KR102308574B1 - 지역 에너지 분배 시스템 - Google Patents
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Abstract
지역 에너지 분배 시스템이 개시된다. 시스템은, 지열 소오스(10) 및 지열 소오스(10)로부터 지열적으로 가열된 물의 유동을 위한 공급 도관(11)을 포함하는 지열 소오스 시스템(5)을 포함한다. 시스템은, 지역 공급 도관(22) 및 지역 복귀 도관(23)을 포함한다. 시스템은, 지역 공급 도관(22)에 연결되는 유입구(25) 및 지역 복귀 도관(23)에 연결되는 유출구(26)를 각각 갖는 복수의 국소 난방 시스템(200; 250)으로서, 각각의 국소 난방 시스템(200; 250)은 건물(40)에 뜨거운 물 및/또는 쾌적한 난방을 제공하도록 구성되는, 국소 난방 시스템을 또한 포함한다. 중앙 열 교환기(21)는, 지열적으로 가열된 물의 인커밍 유동이 중앙 열 교환기(21)에 제공되게끔, 지열 소오스 시스템(5)의 공급 도관(11)에 연결된다. 중앙 열 교환기(21)는 지열적으로 가열된 물의 인커밍 유동으로부터 지역 공급 도관(22) 내 열 전달 유체의 아웃고잉 유동으로 열을 교환하도록, 그리고 또한, 지역 공급 도관(22) 내의 열 전달 유체의 아웃고잉 유동의 온도를 5 내지 30℃의 온도로 제어하도록 구성된다. 또한, 복수의 건물(40)에 에너지를 분배하는 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 지역 에너지 분배 시스템 및 복수의 건물에 에너지를 분배하는 방법에 관한 것이다.
세계의 거의 모든 대규모 개발 도시는 사회기반시설에 포함된 적어도 두 유형의 에너지 그리드, 즉 전기 에너지를 제공하기 위한 하나의 그리드 및 공간 난방 및 뜨거운 수돗물 제조를 제공하기 위한 하나의 그리드를 갖는다. 공간 난방 및 뜨거운 수돗물 제조를 제공하기 위해서 사용되는 공통의 그리드는 가연성 가스, 전형적으로 화석 연료 가스를 제공하는 가스 그리드이다. 가스 그리드에 의해서 제공되는 가스는 공간 난방 및 뜨거운 수돗물을 제공하기 위해서 지역적으로 태워진다. 공간 난방 및 뜨거운 수돗물 제조를 제공하기 위한 가스 그리드에 대한 대안은 지역 난방 그리드(district heating grid)이다. 또한, 전기 에너지 그리드의 전기 에너지가 공간 난방 및 뜨거운 수돗물 제조를 위해서 사용될 수 있다. 또한 전기 에너지 그리드의 전기 에너지가 공간 냉방을 위해서 사용될 수 있다. 전기 에너지 그리드의 전기 에너지는 냉장고 및 냉동기를 구동하기 위해서 또한 사용된다.
따라서, 전통적인 건물 난방 및 냉방 시스템은 전기 및 화석 연료와 같은 1차의 높은 등급 에너지 소오스 또는 산업 폐기 열의 형태의 에너지 소오스를 사용하여 공간 난방 및/또는 냉방을 제공하고, 건물에서 사용되는 물을 가열하거나 냉각한다. 또한, 공간 냉방을 위해 도시에 지역 냉방 그리드를 설치하는 것이 점 점 더 일반화되고 있다. 건물 공간 및 물을 가열하거나 냉각하는 프로세스는 이러한 높은 등급의 에너지를, 건물을 떠나 환경으로 돌아가는 높은 엔트로피를 갖는 낮은 등급의 폐기 열로 변환한다.
따라서, 환경에 복귀되는 폐 열을 감소시키면서 건물 및 수돗물을 가열하고 그리고/또는 냉각하는 향상된 그리고 경제적인 시스템에 대한 필요가 있다.
위에서 언급된 문제들 중 적어도 일부를 해결하는 것이 본 발명의 목적이다.
제1 양태에 따르면, 지역 에너지 분배 시스템이 제공된다. 지역 에너지 분배 시스템은, 지열 소오스 및 지열 소오스로부터 지열적으로 가열된 물의 유동을 위한 공급 도관을 포함하는 지열 소오스 시스템; 지역 공급 도관; 지역 복귀 도관; 지역 공급 도관에 연결되는 유입구 및 지역 복귀 도관에 연결되는 유출구를 각각 갖는 복수의 국소 난방 시스템으로서, 각각의 국소 난방 시스템은 건물에 뜨거운 물 및/또는 쾌적한 난방을 제공하도록 구성되는, 국소 난방 시스템; 지열적으로 가열된 물의 인커밍 유동이 중앙 열 교환기에 제공되게끔, 지열 소오스 시스템의 공급 도관에 연결되는 중앙 열 교환기로서, 중앙 열 교환기는 지열적으로 가열된 물의 인커밍 유동으로부터 지역 공급 도관 내 열 전달 유체의 아웃고잉 유동으로 열을 교환하도록 구성되고, 중앙 열 교환기는 지역 공급 도관 내 열 전달 유체의 아웃고잉 유동의 온도를 5 내지 30℃의 온도로 제어하도록 구성되는, 중앙 열 교환기를 포함한다.
지역 에너지 분배 시스템은 지역 에너지 분배 시스템을 지열 소오스 시스템과 결합시키도록 구성되어, 중앙 열 교환기에 의해서 지열적으로 가열된 물로부터 에너지를 추출한다. 지열적으로 가열된 물로부터 추출되는 에너지는, 뜨거운 물 및/또는 쾌적한 난방을 건물에 제공하기 위해서 사용될 수 있는 복수의 국소 난방 시스템에 공급될 수 있다. 지역 에너지 분배 시스템은 또한 중앙 열 교환기에 의해서 지열 소오스에 에너지를 복귀시키기 위해서 사용될 수 있다.
지열 에너지는 본 출원의 맥락에서 땅에서 생성되고 저장된 열 에너지로 이해될 것이다. 지열 에너지는 경제적이고, 신뢰성이 있고, 지속 가능하고, 친환경적이나, 역사적으로 지각 플레이트 경계 근처 영역에 한정되었다. 그러나, 최근 기술적 진보는, 널리 퍼져 있는 개발에 대한 잠재력을 열면서, 특히 가정 난방과 같은 응용분야에 대해서 유효한 소오스의 범위 및 사이즈를 극적으로 확대시켰다. 드릴링에서 발들은 이러한 지열 소오스 시스템이 5 km 이상의 깊이에서 엔지니어링될 수 있는 점을 허용한다. 이러한 종류의 깊이에 대한 접근을 제공하는 시스템은 흔히 심부 지열 소오스 시스템으로 지칭된다. 암반에 대한 유입구 홀 및 유출구 홀은 전형적으로 서로 큰 거리를 두고 배열된다. 또한, 유입구 홀과 유출구 홀 사이의 영역에 있는 암반은 파편화되어 이렇게 형성된 사이 공간에 물이 저장되는 것을 허용한다. 암반은 이와 같이 건조할 수 있고, 이로써 물이 유입구 홀을 통해서 물이 가열되는 암반으로 활발하게 공급된다. 이렇게 형성된 지하 저장부는 이하에서 지열 소오스로 지칭된다.
5 내지 30℃의 온도로 지역 공급 도관 내 열 전달 유체의 아웃고잉 유동의 온도를 제어하도록 구성되는 제공된 지역 에너지 분배 시스템은, 45 내지 120 ℃의 간격에서 전형적으로 동작되는 전형적 지역 분배 에너지 분배 시스템에 대한 구별로서, 저온 시스템으로 간주될 수 있다. 따라서 많은 장점이 가능하다. 예로서, 전통적인 지역 에너지 분배 시스템에 비교하여 분배 및 소비에 관한 낮은 온도 요구의 결과로서 온도차가 증가될 때 동일한 지열 시스템으로부터 상당히 더 높은 효율 및 열의 양(3배 이하)이 얻어질 수 있다.
또한, 평균적 지열 기술은 사용되는 암반에서 열이 소진되기 전에 약 20 내지 30 년의 작동 수명을 제공한다. 열은 전형적으로, 암반에서 전달 온도가, 지역 난방 시스템에 수용 가능한 것으로 간주되는 최소 전달 온도에 도달되었을 때 소진된 것으로 간주된다. 공식적으로, 수용 가능한 최소 전달 온도는 평균적인 지역 난방 시스템에 대해서 전형적으로 80 내지 120 ℃이다. 현재 지역 에너지 분배 시스템에 의해서, 겨울과 여름, 즉 높은 열 로드 기간과 낮은 열 로드 기간 사이의 내재된 온도의 변동과 결합하여, 지열 에너지 시스템은 큰 지열 저장소로서 사용될 수 있다. 좀 더 정확하게, 열은, 낮은 열 로드의 기간인 여름 동안 지열 소오스에 전달될 수 있다. 유사하게, 열은, 높은 열 로드의 기간인 겨울 동안 추출될 수 있다. 이로써 지열 소오스의 부분을 형성하는 암반은 가열된 물의 전달 온도가 15 내지 30 ℃보다 더 낮을 때에도 시즌 저장소(season storage)로서 계속 사용될 수 있다. 따라서, 제공된 지역 에너지 분배 시스템에 의해서, 그렇지 않으면 내재적인 지열 소오스의 한정된 작동 수명이 더 이상 적용되지 않는다.
