KR102168624B1 - 국부 냉각 시스템과 국부 가열 시스템 사이의 열 전달을 제어하기 위한 방법 - Google Patents

국부 냉각 시스템과 국부 가열 시스템 사이의 열 전달을 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 국부 냉각 시스템과 국부 가열 시스템 사이의 열 전달을 제어하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은 상기 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성(LCC1, LCC2)을 결정하는 단계; 상기 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성(LHC1, LHC2)을 결정하는 단계; 상기 국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성(LCC1, LCC2) 및 상기 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성(LHC1, LHC2)에 기초하여, 상기 국부 냉각 시스템과 상기 국부 가열 시스템 사이에 연결되고 상기 국부 냉각 시스템으로부터 상기 국부 가열 시스템으로 열을 전달하도록 구성된 열 펌프(50, 50')를 제어하는 단계를 포함한다.

Description

국부 냉각 시스템과 국부 가열 시스템 사이의 열 전달을 제어하기 위한 방법
본 발명은 국부 냉각 시스템(local cooling system)과 국부 가열 시스템(local heating system) 사이의 열 전달을 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
세계의 거의 모든 대형 개발 도시에는 기반 시설에 적어도 두 가지 유형의 에너지 분배 그리드들(energy distribution grids)이 있다: 하나는 가열(heating)을 제공하기 위한 그리드이고 다른 하나는 냉각을 제공하기 위한 그리드이다. 가열을 제공하기 위한 그리드는 예를 들어, 쾌적한 및/또는 가공처리한 가열(comfort and/or process heating), 및/또는 온수 제조를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 냉각을 제공하기 위한 그리드는 예를 들어, 쾌적한 및/또는 가공처리한 냉각을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
가열을 제공하기 위한 일반적인 그리드는 통상적으로 화석 연료 가스(fossil fuel gas)인 가연성 가스(burnable gas)를 제공하는 가스 그리드(gas grid)이다. 가스 그리드에 의해 제공된 가스는 쾌적한 및/또는 가공처리한 가열, 및/또는 온수 제조를 제공하기 위해 건물에서 국부적으로 연소된다. 가열을 제공하기 위한 또 다른 그리드는 지역 가열 그리드(district heating grid)이다. 지역 가열 그리드는 일반적으로 물의 형태로 가열된 열 전달 액체(heat transfer liquid)를 도시의 건물들에 제공하기 위해 사용된다. 중앙에 배치된 가열 및 펌핑 플랜트(heating and pumping plant)는 열 전달 액체를 가열 및 분배하기 위해 사용된다. 열 전달 액체는 하나 이상의 공급 도관(feed conduits)을 통해 도시의 건물들로 전달되고, 하나 이상의 복귀 도관(return conduits)을 통해 가열 및 펌핑 플랜트로 복귀된다. 국부적으로 건물에서, 열 전달 액체로부터의 열은 열 교환기(heat exchanger)를 통해 추출된다. 또한, 전기 에너지 그리드(electrical energy grid)의 전기 에너지는 가열에 사용될 수 있다. 전기 에너지는 예를 들어, 수돗물을 가열하거나 쾌적한 및/또는 가공처리한 가열을 위해 사용되는 국부 열 전달 액체(local heat transfer liquid)를 가열하기 위해 사용될 수 있다.
냉각을 제공하기 위한 일반적인 그리드는 전기 에너지 그리드이다. 전기 에너지는 예를 들면, 냉장고 또는 냉동고를 운행하기 위해 사용될 수 있다. 전기 에너지는 쾌적한 냉각을 제공하기 위한 에어 컨디셔너(air conditioners)를 운행하기 위해 사용될 수 있다. 냉각을 제공하기 위한 또 다른 그리드는 지역 냉각 그리드이다. 지역 냉각 그리드는 일반적으로 물의 형태로 냉각된 열 전달 액체를 도시의 건물들에 제공하기 위해 사용된다. 중앙에 배치된 냉각 및 펌핑 플랜트는 열 전달 액체를 냉각 및 분배하기 위해 사용된다. 열 전달 액체는 하나 이상의 공급 도관들을 통해 도시의 건물들로 전달되고, 하나 이상의 복귀 도관들을 통해 냉각 및 펌핑 플랜트로 복귀된다. 국부적으로 건물에서, 열 전달 액체로부터의 냉기(cold)는 열 교환기를 통해 추출된다.
가열 및/또는 냉각을 위한 에너지의 사용은 꾸준히 증가하여, 환경에 부정적 영향을 미친다. 에너지 분배 그리드들에 분배된 에너지의 이용을 향상시킴으로써, 환경에 대한 부정적인 영향이 감소될 수 있다. 따라서, 에너지 분배 그리드들에 분배된 에너지의 이용을 개선할 필요가 있다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점들 중 적어도 일부를 해결하는 것이다.
제1 측면에 따르면, 국부 냉각 시스템과 국부 가열 시스템 사이의 열 전달을 제어하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은,
상기 국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성(local energy consumption need)을 결정하는 단계;
상기 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성을 결정하는 단계;
상기 국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성 및 상기 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성에 기초하여, 상기 국부 냉각 시스템과 상기 국부 가열 시스템 사이에 연결되고 상기 국부 냉각 시스템으로부터 상기 국부 가열 시스템으로 열을 전달하도록 구성된 열 펌프(heat pump)를 제어하는 단계를 포함한다.
우선, 국부 냉각 시스템과 국부 가열 시스템 사이에 열 펌프를 연결하고, 국부 냉각 시스템으로부터 국부 가열 시스템으로 열을 전달하도록 열 펌프를 구성함으로써 전체 에너지 소비를 감소시키는 것이 가능해진다. 열 펌프의 성능의 계수(COP; coefficient of performance)는 즉 주어진 에너지 입력, 일반적으로 전력의 경우 일반적으로 4 내지 5 범위이며, 열 펌프는 냉각 시스템으로부터 가열 시스템으로 열을 이동(moving)시키는 형태로 이 에너지 입력을 4 내지 5 배 이동시킬 수 있다. 따라서, 냉각 및 가열에 대한 동시 필요성이 있는 기간 동안, 일정량의 에너지가 전체 이득에 비해 낮은 에너지 입력에서 냉각 시스템으로부터 가열 시스템으로 열 펌프에 의해 전달될 수 있다. 냉각 시스템으로부터 열을 제거함으로써, 냉각 시스템은 국부 냉각 시스템의 더 낮은 국부 에너지 소비 필요성에서 국부 냉각 필요성을 충족시킬 수 있다. 예를 들어, 국부 냉각 시스템이 냉각 그리드에 연결되면, 열의 일부가 열 펌프에 의해 제거되므로 국부 냉각 시스템은 국부 냉각 그리드로부터 국부 냉각 필요성의 전부를 끌어낼(draw) 필요가 없다. 또한, 가열 시스템에 열을 전달함으로써, 가열 시스템은 국부 가열 시스템의 더 낮은 국부 에너지 소비 필요성에서 국부 가열 필요성을 충족시킬 수 있다. 예를 들어 국부 가열 시스템이 가열 그리드(heating grid)에 연결되면, 국부 가열 시스템은 열의 일부가 열 펌프에 의해 제공되므로 국부 가열 시스템은 국부 가열 그리드로부터 국부 가열 필요성의 전부를 끌어낼 필요가 없다.
열 펌프는 에너지 입력을 필요로 하기 때문에 원하는 에너지 절약을 달성하기 위하여 적절하게 제어되어야 한다. 이것은 요약하면, 상기 국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성을 결정하는 단계; 상기 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성을 결정하는 단계; 및 상기 국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성 및 상기 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성에 기초하여, 상기 열 펌프를 제어하는 단계에 의해 수행된다. 국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성을 결정하는 단계에 의해, 국부 냉각 시스템으로부터 끌어낼 수 있는 최대 가용 열이 설정된다. 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성을 결정하는 단계에 의해, 국부 가열 시스템으로 유용하게 전달될 수 있는 최대 가용 열이 설정된다. 끌어낸 에너지 및 전달된 에너지가 이들 한계 내에 있도록 열 펌프를 제어함으로써, 효율적이고 유용한 에너지 전달이 달성된다.
