KR102171919B1 - 결합된 냉각 및 가열 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 결합된 냉각 및 가열 시스템(100)에 관한 것이며, 제1 온도를 갖는 냉각 유체의 유입 흐름을 위한 공급 도관(5) 및 제2 온도를 갖는 상기 냉각 유체의 복귀 흐름을 위한 복귀 도관(8) - 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 더 높음 -을 갖는 지역 냉각 그리드(1); 제1 건물(2)로부터 열을 흡수하도록 구성되고, 열 교환기 입구(14a) 및 열 교환기 출구(14b)를 갖는 열 교환기(9)를 포함하는 국부 냉각 시스템(300); 및 제1 또는 제2 건물(2)을 가열하도록 구성되고, 열 펌프 입구(15a) 및 열 펌프 출구(15b)를 갖는 열 펌프(10)를 포함하는 국부 가열 시스템(200)을 포함한다. 상기 열 교환기 입구(14a)는 상기 지역 냉각 그리드(1)의 공급 도관(5)에 연결되고, 상기 열 펌프 입구(15a)는 상기 지역 냉각 그리드(1)의 복귀 도관(8) 및 상기 열 교환기 출구(14b)에 연결된다.

Description

결합된 냉각 및 가열 시스템
본 발명은 건물의 국부 가열 시스템 및 건물의 국부 냉각 시스템이 지역 냉각 그리드와 상호 작용하는 결합된 가열 및 냉각 시스템에 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 냉각 및/또는 가공처리한 냉각을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
가열을 제공하기 위한 일반적인 그리드는 쾌적한 및/또는 가공처리한 가열, 및/또는 온수 제조를 제공하는 가스 그리드(gas grid) 또는 전기 그리드(electrical grid)이다. 가열을 제공하기 위한 또 다른 그리드는 지역 가열 그리드(district heating grid)이다. 지역 가열 그리드는 일반적으로 물의 형태로 가열된 열 전달 유체(heat transfer fluid)를 도시의 건물들에 제공하기 위해 사용된다. 중앙에 배치된 가열 및 펌핑 플랜트(heating and pumping plant)는 가열된 열 전달 유체를 가열 및 분배하기 위해 사용된다. 가열된 열 전달 유체는 하나 이상의 공급 도관(feed conduits)을 통해 건물들로 전달되고, 하나 이상의 복귀 도관(return conduits)을 통해 가열 및 펌핑 플랜트로 복귀된다. 국부적으로 건물에서, 가열된 열 전달 유체로부터의 열은 열 펌프를 통해 추출된다.
냉각을 제공하기 위한 일반적인 그리드는 전기 그리드이다. 전기는 예를 들면, 냉장고 또는 냉동고를 운행하거나 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 유체를 도시의 건물들에 제공하기 위해 사용된다. 중앙에 배치된 냉각 및 펌핑 플랜트는 이와 같은 냉각된 열 전달 유체를 냉각 및 분배하는기 위해 사용된다. 냉각된 열 전달 유체는 하나 이상의 공급 도관을 통해 건물들로 전달되고, 하나 이상의 복귀 도관을 통해 냉각 및 펌핑 플랜트로 복귀된다. 국부적으로 건물에서, 냉각된 열 전달 유체로부터의 냉기(cold)는 열 펌프를 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, 기존의 그리드들을 포함하여, 에너지 분배 그리드들에 분배된 에너지의 이용을 개선할 필요가 있다. 또한, 가열/냉각의 제공은 엔지니어링 프로젝트들(engineering projects)과 관련하여 많은 투자가 필요하며, 비용을 절감하기 위해 끊임없이 노력해야 한다. 따라서, 도시의 냉각 및 가열에 대한 지속 가능한 솔루션들(sustainable solutions)을 제공하는 방법에 대한 개선이 필요하다.
본 발명의 목적은 전술한 문제점들 중 적어도 일부를 해결하는 것이다.
제1 측면에 따르면, 결합된 냉각 및 가열 시스템(combined cooling and heating system)이 제공된다. 상기 결합된 시스템은: 4 내지 12 ℃의 범위인 제1 온도를 갖는 냉각 유체(cooling fluid)의 유입 흐름(incoming flow)을 위한 공급 도관(feed conduit) 및 제2 온도를 갖는 상기 냉각 유체의 복귀 흐름(return flow)을 위한 복귀 도관(return conduit) - 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 더 높고, 상기 제2 온도는 10 내지 18 ℃의 범위에 있음 -;을 구비하는 지역 냉각 그리드(district cooling grid); 제1 건물로부터 열을 흡수하도록 구성되고, 열 교환기 입구(heat exchanger inlet) 및 열 교환기 출구(heat exchanger outlet)를 갖는 열 교환기(heat exchanger)를 포함하는 국부 냉각 시스템(local cooling system); 및 제1 또는 제2 건물을 가열하도록 구성되고, 열 펌프 입구(heat pump inlet) 및 열 펌프 출구(heat pump outlet)를 갖는 열 펌프(heat pump)를 포함하는 국부 가열 시스템(local heating system)을 포함하고, 상기 열 교환기 입구는 상기 지역 냉각 그리드의 공급 도관에 연결되고, 상기 열 펌프 입구는 상기 지역 냉각 그리드의 복귀 도관 및 상기 열 교환기 출구에 연결된다.