지열 소오스 시스템은 중앙 열 교환기로부터 지열 소오스로 냉각된 물의 복귀 유동을 위한 복귀 도관을 더 포함할 수 있다.
지열 소오스 시스템은 심부 지열 소오스 시스템일 수 있다.
지열 소오스는, 복귀 도관을 통해서 복귀되는 냉각된 물을 100℃ 초과, 바람직하게는 100 내지 250℃의 온도로 지열적으로 가열하도록 구성될 수 있다.
지열 소오스 시스템은, 지열 소오스로부터 공급 도관으로 지열적으로 가열된 물을 당겨 지열적으로 가열된 물이 공급 도관에서 액상이 되게끔 지열적으로 가열된 물을 가압하도록 구성된 흡입 펌프를 더 포함할 수 있다.
중앙 열 교환기는 중앙 열 교환기로부터 냉각된 물의 복귀 유동의 온도를 10 내지 40℃의 온도로 제어하도록 구성될 수 있다.
복수의 국소 난방 시스템 각각은 유입구를 통해서 국소 난방 시스템에 들어가는 열 전달 유체로부터 열을 추출하고, 유출구를 통해 지역 복귀 도관에 열 전달 유체를 복귀시키도록 구성될 수 있다.
복수의 국소 난방 시스템 각각은 -5 내지 15℃의 범위에 있는 온도를 갖는 국소 열 전달 유체를 복귀시키도록 구성될 수 있다. 이 온도 범위 내의 온도를 갖는 국소 열 전달 유체를 전도함으로써, 주위환경에 대한 열 손실이 감소될 수 있다. 또한, 주위환경의 열 에너지는 국소 복귀 도관 내의 국소 열 전달 유체에 의해서 또한 흡수될 수 있다. 지역 복귀 도관 및 지역 공급 도관은 전형적으로 이들의 경로의 과반을 따라서 땅 속에 배열되기 때문에, 지역 복귀 도관의 주위환경은 전형적으로 땅이다.
지역 공급 도관은 제1 온도의 열 전달 유체가 이를 통해서 유동하는 것을 허용하도록 구성될 수 있고, 지역 복귀 도관은 제2 온도의 열 전달 유체가 이를 통해서 유동되는 것을 허용하도록 구성될 수 있으며, 제2 온도는 제1 온도보다 더 낮다.
국소 난방 시스템 각각은, 열 전달 유체가 지역 공급 도관으로부터 열 에너지 소비기 열 교환기 안으로 유동되는 것을 허용하기 위한 열 에너지 소비기 밸브를 통해서, 또는 지역 공급 도관으로부터 열 에너지 소비기 열 교환기 안으로 열 전달 유체를 펌핑하기 위한 열 에너지 소비기 펌프를 통해서 지역 공급 도관에 선택적으로 연결되고, 열 에너지 소비기 열 교환기로부터 지역 복귀 도관으로 열 전달 유체의 복귀를 허용하기 위해 지역 복귀 도관에 연결되는, 열 에너지 소비기 열교환기로서, 열 에너지 소비기 열 교환기는, 지역 복귀 도관에 복귀되는 열 전달 유체가 제1 온도보다 더 낮은 온도 및 바람직하게는 제2 온도와 동일한 온도를 갖도록 열 전달 유체로부터 열 에너지 소비기 열 교환기의 주위환경에 열 에너지를 전달하도록 배열되는, 열 에너지 소비기 열 교환기; 지역 공급 도관과 지역 복귀 도관 사이의 국소 압력차(Δp1)를 결정하도록 구성되는 압력차 결정 디바이스; 및 국소 압력차에 근거하여, 열 에너지 소비기 밸브 또는 열 에너지 소비기 펌프 중 어느 하나의 사용을 선택적으로 제어하도록 구성되는 제어기;를 포함할 수 있다.
표현 "선택적으로 연결"은, 관련된 열 교환기가 하나의 시점에 펌프를 통해서 또는 밸브를 통해서 각각의 도관에 유체 연결되는 것으로 해석되어야 한다. 따라서, 관련된 열 교환기가 각각의 도관과 펌프를 통해서 또는 밸브를 통해서 유체 연결될지가 선택될 수 있다.
단어 "밸브"는, 밸브가 개방된 상태에 있을 때 밸브를 통해서 열 전달 유체가 유동되는 것을, 제어된 방식으로, 허용하도록 구성되는 디바이스로서 해석되어야 한다. 또한, 밸브는 밸브를 통한 열 전달 유체의 유량이 제어될 수 있도록 배열될 수 있다. 따라서, 밸브는 이를 통한 열 전달 유체의 흐름을 조정하기 위해 배열된 조절 밸브일 수 있다.
단어 "펌프"는, 펌프가 활성 펌핑 상태에 있을 때 펌프를 통해서 열 전달 유체가 펌핑되는 것을, 제어된 방식으로, 허용하도록 구성되는 디바이스로서 해석되어야 한다. 또한, 펌프는 펌프를 통한 열 전달 유체의 유량이 제어될 수 있도록 배열될 수 있다.
펌프 및 밸브는 함께 펌프로서 또는 밸브로서 선택적으로 작동하는 유동 레귤레이터로 간주될 수 있다. 표현 "펌프로서 또는 밸브로서 선택적으로 작동"은 유동 제어기가 일 시점에 펌프로서 작동하고, 다른 시점에 밸브로서 작동하는 것으로 해석되어야 한다. 이러한 유동 레귤레이터는 특허 출원 EP16205021.5에 설명된다.
지역 열 에너지 분배 시스템은 지역 공급 도관 및 지역 복귀 도관, 즉 고온 도관과 저온 도관의 열 전달 유체 사이의 국소적인 압력차가 열 에너지 회로를 따라서 변하는 것을 허용한다. 특히, 지역 공급 도관과 지역 복귀 도관 사이의 국소 압력차는 도관들 중 하나로부터 보았을 때 포지티브로부터 네가티브 압력차로 변할 수 있다. 지역 열 에너지 분배 시스템은 이 시스템 내 모든 펌핑이 국소 열 에너지 소비기/발생기 조립체 내에서 발생되는 것을 더 허용한다. 필요한 한정된 유동 및 압력 때문에, 소형 주파수 제어식 순환 펌프가 사용될 수 있다. 따라서, 용이하게 건설할 수 있는 지역 열 에너지 분배 시스템을이 제공된다. 또한, 제어가 용이한 지역 열 에너지 분배 시스템이 제공된다.
지역 공급 도관 및 지역 복귀 도관은 0.6 MPa, 1 MPa, 또는 1.6 MPa 이하의 압력에 대해 치수지워질 수 있다.
제어기는 국소 압력차가, 지역 공급 도관의 열 전달 유체의 국소 압력이 지역 복귀 도관의 열 전달 유체의 국소 압력보다 더 큰 점을 나타낼 때, 열 에너지 소비기 밸브를 선택적으로 사용하도록 구성될 수 있고, 제어기는 국소 압력차가, 지역 공급 도관의 열 전달 유체의 국소 압력이 지역 복귀 도관의 열 전달 유체의 국소 압력보다 더 작거나 또는 동일한 점을 나타낼 때, 열 에너지 소비기 펌프를 선택적으로 사용하도록 배열된다.
제1 온도 및 제2 온도의 온도 범위는 -10 내지 45℃, 바람직하게는, 4 내지 32℃이다.
제1 온도와 제2 온도 사이의 온도 차이는 5 내지 16℃의 범위 내, 바람직하게는 7 내지 12℃, 좀 더 바람직하게는 8 내지 10℃의 범위 내에 있을 수 있다.
지역 공급 도관은 지역 복귀 도관과 함께, 땅에 평행하게 배열될 때 2.5 W/(mK)보다 더 큰 열 전달 계수를 가질 수 있다. 열 전달 계수의 이 값은, 국소 공급 도관 및 국소 복귀 도관이 8℃의 평균 연간 온도를 갖는 땅에 서로 1 미터의 거리 내에서 평행하게 배열될 때 산정되고, 국소 공급 도관 및 국소 복귀 도관의 산술적 평균 온도는 8 내지 10℃이다. 이에 의해서, 주위환경으로부터의 써멀 히트(thermal heat)는 국소 공급 도관 및/또는 국소 복귀 도관에 의해서 픽업될 수 있다. 또한, 저가의 비절연 플라스틱 파이프가 국소 공급 도관 및/또는 국소 복귀 도관을 위해서 사용될 수 있다. 또한, 주위환경의 열 에너지는 국소 복귀 도관 내의 국소 열 전달 유체에 의해서 용이하게 흡수될 수 있다.
