KR101613255B1 - 계절 에너지 저장 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템으로서, 에너지 저장 장치, 태양열 수집기, 냉장 유니트, 및 사용자 터미널에 폐루프 연결된 물 공급 장치를 구비한다. 에너지 저장 장치는 제1 워터 펌프들에 의해 수원에 연결된 적어도 고열원 저장 폰드와 저열원 저장 폰드를 구비한다. 물 공급 장치는 저열원 저장 폰드에 연결된 온수 공급 풀과 저열원 저장 폰드에 연결된 냉방수 공급 풀을 구비한다. 태양열 수집기는 제2 워터 펌프들에 의해 고열원 저장 폰드와 온수 저장풀에 연결된다. 냉장 유니트는 제3 워터 펌프들에 의해 온수 공급 풀과 냉방수 공급 품에 연결되어, 사용자 터미널에 폐루프 연결된다.

Description

계절 에너지 저장 냉난방 시스템{seasonal energy storage cooling and heating system}

본 발명은 계절 에너지의 저장 기술에 관한 것으로서, 보다 상세하게, 냉난방 공급용 계절 에너지를 저장할 수 있는 시스템에 관한 것이다.

1972년 스톡홀름의 국제연합인간환경회의에서 "지속가능한 개발"의 슬로건이 제안되었기 때문에, 세계인은 이러한 개발 전략에 차츰 흥미를 가지게 된다. 빌딩 분야의 "그린 빌딩" 운동 역시 큰 파장을 일으켰다. 전통적인 도시 개발 방식과 빌딩 시스템은 지속가능하지 못하고 사람들의 생활을 악화시키기 때문에, "그린 빌딩"이 추구하는 것은 에너지 효율적이고, 환경 친화적이고, 건강하고 고효율적 생활 환경이다. "그린 빌딩"은 꾸준히 관심을 끄는 21세기의 화두가 되었다. 중국에 현존하는 빌딩은 400억m²이고, 그 중에서 4%만 에너지 효율적 조치를 취하고 있다. 중국에서 매년 신설되는 빌딩 중에서, 99% 이상은 에너지 소모가 높다. 최근 자료에 따르면, 중국은 세계 2위의 에너지 소비 국가가 되었으며, 빌딩에 의해 사용되는 에너지는 매년 계속 증가하고 있다.

중국의 빌딩 지역은 2020년까지 세계에서 유래가 없을 만큼 300억m²까지 증가될 것으로 예상된다. 중국에서 빌딩에 의해 사용되는 상용 에너지는 개발 도상국의 대략 30-40%에 비해, 총 상용 에너지 소비의 27.6%를 차지한다. 그러나, 통계가 보여주는 바와 같이, 현재의 에너지 소비 효율은 33%에 불과하고, 개발 도상국과 대비하여 10%(대략 20년)로 뒤처져 있고, 에너지 소비 밀도는 개발 도상국과 세계의 평균 수준보다 훨씬 높아서, 미국의 3배, 일본의 7.2배이고, 1인당 에너지 소유율은 세계 평균 수준보다 낮다. 그래서, 빌딩 에너지 소비는 최우선이 되었다. 중국의 주택 및 도시 농촌 개발부(MOHURD)는 "12차 5개년 계획" 기간 동안 대중 작업을 위한 에너지 소비 목표를 발표하여, 단위 영역당 에너지 소비를 공적 영역에서10%까지, 대규모 공적 영역에서 15%까지 감소시키기 위해 사활을 걸고 있고, 태양 에너지, 천부 지열 에너지(shallow geothermal engergy) 및 바이오매스 에너지와 같이 이상적으로 재생 가능한 에너지의 적용을 증가시킬 필요가 있고, 2020년까지 재생 에너지가 빌딩 에너지 소비의 15%까지 도달시킬 목적을 달성할 필요가 있다.

여름철에 덥고 겨울철에 추운 지역은 에너지를 심하게 소비한다. 소위, "여름철에 덥고 겨울철에 추운 지역"은 난방 제공이 필요한 지역과 찜통 더위 지역 사이의 양쯔강의 중류 및 하류의 전이대(transition zone)를 의미한다. 이 지역의 인구는 대략 중국 총 인구의 1/3을 차지하고, 중국 전체 GDP의 대략 40%를 차지한다. 이 지역은 경제적, 문화적으로 더 개발된 지역으로서 매우 중요한 역할을 한다.

그럼에도 불구하고, 이 지역의 기후는 동일 위도의 다른 지역과 비교하여 양호하지 않다. 그 두드러진 특징은 여름에는 덥고 겨울에는 춥다는 것이다. 더운 여름의 경우, 이 지역의 7월 기온은 동일 위도의 다른 지역의 그것보다 2℃ 높고, 건조한 사막을 제외하고 이러한 위도에서 최고이다. 위도가 낮기 때문에, 태양광선은 여름철에 매우 강하고, 태평양으로부터 서늘한 바람은 중국 남동쪽 구릉 지역에 의해 차단되어, 이 지역은 여름철에 바람이 없다. 35℃보다 높은 온도는 15-30일 지속된다. 가장 더운 달, 오후 2시의 평균 온도는 32-33℃인 반면, 하물며 실내 온도는 1-2℃ 더 높다. 게다가, 이 지역은 종종 습도가 80%이상으로서 물이 풍부하므로, 땀을 증발시키기 어려워서, 사람들이 불편하고 무덥게 느끼게 된다.