하나 또는 그 이상의 시스템들이 열이나 냉기를 저장할 수 있는 경우 국부 에너지 소비 필요성들이 반드시 엄격하게 동시에 필요하지는 않음을 알 수 있다. 냉각 시스템으로부터의 열은 예를 들어, 온수 저장 탱크 또는 수영장으로 전달될 수 있다. 열이나 냉기를 저장할 수 있는 개체가 열을 받거나 열을 끌어낼 수 있는 한, 국부 에너지 소비 필요성이 존재함이 여전히 고려될 수 있다.
이 방법은 국부 에너지 소비 및 전체 에너지 소비 모두에 이점을 제공한다. 국부(Local)는 냉각 시스템과 가열 시스템 사이에 열 펌프를 설치하는 것이 합리적이도록 두 시스템들이 서로 적당한 거리 내에 설치되어 있는 건물(building) 또는 건물 단지(building complex)로 주로 해석되는 것으로 의도된다.
상기 국부 가열 시스템은,
제1 온도를 갖는 열 전달 유체(heat transfer fluid)의 유입 흐름(incoming flow)을 위한 공급 도관, 및
제2 온도를 갖는 열 전달 유체의 복귀 흐름(return flow)을 위한 복귀 도관 -상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 더 낮음 -을 갖는 가열 회로(heating circuit)를 포함할 수 있다.
상기 국부 냉각 시스템은,
제3 온도를 갖는 열 전달 유체의 유입 흐름을 위한 공급 도관, 및
제4 온도를 갖는 열 전달 유체의 복귀 흐름을 위한 복귀 도관 - 상기 제4 온도는 상기 제3 온도보다 더 높음 -을 갖는 냉각 회로(cooling circuit)를 포함할 수 있다.
상기 제4 온도는 상기 제2 온도보다 더 낮을 수 있다. 상기 열 펌프는 상기 국부 냉각 시스템 및 상기 국부 가열 시스템에 연결될 수 있다.
국부 냉각 시스템과 국부 가열 시스템 사이의 열 전달을 제어하는 방법은 또한 가열, 냉각 및/또는 전력 그리드들의 필요성과 용량의 균형을 맞추기 위한 보조 장치(aid)로서 사용될 수 있다. 이는 가열 제어 파라미터, 냉각 제어 파라미터 및/또는 전력 제어 파라미터를 도입함으로써 제어 방법에서 수행될 수 있다.
상기 방법은 가열 제어 파라미터(heating control parameter)를 도입하고, 상기 국부 가열 시스템들이 연결된 가열 그리드(heating grid)의 전체 가용 가열 용량(overall available heating capacity)에 관련하여 복수의 국부 가열 시스템들의 전체 가열 소비 필요성을 나타내는 값을 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 열 펌프를 제어하는 단계는 또한 상기 가열 제어 파라미터의 값에 기초한다.
상기 방법은 냉각 제어 파라미터(cooling control parameter)를 도입하고, 상기 국부 냉각 시스템들이 연결되는 냉각 그리드(cooling grid)의 전체 가용 냉각 용량(overall available cooling capacity)에 관련하여 복수의 국부 냉각 시스템들의 전체 냉각 소비 필요성을 나타내는 값을 결정하는 단계를 더 포함하고, 상기 열 펌프를 제어하는 단계는 또한 상기 냉각 제어 파라미터의 값에 기초한다.
상기 방법은 전력 제어 파라미터(electric power control parameter)를 도입하고, 상기 열 펌프가 연결된 전기 그리드(electric grid)의 전체 가용 전력(overall available electrical power)에 관련하여 전체 전력 필요성(overall electrical power need)을 나타내는 값을 결정하는 단계를 포함하고, 상기 열 펌프를 제어하는 단계는 또한 상기 전력 제어 파라미터의 값에 기초한다.
이 제어 파라미터들 중 하나 이상을 도입하고 그 값들을 결정한 다음, 이 값들에 기초하여 열 펌프를 제어함으로써, 하나 이상의 건물들의 국부 냉각 시스템, 국부 가열 시스템 및/또는 열 펌프를 사용하여 전체 가용 용량/전력 대비 전체 필요성(들) 간의 불균형을 보상하는 것이 가능하다. 예를 들어, 냉각 용량에 대한 전체 요구가 비교적 높으면, 국부 가열 시스템에서 이 모든 에너지가 실제로 필요하지 않지만, 국부 시스템은 국부 냉각 시스템으로부터 국부 가열 시스템으로 필요한 냉각 에너지의 전부를 전달하는 대신 냉각 그리드로부터 임의의 냉각 용량을 끌어오지 않아도 될 정도로 열 펌프가 운행되는 이점이 있다. 그런 다음 열은 수돗물 탱크 또는 수영장에 국부적으로 저장될 수 있다. 냉각 그리드에 국부 릴리프(local relief)가 제공되는 한, 열의 일부가 국부 가열 시스템으로부터 빠져나가도록(escape) 허용하는 것을 단기적으로도 유리하게 할 수 있다. 동일한 냉각 그리드 및/또는 가열 그리드 및 전기 그리드에 연결된 복수의 건물들에 이를 제공함으로써, 보다 많은 수의 건물들을 특정 용량의 그리드에 연결하여, 상이한 사용자들에 대한 냉각 및 가열 필요성의 더 큰 변화들을 허용하고, 냉각 용량, 가열 에너지 및/또는 전기 에너지의 보다 많은 간헐적인 생산(intermittent production)을 허용하는 것이 가능하다.
제어 파라미터들은 전체 필요성과 사용 가능한 용량 사이의 관계 이외의 다른 요소들을 고려하는 데 사용될 수도 있다. 파라미터들은 냉각 용량, 난방 에너지 및 전기 에너지의 생산의 환경적 영향을 고려할 수도 있다. 파라미터들은 또한 예측들(predictions)을 고려할 수 있다. 총 가열 필요성이 다른 가열 플랜트(heating plant)를 개시(start-up)하는 것이 거의 필요한 임계점(critical point)에 도달하면, 가열 제어 파라미터는 결정될 수 있고, 실제 경우보다 더 큰 전체 가열 소비 필요성을 나타내도록 설정되며, 이에 따라 열 펌프를 조정하여 냉각 시스템들로부터 에너지의 최대량을 끌어내어 가열 그리드로부터의 가열 용량에 대한 필요성을 줄임으로써 다른 가열 플랜트의 개시를 피할 수 있다. 제어 파라미터들은 에너지량 당 가격(price per energy amount)으로 표현될 수 있다. 제어 파라미터들은 에너지량(energy amount)에 직접적인 관계가 없는 숫자 인덱스 값(numerical index value)으로 표현될 수 있다.
또한, 전체 그리드들의 균형을 맞추기 위해 국부 시스템이 실행될 때, 국부 소비 필요성의 결정은 시스템이 냉각/가열 태스크(cooling/heating task)를 수행해야 하는 실제 필요성이 아니라, 허용 가능한 제한(acceptable limit) 즉, 국부 소비 필요성의 인공적인 값(artificial value)으로 간주될 수 있음을 알 수 있다.
