KR102302927B1 - 천장형 액체 흡습제 공조 시스템 - Google Patents

천장형 액체 흡습제 공조 시스템 Download PDF

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에머슨 클리메이트 테크놀로지즈 인코퍼레이티드
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Abstract

공조 시스템은 다수의 액체 흡습제 천장형 유닛을 포함하고, 각각의 액체 흡습제 천장형 유닛은 빌딩 내부 공간 공기를 처리하기 위하여 빌딩 내에 설치된다. 처리된 외부 공기 흐름을 빌딩으로 제공하는 외부 공기 전용 시스템 (DOAS)도 또한 개시된다.

Description

천장형 액체 흡습제 공조 시스템{IN-CEILING LIQUID DESICCANT AIR CONDITIONING SYSTEM}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2013년 6월 12일에 출원된 제습용 천장형 액체 흡습제 시스템으로 명명된 미국 임시 특허 출원 번호 61/834,081에 대한 우선권을 주장한다.
본원은 포괄적으로 공간 (space)에 유입되는 공기 흐름을 제습하고 냉각하기 위한 액체 흡습제 막 모듈 사용에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본원은 액체 흡습제를 공기 흐름과 분리하는 미세공 막의 사용에 관한 것이고, 여기에서 유체들 간에 높은 열 및 습기 전달률이 달성되도록 유체 흐름 (공기, 열 전달 유체, 및 액체 흡습제)의 난류가 형성된다. 본원은 또한 현수 천장에 또는 근처에 막 모듈을 배치함으로써 외부 냉원 및 열원 지원으로 빌딩 공간을 국부적으로 제습하는 이러한 막 모듈의 적용에 관한 것이다.
액체 흡습제는 종래 증기 압축 HVAC 설비와 병렬적으로 사용되어 공간, 특히 다량의 외부 공기를 필요로 하거나 빌딩 공간 내부 자체에 큰 습도 부하를 가지는 공간 내에서 습도를 낮출 수 있다. 예를들면, 마이애미 플로리다와 같은 습한 기후는 공간의 거주자에게 필요한 신선한 공기에 대한 처리(제습 및 냉방)를 위해 큰 에너지를 필요로 한다. 종래 증기 압축 시스템은 제습을 위한 제한된 기능만을 가지고 있고, 공기를 과도하게 냉각하는 경향이 있고, 때로 에너지 집약적인 재가열 시스템이 필요하지만 재가열은 냉각 시스템에 추가적인 열-부하를 부가하거나 공간에 제공되는 순수 냉각을 감소시키므로 전체 에너지 비용을 크게 증가시킨다. 액체 흡습제 시스템은 수년 동안 사용되어 왔고, 일반적으로 공기 흐름에서 습기를 제거하는데 있어 상당히 효과적이다. 그러나 액체 흡습제 시스템은 일반적으로 LiCl, LiBr 또는 CaCl2 및 물의 용액과 같은 농축 염 용액을 사용한다. 이러한 염수 (brine)들은 아주 소량이라도 부식성이 강하기 때문에 처리 공기 흐름에 대하여 흡습제 잔재를 남기지 않기 위해 수많은 시도들이 있었다 일반적으로 폐쇄 흡습제 시스템으로 분류되고 흡수식 냉동기라고 불리는 설비에서 통상 사용되는 하나의 방법은 진공 용기에 염수를 넣고 흡습제를 담는다. 공기가 흡습제에 직접 노출되지 않으므로, 이러한 시스템은 공급 공기 흐름에 흡습제 입자가 동반도리 임의의 위험성이 없다. 그러나 흡수식 냉동기는 초기 비용 및 유지 비용 양 측면에서 고가이다. 개방 흡습제 시스템은 일반적으로 흡습제를 냉각탑에서 사용되는 것과 유사한 충전층 상부로 유동시킴으로써 공기 흐름 및 흡습제를 직접 접촉시킨다. 이러한 충전층 시스템은 전재 위험성 외에도 다른 단점들이 있다: 충전층으로 인하여 공기 흐름에 큰 저항이 생겨 더욱 높은 팬 전력 및 충전층에서 압력 강하가 일어나고, 따라서 더욱 큰 에너지가 필요하다. 또한, 흡습제에 수증기가 흡수되는 과정에서 방출되는 응축열이 빠져 나갈 곳이 없으므로 제습 과정은 단열적이다. 따라서 흡습제 및 공기 흐름 모두 응축열 방출로 가열된다. 이에 따라 냉각 건조 공기 흐름이 요구되는 곳에 가온 건조 공기 흐름이 생기고, 제습-후 냉각 코일이 필요하게 된다. 더욱 가온된 흡습제는 또한 수증기 흡수에 급격하게 비효율적이고, 시스템은 더욱 다량의 흡습제를 충전층에 공급하여야 하고 흡습제는 흡습제 및 열 전달 유체로서 이중 역할을 하므로 더욱 큰 흡습제 이송 전력이 필요하다. 더욱 높은 흡습제 범람률 (flooding rate)은 또한 흡습제 동반 위험성을 높인다. 공기 흐름으로 흡습제 동반을 방지하기 위하여 일반적으로 개방 흡습제 시스템에서 공기 유속은 난류 영역보다 낮게 유지될 필요가 있다 (Reynolds 수가 ~2,400 이하).
최신 고층 건물은 전형적으로 거주자 쾌적함 및 공기 질에 있어서 요구되는 외부 공기 공급과 필요한 온도로 공간을 유지하기 위하여 필요한 감열 냉각 또는 가열을 분리한다. 때로 이러한 빌딩에서 외부 공기는 현수 천장에 있는 덕트 시스템에 의해 중앙 외부 공기 처리 유닛 (handling unit)으로부터 각각 및 모든 공간에 제공된다. 외부 공기 처리 유닛은 공기를, 전형적으로 실내 자연 온도 약간 밑으로 (65-70F) 및 상대 습도 약 50%로 제습 및 냉각하여 처리된 외부 공기를 각각의 공간으로 전달한다. 또한, 각각의 공간에서 하나 이상의 팬-코일 유닛 (때로 변풍량 유닛이라고 칭함)이 설치되어 공간으로부터 일부 공기를 제거하여, 수 냉각 또는 가열 코일을 통과시켜 다시 공간으로 보낸다.
외부 공기 처리 유닛 및 팬-코일 유닛 사이에, 공간 조건들은 통상 적당한 수준에서 유지될 수 있다. 그러나, 소정의 조건들에서, 예를들면 외부 공기 습도가 높거나, 또는 공간 내부에서 상당한 습도가 발생하거나 또는 창문을 열어 과량의 공기를 공간으로 유입하는 경우, 공간 내부 습도는 현수 천장에 있는 팬-코일이 코일 냉각 표면에서 물을 응축하는 지점 이상으로 상승될 수 있고, 이에 따라 물에 의한 잠재적 손상 및 곰팡이 성장의 우려가 있다. 일반적으로 팬-코일이 장착된 천장에서의 응축은 이러한 이유로 바람직하지 않다.
천장의 공기 흐름에서 습기를 포집하고, 동시에 공기 흐름을 냉각하고 또한 이러한 공기 흐름의 냉각 표면에서의 응축 위험성을 제거할 수 있는 비용 효율적이고, 구현가능하고 열효율적 방법을 제공하는 시스템에 대한 필요성이 존재한다. 또한 이러한 시스템은 현존 빌딩 인프라와 양립될 수 있어야 하고 물리적 크기는 현존 팬-코일 유닛과 양립될 수 필요가 있다.