겨울철 추운 경우, 이 지역의 1월 온도는 8-10℃로서 동일 위도의 그것보다 낮다. 겨울철, 북극과 시베리아로부터의 한파는 북중국 평원을 직접 통과하여, 난링 산맥과 중국 남동 구릉 지역에 의해 봉쇄되어 그곳에 머물게 된다. 5℃보다 낮은 평균 온도를 가진 날들의 경우, 후한은 63일이고, 난징은 75일이고, 헤페이는 70일로서, 73%-83%의 다습한 달이 2-2.5개월 계속된다. 특히, 총킹과 시츄안 지역의 겨울철에는 햇빛도 약하다. 습한 증기는 인체로부터 열을 빼앗기 때문에, 매우 음울하고 춥다. 그러한 지역은 중국뿐만 아니라 전세계의 많은 곳에서 볼 수 있다. 반대되는 기후에도 불구하고, 몇몇 소규모 엔지니어링을 제외하고 세계에서 흔히 적용되지 않는 "계절 에너지 저장" 수단에 의해 활용될 수 있는 주변 환경의 에너지는 많이 존재하며, 그 특징적 예들을 다음과 같다.

A) 캐나다, 캘거리, 오케토크스 시의 솔라 커뮤니티는 토양 열 펌프에 의해 가열된 토양(144개의 튜브로 구성된 웰이 2m 간격으로 37m의 깊이에 묻혀 있음)을 이용하여 태양열을 집열시키고 저장된 열을 52개의 개별 가정으로 공급하는 시스템이다. 즉, 시스템은 열을 저장하기 위해 튜브-웰 토양을 이용하는 것으로서, 2004년에 프로젝트가 시작되어 2006년에 상용화되고 있다.

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B) 독일, 함붕-브란펠트 시의 솔라 공동체는, 잠열 효율을 이용하는 열 저장 방식의 하나로서, 스틸 절연 물탱크 또는 콘트리트 열 보존 탱크를 이용하여 온수를 저장하고, 태양 집열기 튜브는 20,000m²의 가열 지역과 20,000m³의 가열 저장 풀을 가지며 대략 2,700m²의 지역을 커버할 수 있다. 에너지를 저장하는 물의 온도는 60℃의 양호한 성능을 가진다.
전술한 예들에 따른 "계절 에너지 저장" 방식은 태양 에너지의 사용에 제한되고 에너지의 저장 효율이 미미한 문제점이 있다.

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등록특허공보 제10-0852275호 공개특허공보 제10-2009-0021213호

본 발명의 목적은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 냉난방 공급을 위해 계절별로 열 에너지를 저장할 수 있는 시스템을 제공하는 것이다. 이러한 시스템은 대규모 및 중간 규모의 냉난방 프로젝트를 포함하는 여러 형태의 공사에 적용될 수 있고, 계절 에너지의 저장이 대 규모 및 중 규모의 냉난방 프로젝트에 적용될 수 없었던 오랫동안의 기술적 어려움을 해결할 수 있고, 에너지 보존과 배출 감소를 위한 새로운 방식을 제공할 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템은, 에너지 저장 장치, 태양열 수집기, 냉장 유니트, 및 사용자 터미널에 폐루프 연결된 물 공급 장치를 구비하고; 에너지 저장 장치는 적어도 하나의 고열원 저장 폰드와 저열원 저장 폰드를 구비하고, 고열원 저장 폰드와 저열원 저장 폰드는 제1 워터 펌프들에 의해 수원에 연결되어 있고; 물 공급 장치는 고열원 저장 폰드에 연결된 온수 공급 풀 및 저열원 저장 폰드에 연결된 냉방수 공급 풀을 구비하고; 태양열 수집기는 제2 워터 펌프들에 의해 고열원 저장 폰드와 온수 공급 풀에 연결되고; 냉장 유니트는 제3 워터 펌프들에 의해 온수 공급 풀과 냉방수 공급 풀에 연결되어, 사용자 터미널에 폐루프 연결된다. 바람직하게, 에너지 저장 장치는 볼 수납 박스에 배치된 에너지 저장 볼을 더 구비하고; 에너지 저장 볼은 고온 에너지 저장 볼과 저온 에너지 저장 볼을 구비하고; 고온 에너지 저장 볼은 태양열 수집기에 폐루프 연결되어 사용자 터미널에 연결되고; 저온 에너지 저장 볼은 냉장 유니트에 폐루프 연결되어 사용자 터미널과 냉방수 공급 풀에 연결된다.

본 실시예에 있어서, 고온 에너지 저장 볼과 저온 에너지 저장 볼은 겨울철 및 여름철에 볼 수납 박스 내부에 교호되게 배치된다.

본 실시예에 있어서, 시스템은 워터 펌프에 의해 온수 공급 풀에 폐루프 연결된 보조 온수 보일러를 더 구비한다.

본 실시예에 있어서, 태양열 수집기는 사용자 터미널에 연결되고 고열원 저장 폰드에 폐루프 연결된다.

본 실시예에 있어서, 태양열 수집기는 트로프(trough) 가열 집중 장치를 사용하고, 냉장 유니트는 비-전기 브롬화리튬 흡수 냉장 기계를 사용한다.

본 실시예에 있어서, 사용자 터미널은 저온 그라운드 복사 패널이다.

본 실시예에 있어서, 고열원 저장 폰드와 저열원 저장 폰드의 물 입구 파이프들에는 필터형 소독기가 마련된다.