상기 열 펌프는,
열 전달 유체를 순환시키기 위한 제1 회로 및 열 전달 유체를 순환시키기 위한 제2 회로를 갖는 제1 열 교환기(heat exchanger) - 상기 제1 회로는 상기 냉각 회로에 연결된 입구 및 출구를 갖음 -,
열 전달 유체를 순환시키기 위한 제3 회로 및 열 전달 유체를 순환시키기 위한 제4 회로를 갖는 제2 열 교환기 - 상기 제4 회로는 상기 가열 회로에 연결된 입구 및 출구를 갖음 -을 가질 수 있고,
상기 제2 회로 및 상기 제3 회로는 상기 제1 및 제2 열 교환기들의 공통 회로(common circuit)이다.
본원에서 "열 전달 유체"라는 용어는 열 에너지(thermal energy)를 전달하는 능력(ability)을 갖는 유체로 해석되어야 한다. 열 전달 유체는 한 곳으로부터 다른 곳으로 열 에너지를 운반(carry)할 수 있다. 열 전달 유체는 물을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에 따르면, 다른 열 전달 유체들이 사용될 수 있다. 일부 비 제한적인 예시들은 암모니아(ammonia), 부동액(anti-freezing liquids)(예를 들어, 글리콜(glycol)), 오일 및 알콜이다. 열 전달 유체는 또한 전술한 2 개 이상의 열 전달 유체들의 혼합물을 포함할 수 있다.
이는 냉각 회로에서 열 전달 유체에 의해 흡수된 열을 허용하고, 흡수된 열은 통상적으로 예를 들어 지역 냉각 그리드를 통해 건물로부터 운반되거나 또는 통상적으로 예를 들어 냉각 컬럼들(cooling columns)을 사용하여 환경으로 방출되어, 가열 회로의 열 전달 유체를 가열하기 위해 재사용된다. 따라서, 냉각 회로에서 건물로부터 열을 추출하는 필요성은 지역 가열 그리드를 통해 건물에 열을 제공할 필요성과 동시에 더 낮아지거나 가스 그리드는 더 낮아진다. 따라서, 에너지 분배 그리드들에서 분산된 에너지의 개선된 이용이 제공된다.
상기 제1 회로의 입구는 상기 냉각 회로의 복귀 도관에 연결될 수 있다.
상기 제4 회로의 입구는 상기 가열 회로의 복귀 도관에 연결될 수 있다.
제1 회로의 출구는 냉각 회로의 복귀 도관에 연결될 수 있다. 제1 회로의 출구를 냉각 회로의 복귀 도관에 연결함으로써, 열 펌프의 설치는 열 펌프의 제어 시스템에 대한 최소한의 간섭(interference) 및 적응(adaptation)을 유발한다.
제1 회로의 입구는 제1 회로의 출구에 대하여 상류인(upstream) 냉각 회로의 복귀 도관에 연결될 수 있다.
제4 회로의 출구는 가열 회로의 복귀 도관에 연결될 수 있다. 제4 회로의 출구를 가열 회로의 복귀 도관에 연결함으로써, 열 펌프의 설치는 열 펌프의 제어 시스템에 대한 최소한의 간섭 및 적응을 유발한다.
제4 회로의 입구는 제4 회로의 출구에 대하여 상류인 가열 회로의 복귀 도관에 연결될 수 있다.
제1 회로의 출구는 냉각 회로의 복귀 도관에 연결될 수 있다. 제1 회로의 출구를 냉각 회로의 복귀 도관에 연결함으로써, 열 펌프의 설치는 국부 냉각 시스템의 제어 시스템에 대한 최소한의 간섭 및 적응을 유발한다.
제4 회로의 출구는 가열 회로의 복귀 도관에 연결될 수 있다. 제4 회로의 출구를 가열 회로의 복귀 도관에 연결함으로써, 열 펌프의 설치는 국부 가열 시스템의 제어 시스템에 대한 최소한의 간섭 및 적응을 유발한다.
상기 공통 회로는 압축기(compressor)를 포함할 수 있다.
상기 공통 회로는 팽창 밸브(expansion valve)를 포함할 수 있다.
상기 제1 열 교환기는 증발기 열 교환기(evaporator heat exchanger)일 수 있다.
상기 제2 열 교환기는 응축기 열 교환기(condenser heat exchanger)일 수 있다.
본 발명의 또 다른 적용의 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나, 본 발명의 바람직한 실시예들을 나타내는 상세한 설명 및 특정 예시들은 본 발명의 범위 내에서의 다양한 변경 및 변형이 이 상세한 설명으로부터 당업자에게 명백해질 것이기 때문에, 단지 예시로서 주어진 것임을 이해해야 한다.
따라서, 본 발명은 설명된 장치의 특정 구성 요소 부품들 또는 이러한 장치 및 방법이 다양할 수 있는 것으로 설명된 방법들의 단계들로 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용된 용어는 특정 실시예들을 설명하기 위한 것일 뿐이며, 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용된 바와 같이, "일(a)", "일(an)", "상기(the)"및 "상기(said)"라는 문구들은 문맥 상 명확하게 달리 지시하지 않는 한 하나 이상의 요소가 있음을 의미하는 것으로 의도된다. 따라서, 예를 들어, "유닛(a unit)" 또는 "상기 유닛(the unit)"에 대한 언급은 몇몇 장치들 등등을 포함할 수 있다. 또한, "포함하는(comprising)", "포함하는(including)"및 "포함하는(containing)" 등의 단어들은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않는다.
본 발명의 상기 및 다른 측면들은 본 발명의 실시예들을 도시하는 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 도면들은 본 발명을 특정 실시예로 제한하는 것으로 고려되어서는 안된다; 대신에 도면들은 본 발명을 설명하고 이해하기 위해 사용된다.
도면들에 도시된 바와 같이, 층 및 영역의 크기는 설명의 목적으로 과장되어 있으며, 따라서, 본 발명의 실시예들의 일반적인 구조들을 도시하기 위해 제공된다. 동일한 도면 부호들은 동일한 요소들을 지칭한다.
도 1은 일 실시예에 따른 열 전달 시스템의 개략도이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 열 전달 시스템의 개략도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 열 전달 시스템의 개략도이다.
도 4는 다른 실시예에 따른 열 전달 시스템의 개략도이다.
도 5는 복수의 국부 열 전달 시스템들의 개략도이다.
도 6은 방법을 나타내는 개략도이다.
이제, 이하 본 발명의 바람직한 실시예들이 도시된 첨부된 도면을 참조하여 본 발명은 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 상이한 형태들로 구체화될 수 있으며, 여기에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안된다; 오히려, 이들 실시예들은 철저함(thoroughness) 및 완전함(completeness)을 위해 제공되고, 본 발명의 범위를 당업자에게 완전히 전달하기 위해 제공된다.
도 1은 열 전달 시스템(1)을 도시한다. 열 전달 시스템(1)은 가열 회로(30), 냉각 회로(40) 및 열 펌프(50)를 포함한다. 열 전달 시스템은 전형적으로 건물(도시되지 않음)에 설치된다. 도 2 및 도 3은 열 전달 시스템(1)의 다른 실시예들이 도시된다. 상이한 실시예들 사이의 차이점은 열이 열 전달 시스템들(1)로부터 및 열 전달 시스템들(1)로 전달되는 방법에 관한 것이다. 이는 아래에서 더 상세하게 설명될 것이다.
가열 회로(30)는 공급 도관(34) 및 복귀 도관(36)을 포함한다. 공급 도관(34)은 열 전달 유체를 열원(heat source)(32)으로부터 열 방출기(38)로 운반하도록 구성된다. 열원(32)은 열 전달 유체를 가열하도록 구성된다. 따라서, 공급 도관(34)은 가열된 열 전달 유체를 열원(32)으로부터 열 방출기(38)로 운반하도록 구성된다. 복귀 도관(36)은 열 전달 유체를 열 방출기(38)로부터 열원(32)으로 운반하도록 구성된다. 열 방출기(38)는 그 주변을 가열하기 위해 열 전달 유체로부터 열을 소비한다. 따라서, 열 전달 유체는 열 방출기(38)에서 냉각된다. 따라서, 복귀 도관(36)은 냉각된 열 전달 유체를 열 방출기(38)로부터 열원(32)으로 운반하도록 구성된다. 다시 말해, 공급 도관(34)은 제1 온도를 갖는 열 전달 유체의 유입 흐름을 열 방출기(38)에 전달하도록 구성되고, 복귀 도관(36)은 제2 온도를 갖는 열 전달 유체의 복귀 흐름을 열 방출기(38)로부터 운반하도록 구성되며, 제2 온도는 제1 온도보다 더 낮다.