본 발명에 따르면, 지역 냉각 그리드는 건물의 국부 냉각 시스템과 건물의 국부 가열 시스템을 제공하는 두 가지 목적을 수행한다. 두 개의 국부 시스템들은 하나의 동일한 건물에 배열될 수 있지만, 서로 다른 건물들에 배열될 수도 있다. 국부 냉각 시스템은 일반적으로 쾌적 냉각을 제공하기 위해 사용되는 시스템이지만, 국부 가열 시스템은 일반적으로 건물을 가열 및/또는 수돗물을 가열하기 위해 사용되는 시스템이다. 이 새로운 이중 목적을 위한 지역 냉각 그리드를 사용하면, 지역 냉각 그리드와 지역 가열 그리드 모두에 대한 액세스(access)의 제공에 많은 투자를 피하거나 크게 감소시킬 수 있다. 결합된 시스템은 기존의 지역 냉각 그리드에 설치될 수 있다.
또한, 공급 도관 및 복귀 도관 모두에서 이용 가능한 에너지가 사용된다. 지역 냉각 그리드의 복귀 도관에서 이용 가능한 열 에너지는 통상적으로 폐 에너지(waste energy)로 간주되지만, 본 발명의 시스템에 의해, 폐 열 에너지(waste heat energy)는 이제 국부 가열 시스템의 열 펌프를 작동시키기 위해 요구되는 에너지 소비를 더 낮추기 위해 사용될 수 있는데, 열 펌프의 입구에는 "예열된(preheated)" 가열 유체(heating fluid)가 제공될 수 있기 때문이다. 이는 열 펌프의 부하를 감소시켜 열 펌프의 설계 용량을 감소시킬 수 있으며, 또한 전체 투자 비용을 감소시킬 수 있다.
열 펌프 입구, 열 교환기 출구 및 복귀 도관은 상호 연결(interconnected)될 수 있다.
열 교환기 입구는 열 펌프 출구에 연결될 수 있다. 열 펌프 출구에서 나가는 유체는 일반적으로 지역 냉각 그리드의 공급 도관에서 냉각 유체보다 더 따뜻하다. 이 가열된 유체를 지역 냉각 그리드의 복귀 도관으로 배출하여 열 에너지를 폐 에너지로서 처리하는 대신, 열 교환기에 대한 중요한 입력 에너지로서 사용될 수 있다. 이는 열 교환기에 대한 부하를 감소시켜 열 교환기의 설계 용량을 감소시키고 또한 전체 투자 비용을 감소시킬 수 있다.
열 교환기 입구, 열 펌프 출구 및 공급 도관은 상호 연결될 수 있다.
결합된 냉각 및 가열 시스템은 제3 건물을 가열하도록 구성된 추가 국부 가열 시스템(further local heating system)을 더 포함할 수 있으며, 추가 국부 가열 시스템은 지역 냉각 그리드의 복귀 도관에 연결된 입구 및 지역 냉각 그리드의 공급 도관에 연결된 출구를 갖는 추가 열 펌프를 포함한다.
추가 국부 가열 시스템은 건물에 열을 제공하기 위해, 즉 쾌적한 열 및/또는 수돗물을 가열하는데 사용될 수 있다. 제3 건물은 제1 건물보다 다른 목적들을 위해 사용되는 건물일 수 있어, 밤 또는 낮 동안 다른 시간에 가열/냉각이 필요하다. 일 예시에서, 제1 건물은 낮 시간 동안 템퍼링(tempering)을 요구하는 사무실 건물 또는 사업장(business premise)이고, 제3 건물은 주로 저녁, 밤 및 주말 동안 템퍼링을 요구하는 주거용 주택일 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 이들 및 다른 측면들은 본 발명의 실시예들을 도시하는 첨부된 도면들을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 도면들은 본 발명의 실시예들의 일반적인 구조들을 도시하기 위해 제공된다. 동일한 도면 부호들은 동일한 요소들을 지칭한다.
