KR102316757B1 - 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 액화공기의 잠열을 활용하여 실내 냉방 및 난방 에너지를 제공할 수 있는 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템은, 공기를 압축 및 냉각시켜 액체공기를 생성하는 공기 압축 공정부; 및 상기 액체공기를 기화시켜 재기화 공기를 냉난방 수요처에 냉방용 공기로 공급하거나, 상기 재기화 공기를 가열하여 냉난방 수요처에 난방용 공기로 공급하는 공기 팽창 공정부;를 포함하고, 상기 공기 압축 공정부 및 공기 팽창 공정부는, 상기 공기 압축 공정부에서 공기를 액화시키면서 고온의 열에너지 또는 상기 공기 팽창 공정부에서 공기를 기화시키면서 저온의 열에너지를 회수 및 저장하고, 상기 저장된 열에너지로 상기 공기를 기화 또는 액화시키는 잠열 저장부;를 포함한다.

Description

액화공기를 활용한 공기 조화 시스템 및 방법 {Air Conditioning System and Method using Liquefied Air}
본 발명은 잠열을 활용하여 실내 냉방 및 난방 에너지를 제공할 수 있는 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
지구 온난화에 대한 관심이 전 세계적으로 증가하고 있는 현실을 고려하여 각 국가는 탄소 배출량을 줄이는 등의 에너지 절감 역량을 강화하고 있다. 최근 증가하고 있는 데이터 센터, 컴퓨터 룸, 반도체 공장 등에 요구되는 공기 조화 시스템은 대규모의 공기의 온도 및 습도를 조절하여 최상의 쾌적한 실내환경을 구현할 수 있도록 하는 것을 목표로 한다.
냉난방을 위해 가동되는 기존의 공기 조화 시스템은, 전체 시스템의 구동을 위하여 공기 조화기 외 다양한 보조 설비의 구축이 필요하였다. 냉방 설비의 경우에는 냉동기(chiller) 및 냉각탑을 포함하고, 냉동기와 냉각탑을 이용하여 냉각한 물을 공기 조화기로 공급하여, 열교환을 통해 시원한 공기를 실내로 공급하였다. 또한, 난방 설비의 경우에는 보일러 및 스팀 제어 설비를 포함하고, 보일러에서 생산된 증기를 공기 조화기로 공급하여, 열교환을 통해 따뜻한 공기를 실내로 공급하였다.
따라서, 종래의 공기 조화 시스템은, 실내의 적정한 온도를 유지함에 있어 다소 복잡하고 큰 규모로 구성되어 있고 소규모의 냉난방 요구에 따라 운영 시 설비가 비효율적일 수밖에 없는 구조이다. 또한, 첨두부하(peak load)가 발생하는 낮시간에 개별적으로 에어컨 또는 온풍기를 가동할 시, 전력 사용이 부담이 되는 문제가 있다.
이와 같이 기존의 공기 조화 시스템은, 다양한 필수적 설비가 요구되어 구성에 많은 비용이 필요할 뿐 아니라, 유지 보수에도 상당한 어려움이 발생한다.
또한, 기존의 공기 조화 시스템은 최초 공사 당시에 적정한 용량을 반영하지 않을 경우 추후 용량 변경이 어렵다. 또한, 건물의 용도를 변경하고자 하는 등 냉/난방 에너지 수요가 달라지는 경우에도 적정 에너지의 공급이 원활하지 않아 공기 조화 시스템 자체를 변경하여야 한다는 단점이 있다.
또한, 기존의 공기 조화 시스템은, 냉난방 수요가 감소할 경우 시스템을 부분 부하로 운전하여야 하는데 이때 냉난방 에너지 효율이 감소하는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 시스템을 간소화하고, 단독 또는 기존의 공기 조화 시스템에 추가하여 운영할 수 있게 함으로써 용량 변경에 탄력적으로 적용할 수 있으며, 국내외 지속적으로 문제가 되고 있는 전력의 수요와 공급의 불일치 현상을 해소할 수 있는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템 및 방법을 제공하고자 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 의하면, 공기를 압축 및 냉각시켜 액체공기를 생성하는 공기 압축 공정부; 및 상기 액체공기를 기화시켜 재기화 공기를 냉난방 수요처에 냉방용 공기로 공급하거나, 상기 재기화 공기를 가열하여 냉난방 수요처에 난방용 공기로 공급하는 공기 팽창 공정부;를 포함하고, 상기 공기 압축 공정부 및 공기 팽창 공정부는, 상기 공기 압축 공정부에서 공기를 액화시키면서 고온의 열에너지 또는 상기 공기 팽창 공정부에서 공기를 기화시키면서 저온의 열에너지를 회수 및 저장하고, 상기 저장된 열에너지로 상기 공기를 기화 또는 액화시키는 잠열 저장부;를 포함하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템이 제공된다.