액체 흡습제를 이용하여 공기 흐름에서 효율적인 제습을 위한 방법 및 시스템이 본원에서 제공된다. 하나 이상의 실시태양들에 의하면, 액체 흡습제는 강하막으로서 얇은 지지판의 면을 따라 하강하고 액체 흡습제는 막으로 둘러싸이며, 공기 흐름은 막 위에서 송풍된다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 유체는 액체 흡습제와 반대 측에서 지지판 측면을 흐른다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 유체가 냉각되고 이에 따라 지지판이 냉각되고 다시 지지판의 반대 측에 있는 액체 흡습제가 냉각된다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 냉각 유체는 중앙 냉각수 설비에서 제공된다. 일부 실시태양들에서, 따라서 냉각된 액체 흡습제는 공기 흐름을 냉각시킨다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제는 할로겐 염 용액이다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제는 염화리튬 및 물이다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제는 염화칼슘 및 물이다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제는 염화리튬, 염화칼슘 및 물의 혼합물이다. 일부 실시태양들에서, 막은 미세공 고분자 막이다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 유체가 가열되어 지지판이 가열되고 이는 다시 액체 흡습제를 가열한다. 일부 실시태양들에서, 따라서 가열된 액체 흡습제는 공기 흐름을 가열한다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 가열 유체는 중앙 열수 설비 예컨대 보일러 또는 열병합발전 설비에 의해 제공된다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제 농도는 일정하게 조절된다. 일부 실시태양들에서, 막 위의 공기 흐름이 액체 흡습제와 수증기를 교환하여 공기 흐름이 일정한 상대 습도를 가지도록 농도는 일정 수준으로 유지된다. 일부 실시태양들에서, 공기 흐름이 제습되도록 액체 흡습제는 농축된다. 일부 실시태양들에서, 공기 흐름이 가습되도록 액체 흡습제는 희석된다. 일부 실시태양들에서, 막, 액체 흡습제 판 조립체는 천장 높이 지점에 배치된다. 일부 실시태양들에서, 천장 높이 지점은 현수 천장이다. 일부 실시태양들에서, 공기 흐름은 천장 높이 지점 아래에서 인출되어, 막/액체 흡습제 판 조립체 위로 보내지고 여기에서 공기 흐름은 경우에 따라 가열 또는 냉각되고 경우에 따라 가습 또는 제습되어 천장 높이 지점 아래 공간으로 다시 보내진다.
하나 이상의 실시태양들에 의하면, 액체 흡습제는 액체 흡습제 이송 루프 (pumping loop)에 의해 순환된다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제는 지지판 바닥 근처에서 회수 탱크로 회수된다. 일부 실시태양들에서, 회수 탱크의 액체 흡습제는 액체 흡습제 분배 시스템에 의해 재생된다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 유체는 열 교환기를 통해 주요 빌딩 열 전달 유체 시스템과 열적으로 결합된다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 유체 시스템은 냉각수 루프 시스템이다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 유체 시스템은 열수 루프 시스템 또는 스팀 루프 시스템이다.
하나 이상의 실시태양들에 의하면, 천장 높이 장착된 액체 흡습제 막 판 조립체는 중앙 재생 설비로부터 농축 또는 희석 액체 흡습제를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 재생 설비는 천장 높이 장착된 다중 액체 흡습제 막 판 조립체들에 제공되는 중앙 설비이다. 일부 실시태양들에서, 중앙 재생 설비는 또한 액체 흡습제 전용 외부 공기 시스템 (DOAS)을 제공한다. 일부 실시태양들에서, DOAS는 빌딩의 여러 공간들로 외부 공기를 제공한다. 일부 실시태양들에서, DOAS는 액체 흡습제를 사용하지 않는 통상적인 DOAS이다.
하나 이상의 실시태양들에 의하면, 액체 흡습제 DOAS는 처리된 외부 공기 흐름을 빌딩 내의 덕트 분배 시스템에 제공한다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제 DOAS는 여러 조의 액체 흡습제 막 판 조립체 및 액체 흡습제에 열을 제거 또는 부가하는 열 전달 유체로 구성된다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판은 외부 공기 흐름을 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판은 또한 열 전달 냉각 유체를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판에서 유출되는 공기 흐름은 제2 조의 액체 흡습제 막 판으로 향하고, 여기서 또한 열 전달 냉각 유체를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 판은 농축 액체 흡습제를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 농축 액체 흡습제는 중앙 액체 흡습제 재생 설비에 의해 제공된다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 액체 흡습제 막 판에 의해 처리된 공기는 빌딩으로 보내지고 내부 여러 공간으로 분배된다. 일부 실시태양들에서, 일정량의 공기는 상기 공간에서 인출되어 다시 액체 흡습제 DOAS로 복귀된다. 일부 실시태양들에서, 순환 공기는 제3 조의 액체 흡습제 막 판으로 보내진다. 일부 실시태양들에서, 제3 조의 액체 흡습제 막 판은 열 전달 가열 유체를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 가열 유체는 중앙 열수 설비에 의해 제공된다. 일부 실시태양들에서, 중앙 열수 설비는 보일러실, 또는 중앙 열병합발전 설비이다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판은 제3 조의 액체 흡습제 막 판으로부터 열 교환기를 통해 액체 흡습제를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제는 액체 흡습제 이송 시스템에 의해 순환되고, 하나 이상의 액체 흡습제 회수 탱크를 이용한다.
하나 이상의 실시태양들에 의하면, 액체 흡습제 DOAS는 처리된 외부 공기 흐름을 빌딩 내의 덕트 분배 시스템에 제공한다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제 DOAS는 여러 조의 액체 흡습제 막 판 조립체 및 액체 흡습제에 열을 제거 또는 부가하는 열 전달 유체로 구성된다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판은 외부 공기 흐름을 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판에서 유출되는 공기 흐름은 제2 조의 액체 흡습제 막 판으로 향하고, 여기서 열 전달 냉각 유체를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 판은 농축 액체 흡습제를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 농축 액체 흡습제는 중앙 액체 흡습제 재생 설비에 의해 제공된다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 액체 흡습제 막 판에 의해 처리된 공기는 빌딩으로 보내지고 내부 여러 공간으로 분배된다. 일부 실시태양들에서, 일정량의 공기는 상기 공간에서 인출되어 다시 액체 흡습제 DOAS로 복귀된다. 일부 실시태양들에서, 순환 공기는 제3 조의 액체 흡습제 막 판으로 보내진다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판은 제3 조의 액체 흡습제 막 판으로부터 액체 흡습제를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판은 또한 제3 조의 판으로부터 열 전달 유체를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 시스템은 감열 및 잠열 에너지 모두를 제3 조의 액체 흡습제 막 판에 유입되는 순환 공기 흐름에서 회수한다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제는 액체 흡습제 이송 시스템에 의해 순환되고, 하나 이상의 액체 흡습제 회수 탱크를 이용한다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 유체는 제1 조의 액체 흡습제 막 판 및 제3 조의 액체 흡습제 막 판 사이에서 순환된다.
하나 이상의 실시태양들에 의하면, 액체 흡습제 DOAS는 처리된 외부 공기 흐름을 빌딩 내의 덕트 분배 시스템에 제공한다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제 DOAS는 여러 조의 액체 흡습제 막 판 조립체 및 액체 흡습제에 열을 제거 또는 부가하는 열 전달 유체로 구성된다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판은 외부 공기 흐름을 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판에서 유출되는 공기 흐름은 제2 조의 액체 흡습제 막 판으로 향하고, 여기서 열 전달 냉각 유체를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 판은 농축 액체 흡습제를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 농축 액체 흡습제는 중앙 액체 흡습제 재생 설비에 의해 제공된다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 액체 흡습제 막 판에 의해 처리된 공기는 빌딩으로 보내지고 내부 여러 공간으로 분배된다. 일부 실시태양들에서, 일정량의 공기는 상기 공간에서 인출되어 다시 액체 흡습제 DOAS로 복귀된다. 일부 실시태양들에서, 이러한 순환 공기는 제3 조의 액체 흡습제 막 판으로 보내진다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판은 제3 조의 액체 흡습제 막으로부터 액체 흡습제를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판은 또한 제3 조의 판으로부터 열 전달 유체를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 시스템은 감열 및 잠열 에너지 모두를 제3 조의 액체 흡습제 막 판에 유입되는 순환 공기 흐름에서 회수한다. 일부 실시태양들에서, 제3 조의 액체 흡습제 막 판에서 유출되는 공기는 제4 조의 액체 흡습제 막 판으로 보내진다. 일부 실시태양들에서, 제4 조의 액체 흡습제 막 판은 열 전달 가열 유체를 중앙 열수 설비로부터 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제4 조의 액체 흡습제 막 판에 의해 수용되는 열 전달 가열 유체는 제4 조의 액체 흡습제 막 판에 존재하는 액체 흡습제를 재생하기 위하여 사용된다. 일부 실시태양들에서, 제4 조의 액체 흡습제 막 판으로부터 농축 액체 흡습제는 액체 흡습제 이송 시스템에 의해 열 교환기를 통해 제2 조의 액체 흡습제 막 판으로 보내진다. 일부 실시태양들에서, 제1 및 제3 조의 액체 흡습제 막 판들 간의 액체 흡습제는 액체 흡습제 이송 시스템에 의해 순환되고, 하나 이상의 액체 흡습제 회수 탱크를 이용한다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 유체는 제1 및 제3 조의 액체 흡습제 막 판들 사이에서 순환되어 제1 및 제3 조의 액체 흡습제 막 판들 사이에서 감열 에너지를 전달한다.
