KR101871198B1 - 해수열 이용 냉난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 해수를 히트펌프의 열원으로 사용하여 냉·온수를 생산하고 건물 냉난방에 필요한 열량을 공급하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 해수를 자연 여과 방식으로 집수하여 동력이 절감되고 안정적이며, CO₂ 배출이 적어 친환경적인 해수열 이용 냉난방시스템에 관한 것이다.
본 발명은 「집수정에 저장된 해수를 펌핑하여 히트펌프의 열원으로 사용하고, 열교환에 사용된 해수는 다시 바다로 배출되도록 구성된 해수열 이용 냉난방 시스템으로서, 바다에서부터 모래와 자갈로 이루어진 여과층을 통해 상기 집수정의 해수면 아래 부위를 관통하도록 설치되어 해수가 상기 집수정에 유입되는 관로를 제공하며, 상기 관로에는 다수의 타공이 형성되어 있어, 해수가 상기 타공을 통해 상기 관로에 유입되도록 구성된 취수관; 상기 집수정의 수위를 체크하고, 체크된 수위가 설정된 기준 미만일 경우 알람신호를 발생시키는 수위계; 상기 취수관의 상기 집수정 인입 부위에 연통하도록 설치된 역세주입관; 상기 역세주입관에 고압의 물 또는 공기를 주입하는 세척장치; 및 상기 알람신호를 수신한 경우 상기 세척장치를 구동시켜 상기 취수관 내부에서 외부 방향으로 역세척이 이루어지도록 하는 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 해수열 이용 냉난방 시스템」을 제공한다.

Description

해수열 이용 냉난방 시스템{Cooling-Heating system using seawater heat source}

본 발명은 해수를 히트펌프의 열원으로 사용하여 냉·온수를 생산하고 건물 냉난방에 필요한 열량을 공급하는 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 해수를 자연 여과 방식으로 집수하여 동력이 절감되고 안정적이며, CO₂ 배출이 적어 친환경적인 해수열을 이용한 냉난방시스템에 관한 것이다.

화석연료는 대기 환경에 부정적인 영향을 미치며, 화석연료가 점차 고갈되는 것 자체도 문제이다. 따라서 다양한 신재생에너지 활용이 필요하며, 수열을 에너지원으로 사용하여 건물 냉난방에 활용하는 것도 신재생에너지 활용의 좋은 예이다.

히트펌프는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방장치로, 신재생에너지 보급 정책에 따라 지열, 수열을 이용하는 냉·온열 생산장치로 널리 사용되고 있다. 특히 터보히트펌프는 소형 제품 보다 성능이 우수하여 해수 냉난방에 적합하다.

물(해수, 하천수 등)을 히트펌프의 열원으로 이용하는 경우, 대기 온도보다 낮은 수온의 물은 냉방에 활용하고, 대기 온도보다 높은 수온의 물은 난방에 활용할 수 있으므로 수열은 히트펌프의 열원으로 아주 우수하다.

물(해수, 하천수)을 히트펌프의 열원으로 사용하기 위해서는 물의 수질이나 물성의 영향을 받지 않고 히트펌프 유지관리가 용이하도록 여과기와 열교환기를 설치할 필요가 있는데, 해수를 사용해야 하는 경우는 부식성이 없는 재질로 열교환기를 제작해야한다.

또한, 수열을 이용하는 시스템에서 취수시설은 매우 중요하고 설계 유량의 확보를 위한 점검 및 관리방안이 필요하다. 열교환에 사용되는 물에 대한 여과기를 설치함으로써 열교환기 판에 생물 등의 이물질이 붙어 열교환 효율이 저하되는 것을 방지할 수 있으나 여과기 유지관리 및 운영에 동력이 소요된다.

해수를 이용하고자 하는 경우는 모래 및 자갈층이 잘 형성된 곳에 많은 타공이 형성된 취수관을 매설함으로써 자연적인 여과가 이루어지도록 할 수 있다. 모래 및 자갈층이 잘 발달되지 않은 경우에는 상기 취수관이 매설되는 곳을 모래 및 자갈로 치환하여 시공한다. 다만, 이러한 자연 여과 방식을 적용하는 경우에는 시간이 지남에 따라 상기 취수관의 타공이 막혀 필요 유량을 공급하지 못해 수열 냉난방 시스템을 운영하지 못하거나 성능을 저하시키는 문제가 있다. 또한 집수정 바닥에 침전물이 퇴적되어 집수정의 용량이 줄어들거나, 상기 침전물이 해수펌프를 통해 열교환기로 유입될 수 있다.