비 제한적인 예시에 따르면, 열 전달 유체가 주로 물을 포함하는 경우에서, 제1 온도는 25 내지 70°C 범위에 있고, 제2 온도는 0 내지 50 °C 범위에 있다. 언급된 바와 같이, 열 전달 유체가 물일 수 있지만, 다른 유체 또는 유체의 혼합물이 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 비 제한적인 예시들은 암모니아(ammonia), 부동액(anti-freezing liquids)(예를 들어, 글리콜(glycol)), 오일 및 알콜이다. 혼합물의 비 제한적인 예시는 글리콜과 같은 동결 방지제(anti-freezing agent)가 첨가된 물이다.
전술한 바와 같이, 열원(32)은 가열 회로(30)의 열 전달 유체를 가열하도록 구성된다. 열원(32)은 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 도 1 및 도 3의 열 전달 시스템들(1)에 따르면, 열원(32)은 지역 열 그리드(10)로부터 열 회로(30)로 열을 전달하도록 구성된 열 교환기(31)일 수 있다. 이는 지역 가열 그리드(10)의 열 전달 유체가 지역 가열 그리드 공급 도관(12)으로부터 열 교환기(31)로 흐르게 함으로써 수행될 수 있으며, 여기서 가열 회로(30)의 열 전달 유체는 가열되고 결과적으로 지역 가열 그리드(10)의 열 전달 유체는 냉각된다. 지역 가열 그리드(10)의 냉각된 열 전달 액체는 그 후 지역 가열 그리드 복귀 도관(14)으로 복귀될 수 있다. 전형적으로, 지역 가열 그리드(10)의 열 전달 유체는 물이다. 그러나, 다른 유체 또는 유체의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 일부 비 제한적인 예시들은 암모니아, 부동액(예를 들어, 글리콜), 오일 및 알콜이다. 혼합물의 비 제한적인 예시는 글리콜과 같은 동결 방지제가 첨가된 물이다. 주로 물을 포함하는 지역 가열 그리드(10)의 열 전달 유체의 경우, 열 교환기(31)로 흐르는 열 전달 유체는 60 내지 95 ℃ 범위의 온도를 갖는다. 이 경우, 열 교환기(31)는 전형적으로 지역 가열 복귀 도관(14)으로 복귀된 열 전달 유체가 20 내지 50 ℃ 범위의 온도를 갖도록 설정된다.
선택적으로 또는 조합하여, 열원(32)은 가연성 가스, 전형적으로 화석 연료 가스를 연소시키는 버너(burner)(33)로 구현될 수 있다. 이는 도 2와 관련하여 도시된다. 가연성 가스를 연소시킴으로써 가열 시스템(30)의 열 전달 유체가 열원(32)에서 가열된다. 가연성 가스는 전형적으로 가스 그리드(16)를 통해 버너(33)로 공급된다.
전술한 바와 같이, 열 방출기(38)는 주위를 가열하기 위해 열 전달 유체로부터 열을 소비하도록 구성된다. 열이 소비되는 공정의 비 제한적인 예시들은 온수 제조, 쾌적한 가열 및/또는 가공처리한 가열이다.
냉각 회로(40)는 공급 도관(44) 및 복귀 도관(46)을 포함한다. 복귀 도관(46)은 냉각기(48)로부터 열 추출기(heat extractor)(42)로 열 전달 유체를 운반하도록 구성된다. 냉각기(48)는 주변을 냉각시키기 위하여 주위로부터 열을 흡수하도록 구성된다. 냉각기(48)에서 흡수된 열은 냉각 회로(40)의 열 전달 유체로 전달된다. 따라서, 복귀 도관(46)은 가열된 열 전달 유체를 냉각기(48)로부터 열 추출기(42)로 운반하도록 구성된다. 열 추출기(42)는 열 전달 유체를 냉각시키기 위한 열 전달 유체로부터 열을 추출한다. 따라서, 열 전달 유체는 열 추출기(42)에 의해 냉각된다. 공급 도관(44)은 열 추출 유체를 열 추출기(42)로부터 냉각기(48)로 운반하도록 구성된다. 따라서, 공급 도관(44)은 냉각된 열 전달 유체를 열 추출기(42)로부터 냉각기(48)로 운반하도록 구성된다. 다시 말하면, 공급 도관(44)은 제3 온도를 갖는 열 전달 유체의 유입 흐름을 냉각기(48)로 운반하도록 구성되고, 복귀 도관(46)은 제4 온도를 갖는 열 전달 유체의 복귀 흐름을 냉각기(48)로부터 전달하도록 구성되고, 여기서 제4 온도는 제3 온도보다 더 높다. 비 제한적인 예시에 따르면, 열 전달 유체가 주로 물을 포함하는 경우, 제3 온도는 5 내지 10 ℃ 범위에 있고, 제4 온도는 10 내지 15 ℃ 범위에 있다. 언급된 바와 같이, 열 전달 유체는 물일 수 있지만, 다른 유체 또는 유체의 혼합물이 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 일부 비 제한적인 예시들은 암모니아, 부동액(예를 들어, 글리콜), 오일 및 알콜이다. 혼합물의 비 제한적인 예시는 글리콜과 같은 동결 방지제가 첨가된 물이다.
전술한 바와 같이, 열 추출기(42)는 냉각 회로(30)의 열 전달 유체로부터 열을 추출하도록 구성된다. 열 추출기(42)는 상이한 방식으로 구현될 수 있다. 도 1 및 도 2의 열 전달 시스템들(1)에 따르면, 열 추출기(42)는 냉각 회로(30)로부터 지역 냉각 그리드(20)로 열을 전달하도록 구성된 열 교환기(41)일 수 있다. 이는 지역 냉각 그리드(20)의 열 전달 유체가 지역 냉각 그리드 공급 도관(22)으로부터 열 교환기(41)로 흐르게 함으로써 수행될 수 있으며, 여기서 냉각 회로(40)의 열 전달 유체는 냉각되고 결과적으로 지역 냉각 그리드(20)의 열 전달 유체는 가열된다. 그 후, 지역 냉각 그리드(20)의 가열된 열 전달 유체는 지역 냉각 그리드 복귀 도관(24)으로 복귀될 수 있다. 전형적으로, 지역 냉각 그리드(20)의 열 전달 유체는 물이다. 그러나, 다른 유체 또는 유체의 혼합물이 또한 사용될 수 있다. 일부 비 제한적인 예시들은 암모니아, 부동액(예를 들어, 글리콜), 오일 및 알콜이다. 혼합물의 비 제한적인 예시는 글리콜과 같은 동결 방지제가 첨가된 물이다. 주로 물을 포함하는 지역 냉각 그리드(20)의 열 전달 유체의 경우, 열 교환기(41)로 흐르는 열 전달 유체는 4 내지 10 ℃ 범위의 온도를 갖는다. 이 경우에, 열 교환기(41)는 전형적으로 지역 냉각 복귀 도관(24)으로 복귀되는 열 전달 유체가 8 내지 12 ℃ 범위의 온도를 갖도록 설정된다.