하나 이상의 실시태양들에 의하면, 액체 흡습제 DOAS는 처리된 외부 공기 흐름을 빌딩 내의 덕트 분배 시스템으로 제공한다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제 DOAS는 여러 조의 액체 흡습제 막 판 조립체 및 통상적인 냉각 또는 가열 코일 및 액체 흡습제 및 가열 및 냉각 코일에 열을 제거하거나 부가하는 열 전달 유체로 구성된다. 일부 실시태양들에서, 제1 냉각 코일은 외부 공기 흐름을 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 냉각 코일은 또한 외부 공기 흐름에서 습기를 응축시키도록 열 전달 냉각 유체를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 냉각 코일에서 유출되는 공기 흐름은 제1 조의 액체 흡습제 막 판으로 보내지고, 여기에서 또한 열 전달 냉각 유체를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판은 농축 액체 흡습제를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 액체 흡습제 막 판에 의해 처리된 공기는 빌딩을 향하고 내부 여러 공간으로 분배된다. 일부 실시태양들에서, 소정량의 공기는 상기 공간에서 인출되고 액체 흡습제 DOAS로 다시 순환된다. 일부 실시태양들에서, 이러한 순환 공기는 제1 열수 코일을 향한다. 일부 실시태양들에서, 제1 열수 코일은 열수를 중앙 열수 설비로부터 수용한다. 일부 실시태양들에서, 열수 설비는 중앙 보일러 시스템이다. 일부 실시태양들에서, 중앙 열수 시스템은 열병합발전 설비이다. 일부 실시태양들에서, 제1 열수 코일을 떠나는 공기는 제2 조의 액체 흡습제 막 판으로 보내진다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 액체 흡습제 막 판은 또한 열 전달 가열 유체를 중앙 열수 설비에서 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 액체 흡습제 막 판에 의해 수용된 열 전달 가열 유체는 제2 조의 액체 흡습제 막 판에 존재하는 액체 흡습제를 재생하는데 사용된다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 액체 흡습제 막 판으로부터 농축 액체 흡습제는 액체 흡습제 이송 시스템에 의해 열 교환기를 통해 제1 조의 액체 흡습제 막 판으로 보내진다. 일부 실시태양들에서, 제1 및 제2 조의 액체 흡습제 막 판들 간의 액체 흡습제는 액체 흡습제 이송 시스템에 의해 순환되고, 하나 이상의 액체 흡습제 회수 탱크를 이용한다.
하나 이상의 실시태양들에 의하면, 액체 흡습제 DOAS는 처리된 외부 공기 흐름을 빌딩 내의 덕트 분배 시스템으로 제공한다. 일부 실시태양들에서, 액체 흡습제 DOAS는 제1 및 제2 조의 액체 흡습제 막 모듈 조립체 및 통상적인 물-대-물 열 펌프 시스템으로 구성된다. 일부 실시태양들에서, 물-대-물 열 펌프 시스템은 빌딩의 냉각수 루프와 열적으로 결합된다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 막 모듈 중 하나는 외부 공기에 노출되고 또한 빌딩 냉각수 루프와 열적으로 결합된다. 일부 실시태양들에서, 물-대-물 열 펌프는 빌딩 냉각수가 제1 조의 막 모듈에 도달하기 전에 냉각시키도록 결합되어 막 모듈로부터 더욱 낮은 공급 공기 온도를 발생시킨다. 일부 실시태양들에서, 물-대-물 열 펌프는 빌딩 냉각수가 제1 조의 막 모듈과 상호 작용한 후에 냉각시키도록 결합되어 빌딩에 더욱 높은 공급 공기 온도를 발생시킨다. 일부 실시태양들에서, 빌딩에서 물이 물-대-물 열 펌프 및 제1 조의 막 모듈로 흐르는 방식을 제어함으로써 시스템은 빌딩 공급 공기의 온도를 조절하도록 설정된다. 하나 이상의 실시태양들에 의하면, 물-대-물 열 펌프는 열수 또는 열 전달 가열 유체를 제2 조의 막 모듈에 제공한다. 일부 실시태양들에서, 열 전달 가열 유체로부터 열은 막 모듈에서 액체 흡습제를 재생하는데 사용된다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 막 모듈은 빌딩으로부터 순환 공기를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 막 모듈은 빌딩으로부터 외부 공기를 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제2 조의 막 모듈은 순환 공기 및 외부 공기의 혼합물을 수용한다. 일부 실시태양들에서, 제1 조의 막 모듈로 보내지는 외부 공기는 에너지 회수 시스템의 제1 구역에 의해 예비-처리되고 제2 조의 막 모듈로 보내지는 공기는 에너지 회수 시스템의 제2 구역에 의해 예비-처리된다. 일부 실시태양들에서, 에너지 회수 시스템은 흡습제 휠 (wheel), 엔탈피 휠, 열 휠 또는 기타 등이다. 일부 실시태양들에서, 에너지 회수 시스템은 일조의 히트파이프 또는 공기 대 공기 열 교환기 또는 임의의 편의적 에너지 회수 장치를 포함한다. 일부 실시태양들에서, 에너지 회수는 제3 및 제4 조의 막 모듈로 달성되고 여기에서 감열 및/또는 잠열 에너지가 회수되고 제3 및 제4 조의 막 모듈 사이로 전달된다.
어떠한 방식으로도 상세한 설명은 출원의 개시에 대한 한정을 의도하는 것은 아니다. 많은 제조 변형이 그 자체의 장점 및 단점과 함께 언급한 다양한 요소의 조합으로 구현될 수 있다. 본 개시는 어떠한 방식으로도 이러한 요소들의 특정 집합 또는 조합으로 한정되는 것은 아니다.
도 1은 중앙 외부 공기-처리 유닛이 신선 공기를 공간에 제공하고 중앙 냉동기는 공간 냉각 또는 가열용 냉수 또는 열수를 제공하는 고층 빌딩을 도시한 것이다.
도 2는 도 1에서 사용되는 천장 장착된 팬-코일 유닛의 상세도이다.
도 3은 수평 공기 흐름을 제습 및 냉각하는3-웨이 액체 흡습제 막 모듈을 보인다.
도 4는 도 3의 액체 흡습제 막 모듈의 단일 막 판 구조체 개념을 보인다.
도 5는 100% 외부 공기를 처리할 수 있는 선행 기술의 액체 흡습제 막 제습 및 냉각 시스템을 보인다.
도 6은 하나 이상의 실시태양들에 따라 천장 장착된 지점에서 공기 흐름을 냉각 및 제습할 수 있는 천장 장착된 막 제습 모듈을 보인다.
도 7은 하나 이상의 실시태양들에 따라 현존 팬-코일 유닛을 단순히 대체함으로써 도 6의 시스템이 고층 빌딩에 장착되는 방법을 보인다.
도 8은 하나 이상의 실시태양들에 따라 에너지 회수를 위한 일조의 막 액체 흡습제 모듈 및 공간 조화에 필요한 외부 공기 처리를 위한 분리 모듈을 이용하는 중앙 공기 처리 유닛을 보인다.
도 9는 하나 이상의 실시태양들에 따라 동시에 양자가 아닌 단지 냉각수 또는 열수만이 제공되는 도 8 시스템의 대안적 구현예를 보인다.
도 10은 하나 이상의 실시태양들에 따라 냉각수 및 열수 모두가 동시에 이용되는 도 8 시스템의 대안적 구현예를 보인다.
도 11은 하나 이상의 실시태양들에 따라 냉각수 루프는 조화기 (conditioner)로 들어가는 공기를 예비-냉각하는데 사용되고 열수 루프는 재생기 (regenerator)에 들어가는 공기를 예비 가열하기 위하여 사용되는 도 8 시스템의 대안적 구현예를 보인다.
도 12는 하나 이상의 실시태양들에 의해3-웨이 액체 흡습제 모듈을 이용하는 에너지 회수 과정의 예시적 과정 (습공기) 선도를 보인다.
도 13은 도 8-10의 중앙 공기 처리 유닛과 현존 빌딩 냉각수 시스템을 통합하는 방식을 도시하고, 하나 이상의 실시태양들에 의하면 중앙 공기 처리 유닛은 로컬 압축기 시스템을 이용하여 액체 흡습제 재생에 필요한 열을 발생시킨다.
