KR101549657B1

KR101549657B1 - 지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR101549657B1
Application number: KR1020130135635A
Authority: KR
Inventors: 임용훈; 이재용; 정대헌
Original assignee: 한국에너지기술연구원
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-09-03
Also published as: WO2015068899A1; KR20150053545A; EP3067631A4; EP3067631A1; EP3067631B1; DK3067631T3

Abstract

지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
열교환 제어 시스템은, 제1지역난방 네트워크의 열원회수용 제1배관과 제2지역난방 네트워크의 열원공급용 제2배관 사이에 연결되며, 상기 제1배관을 통해 회수되는 제1열원과 상기 제2배관을 통해 공급되는 제2열원 간에 열교환을 발생시키는 열 펌프, 상기 제1열원 및 상기 제2열원의 온도를 획득하는 복수의 온도센서, 그리고 상기 제1열원 및 상기 제2열원의 온도를 토대로, 상기 제1열원과 상기 제2열원 사이에서의 상기 열 펌프의 열교환 방향을 제어하는 제어장치를 포함한다.

Description

지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR CONTROLLING OF HEAT EXCHANGE BETWEEN DISTRICT HEATING NETWORKS}

본 발명은 지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

지역난방시스템(District Heating System)은 집중된 대규모 열 생산시설에서 일정한 지역 내에 있는 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등의 건물에 고압 증기, 고압 온수 등의 열원을 공급하는 집단에너지 공급시스템이다.

지역난방시스템은 열원을 생산하는 열 생산시설, 열 생산시설을 통해 생산된 열원을 순환시키는 순환펌프 등으로 이루어지며, 순환펌프에는 열 공급대상지역까지 열원을 공급하고 회수하기 위한 배관이 연결된다. 배관에는 수용가의 열교환기가 연결되어, 열원을 통해 제공되는 열에너지를 수용가의 난방 및 온수 공급을 위한 열에너지로 공급한다.

한편, 지역난방시스템은 열원 공급을 위해 지속적으로 연료가 공급되어야 하고, 연료 소모량만큼 열원이 공급되는 방식이므로 연료의 소모량이 많고 열효율이 떨어지는 문제가 있다.

따라서, 지역난방시스템의 연료 소모량을 줄이고 열효율을 높이기 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 서로 다른 지역난방 네트워크 간의 효과적인 열교환을 통해 지역난방 네트워크의 연료 소모량을 감소시키고 열효율을 증가시키기 위한 지역난방 네트워크 간의 열거래 제어 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 서로 다른 지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 시스템은, 제1지역난방 네트워크의 열원회수용 제1배관과 제2지역난방 네트워크의 열원공급용 제2배관 사이에 연결되며, 상기 제1배관을 통해 회수되는 제1열원과 상기 제2배관을 통해 공급되는 제2열원 간에 열교환을 발생시키는 열 펌프, 상기 제1열원 및 상기 제2열원의 온도를 획득하는 복수의 온도센서, 그리고 상기 제1열원 및 상기 제2열원의 온도를 토대로, 상기 제1열원과 상기 제2열원 사이에서의 상기 열 펌프의 열교환 방향을 제어하는 제어장치를 포함한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면 열교환 제어 시스템의 서로 다른 지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 방법은, 제1지역난방 네트워크의 제1배관을 통해 회수되는 제1열원과 제2지역난방 네트워크의 제2배관을 통해 공급되는 제2열원의 온도를 획득하는 단계, 상기 제1열원 및 상기 제2열원의 온도를 토대로, 열교환 방향을 결정하는 단계, 그리고 상기 열교환 방향에 따라서 상기 제1열원과 상기 제2열원 간에 열 교환이 발생하도록, 상기 제1배관과 상기 제2배관 사이에 연결되는 열 펌프를 동작시키는 단계를 포함한다.

