KR101421255B1 - 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치 - Google Patents

공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치에 관한 것으로서, 특히 외기 건구 온도를 측정하는 제 1온도 센서와; 외기 상대 습도를 측정하는 습도 센서와; 열교환기로부터 배출되는 공급 온수 온도를 측정하는 제 2온도 센서와; 상기 열교환기로부터 배출되는 공급 온수의 유량을 외부 제어에 따라 제어하는 온도 제어밸브와; 세대 온수 리턴 배관에 설치되어 외부 제어에 따라 온수의 순환량을 가변시키는 인버터 순환펌프; 및 상기 습도 센서로부터 외기 상대 습도를 입력받아 외기 절대 습도를 연산한 다음, 연산된 외기 절대 습도와 외기 건구 온도를 이용하여 설정 온수 온도를 연산하고, 설정 온수 온도와 상기 제 2온도 센서로부터 입력된 공급 온수 온도를 비교하여 비교 결과에 따라 상기 온도 제어밸브의 개도량 및 상기 순환펌프의 회전수를 제어하는 온도 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 외기 온도 및 습도에 따라 온도 제어밸브와 순환펌프의 동작을 제어하여 온수의 온도를 제어함으로써 최적 온도의 온수 공급을 통해 효율을 증대시키고, 에너지를 절감할 수 있다.