바람직하게는, 상기 잠열 저장부는, 상기 액체공기를 기화시키면서 액체공기의 저온 열에너지를 회수하여 저장하는 저온 잠열 저장장치;를 포함하고, 상기 저온 잠열 저장장치는 하나 이상 구비되며, 상기 하나 이상의 저온 잠열 저장장치는,공기가 유동하는 공기 이동부; 및 상기 공기 이동부를 제외한 나머지 부분으로서, 특정 온도 범위에서 상변화가 일어나는 상변화 물질이 충진되는 상변화 물질 충진부;를 포함하고, 상기 상변화 물질은, 서로 다른 상변화 온도를 갖는 서로 다른 상변화 물질이 상기 하나 이상의 저온 잠열 저장장치에 각각 충진되어 순차적으로 액체공기의 저온 열에너지를 회수할 수 있다.
바람직하게는, 상기 저온 잠열 저장장치는 6단으로 구성되며, 상기 액체공기는 상기 6개의 저온 잠열 저장장치를 순차적으로 통과하면서 6단계에 걸쳐 저온의 열에너지가 회수될 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 압축 공정부는, 액화시킬 공기를 압축하는 공기 압축기;를 포함하고, 상기 잠열 저장부는, 상기 공기 압축기 하류에 설치되며, 상기 공기 압축기에 의해 압축된 압축 공기로부터 고온의 열에너지를 회수하여 저장함으로써 상기 압축 공기를 냉각시키는 축열 잠열 저장장치;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 압축기 및 축열 잠열 저장장치는 다단으로 이루어지며, 상기 다단으로 이루어지는 축열 잠열 저장장치는, 공기가 유동하는 공기 이동부; 및 상기 공기 이동부를 제외한 나머지 부분으로서, 특정 온도 범위에서 상변화가 일어나는 상변화 물질이 충진되는 상변화 물질 충진부;를 포함하며, 상기 다단으로 이루어지는 축열 잠열 저장장치에는 모두 동일한 상변화 온도를 갖는 상변화 물질이 충진될 수 있다.
바람직하게는, 상기 축열 잠열 저장장치에서 냉각된 압축공기는 상기 저온 잠열 저장장치로 공급되고, 상기 저온 잠열 저장장치에 충진되어 있는 상변화 물질은, 상기 압축공기의 고온 열에너지에 의해 상변화되면서 상기 압축공기를 액화시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 팽창 공정부는, 상기 생성된 액체공기를 저장하는 액화공기 저장탱크; 및 상기 액체공기를 감압시키고, 감압에 의해 액체공기의 온도를 낮추는 줄-톰슨 밸브;를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 줄-톰슨 밸브에 의해 감압된 액체공기는 상기 저온 잠열 저장장치로 공급되고, 상기 저온 잠열 저장장치에 충진되어 있는 상변화 물질은, 상기 감압된 액체공기에 의해 상변화하고, 상기 상변화 물질의 잠열에 의해 상기 감압된 액체공기를 기화시킬 수 있다.
바람직하게는, 상기 저온 잠열 저장장치에서 기화된 재기화 공기가 냉방용 공기로 공급되거나 난방용 공기로 공급되도록 유로를 제어하기 위한 3방향 밸브;를 더 포함하고, 상기 3방향 밸브에 의해 난방용 공기로 공급되는 재기화 공기는 상기 축열 잠열 저장장치로 공급되며, 상기 축열 잠열 저장장치의 상변화 물질은, 상기 재기화 공기에 의해 상변화하고, 상기 상변화 물질의 잠열에 의해 상기 재기화 공기가 가열될 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 압축 공정부는, 상기 축열 잠열 저장장치에서 냉각된 압축공기를 목표온도까지 더 냉각시켜 상기 저온 잠열 저장장치로 공급하는 공기 냉각기;를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 압축 공정부는, 전력의 비첨두부하 시에 작동되고, 상기 공기 팽창 공정부는, 전력의 첨두부하 시에 냉난방 수요가 발생하면 작동될 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 압축 공정부는, 상기 냉난방 수요처에 설치된 유휴 압축기를 이용하여 공기를 압축할 수 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 일 측면에 의하면, 전력의 비첨두부하 시에 공기를 압축 및 냉각시켜 액체공기를 생성하는 공기 압축 단계; 및냉난방 수요가 발생하면, 상기 액체공기를 기화시켜 냉난방 수요처에 냉방용 공기로 공급하거나, 상기 액체공기를 기화시킨 후 가열하여 상기 냉난방 수요처에 난방용 공기로 공급하는 공기 팽창 단계;를 포함하고, 상기 공기 압축 단계에서 공기를 액화시키면서 고온의 열에너지를 회수 및 저장하고, 상기 공기 팽창 단계에서 공기를 기화시키면서 저온의 열에너지를 회수 및 저장하여, 상기 저장된 열에너지로 상기 공기를 기화시키거나 액화시키는 잠열 회수 단계;를 포함하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 방법이 제공된다.