본 문서에 개시된 지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 시스템 및 그 방법은, 지역난방 네트워크 간의 열교환을 통해 사용되고 회수되는 폐열원을 다른 지역난방 네트워크에서 공급되는 열원의 승온을 위해 활용하거나, 다른 지역난방 네트워크에서 공급되는 저온의 열원을 이용하여 사용되고 회수되는 폐열원을 승온 시켜 열원으로 재공급함으로써 지역난방 네트워크의 연료 소모량을 감소시키고 열효율을 증가시키는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 시스템을 대략적으로 도시한 구조도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 펌프의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 시스템에서 열교환 방향을 제어하는 예들을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환 제어 시스템의 지역난방 네트워크 간 열교환 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

또한, 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계 없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지역난방 네트워크(District Heating Network) 간의 열교환 제어 시스템을 대략적으로 도시한 구조도이다. 또한, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열 펌프의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 열교환 제어 시스템은 서로 다른 지역난방 네트워크(1, 2) 사이에 연결되어 양방향으로 열교환을 수행하는 열 펌프(30)를 포함할 수 있다. 또한, 열교환 제어 시스템은 제1지역난방 네트워크(1)를 통해 회수되는 폐열원의 온도를 감지하는 제1온도센서(41), 제2지역난방 네트워크(2)를 통해 공급되는 열원의 온도를 감지하는 제2온도센서(42), 각 난방네트워크와 열 펌프(30) 간의 열원 또는 폐열원의 흐름을 제어하는 적어도 하나의 제어밸브(51, 52, 53, 54, 55, 56), 각 제어밸브(51, 52, 53, 54, 55, 56)를 조작하여 열교환 방향을 제어하는 제어장치(60) 등을 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 구성요소들은 필수적인 것은 아니어서, 지역난방 시스템은 도 1에 도시된 구성요소들에 비해 더 많거나 더 적은 구성요소들을 포함하도록 마련될 수도 있다.

제1지역난방 네트워크(1)는 고온의 열원을 기반으로 하는 지역난방 네트워크로서, 제1열생산시설(11), 제1열생산시설(11)에 연결되어 열원을 수용가로 수송하는 열원공급용 배관(12), 제1열생산시설(11)에 연결되어 수용가에서 사용되고 난 후의 폐열원을 회수하는 열원회수용 배관(13) 등을 포함할 수 있다. 본 문서에서, 열원은 열생산시설에 의해 생산된 열을 전달하는 매체를 나타내며, 고온 증기, 온수 등의 유체를 포함할 수 있다.

제1열생산시설(11)은 일정 지역 내에 위치하는 건물 등의 수용가에 열원을 공급하기 위한 대규모 열생산시설로서, 열병합발전(Combined Heat and Power) 방식 등을 통해 가열된 고온의 열원을 열원공급용 배관(12)을 통해 수용가로 공급하는 기능을 수행한다.

열원공급용 배관(12)을 통해 수용가로 공급되는 고온의 열원은 열교환 방식 등으로 수용가에 열을 전달한 후 순환되어 열원회수용 배관(13)을 통해 회수된다.

한편, 주로 열병합 방식으로 열원을 공급하는 제1열생산시설(1)의 특성상 연료 공급이 안정적이고 일정하게 열원 공급이 가능하여 제1지역난방 네트워크(1)를 통해 공급/회수되는 열원은 일정 온도를 유지할 수 있다.

제2지역난방 네트워크(2)는 분산형 전원을 기반으로 하는 지역난방 네트워크로서, 제1지역난방 네트워크(1)에 비해 상대적으로 저온의 열원을 기반으로 한다. 제2지역난방 네트워크(2)는 제2열생산시설(21), 제2열생산시설(21)에 연결되어 열원을 공급하는 열원공급용 배관(22) 등을 포함할 수 있다.

제2열생산시설(21)은 분산형 전원을 기반으로 하는 열생산시설로서, 열 생산을 위해 신재생에너지(New Renewable Energy)를 기반으로 하는 분산형 전원이 사용될 수 있다. 신재생에너지는 기존의 화석연료를 변환시켜 이용하거나 햇빛, 물, 지열, 생물유기체 등을 포함하는 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 에너지이다.

제2열생산시설(21)에 의해 가열된 열원은 온수 형태로 열원공급용 배관(22)을 통해 공급되며, 수용가에서 난방 또는 급탕용으로 사용될 수 있다.

한편, 공급량의 변동이 심한 신재생에너지를 기반으로 하는 제2열생산시설(21)의 특성상, 제2지역난방 네트워크(2)를 통해 공급되는 열원의 온도는 변동(fluctuation)이 심하며 제1열생산시설(11)에 비해 상대적으로 저온일 수 있다.