Description

공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치{AIR HUMIDITY COMPENSATION OPERATOR OF DEHUMIDIFIED COOLING SYSTEM FOR APARTMENT BUILDING DISTRICT COOLING}
본 발명은 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치에 관한 것으로서, 상세하게는 외기 온도 및 습도에 따라 온도 제어밸브와 순환펌프의 동작을 제어하여 온수의 온도를 제어하도록 하는 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치에 관한 것이다.
일반적으로 지역난방시스템은 집단에너지를 공급하는 사업자가 다수의 개별 사용자에게 난방 및 급탕을 위해 배관을 통해 집단에너지를 공급하는 시스템으로 개별적으로 사용자가 난방설비를 갖추는 개별난방 시스템과는 차이가 있다.
즉, 지역난방은 한 개의 도시 또는 일정한 지역 내에 있는 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등 각종 건물이 개별적으로 난방설비를 갖추지 않고, 대규모 열생산시설, 즉 열병합발전소를 건설하여 난방 및 급탕에 필요한 중온수(80~120℃)를 생산, 열수송관을 통해 각 수용가에 공급하는 시스템으로 집단에너지 공급방식 중 하나이다.
한편, 지역난방의 온수를 이용한 제습냉방 시스템이 개발되었다.
상기 제습냉방 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 열원(110)과, 열교환기(120)와, 순환펌프(130)와, 열배관(140)과, 사용자 열교환기(150) 및 제습 냉방기(160)로 구성된다.
먼저, 열원(110)은 60~120℃의 온수를 생산한다. 여기에서, 열원(110)은 대규모 지역 난방이나 소규모 지역난방의 온수를 모두 사용할 수 있도록 열병합 발전소, 열전용 보일러, 마이크로터빈, 소형 가스 엔진, 소형 가스터빈중 선택된 어느 하나이다. 여기에서 또한, 열원(110)에는 온수를 저장하는 축열조(111)가 구비되는 것이 바람직하다.
그리고, 열교환기(120)는 열원(110)로부터 생산된 온수를 열교환하여 전달한다.
또한, 순환펌프(130)는 열교환기(120)에서 열교환된 온수를 순환시킨다.
또, 열배관(140)은 순환펌프(130)와 연결되어 열공급대상지역(A)까지 온수를 수송 및 회수한다.
한편, 사용자 열교환기(150)는 열공급대상지역(A)의 관리실 등에 설치되고, 열배관(140)과 연결되어 열배관(140)의 온수를 열공급대상지역(A)으로 전달한다.
그리고, 제습 냉방기(160)는 열공급대상지역(A)의 각 세대로 인입되어 사용자 열교환기(150)와 연계된 온수 배관(151)에 연결되어 각 세대에 설치되고, 온수 배관(151)으로부터 공급되는 온수를 이용하여 공기 중의 습기를 제거하여 잠열부하를 처리하고, 제습된 공기 속에서 물을 증발시켜 공기 온도를 낮추어 냉방을 공급한다. 여기에서, 제습 냉방기(160)는 재생형 증발식 냉각기(Regenerative Evaporative Cooler, REC)를 사용하여 냉각을 수행하는데, 건채널과 습채널의 반복적인 구조로 건채널을 통과한 공기의 일부가 습채널을 통과하도록 구성되고, 습채널 표면에서 물이 증발되어 냉각되며, 상대적으로 온도가 높은 건채널의 공기로부터 열을 흡수하여 건채널을 통과하는 공기는 습도 증가없이 최대 이슬점온도까지 냉각시키는 구조이다.
한편, 열공급대상지역(A)의 사용자시설은 도 2에 도시된 바와 같이 1차측 배관시설(DHWS, DHWR), 열교환기, 2차측 배관시설(온도 제어밸브(TCV-1)를 포함하는 각종 밸브류(PDCV, DPV, CV, BPV), 온도센서(TE), 온도계(TI), 압력센서(PI), 유량계(FM), 온도 제어기(TC1), 공급관(HWS), 회수관(HWR), 인버터 펌프 등 포함)로 구성된다.
사용자시설중 온도 제어밸브(TCV-1)는 온도 제어기(TC1)가 온도센서(TE)로부터 급수 및 환수 온도와, 유량계(FM)으로부터 유량을 센싱하여 이를 열량으로 계산한후 열량을 기준으로 유량을 조절하게 되는 데, 동절기 기준으로 용량 설계가 되어 있기 때문에 하절기, 즉 냉방시 유량감소로 인한 사용범위를 벗어남에 따라 밸브사용 한계이하로 감소하는 부분에 대한 유량 제어능력이 상실하는 문제점이 있다.
그리고, 또한 정격용량의 온도 제어밸브는 일정 개도량 이하의 유량이 흐를 경우 제어를 하지 못하는 특성이 있으며 이러한 이유로 부하의 요구에 대한 미세한 유량조절이 불가하여 제습냉방기의 냉방성능 감소, 과유량에 의한 에너지낭비가 발생할 수 있으며 유체의 맥동현상으로 인한 진동과 소음을 유발하게 되는 다른 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 출원인에 의해 국내 특허공개공보 10-2012-0110749호(지역냉방용 제습냉방시스템의 사용자시설에 대한 미세유량 제어장치)가 개발되어 출원되었다.