바람직하게는, 상기 냉열 회수 단계에서 기화된 재기화 공기를 냉방 수요처로 공급하거나, 상기 냉열 회수 단계에서 기화된 재기화 공기를 더 가열하여 난방 수요처로 공급할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 압축 단계는, 액화시킬 공기를 압축하는 다단 압축 단계; 및 상기 압축에 의해 온도가 상승한 압축공기의 고온 열에너지로 상변화 물질을 상변화시켜 열에너지를 저장함으로써 상기 압축공기를 냉각시키는 공기 냉각 단계;를 포함하며, 상기 난방 수요처로 공급하는 재기화 공기는, 상기 공기 냉각 단계에서 저장된 고온 열에너지로 가열할 수 있다.
바람직하게는, 상기 공기 팽창 단계는, 액체공기를 감압시켜 액체공기의 압력 및 온도를 낮추는 감압 단계; 및 상기 감압된 액체공기의 저온 열에너지로 상변화 물질을 상변화시켜 열에너지를 저장함으로써 상기 액체공기를 재기화시키는 냉열 회수 단계;를 포함하고, 상기 냉열 회수 단계는, 서로 다른 상변화 온도를 갖는 상변화 물질을 이용하여 여러 단계에 걸쳐 액체공기의 냉열을 회수할 수 있다.
본 발명에 따른 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템 및 방법은, 공기를 압축하는 과정에서 열원을 회수하여 난방 에너지로서 활용하고, 액화공기를 재기화시키는 과정에서 냉열을 회수하여 냉방 에너지로서 활용하는 방식을 이용하여, 기존의 공기 조화 시스템을 간소화할 수 있다.
이와 같이 기존의 공기 조화 시스템에 비해 작동 기기의 수를 감소시키고 시스템 및 공정을 간소화함으로써, 비용을 절감할 수 있고, 설치 위치에 대한 제약을 없앨 수 있으며, 유지 보수를 용이하게 할 수 있다.
특히, 산업에 가장 많이 사용되는 압축기를 활용한 설비로서, 유휴 압축기가 있을 경우 효과적으로 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 기존의 중앙 집중식 공조 시스템보다 운전 방식이 간단할 뿐 아니라, 용량 증설에도 어려움이 없고, 저용량에도 효과적으로 대응할 수 있다.
또한, 용량의 변경이 어려운 중앙 집중식 냉난방 공조 시스템과 함께 운영하거나 대체할 수 있어, 기존의 공조 시스템의 단점을 보완할 수 있다.
또한, 비첨두부하 시에는 계통 전력을 활용하여 압축기를 작동시켜 에너지를 액화공기 형태로 저장하고, 첨두부하 시에는 저장된 에너지를 활용하여 냉/난방 에너지를 제공함으로써, 첨두부하 시의 전력 부하를 감소시킬 수 있으므로, 국내외에 지속적으로 문제가 되고 있는 전력의 수요와 공급 불일치 현상을 완화시킬 수 있다.
또한, 화석 연료를 사용하지 않고, 공기를 액화시켜 저장한 뒤 다시 재기화시켜 활용함으로써 친환경 공기 조화 시스템을 제공할 수 있다.
또한, 다단의 온도 범위에서 액화공기의 잠열을 저장하고 활용함으로써 냉난방 온도를 효과적으로 제어할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템의 공정 개념을 간단하게 도시한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템의 구성을 간략하게 도시한 공정도이다.
도 3은 도 2에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 저온 잠열 저장장치를 보다 구체적으로 도시한 상세도이다.
도 4의 (a)는 다단의 저온 잠열 저장장치에서 공기 압축 공정과 공기 팽창 공정 시의 온도구배를 나타낸 그래프이고, (b)는 다단의 축열 잠열 저장장치에서 공기 압축 공정과 공기 팽창 공정 시의 온도구배를 나타낸 그래프이다. 도 4에서 실선은 공기 압축 공정 시의 압축공기의 거동을 나타낸 것이고, 점선은 공기 팽창 공정 시의 공기의 거동을 나타낸 것이다. 또한, 도 4의 (a)에서 굵은 실선은 저온 잠열 저장부의 온도 구배를, (b)에서 굵은 실선은 축열 잠열 저장부의 온도 구배를 나타낸 것이다.
