원으로 활용하여 공기열원 히트펌프의 성능과 출력을 증대시키기 위한 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
온도가 낮은 곳에서 온도가 높은 곳으로 열량을 이동시키는 것을 히트펌프라고 한다. CFC계 냉매 또는 HFC계 냉매를 압축하여 순환시키면서 열교환하게 하는 압축냉매순환회로는 냉매의 상변화를 통해 간단하게 온도가 낮은 곳의 열량을 높은 곳으로 이동시킬 수 있으므로 히트펌프로 널리 사용되고 있다. 히트펌프를 이용하면 압축기에 의한 압축열(압축기에서 전력 소모에 따른 열)뿐만 아니라 건물 외부 공기 중에 포함된 열량(공기열원)을 건물 내부 난방이나 온수의 열원으로 사용할 수 있기 때문에 압축기에서 소모되는 전력 이상의 열량을 얻게 되며, 이러한 점에서 히트펌프는 전열 히터보다 훨씬 효율적임은 잘 알려져 있다.
예를 들어 국내특허등록 제10-0949294호에는 공기열원 히트펌프가 공개되어 있으나, 상기 공기열원 히트펌프는 난방운전시 외기온이 떨어지면 난방부하는 증가하는 데 반하여 히트펌프의 열원으로 외기온을 이용함에 따라 성능과 출력이 저하되는 문제점을 지니고 있다. 그 뿐 아니라 히트펌프 실외기에 서리가 발생하여 주기적으로 서리를 제거하는 제상운전이 가동되며, 이에 따른 불필요한 에너지 낭비가 발생하고 있다.
그리고 변전소에는 변압기 내부에서 발생하는 철손과 동손의 손실로 인하여 열이 발생하는 데, 이 열을 지속적으로 냉각시켜야 원활한 변압기 운전이 가능하다. 일반적으로 이 열을 냉각하는 장치로 공랭식과 수냉식이 사용되며, 수냉식의 경우에 냉각탑의 냉각팬을 이용하여 열을 외부로 방출하는데 이에 따른 냉각팬에서 전력이 불필요하게 소모된다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 변압기 냉각수배관 회로에 수-수(Water-Water) 방식의 배열회수 열교환기를 설치하여 변전소 변압기의 배열을 회수하고 이를 공기열원 히트펌프의 난방 운전시 열원으로 공급하도록 하는 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
또한 배열회수 열교환기와 히트펌프 사이에 버퍼탱크를 설치하여 변전소 변압기와 히트펌프의 가동시간대 차이를 해결할 수 있는 하는 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
또한 공기열원 히트펌프의 양측면에 배열공급 열교환기를 설치하여 회수된 배열을 통해 히트펌프 내로 유입되는 외부의 공기온도를 상승시키는 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 히트펌프 내부의 냉매회로에 공기-냉매 열교환기(11)와 수-냉매 열교환기(13)가 구비되고 외부의 공기 열을 회수하거나 방출하는 실외기 팬(12) 이 구비되어 냉방과 난방을 하나의 시스템으로서 운전이 가능한 공기열원 히트펌프(9) 시스템에 있어서,
변전소 변압기에서 발생하는 배열을 회수하여 공기열원 히트펌프(9)의 난방운전시 열원으로 사용하도록, 변압기(2)와 냉각탑(3)이 설치된 냉각수배관 회로(100)에 연결되어 배열을 회수하고 제1수배관 회로(200)에 배열을 전달하는 배열회수 열교환기(5);
상기 배열회수 열교환기(5)와 공기열원 히트펌프(9)의 사이에 설치되며 상기 제1수배관 회로(200)와 연결되어, 배열회수 열교환기(5)에서 전달한 배열을 저장하고 공기열원 히트펌프(9)의 가동시간에 맞추어 제1수배관 회로(200)를 통해 공기열원 히트펌프(9)에 배열을 공급하는 버퍼탱크(7);