도 3에 도시된 바와 같이 상기 지역냉방용 제습냉방시스템의 사용자시설에 대한 미세유량 제어장치(1)는, 메인 온도 제어밸브(10)와, 미세조절용 온도 제어밸브(20)와, 온도 제어기(30)로 이루어진다.
먼저, 메인 온도 제어밸브(10)는 난방 열교환기(미도시)로부터 배출되는 온수의 유량을 하기에서 설명할 온도 제어기(30)의 제어에 따라 제어한다. 여기에서, 메인 온도 제어밸브(10)는 그 상, 하단에 미세조절용 온도 제어밸브(20)의 사용시 메인 온도 제어밸브(10)의 온수 흐름을 차단하도록 제 1,2차단 밸브(11, 13)가 더 구비되고, 제 1,2차단 밸브(11, 13)는 수동 또는 자동 타입이다.
그리고, 미세조절용 온도 제어밸브(20)는 메인 온도 제어밸브(10)의 상하단과 분기 배관(21)을 통해 병렬 연결되고, 온도 제어기(30)의 제어에 따라 열교환기로부터 배출되는 온수의 유량을 미세 조절한다.
또한, 온도 제어기(30)는 난방 열교환기의 온도센서(도 1의 TE)로부터 측정되는 급수 온도를 입력받고, 급수 온도가 제 1기준 온도값 이하인 경우 미세조절용 온도 제어밸브(20)를 폐쇄시킨 상태에서 기설정된 값에 따라 메인 온도 제어밸브(10)의 개폐도 조절을 통해 유량을 제어하여 기준 열량으로 조절하며, 급수 온도가 제 2기준 온도값 이상인 경우 메인 온도 제어밸브(10)를 폐쇄시키고, 미세조절용 온도 제어밸브(20)를 개방시킨 상태에서 기설정된 값에 따라 미세조절용 온도 제어밸브(20)의 개폐도를 조절하여 기준 열량으로 조절한다. 여기에서, 제 1기준 온도값은 상기 제 2기준 온도값보다 낮은 온도값이고, 바람직하게는 1~20℃ 낮은 값이다. 여기에서 또한, 온도 제어기(30)는 급수 온도가 제 1기준 온도값과 제 2기준 온도값 사이의 오버랩 범위에 해당되는 경우 메인 온도 제어밸브(10)와 미세조절용 온도 제어밸브(20)의 개폐도를 동시에 조절한다.
그러나, 이러한 종래의 지역냉방용 제습냉방시스템의 사용자시설에 대한 미세유량 제어장치는 외기의 온도 및 습도조건에 상관없이 실내 온습도 조절기에 의한 설정으로 기기가 운전되기 때문에 하절기 높은 온도나 습도에서는 토출온도 상승으로 인하여 성능저하 문제가 발생하게 된다.
국내 특허공개공보 10-2012-0110749호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 외기 온도 및 습도에 따라 온도 제어밸브와 순환펌프의 동작을 제어하여 온수의 온도를 제어함으로써최적 온도의 온수 공급을 통해 효율을 증대시키고, 에너지를 절감할 수 있도록 하는 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
외기 건구 온도를 측정하도록 관리실과 근접하는 실외장소측에 설치되는 제 1온도 센서와; 외기 상대 습도를 측정하도록 관리실과 근접하는 실외장소측에 설치되는 습도 센서와; 세대 온수 공급 배관(DWS)에 설치되어 열교환기로부터 배출되는 공급 온수 온도를 측정하는 제 2온도 센서와; 지역난방수 리턴 배관(DHWR)에 설치되어 외부의 제어에 따라 개도량을 조절하여 상기 열교환기로부터 배출되는 온수의 유량을 제어하는 온도 제어밸브와; 세대 온수 리턴 배관에 설치되어 외부 제어에 따라 온수의 순환량을 가변시키는 인버터 순환펌프; 및 상기 습도 센서로부터 외기 상대 습도를 입력받아 아래의 수학식 1을 이용하여 외기 절대 습도를 연산한 다음, 연산된 외기 절대 습도와 상기 제 1온도 센서로부터 실시간 또는 일정 시간 간격으로 입력되는 외기 건구 온도를 이용하여 아래의 수학식 2를 이용하여 설정 온수 온도를 연산하고, 설정 온수 온도와 상기 제 2온도 센서로부터 실시간 또는 일정 시간 간격으로 입력되는 공급 온수 온도를 비교하여 공급 온수 온도가 설정 온수 온도보다 낮으면 상기 온도 제어밸브의 개도량을 단계적으로 증가시키고, 상기 인버터 순환펌프의 회전수를 단계적으로 증가시켜 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일해지면 상기 온도 제어밸브의 개도량과 상기 인버터 순환펌프의 회전수를 유지시키고, 공급 온수 온도가 설정 온수 온도보다 높으면 상기 온도 제어밸브의 개도량을 단계적으로 감소시키고, 상기 인버터 순환펌프의 회전수를 단계적으로 감소시켜 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일해지면 상기 온도 제어밸브의 개도량과 상기 인버터 순환펌프의 회전수를 유지시키며, 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일하면 상기 온도 제어밸브의 개도량과 상기 인버터 순환펌프의 회전수를 유지시키는 온도 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
수학식 1
Figure 112014050261968-pat00010