두 지역난방 네트워크(1, 2) 간에 열교환을 위한 열 펌프(30)는 제1지역난방 네트워크(1) 상에서 열원을 회수하는 열원회수용 배관(13)과, 제2지역난방 네트워크(2) 상에서 제2열생산시설(21)에 의해 생산된 열원을 수송하는 열원공급용 배관(22) 사이에 연결될 수 있다.

열 펌프(30)는 냉매의 흡열/발열을 이용하여 저온의 열원으로부터 열을 얻어 고온의 열을 취하는 장치이다.

열 펌프(30)는 열을 흡수하고 방열하는 원리의 구분에 따라 압축식, 화학식, 흡수식, 흡착식 등으로 분류될 수 있다.

본 문서에서는 설명의 편의를 위해 열 펌프(30)가 압축식인 경우를 예로 들어 설명하다. 그러나 본 발명의 실시 예는 이로 한정되지 않으며, 열 펌프(30)는 화학식, 흡수식, 흡착식으로 동작할 수도 있다.

압축식 열 펌프(30)는 증발기(31), 압축기(32), 응측기(32), 팽창기(34) 등을 포함할 수 있다.

증발기(31)는 일종의 열교환기로 팽창기(34)에 의해 팽창된 액냉매를 증발시켜 기체 상태로 만들어 공기, 물 등의 유체로부터 열을 회수하는 장치이다.

도 2를 예로 들어 설명하면, 증발기(31)는 팽창기(34)에 의해 액체 냉매가 팽창되어 대략 7℃ 정도의 습증기 상태로 전달되면, 이를 증발시켜 대략 35℃ 정도의 기체 상태로 만든다. 이 과정에서, 증발기(31)를 통과하는 폐수로부터 열을 회수하여 폐수의 온도가 대략 25℃에서 15℃로 감소한다.

압축기(32)는 냉매를 압축하는데 쓰이는 장치로서, 증발기(31)를 거쳐 전달된 저온/저압의 기체 냉매를 압축하여 고온/고압의 상태로 만들어 냉매순환의 원동력이 되는 압력차를 만드는 장치이다.

도 2를 예로 들어 설명하면, 압축기(32)는 증발기(31)로부터 대략 35℃ 정도의 기체 냉매가 전달되면, 이를 압축하여 대략 100℃ 내지 120℃의 고온/고압 상태로 변화시켜 응축기(33)로 전달한다.

응축기(33)는 압축기(32)를 거쳐 전달된 고온/고압의 기체 냉매를 차갑게 냉각된 액체 냉매로 변화시키는 장치이다. 증발기(31)에서 회수한 열을 포함하는 기체 냉매는 응축기(33)를 통과하면서 차갑게 냉각되고, 이 과정에서 기체 냉매가 액체 상태가 되면서 열이 발산되어 공기, 물 등의 유체로 열을 전달하는 장치이다.

도 2를 예로 들어 설명하면, 응축기(33)는 압축기(32)로부터 100℃ 내지 120℃의 고온/고압 상태인 기체 냉매가 전달되면, 이를 응축하여 50℃ 정도의 액체 냉매로 변화시킨다. 이 과정에서, 응축기(33)를 통과하는 온수로 열이 전달되어 온수의 온도가 대략 30℃에서 60℃로 증가한다.

팽창기(34)는 응축기(33)를 거쳐 전달된 고압의 액체 냉매를 팽창시켜 저압상태로 증발기(31)로 전달한다.

도 2를 예로 들어 설명하면, 팽창기(34)는 응축기(33)로부터 대략 50℃ 정도의 액체 냉매가 전달되면, 이를 팽창시켜 대략 7℃의 습증기 상태로 변화시킨다.

전술한 바와 같이, 열 펌프(30)는 냉매를 이용하여 저온의 폐수로부터 열을 회수하고, 이를 발열시켜 열원의 온도를 고온으로 변화시키는 기능을 수행할 수 있다.

다시, 도 1을 참조하면, 열 펌프(30)에는 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13)과 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22)이 연결되며, 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13)을 통해 회수되는 폐열원과 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22)을 통해 공급중인 열원은 열 펌프(30)를 통과하면서 열이 회수되거나 열을 흡수하여 승온될 수 있다.

