KR101856414B1 - 대온도차 수축열시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대온도차를 이용하여 축열조 내의 냉온수를 온도분포에 따라 성층화함과 동시에 저온의 냉수를 용이하게 생산 및 공급하여 냉방효율 및 성능을 증대시킬 수 있는 대온도차 수축열시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 히트펌프(10)와, 상기 히트펌프(10) 및 부하(R) 측에 연결되어 환수가 순환되도록 연장되는 환수공급라인(20)과; 상기 환수공급라인(20)을 통해 환수의 유출입이 가능하도록 연결됨과 동시에 일정량의 환수를 저장하도록 된 축열조(30)와; 상기 환수공급라인(20)의 일측에 연결되어 부하(R) 측과의 열교환이 이루어지도록 구비되되, 상기 환수공급라인(20) 상의 환수와 상기 부하(R) 측에 연결되는 부하공급라인(39) 상의 공급수와의 열교환이 이루어지도록 된 물대물 열교환기(31)와; 상기 환수공급라인(20) 상에 구비되어 환수의 흐름을 제어하도록 된 복수개의 제어밸브(24~27)를 포함하는 대온도차 수축열시스템이 제공된다.

Description

대온도차 수축열시스템{Large temperature differential water heat storage system}
본 발명은 대온도차 수축열시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대온도차를 이용하여 축열조 내의 냉온수를 온도분포에 따라 성층화함과 동시에 저온의 냉수를 용이하게 생산 및 공급하여 냉방효율 및 성능을 증대시킬 수 있는 대온도차 수축열시스템에 관한 것이다.
일반적으로 수축열시스템은 축열조의 물을 압축기, 응축기, 증발기 및 팽창밸브로 구성된 히프펌프를 순환시키는 과정에서 열교환에 따른 가열 또는 냉각시킨 상태로 저장하여 부하측에 냉방 또는 난방을 공급하도록 된 것으로, 대개 심야전력을 이용하여 야간에 축열을 행하여 저장한 후에, 이를 주간에 부하측에 공급함에 따라 전력피크를 감소시킴과 동시에 에너지를 절약할 수 있는 통상적인 것이다.
이러한 수축열시스템은 지열이나 수열원과의 열교환이 가능하도록 열교환기 중의 하나에 열원이 연결되고, 다른 하나에 부하측과의 열교환이 가능하도록 축열조의 환수가 통과되게 연결된 것으로, 종래에는 부하측에 냉방을 공급하는 경우에 축열조로 복귀하는 환수의 온도가 대략 12~13도 정도이고, 야간의 축열과정에 의해 냉각되는 환수의 온도가 7도 정도이므로, 축열조 내의 환수는 대략 5도 정도의 온도차로 분포되는 것이다.
그러므로 종래에는 축열조 내로 복귀하는 환수의 온도가 상대적으로 낮음에 따라 축열과정에서 히트펌프 측의 열매체와의 온도차가 작아 열흡수가 활발하지 못함으로 인해 저온의 냉수를 생산하는 데에 한계가 있는 것이다. 또한 종래에는 축열조 내에서 환수의 온도분포가 대온도차를 형성하지 못함에 따라 축열조 내에서 온도차에 따른 성형화 효과가 떨어질 뿐만 아니라 축열조 내에서의 환수의 혼합에 따른 환수의 온도가 전반적으로 높아져 냉방효율이 떨어지는 문제점이 있는 것이다.