상기 제1수배관 회로(200)가 연결되어 버퍼탱크(7)에서 공급하는 배열을 회수하고 회수한 배열을 공기열원 히트펌프(9) 내부로 유입되는 외부의 공기와 열교환시켜 외부의 공기온도를 상승시키도록 공기열원 히트펌프(9)의 양 측면에 각각 설치된 배열공급 열교환기(10);
제2수배관 회로(300)가 설치되고 공기열원 히트펌프(9)와 냉난방 장소(17) 사이에 설치되어 심야전력을 활용하기 위해 공기열원 히트펌프(9)에서 공급된 열을 통해 얻은 냉온수를 저장한 후 주간시간에 냉난방 장소(17)에 공급하는 냉온수 축열조(15)로 이루어진 것을 특징으로 하는 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명은 변전소의 변압기에서 발생하는 배열을 외부로 방출하지 않고 공기열원 히트펌프의 난방 운전시 열원으로 활용함으로써, 공기열원 히트펌프의 출력과 성능을 향상시키고 히트펌프 실외기에 서리가 발생하여 주기적으로 서리를 제거하기 위한 제상운전 가동을 줄일 수 있으며, 변압기 냉각을 위한 냉각탑에서는 냉각수의 온도가 떨어져 냉각팬 가동이 줄어들게 되므로 에너지를 획기적으로 절감할 수 있는 효과가 있다.
도1 본 발명에 따른 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템을 나타낸 계통도.
도2 본 발명에 따른 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템의 배열공급 열교환기 내부 상세도.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템은 히트펌프 내부의 냉매회로에 공기-냉매 열교환기(11)와 수-냉매 열교환기(13)가 구비되고 외부의 공기 열을 회수하거나 방출하는 실외기 팬(12) 이 구비되어 냉방과 난방을 하나의 시스템으로서 운전이 가능한 공기열원 히트펌프(9) 시스템에 있어서,
변전소 변압기에서 발생하는 배열을 회수하여 공기열원 히트펌프(9)의 난방운전시 열원으로 사용하도록, 변압기(2)와 냉각탑(3)이 설치된 냉각수배관 회로(100)에 연결되어 배열을 회수하고 제1수배관 회로(200)에 배열을 전달하는 배열회수 열교환기(5);
상기 배열회수 열교환기(5)와 공기열원 히트펌프(9)의 사이에 설치되며 상기 제1수배관 회로(200)와 연결되어, 배열회수 열교환기(5)에서 전달한 배열을 저장하고 공기열원 히트펌프(9)의 가동시간에 맞추어 제1수배관 회로(200)를 통해 공기열원 히트펌프(9)에 배열을 공급하는 버퍼탱크(7);
상기 제1수배관 회로(200)가 연결되어 버퍼탱크(7)에서 공급하는 배열을 회수하고 회수한 배열을 공기열원 히트펌프(9) 내부로 유입되는 외부의 공기와 열교환시켜 외부의 공기온도를 상승시키도록 공기열원 히트펌프(9)의 양 측면에 각각 설치된 배열공급 열교환기(10);
제2수배관 회로(300)가 설치되고 공기열원 히트펌프(9)와 냉난방 장소(17) 사이에 설치되어 심야전력을 활용하기 위해 공기열원 히트펌프(9)에서 공급된 열을 통해 얻은 냉온수를 저장한 후 주간시간에 냉난방 장소(17)에 공급하는 냉온수 축열조(15)로로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참고하여 설명하기로 한다.
도1은 본 발명에 따른 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템을 나타낸 계통도로서, 도면에 나타난 바와 같이 본 발명은 변전소(1)의 변압기(2)에서 발생하는 열을 회수하여 공기열원 히트펌프(9)의 난방운전시 열원으로 사용할 수 있도록 배열회수 열교환기(5)가 구성된다.