다른 양태에 따르면, 복수의 건물에 에너지를 분배하는 방법이 제공된다. 방법은, 지열 소오스 및 지열 소오스로부터 지열적으로 가열된 물의 유동을 위한 공급 도관을 포함하는 지열 소오스 시스템을 제공하는 단계; 국소 공급 도관에 연결되는 유입구 및 국소 복귀 도관에 연결되는 유출구를 각각 갖는 복수의 국소 난방 시스템을 제공하는 단계로서, 각각의 국소 난방 시스템은 건물에 뜨거운 물 및/또는 쾌적한 난방을 제공하도록 구성되는, 단계; 지열 소오스로부터 지열적으로 가열된 물의 유동을, 지열 소오스 시스템에 연결된 중앙 열 교환기에 공급하는 단계; 중앙 열 교환기에 의해서, 지열적으로 가열된 물의 인커밍 유동으로부터 지역 공급 도관 내 열 전달 유체의 아웃고잉 유동으로 열을 교환하는 단계; 및 중앙 열 교환기에 의해서, 지역 공급 도관 내 열 전달 유체의 아웃고잉 유동의 온도를 5 내지 30℃의 온도로 제어하는 단계를 포함한다.
본 개시의 적용가능성의 추가적인 범위는 아래에 주어진 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 구체적인 실시예가 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타내지만, 본 발명의 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 기술 분야에서 숙련된 자들에게 이 상세한 설명으로부터 명확하게 될 것이기 때문에, 단지 도해의 방식으로 제공된다는 점이 이해되어야 한다.
따라서, 디바이스 및 방법이 변화될 수 있기 때문에, 이러한 발명이, 설명되는 디바이스의 특정 구성요소 부분 또는 설명되는 방법의 단계에 한정되지 않는다는 점이 이해되어야 한다. 여기서 사용되는 용어가 단지 특정한 실시형태를 설명하는 목적을 위한 것이지, 한정하는 것을 의도하지 않는 점이 또한 이해될 것이다. 본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용될 때, 관사 "하나", "이", "그", "상기"는 문맥이 명확하게 다르게 지시하지 않는한 하나 이상의 구성요소가 있는 점을 의미하도록 의도한다. 따라서, 예를 들어, "유닛" 또는 "그(이 또는 상기) 유닛"은 몇 개의 디바이스 등을 포함할 수 있다. 또한, 단어 "포함", "구비", "수용" 및 유사한 용어는 다른 구성요소 또는 단계를 배제하지 않는다.
지역 열 에너지 분배 시스템의 기본 사상은 현대의 도시가 스스로, 도시 내에서 재사용될 수 있는 열 에너지를 제공한다는 본 발명자의 통찰에 근거한다. 재사용되는 열 에너지는 지역 열 에너지 분배 시스템에 의해서 픽업될 수 있고, 예를 들어 공간 난방 또는 뜨거운 수돗물 제조를 위해서 사용될 수 있다. 또한, 공간 냉방에 대한 증가되는 요구가 또한 지역 열 에너지 분배 시스템 내에서 다루어질 것이다. 지역 열 에너지 분배 시스템 내에서, 도시 내의 건물들은 상호연결되고, 용이하고 간단한 방식으로 저온 폐기 에너지를 상이한 국소 요구를 위해서 재분배할 수 있다. 무엇보다, 지역 열 에너지 분배 시스템은 다음을 제공한다:
ㆍ 도시 내 에너지 흐름의 최적 재사용에 의한 1차 에너지 사용의 최소화.
ㆍ 국소적인 연소 가스 또는 다른 연료에 대한 필요가 감소되기 때문에 도시 내 굴뚝 또는 연소 장소에 대한 필요성을 한정시킴.
ㆍ 냉방 디바이스에 의해서 생성되는 잉여 열은 지역 열 에너지 분배 시스템 내에서 멀리 이동되고 재사용될 수 있기 때문에, 도시 내 냉각 타워 또는 냉각 대류기에 대한 필요성을 한정시킴.
따라서, 지열 에너지를 사용하는 지역 열 에너지 분배 시스템은 도시 내 열 에너지의 스마트 듀얼 사용을 제공한다. 지역 열 에너지 분배 시스템은, 도시 안에 통합될 때, 도시 내 난방 및 냉방 적용에 있어 낮은 레벨의 폐기 열 에너지를 이용할 수 있게 한다. 이것은 가스 그리드에 대한 필요성 또는 도시 내 지역 난방 그리드 및 냉방 그리드에 대한 필요성을 제거함으로써 도시의 1차 에너지 소비를 감소시킬 것이다.
본 발명의 이러한 양태 및 다른 양태는, 본 발명의 실시형태를 도시하는 첨부된 도면을 참조하여 이제 더 상세히 설명될 것이다. 도면은 본 발명의 실시형태의 전체적인 구조를 도해하기 위해서 제공된다. 같은 참조 번호는 전체에 걸쳐서 같은 구성요소를 가리킨다.
도 1은 에너지 분배 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 국소 난방 시스템(local heating system)의 개략적인 다이어그램이다.
도 3은 결합식 가열 및 냉각 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 4는 열 에너지 회로에 연결된 국소 열 에너지 소비기 조립체 및 국소 열 에너지 발생기 조립체의 개략적인 다이어그램이다.
도 5는 복수의 건물에 에너지를 분배하기 위한 방법의 블록 다이어그램이다.
도 1은 에너지 분배 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 국소 난방 시스템(local heating system)의 개략적인 다이어그램이다.
도 3은 결합식 가열 및 냉각 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 4는 열 에너지 회로에 연결된 국소 열 에너지 소비기 조립체 및 국소 열 에너지 발생기 조립체의 개략적인 다이어그램이다.
도 5는 복수의 건물에 에너지를 분배하기 위한 방법의 블록 다이어그램이다.
본 발명은 이제, 본 발명의 현재의 바람직한 실시형태가 도시되는 수반된 도면을 참조하여, 이하에서 더욱 충분히 설명될 것이다. 이 발명은, 그러나, 많은 상이한 형태로 구현될 수 있고, 여기서 제시되는 실시형태에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 하며, 오히려 이러한 실시형태는 완전성 및 완료성을 위해서 제공되어, 숙련된 자에게 본 발명의 범위를 완전히 전달한다.
도 1과 관련하여, 에너지 분배 시스템이 논의될 것이다. 에너지 분배 시스템은 지열 소오스 시스템(5) 및 지역 열 에너지 회로(20)를 포함한다. 지열 소오스 시스템(5)은 중앙 열 교환기(21)를 통해서 지역 열 에너지 회로(20)에 연결된다.
이와 같은 열 교환기는 기술분야에 잘 알려져 있고, 제1 온도를 갖는 제1 유체를 순환시키는 제1 회로 및 제2 온도를 갖는 제2 유체를 순환시키는 제2 회로의 배열체를 포함하는 것으로 기본적으로 설명될 수 있다. 제1 및 제2 회로는 각각의 연장부를 따라서 서로 밀접하게 접촉되며, 이로써 열 전달이 제1 유체와 제2 유체 사이에 발생된다. 중앙 열 교환기(21)에 대해서 지열 소오스 시스템(5)은 제1 회로의 일부를 형성하고, 지역 열 에너지 회로(20)는 제2 회로의 일부를 형성한다.
지열 소오스 시스템(5)은 지열 소소스(10)를 포함한다. 지열 소오스(10)는 공급 도관(11) 및 복귀 도관(12)을 통해서 중앙 열 교환기(21)와 연통된다. 순환되는 유동을 용이하게 하기 위해서, 공급 도관(11)은, 암반으로부터 중앙 열 교환기(21)를 향하는 가열된 물을 흡입하는 흡입 펌프(13)를 포함한다. 흡입 펌프(13)는 지열 소오스(10)로부터 공급 도관(11)으로 지열적으로 가열된 물을 당겨, 지열적으로 가열된 물이 공급 도관(11)에서 액상이 되도록 지열적으로 가열된 물을 가압한다. 복귀 도관(12)은 다시 지열 소오스(10) 안으로 냉수를 가압하는 펌프(14)를 포함한다. 지열 소오스 시스템(5)은 심부 지열 소오스 시스템일 수 있다. 심부 지열 소오스 시스템은 3 km 초과, 바람직하게는 5 km 초과의 깊이에 대한 접근을 제공하는 시스템으로서 이해될 것이다.