즉, 열 펌프(30)는 제1지역난방 네트워크(1)에서 열원회수용 배관(13)을 통해 회수중인 폐열원 또는 제2지역난방 네트워크(2)에서 열원공급용 배관(22)을 통해 공급 중인 열원 중 어느 하나로부터 열을 회수한다. 그리고 회수한 열을 이용하여 제1지역난방 네트워크(1)에서 회수 중인 폐열원 또는 제2지역난방 네트워크(2)에서 공급 중인 열원의 온도를 증가시킨다.

각 제어밸브(51, 52, 53, 54, 55, 56)는 제어장치(60)의 제어신호를 토대로 각 배관(12, 13, 22) 사이 또는 각 배관(12, 13, 22)과 열 펌프(30) 사이의 열원의 흐름을 제어하는 기능을 수행한다.

예를 들어, 제1제어밸브(51)는 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13), 열 펌프(30)의 증발기(31) 및 응축기(33) 사이에 연결되어, 열원회수용 배관(13)을 통해 회수되는 폐열원을 열 펌프(30)의 증발기(31) 또는 응축기(33)로 선택적으로 유입시킬 수 있다.

또한, 예를 들어, 제2제어밸브(52)는 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22), 열 펌프(30)의 증발기(31) 및 응축기(33) 사이에 연결되어, 열원공급용 배관(22)을 통해 공급되는 열원을 열 펌프(30)의 증발기(31) 또는 응축기(33)로 선택적으로 유입시킬 수 있다.

또한, 예를 들어, 제3제어밸브(53)는 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22), 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13) 및 열 펌프(30)의 증발기(31) 사이에 연결되어, 증발기(31)를 통과하여 열이 회수된 상태의 폐열원을 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13)으로 유입시키거나, 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22)으로부터 제2제어밸브(52)를 통과하여 유입되는 열원을 증발기(31)로 공급할 수 있다.

또한, 예를 들어, 제4제어밸브(54)는 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22), 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13) 및 열 펌프(30)의 응축기(33) 사이에 연결되어, 응축기(33)를 통과하여 열을 흡수한 열원을 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22)으로 유입시키거나, 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13)으로부터 제1제어밸브(51)를 통과하여 유입되는 폐열원을 응축기(33)로 공급할 수 있다.

또한, 예를 들어, 제5제어밸브(55)는 열 펌프(30)의 증발기(31)와 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22) 사이에 연결되어, 열 펌프(30)의 증발기(31)에 의해 열이 회수된 열원을 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22)으로 유입/차단하는 기능을 수행할 수 있다.

또한, 예를 들어, 제6제어밸브(56)는 열 펌프(30)의 응축기(33)와 제1지역난방 네트워크(1)의 열원공급용 배관(12)에 마련된 믹서(mixer, 70) 사이에 연결되어, 열 펌프(30)의 응축기(33)에 의해 열을 공급받은 폐열원을 제1지역난방 네트워크(1)의 열원공급용 배관(12) 상에 설치된 믹서(70)로 유입/차단하는 기능을 수행할 수 있다. 응축기(33)를 통과하면서 열을 흡수하여 고온 상태가 된 폐열원은 제1열생산시설(11)로 순환되지 않고, 믹서(70)를 통해 제1열생산시설(11)을 통해 공급되는 고온의 열원과 바로 혼합되어 열원공급용 배관(12)을 통해 수용가로 공급될 수 있다.

제1 및 제2온도센서(41, 42)는 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13)을 통해 회수중인 폐열원과 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22)을 통해 공급중인 열원의 온도를 감지하는 기능을 수행한다. 이를 위해, 제1 및 제2온도센서(41, 42)는 각각 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13)과 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22)에 배치될 수 있다.