도 1은 건물들과 상호 작용하는 종래의 지역 냉각 그리드의 개략도이며, 각각은 국부 냉각 시스템을 갖는다.
도 2는 본 발명의 결합된 가열 및 냉각 시스템의 개략도이다.
도 3은 별도의 건물에 배열된 추가 국부 가열 시스템을 포함하는 본 발명의 결합된 가열 및 냉각 시스템의 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 1과 관련하여, 종래 기술에 따른 지역 냉각 그리드(1)가 설명될 것이다. 지역 냉각 그리드(1)는 냉각을 필요로 하는 사무실 건물들, 사업장들, 주택들 및 공장들과 같은 건물들(2)에 배열된 국부 냉각 시스템들(3)에 냉각 유체를 전달하는 하나 또는 수 개의 유압 네트워크들(hydraulic networks)(도시되지 않음)에 의해 형성된다. 전형적인 지역 냉각 그리드(1)는 냉각 유체를 냉각시키는 지역 냉각 플랜트(district cooling plant)(4)를 포함한다. 지역 냉각 플랜트는 예를 들어 호수 물(lake water)을 이용하는 발전소(power plant)일 수 있다. 냉각된 냉각 유체는 도관 네트워크(conduit net work)(6)의 일부를 형성하는 공급 도관(5)을 통해 건물들(2)에 배열된 국부적으로 분포된 소비 냉각 장치들(consuming cooling devices)(7)로 이송된다. 하나의 동일한 건물(2)이 몇 개의 소비 냉각 장치들(7)을 포함할 수 있음은 물론이다. 소비 냉각 장치들(7)의 예시들은 에어 컨디셔너들 및 냉장고들이다.
냉각된 냉각 유체의 냉각이 소비 냉각 장치들(7)에서 소비될 때, 냉각 유체의 온도가 상승되고 이렇게 가열된 냉각 유체는 도관 네트워크(6)의 일부를 형성하는 복귀 도관(8)을 통해 지역 냉각 플랜트(4)로 복귀된다.
지역 냉각 그리드들(1)은 쾌적 냉각 요구들(comfort cooling demands)을 충족시키기 위해 사용된다. 공급 도관(5) 내의 냉각 유체의 온도는 전형적으로 4-12 ℃ 사이이다. 복귀 도관(8)의 복귀 온도는 전형적으로 10-18 ℃ 사이이다.
유압 네트워크의 공급 도관들과 복귀 도관들 사이의 구동 압력 차이는 항상 공급 도관(5)의 압력이 복귀 도관(8)의 압력보다 더 높아지는 소위 "압력 콘(pressure cone)"을 생성한다. 이 압력 차이는 지역 냉각 플랜트와 냉각 소비 장치들 사이의 유압 네트워크에서 냉각 유체를 순환시킨다.
지역 냉각 그리드(1)에 사용되는 도관은 일반적으로 최대 압력이 0.6 또는 1 MPa이고 최대 온도가 약 50 ℃로 설계된 플라스틱 절연되지 않은 도관들(plastic un-insulated conduits)이다. 또한, 냉각 유체 및 이에 따른 에너지 캐리어(energy carrier)는 일반적으로 물이지만, 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. 복귀된 냉각 유체의 에너지 함량(energy content)은 폐 에너지로 간주되는 선행 기술에 따른다.
이제 본 발명의 결합된 냉각 및 가열 시스템(100)을 개략적으로 도시하는 도 2를 참조한다. 가장 넓은 의미에서, 결합된 냉각 및 가열 시스템은 국부 가열 시스템(200) 및 국부 냉각 시스템(300)을 포함한다. 2 개의 국부 시스템들(200, 300)은 도 2에 개시된 바와 같이 하나의 동일한 건물(2)에 또는 별개의 건물들에 배열될 수 있다. 2 개의 시스템들(200, 300)은 지역 냉각 그리드(1)에 연결된다. 이해를 용이하게 하기 위해, 지역 냉각 그리드(1)는 공급 도관(5)의 일부 및 복귀 도관(8)의 일부에 의해 개시된다. 국부 냉각 시스템(300)은 열 교환기(9)를 통해 지역 냉각 그리드(1)와 상호 연결한다. 국부 가열 시스템(200)은 열 펌프(10)를 통해 지역 냉각 그리드와 상호 연결한다.
지역 냉각 그리드(1)는 도 1을 참조하여 전술한 것과 동일한 설계를 가지며, 과도한 반복을 피하기 위해, 지역 냉각 그리드(1)를 설명하는 상기 섹션들을 참조한다. 그러나, 본 발명과 관련하여, 지역 냉각 시스템(1)은 냉각 목적들로만 사용되지 않는다.