지역 열 에너지 회로(20)는 지역 공급 도관(22) 및 지역 복귀 도관(23)을 포함한다. 지역 열 에너지 회로(20)는, 건물(40)에 배열되는 국소 난방 시스템(200, 250) 및/또는 국소 냉방 시스템(300, 350)에 열 전달 유체를 전달하도록 구성된다. 건물은 주거용 주택(residential home)일 수 있으나, 또한 다른 유형의 건물(40), 예를 들어 난방 및/또는 냉방에 대한 필요성이 있는 사무용 빌딩(office building), 사무소(business premises) 및 공장(factory)일 수 있다. 지역 열 에너지 회로가 복수의 국소 난방 시스템(200, 250) 및/또는 냉방 시스템(300, 350)을 포함할 수도 있다는 점이 이해될 것이다.
중앙 열 교환기(21)는 지역 공급 회로(22)를 통해서, 열 전달 유체의 인커밍 유동으로부터 지역 공급 도관(22) 내의 열 전달 유체의 아웃고잉 유동으로 열을 교환하도록 구성된다. 중앙 열 교환기(21)는 열 전달 유체의 아웃고잉 유동이 5 내지 30℃의 온도를 갖게끔 열을 교환하도록 구성된다. 또한, 중앙 열 교환기(21)는 지역 복귀 도관(23)으로 복귀되는 지역 열 전달 유체가 5 내지 10℃의 온도를 갖게끔 열을 교환하도록 구성될 수 있다. 이러한 낮은 온도의 열 전달 유체를 복귀시킴으로써, 중앙 열 교환기(21)에서 수행되는 냉각이 대략 100℃ 만큼 클 수 있다(지역 공급 도관(22)을 통해서 공급되는 인커밍 열 전달 유체의 온도에 의존함). 중앙 열교환기(21)에서 수행되는 이러한 높은 정도의 냉각은 지역 난방 그리드에서 열 손실을 감소시킬 것이다. 또한, 지역 난방 그리드에서 필요한 펌핑의 정도를 감소시킬 것이다.
지역 열 에너지 회로(20) 내에서 지역 공급 도관 및 지역 복귀 도관(22, 23)에 대해서 사용되는 배관은 통상적으로 플라스틱 비절연 배관이다. 이러한 맥락에서, 비절연은 배관이 배관을 둘러싸는 열 절연 재료의 추가적인 층을 갖지 않는 것으로 해석될 것이다. 배관은 전형적으로 0.6 내지 1 MPa의 최대 압력에 대해서 설계된다. 배관은 또한 전형적으로 약 50℃의 최대 온도에 대해서 설계된다. 또한, 지역 열 에너지 회로(20) 내의 지역 공급 도관(22) 및 지역 복귀 도관(23)은 땅에 평행하게 배열될 때 2.5 W/(mK)보다 더 큰 열 전달 계수를 함께 가질 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 열 전달 계수의 값은, 지역 공급 도관(22) 및 지역 복귀 도관(23)이 8℃의 평균 연간 온도를 갖는 땅에 서로 1 미터의 거리 내에서 평행하게 배열될 때 산정되고, 국소 공급 도관 및 국소 복귀 도관의 산술적 평균 온도는 8 내지 10℃이다.
열 전달 유체, 및 따라서 에너지 캐리어는 전형적으로 물이나, 다른 유체 또는 유체의 혼합물이 사용될 수 있다점이 이해될 것이다. 일부 비제한적 예는 암모니아, 동결방지 유체(예를 들어, 글리콜), 오일 및 알코올이다. 혼합물의 비제한적 예는, 동결방지 에이전트, 예를 들어 글리콜이 추가된 물이다. 바람직한 실시형태에 따르면, 열 전달 유체는 물 및 동결방지 에이전트, 예를 들어 글리콜의 혼합물이다. 이것은 열 전달 유체가 0℃ 미만의 온도를 갖는 것을 허용할 것이다. 0℃ 미만, 바람직하게는 -5℃ 미만의 어는점을 갖는 열 전달 유체는, 주위환경이 0℃에 가까운 온도를 갖는다 하더라도, 주위환경, 예를 들어, 지역 복귀 도관(23)을 둘러싸는 땅으로부터 열을 흡수할 수 있는 지역 복귀 도관(23) 내에서 열 전달 유체를 전도시키는 것을 가능하게 한다.
이제, 도 2를 참조하여, 국소 난방 시스템(200)이 더 상세히 논의될 것이다. 지역 열 에너지 회로(20)는 이러한 유형의 하나 이상 국소 난방 시스템(200)을 포함할 수 있다.
국소 난방 시스템(200)은 열 펌프(201) 및 열 방출기(202)를 포함한다. 열 방출기(202)는 열 펌프(202)를 통해서 국소 에너지 분배 그리드(20a)에 연결된다. 국소 난방 시스템(200)은, 열 방출기(202) 및 국소 열 펌프(201)를 통해서, 각각의 건물(40)에 쾌적한 난방 및/또는 뜨거운 수돗물을 제공하도록 구성된다. 국소 열 펌프(201)는 지역 공급 도관(22)에 연결되는 유입구(25) 및 지역 복귀 도관(23)에 연결되는 유출구(26)를 갖는다. 이러한 맥락에서, 용어 "열 펌프의 유입구"는, 열 펌프가 국소 열 전달 유체를 지역 열 에너지 회로(20)로부터 공급받는 유입구로서 해석될 것이다. 유사하게, 용어 "열 펌프의 유출구"는, 열 펌프가 국소 열 전달 유체를 지역 열 에너지 회로(20)에 복귀시키는 유출구로서 해석될 것이다.
열 펌프는 이같이 기술분야에 잘 알려져 있고, 브라인(brine)이 제1 열 교환기와 제2 열 교환기 사이에서 순환되는 폐회로를 기본적으로 포함한다. 제1 열 교환기는 유입구 및 유출구, 이 경우에, 국소 열 펌프(201)의 유입구(25) 및 유출구(26)를 갖고, 이를 통해서 국소 열 펌프(201)가 제1 유체, 이 경우에 지역 열 에너지 회로(20)의 열 전달 유체의 유동을 순환시키는 제1 회로에 연결된다. 마찬가지로, 제2 열 교환기는 유입구 및 유출구를 갖고, 이를 통해서 국소 열 펌프(201)는 제2 유체, 이 경우에 열 방출기(202)의 가열 유체의 유동을 순환시키는 제2 회로에 연결된다. 열 방출기(202)의 가열 유체는 전형적으로 물이나, 다른 유체 또는 유체의 혼합물이 사용될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 일부 비제한적 예는 암모니아, 동결방지 유체(예를 들어, 글리콜), 오일 및 알코올이다. 혼합물의 비제한적 예는, 동결방지 에이전트, 예를 들어 글리콜이 추가된 물이다.
지역 공급 도관(22) 내 열 전달 유체의 유동은 5 내지 30℃의 온도를 갖기 때문에, 국소 열 펌프(201)에 대한 입력 온도는 동일한 온도 범위 내에 있다. 국소 난방 시스템(200)은 유입구(25)를 통해서 국소 열 펌프(201)에 들어가는 열 전달 유체로부터 열을 추출하고, 유출구(26)를 통해 지역 복귀 도관(23)에 열 전달 유체를 복귀시키도록 구성된다. 국소 난방 시스템(200)은 -5 내지 15℃의 범위에 있는 온도를 갖는 국소 열 전달 유체를 복귀시키도록 구성된다.
국소 난방 시스템(200)은 국소 순환 펌프(203)를 더 포함할 수 있다. 도 2에서 도시되는 실시형태에서, 국소 순환 펌프(203)는 국소 열 펌프(24)의 유출구(26)에 배열된다. 그러나, 국소 순환 펌프(28)는 대안적으로 국소 열 펌프(201)의 유입구(25)에 배열될 수 있다. 따라서, 국소 순환 펌프(203)는 국소 난방 시스템(200)의 유입구(25)와 유출구(26) 사이에 연결된다. 국소 순환 펌프(203)는 지역 공급 도관(22) 및 지역 복귀 도관(23)에서 열 전달 유체를 순환시키도록 구성된다. 국소 순환 펌프(203)는 지역 복귀 도관(23)과 지역 공급 도관(22) 사이의 압력차를 극복하도록 구성된다. 국소 순환 펌프(203)는 국소 열 펌프(201)를 통해서 유동하는 열 전달 유체의 유동을 조정하도록 더 구성된다. 국소 열 펌프(201)를 통해 냉각 유체의 유동을 조정함으로써, 그리고 동시에 국소 열 펌프(201)의 동작을 선택적으로 제어함으로써, 국소 열 펌프(201)로부터 아웃풋되는 국소 열 전달 유체의 온도가 제어될 수 있다.
