KR101833909B1 - Idc 센터 냉각폐수가 이용되는 냉난방동시조절시스템 - Google Patents

Idc 센터 냉각폐수가 이용되는 냉난방동시조절시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 특히 IDC 센터에서 배출되는 폐열이 이용되면서 냉각 장치와 난방 장치가 하나의 열원을 공유함으로써 폐열이 효과적으로 재생되는 냉난방동시조절시스템에 관한 것으로서, 하천 또는 대형 댐 저수지의 심층수가 냉각재로 사용된 후 상기 심층수를 상온에 대해 일정 범위 이내의 수온을 가지는 중온수로 배출시키는 IDC 센터를 포함하는 폐 열원부와; 우수 또는 지하수가 저장되는 중온수조와, 중온수조 내부에 배치되는 고온수조 및, 중온수조 내부에서 상기 고온수조와 일정 거리만큼 이격되게 배치되는 저온수조로 이루어지는 삼중항온조와; 상기 고온수조의 열을 회수하여, 온실과 냉각장치와 산업시설 및 주거지구로 이루어지는 온실복합단지에 난방과 온수를 공급하는 히트펌프와; 상기 저온수조의 냉수로 작동유체가 냉각되고, 상기 폐 열원부에서 배출되는 중온수로 작동유체가 증발되어 냉수가 생산됨으로써, 상기 온실복합단지를 이루는 냉각시설에 냉열을 공급하거나 또는 온실복합단지에 냉방을 제공하는 냉각장치; 및, 상기 난방 또는 냉방에 제공되는 온열과 냉열의 혼합비를 가변시킴으로써, 온실복합단지 내부 온도를 온실복합단지의 수요 온도에 대응되는 범위 내로 조절시키는 공조제어부으로 이루어짐으로써, IDC 센터의 급증에 따라 버려지는 폐 냉각수가 적극적으로 이용됨으로써 인근 온실복합단지에 열원으로 활용될 수 있는 냉난방동시조절시스템을 제공하고자 한다.

Description

IDC 센터 냉각폐수가 이용되는 냉난방동시조절시스템{Simultaneously cooling and heating adjustable conditioning system using wasted cooling water from IDC center}
본 발명은 냉난방동시조절시스템에 관한 것으로, 특히 IDC 센터에서 배출되는 냉각폐수가 이용되면서 냉각 장치와 난방 장치가 하나의 열원을 공유함으로써 폐열이 효과적으로 재생되는 냉난방시스템에 관한 것이다.
현대사회는 대량생산과 대량소비로 유지되므로 생산, 유통, 운반, 소비에 이르기까지 에너지도 대량으로 소모된다. 특히 가장 많이 이용되는 에너지는 화석연료로 생산되는 에너지인데, 화석연료는 매장량에 한계가 있고 머지않아 고갈 될 수 밖에 없으며, 또한 화석에너지의 대량 사용으로 인하여 환경오염과 지구온난화로 인한 기상이변 및 생태계의 파괴는 현재에도 인류의 생존을 위협하는 수준이다.
따라서 한정된 자원의 고갈로 닥쳐올 재앙을 미연에 방지할 수 있고 또한 극도로 심각한 환경파괴를 초래하는 화석연료의 사용을 배재시키기 위해서도 첫째, 대체 에너지의 개발이 요청되며, 둘째, 에너지 사용 효율을 극대화 시키는 기술이 요청된다. 현재 상용화된 대체에너지가 화석연료에 비해서는 아직 생산량이 저조하므로 화석에너지의 사용을 줄이려면 에너지 사용 효율을 현재 수준보다 훨씬 극대화 시켜야하기 때문이다.
이러한 문제의식을 해결하기 위한 폐열 활용 기술을 구체적으로 살펴보면 도 1에 도시된 종래기술인 등록특허공보 제10-0686189호(등록일자: 2007. 02. 15)에 공개된 '온수의 폐열 회수 장치'를 들 수 있다.
상기 종래기술은 사용된 온수가 인입되는 폐수 인입 관(102)이 연결되는 폐수 수집 조(100)와, 폐수 수집 조(100)와 별체로 구비되어 폐수공급관(202)에 의해 접속되며 열교환기(210)가 설치된 폐수 열 교환 조(200)와, 폐수 열교환조(200)에 연결되는 폐수배출관(204)을 포함하는 온수의 폐열회수장치로서, 열교환기(210)를 통해 얻은 열의 회수가 가능하게 되는 효과가 있다.
다만 상기 종래기술에서는 폐수의 열이 단지 온수 생산에만 사용될 뿐이고 복합적인 사용이 되지 않아 폐열이 최대한 효율적으로 회수되지 못하는 문제가 있으며, 온수나 난방뿐만 아니라 냉방과 냉열 모두 폐열원에 의하여 제공될 수 있는 수단이 없어 폐열 회수가 적극적으로 이루어지지 못하는 한계가 있다.
또한 본격적인 네트웍 시대를 맞아 전국 곳곳에 산재되면서 증가되고 있는 IDC 센터에서 배출되는 폐열에너지가 효율적으로 사용되지 못하고 버려지고 있는 상황에서 이러한 폐열 에너지가 적극적으로 재활용될 수 있는 시스템이 요구된다.