본 실시예에 있어서, 온도 센서들과 액위 감지기들은 고열원 저장 폰드, 저열원 저장 폰드, 온수 공급 풀, 및 냉방수 공급 풀에 배치되고; 모든 워터 펌프들에는 마그네틱 밸브가 마련된다.

본 실시예에 있어서, 시스템은 지능 제어 유니트를 더 구비하고, 지능 제어 유니트는 온도 센서들, 액위 감지기들, 및 마그네틱 밸브에 연결되어, 온도 센서들과 액위 감지기들에 의해 얻어지는 신호에 따라 마그네틱 밸브의 개방/폐쇄를 제어함으로써 상응하는 워터 펌프들의 개방/폐쇄를 제어한다.

본 실시예에 있어서, 태양열 수집기는 산업 폐기물 열 공급 장치에 의해 대체될 수 있다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 시스템의 장점들은 다음과 같다.

본 발명의 실시예들에 있어서, 계절 에너지 저장 장치, 태양열 수집기, 물 공급 장치, 및 사용자 터미널은 폐루프 냉난방 시스템을 형성한다. 계절 에너지 저장 기술은 양호한 에너지 저장 효율로 대규모 냉난방 프로젝트에 성공적으로 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 겨울철 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 여름철 냉반방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템의 개략도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 예시적 실시예들에 따른 냉난방 공급요 계절 열 에너지 저장 시스템을 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템은 폐루프 형태로 각각 연결된 에너지 저장 장치(1), 태양열 수집기(2), 냉장 유니트(3), 물 공급 장치(4), 및 사용자 터미널(5)을 구비한다.
에너지 저장 장치(1)는 적어도 열원(heat source) 저장 폰드(pond)(11)와 한랭원(cold source) 저장 폰드(12)를 구비하고, 고열원 저장 폰드(11)와 저열원 저장 폰드(12)는 워터 펌프(706)에 의해 수원에 연결되도록 구성된다. 고열원 저장 폰드(11)는 대략 5℃를 넘는 상대적으로 따뜻한 강 또는 호수의 물(lake water)을 공급받아 저장하기 위한 일종의 온도 보존 장치로서 기능하고, 저열원 저장 폰드(12)는 대략 5℃ 미만의 상대적으로 차가운 강 또는 호수의 물을 공급받아 저장하기 위한 일종의 온도 보존 장치로 기능한다.
물 공급 장치(4)는 고열원 저장 폰드(11)에 연결될 수 있도록 구성된 온수 공급 풀(pool)(41)과 저열원 저장 폰드(12)에 연결될 수 있도록 구성된 냉방수 공급 풀(42)을 구비한다. 온수 공급 풀(41)과 냉방수 공급 풀(42)은 사용자 터미널(5)에 각각 연결되도록 구성된다.
태양열 수집기(2)는 워터 펌프(707)에 의해 고열원 저장 폰드(11)에 연결되고, 온수 공급 풀(41)에 연결되도록 구성된다.
냉장 유니트(3)는 워터 펌프(709)에 의해 온수 공급 풀(41)에 연결되고, 냉방수 공급 풀(42)에 연결되도록 구성되고, 또한, 사용자 터미널(5)에 폐루프 연결된다.

에너지 저장 장치(1)는 고온 에너지 저장 볼(131)(도 2 참조)과 저온 에너지 저장 볼(132)(도 3 참조) 중 어느 하나가 배치될 수 있는 볼 수납 박스(13)를 더 구비한다. 볼 수납 박스(13)는 전술한 에너지 저장 볼(131 또는 132)을 저장하기 위한 장치로서 예를 들어, 스틸 플레이트 또는 콘트리트 플레이트로 제조될 수 있다. 볼 수납 박스(13) 내부에는 에너지 저장 볼(131 또는 132)이 대략 60-70% 수납되고 나머지는 물이 열전달 매체로서 수납된다. 고온 에너지 저장 볼(131)이 수납된 볼 수납 박스(3)는 태양열 수집기(2)에 폐루프 연결되고 사용자 터미널(5)에 연결된다. 저온 에너지 저장 볼(132)이 수납된 볼 수납 박스(3)는 냉장 유니트(3)에 폐루프 연결되고 사용자 터미널(5)과 냉방수 공급 풀(42)에 연결된다.

실제로, 고온 에너지 저장 볼(131)은 여름철에, 저온 에너지 저장 볼(132)은 겨울철에 각각 볼 수납 박스(3)에 선택적으로 배치된다. 특히, 겨울철에는, 58℃의 상-전이(phase-transition) 온도 및 260kJ/kg의 상 변화 잠열을 가진 고온 에너지 저장 볼이 이용된다. 여름철에는, 11℃의 상전이 온도 및 110kJ/kg의 상 변화 잠열을 가진 저온 에너지 저장 볼이 사용된다. 에너지 저장 볼은 상변화 물질이 밀봉된 팽창 풍선 형태이다.

또한, 시스템은 워터 펌프(703)에 의해 온수 공급 풀(41)에 폐루프 연결되는 보조 온수 보일러(6)를 더 구비한다.

실제로, 태양열 수집기(2)는 사용자 터미널(5)에 연결되고 고열원 저장 폰드(11)에 폐루프 연결된다.

고열원 저장 폰드(11)와 저열원 저장 폰드(12)의 물 입구 파이프들에는 필터형 소독기(미도시)가 마련된다.