도 14는 하나 이상의 실시태양들에 따라 도 13 시스템이 빌딩 및 공기 처리 유닛의 수온에 미치는 영향을 보인다.
도 1은 최신 빌딩의 전형적인 공조 시스템 구현예를 도시한 것이고 외부 공기 및 공간 냉각 및 가열은 별도 시스템에 의해 제공된다. 이러한 구현은 산업계에서 외부 공기 전용 시스템 또는 DOAS라고 알려져 있다. 예시적 빌딩은 2층이고 빌딩 지붕 (105)에 중앙 공기 처리 유닛 (100)이 구비된다. 중앙 공기 처리 유닛 (100)은 온도는 통상 실내 자연 조건보다 약간 낮고 (65-70F) 상대 습도는 50% 또는 기타 등인 처리된 신선 공기 흐름 (101)을 빌딩에 제공한다. 덕트 시스템 (103)은 공기를 여러 공간들로 제공하고 공간들로 직접 또는 현수 천장 빈 공간 (106)에 장착된 팬-코일 유닛 (107)으로 유도한다. 팬-코일 유닛 (107)은 공간 (110)으로부터 공기 (109)를 빼내 팬-코일 유닛 (107) 내부에 장착된 냉각 또는 가열 코일 (115)를 통과시킨다. 냉각되거나 또는 가열된 공기 (108)는 다시 공간으로 돌아가고 거주자에게 쾌적한 환경을 제공한다. 공기 질을 유지하기 위하여 공간에서 빼낸 일부 공기 (109)는 덕트 (104)를 통해 배기되어 다시 중앙 공기 처리 유닛 (100)으로 순환된다. 공기 처리 유닛 (100)으로 복귀하는 순환 공기 (102)는 여전히 상대적으로 냉각되고 건조하므로 (하절기에 또는 경우에 따라 동절기에는 고온 다습), 중앙 공기 처리 유닛 (100)은 순환 공기 흐름에 존재하는 에너지 일부를 회수하거나 이용하도록 구성된다. 이는 때로 전체 에너지 휠, 엔탈피 휠, 흡습제 휠, 공기 대 공기 에너지 회수 유닛, 히트파이프, 열 교환기 및 기타 등으로 달성된다.
도 1의 팬 코일 (115)은 또한 냉각수 (냉각 운전용) 또는 온수 (가열 운전용)가 필요하다. 빌딩에 물 라인들을 설치하는 것은 고가이고 때로 단지 단일 물 루프가 설치된다. 이러한 경우 일부 공간에서 냉각이 필요하고 다른 공간에서 가열이 필요한 소정의 상황에서 문제가 초래된다. 열수- 및 냉각수 루프가 동시에 가용되는 빌딩에서는, 이러한 문제는 각각의 공간에 일부 팬 코일 유닛 (115)은 냉각을 제공하고 한편 달리 가열을 제공하여 문제를 해결한다. 공간 (110)은 때로 물리적 벽 (111) 또는 물리적 팬-코일 유닛 분할에 의해 구간들로 나누어질 수 있다.
팬 코일 유닛 (107)은 따라서 일부 형태의 열수 및 냉각수 공급 시스템 (112) 및 순환 시스템 (113)을 이용한다. 요구되는 열수 및/또는 냉각수를 팬-코일 유닛에 제공하기 위하여 중앙 보일러 및/또는 냉동기 (114)가 통상 이용된다.
도 2는 더욱 상세하게 팬-코일 유닛 (107)을 도시한 것이다. 유닛은 팬 (201)을 포함하고, 하부 공간에서 공기 (109)를 빼낸다. 팬은 물 공급 라인 (204), 물 순환 라인 (203)을 가지는 코일 (202)에 공기를 불어넣어 통과시킨다. 공기 (109) 중 열은 냉각수 (204)로 방출되므로 더욱 냉각된 공기 (108) 및 더욱 가온된 물 (203)이 생성된다. 코일에 유입되는 공기 (109)가 이미 상대적으로 습한 경우, 냉각수는 전형적으로 50F 이하로 제공되므로 코일에서 응축이 발생할 수 있다. 정치수에 의한 곰팡이, 박테리아 및 기타 잠재적 병원인자 예컨대 레지오넬라가 유발되지 않도록 드레인 팬 (205)이 설치되고 응축수가 배수될 필요가 있다. 최신 빌딩은 때로 구식 빌딩보다 기밀하므로 습도 조절 문제가 배가된다. 또한 최신 빌딩에서, 내부 발생 열은 더욱 잘 보존되므로 계절 초기에 냉각 요구가 커진다. 이러한 두 가지 원인이 조합되어 공간 중에 습도가 증가하고 예상보다 높은 에너지 소비를 초래한다.
도 3은 미국특허공개번호 20140150662에서 개시된 공기 흐름에서 수증기를 포집하고 동시에 공기 흐름을 냉각 또는 가열할 수 있는 유연성, 막 보호된, 역류 3-웨이 열 및 물질 (mass) 교환기를 도시한 것이다. 예를들면, 고온, 다습 공기 흐름 (401)은 일련의 막 판 (303)으로 진입하고 냉각되고 제습된다. 냉각, 건조된 유출 공기 (402)는 공간, 예를들면, 빌딩 공간에 공급된다. 흡습제는 공급 포트 (304)로 공급된다. 2개의 포트 (304)가 판 블록 구조체 (300) 각각의 측에 제공되어 막 판 (303)에 균일한 흡습제 분배가 보장된다. 흡습제 필름은 중력으로 하강하고 판 (303) 하부에서 회수되고 드레인 포트 (305)로 유출된다. 냉각 유체 (또는 경우에 따라 동절기 운전 모드 내에서 있을 수 있는 가열 유체)는 포트 (405, 306)로 공급된다. 막 판 (303) 내부에 균일한 냉각 유체 유동에 제공되도록 냉각 유체 공급 포트는 이격된다. 냉각 유체는 막 판 (303) 내부에서 공기 흐름 방향 (401)에 역행하고 포트 (307, 404)를 통해 막 판 (303)에서 유출된다. 정면/배면 커버 (308) 및 상부/하부 커버 (403)는 구조적 지지 및 단열을 제공하고 공기가 열 및 물질 교환기 측면으로 유출되지 않도록 보장한다.
도 4는 도 3의 판 구조체들 중 하나에 대한 상세도이다. 공기 흐름 (251)은 냉각 유체 흐름 (254)에 역류한다. 막 (252, 또는 다른 적절한 재료 시트, 상기 재료 시트는 막, 친수성 재료, 또는 소수성 미세공 막을 포함할 수 있음)은 액체 흡습제 (253)를 담고 흡습제는 열 전달 유체 (254)를 담고 있는 벽 (255)을 따라 하강한다. 공기 흐름에 동반된 수증기 (256)는 막 (252)을 통과할 수 있고 액체 흡습제 (253)에 흡수된다. 흡수 과정에서 방출되는 물 (258)의 응축열은 벽 (255)을 통해 열 전달 유체 (254)로 전달된다. 공기 흐름의 감열 (257) 또한 막 (252), 액체 흡습제 (253) 및 벽 (255)을 통해 열 전달 유체 (254)로 전달된다.
도 5는 미국특허공개번호 20120125020에 도시된 새로운 유형의 액체 흡습제 시스템이다. 조화기 (451)는 일조의 내부 중공 판 구조체를 포함한다. 열 전달 냉각 유체는 냉원 (457)에서 발생되고 판으로 들어간다. 464에서 액체 흡습제 용액은 판 외면과 접촉되고 각각의 판 외면을 따라 하강한다. 일부 실시태양들에서 -더욱 하기되는 바와 같이 - 액체 흡습제는 공기 유동 및 판 표면 사이에 놓이는 얇은 막 뒤를 흐른다. 외부 공기 (453)는 일조의 파형 판을 통해 송풍된다. 판 표면에 있는 액체 흡습제는 공기 유동 중 수증기를 끌어당기고 판 내부에 있는 냉각수는 공기 온도가 상승되지 않도록 한다. 판 구조체는 각각의 판 하부 근처에 흡습제를 회수하도록 구성된다. 처리된 공기 (454)는 임의의 추가 처리 없이 빌딩으로 직접 제공된다.