선택적으로 또는 조합하여, 열 추출기(42)는 열 펌프(43)로서 구현될 수 있다. 열 펌프(42)는 에어 컨디셔너, 냉동기, 냉장고 등과 같은 국부 냉각 기계(local cooling machine)의 일부일 수 있다. 이는 도 3과 관련하여 도시된다.
전술한 바와 같이, 냉각기(48)는 열 전달 액체에 의해 열을 흡수함으로써 그 주위를 냉각하도록 구성된다. 열이 흡수되는 공정의 비 제한적인 예시들은 쾌적한 냉각, 가공처리한 냉각, 냉장 및/또는 냉동시에 있다.
열 펌프(50)는 냉각 회로(40)와 가열 회로(30) 사이에 연결된다. 열 펌프(50)는 냉각 회로(40)로부터 가열 회로(30)로 열을 전달하도록 구성된다. 이는 냉각 회로(40)에서의 열 전달 유체에 의해 흡수된 열을 허용하며, 이는 정상적으로 흡수된 열은 지역 냉각 그리드 복귀 도관(24)을 통해 건물로부터 멀리 운반되거나, 보통 예를 들어, 가열 회로(30)의 열 전달 유체를 가열하기 위해 재사용될 수 있는 냉각 컬럼들(cooling columns)을 사용하여 환경에 방출된다. 따라서, 냉각 회로에서 건물로부터 열을 추출할 필요성은 더 낮아지고, 동시에 지역 가열 그리드 또는 가스 그리드를 통하는 열을 건물로 제공할 필요성은 더 낮아진다. 따라서, 열 전달 시스템(1)의 기본 원리는 냉각 회로(40)에서 흡수된 열이 가열 회로에서 재사용된다는 것이다. 열 펌프(50)는 냉각 회로(40)에서 흡수된 열을 상기 가열 회로(30)에서 사용될 수 있는 유용한 온도 수준으로 갱신하는데 사용된다.
열 펌프(50)는 제1 열 교환기(51) 및 제2 열 교환기(54)를 포함한다. 제1 열 교환기(51)는 증발기 열 교환기일 수 있다. 제2 열 교환기(54)는 응축기 열 교환기일 수 있다. 제1 열 교환기(51)는 열 전달 유체를 순환시키기 위한 제1 회로(52a)를 포함한다. 제1 열 교환기(51)는 열 전달 유체를 순환시키기 위한 제2 회로(52b)를 포함한다. 제1 및 제2 회로들(52a, 52b)은 서로 유체 접촉하지 않는다. 제1 회로(52a)는 입구(53a) 및 출구(53b)를 갖는다. 제1 회로(52a)의 입구(53a)는 냉각 회로(40)의 복귀 도관(46)에 연결된다.
열 펌프(50)의 작동 중에, 제1 열 전달 교환기(51)는 제1 회로(52a)의 입구(53a)를 통해 입구로 들어가는 열 전달 유체로부터 열을 흡수하도록 구성된다. 출구(53b)를 통해 냉각 회로(40)로 복귀된 열 전달 유체는 따라서 냉각될 것이다. 실시예들이 도시된 도 1 내지 도 3에서, 제1 회로(52a)의 출구(53b)는 냉각 회로(40)의 복귀 도관(46)에 연결된다.
제1 회로(52a)의 입구(53a) 및 출구(53b) 모두 냉각 회로(40)의 복귀 도관(46)에 연결되는 경우, 제1 회로(52a)의 입구(53a)는 바람직하게는 제1 회로(52a)의 출구(53b)에 대하여 상류인 냉각 회로(40)의 복귀 도관(46)으로 연결된다.
또한, 열 펌프(50)가 작동하고 제1 회로(52a)의 입구(53a)와 출구(53b)가 모두 냉각 회로(40)의 복귀 도관(46)에 연결되는 경우, 복귀 도관(46)의 열 전달 유체는 냉각될 것이다.
제1 회로(52a)의 출구(53b)의 상기 구성에 선택적으로 또는 조합하여, 제1 회로(52a)의 출구(53b)는 냉각 회로(40)의 공급 도관(44)에 연결될 수 있다. 제1 회로(52a)의 출구(53b)와 냉각 회로(40)의 공급 도관(44)의 연결은 도 4와 관련하여 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다.
상기에 따르면, 제1 회로(52a)와 냉각 회로(40)는 서로 유체 접촉하고 있다.
제2 열 교환기(54)는 열 전달 유체를 순환시키기 위한 제3 회로(52c)를 포함한다. 제2 열 교환기(54)는 열 전달 유체를 순환시키기 위한 제4 회로(52d)를 포함한다. 제3 및 제4 회로들(52c, 52d)은 서로 유체 접촉하지 않는다. 제4 회로(52d)는 입구(55a) 및 출구(55b)를 갖는다. 제4 회로(52d)의 입구(55a)는 가열 회로(30)의 복귀 도관(36)에 연결된다.
열 펌프(50)의 작동 중에, 제2 열 전달 교환기(54)는 제4 회로(52d)의 입구(55a)를 통해 들어가는 열 전달 유체를 가열하도록 구성된다. 따라서, 출구(55b)를 통해 가열 회로(40)로 복귀된 열 전달 유체는 가열될 것이다. 실시예들이 도시된 도 1 내지 도 3에서, 제4 회로(52d)의 출구(55b)는 가열 회로(30)의 복귀 도관(36)에 연결된다.
제4 회로(52d)의 입구(55a)와 출구(55b) 모두 가열 회로(30)의 복귀 도관(36)에 연결되는 경우, 제4 회로(52d)의 입구(55a)는 바람직하게는 제4 회로(52d)의 출구(55b)에 대하여 상류인 가열 회로(30)의 복귀 도관(36)에 연결된다.
또한, 열 펌프(50)가 작동하고 제4 회로(52d)의 입구(55a)와 출구(55b) 모두 가열 회로(30)의 복귀 도관(36)에 연결되는 경우, 복귀 도관(36)의 열 전달 유체는 가열될 것이다.
제4 회로(52d)의 출구(55b)의 상기 구성에 선택적으로 또는 조합하여, 제4 회로(52d)의 출구(55b)는 가열 회로(30)의 공급 도관(34)에 연결될 수 있다. 제4 회로(52d)의 출구(55b)와 가열 회로(30)의 공급 도관(34)의 연결은 도 4와 관련하여 아래에서 보다 상세히 설명될 것이다.
상기에 따르면, 제4 회로(52d)와 가열 회로(30)는 서로 유체 접촉하고 있다.
제2 회로(52b) 및 제3 회로(52c)는 제1 및 제2 열 교환기들(51, 54)의 공통 회로(56)이다. 공통 회로(56)는 압축기(57)를 더 포함할 수 있다. 공통 회로(56)는 팽창 밸브(58)를 더 포함할 수 있다. 열 펌프(50)는 냉각 회로(40)에 흡수된 열을 가열 회로(30)에서 사용될 수 있는 유용한 온도 수준으로 갱신하도록 구성된다.
전술한 바와 같이, 도 4와 관련하여, 제1 회로(52a)의 출구(53b)와 냉각 회로(40)의 공급 도관(44)의 연결 및 제4 회로(52d)의 출구(55b)와 가열 회로(30)의 공급 도관(34)의 연결이 설명될 것이다.
냉각 회로(40)에서 시작한다. 열 펌프(50)가 작동하고 제1 회로(52a)의 출구(53b)가 냉각 회로(40)의 공급 도관(44)에 연결되는 경우, 공급 도관(44)의 열 전달 유체는 영향을 받을 것이다. 이러한 구성에서, 냉각 회로(40)의 공급 도관(44)으로 복귀된 열 전달 유체의 온도가 제어되도록 열 펌프(50)를 제어하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 열 펌프(50)는 냉각 회로(40)의 공급 도관(44)으로 복귀된 열 전달 유체의 온도가 제3 온도를 갖도록 제어된다. 이후, 제3 온도는 냉각기(48)가 입력 온도로서 요구하는 온도이다. 이 경우에 또한 바람직하게는, 열 추출기(42)는 제3 온도의 열 전달 유체를 전달하도록 제어된다. 대안적으로, 열 펌프(50) 및 열 추출기(42)는 함께 제어되어, 혼합될 때 열 펌프(50) 및 열 추출기(42)에 의해 개별적으로 분출(ejected)된 열 전달 유체가 제3 온도를 나타내도록 한다.