냉장 유니트(3)는 예를 들어, 비-전기 브롬화리튬 흡수 냉장기를 사용한다. 또한, 각각의 온도 센서(미도시)와 액위 감지기(LE)는 고열원 저장 폰드(11), 저열원 저장 폰드(12), 온수 공급 풀(41), 및 냉방수 공급 풀(42)에 배치되고, 각각의 워터 펌프(701-712)에는 각각 마그네틱 밸브(A-Y)(L1)(L2)가 설치된다.

시스템은 지능 제어 유니트(미도시)를 더 구비한다. 지능 제어 유니트는 온도 센서들, 액위 감지기들(LE), 및 마그네틱 밸브(A-Y)(L1)(L2)에 연결되어, 온도 센서들과 액위 감지기들에 의해 얻어지는 신호들에 따라 마그네틱 밸브의 개방/폐쇄를 제어하여 상응하는 워터 펌프들의 개방/폐쇄를 제어한다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예의 시스템의 작동 원리가 상세히 설명된다.

사용시, 본 실시예의 전체 시스템은 1년 중 8개월 동안(여름철 5월부터 9월까지, 11월 15일부터 이듬해 2월 15일까지) 작동한다. 여름철에는 사용자 터미널(5)로 냉방(저온 에너지)을 공급함과 동시에 계절적인 온도를 반영한 난방(고온 에너지)을 시스템 내부에 저장할 수 있도록 작동되고, 겨울철에는 사용자 터미널(5)로 난방(고온 에너지)을 공급함과 동시에 계절적인 온도를 반영한 냉방(저온 에너지)을 시스템 내부에 저장할 수 있도록 작동된다. 즉, 고열원 저장 폰드(11)는 여름철의 계절적인 영향에 의해 고온의 에너지를 시스템 내부에 저장하였다가 그 해 겨울철의 난방으로 사용하기 위한 것이고, 저열원 저장 폰드(12)는 겨울철의 계절적인 영향에 의해 저온의 에너지를 시스템 내부에 저장하였다가 다음 해 여름철의 냉방으로 사용하기 위한 것이다. 고열원 저장 폰드(11)와 저열원 저장 폰드(12)는 3-7일 용량으로 부하가 걸린다. 온수 공급 풀(41)과 냉방수 공급 풀(42)은 1.5 시간 용량으로 부하가 걸린다. 볼 수납 박스(3)는 4시간 부하로 구성된다. 전술한 바와 같이, 겨울철에는 볼 수납 박스(3) 내부에 고온 에너지 저장 볼(131)이 수납되고, 여름철에는 볼 수납 박스(3)에 저온 에너지 저장 볼(132)이 수납된다. 사용자 터미널(5)이 낮은 포텐셜 에너지를 가지는 경우, 저온 플로어 또는 그라운드 복사 패널이 기본 공기 시스템에 적용될 수 있다. 태양열 수집기(2)는 트로프 열 집중 장치이고, 태양 밀도가 강한 장소에서는 열 또는 정상 태양 진공 수집기일 수 있다.

도 2는 겨울철의 시스템의 작동 원리를 도시한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 작업 공정은 다음과 같다.

냉방(저온 에너지) 저장 공정:

겨울철의 강이나 호수에 있는 5℃ 미만의 온도를 가진 물(호소수)은 제1 워터 펌프(701)를 통해 시스템 내부로 끌어들인 후, 산업용 수질 표준에 도달하도록 필터 장치 및 소독 장치(미도시)를 통해 여과 및 소독된 후 저열원 저장 폰드(12)로 전달된다. 폰드(12)의 액위 측정 장치(LE)로부터 최고 액위가 감지되면 제1 워터 펌프(701)의 작동이 멈추게 된다. 저열원 저장 폰드(12)의 물은 다음 해의 여름철 사용을 위해 저장될 것이다.

난방 공정:

시스템이 겨울철의 주간에 작동하기 전에, 마그네틱 밸브들(B/E/X/W/K)을 밀폐하고 마그네틱 밸브들(A/D/F)을 개방하여 제2 워터 펌프(702)를 시동한다. 그러면, 45-60℃의 물이 고열원 저장 폰드(11)로부터 인출되어 온수 공급 풀(41)로 이송되어 저장된다. 온수 공급 풀(41)에 설치된 액위 측정(LE)이 최고 액위로 감지될 경우 제2 워터 펌프(702)는 작동을 멈출 것이다. 작동하는 동안, 마그네틱 밸브(A)를 닫고 마그네틱 밸브들(X/Y)을 개방하고 제2 워터 펌프(702)의 작동을 멈춘다. 제3 워터 펌프(703)를 시동하여 온수 공급 풀(41)로부터 물을 빼내어 그것을 사용자 터미널(5)로 난방을 위해 전송한다. 온수 공급 풀(41) 내부의 물의 온도가 사용자의 조건에 도달하지 않는 경우, 마그네틱 밸브(F)를 닫고 동시에 마그네틱 밸브들(E/H/J/K)를 개방하여, 사용자 터미널(5)의 물 출구로부터 예를 들어, 가열 집중 장치일 수 있는 태양열 수집기(2)로 이송하여 열교환시킨다. 그러면, 물의 온도가 증가되고, 이러한 물과 온수 공급 풀(41) 내부의 물을 혼합하여 사용자의 조건을 만족시킬 수 있다. 물의 온도 조건이 만족되면, 마그네틱 밸브(E)를 닫고, 마그네틱 밸브(F)를 개방하고, 마그네틱 밸브들(H/J/K)를 닫아서 시스템을 작동 사이클로 유지한다. 작동 주기 후에, 온수 공급 풀(41) 내부의 물의 온도가 온도 조건을 만족하지 않을 때, 마그네틱 밸브(F)를 닫고, 동시에 마그네틱 밸브(E)를 개방하고 마그네틱 밸브들(H/H/G)을 개방시킨다. 전술한 공정은 시스템의 정상 작동을 얻기 위해 반복된다. 또한, 태양열 수집기(2)를 통해 주간에 고온 에너지 저장 볼(131)이 수납된 볼 수납 박스와 열교환을 수행한다. 전술한 바와 같이, 겨울철에, 고온 에너지 저장 볼의 상전이 온도는 45-58℃로 설정된다. 작동 시, 제2 워터 펌프(702)를 시동하여 고열원 저장 폰드(11)로부터 물을 태양열 수집기(2)로 펌핑하여 물을 50℃까지 가열한 후, 마그네틱 밸브(U)를 개방하여 50℃의 물을 고온 에너지 저장 볼(131)이 수납된 볼 수납 박스(13)로 펌핑한다. 열교환 후에, 마그네틱 밸브(V)를 개방하고 제4 워터 펌프(704)를 작동시켜 45℃ 물을 태양열 수집기(2)로 회수하여, 순환을 형성한다. 난방 에너지원 저장 풀(11)의 물을 가열시킬 필요가 있을 때, 제2 워터 펌프(702)를 시동하여 고열원 저장 폰드(11)로부터 물을 가열하기 위해 태양열 수집기(2)로 펌핑한 후, 물을 고열원 저장 폰드(11)로 다시 이송한다.