여기에서, AHair : 외기 절대 습도(㎏/㎏'), 0.622 : 수증기의 밀도, RH : 외기 상대습도(%), Pw : 포화수증기압(㎩), P : 대기압(㎩)이다.
수학식 2
Figure 112014050261968-pat00011

여기에서, Tp : 설정 온수온도(℃), AHair : 외기 절대 습도(㎏/㎏'), Tair : 외기 건구온도(℃), a, c : 비례상수, b : 상수이다.
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상기와 같이 구성되는 본 발명인 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치에 따르면, 외기 온도 및 습도에 따라 온도 제어밸브와 순환펌프의 동작을 제어하여 온수의 온도를 제어함으로써 최적 온도의 온수 공급을 통해 효율을 증대시키고, 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 일반적인 지역난방의 온수를 이용한 제습냉방 시스템을 개략적으로 나타낸 개요도이다.
도 2는 도 1중 열공급대상지역의 사용자시설을 나타낸 계통도이다.
도 3은 종래의 지역냉방용 제습냉방시스템의 사용자시설에 대한 미세유량 제어장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 발명에 따른 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
이하, 본 발명에 따른 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치의 구성을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치(200)는 제 1온도 센서(210)와, 습도 센서(220)와, 제 2온도 센서(230)와, 온도 제어밸브(240)와, 인버터 순환펌프(250)와, 온도 제어기(260)로 구성된다.
먼저, 제 1온도 센서(210)는 실외에 설치되어 외기 건구 온도를 측정한다. 이때, 제 1온도 센서(210)는 관리실과 근접하는 실외장소(미도시)측에 설치되는 것이 바람직하다.
그리고, 습도 센서(220)는 실외에 설치되어 외기 상대 습도를 측정한다. 이때, 습도 센서(220)는 관리실과 근접하는 실외장소측에 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 제 2온도 센서(230)는 세대 온수 공급 배관(DWS)에 설치되어 열교환기(EX)로부터 배출되는 공급 온수 온도를 측정한다.
또, 온도 제어밸브(240)는 지역난방수 리턴 배관(DHWR)에 설치되어 열교환기(EX)로부터 배출되는 온수의 유량을 하기에서 설명할 온도 제어기(260)의 제어에 따라 개도량을 조절한다.
또, 인버터 순환펌프(250)는 세대 온수 리턴 배관(DWR)에 설치되어 온도 제어기(260)의 제어에 따라 온수의 순환량을 가변시킨다.
한편, 온도 제어기(260)는 습도 센서(220)로부터 외기 상대 습도를 입력받아 외기 절대 습도를 연산한 다음, 연산된 외기 절대 습도와 제 1온도 센서(210)로부터 입력된 외기 건구 온도를 이용하여 설정 온수 온도를 연산하고, 설정 온수 온도와 제 2온도 센서(230)로부터 입력된 공급 온수 온도를 비교하여 비교 결과에 따라 온도 제어밸브(240)의 개도량 및 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 제어한다.
이때, 온도 제어기(260)는 제 1온도 센서(210)와, 습도 센서(220) 및 제 2온도 센서(230)로부터 실시간으로 입력받거나 일정 시간 간격(예를 들어, 초, 분, 시간 단위)으로 입력받는다.
또한, 온도 제어기(260)는 설정 온수 온도와 공급 온수 온도를 비교하여 공급 온수 온도가 설정 온수 온도보다 낮으면 온도 제어밸브(240)의 개도량을 단계적으로 증가시키고, 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 단계적으로 증가시켜 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일해지면 온도 제어밸브(240)의 개도량과 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 유지시키고, 반대로 공급 온수 온도가 설정 온수 온도보다 높으면 온도 제어밸브(240)의 개도량을 단계적으로 감소시키고, 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 단계적으로 감소시켜 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일해지면 온도 제어밸브(240)의 개도량과 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 유지시킨다.
또, 온도 제어기(260)는 설정 온수 온도와 공급 온수 온도를 비교하여 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일하면 온도 제어밸브(240)의 개도량과 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 그대로 유지시킨다.
이하, 본 발명에 따른 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
온도 제어기(260)는 습도 센서(220)로부터 외기 상대 습도를 입력받아 아래의 수학식 1과 같이 외기 절대 습도를 연산한다.
Figure 112012093898688-pat00001
여기에서, AHair : 외기 절대 습도(㎏/㎏'), 0.622 : 수증기의 밀도, RH : 외기 상대습도(%), Pw : 포화수증기압(㎩), P : 대기압(㎩)이다.
이때, 포화수증기압을 아래의 표 1과 같다.
Figure 112012093898688-pat00002
외기 절대 습도가 연산되면, 온도 제어기(260)는 외기 절대 습도와 외기 건구 온도를 이용하여 아래의 수학식 2와 같이 설정 온수 온도를 연산한다.
Figure 112012093898688-pat00003
여기에서, Tp : 설정 온수온도(℃), AHair : 외기 절대 습도(㎏/㎏'), Tair : 외기 건구온도(℃), a, c : 비례상수, b : 상수이다.
설정 온수 온도가 연산되면 온도 제어기(260)는 설정 온수 온도와 공급 온수 온도를 비교하여 공급 온수 온도가 설정 온수 온도보다 낮으면 온도 제어밸브(240)의 개도량을 단계적으로 증가시키고, 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 단계적으로 증가시켜 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일해지면 온도 제어밸브(240)의 개도량과 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 유지시키고, 반대로 공급 온수 온도가 설정 온수 온도보다 높으면 온도 제어밸브(240)의 개도량을 단계적으로 감소시키고, 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 단계적으로 감소시켜 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일해지면 온도 제어밸브(240)의 개도량과 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 유지시킨다.
또한, 온도 제어기(260)는 설정 온수 온도와 공급 온수 온도를 비교하여 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일하면 온도 제어밸브(240)의 개도량과 인버터 순환펌프(250)의 회전수를 그대로 유지시킨다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
210 : 제 1온도 센서 220 : 습도 센서
230 : 제 2온도 센서 240 : 온도 제어밸브
250 : 인버터 순환펌프 260 : 온도 제어기