가열 회로(30)를 향해 전환(Turning)한다. 이 경우, 열 펌프(50)가 작동하고 제4 회로(52d)의 출구(55b)가 가열 회로(30)의 공급 도관(34)에 연결되는 경우, 공급 도관(34)의 열 전달 유체는 영향을 받을 것이다. 이러한 구성에서, 가열 회로(30)의 공급 도관(34)으로 복귀되는 열 전달 유체의 온도가 제어되도록 열 펌프(50)를 제어하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 열 펌프(50)는 가열 회로(30)의 공급 도관(34)으로 복귀되는 열 전달 유체의 온도가 제1 온도를 갖도록 제어된다. 이 후, 제1 온도는 가열기(heater)(38)가 입력 온도로서 요구하고 있는 온도이다. 이 경우에도, 바람직하게는 열원(32)은 제1 온도의 열 전달 유체를 전달하도록 제어된다. 대안적으로, 열 펌프(50) 및 열원(32)은 함께 제어되어, 혼합될 때 열 펌프(50) 및 열원(32)에 의해 개별적으로 분출된 열 전달 유체가 제1 온도를 나타내도록 한다.
열 전달 시스템(1)은 하나 이상의 가열 회로(30) 또는 냉각 회로(40)를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가열 회로(30) 또는 냉각 회로(40)의 경우, 열 전달 시스템(1)은 복수의 열 펌프들(50)을 포함할 수 있으며, 단일 열 펌프(50)는 하나의 가열 회로(30)와 하나의 냉각 회로(40)를 연결하고 있다. 비 제한적인 예시에 따르면, 열 전달 시스템(1)은 건물에 쾌적한 가열을 제공하도록 구성된 제1 가열 회로(30), 건물에 온수를 제공하도록 구성된 제2 가열 회로(30) 및 건물에 쾌적한 냉각을 제공하도록 구성된 냉각 회로(40)를 포함한다. 이 열 전달 시스템(1)은 냉각 회로(40)를 제1 가열 회로(30)에 연결하는 제1 열 펌프(50) 및 냉각 회로(40)를 제2 가열 회로(30)에 연결하는 제2 열 펌프(50)를 더 포함한다.
또한, 열원(32)에 대한 상기 두 가지 대안이 설명되었다. 그러나, 다른 열원들(32)이 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 그러한 다른 열원(32)의 일 예시는 전기 가열기(electrical heater)(도시하지 않음)이다.
또한, 도 1 내지 도 3 및 바로 위 단락에서, 열 에너지가 가열 회로(30) 및 냉각 회로(40)에 어떻게 분배되는지에 대한 구현예들의 몇몇 대안적인 실시예들이 도시된다. 열 전달 시스템(1)으로의 그리고 열 전달 시스템(1)으로부터의 열 에너지의 분포의 임의의 조합이 사용될 수 있음을 알 수 있다.
도 1 내지 도 3과 관련하여 설명된 실시예들에서, 제1 회로(52a)의 출구(53b)는 냉각 회로(40)의 복귀 도관(46)에 연결되고 도 4와 관련하여 설명된 실시예들에서는 제1 회로(52a)의 출구(53b)는 냉각 회로(40)의 공급 도관(44)에 연결된다. 그러나, 제1 회로(52a)의 출구(53b)는 복귀 도관(46) 및 냉각 회로(40)의 공급 도관(44)에 연결될 수 있음을 알 수 있다. 이 후자의 경우, 밸브들의 밸브는 복귀 도관(46) 및 공급 도관(44)으로의 열 전달 유체의 흐름을 각각 제어하는데 사용될 수 있다.
도 1 내지 도 3과 관련하여 설명된 실시예들에서, 제4 회로(52d)의 출구(55b)는 가열 회로(30)의 복귀 도관(36)에 연결되고 도 4와 관련하여 설명된 실시예들에서는 제4 회로(52d)의 출구(55b)는 가열 회로(30)의 공급 도관(34)에 연결된다. 그러나, 제1 회로(52d)의 출구(55b)는 복귀 도관(36)과 가열 회로(30)의 공급 도관(34) 모두에 연결될 수 있음을 알 수 있다. 이 후자의 경우, 밸브들의 밸브는 복귀 도관(36) 및 공급 도관(34)으로의 열 전달 유체의 흐름을 각각 제어하는데 사용될 수 있다.
제1 회로(52a)의 출구(53b)와 냉각 회로(40)의 복귀 도관(46) 및/또는 냉각 회로(40)의 공급 도관(44)의 연결은 물론 제4 회로(52d)의 출구(55b)와 가열 회로(30)의 복귀 도관(36) 및/또는 가열 회로(30)의 공급 도관(34)의 연결과 독립적으로 만들어질 수 있다. 따라서, 출구들(53b, 55b)의 연결들의 임의의 순열(permutation)이 사용될 수 있다.
도 5 및 도 6과 관련하여 설명되는 바와 같이, 열 전달 시스템(1)은 다음에 따라 제어된다.
별도로 제공되지 않는 한, 제어 방법은 열 펌프(50) 및 열 펌프(50') 모두의 제어에 관한 것이다. 펌프들(50, 50')은 동일한 기본 방법에 따라 제어되지만, 상이한 건물들의 냉각 시스템들(30, 30') 및 가열 시스템들(40, 40')의 냉각 및 가열 필요성이 상이하므로, 열 펌프(50 또는 50')가 운행하는지 또는 상이한지에 관한 결과에 따라 제어된다. 또한, 열 펌프들(50, 50')은 동일한 크기 및 용량을 가질 필요는 없으며, 이는 상이한 건물들의 소비자들의 상이한 필요성으로 인해 변화될 수도 있다는 것을 알 수 있다. 이하에서, 열 펌프를 제어하는 방법이 개시되어 있으며, 달리 제공되지 않는 한, 이 방법은 열 펌프들(50, 50') 모두에(그리고 냉각 시스템과 가열 시스템 사이에서 상술한 방식으로 연결된 임의의 열 펌프에) 적용 가능하다.
국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성이 결정된다. 이는 예를 들어, 주변 온도 또는 냉각될 환경의 온도를 측정하는 냉각 시스템에 의해 수행될 수 있다. 이러한 측정에 응답하여, 냉각 시스템은 예를 들어, 공급 도관(44)을 통해 냉각기(48)에 공급되는 냉각 유체의 원하는 온도 및/또는 원하는 흐름을 계산할 수 있다. 많은 전형적인 시스템들에서, 흐름은 약간의 단계들로 많이 또는 조금 고정되거나 변경되지만, 냉각 용량은 원하는 온도를 설정함으로써 제어된다. 일 실시예에서, 국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성의 결정은 기본적으로 공급 도관(44)에서의 냉각 매체의 원하는 온도에 관한 신호를 수신함으로써 수행된다. 열 펌프(50, 50') 각각을 제어하는 제어 시스템(59, 59', 69)에서 이 신호를 사용함으로써, 제어 시스템(59, 59', 69)은 국부 냉각 시스템(40, 40')으로부터 끌어낼(drawn) 수 있는 에너지의 최대량을 결정할 수 있다. 국부 냉각 시스템(40)으로부터 에너지의 최대량을 끌어당길 때, 복귀 도관(46)에서의 냉각 유체의 온도는 기본적으로 냉각 시스템(40)이 냉각기(48)로 전달되도록 설정되는 온도이다.