국부 냉각 시스템(300)은 냉각기(11)를 포함한다. 냉각기들(11)은 당 업계에 공지되어 있으며, 예를 들어 냉각을 필요로 하는 사무실 건물들, 사업장들, 주택들 및 공장들과 같은 건물들에서의 쾌적한 냉각을 위해 사용될 수 있다.
냉각기(11)는 열 교환기(9)를 통해 지역 냉각 그리드(1)에 연결된다. 열 교환기들은 당 업계에 공지되어 있으며, 기본적으로 제1 온도를 갖는 제1 유체를 순환시키는 제1 폐쇄 회로(closed circuit)(9a), 및 제2 온도를 갖는 제2 유체를 순환시키는 제2 폐쇄 회로(9b)를 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 서로 밀접하게 접하는 연장부(extension)를 따른 2 개의 회로들(9a, 9b)에 의해 열 전달이 2 개의 유체들 사이에서 발생한다. 지역 냉방 그리드에 연결된 국부 냉각 시스템(300)에서, 제1 회로(9a)는 건물(2)에 국부적으로 배열되고, 제2 회로(9b)는 국부 냉각 그리드(1)의 일부를 형성한다. 건물들의 국부 냉각 시스템들에 사용되는 열 교환기들은 일반적으로 환기구(ventilation)의 공기 덕트들(air ducts)에 위치하거나 건물의 개별 공간들에 있는 팬 구동식 공기-코일 집열기들(fan-driven air-coil collectors) 또는 천장 장착형 냉각 배터리들(ceiling mounted cooling batteries)을 통해 분배된다. 그러나 가공처리한 냉각은 열 교환기 자체에 직접 연결될 수 있다.
본 발명의 문맥에서 "열 교환기(9)의 입구(14a)"라는 용어는 열 교환기(9)에 지역 냉각 그리드(1)로부터의 냉각 유체가 공급되는 입구로서 해석되어야 한다. 마찬가지로, "열 교환기(9)의 출구(14b)"는 열 교환기(9)가 냉각 유체를 지역 냉각 그리드(1)로 복귀시키는 출구로서 해석되어야 한다.
국부 가열 시스템(200)은 열 방출기(heat emitter)(12)를 포함한다. 열 방출기들(12)은 당 업계에 공지되어 있으며, 예를 들어 사무실 건물들, 사업장들, 주택들 및 공장들과 같은 건물들을 쾌적하게 가열, 및/또는 수돗물을 가열하는데 사용된다.
열 방출기(12)는 열 펌프(10)를 통해 지역 냉각 그리드(1)에 상호 연결된다. 열 펌프(10)는 당 업계에 공지되어 있으며, 기본적으로 제1 열 교환기와 제2 열 교환기 사이에서 염수(brine)가 순환되는 폐쇄 회로(13)를 포함한다. 제1 열 교환기는 입구(15a) 및 출구(15b)를 가지며, 입구(15a) 및 출구(15b)를 통해, 열 펌프(10)가 제1 유체(이 경우에는 지역 냉각 그리드(1)의 냉각 유체)의 흐름을 순환시키는 제1 회로(13a)에 연결된다. 마찬가지로, 제2 열 교환기는 입구 및 출구를 가지며, 입구 및 출구를 통해 열 펌프(10)가 제2 유체(이 경우에는 국부 가열 시스템(200)의 가열 유체)의 흐름을 순환시키는 제2 회로(13b)에 연결된다. 국부 가열 시스템에서의 가열 유체는 일반적으로 물이지만, 다른 유체 또는 유체의 혼합물이 사용될 수 있는 것으로 이해해야 한다. 일부 비 제한적인 예시들은 암모니아, 부동액(예를 들어, 글리콜), 오일 및 알콜이다. 혼합물의 비 제한적인 예시는 글리콜과 같은 동결 방지제가 첨가된 물이다.
본 발명의 문맥에서, "열 펌프(10)의 입구(15a)"라는 용어는 열 펌프(10)에 지역 냉각 그리드(1)의 냉각 유체가 공급되는 제1 회로(13a)의 입구로서 해석되어야 한다. 마찬가지로, "열 펌프(10)의 출구(15b)"라는 용어는 열 펌프(10)가 냉각 유체를 지역 냉각 그리드(1)로 복귀시키는 제1 회로(13a)의 출구로서 해석되어야 한다.
다음으로, 지역 냉각 그리드(1)와 열 교환기(9) 및 열 펌프(10) 사이의 연결이 각각 개시될 것이다.
열 교환기(9)의 입구(14a)는 지역 냉각 그리드(1)의 공급 도관(5)에 연결된다. 또한, 열 교환기(9)의 입구(14a)는 열 펌프(10)의 출구(15b)에 연결된다.