고온 에너지 저장 볼(131)과 계절 에너지 저장용 물만 야간 동안 시스템의 정상 작동을 확보하도록 사용될 수 있다. 고온 에너지 저장 볼(131)의 용량은 4시간의 최대 부하로 설정된다. 온수 저장 풀(41)의 물의 온도가 사용자의 조건에 도달할 수 없을 때, 주간 작동의 전통적인 방식에 따라 야간 작동을 시동하고, 마그네틱 밸브(D)를 닫고 마그네틱 밸브(B)를 개방하여 사용자 터미널(5)의 물 출구로부터 물을 고온 에너지 저장 볼(131)이 수납된 볼 수납 박스(13)로 유동시켜 열교환을 수행한다. 고온 에너지 저장 볼(131)의 상전이 온도는 45-58℃이고, 40℃ 이하의 온도를 가진 물이 고온 에너지 저장 볼(131)이 수납된 볼 수납 박스(13) 위로 흐를 때, 고온 에너지 저장 볼(131)은 열을 방출하여 액체로부터 고체로 변화시키는 한편, 물 온도는 40℃ 이하로부터 45℃ 이상으로 증가될 것이고, 물은 제5 워터 펌프(705)를 통해 온수 공급 풀(41) 속으로 들어가서 시스템의 사이클을 완성할 것이다.

온도 조건이 고온 에너지 저장 볼(131)의 작동에 의해 만족될 수 없을 때, 다른 모든 마그네틱 밸브들을 닫은 채 마그네틱 밸브들(A/S)을 시동시킨다. 그 후, 제2 워터 펌프(702)를 시동하여 고열원 저장 폰드(11)로부터 물을 펌핑하여 사용된 물을 주위로 직접 드레인시키는 상태에서 사용자 터미널(5)로 직접 공급한다.

도 3은 여름철의 시스템의 작동 원리를 도시한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 작업 공정은 다음과 같다.

난방(저온 에너지) 저장 공정:

여름철 강이나 호수의 30℃ 이상의 온도를 가진 물(호소수)이 제6 워터 펌프(706)를 통해 끌어 들여지게 되는데, 산업용 수질 표준에 도달하는 필터 장치와 살균 장치를 통해 여과 및 살균된 후 고열원 저장 폰드(11)로 이송된다. 폰드(11)에 설치된 액위 측정기(LE)가 최고 액위로 관측될 때 제6 워터 펌프(706)는 작동을 멈출 것이다. 고열원 저장 폰드(11)의 물의 온도를 증가시키기 위해, 고열원 저장 폰드(11)의 30℃ 물은 제7 워터 펌프(707)를 통해 태양열 수집기(2)로 펌핑되어 85-95℃로 가열된 후, 고열원 저장 폰드(11)로 다시 이송되어 그 안에서 30℃ 물과 혼합될 수도 있다. 물의 온도가 60℃에 도달할 때, 신호가 온도 센서(TE)를 통해 마그네틱 밸브로 전송되어 제7 워터 펌프(707)를 닫는다. 이것은 고열원 저장 폰드(11) 내부의 물의 온도가 열 손실 때문에 50℃까지 감소할 때 재시동되어 난방 에너지원 저장 폰트(11)의 물의 온도를 그 해 겨울철에 사용자의 상태를 만족하도록 한다.