등록특허공보 제10-0686189호(등록일자: 2007. 02. 15)
이에 본 발명은 종래기술의 문제점을 개선하기 위한 것으로써, 폐 열원으로 항온이 유지되는 삼중 열원 장치를 구성함으로써, 하나의 삼중 열원 장치로 농업, 상업, 공업 및 생활시설이 연계된 복합단지에 냉방과 난방과 온수 및 냉열 공급이 모두 가능한 온실복합단지 냉난방시스템을 제공하고자 함과 아울러 IDC 센터에서 배출되는 폐열에너지가 효율적으로 사용됨으로써 인근 농상복합단지의 에너지원으로 재활용될 수 있고 또한 이러한 냉난방 공급이 동시에 조절 가능하게 이루어질 수 있는 냉난방동시조절시스템을 제공하고자 한다..
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 냉난방동시조절시스템은 하천 또는 대형 댐 저수지의 심층수가 냉각재로 사용된 후 상기 심층수를 상온에 대해 일정 범위 이내의 수온을 가지는 중온수로 배출시키는 IDC 센터를 포함하는 폐 열원부(50)와; 우수 또는 지하수가 저장되는 중온수조(11)와, 중온수조(11) 내부에 배치되는 고온수조(12) 및, 중온수조(11) 내부에서 상기 고온수조(12)와 일정 거리만큼 이격되게 배치되는 저온수조(13)로 이루어지는 삼중항온조(10)와; 상기 고온수조(12)의 열을 회수하여, 온실과 냉각장치(30)와 산업시설 및 주거지구로 이루어지는 온실복합단지에 난방과 온수를 공급하는 히트펌프(20)와; 상기 저온수조(13)의 냉수로 작동유체가 냉각되고, 상기 폐 열원부(50)에서 배출되는 중온수로 작동유체가 증발되어 냉수가 생산됨으로써, 상기 온실복합단지를 이루는 냉각시설에 냉열을 공급하거나 또는 온실복합단지에 냉방을 제공하는 냉각장치(30); 및, 상기 난방 또는 냉방에 제공되는 온열과 냉열의 혼합비를 가변시킴으로써, 온실복합단지 내부 온도를 온실복합단지의 수요 온도에 대응되는 범위 내로 조절시키는 공조제어부(60)로 구성된다.
여기서 상기 폐 열원부(50)는 IDC 센터(51)와, 하천 또는 댐 저수지의 심부로부터 심층수를 인양시키는 시추기(55)와, 시추기(55)로부터 인양되는 심층수를 IDC 센터(51)로 공급시키는 시추관(52)과, IDC 센터(51)에서 배출되는 중온수를 상기 냉각장치(30)로 공급시키는 폐수 공급관(54) 및, 상기 시추관(52)의 일정 지점과 냉각장치(30)를 연결시켜 심층수를 냉각장치(30)에 사용되는 냉수로 공급시키는 심층수 공급관(53)으로 이루어진다.
그리고 바람직하게는 상기 고온수조(12)는 저온수조(13)의 상부에 배치된다.
또한 바람직하게는 상기 고온수조(12)와 저온수조(13) 사이에는 고온수조(12)의 하부와 저온수조(13)의 상부를 연결시켜, 고온수조(12) 하부의 저온수를 저온수조(13)로 하강시키고 저온수조(13) 상부의 고온수를 고온수조(12)로 상승시키는 하나 이상의 열 교환칼럼(14)이 설치된다.
이때 바람직하게는 상기 열 교환칼럼(14)은 상단이 고온수조(12) 내부로 연장되어 인입되면서 휘어져서 고온수조(12) 바닥을 향하는 형상의 상승칼럼(142)과, 상단이 고온수조(12) 바닥과 동일 높이로 형성되는 하강칼럼(141)으로 이루어진다.
한편, 상기 히트펌프(20)는 제1응축기(21), 제1팽창밸브(22), 제1증발기(23), 제1압축기(24)가 차례로 연결되어 냉매가 순환되는 사이클로 이루어지고, 상기 냉각장치(30)는 제2응축기(31), 제2팽창밸브(32,321), 제2증발기(33), 제2압축기(34)가 차례로 연결되어 냉매가 순환되는 사이클로 이루어지며, 상기 제1증발기(23)의 냉매는 고온수조(12)에서 공급받는 고온수의 열로 증발되고, 제1증발기(23)의 냉매를 증발시킨 상기 고온수는 저온수조(13)로 이송되며, 제2증발기(33)의 냉매는 중온수조(11) 내부의 중온수 또는 저온수조(13) 내부의 열로 증발되고, 제2응축기(31)에서 배출되는 열은 저온수조(13) 내부의 저온수로 전달되고 제2응축기(31)에서 배출되는 열을 전달받은 상기 저온수는 고온수조(12)로 이송된다.
여기서 상기 제2증발기(33)는 저온수조(13) 내부에 내장되어 저온수조(13) 내부의 열에너지로 제2증발기(33)의 냉매가 증발되고, 제1응축기(21)는 난방 및 온수 공급을 위하여 마련되는 온수 탱크(25)에 내장되되, 바람직하게는 상기 심층수 공급관(53) 및 폐수 공급관(54)는 저온수조(13)에 내장된 제2증발기(33)에 심층수 또는 폐수를 공급한다.