제어장치(60)는 제1 및 제2온도센서(41, 42)를 통해 획득되는 온도정보 또는 열 펌프(30)의 효율을 토대로 제1지역난방 네트워크(1)와 제2지역난방 네트워크(2) 간의 열교환 허용 여부를 판단한다. 또한, 두 지역난방 네트워크 간의 열 교환이 허용되면 제1 및 제2온도센서(41, 42)를 통해 획득되는 온도정보에 기반하여 열 펌프(30)의 열교환 방향을 결정하고, 열교환 방향에 따라 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13), 제2지역난방 네트워크(3)의 열원공급용 배관(22), 그리고 열 펌프(30) 사이의 열원 흐름이 이루어지도록 각 제어밸브(51, 52, 53, 54, 55, 56)를 제어한다. 제1 및 제2온도센서(41, 42)로부터 획득한 온도정보를 토대로 열교환 흐름을 제어하는 제어장치(60)의 동작에 대해서는 후술하는 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 시스템에서 열교환 방향을 제어하는 예들을 도시한 것이다.

도 3을 참조하면, 제1지역난방 네트워크(1)에서 열원회수용 배관(13)을 통해 회수되는 폐열원의 온도는 55℃로, 제2지역난방 네트워크(2)에서 열원공급용 배관(22)을 통해 공급되는 열원의 온도 45℃보다 높다.

이에 따라, 제어장치(60)는 열원회수용 배관(13)을 통해 회수되는 폐열원으로부터 열을 회수하여 제2지역난방 네트워크(2)를 통해 공급되는 열원으로 열을 공급하도록 열 펌프(30)를 순방향으로 동작시킨다.

이를 위해, 제어장치(60)는 제1지역난방 네트워크(1)에서 열원회수용 배관(13)을 통해 회수되는 폐열원이 열 펌프(30)의 증발기(31)로 유입되도록 제1제어밸브(51)를 제어하고, 증발기(31)에 의해 열이 회수된 후 방출되는 폐열원이 다시 제1지역난방 네트워크(1)의 열원회수용 배관(13)으로 유입되도록 제3제어밸브(53)를 제어한다. 이에 따라, 제1지역난방 네트워크(1)에서 열원회수용 배관(13)을 통해 회수되는 폐열원은 증발기(31)를 거치면서 열이 회수되어 45℃로 온도가 낮아진다.

또한, 제어장치(60)는 제2지역난방 네트워크(2)에서 열원공급용 배관(22)을 통해 공급되는 열원이 열 펌프(30)의 응축기(33)로 유입되도록 제2제어밸브(52)를 제어하고, 응축기(33)에 의해 열을 공급받은 열원이 다시 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22)으로 유입되도록 제4제어밸브(54)를 제어한다. 이에 따라, 제2지역난방 네트워크(2)에서 열원공급용 배관(22)을 통해 공급되는 열원은 응축기(33)를 거치면서 열을 흡수하여 60℃로 온도가 높아진다.

지역난방 네트워크에서 사용되고 회수되는 폐열원의 회수온도가 낮을수록 이득이다. 따라서, 제2지역난방 네트워크(2)에서 공급되는 열원보다 제1지역난방 네트워크(1)에서 회수되는 폐열원의 온도가 높은 경우, 열원회수용 배관(13)을 통해 회수되는 폐열원으로부터 열을 회수하여 제2지역난방 네트워크(2)를 통해 공급되는 열원에 열을 공급함으로써, 폐열원의 열을 재활용하는 것이 가능하여 열손실을 최소화하는 효과가 있다.

도 4를 참조하면, 제1지역난방 네트워크(1)에서 열원회수용 배관(13)을 통해 회수되는 폐열원의 온도는 55℃로, 제2지역난방 네트워크(2)에서 열원공급용 배관(22)을 통해 공급되는 열원의 온도 70℃보다 낮다.

이에 따라, 제어장치(60)는 제2지역난방 네트워크(2)에서 열원공급용 배관(22)을 통해 수송되는 열원으로부터 열을 회수하여 제1지역난방 네트워크(1)를 통해 회수되는 폐열원으로 열을 공급하도록 열 펌프(30)를 역방향으로 동작시킨다.

이를 위해, 제어장치(60)는 제2지역난방 네트워크(2)에서 열원공급용 배관(22)을 통해 공급되는 열원이 열 펌프(30)의 증발기(31)로 유입되도록 제2제어밸브(51) 및 제3제어밸브(53)를 제어하고, 증발기(31)에 의해 열이 회수된 후 방출되는 열원이 다시 제2지역난방 네트워크(2)의 열원공급용 배관(22)으로 유입되도록 제5제어밸브(55)를 제어한다. 이에 따라, 제2지역난방 네트워크(2)에서 공급되는 열원은 증발기(31)를 거치면서 열이 회수되어 55℃로 온도가 낮아진다.