열 교환기(9)의 출구(14b)는 지역 냉각 그리드(1)의 복귀 도관(8)에 연결된다. 또한, 열 교환기(9)의 출구(14b)는 열 펌프(10)의 입구(15a)에 연결된다.
열 펌프(10)의 입구(15a)는 지역 냉각 그리드(1)의 복귀 도관(8)에 연결된다. 또한, 열 펌프(10)의 입구(15a)는 열 교환기(9)의 출구(14b)에 연결된다.
열 펌프(10)의 출구(15b)는 지역 냉각 그리드(1)의 공급 도관(5)에 연결된다. 또한, 열 펌프(10)의 출구(15b)는 열 교환기(9)의 입구(14a)에 연결된다.
개시된 실시예에서, 열 펌프(10)의 입구(15a), 열 교환기(9)의 출구(14b), 및 복귀 도관(8)은 상호 연결된다. 또한, 열 교환기(9)의 입구(14a), 열 펌프(10)의 출구(15b), 및 공급 도관(5)은 상호 연결된다.
열 교환기(9) 및 열 펌프(10)와 지역 냉각 그리드(1) 사이의 이 상호 연결에 의해, 각각 열 펌프(10) 및 열 교환기(9)의 작동으로 인한 에너지 함량 및 종래 기술에 따른 에너지 함량은 폐 에너지로 간주되고, 열 펌프(10) 및 열 교환기(9)를 각각 작동시킬 때 유용한 입력 에너지(valuable input energy)로서 사용된다.
보다 정확하게는, 국부 냉각 시스템(300)에서 냉각 유체를 냉각시키는 열 교환기(9)로 인한 폐 열(waste heat)은 열 펌프(10)에 입력으로서 공급되는 냉각 유체로 전달될 수 있다. 마찬가지로, 국부 가열 시스템(200)에서 가열 유체를 가열하는 열 펌프(10)로 인한 폐 냉각(waste cooling)은 열 교환기(9)에 입력으로서 공급되는 냉각 유체로 전달될 수 있다.
국부 가열 시스템(200)은 펌프(16)를 더 포함할 수 있다. 펌프(16)는 복귀 도관들(8)과 공급 도관(5) 사이의 압력 차이를 극복하도록 구성된다. 펌프(16)는 열 펌프(10)를 통해 흐르는 냉각 유체의 흐름을 조절하도록 더 구성된다. 열 펌프(10)를 통과하는 냉각 유체의 흐름을 조절함과 동시에 열 펌프(10)의 작동을 선택적으로 제어함으로써, 열 펌프(10)로부터 출력되는 냉각 유체의 온도는 제어될 수 있다. 펌프(16)는 제1 제어기(17)에 의해 제어될 수 있다. 제1 제어기(17)는 열 방출기(12)의 가열 요구들(heating demands)에 관한 데이터 및/또는 열 펌프(10)의 출구(15b)에서의 냉각 유체의 온도에 관한 데이터에 기초하여 펌프(16)를 제어할 수 있다. 열 방출기(12)의 가열 요구들에 관한 데이터는 열 방출기(12)에 연결된 열 요구 센서(heat demand sensor)(21)에 의해 결정될 수 있다. 열 펌프(10)의 출구(15b)에서의 냉각 유체의 온도에 관한 데이터는 출구(15b)에 연결된 온도 센서(temperature sensor)(T1)에 의해 결정될 수 있다. 실시예가 도시된 도 2에서, 펌프(16)는 열 펌프(10)의 입구(15a)에 배열된다. 그러나, 펌프(16)는 대안적으로 열 펌프(10)의 출구(15b)에 배열될 수 있다.
국부 냉각 시스템(300)은 흐름 밸브(flow valve)(18)를 더 포함할 수 있다. 흐름 밸브(18)는 열 교환기(9)를 통해 흐르는 냉각 유체의 흐름을 조절하도록 구성된다. 열 교환기(9)를 통하는 냉각 유체의 흐름을 조절하고, 동시에 선택적으로 열 교환기(9)의 작동을 제어함으로써, 열 교환기(9)로부터 출력되는 냉각 유체의 온도가 제어될 수 있다. 흐름 밸브(18)는 제2 제어기(19)에 의해 제어될 수 있다. 제2 제어기(19)는 냉각기(11)의 냉각 요구들에 관한 데이터 및/또는 열 교환기(9)의 출구(14b)에서의 냉각 유체의 온도에 관한 데이터에 기초한 흐름 밸브(18)를 제어할 수 있다. 냉각기(11)의 냉각 요구에 관한 데이터는 냉각기(11)에 연결된 냉각 요구 센서(cooling demand sensor)(20)에 의해 결정될 수 있다. 열 교환기(9)의 출구(14b) 내의 냉각 유체의 온도에 관한 데이터는 출구(14b)에 연결된 온도 센서(T2)에 의해 결정될 수 있다. 실시예가 도시된 도 2에서, 흐름 밸브(18)는 열 교환기(9)의 출구(14b)에 배열된다. 그러나, 흐름 밸브(18)는 대안적으로 열 교환기(9)의 입구(14a)에 배열될 수 있다.
