KR101553553B1

KR101553553B1 - 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템

Info

Publication number: KR101553553B1
Application number: KR1020140112243A
Authority: KR
Inventors: 마경호
Original assignee: (주)아이스맥스
Priority date: 2014-08-27
Filing date: 2014-08-27
Publication date: 2015-09-22

Abstract

본 발명은 실내 아이스링크를 결빙시키기 위한 냉동장치의 가동 중에 발생되는 냉각배열(排熱)을 회수하여 겨울철에 관람석을 난방하기 위한 히트펌프의 열원으로 재활용하게 됨에 따라, 난방을 위한 연료사용을 절감할 수 있는 경제적인 효과와 함께 화석연료를 연소할 때 발생하는 오염물질을 저감시켜 환경에 친화적인 상태에서 난방을 할 수 있게 한 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템에 관한 것으로,
즉, 실내 아이스링크의 바닥에 배관된 냉각관에 제빙을 위한 저온의 냉매를 공급 및 순환되게 하는 브라인 칠러와 상기 브라인 칠러의 가동중에 발생되는 열을 냉각수에 의해 냉각되게 증발식 냉각탑이 구비된 냉동장치에 있어서, 상기 브라인 칠러로부터 냉각탑을 경유하도록 배관된 냉각수관에 선택적으로 냉각수의 유로를 변경하게 되는 분기관으로 연결되어 그 분기관의 관로를 흐르는 고온의 열을 회수하게 되는 열교환기와, 상기 열교환기에 수관을 매개로 연결되어 냉각배열로부터 회수된 폐열을 온수로 저장하게 되는 폐열수조와, 상기 폐열수조의 출측에 설치되어 폐열을 열원으로 난방용 온수를 생산하게 되는 수열원 히트펌프와, 상기 수열원 히트펌프에서 생산된 고온의 난방용 온수를 저장 및 순환되게 설치된 축열조와, 상기 축열조에 저장된 난방용 온수를 온수공급 펌프에 의해 공급하여 실내 아이스링크의 공간을 난방하게 되는 난방설비로 구성된 것이다.

Description

냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템{Heating system of indoor ice rink using colling configuration}

본 발명은 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템, 더욱 상세하게는 실내 아이스링크를 결빙시키기 위한 냉동장치의 가동 중에 발생되는 냉각배열(排熱)을 회수하여 겨울철에 관람석을 난방하기 위한 히트펌프의 열원으로 재활용하게 됨에 따라, 난방을 위한 연료사용을 절감할 수 있는 경제적인 효과와 함께 화석연료를 연소할 때 발생하는 오염물질을 저감시켜 환경에 친화적인 상태에서 난방을 할 수 있게 한 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 각종 빙상 경기 및 스포츠를 계절에 구애됨이 없이 상시적으로 즐길 수 있도록 실내 아이스링크 또는 빙상장 등의 시설이 점차 늘어나는 추세에 있으며, 대부분의 실내 아이스링크는 바닥에 냉각관을 일정한 간격으로 배치되게 설치한 후 냉동기에 연결하여 프레온가스로 된 냉매를 냉각관의 관로를 따라 순환되게 함으로써 냉매의 흡열작용에 의해 바닥에 충진된 물을 냉각하여 결빙되게 한 설비가 보편적이다.

상기 실내 아이스링크는 추운 계절에 선수들이 최적의 컨디션을 유지한 상태에서 제대로 된 기량을 펼칠수 있도록 하면서 관람자의 편의를 고려하여 실내 기온을 우리 나라의 봄과 가을 날씨에 해당하는 영상 10℃ 내외의 온도를 유지하도록 난방을 하는 반면, 실내 온도가 높으면 그만큼 빙상의 얼음이 빨리 녹기 때문에 얼음이 단단하게 결빙된 상태에서 경기에 적합한 빙판을 유지할 수 있도록 빙판을 영하의 온도(약 -2℃ 내외)로 유지되게 하는 관리가 필수적이었다.

즉, 실내 아이스링크에서는 빙판이 영하의 온도를 유지하기 위하여 제빙용 냉동장치가 필수적으로 구비 및 가동되고 있으며, 추운 겨울에도 선수들이 실력을 제대로 발휘할 수 있도록 함과 아울러 관중이 추위를 느끼지 않도록 실내 온도가 적당한 상온을 유지하도록 난방용 보일러 및 공조시설이 대부분 설치되어 있다.

종래에 실내 아이스링크의 관람석에 대한 난방은 주로 도시가스나 기름 등을 에너지원으로 하였으므로, 넓은 공간을 난방하기 위하여 대량의 에너지를 사용하는 과정에서 비용이 과다하게 소요되었음은 물론 화석연료의 사용으로 인하여 지구온난화의 주요 원인이 되는 이산화탄소의 발생이 증가되어 경제적 및 환경적인 측면에서 많은 문제점이 있었다.