따라서, 지역 열 에너지 시스템(20)의 복수의 국소 난방 시스템(200) 중 일부 또는 전부는 지역 공급 도관(22) 내에 그리고 지역 복귀 도관(23) 내에서 열 전달 유체를 순환시키기 위한 국소 순환 펌프(203)를 포함할 수 있다. 또한, 또는 복수의 국소 순환 펌프(203)와 조합되어, 지역 열 에너지 회로(20)는 지역 공급 도관(22) 및 지역 복귀 도관(23) 내의 유체를 순환시키도록 구성되는 중앙 순환 펌프(27)를 포함할 수 있다. 중앙 순환 펌프(27)는 도 1에서 가장 잘 도시된다.
국소 열 펌프(201)는 제어기(204)에 의해서 제어될 수 있다. 제어기(204)는 열 방출기(202)의 난방 요구에 관련된 데이터 및/또는 국소 열 펌프(201)의 유출구(26)에서 열 전달 유체의 온도에 관련된 데이터에 근거하여 국소 열 펌프(201)를 제어할 수 있다. 열 방출기(202)의 난방 요구에 관련된 데이터는 열 방출기(202)에 연결된 열 요구 센서(205)에 의해서 결정될 수 있다. 열 펌프(201)의 유출구(26)에서 국소 열 전달 유체의 온도에 관련된 데이터는 유출구(26)에 연결된 온도 센서(T1)에 의해서 결정될 수 있다.
이제, 도 3을 참조하여, 국소 냉방 시스템(300)이 더 상세히 논의될 것이다. 지역 열 에너지 회로(20)는 하나 이상 국소 난방 시스템(300)을 포함할 수 있다.
국소 냉방 시스템(300)이 국소 난방 시스템(200)과 연관되어 배열되는 점이 주의되어야 한다. 국소 난방 시스템(200)은 도 2를 참조하여 위에서 논의된 유형의 국소 난방 시스템이다. 국소 난방 시스템(200)에 관한 과도한 반복을 피하기 위해서, 위 내용이 참조된다.
각각의 국소 냉방 시스템(300)은 냉각기(301) 및 냉방 열 교환기(302)를 포함한다. 냉각기(301)는 일반적으로 기술분야에 잘 알려져 있고, 냉방에 대한 필요가 있는 건물, 예를 들어 사무용 빌딩, 사무소, 주거용 주택 및 공장에서, 예를 들어, 쾌적한 냉방을 위해서 사용될 수 있다. 냉각기(301)는 냉방 열 교환기(302)를 통해서 지역 열 에너지 회로(20)에 연결된다. 국소 냉방 시스템(300)은, 냉각기(301) 및 냉방 열 교환기(302)를 통해서, 각각의 건물(40)에 쾌적한 냉방을 제공하도록 구성된다. 따라서, 국소 냉방 시스템(300)은 건물(40)로부터 열을 추출하도록 구성된다.
냉방 열 교환기(302)는 복수의 국소 난방 시스템(200) 중 하나의 유출구(26)에 연결되는 유입구(303)를 갖는다. 냉방 열 교환기(302)는 지역 열 에너지 회로(20)의 지역 복귀 도관(23)에 연결되는 유출구(304)를 더 갖는다. 이러한 맥락에서, 용어 "열 교환기의 유입구"는, 열 교환기가 국소 열 전달 유체를 지역 열 에너지 회로(20)로부터 공급받는 유입구로서 해석될 것이다. 유사하게, 용어 "열 교환기의 유출구"는, 열 교환기가 국소 열 전달 유체를 지역 열 에너지 회로(20)에 복귀시키는 유출구로서 해석될 것이다.
위에서 언급된 바와 같이, 냉각기(301)는 냉방 열 교환기(302)를 통해서 지역 열 에너지 회로(20)에 연결된다. 위를 참조하여, 열 교환기는 일반적으로 기술분야에 잘 알려져 있고, 기본적으로 제1 온도를 갖는 제1 유체를 순환시키는 제1 폐회로, 및 제2 온도를 갖는 제2 유체를 순환시키는 제2 폐회로의 배열체를 포함하는 것으로 설명될 수 있다. 서로 밀접하게 접촉되는 연장부를 따른 두 개의 회로에 의해서 열 전달이 두 개의 유체 사이에서 발생된다. 국소 냉방 시스템(300)에서, 제1 회로는 국소적으로 건물(40) 내에 배열되고, 제2 회로는 지역 열 에너지 회로(20)의 부분을 형성한다. 건물의 국소 냉방 시스템을 위해서 사용되는 냉각기는 전형적으로 환기의 공기 덕트에 위치되거나 건물의 개별 공간에서 팬 구동식 공기 코일 컬렉터(fan-driven air-coil collector) 또는 천정 장착식 냉방 배터리(ceiling mounted cooling batteries)를 통해서 분배된다.
국소 냉방 시스템(300)은 유동 밸브(305)를 더 포함할 수 있다. 유동 밸브(305)는 냉방 열 교환기(302)를 통해서 유동하는 국소 열 전달 유체의 유동을 조정하도록 구성된다. 냉방 열 교환기(302)를 통한 열 전달 유체의 유동을 조정함으로써, 그리고 동시에 선택적으로 냉방 열 교환기(302)의 동작을 제어함으로써, 냉방 열 교환기(302)로부터 아웃풋되는 국소 열 전달 유체의 온도가 제어될 수 있다. 유동 밸브(305)는 제2 제어기(306)에 의해서 제어될 수 있다. 제2 제어기(306)는 냉각기(301)의 냉방 요구에 관련된 데이터 및/또는 국소 난방 시스템(200)의 유출구(26)에서 국소 열 전달 유체의 온도에 관련된 데이터 및/또는 국소 냉방 시스템(300)의 유출구(304)에서 국소 열 전달 유체의 온도에 관련된 데이터에 근거하여 유동 밸브(305)를 제어할 수 있다. 냉각기(301)의 냉방 요구에 관련된 데이터는 냉각기(301)에 연결되는 냉방 요구 센서(307)에 의해서 결정될 수 있다. 국소 난방 시스템(200)의 유출구(304)에서 열 전달 유체의 온도에 관련된 데이터는 위에서 논의된 온도 센서(T1)에 의해서 결정될 수 있다. 국소 냉방 시스템(300)의 유출구(304)에서 국소 열 전달 유체의 온도에 관련된 데이터는 유출구(304)에 연결된 온도 센서(T2)에 의해서 결정될 수 있다.
이제 도 1을 다시 참조하면, 지역 열 에너지 회로(20)는 국소 난방 시스템(250) 및/또는 국소 냉방 시스템(350)을 더 포함할 수 있다.
국소 열 에너지 회로(20)는 하나 이상의 국소 난방 시스템(250) 및/또는 하나 이상의 국소 냉방 시스템(350)을 포함할 수 있다. 국소 난방 시스템(250)은 건물(40) 내에 배열될 수 있다. 국소 냉방 시스템(350)은 건물(40) 내에 배열될 수 있다. 국소 난방 시스템(250)은 유입구(25)를 통해서 지역 공급 도관(22) 및 유출구(26)를 통해서 지역 공급 도관(23)에 연결된다. 국소 냉방 시스템(350)은 유입구(25)를 통해서 지역 복귀 도관(23) 및 유출구(26)를 통해서 지역 공급 도관(22)에 연결된다.
이제 도 4를 참조하며, 국소 난방 시스템(250)이 논의될 것이다. 국소 난방 시스템(250)은 열 에너지 소비기 조립체로서 간주될 수 있다. 국소 열 에너지 회로(20)는 하나 이상의 열 에너지 소비기 조립체를 포함할 수 있다.
국소 난방 시스템(250)은, 열 에너지 소비기 열 교환기(251), 열 에너지 소비기 밸브(252), 열 에너지 소비기 펌프(253), 제1 압력차 결정 디바이스(254) 및 제1 제어기(255)를 포함한다.
열 에너지 소비기 열 교환기(251)는, 열 에너지 소비기 밸브(252) 및 열 에너지 소비기 펌프(253)를 통해서, 고온 도관인 지역 공급 도관(22)에 선택적으로 연결된다. 열 에너지 소비기 밸브(252)를 통해서 지역 공급 도관(22)에 열 에너지 소비기 열 교환기(251)의 연결을 선택한 후에, 지역 공급 도관(22)으로부터의 열 전달 유체는 열 에너지 소비기 열 교환기(251) 안으로 유동되는 것이 허용된다. 열 에너지 소비기 펌프(253)를 통해서 지역 공급 도관(22)에 열 에너지 소비기 열 교환기(251)의 연결을 선택한 후에, 지역 공급 도관(22)으로부터의 열 전달 유체는 열 에너지 소비기 열 교환기(251) 안으로 펌핑된다. 아래에서 좀 더 상세히 논의되는 바와 같이, 지역 공급 도관(22)으로부터의 열 전달 유체가 열 에너지 소비기 열 교환기(251) 안으로 유동되는 것을 허용하거나, 또는 지역 공급 도관(22)으로부터의 열 전달 유체를 열 에너지 소비기 열 교환기(251) 안으로 펌핑하는 선택은 지역 공급 도관(22)과 지역 복귀 도관(23) 사이의 국소 압력차에 근거한다.