또한, 제어장치(60)는 제1지역난방 네트워크(1)에서 열원회수용 배관(13)을 통해 회수되는 폐열원 중 적어도 일부가 열 펌프(30)의 응축기(33)로 유입되도록 제1제어밸브(52) 및 제4제어밸브(54)를 제어하고, 응축기(33)에 의해 열을 공급받은 폐열원이 제1지역난방 네트워크(1)의 열원공급용 배관(12) 상에 설치된 믹서(70)로 유입되도록 제6제어밸브(56)를 제어한다. 이에 따라, 제1지역난방 네트워크(1)에서 열원회수용 배관(13)을 통해 회수되는 폐열원은 응축기(33)를 거치면서 열을 흡수하여 95℃로 온도가 승온 된다. 온도가 승온 된 폐열원은 다시 제1열생산시설(11)로 회수될 필요 없이 믹서(70)를 통해 열원공급용 배관(12)으로 유입되어 수용가로 바로 공급될 수 있다.

제2지역난방 네트워크(2)를 통해 공급되는 열원은 바로 급탕으로 사용되는 경우 높은 온도를 유지할 필요가 없다. 따라서, 제2지역난방 네트워크(2)를 통해 공급되는 열원으로부터 일부 열을 회수하여 제1지역난방 네트워크(1) 상에서 사용되고 회수되는 폐열원을 승온 시키고, 승온 된 폐열원을 열원으로 바로 공급함으로써, 폐열원을 재사용하는 것이 가능하여 열효율을 향상시킬 수 있으며, 열원 가열에 사용되는 연료를 줄일 수 있어 연료 사용량을 감소시키는 효과가 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 열교환 제어 시스템의 지역난방 네트워크 간 열교환 제어 방법을 도시한 흐름도이다.

도 5를 참조하면, 열교환 제어 시스템의 제어장치(60)는 제1지역난방 네트워크(1)와 제2지역난방 네트워크(2) 간의 열교환 여부를 결정한다(S100).

상기 S100 단계에서, 제어장치(60)는 제1지역난방 네트워크(1)와 제2지역난방 네트워크(2)로부터 획득한 온도정보를 토대로 열교환 여부를 결정할 수 있다.

이 경우, 제어장치(60)는 제1 및 제2지역난방 네트워크(1, 2)에 각각 배치된 제1 및 제2온도센서(41, 42)를 통해 제1지역난방 네트워크(1)를 통해 회수되는 폐열원의 제1온도와 제2지역난방 네트워크(2)를 통해 공급되는 열원의 제2온도를 지속적으로 획득한다. 그리고 제1온도 및 제2온도를 서로 비교하여, 제1온도와 제2온도의 차이가 기 설정된 임계치 이상인 경우 두 지역난방 네트워크(1, 2) 간의 열교환 수행을 결정한다. 반면에, 제1온도와 제2온도의 차이가 임계치보다 작은 경우 두 지역난방 네트워크(1, 2) 간의 열교환을 차단한다.

상기 S100 단계에서, 제어장치(60)는 열 펌프(30)의 열효율을 토대로 열교환 여부를 결정할 수도 있다.

이 경우, 제어장치(60)는 제1지역난방 네트워크(1)를 통해 회수되는 폐열원과 제2지역난방 네트워크(2)를 통해 공급되는 열원의 온도, 유량 등의 정보를 지속적으로 획득한다. 그리고 획득한 정보를 토대로 열 펌프(30)의 순방향 효율과 역방향 효율을 산출한다. 열 펌프(30)의 효율은 열 펌프(30)로 입력되는 에너지 대비 출력되는 에너지의 비율에 대응되며, 성능계수(Coefficient of Performance, COP)로 나타낼 수 있다. 제어장치(60)는 열 펌프(30)의 순방향 효율과 역방향 효율 중 적어도 하나가 기 설정된 임계치 이상이면 두 지역난방 네트워크(1, 2) 간의 열교환 수행을 결정한다. 반면에, 순방향 효율과 역방향 효율이 모두 임계치보다 작은 경우 두 지역난방 네트워크(1, 2) 간의 열교환을 차단한다. 예를 들어, 순방향 효율과 역방향 효율 중 적어도 하나가 COP 2 이상인 경우 두 지역난방 네트워크(1, 2) 간의 열교환을 허가한다.