상기 배열회수 열교환기(5)는 냉각수배관 회로(100)에서 순환되는 변전소의 변압기에서 발생한 배열을 갖는 순환매체(물)로 부터 배열을 회수하는 역할을 하는 것으로, 변압기(2)에 순환매체(물)가 흐르는 냉각수배관 회로(100)가 설치되어, 변압기(2)에서 발생하는 열이 상기 냉각수배관 회로(100)를 순환하는 순환매체(물)와 열교환하여 순환매체(물)가 배열을 갖게 되는 것이다.
상기와 같이 냉각수배관 회로(100)를 순환하는 배열을 갖은 순환매체(물)는 변압기 냉각펌프(4)의 가동으로 냉각수배관 회로(100)에 직렬로 연결된 배열회수 열교환기(5)를 거치면서 배열회수 열교환기(5)에 배열이 회수되고, 이로 인해 순환매체(물)는 온도가 떨어져 저온으로 냉각탑(3)에 유입되므로, 변압기(2)에 순환매체(물)를 저온으로 공급해야 하는 냉각탑(3)에서는 순환매체(물)의 냉각을 위한 냉각팬 가동이 불필요함에 따라 냉각탑 가동에 따른 전력소모를 감소시킬 수 있다.
예컨대, 도면에 도시된 바와 같이 냉각수배관 회로에서 40℃의 온도로 순환하는 순환매체(물)는 상기 배열회수 열교환기(5)를 거치면서 배열이 회수되어 35℃의 온도로 낮추어져 냉각탑(3)으로 이동되는 것을 알 수 있다.
그리고 상기 배열회수 열교환기(5)로 회수된 배열은 냉각수배관 회로(100)의 반대측에 설치된 제1수배관 회로(200)를 순환하는 순환매체(물)가 배열회수 열교환기(5)를 거치면서 회수된 배열과 열교환되어 순환매체(물)가 배열을 갖도록 배열회수 열교환기(5)에 설치된 제1수배관 회로(200)로 방출되는 것으로, 상기 배열회수 열교환기(5)는 순환매체(물)로부터 배열을 회수하고, 회수된 배열을 순환매체(물)와 열교환시키는 방식의 수-수(Water-Water) 방식으로 이루어진다.
상기 배열회수 열교환기(5)를 통해 회수된 배열이 제1수배관 회로(200)의 순환매체(물)와 열교환을 통해 순환매체(물)는 배열을 갖고 이를 공기열원 히트펌프(9)의 열원으로 공급하되, 배열회수 열교환기(5)와 공기열원 히트펌프(9)의 사이에 버퍼탱크(7)가 설치되어 구성된다.
상기 버퍼탱크(7)는 변전소(1)의 변압기(2)의 발생열 시간대와 공기열원 히트펌프(9)의 가동 시간이 차이가 발생하므로 변전소(1) 변압기(2)와 공기열원 히트펌프(9)의 가동 시간대의 차이를 해결하기 위해 구성한 것으로, 변전소(1)의 변압기(2) 가동시간에는 배열회수 열교환기(5)와 버퍼탱크(7) 사이에 설치된 배열1차펌프(6)를 가동하여 배열회수 열교환기(5)를 통해 회수된 배열을 갖는 순환매체(물)를 버퍼탱크(7)에 공급하여 저장시키고,
공기열원 히트펌프(9)의 가동시간에는 버퍼탱크(7)와 공기열원 히트펌프(9) 사이에 설치된 배열2차펌프(8)를 가동하여 버퍼탱크(7)에 저장된 배열을 갖는 순환매체(물)를 공기열원 히트펌프(9)의 열원으로 공급하는 것이다.
상기 공기열원 히트펌프(9)는 내부의 냉매회로에 공기-냉매 열교환기(11) 및 수-냉매 열교환기(13)가 연결되고 실외기 팬(12)이 설치된 일반적으로 잘 알려진 구성으로,
공기열원 히트펌프(9)의 난방 운전시에는 공기-냉매 열교환기(11)에서 증발부 역할이 이루어져 냉매가 증발하면서 실외기 팬(12)을 통해 외부의 공기를 공기열원 히트펌프(9) 내로 회수한다.