열 에너지 소비기 밸브(252) 및 열 에너지 소비기 펌프(253)는 별개의 디바이스로서 배열될 수 있다. 열 에너지 소비기 밸브(252) 및 열 에너지 소비기 펌프(253)는, [과제의 해결 수단] 항목에서 유동 레귤레이터로서 지칭되는 단일 디바이스로서 배열될 수 있다. 열 에너지 소비기 밸브(252) 및 열 에너지 소비기 펌프(253)는 도 4에서 도해되는 바와 같이 병렬로 배열될 수 있다. 열 에너지 소비기 밸브(252) 및 열 에너지 소비기 펌프(253)는 직렬로 배열될 수 있다. 열 에너지 소비기 밸브(252) 및 열 에너지 소비기 펌프(253)가 직렬로 배열되는 이러한 마지막 실시형태에서, 펌프는 이를 통한 열 전달 유체의 유동을 허용하는 비활성 상태로 설정되도록 배열된다.
열 에너지 소비기 열 교환기(251)는, 열 에너지 소비기 열 교환기(251)로부터 지역 복귀 도관(23)으로 열 전달 유체의 복귀를 허용하기 위해서, 저온 도관인 지역 복귀 도관(23)에 더 연결된다.
제1 압력차 결정 디바이스(254)는 지역 열 에너지 회로(20)의 제1 국소 압력차(Δp1)를 결정하도록 구성된다. 제1 국소 압력차는, 바람직하게는 열 에너지 소비기 열 교환기(251)가 지역 열 에너지 회로(20)에 연결되는 근처에서 측정된다. 제1 압력차 결정 디바이스(254)는 제1 고온 도관 압력 결정 디바이스(254a) 및 제1 저온 도관 압력 결정 디바이스(254b)를 포함할 수 있다. 제1 고온 도관 압력 결정 디바이스는 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력을 측정하기 위해 지역 공급 도관(22)에 연결되도록 배열된다. 제1 저온 도관 압력 결정 디바이스는 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력을 측정하기 위해 지역 복귀 도관(23)에 연결되도록 배열된다. 제1 국소 압력차 디바이스(254)는, 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력과 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력 사이의 압력차로서 제1 국소 압력차를 결정하도록 배열된다. 따라서, 제1 국소 압력차는 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력과 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력 사이의 국소 압력차로서 정의될 수 있다. 바람직하게는, 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력은, 열 에너지 소비기 열 교환기(251)가 지역 공급 도관(22)에 연결되는 근처에서 측정된다. 바람직하게는, 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력은, 열 에너지 소비기 열 교환기(251)가 지역 복귀 도관(23)에 연결되는 근처에서 측정된다.
제1 압력차 결정 디바이스(254)는 하드웨어 디바이스, 소프트웨어 디바이스로서 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 제1 압력차 결정 디바이스(254)는 제1 제어기(255)에 제1 국소 압력차(Δp1)를 통신하도록 배열된다.
제1 제어기(255)는 하드웨어 제어기, 소프트웨어 제어기로서, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 제1 제어기(255)는 열 에너지 소비기 밸브(252) 또는 열 에너지 소비기 펌프(253) 중 어느 하나의 사용을 선택적으로 제어하도록 배열된다. 제1 제어기(255)는 제1 압력차 결정 디바이스(254)에 의해서 제공되는 제1 국소 압력차에 근거하여 선택적인 제어를 수행하도록 배열된다. 제1 제어기(255)는, 열 에너지 소비기 밸브(252) 및 열 에너지 소비기 펌프(253)를 제어하기 위해서 열 에너지 소비기 밸브(252) 및 열 에너지 소비기 펌프(253)와 통신하도록 배열된다. 제1 제어기(255)는, 제1 국소 압력차가 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력이 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력보다 더 큰 점을 나타낼 때 열 에너지 소비기 밸브(252)의 사용을 선택적으로 제어하도록 구성된다. 제1 제어기(255)는, 제1 국소 압력차가 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력이 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제1 국소 압력보다 더 작거나 또는 동일한 점을 나타낼 때 열 에너지 소비기 펌프(253)의 사용을 선택적으로 제어하도록 구성된다.
열 에너지 소비기 열 교환기(251)는 열 전달 유체로부터 열 에너지를 열 에너지 소비기 열 교환기(251)의 주변으로 전달하도록 배열된다. 지역 복귀 도관(23)에 복귀되는 열 전달 유체는 제1 온도보다 더 낮은 온도를 갖는다. 바람직하게는, 열 에너지 소비기 열 교환기(251)는, 지역 복귀 도관(23)에 복귀되는 열 전달 유체의 온도가 제2 온도와 동일하도록 제어된다.
다시 도 4를 참조하며, 국소 냉방 시스템(350)이 논의될 것이다. 국소 냉방 시스템(350)은 열 에너지 발생기 조립체로서 간주될 수 있다. 지역 열 에너지 회로(20)는 하나 이상의 열 에너지 발생기 조립체를 포함할 수 있다.
국소 냉방 시스템(350)은, 열 에너지 발생기 열 교환기(351), 열 에너지 발생기 밸브(252), 열 에너지 발생기 펌프(353), 제2 압력차 결정 디바이스(354) 및 제2 제어기(355)를 포함한다.
열 에너지 발생기 열 교환기(351)는, 열 에너지 발생기 밸브(352) 및 열 에너지 발생기 펌프(353)를 통해서 지역 복귀 도관(23)에 선택적으로 연결된다. 열 에너지 발생기 밸브(352)를 통해서 지역 복귀 도관(23)에 열 에너지 발생기 열 교환기(351)의 연결을 선택한 후에, 지역 복귀 도관(23)으로부터의 열 전달 유체는 열 에너지 발생기 열 교환기(351) 안으로 유동되는 것이 허용된다. 열 에너지 발생기 펌프(353)를 통해서 지역 복귀 도관(23)에 열 에너지 발생기 열 교환기(351)의 연결을 선택한 후에, 지역 복귀 도관(23)으로부터의 열 전달 유체는 열 에너지 발생기 열 교환기(351) 안으로 유동되는 것이 허용된다. 아래에서 좀 더 상세히 논의되는 바와 같이, 지역 복귀 도관(23)으로부터의 열 전달 유체가 열 에너지 발생기 열 교환기(351) 안으로 유동되는 것을 허용하거나, 또는 지역 복귀 도관(23)으로부터의 열 전달 유체를 열 에너지 발생기 열 교환기(351) 안으로 펌핑하는 선택은 지역 공급 도관(22)과 지역 복귀 도관(23) 사이의 국소 압력차에 근거한다.
열 에너지 발생기 밸브(352) 및 열 에너지 발생기 펌프(353)는 별개의 디바이스로서 배열될 수 있다. 열 에너지 발생기 밸브(352) 및 열 에너지 발생기 펌프(353)는, [과제의 해결 수단] 항목에서 유동 레귤레이터로서 지칭되는 단일 디바이스로서 배열될 수 있다. 열 에너지 발생기 밸브(352) 및 열 에너지 발생기 펌프(353)는 도 4에서 도해되는 바와 같이 병렬로 배열될 수 있다. 열 에너지 발생기 밸브(352) 및 열 에너지 발생기 펌프(353)는 직렬로 배열될 수 있다. 열 에너지 발생기 밸브(352) 및 열 에너지 발생기 펌프(353)가 직렬로 배열되는 이러한 마지막 실시형태에서, 펌프는 이를 통한 열 전달 유체의 유동을 허용하는 비활성 상태로 설정되도록 배열된다.
열 에너지 발생기 열 교환기(351)는, 열 에너지 발생기 열 교환기(351)로부터 지역 공급 도관(22)으로 열 전달 유체의 복귀를 허용하기 위해서 지역 공급 도관(22)에 더 연결된다.
제2 압력차 결정 디바이스(354)는 지역 열 에너지 회로(20)의 제2 국소 압력차(Δp2)를 결정하도록 구성된다. 제2 국소 압력차는, 바람직하게는 열 에너지 발생기 열 교환기(351)가 지역 열 에너지 회로(20)에 연결되는 근처에서 측정된다. 제2 압력차 결정 디바이스(354)는 제2 고온 도관 압력 결정 디바이스(354a) 및 제2 저온 도관 압력 결정 디바이스(354b)를 포함할 수 있다. 제2 고온 도관 압력 결정 디바이스는 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력을 측정하기 위해 지역 공급 도관(22)에 연결되도록 배열된다. 제2 저온 도관 압력 결정 디바이스(354b)는 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력을 측정하기 위해 지역 복귀 도관(23)에 연결되도록 배열된다. 제2 국소 압력차 디바이스(354)는, 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력과 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력 사이의 압력차로서 제2 국소 압력차를 결정하도록 배열된다. 따라서, 제2 국소 압력차는 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력과 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력 사이의 국소 압력차로서 정의될 수 있다. 바람직하게는, 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력은, 열 에너지 발생기 열 교환기(351)가 지역 공급 도관(22)에 연결되는 근처에서 측정된다. 바람직하게는, 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력은, 열 에너지 발생기 열 교환기(351)가 지역 복귀 도관(23)에 연결되는 근처에서 측정된다.