다음으로, 열 교환이 허가되면 제어장치(60)는 열 펌프(30)의 열교환 방향을 결정한다(S110).

상기 S110 단계에서, 제어장치(60)는 제1지역난방 네트워크(1)와 제2지역난방 네트워크(2)로부터 획득한 온도정보를 토대로 열교환 방향을 결정할 수 있다.

이 경우, 제어장치(60)는 제1지역난방 네트워크(1)를 통해 회수되는 폐열원의 제1온도와 제2지역난방 네트워크(2)를 통해 공급되는 열원의 제2온도를 비교하여, 제1온도가 제2온도보다 높은 경우 열 펌프(30)의 열교환 방향을 순방향으로 결정한다. 반면에, 제2온도가 제1온도보다 높은 경우 열 펌프(30)의 열교환 방향을 역방향으로 결정한다.

상기 S110 단계에서, 제어장치(60)는 열 펌프(30)의 열효율을 토대로 열교환 방향을 결정할 수도 있다.

이 경우, 제어장치(60)는 열 펌프(30)의 순방향 효율과 역방향 효율을 산출하고, 열 펌프(30)의 순방향 효율이 역방향 효율보다 높은 경우 열 펌프(30)의 열교환 방향을 순방향으로 결정한다. 반면에, 열 펌프(30)의 역방향 효율이 순방향 효율보다 높은 경우 열 펌프(30)의 열교환 방향을 역방향으로 결정한다.

다음으로, 열교환 방향이 결정되면, 제어장치(60)는 열교환 방향에 제1 및 제2지역난방 네트워크(1, 2) 간의 열 교환이 이루어지도록 열 펌프(3)를 동작시킨다(S120).

상기 S120 단계에서 열 펌프(30)의 순방향 열교환 방법과 역방향 열교환 방법에 대해서는 전술한 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명하였으므로 상세한 설명을 생략한다.

전술한 바와 같이 본 발명의 실시 예에 따른 열교환 제어 시스템은, 지역난방 네트워크 간의 열교환을 통해 사용되고 회수되는 폐열원을 다른 지역난방 네트워크에서 공급되는 열원의 승온을 위해 활용하거나, 다른 지역난방 네트워크에서 공급되는 저온의 열원을 이용하여 사용되고 회수되는 폐열원을 승온 시켜 열원으로 재공급함으로써 지역난방 네트워크의 연료 소모량을 감소시키고 열효율을 증가시키는 효과가 있다.

본 실시 예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만, '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 기록 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