이때 공기열원 히트펌프(9) 내로 유입되는 외부의 공기온도를 높이기 위해 공기열원 히트펌프(9)의 공기유입 장소인 공기열원 히트펌프(9) 외측 좌우 양단에 상기 제1수배관 회로(200)가 연결되는 배열공급 열교환기(10)가 공기열원 히트펌프(9)의 공기유입 장소인 양 측면에 각각 설치되어 구성된다.
상기 배열공급 열교환기(10)에는 버퍼탱크(7)에 있는 배열을 갖는 순환매체(물)가 제1수배관 회로(200)를 통해 공급되고, 배열공급 열교환기(10)에서는 배열공급 열교환기(10)를 거치는 순환매체(물)에서 배열을 회수하여 회수된 배열과 공기열원 히트펌프(9) 내로 유입되는 외부의 공기가 열교환 되도록 하여, 이를 통해 외부의 공기는 온도가 상승되어 공기열원 히트펌프(9) 내로 유입되는 것으로, 상기 배열공급 열교환기(10)는 순환매체(물)에서 배열을 회수하고 회수한 배열을 공기와 열교환시키는 방식의 공기-수(Air-Water) 방식으로 이루어진다.
그래서 겨울철 난방시에는 공기열원 히트펌프(9) 내로 유입되는 외부의 공기온도(-20℃~10℃)가 낮아 공기열원 히트펌프(9)의 성능과 출력이 저감되는 문제가 발생하지만 본 발명에서는 변전소(1) 변압기(2)의 배열을 갖는 배열공급 열교환기(10)를 통해 낮은 온도인 외부의 공기를 높은 온도로 상승시켜 공기열원 히트펌프(9)에 공급하기 때문에 상승된 온도의 공기가 증발부 공기- 냉매 열교환기(11)를 통과함으로써 공기열원 히트펌프(9)의 성능과 출력이 향상되며, 서리제거를 위한 제상운전도 감소되어 에너지를 절감시킬 수 있는 것이다.
상기 배열공급 열교환기(10)에는 도2와 같이 동(Cu) 재질인 전열관(20)이 삽입되어 배열공급 열교환기(10)에 연결된 제1수배관 회로(200)는 전열관(20)과 연결된다.
상기 전열관(20)의 외측에는 전열효율을 높일 수 있는 알루미늄핀(25)이 원형으로 감겨있어, 전열관(20)에서는 제1수배관 회로(200) 내에서 순환되는 순환매체(물)로부터 배열을 빼앗아 알루미늄핀(25)으로 전달한다.
알루미늄핀(25)으로 전달된 배열은 공기열원 히트펌프(9) 내부로 유입되는 외부의 공기와 열교환되어 온도가 상승된 후 공기열원 히트펌프(9)로 유입되는 것이다.
그리고 상기 공기열원 히트펌프(9)의 냉방 운전시에는 변전소(1) 변압기(2)의 배열 회수를 위한 운전이 이용되지 않고 일반적인 방식으로 운전되는 것으로, 냉매회로가 역으로 순환하면서 공기-냉매 열교환기(11)에서는 응축부 역할이 이루어져 냉매가 응축하면서 실외기 팬(12)을 통해 외기에 공기 열을 방출하고, 이때 수-냉매 열교환기(13)에서는 증발부 역할이 이루어져 냉매가 증발하면서 발생하는 냉열을 냉방에 필요한 장소에 공급하는 것이다.
상기 공기열원 히트펌프(9)의 수-냉매 열교환기(13)와 냉난방 장소(17)에는 순환매체(물)가 순환되는 제2수배관 회로(300)가 설치되며, 상기 공기열원 히트펌프(9)를 통해 얻은 열을 갖는 순환매체(물)가 제2수배관 회로(300)를 통해 저장되는 냉온수 축열조(15)가 공기열원 히트펌프(9)와 냉난방 장소(17) 사이에 설치되어 심야전력을 활용하도록 구성하였다.