한국 등록특허공보 제10-1564761호(2015. 10 26)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 대온도차를 이용하여 축열조 내의 냉온수를 온도분포에 따라 성층화하여 저온의 냉수를 용이하게 생산 및 공급하며, 이에 따라 축열조 등의 크기를 축소함에 따른 장치의 구성을 컴팩트하게 형성함과 동시에 냉방효율 및 성능을 증대시킬 수 있는 대온도차 수축열시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 특징에 따르면, 열매체가 순환되는 순환라인(16)에 의해 상호 연결되는 압축기(11), 제1 내지 제3 열교환기(12~14) 및 팽창밸브(15)를 포함하되, 상기 제1 열교환기(12)는 압축기(11)로부터 배출되는 핫가스가 통과되도록 위치되고, 상기 제2 열교환기(13)는 부하측과의 열교환이 이루어지도록 연결되며, 상기 제1 또는 제3 열교환기(12,14)는 열원(S) 측과의 열교환이 이루어지도록 연결된 히트펌프(10)와;
상기 히트펌프(10) 및 부하(R) 측에 연결되어 환수가 순환되도록 연장되되, 상기 부하(R) 측으로 연장되는 메인라인(21)과, 상기 메인라인(21)으로부터 분기되어 상기 제1 열교환기(12) 측으로 분기되는 제1 분기라인(22) 및 상기 제2 열교환기(13) 측으로 분기되는 제2 분기라인(23)으로 구성된 환수공급라인(20)과;
상기 환수공급라인(20)을 통해 환수의 유출입이 가능하도록 연결됨과 동시에 일정량의 환수를 저장하도록 된 축열조(30)와;
상기 환수공급라인(20)의 일측에 연결되어 부하(R) 측과의 열교환이 이루어지도록 구비되되, 상기 환수공급라인(20) 상의 환수와 상기 부하(R) 측에 연결되는 부하공급라인(39) 상의 공급수와의 열교환이 이루어지도록 된 물대물 열교환기(31)와;
상기 환수공급라인(20) 상에 구비되어 환수의 흐름을 제어하도록 된 복수개의 제어밸브(24~27)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대온도차 수축열시스템이 제공된다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 제1 열교환기(12)와 제3 열교환기(14)에는 상기 열원(S)과는 다른 냉각열원(C)이 추가로 연결되며;
상기 제1 열교환기(12)는 냉방운전시에 상기 제3 열교환기(14) 대신에 응축기로 작동되거나 상기 제1 열교환기(12)에 대해 추가적인 응축기로 작동되어 상기 냉각열원(C)과의 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 대온도차 수축열시스템이 제공된다.
본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 냉각열원(C)은 냉각열원라인(41)에 의해 상기 제1 열교환기(12) 또는 제3 열교환기(14)에 연결되되, 상기 냉각열원라인(41) 상에 직결되는 냉각탑(C1)이나 상기 냉각열원라인(41) 상에 구비되는 다른 물대물 열교환기(43)와의 열교환이 이루어지도록 연결된 급수탱크(C2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대온도차 수축열시스템이 제공된다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 축열조(30)에 축열 저장된 저온의 환수를 순환시켜 부하(R) 측에 냉방을 공급한 후에, 핫가스가 통과되는 히트펌프(10)의 제1 열교환기(12) 측에 환수를 통과시킨 후에 축열조(30)로 복귀시킴에 따라, 일정 온도 이상으로 가온된 상태의 환수를 히트펌프(10)에서 열교환시켜 열흡수 능력이 우수한 환수에 의해 냉각효과를 높일 수 있으며, 이로 인해 축열조(30) 내에서 환수의 온도차를 크게 형성함에 따른 온도성층화가 용이하게 형성할 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 전술된 바와 같이 축열조(30) 내에 저장되는 환수의 온도성층화가 용이함에 따라, 축열조(30) 내의 냉온수가 혼합되는 것을 최소화하여 열손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 축열조(30)의 크기를 축소하여 컴팩트한 장치를 구현하는 데에 유효한 장점이 잇다.
또한 본 발명은 히트펌프(10)의 제1 및 제3 열교환기(12,14) 측에 상호 다른 열원(S)과 냉각열원(C)을 연결함에 따라, 냉방운전시에 상기 제1 열교환기(12)를 응축기로 사용하여 상기 제3 열교환기(14)에 대해 선택적으로 또는 보조적으로 사용 가능할 뿐만 아니라 여건에 따라 장치의 작동을 원활하게 행함과 동시에 냉방성능 증대시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명은 열원(S) 측의 열교환매체가 상기 제1 열교환기(12)와 제3 열교환기(14)를 연속적으로 통과하도록 구비됨에 따라, 냉방운전시에 상기 제1 열교환기(12)와 제3 열교환기(14)를 제1 및 제2 응축기로 활용하여 열매체의 응축온도를 낮춘 상태로 증발기 측에 공급하여 냉방성능을 높일 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예를 도시한 구성도
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 방열과정을 도시한 흐름도
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 축열과정을 도시한 흐름도
도 4는 본 발명의 다른 실시예를 도시한 구성도
상술한 본 발명의 목적, 특징들 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.
도 1 내지 도 4는 본 발명의 다양한 실시예를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 히트펌프(10)와 축열조(30) 및 물대물 열교환기(31)가 환수공급라인(20)에 의해 상호 연결됨에 따라, 상기 축열조(30)에 저장된 환수가 순환되어 상기 물대물 열교환기(31) 측에 연결된 부하(R) 측에 냉방을 공급할 수 있도록 된 것이다.