실시예가 도시된 도 2에서, 제1 및 제2 제어기(17, 19)는 별개의 제어기들로서 도시된다. 그러나, 선택적으로, 제1 및 제2 제어기(17, 19)는 단일 제어기로 결합될 수 있다.
이제 도 3을 참조하면, 결합된 냉각 및 가열 시스템(100)은 다른 건물들(2)과 별개인, 제3 건물(2')에 배열된 추가 국부 가열 시스템(further local heating system)(400)을 더 포함할 수 있다. 제3 건물(2')는 예를 들어 주거용 건물일 수 있다. 추가 국부 가열 시스템(400)을 제외하고, 결합된 냉각 및 가열 시스템(100)은 도 2를 참조하여 앞서 설명된 것과 동일하다. 과도한 반복을 피하기 위해, 단지 하나의 추가 국부 가열 시스템(400)이 아래에서 상세히 설명된다.
아래에서 설명될 특정 실시예는 쾌적 가열 또는 수돗물 가열이든 상관없이, 건물(2')의 가열 원(heating source)으로서 지역 냉각 그리드(1)의 복귀 도관(8)에 접근 가능한 폐 에너지를 사용하는 놀라운 발견이 존재한다.
추가 국부 가열 시스템(400)은 결합된 냉각 및 가열 시스템(100)의 일부를 형성하는 것과 동일한 전체 설계를 가지며, 도 2를 참조하여 상세히 설명되었다. 따라서, 추가 국부 가열 시스템(400)은 건물(2')에 배열된 열 방출기(12')를 포함한다. 열 방출기(12')는 열 펌프(10')를 통해 지역 냉각 그리드(1)에 연결된다. 본 발명의 문맥에서, "열 펌프(10')의 입구(15a')"라는 용어는 열 펌프에 지역 냉각 그리드(1)의 냉각 유체가 공급되는 제1 회로(13a')의 입구로서 해석되어야 한다. 마찬가지로, "열 펌프(10')의 출구(15b')"라는 용어는 열 펌프가 냉각 유체를 지역 냉각 그리드(1)로 복귀시키는 제1 회로(13a')의 출구로서 해석되어야 한다.
열 펌프(10')의 입구(15a')는 지역 냉각 그리드(1)의 복귀 도관(8)에 연결되고, 열 펌프(10')의 출구(15b')는 지역 냉각 그리드(1)의 공급 도관(5)에 연결된다. 따라서, 이 배열에 의해, 열 펌프(10')의 입구(15a')에는 지역 냉각 그리드(1)의 복귀 도관(8)으로부터의 가열된 냉각 유체가 공급될 수 있다. 따라서, 종래 기술에 따르는 복귀 도관(8)에서의 가열된 냉각 유체의 열은 폐 에너지가 열 펌프(10')에 대한 입력으로서 사용되는 것으로 간주된다. 또한, 이러한 배열에 의해, 열 펌프(10')의 출구(15b')가 지역 냉각 그리드(1)의 공급 도관(5)에 연결되기 때문에, 열 펌프(10')로부터의 출력으로서 전달된 냉각된 냉각 유체는 냉각된 냉각 유체의 흐름과 혼합되는 지역 냉각 그리드(1)의 공급 도관(5)에 공급된다.
따라서, 추가 국부 가열 시스템(400)은 지역 냉각 그리드(1)의 복귀 도관(8)에 접근 가능하고, 종래 기술에 따라 폐 에너지로 간주되는 열을 사용한다. 폐 에너지는 열 펌프(10')에 대한 입력으로서 사용된다. 따라서, 열 펌프(10')에는 예열된 유체가 공급됨으로써 열 펌프(10')의 에너지 소비가 감소될 수 있다. 이것은 건물(2')을 운영하는데 드는 전체 에너지 비용과 건물에 대한 전반적인 투자를 더 낮춰준다. 감소된 투자는 열 펌프의 필요한 용량이 감소될 수 있다는 사실에 있다. 마찬가지로, 열 펌프의 예상 수명은 감소된 부하로 인해 연장될 수 있다. 또한, 본 발명은 지역 냉각 그리드의 기존 기반 시설이 냉각뿐만 아니라 가열을 위해 사용될 수 있게 한다.