또한 바람직하게는 태양열 집진기(71)와, 태양열 집진기(71)로 가열된 고온수가 저장되는 태양열 가열수조(72)로 이루어지는 태양열 집진부(70)가 마련되어, 주간에는 태양열 가열수조(72) 내부에 태양열 집진기(71)로 가열되는 고온수가 저장되고, 야간에는 태양열 가열수조(72) 내부의 고온수가 고온수조(12) 내부로 이송되어 저장되거나 또는 상기 온수 탱크(25)로 이송되어 난방 또는 온수원으로 제공된다.
그리고 바람직하게는 상기 냉각장치(30)는 제2응축기(31)와 제2팽창밸브(32,321)를 연결시키는 냉매관에서 분기되는 냉매관을 통하여 냉매를 공급받아 냉매를 증발시키는 제3증발기(332)를 더 포함하고, 제3증발기(332)에서 증발된 냉매는 제2증발기(33)와 제2압축기(34)를 연결시키는 냉매관의 일 지점과 제3증발기(332)를 연결시키는 냉매관을 통하여 배출되어 제2압축기(34)로 이송되며, 제2응축기(31)와 제2팽창밸브(32,321)를 연결시키는 냉매관에서 분기되는 상기 연결시키는 냉매관에는 제3팽창밸브(322)가 설치되어 제2응축기(31)에서 응축된 냉매가 제3팽창밸브(322)로 팽창되어 제3증발기(332)로 공급되고, 제3증발기(332)는 온실복합단지를 이루는 냉각시설(A-1)에 내장된다.
한편, 상기 공조제어부(60)는 제어모듈(61)과 제1삼방밸브(62) 및 제2삼방밸브(63)로 이루어지고, 바람직하게는 상기 온실복합단지에는 하나 이상의 냉매직팽식 공조기(401)가 설치되고, 냉매직팽식 공조기(401)에 저온수조(13)의 저온수를 공급하는 냉각수 공급관(45)과 냉매직팽식 공조기(401)에 상기 온수 탱크(25)의 고온수를 공급하는 가열수 공급관(47)은 제1삼방밸브(62)로 연결되고, 제1삼방밸브(62)로부터 온실복합단지 내의 냉매직팽식 공조기(401)로 상기 고온수와 냉각수가 혼합된 혼합수가 공급되고, 냉매직팽식 공조기(401)로부터 배출되는 혼합수는 제2삼방밸브(63)를 통하여 제2삼방밸브(63)와 연결된 냉각수 회수관(46) 및 가열수 회수관(48)을 따라 각각 저온수조(13) 및 온수 탱크(25)로 회수되되, 상기 제어모듈(61)은 상기 제2삼방밸브(63)를 통하여 혼합수가 분배되는 양의 비율이 제1삼방밸브(62)를 통하여 혼합되는 상기 저온수 및 고온수의 양의 비율과 일치되게 제어시킨다.
본 발명에 따른 냉난방동시조절시스템에는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, IDC 센터의 급증에 따라 버려지는 냉각폐수가 적극적으로 이용됨으로써 인근 온실복합단지에 열원으로 활용될 수 있다.
둘째, 각종 폐열원이 장시간 동안 서로 항온이 유지될 수 있는 열원이 구성됨으로써 장시간 동안 냉난방 및 온수와 냉열 공급이 가능하다.
셋째, 냉방과 냉열 제공 수단과 난방 및 온수 제공 수단이 삼중 항온조로 서로 연계됨으로써 삼중 항온조의 항온이 장시간 유지 가능함과 동시에 동일한 열원으로 냉방과 냉열 제공 및 난방과 온수 제공이 모두 가능하다.
넷째, 태양열 집진을 통하여 온수가 생산됨으로써, 삼중 항온조의 항온 유지가 더욱 용이해짐과 아울러 온수와 난방 제공이 더욱 원활해진다.
다섯째, 냉각 장치에서 증발기가 이중으로 구성됨으로써 동절기에 냉각장치의 효율적인 운전이 가능하며, 냉열과 냉방이 동시에 제공 가능하다.
여섯째, 공조제어부로 인하여 사계절 동안 항상 일정한 온도의 공조 온도가 제공될 수 있다.
도 1은 종래기술의 구성도,
도 2는 본 발명의 구성도,
도 3은 본 발명에서 삼중항온조를 나타내는 개념도,
도 4는 도 2에서 세부구성을 나타내는 구성도,
도 5는 도 4에서 냉각탑과 태양열 집진부가 추가된 구성도,
도 6는 도 5를 보다 더 구체화 시킨 구성도,
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 온실복합단지 냉난방 시스템은 도 2에 도시된 바와 같이 삼중항온조(10)와, 히트펌프(20)와, 냉각장치(30)와, 폐 열원부(50) 및 공조제어부(60)로 이루어진다.
삼중항온조(10)는 히트펌프(20)에는 온열에너지를 제공하고 냉각장치(30)에는 냉열을 제공하면서도 장시간 온도의 급격한 변화가 없어 히트펌프(20)와 냉각장치(30)의 안정적인 열원 또는 히트싱크로 작용되는 구성이다.
삼중항온조(10)는 도 2에 도시된 바와 같이 중온수조(11)와, 중온수조(11) 내부에 배치되는 고온수조(12) 및, 중온수조(11) 내부에서 고온수조(12)와 일정 거리만큼 이격되게 배치되는 저온수조(13)로 이루어진다.