냉방 공정:

여름철 주간에 작동하기 전에, 제7 워터 펌프(707)를 시동한다. 30℃의 물을 고열원 저장 폰드(11)로부터 빼내어 그것을 열교환을 위해 태양열 수집기(2)로 이송한 후, 그 온도가 95℃에 도달하게 되면 온수 공급 풀(41)로 물을 이송시켜 저장한다. 온수 공급 풀(41)에 설치된 액위 측정기(LE)가 최고 액위로 관측될 때 제7 워터 펌프(707)는 작동을 멈출 것이다. 태양열 에너지가 불충분하여 물의 온도가 95℃에 도달할 수 없을 때, 보조 온수 보일러(6)를 통해 동시 가열이 수행되어 물의 온도를 95℃ 이상으로 증가시킨다. 동시에 제8 워터 펌프(708)를 시동하여 저열원 저장 폰드(12)의 물을 10℃ 이하의 온도로 펌핑하고, 사용자 터미널(5)을 통해 볼 수납 박스(13) 속으로 물이 들어간 후, 제9 워터 펌프(709)의 시동에 의해 그 물은 냉방수 공급 풀(42)로 이송되어 저장된다. 냉방수 공급 풀(42)에 설치된 액위 측정기(LE)가 최고 액위로 관측될 때 제8 워터 펌프(708)와 제9 워터 펌프(9)는 작동을 멈출 것이다. 작동을 시작하면, 제10 워터 펌프(710)를 시동하여 온수 공급 풀(41)로부터 95℃ 이상의 온도를 가진 물을 예를 들어, 브롬화리튬 냉장기와 같은 냉장 유니트(3)로 펌핑하여 냉방을 위한 소스로서 활용한다. 냉장 유니트(3)로부터 나오는 물을 제11 워터 펌프(711)를 통해 사용자 터미널(5)로 펌핑하여 7℃의 온도를 가진 차가운 물을 준비한다. 이때, 마그네틱 밸브들(R/L1/P)이 개방된 상태에서 마그네틱 밸브들(M/N/O/L2)이 닫히고, 사용자 터미널(5)로부터 물은 다시 냉장 유니트(3)로 회수된다. 또한, 주간에 냉방 부하가 상대적으로 낮을 때, 7℃의 온도를 가진 차가운 물은 냉장 유니트(3)에 의해 준비되어 저온 에너지 저장 볼(132)이 수납된 볼 수납 박스(13)와 열교환이 수행된다. 저온 에너지 저장 볼(132)의 상전이 온도는 11℃이다. 7℃의 온도를 가진 차가운 물이 저온 저장 볼(132)이 수납된 볼 수납 박스(13) 위로 흐를 때, 저온 에너지 저장 볼(132)은 열을 방출하여 야간에 사용하기 위해 냉각된 물을 액체로부터 고체로 변환시키는 반면, 물의 온도는 7-10℃로부터 12-15℃까지 증가할 것이다. 작동시 마그네틱 밸브(N)가 개방된 상태에서 제11 워터 펌프(711)가 시동한다. 저온 에너지 저장 볼(132)이 수납된 볼 수납 박스(13)에서 열교환이 완료된 후, 마그네틱 밸브(Q)를 개방하여 제12 워터 펌프(712)를 통해 냉장 유니트(3)로 다시 이송시킨다.

저온 에너지 저장 볼(132)과 계절 에너지 저장 물만 사용될 수 있어서 야간 동안 시스템의 정상 작동을 보장한다. 열 에너지 저장 볼의 용량은 4시간의 최대 부하로 설정된다. 야간 작동 동안, 냉방수 공급 풀(42)의 물이 온도 조건을 만족하지 못할 때, 마그네틱 밸브(O)를 개방하여 15℃의 온도를 가진 물이 사용자 터미널(5)로부터 저온 에너지 저장 볼(123)로 유동되게 하여 열교환을 수행한다. 저온 에너지 저장 볼(132)의 상전이 온도는 11℃이고, 15℃의 물이 저온 에너지 저장 볼(132) 속으로 들어갈 때, 저온 에너지 저장 볼(132)은 물속의 열을 흡수하여 고체로부터 액체로 변화시키는 한편, 물의 온도는 15℃로부터 10℃까지 감소할 것이고, 물은 제9 워터 펌프(709)를 통해 냉방수 공급 풀(42)로 이송되어 시스템의 사이클을 완료할 것이다.

저온 에너지 저장 볼(132)에 의해 조건이 만족할 수 없을 때, 모든 다른 마그네틱 밸브들을 닫은 상태에서 마그네틱 밸브(L2/T)를 시동한다. 제8 워터 펌프(708)를 시동하여 저열원 저장 폰드(12)로부터 물을 펌핑하여 사용된 물이 직접 주변으로 드레인되는 상태에서 사용자 터미널(5)로 직접 공급한다.

종래기술과 비교하여, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 시스템은 낮은 포텐셜 에너지를 적용하는 새로운 개념 즉, 새로운 자원으로서 계절 에너지의 저장을 사용하여 태양 에너지와 결합하고, 큰 열 용량으로 저장하기 위하여, 현열과 잠열을 위해 캐리어로서 지표수를 사용함으로써 계절에 적합한 사용 방법을 얻을 수 있는 장점이 있다. 이것은 엔지니어링에서 낮은 포텐셜 에너지의 사용이라는 새로운 시도이고, 전세계적으로 전례가 없었던 것이다. 본 발명의 주요한 특징은 다음과 같다.

여름철 더 높은 일사량을 고려하여, 냉방을 위한 열원으로서 태양 에너지를 집적하기 위해 트로프 열 집중 장치와 같은 태양열 수집기(2)를 적용한다.

겨울철 에너지를 저장하는 물의 열 부족을 만회하기 위해 태양 에너지의 장점을 완전히 이용하여 난방의 품질을 확보한다.

빌딩의 냉방과 난방(온수)은 주간에 저장된 에너지를 흡수하고 방출하는 에너지 저장 볼에 의해 확보된다. 난방 에너지원 저장 풀 또는 냉방 에너지원 저장 풀에 있는 에너지를 저장하는 물 역시 태양 에너지가 부족한 경우에 시스템의 정상적인 난방과 냉방을 확보하기 위해 사용될 수 있다.