유사하게는, 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성이 결정된다. 예를 들어, 가열 시스템에 의해 가열될 환경의 주위 온도 또는 온도를 측정하는 단계가 수행될 수 있다. 이 측정에 응답하여, 가열 시스템은 예를 들어, 공급 도관(34)을 통해 열 방출기(38)에 공급될 가열 유체의 원하는 온도 및/또는 원하는 흐름을 계산할 수 있다. 많은 전형적인 시스템들에서, 흐름은 약간의 단계들로 다소 고정되거나 변경되지만, 가열 용량은 원하는 온도를 설정함으로써 제어된다. 일 실시예에서, 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요의 결정은 기본적으로 공급 도관(34)에서 가열 매체(heating medium)의 원하는 온도에 관한 신호를 수신함으로써 수행된다. 이 신호를 사용함으로써, 제어 시스템(59, 59', 69)은 국부 가열 시스템(30, 30')으로 유용하게 전달될 수 있는 에너지의 최대량을 결정할 수 있다. 에너지의 최대 유효량(maximum useful amount)을 국소 가열 시스템(30)으로 전달할 때, 복귀 도관(36)에서의 가열 유체의 온도는 기본적으로 가열 시스템(30)이 열 방출기(38)에 전달되도록 설정된 온도이다.
직선적으로 국부적으로 제어되는 시스템(straight-forward locally controlled system)에서, 냉각 및 가열에 관해 결정된 국부적인 필요성은 열 펌프(50)의 각각의 측면에 경계를 제공한다. 더 큰 시스템의 균형을 고려할 필요가 없다면, 열 펌프(50 및 50')는 동시 냉각 및 가열이 필요할 때마다 최대한 열심히 운행되도록 설정되지만, 냉각 시스템의 결정된 국부 에너지 소비 필요성보다 냉각 시스템(40)으로부터 더 많은 에너지를 끌어내지 않도록, 및 국부 가열 시스템(30)의 결정된 국부 에너지 소비 필요성보다 더 많은 에너지를 국부 가열 시스템(30)으로 전달하지 않도록 할 수 있다. 제어 방법의 이 부분은 기본적으로 도 6의 점선 박스 내부의 단계들에 해당한다.
국부 냉각 시스템과 국부 가열 시스템 사이의 열 전달을 제어하는 방법은 또한 가열, 냉각 및/또는 전력 그리드들의 필요성과 용량의 균형을 맞추기 위한 보조 장치(aid)로서 사용될 수 있다.
이는 가열 제어 파라미터, 냉각 제어 파라미터 및/또는 전력 제어 파라미터를 도입하고 그 값을 결정함으로써 제어 방법에서 수행될 수 있다.
상기 방법은 가열 제어 파라미터를 도입하고, 국부 가열 시스템들이 연결된 가열 그리드의 전체 이용 가능한 가열 용량에 관련하여 복수의 국부 가열 시스템들의 전체 가열 소비 필요성을 나타내는 값을 결정하는 단계를 더 포함한다. 전체 가열 소비 필요성은 국부 가열 시스템들로부터 정보를 수신함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 일반적으로 가열 그리드에서 가열 유체의 분배를 제공하는 회사는 가열 그리드 및/또는 그리드 전반의 전체 가열 소비에 대한 각 국부 가열 시스템의 소비를 측정한다. 전반적인 필요성에 관한 이 정보는 전체 가용 난방 용량과 비교된다. 이는 또한 생산 비용, 환경적 영향 등과 같은 다른 요인들과 비교될 수 있다. 이 비교로부터 가열 제어 파라미터의 값이 결정된다. 이 값은 숫자 인덱스 값일 수 있다. 그것은 또한 에너지량 당 가격과 같은 에너지량 당 값(value per energy amount)으로 표현될 수도 있다.
상기 방법은 냉각 제어 파라미터를 도입하고, 국부 냉각 시스템들이 연결되는 냉각 그리드의 전체 가용 냉각 용량에 관련하여 복수의 국부 냉각 시스템들의 전체 냉각 소비 필요성을 나타내는 값을 결정하는 단계를 더 포함한다. 전체 냉각 소비 필요성은 국부 냉각 시스템으로부터 정보를 수신함으로써 결정될 수 있다. 그러나, 일반적으로 냉각 그리드에서 냉각 유체의 분배를 제공하는 회사는 냉각 그리드 및/또는 그리드 전반의 전체 냉각 소비에 대한 각 국부 냉각 시스템의 소비를 측정한다. 전반적인 필요성에 관한 이 정보는 전체 가용 냉각 용량과 비교된다. 이는 또한 생산 비용, 환경적 영향 등과 같은 다른 요인들과 비교될 수 있다. 이 비교로부터 냉각 제어 파라미터의 값이 결정된다. 이 값은 숫자 인덱스 값일 수 있다. 그것은 또한 에너지량 당 가격과 같은 에너지량 당 값으로 표현될 수도 있다.
상기 방법은 전력 제어 파라미터를 도입하고, 열 펌프가 연결된 전기 그리드의 전체 가용 전력에 대한 전체 전력 필요성을 나타내는 값을 결정하는 단계를 더 포함한다. 일반적으로, 전기 그리드에서 전력의 분배를 제공하는 회사는 전기 그리드의 다양한 부품들에서 서로 다른 입도(granularity)로 전력의 소비를 측정한다. 전체 전기 소비에 관한 이 정보는 현재의 전력 필요성이며 전체 가용 전력 용량과 비교된다. 이 전력 용량은 배전기(distributor)가 제어하는 발전소로부터 또는 다른 회사들 또는 국가들로부터 전력을 구매하는 것으로부터 올 수 있다. 실제 설정은 전기 그리드를 제어할 때 다른 규정들 및 입법 시스템들로 인해 국가마다 크게 다르다. 임의의 경우에서, 전력 제어 파라미터는 도입되고, 현재 필요성에 관한 정보가 전체 가용 전력 용량과 비교된다. 이는 또한 생산 비용, 환경적 영향 등과 같은 다른 요인들과 비교될 수도 있다. 이 비교로부터 전력 제어 파라미터의 값이 결정된다. 이 값은 숫자 인덱스 값일 수 있다. 그것은 또한 에너지량 당 가격과 같은 에너지량 당 값으로 표현될 수도 있다.
제어 시스템(59, 69)은 예를 들어, 냉각 시스템으로부터 끌어내어 가열 시스템으로 전달하는 에너지의 최대량의 경계 내에서, 국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성 곱하기 냉각 제어 파라미터의 값 더하기 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성 곱하기 가열 제어 파라미터의 값 및 가열 펌프의 전기 에너지 소비 곱하기 전력 제어 파라미터의 합계(sum)의 전체 값(overall value)을 최소화하도록 설정될 수 있다.
제어 시스템(59, 69)은 열 펌프(50)에 완전히 국부적일 수 있고; 중앙 위치(central location)(69)에 완전히 국부적일 수 있거나 또는 부분적으로 열 펌프(50)에 국부적이고 부분적으로 중심적으로 국부적(69)일 수 있다.
하나의 설정은 예를 들어 제어 파라미터들(가열, 냉각, 전력)에 관한 정보가 에너지를 그리드에 제공하는 회사들로부터 중앙 제어 시스템(69)으로 전송되고 국부 에너지 소비 필요성들(가열, 냉각)이 국부적으로 결정되고 이러한 필요성들에 기초한 제어는 국부적으로 수행되는 것일 수 있다. 대안적으로는, 국부 에너지 소비 필요성에 관한 정보는 열 펌프(50)를 제어하는데 중앙 제어 시스템(69)에 의한 사용을 위해 중앙 제어 시스템(69)에 전송된다. 그러나, 대안적으로, 모든 정보는 관련 열 펌프(50)를 제어하는 국부 제어 시스템(59)으로 전송된다.