본 발명의 동작상 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부도면 및 첨부도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.
이하, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템 및 방법을 설명하기로 한다.
먼저 도 1을 참조하면, 도 1은 중온 및 저온의 열을 효과적으로 회수 및 공급하기 위한 배치 및 운전 방안의 개념도이며, 도 1에서 실선은 공기의 흐름을 나타내는 것이고, 점선은 열에너지의 이동을 나타냄으로써 열에너지의 방출 및 저장의 원리를 나타내는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템은, 공기를 압축하고, 압축된 공기를 극저온의 냉열로 냉각시켜 액체공기를 생산하는 공기 압축 공정을 실시하는 공기 압축 공정부(C); 및 액체공기를 재기화시키면서 냉열을 회수하고, 냉난방 에너지를 제공하는 공기 팽창 공정을 실시하는 공기 팽창 공정부(D);를 포함한다.
공기 압축 공정부(C)에서는, 액체공기를 생산하는 과정에서 고온의 열에너지를 회수하여 저장하고, 공기 팽창 공정부(D)에서 회수되고 저장된 저온의 열에너지를 이용하여 공기를 액화시킨다.
또한, 공기 팽창 공정부(D)에서는, 액체공기를 재기화시키는 과정에서 저온의 열에너지를 회수하여 저장하고, 저온의 열에너지가 회수되면서 기화된 재기화 공기는 냉방 에너지로서 냉방 수요처로 직접 공급할 수 있으며, 난방이 필요한 경우에는 공기 압축 공정부(C)에서 회수 및 저장된 고온의 열에너지로 재기화 공기를 가열한 후 난방 에너지로서 공급할 수 있다.
특히, 본 실시예에 따르면, 공기 압축 공정부(C)는 저녁 시간이나 새벽 시간 등 계통 전력의 전력 수요가 적은 비첨두부하 시간대에 운전하고, 공기 팽창 공정부(D)는 낮 시간 등 계통 전력의 전력 수요가 최고치에 이르는 첨두부하 시간대에 운전한다.
또한, 본 실시예의 열에너지 회수 및 저장은 특정 온도 범위에서 상변화가 일어나는 상변화 물질의 잠열을 활용한다.
보다 구체적으로는, 비첨두부하 시간에는 각종 건물에 존재하는 유휴 압축기를 운전하여 공기를 압축(1단 압축, 2단 압축)하고, 압축 과정에서 가열된 공기는 상변화 물질을 포함하는 축열 잠열 저장장치를 통과시키면서 그 열에너지를 저장하는 동시에 공기는 냉각시킨다(축열 저장). 여기서 저장된 열에너지는 공기 팽창 공정 시에 액체공기를 재기화시키는데 사용된다. 또한, 열에너지를 회수함으로써 냉각시킨 압축공기는 다단의 저온 잠열 저장장치를 통과시키면서 액화시킴으로써(다단저온잠열방출) 압축 액체공기를 생성한다.
상기의 공기 압축 공정에 의해 생성된 액체공기는 저장된 후, 냉난방이 필요한 시점에 재기화시킨다. 특히, 저장된 액체공기를 첨두부하 시간대에 재기화시키면 계통 전력을 사용하지 않아도 되므로 전력 부하를 감소시킬 수 있다.
액체공기는 다단의 저온 잠열 저장장치를 통과시키면서 액체공기의 잠열을 저장하는 동시에 기화시킨다(다단저온잠열저장). 저장된 액체공기의 저온 열에너지는 공기 압축 공정 시에 압축공기를 액화시키는데 사용된다. 저온이 회수되면서 상온의 압축공기로 방출된 재기화 공기는 여름철에는 그대로 냉방용으로 사용하고, 겨울철에는 축열 잠열 저장장치를 통과시켜 가열한 후 난방용으로 사용할 수 있다.
도 2를 참조하면, 공기 압축 공정부(C)는, 액화시킬 공기를 압축하는 공기 압축기(101, 102); 공기 압축기(101, 102)에 의해 압축된 압축공기의 고온 열에너지를 회수하여 저장하고 축열 잠열 저장부(130); 냉각된 압축공기를 액체공기를 기화시키면서 회수한 저온 열에너지를 이용하여 액화시키는 저온 잠열 저장부(120); 및 공기 압축 공정부(C)에 의해 액화된 액체공기를 저장하는 액화공기 저장탱크(112);를 포함한다.