야간에 에너지 저장 볼을 수납하는 볼 수납 박스에 의해 방출된 에너지를 주간에 회복하여 야간 동안의 정상 작동을 보장한다. 에너지 저장 볼이 수납된 볼 수납 박스는 보일러 및 냉장기로서 기능한다.

보조 온수 보일러는 안정성을 향상시키기 위해 시스템을 위한 예비 장치로서 사용된다.

주변에 존재하는 산업 폐기열 공급 장치는 시스템의 에너지 다양성, 유연성을 구현하기 위해 태양열 수집기를 대체하기 위해 사용될 수 있다.

전체 시스템이 지능 제어 유니트로 운용되어 기후가 변화될 때 쾌적한 생활 환경을 제공하여 에너지를 절감할 수 있다.

태양 에너지와 "계절 에너지의 저장"을 결합한 재생가능한 천연 에너지를 사용하는 혁신적인 시스템 표준은 지열 펌프와 물 가열 펌프를 가진 전통적인 공조기 및 공조 시스템과 비교하여 에너지 절감과 사회적 혜택에 현저한 기여를 한다.

전 세계적으로 CO₂ 배출이 너무 많기 때문에, 통계에 따르면 지구의 온도는 매년 최대 1℃씩 상승하고 있다. 전통적인 개별 공조기들과 비교하여, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 시스템은 중국에 존재하는 빌딩들의 평균 배출과 대략 동일한, 평방 미터당 CO₂ 배출을 11kg/m²로 줄일 수 있으므로, 그 성능은 양쯔강 유역이고 중국에서 가장 개발된 지역 중 하나인 "더운-여름 및 추운-겨울" 지역에 특히 매우 현저하다. 중국 도처의 전체 신규 빌딩 지역은 매년 20억m²로 증가하였다. 신규 빌딩 지역이 "더운-여름 및 추운-겨울" 지역에서 5억m²로 증가한다고 가정하면, 그 중에서 2억m²가 본 발명의 프로젝트가 적용되어 CO₂ 배출은 22×108kg까지 감소되어 지구 온도 감소에 기여할 수 있다.

도심의 열섬 효과는 도시의 온도가 외곽의 교외보다 훨씬 더 높은 현상이다. 도시 지역은 온도 변화가 높은 반면 교외는 온도 변화가 작아서, 온도 지도에서 도시 지역을 바다의 섬처럼 만들고, 사람들이 그것을 열섬이라 부른다. 이러한 효과는 도시 지역을 교외보다 매년 평균 온도를 1℃ 이상 높게 만든다. 여름철에, 국부적인 도시 온도는 때때로 6℃ 더 높다. 이러한 효과의 이유들은 다양하지만, 주로 개별 공조기들의 엄청난 증가 때문이다. 예를 들어, 상하이의 경우, 1997년에 100가구당 62.5개의 개별 공조기들이 있었지만, 이러한 수는 현재 300에 다다른다. 여름철, 거대한 열이 이러한 공조기로부터 방출되어, 사람들의 생활과 소비 특히 여름철 더운 날에 엄청나게 영향을 미칠 것이다. 이러한 문제에 직면할 때, 사람들은 공조기의 전력을 증가시켜 효과를 더욱 악화시켰음을 매일 매일을 다양한 사이클을 통해 목격할 수 있다. 개별 공조기는 새로운 빌딩에 적합하지 않기 때문에, 전통적인 공조기 때문에, 이러한 프로젝트의 터미널로서 저온 실내(플로어 또는 그라운드)용 복사 패널을 사용함으로써, 도시 열섬 효과를 완화시키기 위해 공조기로부터 열 방출을 감소시킬 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 공조기가 없기 때문에, 에너지 소비는 주로 워터 펌프로부터 발생된다. 에너지 저장 시스템으로서, 작동 중인 시스템 외의 대부분의 서브 시스템들 연속적으로 작동하지 않고, 완전한 시스템은 모두 지능 제어되어, 많은 전력을 절약할 것이다. 전통적인 공조기와 비교하여, 빌딩 지역과 공조기 지역에서 각각 평방 미터당 30w/m² 및 60w/m²의 전력을 절약할 수 있다. 본 발명의 시스템이 "더운-여름 및 추운-겨울" 지역에서 매년 20억 평방 미터의 신규 빌딩에 적용되면, 절감되는 전력은 6×106kw(6백만MW를 가진 발전소 10개에 의해 생성되는 전력과 동일)가 될 것이므로, 그 효과가 매우 획기적이다.

또한, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 시스템은 습도가 60%±10%로 유지된 상태에서 5월부터 10월까지 실내 온도를 25℃±1℃로 유지하고, 12월부터 2월까지 18℃±1℃로 유지하여 사람들을 보다 안락하게 만들 것이다. 이러한 지역은 종종 80% 이상의 습도를 가져서 물이 풍부하고, 땀을 증발시키기 어려워서 사람들이 무더위에 불편함을 느끼기 때문에 여기서 더 언급할 가치가 있는 것은 습도 제어이다. 또한, 겨울철에는 햇빛이 약하고, 습한 증기가 인체로부터 열을 빼앗아서, 매우 우중충하고 춥다. 만약에 습도가 제어될 수 있다면, 사람들은 보다 더 안락하게 느낄 수 있을 것이다. 전통적인 개별 공조와 중앙 공조 모두에 신선한 공기량에 대한 고려가 빈약한 상태에서, 본 발명의 바람직한 예시적 시스템의 신선한 공기량은 종래의 규격보다 3배에 해당되어, 장시간 공조기를 사용하게 되면 사람들이 불편함을 느끼지 못할 것이고, 기분이 상쾌할 것이다. 대체로, 본 발명의 바람직한 예시적 실시예에 따른 시스템은 우리 사회에 엄청난 공헌을 할 뿐만 아니라, 실제적인 혜택을 통해 사용자의 생활을 개선할 것이다.