또한 냉난방에 사용된 해수는 배수관을 통해 다시 바다로 배출되는데, 배수구가 막히거나 해조류 등이 붙어 배수를 방해할 수 있고, 배수 유속이 센 경우 해변의 백사장 등을 파헤쳐 주변 생물들의 생장을 방해할 수 있으므로 배수 유속을 저감시키고 주위에 빠르게 확산되도록 하는 조치가 필요하다.

1. 등록특허 10-1156465 "해양표층수와 해양심층수를 이용한 히트펌프 냉,난방 장치 및 작동방법" 2. 등록특허 10-0782359 "해수 집수시설 및 그의 시공방법" 3. 등록특허 10-1551911 "해변여과정을 이용한 건물용 냉난방 시스템" 4. 등록특허 10-1273517 "반만액식 패키지형 열 펌프 유닛장치를 이용한 해수 열원 히트펌프시스템"

본 발명은 해수열 이용 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 해수를 자연여과 방법으로 설계된 유량에 맞추어 안정적이고 지속적으로 공급할 수 있도록 취수관 및 집수정 세척수단을 구비하고, 열교환 후 배수되는 물이 주변 환경에 주는 영향을 최소화할 수 있도록 하는 해수열 이용 냉난방 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.

해수를 취수하는 취수관의 타공은 계속적인 사용에 따라 이물질의 유입으로 막힐 수 있다. 본 발명은 집수정의 수위가 일정 이하로 떨어지면 상기 타공이 막혀 해수 유입량이 저하된 것으로 판단하여 고압의 물 또는 공기를 상기 취수관에 역세척 방식으로 주입하여 타공에 막힌 이물질을 제거하고 모래 및 자갈로 이루어진 자연여과층에 고착된 미세 입자들을 제거하여 통기성을 증가시켜 필요한 유량을 확보하도록 하였다.

이에 본 발명은 「집수정에 저장된 해수를 펌핑하여 히트펌프의 열원으로 사용하고, 열교환에 사용된 해수는 다시 바다로 배출되도록 구성된 해수열 이용 냉난방 시스템으로서, 바다에서부터 모래와 자갈로 이루어진 여과층을 통해 상기 집수정의 해수면 아래 부위를 관통하도록 설치되어 해수가 상기 집수정에 유입되는 관로를 제공하며, 상기 관로에는 다수의 타공이 형성되어 있어, 해수가 상기 타공을 통해 상기 관로에 유입되도록 구성된 취수관; 상기 집수정의 수위를 체크하고, 체크된 수위가 설정된 기준 미만일 경우 알람신호를 발생시키는 수위계; 상기 취수관의 상기 집수정 인입 부위에 연통하도록 설치된 역세주입관; 상기 역세주입관에 고압의 물 또는 공기를 주입하는 세척장치; 및 상기 알람신호를 수신한 경우 상기 세척장치를 구동시켜 상기 취수관 내부에서 외부 방향으로 역세척이 이루어지도록 하는 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 해수열 이용 냉난방 시스템」을 제공한다.

또한, 해수열 이용 냉난방 시스템의 장기적인 운전에 의해 집수정 바닥에는 상기 취수관의 타공을 통해 미세 입자들이 유입되어 침전된다. 따라서, 이를 정기적으로 쉽게 배출시켜 열교환기에 영향을 주는 것을 방지하여야 한다.

이에 본 발명은 「상기 집수정 바닥에 배관되어 있으며 관로에 다수의 홀이 형성된 세척관;을 더 포함하여 구성되고, 상기 제어부의 통제에 따라 상기 세척장치에 의해 상기 세척관에 고압의 물 또는 공기가 주입되어, 집수정 바닥 침전물이 부유하도록 하며, 집수정에 저장된 해수를 펌핑하는 해수펌프가 부유하는 침전물을 흡입하여 상기 집수정 외부로 배출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 해수열 이용 냉난방 시스템」을 함께 제공한다.

또한, 열교환 후 배출되는 물이 주위 환경에 미치는 영향을 최소화해야 한다.

이에 본 발명은 「열교환에 사용된 해수가 바다로 배출되는 관로를 제공하고, 말단부는 2중관 구조로서 내·외관에 모두 다수의 타공이 형성되어 있으며, 상기 내관과 외관의 사이에는 상기 타공의 직경보다 큰 입도로 이루어진 여과재가 채워져 있는 배수관; 을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 해수열 이용 냉난방 시스템」을 함께 제공한다.