또한, 대부분의 아이스링크는 양질의 빙판을 유지되도록 냉동장치를 수시로 가동하여 제빙과정을 반복하게 되는데, 상기 제빙과정에서 냉각관을 순환하는 냉매의 온도를 -8℃ ~ -15℃의 범위로 냉각시키게 되는 브라인 칠러(brine chiller)에 고온(60℃ ~80℃)의 냉각배열이 발생되었고 이러한 고열은 증발식 냉각탑을 통하여 대기중으로 배출시키는 구조로 됨으로써, 상기 냉각탑을 통해 열교환되었던 냉매를 다시 응축하는 과정에서 가동부하가 크게 발생되었음은 물론 막대한 열손실이 발생되는 문제점도 있었다.

본 발명은 위와 같은 종래의 실내 아이스링크를 결빙되게 하는 냉동장치의 가동부하와 열손실로 인한 문제점을 감안하여 발명한 것으로, 그 목적은 냉동장치의 가동과정에 발생되는 냉각배열을 회수하여 난방용 히트펌프의 열원으로 재활용함과 아울러 냉동장치의 가동 효율을 향상시킬 수 있는 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 실내 아이스링크의 바닥에 배관된 냉각관에 제빙을 위한 저온의 냉매를 공급 및 순환되게 하는 브라인 칠러와 상기 브라인 칠러의 가동중에 발생되는 열을 냉각수에 의해 냉각되게 하는 증발식 냉각탑이 구비된 냉동장치에 있어서, 상기 브라인 칠러로부터 냉각탑을 경유하도록 배관된 냉각수관에 선택적으로 냉각수의 유로를 변경하게 되는 분기관으로 연결되어 그 분기관의 관로를 흐르는 고온의 열을 회수하게 되는 열교환기와, 상기 열교환기에 수관을 매개로 연결되어 냉각배열로부터 회수된 폐열을 온수로 저장하게 되는 폐열수조와, 상기 폐열수조의 출측에 설치되어 폐열을 열원으로 난방용 온수를 생산하게 되는 수열원 히트펌프와, 상기 수열원 히트펌프에서 생산된 고온의 난방용 온수를 저장 및 순환되게 설치된 축열조와, 상기 축열조에 저장된 난방용 온수를 온수공급 펌프에 의해 공급하여 실내 아이스링크의 공간을 난방하게 되는 난방설비로 구성된 것이다.

이와 같은 본 발명의 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템은 빙판을 유지하기 위한 제빙과정에서 버려지는 냉각배열을 회수하여 난방용 히트펌프의 열원으로 재활함으로써, 냉동장치의 가동시간이나 가동 부하율의 변동 또는 난방부하나 외기온도의 변화에도 히트펌프를 안정적이고 효율적으로 운전할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 가스보일러 방식의 난방에 비해 에너지와 그 에너지비용을 현저히 절감하면서 초기 투지비를 단기간에 회수할 수 있는 경제적인 장점과 더불어 환경오염을 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템에 대한 전체 구성을 나타낸 블럭도이다.

이하, 본 발명의 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템을 첨부도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템에 대한 전체 구성을 나타낸 블럭도로서, 본 발명은 실내 아이스링크(I)의 바닥에 배관된 냉각관(L)에 제빙을 위한 저온의 냉매를 공급 및 순환되게 하는 브라인 칠러(C)와 상기 브라인 칠러의 가동중에 발생되는 열을 냉각수에 의해 냉각되게 하는 증발식 냉각탑(E)이 구비된 냉동장치(10)에 있어서, 상기 브라인 칠러(C)에서 발생된 열을 냉각탑(E)을 통해 대기중으로 배출하기 전에 회수하여 난방용 히트펌프의 열원으로 취득하기 위한 것이다.

즉, 브라인 칠러(C)는 지속적인 결빙상태를 유지되도록 하기 위해 냉각관(L)을 경유하여 열교환된 -2 ~ -5℃의 냉매를 제빙에 적합한 -8 ~ -15℃의 저온으로 압축하는 동작을 반복하게 되고, 이때 브라인 칠러(C)에 발생된 열을 냉각시키기 위하여 순환되는 냉각수는 50~70℃의 고온 상태에서 냉각탑(E)을 통해 대기중으로 방출됨으로써, 이 과정에서 냉각탑(E)을 통해 많은 량의 냉각배열이 발생하였다.