액체 흡습제는 461에서 파형 판 하부에서 회수되고 열 교환기 (463)를 통과하여 재생기 상부 지점 (465)으로 이동되고 여기에서 액체 흡습제는 재생기 판에 걸쳐 분배된다. 순환 공기 또는 임의선택적으로 외부 공기 (455)는 재생기 판에 걸쳐 송풍되고 수증기는 액체 흡습제에서 유출 공기 흐름 (456)으로 전달된다. 임의선택적 열원 (458)은 재생 구동력을 제공한다. 열원으로부터 열 전달 가열 유체 (460)는 조화기에서 열 전달 냉각 유체와 유사하게 재생기 판 내부로 들어간다. 재차, 액체 흡습제는 판 (452) 하부에 회수되고 회수 팬 또는 용기가 필요 없어 재생기에서도 공기는 수직 방향일 수 있다. 선택적인 열 펌프 (466)는 액체 흡습제 냉각 및 가열 제공에 사용되지만 또한 냉각기 (457) 및 히터 (458) 대체물로 열 및 냉각을 제공할 수 있다.
도 6은 하나 이상의 실시태양들에 의한 천장형 팬 코일 유닛 (501)을 도시한 것이고 3-웨이 막 액체 흡습제 모듈 (502)을 이용하여 공간 내부 공기를 제습한다. 공간으로부터 공기 (109)는 팬 (503)에 의해 3-웨이 막 모듈 (502)을 통과하도록 송풍되고 여기에서 공기는 냉각되고 제습된다. 이어 제습 및 냉각된 공기 (108)는 공간으로 유도되고 여기에서 냉방 및 쾌적함에 제공된다. 막 모듈 (502)에서 제습 및 냉각 과정 중 방출된 열은 순환수 루프 (511)로 방출되고, 이는 막 모듈 (502)로부터 열 교환기 (509) 및 워터 펌프 (510)로 순환된다. 열 교환기 (509)는 빌딩 냉각수 루프 (204)로부터 냉각수를 수용하고, 궁극적으로 냉각 및 제습 과정에서의 열을 방출한다. 제습 기능을 달성하기 위하여, 흡습제 (506)가 막 모듈 (502)에 제공된다. 흡습제는 소형 저장 탱크 (508)로 배출된다. 탱크 (508)로부터 흡습제는 액체 흡습제 펌프 (507)에 의해 막 모듈 (502)로 이송된다. 제습 과정에서 궁극적으로 액체 흡습제는 점점 희석되므로, 농축 흡습제가 액체 흡습제 루프 (504)에 의해 부가된다. 희석 액체 흡습제는 탱크 (508)에서 제거되고 라인들 (505)을 통해 중앙 재생 설비 (미도시)로 이송된다.
도 7은 도 6의 천장형 액체 흡습제 막 팬-코일 유닛을 도 1의 빌딩에서 통상적인 팬-코일 유닛 대신 이용하는 방식을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, 막 모듈 (502)을 가지는 팬-코일 유닛 (501)이 통상적인 팬-코일 유닛을 대체한다. 액체 흡습제 분배 라인들 (504, 505)은 중앙 재생 시스템 (601)으로부터 액체 흡습제를 수용한다. 중앙 액체 흡습제 공급 라인들 (602, 603)은 액체 흡습제를 다중 층들 및 지붕 기반의 액체 흡습제 DOAS로 전달하는데 사용된다. 공기 처리 유닛 (604)은 또한 통상적인 비-액체 흡습제 DOAS일 수 있다.
도 8은 도 7의 DOAS (604)의 대안 실시태양을 도시한 것이고 시스템은 도 6에 도시된 판 (452)과 유사한 액체 흡습제 막 판을 이용한다. 도 8의 DOAS (701)는 외기 (706)를 취하여 제1 조의 액체 흡습제 막 판 (703)으로 보내고 여기에서 냉각수 루프 (704)에 의해 내부적으로 냉각되고 루프 (717)에서 액체 흡습제에 의해 제습된다. 이어 공기는 제2 조의 액체 흡습제 막 판 (702)으로 전진되고, 여기에서 또한 냉각수 루프 (704)에 의해 내부적으로 냉각된다. 공기 흐름 (706)은 따라서 2회 제습 및 냉각되고 도 7에서 도시된 바와 같이 공급 공기 (101)로서 빌딩 공간으로 진행한다. 냉각 및 제습 과정에 의해 방출되는 열은 냉각수 (704)로 방출되고 따라서 중앙 냉동기로 돌아가는 순환수 (705)는 유입 냉각수보다 더욱 가열된다.
빌딩 공간에서 나오는 순환 공기 (102)는 제3 조의 액체 흡습제 막 판 (720)으로 보내진다. 상기 판은 열수 루프 (708)에 의해 내부적으로 가열된다. 가열된 공기는 외부로 보내지고 여기에서 공기 흐름 (707)으로 배기된다. 막 판 (720) 상부를 주행하는 액체 흡습제는 소형 저장 탱크 (715)에 회수되고, 이어 펌프 (716)에 의해 루프 (717) 및 액체-대-액체 열 교환기 (718)를 통해 제1 조의 판 (703)으로 이송된다. 일조의 판 (720) 내부의 열수는 일조의 판 (704) 표면에 주행하는 흡습제를 농축하는데 조력한다. 농축 흡습제는 일조의 판 (703)에서 공기 흐름 (706)을 예비-제습하는데 사용되고, 실질적으로 잠열 에너지 회수 장치로서 기능한다. 제2 흡습제 루프 (714)는 제2 조의 판 (702)에서 공기 흐름 (706)을 더욱 제습하는데 이용된다. 흡습제는 제2 저장 탱크 (712)에서 회수되고, 펌프 (713)에 의해 루프 (714)를 통해 판 (702)으로 이송된다. 희석 흡습제는 흡습제 루프 (711)를 통해 제거되고 농축 액체 흡습제가 공급 라인 (710)에 의해 탱크 (712)에 보충된다.
도 9는 도 8의 시스템과 유사한 또 다른 실시태양을 도시한 것이되 열수 루프 (708-709)가 생략된다. 대신, 런-어라운드 펌프 (801)에 의해 제공되는 순환수 루프 (802)가 유입 공기 흐름으로부터의 감열 전달에 사용된다. 따라서 시스템은 막 판 (703)에서 유입 공기 흐름 (706)으로부터 액체 흡습제 루프 (717)에 의해 습기를 제거하고 이러한 습기를 막 판 (704)에서 순환 공기 (102)에 부가하도록 설정된다. 동시에 유입 공기 (706) 열은 런-어라운드 루프 (802)에 의해 이동되고 순환 공기 흐름 (102)에 방출된다. 이러한 방식으로 시스템은 감열 및 잠열 모두를 순환 공기 흐름 (102)으로부터 회수할 수 있고 이를 유입 공기 흐름 (706)의 예비-냉각 및 예비-제습에 사용할 수 있다. 이어 추가적인 냉각은 막 판 (702)에 의해 제공되고 전과 같이 신품의 액체 흡습제는 공급 라인 (710)에 의해 제공된다.
도 10은 도 8 및 도 9 시스템과 유사한 또 다른 실시태양이고, 에너지는 도 9에 도시된 바와 같이 유입 공기 흐름 (706)에서 회수되어 순환 공기 흐름 (102)으로 인가된다. 도 8에 도시된 바와 같이 나머지 냉각 및 제습은 냉각수 루프 (704)에 의해 내부적으로 냉각되는 막 판 조 (set) (702)에 의해 제공된다. 그러나 본 실시태양에서 제4 조의 막 판 (903)이 적용되고 열수 루프 (708)로부터 열수를 수용한다. 액체 흡습제는 펌프 (901) 및 루프 (902)에 의해 제공되고 농축 액체 흡습제는 흡습제 탱크 (712)로 순환된다. 막 판 (903)은 액체 흡습제를 위한 통합 재생 시스템으로 기능하므로 이러한 구성으로 외부 액체 흡습제 공급 및 순환 라인들 (도 8에서710 및 711)을 생략할 수 있다.
도 11은 상기 논의된 시스템의 또 다른 실시태양을 도시한 것이다. 도면에서, 예비-냉각 코일 (1002)은 냉각수 루프 (704) 공급 (1001)에 연결된다. 전형적으로 다습한 유입 외부 공기 (706)는 코일 (1002)에서 응축되고 물은 코일에서 배수된다. 이어 나머지 냉각 및 제습은 재차 액체 흡습제 막 모듈 (702)에서 수행된다. 이러한 구성의 이점은 코일에서 응축된 물은 흡습제로 들어가지 않고 따라서 재생될 필요가 없다는 것이다. 또한 도시된 바와 같이 예비-가열 코일 (1003)이 열수 루프 (708)로부터 라인들 (1004)에 의해 공급된다. 예비-가열 코일 (1003)은 순환 공기 흐름 (102) 온도를 상승시켜 다른 경우처럼 액체 흡습제 (902)가 공기 흐름 (102)에 의해 과도하게 냉각되지 않으므로 재생 막 모듈 (903) 효율이 개선된다.