구체적으로, 상기 히트펌프(10)는 열매체가 순환되는 순환라인(16)에 의해 압축기(11)와 제1 내지 제3 열교환기(12~14) 및 팽창밸브(15)가 상호 연결되어 열매체의 상변화에 의해 열교환이 이루어지는데, 상기 제1 열교환기(12)는 상기 압축기(11)로부터 공급되는 고온 고압의 핫가스와의 열교환을 통해 급탕 등을 공급하도록 통상의 디슈퍼히터로 구비된 것이고, 상기 제2 열교환기(12)와 제3 열교환기(13)는 통상의 증발기와 응축기로 작동되어 부하(R) 측에 냉난방을 공급하도록 연결되는 것이다.
여기에서, 냉방운전을 예로 들면 상기 제2 열교환기(13)는 통상의 증발기로 작동되도록 순환라인(16)에 연결된 상태에서 상기 환수공급라인(20) 상의 환수가 일부 우회되어 통과됨에 따라 환수의 냉각이 이루어지도록 연결된 것이고, 상기 제3 열교환기(14)는 상기 제2 열교환기(13)에 대응되어 응축기로 작동되는 것이다.
구체적으로, 상기 제3 열교환기(14) 측에는 지열과 같은 열원(S)을 이용하여 열교환 효율을 증대시킬 수 있도록 구비되고, 이를 위해 상기 제1 열교환기(12)에는 지중으로 연장되는 열원공급라인(40)이 연결되어 물 또는 브라인(brine)과 같은 열교환매체가 순환되는 것이며, 상기 순환라인(16) 상에는 냉매의 흐름을 절환할 수 있는 사방밸브와 같은 절환밸브(17)가 구비되어 난방운전 또는 냉방운전에 따라 냉매의 흐름을 제어할 수도 있는 것이다.
또한 상기 환수공급라인(20)은 축열조(30)의 상단과 하단에 유출입구가 연결된 상태로 연장 형성된 메인라인(21)과 이 메인라인(21)의 일측에서 각각 분기된 다수의 분기라인(22,23)으로 구성되는데, 상기 메인라인(21) 상에는 상기 부하(R) 측에 대응되어 물대물 열교환기(31)가 위치되고, 상기 분기라인(22,23)은 상기 제1 열교환기(12) 측으로 환수가 순환되도록 연장된 제1 분기라인(22)과 상기 제2 열교환기(13) 측으로 환수가 순환되도록 연장된 제2 분기라인(23)으로 이루어진 것이다.
또한 상기 환수공급라인(20) 상에는 환수의 흐름을 제어하도록 된 복수개의 제어밸브(24~27)가 구비됨과 동시에 환수를 펌핑하도록 된 순환펌프(32~34)와 체크밸브(35,36) 등이 구비될 수 있는데, 상기 제1 분기라인(22)에 대응되어 환수의 흐름을 제어하는 제1 및 제2 제어밸브(24,25)와 상기 제2 분기라인(23)에 대응된 제3 및 제4 제어밸브(26,27)로 구성되고, 각 제어밸브(24~27)는 삼방향으로 흐름을 제어하는 삼방밸브이거나 일방향으로 흐름을 제어하는 체크밸브 등으로 구비될 수 있는 것이다.
이러한 본 발명에 의한 방열 및 축열과정을 도 2와 도 3에 의해 설명하면 다음과 같다. 도 2에 도시된 바와 같이, 주간에 냉방 등을 공급하기 위해 축열조(30)에 저장된 저온의 환수를 방열하는 과정은 상기 축열조(30)의 하부로부터 저온의 환수가 펌핑되어 상기 제4 제어밸브(27)를 통해 물대물 열교환기(31) 측으로 순환되면서 부하(R) 측에 냉방 등을 공급하게 되는데, 이때에 상기 축열조(30)에 저장된 환수의 온도가 대략 5도라면 상기 물대물 열교환기(31)에서 열교환이 이루어진 환수의 온도는 대략 13도 정도로 승온되게 된다.
이후에는 상기 축열조(30) 측으로 복귀하는 과정에서 환수의 일부는 상기 제3 제어밸브(26)를 통해 우회되어 상기 제2 열교환기(13) 측으로 공급되고, 상기 제2 열교환기(13)에서 열교환을 통해 냉각된 환수는 상기 제4 제어밸브(27)를 통해 다시 상기 물대물 열교환기(31) 측으로 공급되어 부하(R) 측에 냉방을 공급하게 되며, 상기 제3 제어밸브(26)를 통과한 환수의 다른 일부는 상기 제1 제어밸브(24)를 통해 상기 제1 열교환기(12) 측으로 우회되어 열교환을 통해 가온된 상태로 상기 축열조(30)의 상부를 통해 복귀하게 된다.