국부 가열 시스템(400)은 펌프(16')를 더 포함할 수 있다. 펌프(16')는 복귀 도관(8)과 공급 도관(5) 사이의 압력 차이를 극복하도록 구성된다. 펌프(16')는 또한 열 펌프(10')를 통해 흐르는 냉각 유체의 흐름을 조절하도록 구성된다. 열 펌프(10')를 통한 냉각 유체의 흐름을 조절하고 동시에 열 펌프(10')의 작동을 선택적으로 제어함으로써, 열 펌프(10')로부터 출력된 냉각 유체의 온도가 제어될 수 있다. 펌프(16')는 제어기(17')에 의해 제어될 수 있다. 제어기(17')는 열 방출기(12')의 가열 요구들에 관한 데이터 및/또는 열 펌프(10')의 출구(15b')에서의 냉각 유체의 온도에 관한 데이터에 기초하여 펌프(16')를 제어할 수 있다. 열 방출기(12')의 가열 요구들에 관한 데이터는 열 요구 센서(12')에 연결된 열 요구 센서(21')에 의해 결정될 수 있다. 열 펌프(10')의 출구(15b')에의 냉각 유체의 온도에 관한 데이터는 출구(15b')에 연결된 온도 센서(T1')에 의해 결정될 수 있다. 실시예가 도시된 도 3에서, 펌프(16')는 열 펌프(10')의 입구(15a')에 배열된다. 그러나, 펌프(16')는 대안적으로 열 펌프(10')의 출구(15b')에 배열될 수 있다.
또한, 개시된 실시예들에 대한 변형들은 도면들, 개시, 및 첨부된 청구항들의 연구로부터, 청구된 발명을 실시하는 당업자에 의해 이해되고 영향을 받을 수 있다.
결합된 냉각 및 가열 시스템은 2 개의 온도 센서들(T1-T2)로 예시되어 있다. 센서의 수 및 위치가 변경될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 또한, 제1 및 제2 제어기들(17, 19)에 대한 원하는 입력 및 원하는 복잡성에 따라 추가 센서들이 시스템에 도입될 수 있음을 이해해야 한다. 특히, 제1 및 제2 제어기들(17, 19)은 건물들(2)에 국부적으로 배열된 열 방출기들(12) 및 냉각기들(11)과 통신하여 국부 설정들(local settings)을 고려하도록 배열될 수 있다.

Claims (15)

  1. 결합된 냉각 및 가열 시스템에 있어서,
    쾌적 냉각 요구들을 충족시키는데 사용되는 지역 냉각 그리드,
    제1 건물로부터 열을 흡수하도록 구성되고, 열 교환기 입구 및 열 교환기 출구를 갖는 열 교환기를 포함하는 국부 냉각 시스템; 및
    제1 또는 제2 건물을 가열하도록 구성되고, 열 펌프 입구 및 열 펌프 출구를 갖는 열 펌프를 포함하는 국부 가열 시스템
    을 포함하고,
    상기 지역 냉각 그리드는,
    물, 부동액 또는 그 혼합물의 형태인 냉각 유체의 유입 흐름을 이끄는(conducing) 공급 도관 - 상기 냉각 유체의 유입 흐름은 4 내지 12 ℃의 범위인 제1 온도를 가짐 -,
    제2 온도를 갖는 상기 냉각 유체의 복귀 흐름을 전도하는 복귀 도관 - 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 더 높고, 상기 제2 온도는 10 내지 18 ℃의 범위에 있음 -,
    상기 복귀 도관의 유입 냉각 유체를 상기 제2 온도로부터 상기 제1 온도로 냉각하는 지역 냉각 플랜트, 및
    소비 냉각 장치로 진입하여 상기 냉각 유체를 가열함으로써 상기 냉각 유체의 냉각을 소비하도록 각각 구성되는 복수의 소비 냉각 장치 - 상기 가열된 냉각 유체는 상기 복귀 도관으로 복귀됨 -
    를 구비하고,
    상기 냉각 유체는 상기 공급 도관과 상기 복귀 도관 사이의 압력 차이에 의해 상기 지역 냉각 그리드에서 순환되고, 상기 공급 도관에서의 압력은 상기 복귀 도관에서의 압력보다 더 높고,
    상기 열 교환기 입구는,
    상기 지역 냉각 그리드의 공급 도관에 연결되고,
    상기 열 펌프 입구는,
    상기 지역 냉각 그리드의 복귀 도관 및 상기 열 교환기 출구에 연결되는
    시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열 펌프 입구, 상기 열 교환기 출구 및 상기 복귀 도관은 상호 연결되는
    시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열 교환기 입구는,
    상기 열 펌프 출구에 더 연결되는
    시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 열 교환기 입구, 상기 열 펌프 출구 및 상기 공급 도관은 상호 연결되는
    시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    펌프가 상기 열 펌프 입구 또는 상기 열 펌프 출구에 배열되고, 상기 복귀 도관 및 상기 공급 도관 사이에 상기 압력 차이를 극복하도록 구성되는,