본 발명의 바람직한 예시적 실시예는 "더운-여름과 추운-겨울" 지역에 특히 적합하고, 그곳의 생활을 개선하여, 종래의 공조기에 의해 발생되는 환경 오염 문제를 방지하여, 현대의 에너지 절감과 배출-감소에 엄청난 혜택을 줄 것이다.

요약하면, 본 발명은 주변 환경으로부터의 거대한 에너지의 계절 냉난방 저장에 의해 대규모 엔지니어링을 위한 거대한 에너지 저장 문제를 겨냥하여, 대규모 엔지니어링에 전체적으로 적합하고 가열 펌프 없이 태양 에너지와 계절 에너지 저장을 결합하여 엄청난 에너지 절감 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은 세계적인 표준 개척자이며, 중간 규모 및 대규모 프로젝트의 냉반방을 위해 사용되는 낮은 위치 에너지를 이용하여 재생불가능한 에너지를 재생가능한 에너지로 대체시킬 것이다.

본 발명의 특정 실시예들이 도시되어 설명되었지만, 당업자에게는 본 발명의 보다 넓은 측면들을 벗어남이 없이 개량과 변형이 가능할 것이므로, 본 발명의 목적과 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 정신과 범위 내에 해당하는 그러한 모든 변형과 개조를 포함하게 된다.

1...에너지 저장 장치 2...태양열 수집기
3...냉장 유니트 4...물 공급 장치
5...사용자 터미널 6...보조 온수 보일러
11...고열원 저장 폰드 12...저열원 저장 폰드
13...볼 수납 박스 41...온수 공급 풀
42...냉방수 공급 풀 131...고온 에너지 저장 볼
132...저온 에너지 저장 볼 701...제1 워터 펌프
702...제2 워터 펌프 703...제3 워터 펌프
704...제4 워터 펌프 705...제5 워터 펌프
706...제6 워터 펌프 707...제7 워터 펌프
708...제8 워터 펌프 709...제9 워터 펌프
710...제10 워터 펌프 711...제11 워터 펌프
712...제12 워터 펌프

Claims (11)

1. 냉방 공급과 난방 공급을 위한 계절 열 에너지 저장 시스템에 있어서,
   강 또는 호수를 포함하는 수원에 연결되어 상기 수원으로부터 미리 결정된 온도를 초과하는 온도를 가진 물을 공급받을 수 있도록 구성된 고열원 저장 폰드(pond) 및 상기 수원으로부터 상기 미리 결정된 온도 미만의 온도를 가진 물을 공급받을 수 있도록 구성된 저열원 저장 폰드를 포함하는 에너지 저장 장치;
   상기 저열원 저장 폰드에 연결되도록 구성되고 여름철 냉장 유니트의 열원이 될 수 있도록 상기 냉장 유니트에 연결되고 사용자 터미널에 폐루프 연결되어 열 에너지를 공급할 수 있도록 구성된 온수 공급 풀, 및 상기 저열원 저장 폰드에 연결되도록 구성된 냉방수 공급 풀을 포함하는 물 공급 장치;
   상기 고열원 저장 폰드와 상기 온수 공급 풀에 연결되도록 구성된 태양열 수집기; 및
   상기 온수 공급 풀에 폐루프 연결되고 상기 냉동 유니트에 연결되도록 구성된 보조 온수 보일러를 구비하고;
   상기 사용자 터미널은 상기 냉장 유니트로부터 나오는 차가운 물을 공급받을 수 있고;
   상기 냉장 유니트는 흡수 냉장기인 것을 특징으로 하는 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 에너지 저장 장치는 겨울철에 고온 에너지 저장 볼이 수납될 수 있고, 여름철에 저온 에너지 저장 볼이 수납될 수 있는 볼 수납 박스를 더 구비하고;
   상기 저온 에너지 저장 볼이 상기 볼 수납 박스에 수납될 때, 상기 볼 수납 박스는 상기 냉장 유니트에 폐루프 연결되고 냉방수 공급 풀을 통하여 사용자 터미널에 연결되고;
   상기 고온 에너지 저장 볼이 상기 볼 수납 박스에 수납될 때, 상기 볼 수납 박스는 상기 태양열 수집기에 폐루프 연결되고 상기 온수 공급 풀을 통하여 상기 사용자 터미널에 연결되는 것을 특징으로 하는 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   태양열 수집기는 트로프(trough) 열 집중 장치를 포함하고, 상기 흡수 냉장기는 비-전기 브롬화리튬 흡수 냉장기를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 사용자 터미널은 저온 실내용 복사 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 고열원 저장 폰드와 상기 저열원 저장 폰드의 물 입구에 각각 마련된 필터형 소독기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 고열원 저장 폰드, 상기 저열원 저장 폰드, 상기 온수 공급 풀, 및 상기 냉방수 공급 풀을 운용하기 위한 지능 제어 유니트를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템.
   
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 태양열 수집기는 산업 폐기열 공급 장치에 의해 대체될 수 있는 것을 특징으로 하는 냉난방 공급용 계절 열 에너지 저장 시스템.
   
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