제2 압력차 결정 디바이스(354)는 하드웨어 디바이스, 소프트웨어 디바이스로서 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 제2 압력차 결정 디바이스(354)는 제2 제어기(355)에 제2 국소 압력차(Δp2)를 통신하도록 배열된다.
제2 제어기(355)는 하드웨어 제어기, 소프트웨어 제어기로서, 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다. 제2 제어기(355)는 열 에너지 발생기 밸브(352) 또는 열 에너지 발생기 펌프(353) 중 어느 하나의 사용을 선택적으로 제어하도록 배열된다. 제2 제어기(355)는 제2 압력차 결정 디바이스(354)에 의해서 제공되는 제2 국소 압력차에 근거하여 선택적인 제어를 수행하도록 배열된다. 제2 제어기(355)는, 열 에너지 발생기 밸브(352) 및 열 에너지 발생기 펌프(353)를 제어하기 위해서 열 에너지 발생기 밸브(352) 및 열 에너지 발생기 펌프(353)와 통신하도록 배열된다. 제2 제어기(355)는, 제2 국소 압력차가 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력이 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력보다 더 큰 점을 나타낼 때 열 에너지 발생기 밸브(352)의 사용을 선택적으로 제어하도록 구성된다. 제2 제어기(355)는, 제2 국소 압력차가 지역 복귀 도관(23)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력이 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 제2 국소 압력보다 더 작거나 동일한 점을 나타낼 때 열 에너지 발생기 펌프(353)의 사용을 선택적으로 제어하도록 구성된다.
열 에너지 발생기 열 교환기(351)는 주위환경으로부터 열 전달 유체로 열 에너지를 전달하도룩 배열된다. 지역 공급 도관(22)에 복귀되는 열 전달 유체는 제2 온도보다 더 높은 온도를 갖는다. 바람직하게는, 열 에너지 발생기 열 교환기(351)는, 지역 공급 도관(22)에 복귀되는 열 전달 유체의 온도가 제1 온도와 동일하도록 제어된다.
도 4에서 도시되는 실시형태에서, 제1 압력차 결정 디바이스(254) 및 제2 압력차 결정 디바이스(354)는 두 개의 물리적으로 상이한 압력차 결정 디바이스이다. 그러나, 다른 실시형태에 따르면, 하나의 특정 국소 열 에너지 소비기 조립체(250) 및 하나의 특정 국소 열 에너지 발생기 조립체(350)는 동일한 압력차 결정 디바이스를 공유할 수 있다. 따라서, 제1 압력차 결정 디바이스(254) 및 제2 압력차 결정 디바이스(354)는 물리적으로 동일한 압력차 결정 디바이스일 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 두 개의 특정한 국소 열 에너지 소비기 조립체(250)는 동일한 압력차 결정 디바이스를 공유할 수 있다. 또 다른 실시형태에 따르면, 두 개의 특정한 국소 열 에너지 발생기 조립체(350)는 동일한 압력차 결정 디바이스를 공유할 수 있다.
도 4에 도시된 실시형태에서, 제1 제어기(255) 및 제2 제어기(355)는 두 개의 물리적으로 상이한 제어기이다. 그러나, 다른 실시형태에 따르면, 하나의 특정 국소 열 에너지 소비기 조립체(250) 및 하나의 특정 국소 열 에너지 발생기 조립체(350)는 동일한 제어기를 공유할 수 있다. 따라서, 제1 제어기(255) 및 제2 제어기(355)는 물리적으로 동일한 제어기일 수 있다. 다른 실시형태에 따르면, 두 개의 특정한 국소 열 에너지 소비기 조립체(250)는 동일한 제어기를 공유할 수 있다. 또 다른 실시형태에 따르면, 두 개의 특정한 국소 열 에너지 발생기 조립체(350)는 동일한 제어기를 공유할 수 있다.
바람직하게는, 정의된 온도차에서 열 에너지 소비기 열 교환기(251) 및 열 에너지 발생기 열 교환기(351)를 사용하여 열을 흡입하거나 발산하도록 요구된다. 8 내지 10℃의 온도차는 열 에너지 소비기 열 교환기(251) 및 열 에너지 발생기 열 교환기(351)를 통하는 최적의 유동에 대응한다.
지역 공급 도관(22)과 지역 복귀 도관(23) 사이의 국부 압력차는 지역 열 에너지 회로(20)를 따라서 변할 수 있다. 특히, 지역 공급 도관(22)과 지역 복귀 도관(23) 사이의 국소 압력차는 지역 공급 도관(22) 및 지역 복귀 도관(23) 중 하나로부터 보았을 때 포지티브로부터 네가티브 압력차로 변할 수 있다. 따라서, 때때로 특정 국소 열 에너지 소비기/발생기 조립체(250, 350)는 대응하는 열 에너지 소비기/발생기 열 교환기(251, 351)를 통해서 열 전달 유체를 펌핑할 필요가 있을 수 있고, 때때로 특정 국소 열 에너지 소비기/발생기 조립체(250, 350)는 대응하는 열 에너지 소비기/발생기 열 교환기(251, 351)를 통해서 열 전달 유체가 유동하는 것을 허용할 필요가 있을 수 있다. 따라서, 시스템 내 모든 펌핑이 국소 열 에너지 소비기/발생기 조립체(250, 350) 내에서 발생되는 것을 허용하는 것이 가능할 것이다. 필요한 한정된 유동 및 압력 때문에, 소형 주파수 제어식 순환 펌프가 사용될 수 있다.
열 에너지 소비기 펌프(253) 및/또는 열 에너지 발생기 펌프(353)는, 예를 들어, 주파수 제어식 순환 펌프일 수 있다.
열 에너지 소비기 밸브(252) 및/또는 열 에너지 발생기 밸브(352)는 조절 밸브일 수 있다.
도 5와 관련하여, 복수의 건물(40)에 에너지를 분배하기 위한 방법이 논의될 것이다. 방법은 다음 동작 중 하나 이상을 포함한다. 동작은 적합한 임의의 순서로 행해질 수 있다.
지열적으로 가열된 물의 유동을 지열 소오스(10)로부터 중앙 열 교환기(21)에 공급하는 단계(S500).
지열적으로 가열된 물의 인커밍 유동으로부터 지역 공급 도관(22) 내 열 전달 유체의 아웃고잉 유동으로 열을 교환하는 단계(S502).
국소 열 전달 유체의 유동은 지역 공급 도관(22)을 통해서 건물(40)에 배열되는 국소 난방 또는 냉방 시스템(200, 250, 300, 350)에 그리고 다시 지역 복귀 도관(23)을 통해서 중앙 열 교환기(21)로 지역 열 에너지 분배 시스템(20) 내에서 순환된다. 순환시키는 동작은 바람직하게는 복수의 국소 순환 펌프(28)를 사용하여 또는 중앙 순환 펌프(27)에 의해서 수행된다.
열은 복수의 건물(40) 각각의 국소 난방 시스템(200, 250)에서 국소 공급 도관(22) 내에서 유동하는 국소 열 전달 유체로부터 추출될 수 있다. 추출된 열은 각각의 건물(40)에 쾌적한 난방 및/또는 뜨거운 수돗물을 제공하기 위해서 사용될 수 있다. 또한, 열은 냉방 시스템(300, 350)에서 복수의 건물(40) 중 하나로부터 추출될 수 있다.
5 내지 30℃의 온도로 상기 지역 공급 도관(22)의 열 전달 유체의 아웃고잉 유동의 온도를 제어하는 단계(S504).
기술 분야에서 숙련된 사람은 본 발명이 상술된 바람직한 실시형태에 절대로 한정되지 않는다는 점을 인식한다. 반면에, 첨부된 청구항의 범위 내에서 많은 수정예 및 변형예가 가능하다.
예를 들어, 도 3에 도시되는 실시형태에서, 유동 밸브(305)는 냉방 열 교환기(302)의 유출구(304)에 배열된다. 그러나, 유동 밸브(305)는 대안적으로 냉방 열 교환기(302)의 유입구(303)에 배열될 수 있다.