    시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 국부 가열 시스템은,
    상기 열 펌프를 통해 흐르는 상기 냉각 유체의 흐름을 조절하기 위해 상기 펌프를 제어하도록 구성된 제1 제어기
    를 더 포함하는 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 국부 가열 시스템은,
    상기 열 펌프의 출구에서 상기 냉각 유체의 온도에 관한 데이터를 결정하도록 구성된 온도 센서
    를 더 포함하고,
    상기 제1 제어기는,
    상기 열 펌프의 출구에서 상기 냉각 유체의 온도에 관한 상기 데이터에 기초하여 상기 펌프를 제어하도록 구성되는
    시스템.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 국부 가열 시스템은,
    열 방출기 및 상기 열 방출기의 가열 요구들에 관한 데이터를 결정하도록 구성된 열 요구 센서
    를 더 포함하고,
    상기 제1 제어기는,
    상기 열 방출기의 가열 요구들에 관한 상기 데이터에 기초하여 상기 펌프를 제어하도록 구성되는
    시스템.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제1 제어기는,
    상기 열 펌프의 작동을 제어하도록 더 구성되는
    시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 국부 냉각 시스템은,
    상기 열 교환기 입구 또는 상기 열 교환기 출구에 배열되고, 상기 열 교환기를 통해 흐르는 상기 냉각 유체의 흐름을 조절하도록 구성되는 흐름 밸브
    를 더 포함하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 국부 냉각 시스템은,
    상기 열 교환기를 통해 흐르는 상기 냉각 유체의 흐름을 조절하기 위해 흐름 밸브를 제어하도록 구성된 제2 제어기
    를 더 포함하는 시스템.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 국부 냉각 시스템은,
    상기 열 교환기의 출구에서의 상기 냉각 유체의 온도에 관한 데이터를 결정하도록 구성된 온도 센서
    를 더 포함하고,
    상기 제2 제어기는,
    상기 열 교환기의 출구에서의 상기 냉각 유체의 온도에 관한 데이터에 기초하여 상기 흐름 밸브를 제어하도록 구성되는
    시스템.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 국부 냉각 시스템은,
    냉각기 및 상기 냉각기의 가열 요구들에 관한 데이터를 결정하도록 구성된 냉각 요구 센서
    를 더 포함하고,
    상기 제2 제어기는,
    상기 냉각기의 냉각 요구들에 관한 상기 데이터에 기초하여 상기 흐름 밸브를 제어하도록 구성되는
    시스템.
  14. 제1항에 있어서,
    펌프가 상기 열 펌프 입구 또는 상기 열 펌프 출구에 배열되고, 상기 복귀 도관과 상기 공급 도관 사이의 상기 압력 차이를 극복하도록 구성되고,
    상기 국부 가열 시스템은,
    상기 열 펌프를 통해 흐르는 상기 냉각 유체의 흐름을 조절하도록 상기 펌프를 제어하도록 구성된 제1 제어기
    를 더 포함하고,
    상기 국부 냉각 시스템은,
    상기 열 교환기 입구 또는 상기 열 교환기 출구에 배열되고, 상기 열 교환기를 통해 흐르는 상기 냉각 유체의 흐름을 조절하도록 구성된 흐름 밸브
    를 더 포함하며,
    상기 국부 냉각 시스템은,
    상기 열 교환기를 통해 흐르는 상기 냉각 유체의 흐름을 조절하도록 흐름 밸브를 제어하도록 구성된 제2 제어기
    를 더 포함하고,
    상기 제1 및 제2 제어기들은,
    단일 제어기로서 결합되는
    시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 결합된 냉각 및 가열 시스템은,
    제3 건물을 가열하도록 구성되고, 상기 지역 냉각 그리드의 복귀 도관에 연결된 입구 및 상기 지역 냉각 그리드의 공급 도관에 연결된 출구를 갖는 추가 열 펌프를 포함하는 추가 국부 가열 시스템
    을 더 포함하는 시스템.
KR1020187037495A 2016-07-07 2017-06-29 결합된 냉각 및 가열 시스템 KR102171919B1 (ko)

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EP16178378.2 2016-07-07
EP16178378.2A EP3267119A1 (en) 2016-07-07 2016-07-07 Combined heating and cooling system
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