중온수조(11)는 도 6에 도시된 바와 같이 우수 또는 지하수 및 후술하게 될 IDC 센터의 냉각폐수가 내부에 저장되는 수조이다. 이때 우수(R) 또는 지하수(GW)는 상온에서 섭씨 10도 높거나 낮은 온도 범위 내의 담수이며, 냉각폐수는 하천 또는 댐 저수지의 심층수로부터 길어올려져서 IDC 센터를 냉각시킨 후 대략 섭씨 12도 전후의 온도로 배출되는 냉각폐수이다. 따라서 도 6에 도시된 우수(R) 또는 지하수(GW)는 예시적인 것이며 강물이 중온수조(11) 내부에 채워질 수도 있다. 따라서 중온수조(11)는 본 발명에 따른 냉난방시스템이 설치되는 지역에서 쉽게 구해질 수 있는 담수가 채워지는 수조로 볼 수 있다. 이하에서는 중온수조(11) 내부에 채워지는 담수를 중온수라 칭하기로 한다.
고온수조(12)는 중온수조(11) 내부에 내장되는 수조로서 중온수 보다 수온이 높은 물이 채워지는 수조이다. 고온수조(12)는 아래에서 설명하게 될 냉각장치(30)를 구성하는 제2응축기(31)에서 열에너지를 받아 온도가 상승된 물이 채워지므로 고온이 유지된다.
저온수조(13)는 고온수조(12)처럼 중온수조(11) 내부에 내장되는 수조로서 중온수 보다 수온이 낮은 물이 채워지는 수조이다. 저온수조(13)는 아래에서 설명하게 될 냉각장치(30)의 제2증발기(33) 및 히트펌프(20)의 제1증발기(23)로 인하여 열에너지를 뺏기게 되어 저온수로 유지된다.
그런데 중온수조(11) 내부에 채워진 중온수는 비교적 온도가 높은 중온수는 중온수조(11) 상부로 상승되고 비교적 온도가 낮은 중온수는 중온수조(11) 하부로 가라앉으므로 상대적으로 고온수조(12)의 고온수가 보다 장시간 고온으로 유지되고 저온수조(13)의 저온수가 보다 장시간 저온으로 유지되려면 도 2에 도시된 바와 같이 고온수조(12)가 상부에 배치되고 저온수조(13)가 하부에 배치됨이 바람직하다.
또한 본 발명에 따른 냉난방시스템의 운전 상황에 따라 고온수조(12) 내부의 고온수 온도가 과도하게 내려가면서 저온수에 가까운 수온의 물이 고온수조(12) 바닥에 가라앉거나 또는 저온수조(13) 내부에서도 고온수 온도에 가까운 수온을 가지는 물이 저온수조(13) 상부로 부상할 수 있다. 이는 히트펌프(20) 또는 냉각장치(30)의 운전조건에 따라 발생될 수 있는 상황이다.
이러한 경우에 고온수조(12) 내부 물을 고온수로 유지시키고 저온수조(13) 내부 물을 저온수로 유지시키기 위해서는 고온수조(12) 내부의 온도가 낮은 물은 저온수조(13)로 보내고 저온수조(13) 내부의 온도가 높은 물은 고온수조(12) 내부로 보낼 필요가 있다.
그런데 이처럼 고온수조(12)와 저온수조(13) 사이의 물 교환이 일어나려면 동력이 사용되어야 한다. 그러나 본 발명에서는 이런 경우 동력이 사용되지 않고도 자동적으로 고온수조(12) 내부의 저온수는 저온수조(13)로 보내고 반대로 저온수조(13) 내부의 고온수는 고온수조(12)로 보내는 구성이 구비된다. 이 구성이 바로 도 3에 도시된 열 교환칼럼(14)이다.
열 교환칼럼(14)은 고온수조(12)가 상부에 배치되고 저온수조(13)가 하부에 배치되는 점이 이용되어 고온수조(12) 바닥과 저온수조(13) 상부를 연결시키는 관의 형태이다. 따라서 이처럼 고온수조(12) 하부와 저온수조(13) 상부가 연결되면 물의 온도에 따른 순환으로 저온수조(13)의 고온수와 고온수조(12)의 저온수가 서로 교환이 발생될 수 있다.
이 경우 본 발명에서는 교환이 최대한 효과적으로 이루어질 수 있도록 물이 상승되는 상승칼럼(142)과 물이 하강되는 하강칼럼(141)이 서로 다른 형상으로 형성된다.
열 교환칼럼(14)이 고온수조(12)의 하부와 저온수조(13)의 상부를 단순히 연결시키는 구조인 경우에는 고온수조(12) 하부의 저온수가 하강되면서 저온수조(13) 상부의 고온수가 상승되는 것을 방해할 수 있다. 이러한 경우를 방지시키고자 저온수의 상승이 방해받지 않도록 상승칼럼(142)이 도 3에서와 같이 형성된다. 상승칼럼(142)은 도 3의 확대도에 나타난 바와 같이 상부 끝단이 고온수조(12) 내부로 인입되되 인입되는 과정에서 휘어져서 고온수조(12) 바닥을 향하게 된다. 이 경우 고온수조(12) 바닥의 저온수는 온도가 낮으므로 상승할 수 없어 상승칼럼(142) 끝단을 향하여 상승되지 못하고 오히려 저온수조(13) 상부로부터 상승되어 온 고온수가 상승칼럼(142)을 따라 부상하여 고온수조(12) 바닥을 향하여 분출된다. 따라서 상승칼럼(142)에서는 확실하게 저온수의 하강이 방지되고 고온수의 상승이 보장될 수 있다.