모든 또는 몇몇 열 펌프들(50, 50')을 제어하는 단일 중앙 제어 시스템(69)이 있을 수 있음을 알 수 있다. 대안적으로, 중앙 제어 시스템(69)은 단일 또는 소수(few) 열 펌프들(50, 50')만을 제어할 수 있다. 제어 파라미터들을 도입함으로써, 상기 방법은 탄탄(robust)해졌으며 중앙 제어 시스템에 의해 많은 열 펌프들을 제어할 필요가 없다. 바람직한 균형(desired balancing)은 각각의 열 펌프의 국부 제어에서 제어 파라미터들을 고려함으로써 원하는 균형을 각각 고려하는 각각의 열 펌프를 간단히 제어함으로써 수행될 수 있다.
중앙 제어 시스템(69) 및/또는 국부 제어 시스템(59)은 예를 들어, 전체 필요성, 전체 용량들, 및/또는 제어 파라미터들의 값들에 대해 시간에 따른 전형적인 변동들에 관한 정보를 저장하는 중앙 데이터베이스(central database)(70)에 연결될 수 있다. 또한, 데이터베이스는 실제 요구가 존재하지 않더라도 국부 가열 시스템에 저장하기 위한 최대량의 에너지 또는 국부 냉각 시스템으로부터 끌어내는 수용 가능한 양의 에너지에 관한 정보를 저장할 수 있다. 이 정보의 전부 또는 일부를 고려함으로써, 상술한 합계의 최소화는 전체 에너지 소비를 추가로 최소화하고, 국부 열 전달 시스템의 균형적인 용량(balancing capacity)을 최대화하는 시간의 기간 동안의 최소화(minimization over a period of time)일 수 있다.
당업자는 본 발명이 결코 전술한 바람직한 실시예들에 제한되지 않는다는 것을 알 수 있다. 반대로, 첨부된 청구항들의 범위 내에서 많은 수정들 및 변형들이 가능하다.
예를 들어, 하나 또는 그 이상의 시스템들이 열이나 냉기를 저장할 수 있는 경우 국역 에너지 소비 필요성들이 반드시 엄격하게 동시에 필요하지는 않음을 알 수 있다. 냉각 시스템으로부터의 열은 예를 들어, 온수 저장 탱크 또는 수영장으로 전달될 수 있다. 열이나 냉기를 저장할 수 있는 개체가 열을 받거나 열을 끌어낼 수 있는 한, 국부 에너지 소비 필요성이 존재함이 여전히 고려될 수 있다.
또한, 개시된 실시예들에 대한 변형들은 도면들, 개시, 및 첨부된 청구항들의 연구로부터, 청구된 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 영향을 받을 수 있다.

Claims (14)

  1. 국부 냉각 시스템과 국부 가열 시스템 사이의 열 전달을 제어하기 위한 방법에 있어서,
    상기 국부 가열 시스템은 제1 온도를 갖는 열 전달 유체의 유입 흐름을 위한 공급 도관 및 제2 온도를 갖는 열 전달 유체의 복귀 흐름을 위한 복귀 도관을 갖는 가열 회로를 포함하고,
    상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 낮으며,
    상기 국부 냉각 시스템은 제3 온도를 갖는 열 전달 유체의 유입 흐름을 위한 공급 도관 및 제4 온도를 갖는 열 전달 유체의 복귀 흐름을 위한 복귀 도관을 갖는 냉각 회로를 포함하고,
    상기 제4 온도는 상기 제3 온도보다 높고, 상기 제4 온도는 상기 제2 온도보다 낮으며,
    열 펌프는 상기 국부 냉각 시스템과 상기 국부 가열 시스템 사이에 연결되고, 상기 열 펌프는 상기 국부 냉각 시스템으로부터 상기 국부 가열 시스템으로 열을 전달하도록 구성되며,
    상기 방법은,
    상기 국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성을 결정하는 단계;
    상기 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성을 결정하는 단계;
    상기 국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성 및 상기 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성에 기초하여, 상기 열 펌프를 제어하는 단계
    를 포함하고,
    상기 방법은,
    가열 제어 파라미터를 도입하고, 상기 국부 가열 시스템들이 연결된 가열 그리드의 전체 가용 가열 용량에 관련하여 복수의 국부 가열 시스템들의 전체 가열 소비 필요성을 나타내는 값을 결정하는 단계 - 상기 열 펌프를 제어하는 단계는, 또한 상기 가열 제어 파라미터의 값에 기초함 -;
    냉각 제어 파라미터를 도입하고, 상기 국부 냉각 시스템들이 연결되는 냉각 그리드의 전체 가용 냉각 용량에 관련하여 복수의 국부 냉각 시스템들의 전체 냉각 소비 필요성을 나타내는 값을 결정하는 단계 - 상기 열 펌프를 제어하는 단계는, 또한 상기 냉각 제어 파라미터의 값에 기초함 -; 및
    전력 제어 파라미터를 도입하고, 상기 열 펌프가 연결된 전기 그리드의 전체 가용 전력에 관련하여 전체 전력 필요성을 나타내는 값을 결정하는 단계 - 상기 열 펌프를 제어하는 단계는, 또한 상기 전력 제어 파라미터의 값에 기초함 -
    를 더 포함하는
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    국부 냉각 시스템의 국부 에너지 소비 필요성 곱하기 냉각 제어 파라미터의 값, 국부 가열 시스템의 국부 에너지 소비 필요성 곱하기 가열 제어 파라미터의 값 및 열 펌프의 전기 에너지 소비 곱하기 전력 제어 파라미터 값의 합계의 전체 값을 최소화하도록 열 펌프를 제어하는 단계를 더 포함하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열 펌프는,
    열 전달 유체를 순환시키기 위한 제1 회로 및 열 전달 유체를 순환시키기 위한 제2 회로를 갖는 제1 열 교환기 - 상기 제1 회로는 상기 냉각 회로에 연결된 입구 및 출구를 갖음 -,
    열 전달 유체를 순환시키기 위한 제3 회로 및 열 전달 유체를 순환시키기 위한 제4 회로를 갖는 제2 열 교환기 - 상기 제4 회로는 상기 가열 회로에 연결된 입구 및 출구를 갖음 -
    를 갖고,
    상기 제2 회로 및 상기 제3 회로는,
    상기 제1 및 제2 열 교환기들의 공통 회로인
    방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 회로의 입구는,
    상기 냉각 회로의 복귀 도관에 연결되고,
    상기 제4 회로의 입구는,
    상기 가열 회로의 복귀 도관에 연결되는
    방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 회로의 출구는,
    상기 냉각 회로의 복귀 도관에 연결되고,
    상기 제1 회로의 입구는,
    상기 제1 회로의 출구에 대하여 상류인 상기 냉각 회로의 복귀 도관에 연결되는
    방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제4 회로의 출구는,
    상기 가열 회로의 복귀 도관에 연결되고,
    상기 제4 회로의 입구는,
    상기 제4 회로의 출구에 대하여 상류인 상기 가열 회로의 복귀 도관에 연결되는
    방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 제1 회로의 출구는,
    상기 냉각 회로의 공급 도관에 연결되는
    방법.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제4 회로의 출구는,
    상기 가열 회로의 공급 도관에 연결되는
    방법.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 공통 회로는,
    압축기를 포함하는
    방법.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 공통 회로는,
    팽창 밸브를 포함하는
    방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 제1 열 교환기는,
    증발기 열 교환기인
    방법.
  12. 제3항에 있어서,
    상기 제2 열 교환기는,
    응축기 열 교환기인
    방법.
  13. 삭제
  14. 삭제
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