Claims (6)

  1. 외기 건구 온도를 측정하도록 관리실과 근접하는 실외장소측에 설치되는 제 1온도 센서와;
    외기 상대 습도를 측정하도록 관리실과 근접하는 실외장소측에 설치되는 습도 센서와;
    세대 온수 공급 배관(DWS)에 설치되어 열교환기로부터 배출되는 공급 온수 온도를 측정하는 제 2온도 센서와;
    지역난방수 리턴 배관(DHWR)에 설치되어 외부의 제어에 따라 개도량을 조절하여 상기 열교환기로부터 배출되는 온수의 유량을 제어하는 온도 제어밸브와;
    세대 온수 리턴 배관에 설치되어 외부 제어에 따라 온수의 순환량을 가변시키는 인버터 순환펌프; 및
    상기 습도 센서로부터 외기 상대 습도를 입력받아 아래의 수학식 1을 이용하여 외기 절대 습도를 연산한 다음, 연산된 외기 절대 습도와 상기 제 1온도 센서로부터 실시간 또는 일정 시간 간격으로 입력되는 외기 건구 온도를 이용하여 아래의 수학식 2를 이용하여 설정 온수 온도를 연산하고, 설정 온수 온도와 상기 제 2온도 센서로부터 실시간 또는 일정 시간 간격으로 입력되는 공급 온수 온도를 비교하여 공급 온수 온도가 설정 온수 온도보다 낮으면 상기 온도 제어밸브의 개도량을 단계적으로 증가시키고, 상기 인버터 순환펌프의 회전수를 단계적으로 증가시켜 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일해지면 상기 온도 제어밸브의 개도량과 상기 인버터 순환펌프의 회전수를 유지시키고, 공급 온수 온도가 설정 온수 온도보다 높으면 상기 온도 제어밸브의 개도량을 단계적으로 감소시키고, 상기 인버터 순환펌프의 회전수를 단계적으로 감소시켜 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일해지면 상기 온도 제어밸브의 개도량과 상기 인버터 순환펌프의 회전수를 유지시키며, 공급 온수 온도와 설정 온수 온도가 동일하면 상기 온도 제어밸브의 개도량과 상기 인버터 순환펌프의 회전수를 유지시키는 온도 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공동주택 지역냉방을 위한 제습냉방시스템의 외기 습도 보상운전장치.
    수학식 1
    Figure 112014050261968-pat00008

    여기에서, AHair : 외기 절대 습도(㎏/㎏'), 0.622 : 수증기의 밀도, RH : 외기 상대습도(%), Pw : 포화수증기압(㎩), P : 대기압(㎩)이다.
    수학식 2
    Figure 112014050261968-pat00009

    여기에서, Tp : 설정 온수온도(℃), AHair : 외기 절대 습도(㎏/㎏'), Tair : 외기 건구온도(℃), a, c : 비례상수, b : 상수이다.
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