반면에 하강칼럼(141)에서는 고온수조(12) 바닥에 깔린 저온수가 별다른 방해를 받지 않고 저온수조(13) 상부를 향하여 하강될 수 있는데 이 경우 고온수조(12)와 저온수조(13) 사이의 중온수 수온보다 고온수조(12) 바닥의 저온수 수온이 더 낮으면 하강되는 저온수는 외부 환경을 이루는 중온수에 대하여 더욱 무거우므로 원활하게 하강될 수 있다.
이처럼 상승칼럼(142)과 하강칼럼(141)이 별도로 구성됨으로써 별다른 동력 없이도 오히려 온도에 따라 자동적으로 고온수조(12) 바닥의 저온수는 저온수조(13)로 주입되고 저온수조(13) 상부의 고온수는 고온수조(12)로 상승되어 적절한 열 및 물질 교환이 일어나서 정상상태를 벗어난 냉난방시스템의 운전 중에도 고온수조(12)와 저온수조(13)의 온도가 상대적으로 장시간 유지될 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 삼중항온조(10)는 내부에 중온수, 저온수, 고온수가 장시간 큰 온도 변화 없이 유지되므로, 냉각장치(30)의 입장에서는 히트싱크 겸 냉열 공급원으로 작용되고 히트펌프(20)의 입장에서는 열에너지의 공급원으로 작용되므로 하나의 구성으로 서로 반대 작용을 수행하는 냉각장치(30)와 히트펌프(20)가 모두 원활하게 작동되며, 또한 냉각장치(30)와 히트펌프(20)의 작동으로 삼중항온조(10)는 항온성이 유지 가능하므로 결국 최대한 효율적인 폐열 재생이 가능하게 된다.
폐 열원부(50)는 하천 또는 대형 댐 저수지의 심층수가 냉각재로 사용된 후 상기 심층수를 상온에 대해 일정 범위 이내의 수온을 가지는 중온수로 배출시키는 IDC 센터를 포함하는 구성이다. 이때 중온수의 수온을 가지면서 IDC 센터에서 배출되는 냉각폐수의 온도는 섭씨 12도 전후이다.
구체적으로는 도 6에 도시된 바와 같이 IDC 센터(51)와, 하천 또는 댐 저수지의 심부로부터 심층수를 인양시키는 시추기(55)와, 시추기(55)로부터 인양되는 심층수를 IDC 센터(51)로 공급시키는 시추관(52)과, IDC 센터(51)에서 배출되는 중온수를 중온수조(11)로 공급시키는 폐수 공급관(54) 및, 상기 시추관(52)의 일정 지점과 중온수조(11)를 연결시켜 최종적으로 중온수조(11)에서 저온수조(13)로 물이 보충됨으로써 심층수를 냉각장치(30)에 사용되는 냉수로 공급시키는 심층수 공급관(53)으로 이루어진다.
이때 후술하는 바와 같이 심층수 공급관(53) 및 폐수 공급관(54)는 중온수조(11)에 심층수 또는 폐수를 공급한다. 따라서 폐 열원부(50)로 인하여 중온수조(11)의 항온성이 더욱 확실하게 유지됨으로써 히트펌프(20) 및 냉각장치(30)의 효율이 비약적으로 상승될 수 있다.
이하에서는 삼중항온조(10)가 보다 효과적으로 이용될 수 있는 히트펌프(20)와 냉각장치(30)의 세부 구성 및 폐열의 보다 효율적인 이용을 위하여 추가적으로 마련될 수 있는 구성인 유기랭킨 발전부(60-2)와 태양열 집진부(50) 및 온수탱크(25) 등의 구성과, 구체적인 폐열 이용을 위한 나머지 세부 구성을 살펴보기로 한다.
냉각장치(30)와 히트펌프(20)는 모두 냉매로 작동되는 사이클 장치이다. 도 4에 도시된 바와 같이 히트펌프(20)는 제1응축기(21), 제1팽창밸브(22), 제1증발기(23), 제1압축기(24)가 차례로 연결되어 냉매가 순환되는 사이클로 이루어지고, 냉각장치(30)는 제2응축기(31), 제2팽창밸브(32,321), 제2증발기(33), 제2압축기(34)가 차례로 연결되어 냉매가 순환되는 사이클로 이루어진다.
여기서 제1증발기(23)의 냉매는 고온수조(12)에서 공급받는 고온수의 열로 증발되고, 제1증발기(23)의 냉매를 증발시킨 상기 고온수는 저온수조(13)로 이송되며, 제2증발기(33)의 냉매는 저온수조(13) 내부의 열로 증발되고, 제2응축기(31)에서 배출되는 열은 저온수조(13) 내부의 저온수로 전달되고 제2응축기(31)에서 배출되는 열을 전달받은 상기 저온수는 고온수조(12)로 이송된다.
이때 바람직하게는 제2증발기(33)는 도 6에 도시된 바와 같이 저온수조(13) 내부에 내장되어 저온수조(13) 내부의 열에너지로 제2증발기(33)의 냉매가 증발되고, 제1응축기(21)는 난방 및 온수 공급을 위하여 마련되는 온수 탱크에 내장된다. 온수탱크(25)는 히트펌프(20)와는 별도로 마련되는 구성으로서 히트펌프(20)의 응축기로부터 받은 열에너지로 내부 물을 가열시켜 온실복합단지에 온수 또는 난방을 제공하는 작용을 한다.