상기 배수관의 말단을 2중관 구조로 구성하고, 내관과 외관 사이에 여과재를 채움으로써 열교환에 사용된 해수가 내관 타공 - 여과재 - 외관 타공을 거쳐 확산되는 방식으로 배출되며, 이에 따라 열교환 후 배출되는 물이 바다 생태계 환경에 미치는 영향이 최소화된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 발명이 제공하는 수열 냉난방 시스템은 해수를 히트펌프의 열원으로 사용하여 건물 냉난방에 필요한 열량을 공급하는 것으로, CO₂ 배출이 적어 친환경적이다.

또한, 자연여과 방식으로 해수를 여과한 후 집수하고, 취수관의 타공을 막는 이물질은 역세척 방식으로 제거할 수 있고, 집수정 바닥에 쌓인 침전물은 물이나 공기의 주입으로 부유시킨 후 흡입하여 배출하도록 구성되어 있어 세척이 간편하다.

또한, 열교환에 사용된 후 배수되는 물은 배수관에 채워진 여과재 및 배수관의 타공을 통해 외부로 확산되는 방식으로 배출되므로 배수되는 물이 주변 환경에 미치는 영향이 적다.

[도 1]은 본 발명에 따른 해수열 이용 냉난방 시스템의 전체적 구성을 나타낸 모식도이다.
[도 2]는 본 발명의 집수정 및 본 역세척 계통의 구조를 나타낸 모식도이다.
[도 3]은 본 발명의 역세 시점을 알리는 알고리즘을 나타낸 것이다.
[도 4]는 집수정과 해수펌프실의 구조의 모식도이다.
[도 5]는 배수관의 상세도이다.

본 발명은 「집수정에 저장된 해수를 펌핑하여 히트펌프의 열원으로 사용하고, 열교환에 사용된 해수는 다시 바다로 배출되도록 구성된 해수열 이용 냉난방 시스템으로서, 바다에서부터 모래와 자갈로 이루어진 여과층을 통해 상기 집수정의 해수면 아래 부위를 관통하도록 설치되어 해수가 상기 집수정에 유입되는 관로를 제공하며, 상기 관로에는 다수의 타공이 형성되어 있어, 해수가 상기 타공을 통해 상기 관로에 유입되도록 구성된 취수관; 상기 집수정의 수위를 체크하고, 체크된 수위가 설정된 기준 미만일 경우 알람신호를 발생시키는 수위계; 상기 취수관의 상기 집수정 인입 부위에 연통하도록 설치된 역세주입관; 상기 역세주입관에 고압의 물 또는 공기를 주입하는 세척장치; 및 상기 알람신호를 수신한 경우 상기 세척장치를 구동시켜 상기 취수관 내부에서 외부 방향으로 역세척이 이루어지도록 하는 제어부; 를 포함하여 구성된 것을 특징으로 해수열 이용 냉난방 시스템」을 제공한다.

이하에서는 첨부된 도면과 함께 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 [도 1]에 도시된 바와 같이 집수정(10)에 집수된 해수를 펌핑하여 열교환기(40)에서 건물 냉난방에 이용되는 타 유체(물)과 열교환을 한 후 상기 해수는 다시 바다로 배출되고, 상기 해수의 열은 히트펌프(30)를 통해 건물 냉난방에 이용되도록 구성된 해수열 이용 냉난방 시스템에 관한 것이다. 상기 히트펌프(30)로는 터보히트펌프를 적용함으로써 해수열 이용 냉난방 시스템의 효율을 높일 수 있다.

상기 집수정(10)은 지중(地中)에 해수면 아래쪽에 위치하도록 매립되며, 상기 취수관(20)은 바다에서부터 모래와 자갈로 이루어진 여과층을 통해 상기 집수정(10)의 해수면 아래 부위를 관통하도록 설치되어 해수가 상기 집수정(10)에 유입되는 관로를 제공한다. 상기 취수관(20)의 관로에는 다수의 타공이 형성되어 있어, 해수가 상기 타공을 통해 상기 관로에 유입된다. 이에 따라 상기 여과층에 스며든 해수가 자연 여과되면서 상기 타공을 통해 취수관으로 유입되어 상기 집수정(10)에 저수된다. 상기 취수관(20)은 모래, 자갈층을 통과해야 하므로 부식에 강한 금속재질을 사용하고 전체적으로 타공을 형성시키는 것이 해수의 취수 및 유동에 유리할 수 있다. 상기 취수관(20)은 다수개 설치할 수 있다.