도 3에 도시되는 실시형태에서, 제1 및 제2 제어기(204, 306)는 별개의 제어기로서 도시된다. 그러나, 대안적으로 제1 제어기(204) 및 제2 제어기(306)는 단일의 제어기로 결합될 수 있다.
도 1에서 도시되는 실시형태에서, 중앙 순환 펌프(27)는 중앙 열 교환기(21)에 대한 유입구에 위치되는 것으로 도해된다. 그러나, 중앙 순환 펌프(27)가 지역 열 에너지 회로(20) 내 임의의 위치에 배열될 수 있다는 점이 이해된다.
도 3에 도시되는 실시형태에서, 냉각 열 교환기(302)의 유출구(304)를 통해 국소 냉방 시스템(300)을 빠져 나가는 국소 열 전달 유체는 지역 복귀 도관(23)으로 공급된다. 그러나, 대안적으로 또는 조합하여, 유출구(304)를 통해서 국소 냉방 시스템(300)을 나가는 열 전달 유체는 지역 공급 도관(22)에 공급될 수 있다. 유출구(304)를 통해서 국소 냉방 시스템(300)을 나가는 열 전달 유체의 공급은 제2 제어기(306)에 의해서 제어될 수 있다. 유출구(304)를 통해서 지역 공급 및/또는 복귀 도관(22, 23)으로 국소 냉방 시스템(300)을 나가는 열 전달 유체의 공급의 제어는 제2 센서(T2)에 의해 모니터되는 온도에 근거될 수 있다.
또한, 난방 및 냉방 시스템은 하나의 온도 센서(T1), 두 개의 온도 센서(T1 내지 T2) 각각으로 예시되었다. 온도 센서의 개수 및 이의 위치가 변경될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 또한, 추가적인 센서가 제1 제어기(204) 및 제2 제어기(306)에 입력되는 요구되는 인풋 및 요구되는 복잡성(desired complexity)에 의존하여 시스템에 도입될 수 있다는 점이 이해될 것이다. 특별히, 제1 제어기(204) 및 제2 제어기(306)는 국소적인 설정을 고려하게끔 국소적으로 건물(40) 내에 배열되는 열 방출기(202) 및/또는 냉각기(301)와 통신하도록 배열될 수 있다.
또한, 도면, 개시내용 및 첨부된 청구항의 연구로부터, 청구된 발명을 실시함에 있어서, 개시된 실시형태에 대한 변형이 숙련된 자에 의해서 이해될 수 있고, 달성될 수 있다.
Claims (17)
- 지역 에너지 분배 시스템으로서,
지열 소오스(source) 및 상기 지열 소오스로부터 지열적으로 가열된 물의 유동을 위한 공급 도관을 포함하는 지열 소오스 시스템;
지역 공급 도관으로서, 이를 통해서 제1 온도의 열 전달 유체가 유동하는 것을 허용하도록 구성되는, 상기 지역 공급 도관;
지역 복귀 도관으로서, 이를 통해서 제2 온도의 열 전달 유체가 유동하는 것을 허용하도록 구성되며, 상기 제2 온도는 상기 제1 온도보다 더 낮은, 상기 지역 복귀 도관;
상기 지역 공급 도관에 연결되는 유입구 및 상기 지역 복귀 도관에 연결되는 유출구를 각각 갖는 복수의 국소 난방 시스템으로서, 각각의 상기 국소 난방 시스템은 건물에 뜨거운 물 및/또는 쾌적한 난방을 제공하도록 구성되며, 상기 국소 난방 시스템의 각각은,
열 전달 유체가 상기 지역 공급 도관으로부터 열 에너지 소비기 열 교환기 안으로 유동되는 것을 허용하기 위한 열 에너지 소비기 밸브를 통해서, 또는 열 전달 유체를 상기 지역 공급 도관으로부터 상기 열 에너지 소비기 열 교환기 안으로 펌핑하기 위한 열 에너지 소비기 펌프를 통해서, 상기 지역 공급 도관에 선택적으로 연결되고, 상기 열 에너지 소비기 열 교환기로부터 상기 지역 복귀 도관으로 열 전달 유체의 복귀를 허용하기 위해 지역 복귀 도관에 연결되는 상기 열 에너지 소비기 열교환기로서, 상기 열 에너지 소비기 열 교환기는, 상기 지역 복귀 도관으로 복귀되는 열 전달 유체가 상기 제1 온도보다 더 낮은 온도를 갖도록, 열 전달 유체로부터 열 에너지를 상기 열 에너지 소비기 열 교환기의 주위환경에 전달하도록 배열되는 상기 열 에너지 소비기 열 교환기;
상기 지역 공급 도관과 상기 지역 복귀 도관 사이의 국소 압력차(Δp1)를 결정하도록 구성되는 압력차 결정 디바이스; 및
상기 국소 압력차에 근거하여, 상기 열 에너지 소비기 밸브 또는 상기 열 에너지 소비기 펌프 중 어느 하나의 사용을 선택적으로 제어하도록 구성되는 제어기;를 포함하는, 상기 국소 난방 시스템; 및
지열적으로 가열된 물의 인커밍(incoming) 유동이 중앙 열 교환기에 제공되도록, 상기 지열 소오스 시스템의 상기 공급 도관에 연결되는 상기 중앙 열 교환기;를 포함하되,
상기 중앙 열 교환기는 상기 지열적으로 가열된 물의 인커밍 유동으로부터 상기 지역 공급 도관 내 열 전달 유체의 아웃고잉(outgoing) 유동으로 열을 교환하도록 구성되고,
상기 중앙 열 교환기는 상기 지역 공급 도관 내 상기 열 전달 유체의 아웃고잉 유동의 온도를 5 내지 30℃의 온도로 제어하도록 구성되는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지열 소오스 시스템은, 상기 중앙 열 교환기로부터 상기 지열 소오스로 냉각된 물의 복귀 유동을 위한 복귀 도관을 더 포함하는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지열 소오스 시스템은 심부 지열(deep geothermal heat) 소오스 시스템인, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지열 소오스는, 복귀 도관을 통해서 복귀되는 상기 냉각된 물을 100℃를 초과하는 온도로 지열적으로 가열하도록 구성되는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지열 소오스 시스템은 상기 지열 소오스로부터 상기 공급 도관으로 지열적으로 가열된 물을 이동시키며, 상기 지열적으로 가열된 물이 상기 공급 도관 내에서 액상이 되도록 상기 지열적으로 가열된 물을 가압하도록 구성되는 흡입 펌프를 더 포함하는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제2항에 있어서,
상기 중앙 열 교환기는 상기 중앙 열 교환기로부터의 상기 냉각된 물의 복귀 유동의 온도를 10 내지 40℃의 온도로 제어하도록 구성되는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 국소 난방 시스템 각각은, 상기 유입구를 통해서 상기 국소 난방 시스템에 들어가는 열 전달 유체로부터 열을 추출하고 상기 유출구를 통해서 상기 지역 복귀 도관으로 열 전달 유체를 복귀시키도록 구성되는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제7항에 있어서,
상기 복수의 국소 난방 시스템 각각은 -5 내지 15℃의 온도 범위를 갖는 국소 열 전달 유체를 복귀시키도록 구성되는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지역 공급 도관 및 지역 복귀 도관은 0.6 MPa, 1 MPa, 또는 1.6 MPa까지의 압력에 대해 치수 지어지는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 국소 압력차가 상기 지역 공급 도관의 상기 열 전달 유체의 국소 압력이 상기 지역 복귀 도관의 상기 열 전달 유체의 국소 압력 초과임을 나타낼 때, 상기 제어기는 상기 열 에너지 소비기 밸브를 선택적으로 사용하도록 구성되고,
상기 국소 압력차가 상기 지역 공급 도관의 상기 열 전달 유체의 국소 압력이 상기 지역 복귀 도관의 상기 열 전달 유체의 국소 압력 이하임을 나타낼 때, 상기 제어기는 상기 열 에너지 소비기 펌프를 선택적으로 사용하도록 배열되는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 온도의 온도 범위는 -10 내지 45℃이며, 상기 제2 온도의 온도 범위는 -10 내지 45℃인, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 사이의 온도 차이는 5 내지 16℃의 범위 내에 있는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지역 복귀 도관으로 복귀되는 상기 열 전달 유체가 상기 제2 온도와 동일한 온도를 갖는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 지열 소오스는, 상기 복귀 도관을 통해서 복귀되는 상기 냉각된 물을 100 내지 250℃ 사이의 온도로 지열적으로 가열하도록 구성되는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 온도의 온도 범위는 4 내지 32℃이며, 상기 제2 온도의 온도 범위는 4 내지 32℃인, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 사이의 온도 차이는 7 내지 12℃의 범위 내에 있는, 지역 에너지 분배 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 제1 온도 및 상기 제2 온도 사이의 온도 차이는 8 내지 10℃의 범위 내에 있는, 지역 에너지 분배 시스템.
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