따라서 도 6에 도시된 바와 같이 고온수 또는 저온수의 수급 균형이 이루어진다. 즉 고온수조(12)는 제1증발기(23)로 고온수를 내보내는 대신에 제2응축기(31)에서 가열된 저온수를 공급받아 균형이 이루어지고, 저온수조(13)는 제2응축기(31)로 저온수를 내보내는 대신에 제1증발기(23)에서 열을 빼앗긴 고온수를 공급받아 균형이 이루어진다.
다만 제1증발기(23)와 제2응축기(31)에 소요되는 용수 양이 다를 수 있으므로 이 경우에 생기는 불균형 해소를 위하여 도 6에 도시된 바와 같이 고온수조(12)에는 중온수조(11)로부터 중온수를 공급받는 고온수조(12) 밸브가 설치되고, 저온수조(13)에는 중온수조(11)로부터 중온수를 공급받는 저온수조(13) 밸브가 설치된다.
특히 이때 저온수조(13) 밸브를 통하여 저온수조(13) 내부로 유입되는 중온수는 도 6에 도시된 바와 같이 저온수조(13)에 내장된 제2증발기(33)에 먼저 접촉되게 배치됨으로써, 제2증발기(33)로 유입되는 냉매의 증발이 저온수만 있는 환경에서보다 훨씬 원활하게 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명에서는 도 5에 도시된 바와 같이 태양열 집진부(70)와 냉각탑(80-1)이 설치될 수 있다.
태양열 집진부(70)는 태양열 집진기(71)와, 태양열 집진기(71)로 가열된 고온수가 저장되는 태양열 가열수조(72)로 이루어지며, 주간에는 태양열 가열수조(72) 내부에 태양열 집진기(71)로 가열되는 고온수가 저장되고, 야간에는 태양열 가열수조(72) 내부의 고온수가 고온수조(12) 내부로 이송되어 저장되거나 또는 상기 온수 탱크(25)로 이송되어 난방 또는 온수원으로 제공될 수 있다.
따라서 태양열이라는 자연 에너지를 활용함으로써 본 발명에 따른 냉난방시스템에서 난방 및 온수의 공급이 보다 원활해짐과 동시에 고온수조(12)의 고온수 수온이 보다 더 오랜 시간 지속될 수 있게 된다.
냉각탑(80-1)은 도 5에 도시된 바와 같이 고온수조(12)로부터 제1증발기(23)로 고온수를 공급시키는 고온수 공급관(43)에서 분기되는 관을 통하여 고온수가 유입되어 유입된 고온수를 냉각시킨 후, 제1증발기(23)로부터 저온수조(13)로 연결되어 열을 뺏긴 고온수를 저온수조(13)로 복귀시키는 저온수 회수관(42)의 일 지점과 냉각탑(80-1)을 연결시키는 관을 통하여 냉각탑(60-1)에서 냉각된 물을 저온수로 복귀시킨다.
이처럼 냉각탑(80)은 히트펌프(20)의 가동이 별로 필요 없는 하절기에도 고온수와 저온수의 수온유지 및 물 수급 균형을 위하여 가동될 수 있다.
한편, 온실복합단지에는 냉각시설(A-1)이 포함될 수 있다. 이 냉각시설(A-1) 내부를 냉각시키는 구성이 바로 제3증발기(332)이다. 제3증발기(332)는 도 6에 도시된 바와 같이 냉각시설(A-1)에 내장되는 한편, 제2증발기(33)로 이송되는 냉매 일부를 공급받아 냉매를 증발시킴으로써 냉각시설(A-1) 내부 열에너지를 냉매가 흡수하게 된다. 여기서 열에너지를 흡수한 냉매는 제2증발기(33)로부터 배출되어 제2압축기(34)로 들어가는 냉매관에 합류되어 함께 제2압축기(34)로 유입된다.
한편, 냉각시설(A-1)을 제외한 나머지 온실복합단지의 냉방 또는 난방은 냉매직팽식 공조기(401)가 사용된다. 냉매직팽식 공조기(401)에서의 냉매는 고온수 또는 저온수를 지칭한다. 온실복합단지를 도식화 하면, 도 6에 도시된 바와 같이 냉각시설(제1수요처)(A-1), 제2수요처(A-2), 제3수요처(A-3), 제4수요처(A-4)로 나눌 수 있다.
한편, 상기 온실복합단지를 이루는 하나 이상의 냉방 또는 난방 수요처들(A-2,3,4)에는 각각 냉매직팽식 공조기(401)가 내장되고, 냉매직팽식 공조기(401) 마다 냉난방동시조절기(62)가 설치되며, 각 냉난방동시조절기(62)는 저온수조(13)와 냉각수 공급관(45)으로 연결되고 온수탱크(25)와 가열수 공급관(47)으로 연결되어 저온수와 가열수를 동시에 공급받되,
각 냉난방동시조절기(62)에는 저온수와 가열수의 혼합비가 조절되는 밸브가 내장되어 상기 혼합비를 조절시킴으로써 각 냉방 또는 난방 수요처들(A-2,3,4)의 내부 온도가 조절되고,
각 냉방 또는 난방 수요처들(A-2,3,4)에 냉방 또는 난방을 제공한 혼합수는 각각의 상기 냉매직팽식 공조기(401)로부터 배출되어 사방밸브(64)로 모인 후, 분배밸브(63)로 이송되어, 분배밸브(63)로부터 저온수조(13)로 연결되는 냉각수 회수관(63)과, 분배밸브(63)로부터 온수 탱크(25)로 연결되는 가열수 회수관(48)으로 분배되어 복귀되며,
저온수조(13)에 복귀되는 혼합수의 양과 온수 탱크(25)로 복귀되는 혼합수의 양을 각각 저온수조(13)에서 난방 수요처들(A-2,3,4)로 공급되는 저온수와 온수 탱크(25)에서 난방 수요처들(A-2,3,4)로 공급되는 가열수의 양의 비와 일치되게 복귀시키는 제어부가 더 구비된다.