서로 다른 지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 시스템에 있어서,
제1지역난방 네트워크의 열원회수용 제1배관과 제2지역난방 네트워크의 열원 공급용 제2배관 사이에 연결되며, 상기 제1배관을 통해 회수되는 제1열원과 상기 제2배관을 통해 공급되는 제2열원 간에 열교환을 발생시키는 열 펌프,
상기 제1열원 및 상기 제2열원의 온도를 획득하는 복수의 온도센서, 그리고
상기 제1열원 및 상기 제2열원의 온도를 토대로, 상기 제1열원과 상기 제2열원 사이에서의 상기 열 펌프의 열교환 방향을 제어하는 제어장치
를 포함하고,
상기 제어장치는 상기 제1배관을 통해 회수되는 제1열원으로부터의 열이 상기 제2배관을 통해 공급되는 제2열원으로 공급되도록 제어하거나, 상기 제2열원으로부터의 열이 상기 제1열원으로 공급되도록 제어하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1배관과 상기 열 펌프 사이, 그리고 상기 제2배관과 상기 열 펌프 사이에 배치되며, 상기 제어장치의 제어신호를 토대로 상기 제1열원 및 상기 제2열원의 흐름을 제어하는 복수의 제어밸브를 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 제1열원 및 상기 제2열원의 온도 차가 임계치 이상이면, 상기 제1열원과 상기 제2열원 사이에 열 교환이 발생하도록 상기 열 펌프를 동작시키는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 열 펌프의 순방향 효율 또는 역방향 효율이 임계치 이상이면 상기 제1열원과 상기 제2열원 사이에 열 교환이 발생하도록 상기 열 펌프를 동작시키는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 제1열원의 온도가 상기 제2열원의 온도보다 높으면, 상기 제1열원으로부터 열을 흡수하고 상기 제2열원으로 열을 공급하도록 상기 열 펌프를 동작시키는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제어장치는 상기 제1열원의 온도가 상기 제2열원의 온도보다 낮으면, 상기 제2열원으로부터 열을 흡수하고 상기 제1열원으로 열을 공급하도록 상기 열 펌프를 동작시키는 시스템.
제6항에 있어서,
상기 열 펌프에 의해 온도가 높아진 상기 제1열원은 상기 제1지역난방 네트워크의 열원공급용 제3배관으로 유입되는 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제3배관에 배치되며, 상기 열 펌프에 의해 온도가 높아진 상기 제1열원을 상기 제3배관을 통해 공급되는 제3열원과 혼합하는 믹서를 더 포함하는 시스템.
제1항에 있어서,
상기 제1지역난방 네트워크는 열병합 발전 기반의 고온 네트워크이고, 상기 제2지역난방 네트워크는 분산형 전원을 기반으로 하는 저온 네트워크인 시스템.
열교환 제어 시스템의 서로 다른 지역난방 네트워크 간의 열교환 제어 방법에 있어서,
제1지역난방 네트워크의 제1배관을 통해 회수되는 제1열원과 제2지역난방 네트워크의 제2배관을 통해 공급되는 제2열원의 온도를 획득하는 단계,
상기 제1열원 및 상기 제2열원의 온도를 토대로, 열교환 방향을 결정하는 단계, 그리고
상기 열교환 방향에 따라서 상기 제1열원과 상기 제2열원 간에 열 교환이 발생하도록, 상기 제1배관과 상기 제2배관 사이에 연결되는 열 펌프를 동작시키는 단계
를 포함하고,
상기 열 펌프를 동작시키는 단계는 상기 제1배관을 통해 회수되는 제1열원으로부터의 열이 상기 제2배관을 통해 공급되는 제2열원으로 공급되도록 제어하는 단계, 또는 상기 제2열원으로부터의 열이 상기 제1열원으로 공급되도록 제어하는 단계를 포함하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 열교환 방향에 따라서 상기 제1열원 및 상기 제2열원이 상기 열 펌프로 유입되도록 상기 제1배관과 상기 열 펌프 사이, 그리고 상기 제2배관과 상기 열 펌프 사이에 배치되는 복수의 제어밸브를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 제1열원 및 상기 제2열원의 온도 차가 임계치 이상이면, 상기 제1열원과 상기 제2열원 사이에 열교환을 허가하는 단계를 더 포함하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 열 펌프의 순방향 효율 및 역방향 효율을 산출하는 단계, 그리고
상기 순방향 효율 또는 상기 역방향 효율이 임계치 이상이면 상기 제1열원과 상기 제2열원 사이에 열교환을 허가하는 단계를 더 포함하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 열교환 방향을 결정하는 단계는,
상기 제1열원의 온도가 상기 제2열원의 온도보다 높으면, 상기 제1열원으로부터 열을 흡수하고 상기 제2열원으로 열을 공급하도록 상기 열 펌프의 열교환 방향을 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 열교환 방향을 결정하는 단계는,
상기 제1열원의 온도가 상기 제2열원의 온도보다 낮으면, 상기 제2열원으로부터 열을 흡수하고 상기 제1열원으로 열을 공급하도록 상기 열 펌프의 열교환 방향을 결정하는 단계를 더 포함하는 방법.
제10항에 있어서,
상기 제1지역난방 네트워크는 열병합 발전 기반의 고온 네트워크이고, 상기 제2지역난방 네트워크는 분산형 전원을 기반으로 하는 저온 네트워크인 방법.
제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 의한 방법을 실행시키기 위한 프로그램을 저장하는 기록매체.