이때에 상기 축열조(30)로 복귀한 환수의 온도는 대략 20도 정도로 가온된 상태가 되어 축열조(30)의 하부측에 축열 저장된 5도의 환수와는 15도 정도의 대온도차를 형성하게 되며, 이로 인해 축열조(30) 내에는 온도차가 큰 환수가 온도층을 형성하여 상하로 구분된 상태로 양립하게 된다.
이는 상기 물대물 열교환기(31)에서 부하(R) 측에 냉방을 공급한 환수가 열교환 이후에 그대로 축열조(30)로 복귀되는 것이 아니라 상기 제1 열교환기(12) 측에서 압축기(11)로부터 공급되는 핫가스와의 열교환을 통해 20도로 가온된 상태로 축열조(30)로 복귀됨에 따라, 종래처럼 냉방을 공급한 환수가 대략 13도 정도로 승온된 상태로 축열조(30)로 복귀되는 것에 비해 냉방을 공급하기 위한 저온의 환수와의 온도차를 크게 형성하여 온도 성층화를 용이하게 행하게 된다.
한편 도 3에 도시된 바와 같이, 축열조(30)에 복귀한 환수를 냉각하여 저장하기 위한 축열과정은 전술된 바와 같이 주간에 냉방을 공급한 이후에 축열조(30)로 복귀된 환수를 야간에 일정 온도로 냉각하게 되는데, 이는 상기 축열조(30)의 상부를 통해 배출되는 환수가 상기 제3 제어밸브(26)에 의해 상기 제2 열교환기(13) 측으로 우회되고, 통상의 증발기로 작동되는 제2 열교환기(13)에서 열교환을 통해 냉각되어 상기 제4 제어밸브(27)에 의해 축열조(30)의 하부로 복귀하게 된다.
이때에 상기 제1 및 제2 제어밸브(24,25)는 상기 제1 열교환기(12) 측으로 환수가 흐르는 것을 차단하고, 상기 제3 및 제4 제어밸브(26,27)는 상기 물대물 열교환기(31) 측으로 환수가 흐르는 것을 차단하도록 제어되게 된다.
이러한 축열과정에서는 상기 제1 및 제3 열교환기(12,14)의 응축효율을 증대시켜 상기 제2 열교환기(13)에 의한 열효율을 증대시킴에 따라 냉각효과를 높일 수 있게 되는데, 이를 도 4에 의해 설명하면 다음과 같다.
도 4에 도시된 바와 같이, 통상적인 응축기로 작동되는 제3 열교환기(14)에는 지열이나 폐수열 등과 같은 열원(S)과의 열교환이 이루어지도록 열원공급라인(40)이 연장되고, 상기 제1 열교환기(12)에는 상기 제3 열교환기(14) 측에 연결되는 열원(S)과는 다른 냉각열원(C)과의 열교환이 이루어지도록 연결될 수 있는데, 상기 냉각열원(C)은 냉각탑(C1)이나 급수탱크(C2) 등을 냉각열원라인(41)에 의해 연결할 수 있는 것이다.
이러한 냉각열원(C)이 연결되는 제1 열교환기(12)는 냉방운전시에 상기 냉각열원(C)과의 열교환이 이루어지도록 응축기로 작동됨에 따라 상기 제1 열교환기(12)의 작동이 일시 정지되거나 열원(S)의 효율이 떨어지는 경우에 상기 제1 열교환기(12)에 대신에 응축기로 작동되거나 상기 제1 열교환기(12)의 응축작동을 보조하여 추가적인 응축기로 작동될 수 있는 것이고, 상기 열원(S)과 냉각열원(C)은 동시에 상기 제1 열교환기(12)에 연결되거나 또는 제3 열교환기(14)에 연결될 수 있는 것이다.
또한 상기 냉각열원(C)은 쿨링타워(C1)의 경우에 상기 냉각열원라인(41) 상에 직결될 수 있고, 다른 냉동기의 저수조(C3)나 급탕조(C4)와 같은 급수탱크(C2)인 경우에 그에 저장된 시수가 순환되도록 시수라인(42)이 연결될 수 있는 것이다. 또한 상기 냉각열원라인(41)과 시수라인(42) 사이에는 다른 물대물 열교환기(43)가 구비되어 냉각열원라인(41) 상의 순환수와 시수가 열교환될 수 있는 것이고, 상기 냉각열원라인(41)이나 시수라인(42) 상에는 다른 펌프(44,45)나 제어밸브(46,47)가 추가될 수 있음은 당연한 것이다.