따라서 저온수조(13) 또는 온수 탱크(25)가 회수하는 물은 온도가 변한 혼합수이긴 하지만 공급량에 대응되는 양만 회수함으로써 저온수조(13) 또는 온수 탱크(25) 내부의 온도 변화의 폭은 최소화될 수 있다.
이와 동시에 온실복합단지를 이루는 각각의 냉난방 수요처 들은 서로 다른 온도로 상황에 맞는 적절한 냉난방을 공급받을 수 있으며, 이용자가 얼마든지 온도 조절이 가능하게 된다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
A : 온실복합단지 A-1 : 냉각시설
A-2 : 제2수요처 A-3 : 제3수요처
A-4 : 제4수요처
GW : 지하수 R : 우수
10 : 삼중항온조 11 : 중온수조
12 : 고온수조 13 : 저온수조
14 : 열 교환칼럼 20 : 히트펌프
21 : 제1응축기 22 : 제1팽창밸브
23 : 제1증발기 24 : 제1압축기
25 : 온수 탱크 30 : 냉각장치
31 : 제2응축기 32,321 : 제2팽창밸브
33 : 제2증발기 34 : 제2압축기
41 : 저온수 공급관 42 : 저온수 회수관
43 : 고온수 공급관 44 : 고온수 회수관
45 : 냉각수 공급관 46 : 냉각수 회수관
47 : 가열수 공급관 48 : 가열수 회수관
50 : 폐 열원부 51 : IDC 센터
52 : 시추관 53 : 심층수 공급관
54 : 폐수 공급관 55 : 시추기
60 : 냉난방동시조절부 62 : 냉난방동시조절기
63 : 분배밸브 64 : 사방밸브
70 : 태양열 집진부 71 : 태양열 집진기
72 : 태양열 가열수조 73 : 가열수 보충관
74 : 가열수 저장관 75 : 가열수 복귀관
80 : 냉각탑 121 : 고온수조 밸브
131 : 저온수조 밸브 141 : 하강 칼럼
142 : 상승 칼럼 143 : 칼럼밸브
322 : 제3팽창밸브 332 : 제3증발기
401 : 냉매직팽식 공조기 493 : 제3삼방밸브
494 : 제4삼방밸브

Claims (10)

  1. 하천 또는 대형 댐 저수지의 심층수가 냉각재로 사용된 후 상기 심층수를 상온에 대해 일정 범위 이내의 수온을 가지는 냉각폐수로 배출시키는 IDC 센터를 포함하는 폐 열원부(50)와;
    우수 또는 지하수 및 상기 냉각폐수가 저장되는 중온수조(11)와, 중온수조(11) 내부에 배치되는 고온수조(12) 및, 중온수조(11) 내부에서 상기 고온수조(12)와 일정 거리만큼 이격되게 배치되는 저온수조(13)로 이루어지는 삼중항온조(10)와;
    상기 고온수조(12)의 열을 회수하여, 온실과 냉각장치(30)와 산업시설 및 주거지구로 이루어지는 온실복합단지에 난방과 온수를 공급하는 히트펌프(20)와;
    상기 저온수조(13)의 냉수로 작동유체가 냉각되고, 상기 폐 열원부(50)에서 배출되는 중온수로 작동유체가 증발되어 냉수가 생산됨으로써, 상기 온실복합단지를 이루는 냉각시설에 냉열을 공급하거나 또는 온실복합단지에 냉방을 제공하는 냉각장치(30); 및,
    상기 난방 또는 냉방에 제공되는 온열과 냉열의 혼합비를 가변시킴으로써, 온실복합단지 내부 온도를 온실복합단지의 수요 온도에 대응되는 범위 내로 조절시키는 냉난방동시조절부(60);
    로 구성되는 냉난방동시조절시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 폐 열원부(50)는 IDC 센터(51)와, 하천 또는 댐 저수지의 심부로부터 심층수를 인양시키는 시추기(55)와, 시추기(55)로부터 인양되는 심층수를 IDC 센터(51)로 공급시키는 시추관(52)과, IDC 센터(51)에서 배출되는 중온수를 상기 냉각장치(30)로 공급시키는 폐수 공급관(54) 및, 상기 시추관(52)의 일정 지점과 냉각장치(30)를 연결시켜 심층수를 냉각장치(30)에 사용되는 냉수로 공급시키는 심층수 공급관(53)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉난방동시조절시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고온수조(12)는 저온수조(13)의 상부에 배치되는 것을 특징으로 하는 냉난방동시조절시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 고온수조(12)와 저온수조(13) 사이에는 고온수조(12)의 하부와 저온수조(13)의 상부를 연결시켜, 고온수조(12) 하부의 저온수를 저온수조(13)로 하강시키고 저온수조(13) 상부의 고온수를 고온수조(12)로 상승시키는 하나 이상의 열 교환칼럼(14)이 설치되는 것을 특징으로 하는 냉난방동시조절시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 열 교환칼럼(14)은 상단이 고온수조(12) 내부로 연장되어 인입되면서 휘어져서 고온수조(12) 바닥을 향하는 형상의 상승칼럼(142)과, 상단이 고온수조(12) 바닥과 동일 높이로 형성되는 하강칼럼(141)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉난방동시조절시스템.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 히트펌프(20)는 제1응축기(21), 제1팽창밸브(22), 제1증발기(23), 제1압축기(24)가 차례로 연결되어 냉매가 순환되는 사이클로 이루어지고, 상기 냉각장치(30)는 제2응축기(31), 제2팽창밸브(32,321), 제2증발기(33), 제2압축기(34)가 차례로 연결되어 냉매가 순환되는 사이클로 이루어지며,