도 12는 상기 도면들에서 보인 에너지 회수 방법이 전형적으로 관여되는 습공기 과정을 도시한 것이다. 수평 축은 건구 온도 (섭씨)이고 수직 축은 습도비 (g/kg)이다. 35C 및 18g/kg인 외부 공기 (1101) (OA)가 시스템에 들어가고 순환 공기 (1102) (RA)는 공간에서 유출되며, 이는 전형적으로 26C, 11g/kg이다. 예컨대 도 8에서 보인 잠열 에너지 회수로 외부 공기 습도는 습도 (및 온도) (1105) (OA’)로 더욱 낮아진다. 동시에 순환 공기는 습기 (및 열 일부) (1104) (RA’)를 흡수한다. 감열 에너지 회수 시스템 결과는 1107 (OA”’) 및 1108 (RA”’)이다. 도 9 및 10에서 보이는 동시적 잠열 및 감열 회수 결과는 유입 공기 흐름에서 순환 공기 흐름으로 열 및 습기 모두를 옮기는, 1106 (OA”) 및 1103 (RA”) 지점이다.
많은 빌딩에서는 단지 중앙 냉각수 시스템만이 가용되고 액체 흡습제 재생에 가용되는 간단한 열수 공급원이 없을 수 있다. 이러한 문제는 도 8-10의 중앙 공기 처리 시스템과 유사한 도 13에 도시된 시스템으로 해결되고, 여기에서 제1 조의 막 모듈 (702)이 전과 같이 빌딩 냉각수 루프에 연결되지만, 재생은 막 모듈 (1215)에서 액체 흡습제 재생용 열을 제공하기 위하여 존재하는 내부 압축기 시스템으로 제공된다. 도 8-10에서와 같이, 다른 조의 막 모듈 (703, 720)이 빌딩 유출 공기 (102)로부터 잠열 또는 감열 에너지 회수 또는 양자를 제공하도록 제공될 수 있다는 것은 명백하다. 도면들이 복잡하게 겹치지 않도록 도시되지 않는다. 또한 이러한 에너지 회수는 기타 더욱 전형적인 수단 예컨대 흡습제- (엔탈피-) 또는 열 휠 또는 히트파이프 시스템 또는 기타 통상적인 에너지 회수 방법 예컨대 런-어라운드 물 루프 및 공기 대 공기 열 교환기에 의해 제공될 수 있다는 것은 명백하다. 일반적으로 이러한 에너지 회수 시스템 일부는 막 모듈 (1215)에 유입되기 전에 공기 흐름 (102)에 구현될 수 있고, 에너지 시스템의 다른 일부는 막 모듈 (702)에 유입되기 전에 공기 흐름 (706)에 구현될 수 있다. 거의 또는 전혀 순환 공기 (102)가 가용되지 않는 빌딩에서는, 공기 흐름 (102)은 단순히 외부 공기이다.
도 13에서 외부 공기 흐름 (706)은 일조의 3-웨이 막 판 또는 막 모듈 (702)로 진입한다. 막 모듈 (702)은 액체 펌프 (1204)에 의해 물-대-물 열 교환기 (1205)를 통해 제공되는 열 전달 유체 (1216)를 수용한다. 열 교환기 (1205)는 통상 더 높은 (60-90 psi) 빌딩 물 회로 (704) 및 일반적으로 단지 0.5-2 psi인 낮은 열 전달 유체 회로 (1216/1217) 간의 압력 격리를 제공하는 편리한 방식이다. 열 전달 유체 (1216)는 열 교환기 (1205)에서 빌딩 물 (704)에 의해 냉각된다. 유출되는 빌딩 냉각수 (1206)는 또한 통상적인 물-대-물 열 펌프에 연결되는 물-대-냉매 열 교환기 (1207)를 통과한다. 열 전달 냉각 유체 (1216)는 또한 농축 액체 흡습제 (714)를 수용하는 막 모듈 (702)에 냉각을 제공한다. 액체 흡습제 (714)는 펌프 (713)에 의해 이송되고 공기 흐름 (706)에서 수증기를 흡수하고 예를들면, 미국특허출원공개번호 2014-0150662에서 논의된 바와 같이 공기는 동시에 냉각 및 제습되어, 빌딩에 공급 공기 (101)로서 제공된다. 막 모듈 (702)에서 유출되는 희석 액체 흡습제 (1218)는 흡습제 탱크 (712)에서 회수되고 재생될 필요가 있다. 통상적인 압축기 시스템 (HVAC 산업에서 물-대-물 열 펌프로 알려짐)은 압축기 (1209), 액체-대-냉매 응축기 열 교환기 (1201), 팽창 장치 (1212) 및 액체 대 냉매 증발기 열 교환기 (1207)로 구성된다. 가스상 냉매 (1208)는 증발기 (1207)에서 유출되어 압축기 (1209)로 들어가고 여기에서 냉매가 압축되어 방열된다. 고온의 가스상 냉매 (1210)는 응축기 열 교환기 (1201)로 들어가고 여기에서 열이 제거되고 열 전달 유체 (1214)로 전달되고 냉매는 액체로 응축된다. 이어 액체 냉매 (1211)는 팽창 장치 (1212)로 들어가서 신속하게 냉각된다. 냉각된 액체 냉매 (1213)는 증발기 열 교환기 (1207)로 유입되어 빌딩 물 루프 (704)로부터 열을 인출하여, 빌딩 물 온도를 낮춘다. 따라서 가열된 열 전달 유체 (1214)는 고온의 액체 열 전달 유체 (1202)를 생성하고 이는 조화기 막 모듈 (702)와 특성이 유사하지만 공기 흐름 및 온도 차이를 감안하여 다른 크기일 수 있는 재생기 막 모듈 (1215)로 보내진다. 열 전달 가열 유체 (1202)는 막 모듈 (1215)에서 희석 액체 흡습제 (902)로 하여금 과잉수를 방출하도록 하고 이는 공기 흐름 (102)으로 배기되어 결국 고온의 다습한 공기 흐름 (707)이 상기 막 모듈 (12150에서 유출된다. 이코노마이저 (economizer) 열 교환기 (1219)는 흡습제 탱크 (712)에서 가열 액체 흡습제 (1220)를 냉각 액체 흡습제로 재생하는 열 부하를 줄이기 위하여 사용될 수 있다.
열 전달 가열 유체는 펌프 (1203)에 의해 재생기 막 모듈 (1215)로 이송되고, 열 전달 냉각 유체 (1214)는 응축기 열 교환기 (1201)로 다시 보내지고 여기에서 재차 열을 흡수한다. 상기 구성의 이점은 명확하다: 로컬 (local) 물-대-물 열 펌프는 단지 액체 흡습제가 재생될 필요가 있을 경우에만 사용되고 따라서 농축 액체 흡습제는 탱크 (712)에 보관되고 필요할 때 사용될 수 있으므로 전기가 저렴할 때 사용될 수 있다. 또한, 물-대-물 열 펌프가 작동될 때, 실제로 빌딩 물 루프 (704)를 냉각시키고, 따라서 중앙 냉각수 플랜트 (plant)에서의 열 부하를 줄인다. 또한 통상적인 경우와 같이 빌딩이 단지 냉각수 루프를 사용할 때, 중앙 열수 시스템을 설치할 필요가 없다. 마지막으로 재생 시스템은 순환 공기가 가용하지 않을 때에도, 순환 공기가 있을 때에도 작동될 수 있고, 에너지 휠 또는 통상적인 에너지 회수 시스템이 추가되거나, 또는 예컨대 도 8-10에 도시된 별도 조의 액체 흡습제 에너지 회수 모듈이 추가될 수 있다.