상기 냉온수 축열조(15)는 저렴한 심야전력을 사용하여 심야시간에 상기 공기열원 히트펌프(9)로 부터 냉온수를 가온 또는 냉각하며 가온 또는 냉각된 냉온수를 축열펌프(14)를 가동하여 제2수배관 회로(300)를 통해 냉온수 축열조(15)로 공급하고 냉온수 축열조(15)에서는 이를 저장한 후 주간시간에 부하펌프(16)를 가동하여 제2수배관 회로(300)를 통해 냉난방 장소(17)에 온열 및 냉열을 공급하는 것이다.
상기한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명이 비록 한정된 실시 예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하다 할 것이다.
1-변전소 2-변압기
3-냉각탑 4-변압기 냉각펌프
5-배열회수 열교환기 6-배열1차펌프
7-버퍼탱크 8-배열2차펌프
9-공기열원 히트펌프 10-배열공급 열교환기
11-공기-냉매 열교환기 12-실외기 팬
13-수-냉매 열교환기 14-축열펌프
15-냉온수 축열조 16-부하펌프
20-전열관 25-알루미늄핀
17-냉난방 장소 100-냉각수배관 회로
200-제1수배관 회로 300-제2수배관 회로

Claims (2)

  1. 히트펌프 내부의 냉매회로에 공기-냉매 열교환기(11)와 수-냉매 열교환기(13)가 구비되고 외부의 공기 열을 회수하거나 방출하는 실외기 팬(12) 이 구비되어 냉방과 난방을 하나의 시스템으로서 운전이 가능한 공기열원 히트펌프(9) 시스템에 있어서,
    변전소 변압기에서 발생하는 배열을 회수하여 공기열원 히트펌프(9)의 난방운전시 열원으로 사용하도록, 변압기(2)와 냉각탑(3)이 설치된 냉각수배관 회로(100)에 연결되어 배열을 회수하고 제1수배관 회로(200)에 배열을 전달하는 배열회수 열교환기(5);
    상기 배열회수 열교환기(5)와 공기열원 히트펌프(9)의 사이에 설치되며 상기 제1수배관 회로(200)와 연결되어, 배열회수 열교환기(5)에서 전달한 배열을 저장하고 공기열원 히트펌프(9)의 가동시간에 맞추어 제1수배관 회로(200)를 통해 공기열원 히트펌프(9)에 배열을 공급하는 버퍼탱크(7);
    상기 제1수배관 회로(200)가 연결되어 버퍼탱크(7)에서 공급하는 배열을 회수하고 회수한 배열을 공기열원 히트펌프(9) 내부로 유입되는 외부의 공기와 열교환시켜 외부의 공기온도를 상승시키도록 공기열원 히트펌프(9)의 양 측면에 각각 설치된 배열공급 열교환기(10);
    제2수배관 회로(300)가 설치되고 공기열원 히트펌프(9)와 냉난방 장소(17) 사이에 설치되어 심야전력을 활용하기 위해 공기열원 히트펌프(9)에서 공급된 열을 통해 얻은 냉온수를 저장한 후 주간시간에 냉난방 장소(17)에 공급하는 냉온수 축열조(15)로 이루어진 것을 특징으로 하는 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 배열공급 열교환기(10)에 연결된 제1수배관 회로(200)는 배열공급 열교환기(10) 내의 동(Cu) 재질인 전열관(20)과 연결되고, 전열관(20)의 외측에는 전열효율을 높일 수 있는 알루미늄핀(25)이 원형으로 감겨, 전열관(20)에서는 제1수배관 회로(200) 내에서 순환되는 배열을 빼앗아 알루미늄핀(25)으로 전달하여 공기열원 히트펌프(9)로 내부로 유입되는 외부의 공기 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 변전소 변압기 배열을 활용한 수축열식 공기열원 히트펌프 시스템.
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