    상기 제1증발기(23)의 냉매는 고온수조(12)에서 공급받는 고온수의 열로 증발되고, 제1증발기(23)의 냉매를 증발시킨 상기 고온수는 저온수조(13)로 이송되며, 제2증발기(33)의 냉매는 중온수조(11) 내부의 중온수 또는 저온수조(13) 내부의 열로 증발되고, 제2응축기(31)에서 배출되는 열은 저온수조(13) 내부의 저온수로 전달되고 제2응축기(31)에서 배출되는 열을 전달받은 상기 저온수는 고온수조(12)로 이송되는 것을 특징으로 하는 냉난방동시조절시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제2증발기(33)는 저온수조(13) 내부에 내장되어 저온수조(13) 내부의 열에너지로 제2증발기(33)의 냉매가 증발되고,
    제1응축기(21)는 난방 및 온수 공급을 위하여 마련되는 온수 탱크(25)에 내장되되,
    상기 심층수 공급관(53) 및 폐수 공급관(54)는 저온수조(13)에 내장된 제2증발기(33)에 심층수 또는 폐수를 공급하는 것을 특징으로 하는 냉난방동시조절시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    태양열 집진기(71)와, 태양열 집진기(71)로 가열된 고온수가 저장되는 태양열 가열수조(72)로 이루어지는 태양열 집진부(70)가 마련되어, 주간에는 태양열 가열수조(72) 내부에 태양열 집진기(71)로 가열되는 고온수가 저장되고, 야간에는 태양열 가열수조(72) 내부의 고온수가 고온수조(12) 내부로 이송되어 저장되거나 또는 상기 온수 탱크(25)로 이송되어 난방 또는 온수원으로 제공되는 것을 특징으로 하는 냉난방동시조절시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 냉각장치(30)는 제2응축기(31)와 제2팽창밸브(32,321)를 연결시키는 냉매관에서 분기되는 냉매관을 통하여 냉매를 공급받아 냉매를 증발시키는 제3증발기(332)를 더 포함하고,
    제3증발기(332)에서 증발된 냉매는 제2증발기(33)와 제2압축기(34)를 연결시키는 냉매관의 일 지점과 제3증발기(332)를 연결시키는 냉매관을 통하여 배출되어 제2압축기(34)로 이송되며,
    제2응축기(31)와 제2팽창밸브(32,321)를 연결시키는 냉매관에서 분기되는 상기 연결시키는 냉매관에는 제3팽창밸브(322)가 설치되어 제2응축기(31)에서 응축된 냉매가 제3팽창밸브(322)로 팽창되어 제3증발기(332)로 공급되고,
    제3증발기(332)는 온실복합단지를 이루는 냉각시설(A-1)에 내장되는 것을 특징으로 하는 냉난방동시조절시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 온실복합단지를 이루는 하나 이상의 냉방 또는 난방 수요처들(A-2,3,4)에는 각각 냉매직팽식 공조기(401)가 내장되고, 냉매직팽식 공조기(401) 마다 냉난방동시조절기(62)가 설치되며, 각 냉난방동시조절기(62)는 저온수조(13)와 냉각수 공급관(45)으로 연결되고 온수탱크(25)와 가열수 공급관(47)으로 연결되어 저온수와 가열수를 동시에 공급받되,
    각 냉난방동시조절기(62)에는 저온수와 가열수의 혼합비가 조절되는 밸브가 내장되어 상기 혼합비를 조절시킴으로써 각 냉방 또는 난방 수요처들(A-2,3,4)의 내부 온도가 조절되고,
    각 냉방 또는 난방 수요처들(A-2,3,4)에 냉방 또는 난방을 제공한 혼합수는 각각의 상기 냉매직팽식 공조기(401)로부터 배출되어 사방밸브(64)로 모인 후, 분배밸브(63)로 이송되어, 분배밸브(63)로부터 저온수조(13)로 연결되는 냉각수 회수관(63)과, 분배밸브(63)로부터 온수 탱크(25)로 연결되는 가열수 회수관(48)으로 분배되어 복귀되며,
    저온수조(13)에 복귀되는 혼합수의 양과 온수 탱크(25)로 복귀되는 혼합수의 양을 각각 저온수조(13)에서 난방 수요처들(A-2,3,4)로 공급되는 저온수와 온수 탱크(25)에서 난방 수요처들(A-2,3,4)로 공급되는 가열수의 양의 비와 일치되게 복귀시키는 제어부가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 냉난방동시조절시스템.
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