도 14는 도 13 시스템의 물 라인들에서 열 전달 유체 (때로 담수) 온도를 보인다. 빌딩 물 (704)은 온도 T water, in 에서 증발기 열 교환기 (1207)로 들어간다. 열 전달 유체는 상기된 바와 같이 증발기 (1207)에서 냉매에 의해 냉각되고 유체는 온도 T water, after evap. hx 1206에서 유출된다. 이어 열 전달 유체는 조화기 열 교환기 (1205)로 들어가고 여기에서 조화기 유체 루프 (1216/1217)로부터 열을 인출한다. 런-어라운드 열 전달 루프 (1216/1217) (열 교환기 (1205)에서 온도 프로파일 1301 및 1302로 표기)는 통상 역류 방향으로 구현되어 물 온도 T water, in cond. hmx 가 약간 높아지고 막 모듈 (702)에 제공된다. 이어 열 전달 유체는 시스템에서 유출되어 (705) 중앙 냉동기 (미도시)로 순환되며 여기에서 냉각된다. 열 교환기 (1205, 1207)가 또한 역순 또는 병렬로도 작동될 수 있다는 것은 명백하다. 열 교환기 순서는 운전 에너지에서 차이는 거의 없지만, 공급 공기 (701) 출구 온도에 영향을 줄 수 있다: 일반적으로 빌딩 물이 열 교환기 (1207)에 먼저 들어가면 (도시된 바) 공급 공기 (701)는 더욱 냉각된다. 빌딩 물이 열 교환기 (1205)에 먼저 들어가면 (704에서 705로의 흐름이 바뀌는 경우) 더욱 고온의 공기가 제공된다. 이는 또한 명백히 공급 공기에 대한 온도 조절 메카니즘을 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
재생 열 전달 유체 루프 또한 도 14에 도시된다. 온도 T water, in (1214)를 가지는 열 전달 유체 (때로 물)가 응축기 열 교환기 (1201)에서 냉매에 의해 먼저 가열되어 온도 T water, after cond.hx 1202이 된다. 이어 열 전달 가열 유체 (1202)는 재생기 막 모듈로 보내지고 T water, after regenerator 1214이 된다. 이는 또한 폐쇄 루프이므로 물 온도는 화살표1303으로 표기된 바와 같이 그래프 초기에서와 동일하다. 단순화를 위하여 작은 기생 (parasitic) 온도 상승 예컨대 펌프에 의한 것 및 작은 손실 예컨대 파이프에 의한 것은 도면에서 생략되었다.
여러 도시된 실시태양들을 설명하였지만, 다양한 변경, 수정, 개선이 당업자에게 용이하다는 것을 이해하여야 한다. 이러한 변경, 수정 및 개선은 본 개시의 일부를 형성하도록 의도되고, 본 개시의 사상 및 범위에 있는 것이다. 본원에 제시된 일부 예시들은 기능 또는 구조적 요소의 특정된 조합을 포함하지만, 이러한 기능과 요소들은 동일한 또는 상이한 목적을 달성하기 위해 본 개시에 따라 다른 방식으로 조합될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 특히, 하나의 실시예와 연결되어 논의된 작용, 요소 및 특징은 다른 실시예에서 유사하거나 다른 역할로부터 배제되는 것은 아니다. 추가적으로, 본원에 설명된 요소 및 성분은 추가적인 요소로 더욱 분할되거나 동일한 기능을 수행하기 위해 더욱 적은 요소를 형성하기 위해 함께 조합될 수 있다. 따라서, 전기 설명 및 첨부 도면들은 단지 예시적인 형태이고, 한정되는 것은 아니다.

Claims (32)

  1. 빌딩 내부 공간에서 공기를 처리하는 공조 시스템으로서,
    다수의 천장형 유닛으로서, 각각의 유닛은 빌딩 내부 공간에서 공기를 처리하기 위하여 빌딩에 설치되고, 각각의 천장형 유닛은 실질적으로 평행한 방향으로 배열된 다수의 중공의 구조체를 가지는 조화기를 포함하고, 각각의 중공의 구조체는 액체 흡습제가 가로질러 흐를 수 있는 적어도 하나의 표면 및 열 전달 유체가 통과하여 흐를 수 있는 내부 통로를 가지고, 각각의 천장형 유닛은 빌딩 내부 공간으로부터의 공기 흐름을 상기 조화기의 중공의 구조체들 사이로 유동시키고, 여기에서 상기 공기 흐름은 냉각 및 제습되고, 이어 공기 흐름을 빌딩 내부 공간으로 전달시키기 위하여 팬을 또한 포함하는, 상기 다수의 천장형 유닛;
    각각의 상기 천장형 유닛에 연결되어 상기 천장형 유닛에서 수용되는 상기 액체 흡습제를 농축하고, 농축 액체 흡습제를 상기 천장형 유닛으로 공급하는 액체 흡습제 재생 시스템; 및
    각각의 상기 천장형 유닛에 연결되어 상기 열 전달 유체를 냉각시키는 냉원을 포함하는, 공조 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 처리된 외부 공기 흐름을 빌딩에 제공하기 위하여 외부 공기 전용 시스템 (DOAS)을 더욱 포함하는, 공조 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 DOAS는 상기 빌딩 외부에서 수용되는 공기 흐름 및 상기 빌딩 내부 공간으로부터의 순환 공기 흐름 간 에너지를 교환하도록 구성되는, 공조 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 DOAS는 각각의 상기 천장형 유닛에 연결되어 상기 처리된 외부 공기 흐름을 상기 천장형 유닛에 의해 상기 빌딩 내부 공간으로부터의 공기 흐름으로 처리되도록 상기 다수의 천장형 유닛으로 제공하는, 공조 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 액체 흡습제 및 각각의 천장형 유닛을 관통하는 상기 공기 흐름 사이에서 각각의 상기 천장형 유닛의 각각의 중공의 구조체의 상기 적어도 하나의 표면에 인접하는 재료 시트를 더욱 포함하고, 상기 재료 시트는 상기 액체 흡습제 및 상기 공기 흐름 간 수증기를 전달을 허용하는, 공조 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 재료 시트는 막, 친수성 재료, 또는 소수성 미세공 막을 포함하는, 공조 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 냉원은 냉각수 루프를 포함하는, 공조 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 시스템은, 각각의 상기 천장형 유닛에 의해 처리된 상기 공기 흐름은 가열되고 가습되는 동절기 (cold weather) 운전 모드에서도 작동되고, 상기 시스템은 각각의 상기 천장형 유닛에 연결되는 열원을 더욱 포함하여 상기 동절기 운전 모드에서 상기 열 전달 유체를 가열하도록 구성되는, 공조 시스템.
  9. 처리된 외부 공기 흐름을 빌딩으로 제공하는 외부 공기 전용 시스템 (DOAS)으로서,
    상기 빌딩 외부에서 수용되는 공기 흐름을 처리하는 제1 조화기로서, 제1 조화기는 실질적으로 평행한 방향으로 배열된 다수의 중공의 구조체를 포함하고, 각각의 중공의 구조체는 액체 흡습제가 가로질러 흐르는 적어도 하나의 표면 및 열 전달 유체가 통과하여 흐르는 내부 통로를 가지고, 상기 빌딩 외부에서 수용되는 상기 공기 흐름은 중공의 구조체들 사이로 유동되어 상기 액체 흡습제는 상기 공기 흐름을 제습 및 냉각하는, 상기 제1 조화기;
    제1 조화기에서 상기 열 전달 유체를 냉각시키기 위하여 상기 제1 조화기에 연결되는 냉원;
    제1 조화기에 이용된 상기 액체 흡습제를 수용, 상기 액체 흡습제를 농축, 및 농축된 액체 흡습제를 제1 조화기로 순환하기 위하여 제1 조화기에 연결되는 재생기로서, 상기 재생기는 실질적으로 평행한 방향으로 배열된 다수의 중공의 구조체를 포함하고, 각각의 중공의 구조체는 상기 액체 흡습제가 가로질러 흐르는 적어도 하나의 표면 및 열 전달 유체가 통과하여 흐르는 내부 통로를 가지고, 공기 흐름은 중공의 구조체들 사이로 유동하여 상기 액체 흡습제는 상기 공기 흐름을 가습 및 가열하는, 상기 재생기; 및
    상기 재생기에서 상기 열 전달 유체를 가열하기 위하여 상기 재생기에 연결되는 열원;
    을 포함하는,
    외부 공기 전용 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    제1 조화기에 의해 처리된 공기 흐름을 처리하기 위한 제2 조화기;
    를 더 포함하고,
    제2 조화기는 실질적으로 평행한 방향으로 배열된 다수의 중공의 구조체를 포함하고, 각각의 중공의 구조체는 액체 흡습제가 가로질러 흐르는 적어도 하나의 표면 및 열 전달 유체가 통과하여 흐르는 내부 통로를 가지고, 상기 제1 조화기에서 수용되는 상기 공기 흐름은 중공의 구조체들 사이로 유동되어 상기 액체 흡습제는 상기 공기 흐름을 제습 및 냉각하는, 외부 공기 전용 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 냉원은 또한 상기 제2 조화기에서 상기 열 전달 유체를 냉각시키기 위하여 상기 제2 조화기에 연결되는, 외부 공기 전용 시스템.