상기 브라인 칠러(C)로부터 냉각탑(E)을 경유하도록 배관된 냉각수관(L1)에는 각각의 밸브(V1)(V2)에 의해 선택적으로 냉각수의 유로를 변경하게 되는 분기관(L1')이 연결되고, 상기 분기관(L1')은 관로를 흐르는 고온(50~70℃)의 냉각수의 열을 회수할 수 있도록 액체 또는 기체 등의 매질이 채워진 열교환기(20)에 배관되어 있다.

상기 열교환기(20)에는 냉각배열로부터 회수된 폐열을 온수로 저장되게 수관(L2)을 매개로 하는 폐열수조(30)가 연결되고, 상기 수관(L2)에 상응하여 폐열수조(30)의 출측에 배관된 수관(L2')에는 저장된 폐열을 열원으로 하여 난방용 온수를 생산하는 수열원 히트펌프(40)가 연결되며, 이때 각 수관(L2)(L2')의 관로에는 온수를 강제로 공급 및 순환되게 하는 펌프(P1)(P2)를 설치하는 것이 바람직하다.

냉동장치(10)에서 상시적인 제빙이 이루어지는 과정에 발생되는 냉각배열은 냉각수관(L1)과 분기관(L1')을 통해 열교환기(20)에 50~70℃의 열을 전달하고, 상기 폐열수조(30)로부터 열교환기(20)를 경유하여 열교환 된 온수는 25~35℃를 유지한 상태에서 폐열수조(30)에 저장되었다가 수열원 히트펌프(40)의 증발기에 공급된다.

상기 수열원 히트펌프(40)에 구비된 응축기 측에는 히트펌프의 운전시에 생산된 고온(75~85℃)의 온수를 저장 및 순환되게 펌프(P3)를 구비한 축열조(50)가 설치되고, 상기 축열조에는 온수공급 펌프(P4)에 의해 난방에 필요한 온수를 난방설비(60)에 공급 및 순환되게 연결되어 있다.

이때, 상기 난방설비(60)는 관로를 흐르는 온수에 의해 실내공기와 열교환이 이루어지는 공기조화기, 온수 복사패널, 팬 코일 유니트 히터 및 난방 코일 등의 통상적인 장비로 구성되고, 상기 난방설비를 경유하여 축열조(50)로 유입되는 온수의 관로에는 온수의 흐름을 원활하도록 유도하는 압력조절밸브(E/V)를 설치하는 것이 바람직하다.

따라서, 상기와 같은 본 발명은 페열수조(30)에서 공급되는 25~35℃의 온수가 수열원 히트펌프(40)의 증발기에 구비된 전열코일에 열을 가하여 그 내부의 액냉매를 기화시키게 되고, 기화된 냉매가스는 수열원 히트펌프(40)의 압축기에 의해 압축되어 고온 고압의 상태가 된 후 이 냉매가스가 응축기로 유입되어 그 전열코일을 통해 냉매가스의 열을 축열조(50)의 온수에 전달하여 75~85℃의 난방용 온수를 생산하게 되며, 상기 축열조에 저장된 고온의 난방용 온수는 온수공급 펌프(P4)에 의해 난방설비(60)를 순환하게 됨으로써 실내 아이스링크(I)의 난방을 하게 된다.

상기 페열수조(30)로부터 수열원 히트펌프(40)의 증발기로 공급되는 25~35℃범위의 폐열은 기화 후 순환되는 과정에 15~20℃로 저하되고, 수열원 히트펌프(40)의 응축기에서 생산된 온수는 75~85℃ 범위에서 60~70℃로 저하되었다가 열교환에 의해 고온으로 상승되는 작용을 반복하게 됨으로써, 수열원 히트펌프(40)의 가동부하와 에너지를 줄일 수 있다.

다음 표 1은 "태릉 국제스케이트장"에 본 발명의 냉각배열을 이용한 수열원 히트펌프로 된 난방설비를 설치 전, 후와 연간 연료소비량과 난방 운전비를 계산한 비교표이다.

난방방식		배열 히트펌프 (개선후)	가스보일러 방식 (개선전)	비고
설계기준	난방총부하	3,000,000kcal/hr	3,000,000kcal/hr	공기㎥당8kcal/h 기준. 1kw=860kcal
설계기준	온수공급온도	85℃	85℃
장비효율(COP)		310％	82％	장비효율적용
기준연료발열량		2,666 kcal/kwh	7,814kcal/㎥
연료소비량	필요열량(시간)	1,125.3 kwh	383.9 ㎥	난방총부하÷기준연료발열량
	0필요열량(day)	9,002 Kwh	3,071 ㎥	10h ×0.8
	필요열량(월)	270,060 Kwh	92,130 ㎥	30일/월
	필요열량(년)	3,240,720 Kwh	1,105,560 ㎥	12월/년
연료비	기준연료단가(원)	100/Kwh	874.15 ㎥	일반용 전력/업무용 가스요금
	연료비(일)	900,240 원	2,684,515 원
	연료비(월)	27,007,200 원	80,535,400 원
	연료비(년)	324,086,000 원	966,425,000 원	실내 13℃ 유지 기준
비용절감액(년)		642,339,000 원	기준