상기 수위계(15)는 [도 2]에 도시된 바와 같이 상기 집수정(10)의 수위를 체크하도록 구성된 것인데, 본 발명에서는 체크된 수위가 설정된 기준 미만일 경우 알람신호를 발생시키도록 구성된 것이 특징이다. 상기 집수정(10)에 유입되는 해수의 유량이 부족한 경우 집수정(10) 내의 수위가 설정된 기준 미만이 되는데, 이물질에 의해 상기 취수관(20)의 타공이 막히거나 상기 취수관(20)의 배관 지점 주변의 여과재(모래 및 자갈)에 이물질이 많이 끼여 있는 경우 해수 유입량이 줄어 집수정 내의 수위가 저하된다. 이에 따라 본 발명에서는 집수정(10) 내의 수위가 설정된 기준 미만일 경우 알람신호가 발생하도록 하고, 제어부(미도시)가 상기 알람신호를 수신한 경우 세척장치를 구동시켜 상기 취수관(20)을 내부에서 외부방향으로 세척하는 역세척이 이루어지도록 구성되어 있다.

본 발명에 적용되는 역세척 계통의 구조의 모식도는 [도 2]에 나타나 있다. 상기 취수관(20)의 상기 집수정(10) 인입 부위에는 역세주입관(25)이 연통하도록 설치되어 있으며, 상기 역세주입관(25)에 고압의 물 또는 공기를 주입하는 세척장치(미도시)가 구비되어 있다. 상기 취수관(20)의 상기 집수정 인입 부위 말단에는 개폐밸브(26)를 설치하고, 상기 세척장치 구동시에는 상기 개폐밸브(26)가 폐쇄되도록 함으로써 상기 취수관(20) 내부의 역세척 압력을 높일 수 있다.

[도 3]은 본 발명의 역세 시점을 알리는 알고리즘을 나타낸 것이다.

상기 수위계(15)에서 집수정(10) 내 수위를 상시 체크하여 집수정 내 수위가 설정된 기준 이상의 안정 수위인 경우 상기 제어부(미도시)는 해수열 이용 냉난방 시스템을 지속적으로 운전한다.

상기 집수정(10) 내 수위가 설정된 기준 미만인 경우에는 상기 알람신호를 수신한 제어부(미도시)가 상기 해수열 이용 냉난방 시스템의 운전을 중단시키고, 상기 세척장치(미도시)를 구동시켜 상기 취수관(20)을 내부에서 외부방향으로 세척하는 역세척이 이루어지도록 한다. 이러한 역세척을 일정 시간 지속시킴으로써 취수관(20)의 타공을 막는 이물질이나 취수관 주변 여과재 사이에 낀 이물질이 제거되면 다시 해수의 유입이 원활해지고 집수정 내 수위가 상승하게 된다. 상기 역세척 이후 일정시간 내로 상기 집수정 내 수위가 설정된 기준에 도달하지 못하면 상기 제어부는 다시 상기 세척장치를 구동시킨다.

해수의 열교환 및 히트펌프에 의한 해수열 이용 냉난방 시스템은 상기 역세척 작업이 이루어지는 동안에 일시적으로 중단되도록 구성할 수 있으며, 상기 역세척 작업과 무관하게 지속적으로 운전되도록 구성할 수도 있다.

[도 4]는 집수정과 해수펌프실의 구조의 모식도이며, 상기 집수정 바닥의 침전물을 청소하기 위한 세척관(27)이 도시되어 있다. 해수열 이용 냉난방 시스템의 장기적인 운전에 의해 집수정 바닥에는 상기 취수관(20)의 타공을 통해 미세 입자들이 유입되어 침전된다. 따라서, 이를 정기적으로 쉽게 배출시켜 열교환기에 영향을 주는 것을 방지하여야 한다.

이에 본 발명은 「상기 집수정 바닥에 배관되어 있으며 관로에 다수의 홀이 형성된 세척관(27);을 더 포함하여 구성되고, 상기 제어부(미도시)의 통제에 따라 상기 세척장치에 의해 상기 세척관(27)에 고압의 물 또는 공기가 주입되어, 집수정(10) 바닥 침전물이 부유하도록 하며, 집수정에 저장된 해수를 펌핑하는 해수펌프(55)가 부유하는 침전물을 흡입하여 상기 집수정 외부로 배출하도록 구성된 것을 특징으로 하는 해수열 이용 냉난방 시스템」을 함께 제공한다.

구체적으로, 상기 해수펌프(55)가 침전물을 흡입할 때에는 상기 열교환기(40)와 연통된 관로는 차단하고, 상기 침전물을 해수펌프실(50) 외부로 배출시키는 별도의 관로를 개방시킴으로써 상기 침전물이 열교환기(40)로 유입되는 것을 차단할 수 있다.