  12. 제10항에 있어서, 상기 제2 조화기에서 이용되는 상기 액체 흡습제는 희석 흡습제 재농축을 위하여 중앙 재생 설비로 전달되는, 외부 공기 전용 시스템.
  13. 제9항에 있어서, 상기 냉원은 냉각수 루프를 포함하고, 상기 열원은 열수 루프를 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  14. 제9항에 있어서, 상기 액체 흡습제 및 상기 조화기 및 재생기를 관통하는 상기 공기 흐름 사이에서 제1 조화기 및 상기 재생기에서 각각의 중공의 구조체의 상기 적어도 하나의 표면에 인접하는 재료 시트를 더욱 포함하고, 상기 재료 시트는 상기 액체 흡습제 및 상기 공기 흐름 간 수증기를 전달을 허용하는, 외부 공기 전용 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 재료 시트는 막, 친수성 재료, 또는 소수성 미세공 막을 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  16. 제9항에 있어서, 상기 시스템은 제1 조화기에 의해 처리된 상기 공기 흐름이 가열되고 가습되며, 상기 재생기에 의해 처리된 상기 공기 흐름이 냉각되고 제습되는 동절기 운전 모드에서도 작동되고, 상기 시스템은 상기 동절기 운전 모드에서 상기 열 전달 유체를 냉각시키도록 구성되는 상기 재생기에 연결되는 냉원을 더욱 포함하는 외부 공기 전용 시스템.
  17. 빌딩에 제공되는 외부 공기 흐름을 냉각 및 제습하고 빌딩의 순환 공기 흐름에서 감열 및 잠열을 회수하기 위한 외부 공기 전용 시스템 (DOAS)으로서,
    상기 빌딩 외부에서 수용되는 공기 흐름을 처리하는 제1 조화기로서, 제1 조화기는 실질적으로 평행한 방향으로 배열된 다수의 중공의 구조체를 포함하고, 각각의 중공의 구조체는 액체 흡습제가 가로질러 흐르는 적어도 하나의 표면 및 열 전달 유체가 통과하여 흐르는 내부 통로를 가지고, 상기 빌딩 외부에서 수용되는 상기 공기 흐름은 중공의 구조체들 사이로 유동되어 상기 액체 흡습제는 상기 공기 흐름을 제습 및 냉각하는, 상기 제1 조화기; 및
    제1 조화기에 이용된 상기 액체 흡습제를 수용, 상기 액체 흡습제를 농축, 및 농축된 액체 흡습제를 제1 조화기로 순환하기 위하여 제1 조화기에 연결되는 제1 재생기로서, 제1 재생기는 또한 제1 조화기에 이용되는 상기 열 전달 유체를 수용하고, 상기 열 전달 유체를 냉각하고, 냉각된 열 전달 유체를 제1 조화기로 순환하기 위하여 제1 조화기에 연결되고, 상기 제1 재생기는 실질적으로 평행한 방향으로 배열된 다수의 중공의 구조체를 포함하고, 각각의 중공의 구조체는 상기 액체 흡습제가 가로질러 흐르는 적어도 하나의 표면 및 상기 열 전달 유체가 통과하여 흐르는 내부 통로를 가지고, 상기 빌딩 내부 공간에서 수용되는 순환 공기 흐름은 중공의 구조체들 사이로 유동하여 상기 액체 흡습제는 상기 공기 흐름을 가습 및 가열하는, 제1 상기 재생기;
    를 포함하는,
    외부 공기 전용 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    제1 조화기에 의해 처리된 공기 흐름을 처리하기 위한 제2 조화기;
    를 더 포함하고,
    제2 조화기는 실질적으로 평행한 방향으로 배열된 다수의 중공의 구조체를 포함하고, 각각의 중공의 구조체는 액체 흡습제가 가로질러 흐르는 적어도 하나의 표면 및 열 전달 유체가 통과하여 흐르는 내부 통로를 가지고, 상기 제1 조화기에서 수용되는 상기 공기 흐름은 중공의 구조체들 사이로 유동되어 상기 액체 흡습제는 상기 공기 흐름을 제습 및 냉각하는, 외부 공기 전용 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 제2 조화기에서 열 전달 유체를 냉각시키기 위하여 제2 조화기에 연결되는 냉원을 더욱 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 냉원은 냉각수 루프를 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  21. 제18항에 있어서, 상기 시스템은 제1 조화기에 의해 처리된 상기 공기 흐름이 가열 및 가습되며, 상기 재생기에 의해 처리된 상기 공기 흐름이 냉각되고 제습되는 동절기 운전 모드에서도 작동되고, 상기 시스템은 상기 동절기 운전 모드에서 상기 제2 조화기에서 상기 열 전달 유체를 가열하기 위하여 상기 제2 조화기에 연결되는 열원을 더욱 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 열원은 열수 루프를 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  23. 제21항에 있어서, 상기 동절기 운전 모드에서 상기 제2 조화기에 이용되는 상기 액체 흡습제를 희석하기 위하여 상기 제2 조화기에 연결되는 흡습제 처리 설비를 더욱 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  24. 제18항에 있어서, 상기 제2 조화기에 이용되는 상기 액체 흡습제를 농축하기 위하여 상기 제2 조화기에 연결되는 재생기를 더욱 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  25. 제17항에 있어서, 상기 액체 흡습제 및 상기 조화기 및 제1 재생기를 관통하는 상기 공기 흐름 사이에서 제1 조화기 및 상기 제1 재생기에서 각각의 중공의 구조체의 상기 적어도 하나의 표면에 인접하는 재료 시트를 더욱 포함하고, 상기 재료 시트는 상기 액체 흡습제 및 상기 공기 흐름 간 수증기를 전달을 허용하는, 외부 공기 전용 시스템.
  26. 제25항에 있어서, 상기 재료 시트는 막, 친수성 재료, 또는 소수성 미세공 막을 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  27. 제18항에 있어서, 상기 제2 조화기에서 이용되는 상기 액체 흡습제를 수용, 상기 액체 흡습제 농축, 및 상기 제2 조화기에서 이용되는 농축 액체 흡습제를 순환하기 위하여 상기 제2 조화기에 연결되는 제2 재생기를 더욱 포함하고, 상기 제2 재생기는 제1 재생기에 의해 처리된 상기 공기 흐름을 처리하기 위하여 제1 재생기에 연결되고, 상기 제2 재생기는 실질적으로 평행한 방향으로 배열된 다수의 중공의 구조체를 포함하고, 각각의 중공의 구조체는 액체 흡습제가 가로질러 흐르는 적어도 하나의 표면 및 열 전달 유체가 통과하여 흐르는 내부 통로를 가지고, 제1 재생기로부터 수용되는 상기 공기 흐름은 중공의 구조체들 사이로 유동되어 상기 액체 흡습제는 상기 공기 흐름을 더욱 가습 및 가열하는, 외부 공기 전용 시스템.
  28. 제27항에 있어서, 상기 제2 재생기에서 상기 열 전달 유체를 가열하기 위하여 상기 제2 재생기에 연결되는 열원을 더욱 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  29. 제28항에 있어서, 상기 열원은 열수 루프를 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  30. 제17항에 있어서, 상기 제1 조화기에 의한 처리 전에 상기 빌딩 외부에서 수용되는 상기 공기 흐름을 냉각 및 제습하기 위한 예비-냉각 코일을 더욱 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  31. 제17항에 있어서, 상기 제1 재생기에 의한 처리 전 상기 순환 공기 흐름을 가열하기 위한 예비-가열 코일을 더욱 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
  32. 제17항에 있어서, 상기 시스템은 제1 조화기에 의해 처리된 상기 공기 흐름이 가열되고 가습되며, 상기 재생기에 의해 처리된 상기 공기 흐름이 냉각되고 제습되는 동절기 운전 모드에서도 작동되고, 상기 시스템은 제1 조화기에 의한 처리 전 빌딩 외부에서 수용되는 상기 공기 흐름을 가열하기 위한 예비-가열 코일 및 제1 재생기에 의한 처리 전 상기 순환 공기 흐름을 냉각 및 제습하기 위한 예비-냉각 코일을 더욱 포함하는, 외부 공기 전용 시스템.
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