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.
10: 히트펌프 11: 압축기
12: 제1 열교환기 13: 제2 열교환기
14: 제3 열교환기 15: 팽창밸브
16: 순환라인 17: 절환밸브
20: 환수공급라인 21: 메인라인
22: 제1 분기라인 23: 제2 분기라인
24: 제1 제어밸브 25: 제2 제어밸브
26: 제3 제어밸브 27: 제4 제어밸브
30: 축열조 31: 물대물 열교환기
32~34: 펌프 35,36: 체크밸브
39: 부하공급라인 40: 열원공급라인
41: 냉각열원라인 42: 시수라인
43: 물대물 열교환기 44,45: 펌프
46,47: 제어밸브 R: 부하
S: 열원 C: 냉각열원

Claims (3)

  1. 열매체가 순환되는 순환라인(16)에 의해 상호 연결되는 압축기(11), 제1 내지 제3 열교환기(12~14) 및 팽창밸브(15)를 포함하되, 상기 제1 열교환기(12)는 압축기(11)로부터 배출되는 핫가스가 통과되도록 위치되고, 상기 제2 열교환기(13)는 부하측과의 열교환이 이루어지도록 연결되며, 상기 제1 또는 제3 열교환기(12,14)는 열원(S) 측과의 열교환이 이루어지도록 연결된 히트펌프(10)와;
    상기 히트펌프(10) 및 부하(R) 측에 연결되어 환수가 순환되도록 연장되되, 상기 부하(R) 측으로 연장되는 메인라인(21)과, 상기 메인라인(21)으로부터 분기되어 상기 제1 열교환기(12) 측으로 분기되는 제1 분기라인(22) 및 상기 제2 열교환기(13) 측으로 분기되는 제2 분기라인(23)으로 구성된 환수공급라인(20)과;
    상기 환수공급라인(20)을 통해 환수의 유출입이 가능하도록 연결됨과 동시에 일정량의 환수를 저장하도록 된 축열조(30)와;
    상기 환수공급라인(20)의 일측에 연결되어 부하(R) 측과의 열교환이 이루어지도록 구비되되, 상기 환수공급라인(20) 상의 환수와 상기 부하(R) 측에 연결되는 부하공급라인(39) 상의 공급수와의 열교환이 이루어지도록 된 물대물 열교환기(31)와;
    상기 환수공급라인(20) 상에 구비되어 환수의 흐름을 제어하도록 된 복수개가 구비되되, 상기 제1 분기라인(22)에 대응되어 환수의 흐름을 제어하는 제1 및 제2 제어밸브(24,25) 및 상기 제2 분기라인(23)에 대응되어 환수의 흐름을 제어하는 제3 및 제4 제어밸브(26,27)를 포함하며;
    상기 축열조(30)에 저장된 환수를 순환시켜 냉방을 공급하는 방열과정에서는 환수를 상기 물대물 열교환기(31) 측으로 순환시켜 부하(R) 측에 냉방을 공급한 후에, 상기 축열조(30) 측으로 복귀하는 과정에서 환수의 일부가 상기 제3 제어밸브(26)를 통해 우회되어 상기 제2 열교환기(13)에서 열교환을 통해 냉각된 상태로 상기 제4 제어밸브(27)를 통해 다시 상기 물대물 열교환기(31) 측으로 공급되고, 나머지 환수는 상기 제1 제어밸브(24)를 통해 우회되어 상기 제1 열교환기(12)에서 열교환에 의해 가온된 상태로 상기 제2 제어밸브(25)를 통해 상기 축열조(30)로 복귀하도록 된 것을 특징으로 하는 대온도차 수축열시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 열교환기(12)와 제3 열교환기(14)에는 상기 열원(S)과는 다른 냉각열원(C)이 추가로 연결되며;
    상기 제1 열교환기(12)는 냉방운전시에 상기 제3 열교환기(14) 대신에 응축기로 작동되거나 상기 제1 열교환기(12)에 대해 추가적인 응축기로 작동되어 상기 냉각열원(C)과의 열교환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 대온도차 수축열시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 냉각열원(C)은 냉각열원라인(41)에 의해 상기 제1 열교환기(12) 또는 제3 열교환기(14)에 연결되되, 상기 냉각열원라인(41) 상에 직결되는 냉각탑(C1)이나 상기 냉각열원라인(41) 상에 구비되는 다른 물대물 열교환기(43)와의 열교환이 이루어지도록 연결된 급수탱크(C2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 대온도차 수축열시스템.
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