전술한 바와 같이 상기 세척관에 물이나 공기를 주입하는 세척장치로는 상기 역세척 계통에 적용된 세척장치를 적용할 수 있다.

상기 흡입-배출장치는 상기 세척관의 상부에 설치되어 흡입력을 제공함으로써 부유한 침전물을 곧바로 흡입하여 집수정 외부로 배출시킬 수 있도록 구성된 장치이다.

한편, 상기 집수정(10)에 저장된 해수를 펌핑하여 상기 히트펌프의 열원으로 공급하는 해수펌프와 연결된 해수공급관(60)은 [도 4]에 도시된 바와 같이 흡입구가 상기 집수정의 정상 수위보다 낮은 곳에 설치되어 해수 흡입시 상기 해수공급관(60)에 공기가 유입되지 않도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 열교환 후 배출되는 물이 주위 환경에 미치는 영향을 최소화해야 한다.

이에 본 발명은 「열교환에 사용된 해수가 바다로 배출되는 관로를 제공하고, 말단부는 2중관 구조로서 내·외관(71, 72)에 모두 다수의 타공이 형성되어 있으며, 상기 내관(71)과 외관(72)의 사이에는 상기 타공의 직경보다 큰 입도로 이루어진 모래, 자갈 등의 여과재(73)가 채워져 있는 배수관(70); 을 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 해수열 이용 냉난방 시스템」을 함께 제공한다.

상기 배수관(70)의 말단부를 2중관 구조로 구성함으로써 열교환에 사용된 물은 내관 타공 - 여과재 - 외관 타공을 거쳐 확산되는 방식으로 배출된다. 이에 따라 열교환 후의 배출수가 바다 환경에 미치는 영향이 최소화되며, 외부의 모래, 생물 등이 배수관 내로 들어가지 않게 된다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10 : 집수정 15 : 수위계
20 : 취수관 25 : 역세주입관
26 : 개폐밸브 27 : 세척관
30 : 히트펌프 40 : 열교환기
50 : 해수펌프실 55 : 해수펌프
60 : 해수공급관 65 : 해수펌프실 배수 배관
70 : 배수관 71 : 내관
72 : 외관 73 : 여과재

Claims (3)

1. 집수정에 저장된 해수를 펌핑하여 히트펌프의 열원으로 사용하고, 열교환에 사용된 해수는 다시 바다로 배출되도록 구성된 해수열 이용 냉난방 시스템으로서,
   바다에서부터 모래와 자갈로 이루어진 여과층을 통해 상기 집수정의 해수면 아래 부위를 관통하도록 설치되어 해수가 상기 집수정에 유입되는 관로를 제공하며, 상기 관로에는 다수의 타공이 형성되어 있어, 해수가 상기 타공을 통해 상기 관로에 유입되도록 구성된 취수관;
   상기 집수정의 수위를 체크하고, 체크된 수위가 설정된 기준 미만일 경우 알람신호를 발생시키는 수위계;
   상기 취수관의 상기 집수정 인입 부위에 연통하도록 설치된 역세주입관;
   상기 집수정 바닥에 배관되어 있으며 관로에 다수의 홀이 형성된 세척관;
   상기 역세주입관에 고압의 물 또는 공기를 주입하는 세척장치;
   열교환에 사용된 해수가 바다로 배출되는 관로를 제공하고, 말단부는 2중관 구조로서 내·외관에 모두 다수의 타공이 형성되어 있으며, 상기 내관과 외관의 사이에는 상기 타공의 직경보다 큰 입도로 이루어진 여과재가 채워져 있는 배수관; 및
   상기 알람신호를 수신한 경우 상기 세척장치를 구동시켜 상기 취수관 내부에서 외부 방향으로 역세척이 이루어지도록 하고, 역세척 이후 일정시간 내로 상기 집수정 내 수위가 설정된 기준에 도달하지 못하면 상기 세척장치를 재구동시키는 제어부; 를 포함하여 구성되고,
   상기 제어부의 통제에 따라 상기 세척장치에 의해 상기 세척관에 고압의 물 또는 공기가 주입되어, 집수정 바닥 침전물이 부유하도록 하며,
   해수펌프실 내에 배치된 해수펌프가 집수정에 저장된 해수를 펌핑하여 부유하는 침전물을 흡입할 때에는 상기 해수펌프실에서 열교환기와 연통된 관로는 차단하고 상기 해수펌프실 외부로 배출시키는 별도의 관로를 개방시킴으로써, 상기 침전물이 열교환기로 유입되는 것을 차단시킨 상태에서 상기 집수정 외부로 배출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 해수열 이용 냉난방 시스템.
   
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