한편, 상기 냉각배열을 이용한 난방 시스템의 특징적인 구성인 히트펌프와 축열조 등의 열원설비를 설치하는데 따른 초기투자비가 1,900,000,000원 정도 소요되었으며, 상기 초기투자비 대비 연간 연료비 절감액이 642,339,000원 임을 감안할 때 3년 이내에 설비투자비를 회수할 수 있는 경제적인 효과가 있다.

따라서, 상기와 같은 본 발명은 아이스링크에서 빙판를 유지하기 위해 제빙하는 과정에 버려지는 냉각배열을 회수하여 히트펌프의 열원으로 재활용함으로써, 히트펌프의 효율을 향상시키기 되고, 폐열수조와 축열조에서 공급되는 온수에 의해 상기 제빙용 냉동장치의 가동시간이나 가동 부하율 변동 또는 난방부하나 외기온도의 변화에도 히트펌프를 안정적으로 운전할 수 있게 된 것이다.

또한 본 발명은 가스보일러 방식의 난방설비 대비 30-40%의 비용으로 난방이 가능하여 에너지와 에너지비용의 절감율을 60%-70% 범위로 할 수 있으며, 30℃ 전후의 안정적인 냉각배열을 히트펌프의 열원으로 사용함으로써 지열원이나 공기열원 방식보다 히트펌프의 성적계수가 높고(지열원 대비 30%, 공기열원 대비 40-50%) 혹한기에도 안정적인 장비운영을 할 수 있다.

10 : 냉동장치 20 : 열교환기
30 : 폐열수조 40 : 수열원 히트펌프
50 : 축열조 60 : 난방설비
I : 아이스링크
L : 냉각관
C : 브라인 칠러
E : 증발식 냉각탑
V1, V2 :
P1, P2, P3, P4 : 펌프

Claims

실내 아이스링크(I)의 바닥에 배관된 냉각관(L)에 제빙을 위한 저온의 냉매를 공급 및 순환되게 하는 브라인 칠러(C)와 상기 브라인 칠러의 가동중에 발생되는 열을 냉각수에 의해 냉각되게 하는 증발식 냉각탑(E)이 구비된 냉동장치(10)에 있어서,
상기 브라인 칠러(C)로부터 냉각탑(E)을 경유하도록 배관된 냉각수관(L1)에 각각의 밸브(V1)(V2)에 의해 선택적으로 냉각수의 유로를 변경하게 되는 분기관(L1')으로 연결되어 그 분기관(L1')의 관로를 흐르는 고온(50~70℃)의 열을 회수하게 되는 열교환기(20);
상기 열교환기(20)에 수관(L2)을 매개로 연결되어 냉각배열로부터 회수된 폐열을 온수로 저장하게 되는 폐열수조(30);
상기 폐열수조(30)의 출측에 배관된 수관(L2')을 통해 공급되는 폐열을 열원으로 증발기에 구비된 전열코일에 열을 가하여 그 내부의 액냉매를 기화시키고, 기화된 냉매가스를 고온 고압으로 압축한 후 응축하는 과정에 75~85℃의 난방용 온수를 생산하게 되는 수열원 히트펌프(40);
상기 수열원 히트펌프(40)에서 생산된 고온의 난방용 온수를 저장 및 순환되게 펌프(P3)를 구비한 축열조(50)가 설치되고, 상기 축열조에 저장된 난방용 온수를 온수공급 펌프(P4)에 의해 공급하여 실내 아이스링크(I)의 공간을 난방하게 된 난방설비(60);를 포함한 구성을 특징으로 하는 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템.
제 1항에 있어서, 상기 페열수조(30)로부터 수열원 히트펌프(40)의 증발기로 공급되는 25~35℃범위의 폐열은 기화 후 순환되는 과정에 15~20℃로 저하되고, 수열원 히트펌프(40)의 응축기에서 생산된 온수는 75~85℃ 범위에서 축열조(50)로부터 난방설비(60)를 경유한 후 60~70℃로 저하되었다가 열교환에 의해 고온으로 상승되는 작용을 반복하게 되는 구성을 특징으로 하는 냉각배열을 이용한 실내 아이스링크의 난방 시스템.