공기 압축기(101, 102)는 하나 이상의 압축기를 이용하여 여러 단계에 걸쳐 공기를 압축하는 다단 압축기일 수 있다. 본 실시예의 공기 압축기(101, 102)는 2단 압축기로서, 공기를 1차 압축하는 저압 압축기(101); 및 저압 압축기(101)에 의해 압축된 공기를 목표 압력까지 압축시키는 고압 압축기(102);를 포함할 수 있다.
예를 들어, 본 실시예에서 저압 압축기(101)는 공기를 약 8 bar로 압축시킬 수 있다. 또한, 고압 압축기(102)는 저압 압축기(101)에 의해 압축된 약 8 bar의 공기를 약 18 bar로 압축시킬 수 있다.
축열 잠열 저장장치(130)는 하나 이상의 공기 압축기 하류에 각각 설치되어, 압축공기의 압축열을 회수하여 저장할 수 있다.
즉, 본 실시예의 축열 잠열 저장장치(130)는 2단으로 구성되고, 저압 압축기(101)의 하류에 설치되며, 저압 압축기(101)에 의해 압축된 저압 공기의 고온 열에너지를 회수하는 제1 축열 잠열 저장장치(103); 및 고압 압축기(102)의 하류에 설치되며 고압 압축기(102)에 의해 압축된 고압 공기의 고온 열에너지를 회수하는 제2 축열 잠열 저장장치(104);를 포함할 수 있다.
각 축열 잠열 저장장치(103, 104)의 내부에는, 고온의 공기가 유동하는 고온 공기 튜브와, 저온의 공기가 유동하는 저온 공기 튜브가 구비되어 있고, 고온 공기 튜브 및 저온 공기 튜브를 제외한 나머지 공간에는 상변화 물질로 채워져있을 수 있다.
각 축열 잠열 저장장치(103, 104) 내부에 채워전 상변화 물질은, 특정 온도범위에서 상변화가 일어나는 물질로서, 본 실시예에서 각 축열 잠열 저장장치(103, 104) 내부의 상변화 물질은 상변화 온도가 약 30℃ 내지 35℃일 수 있다.
공기 압축기(101, 102)에 의해 압축되면서 온도가 상승한 압축공기는 공기 액화라인(AL1)을 따라 축열 잠열 저장장치(103, 104)의 고온 공기 튜브로 공급되고, 각 축열 잠열 저장장치(103, 104)에서 압축열이 회수되어 저장된다.
도 4의 (b)를 참고하면, 공기 압축 공정에서 축열 잠열 저장장치(103, 104)에서 일어나는 압축공기의 온도 구배가 실선으로 도시되어 있다. 각각의 축열 잠열 저장장치(103, 104)에서 열교환이 진행될 경우, 상변화가 발생하는 온도와 공기와의 온도차이는 모두 5K로 적용되어 있다.
본 실시예의 각 축열 잠열 저장장치(103, 104)에는, 압축열을 회수한 중온의 영역으로서, 동일한 1가지의 상변화 물질을 주입하여 운전한다.
축열 잠열 저장장치(103, 104)에서 압축공기의 압축열에 의해 상변화 물질은 고체에서 액체로 상변화하고, 상변화 물질의 상변화에 의한 잠열에 의해 압축공기는 냉각된다. 여기서 상변화 물질은 고체에서 액체로 상변화할 수도 있고, 또한 액체에서 기체 또는 고체에서 기체 상태로 상변하는 물질일 수도 있을 것이다.
축열 잠열 저장장치(103, 104)의 상변화 물질이 저장하고 있는 압축공기의 압축열은 저온 공기 튜브를 통과하는 저온 공기를 가열시키는 열원으로 활용될 수 있다.
본 실시예의 축열 잠열 저장부(130)에 의해 고온의 열에너지가 회수된 압축공기는 공기 액화라인(AL1)을 따라 저온 잠열 저장부(120)로 공급된다.
공기 액화라인(AL1)을 따라 저온 잠열 저장부(120)로 공급되는 압축공기의 온도는 약 25℃일 수 있다.
본 실시예에서 축열 잠열 저장부(130)로부터 저온 잠열 저장부(120)로 이송되는 압축공기의 온도가 목표온도를 만족하지 못하는 경우를 대비하여, 축열 잠열 저장부(130)에서 고온 열에너지가 회수되면서 온도가 낮아진 압축 공기를 냉각시키는 공기 냉각기(105);를 더 포함할 수 있다.
즉, 제2 축열 잠열 저장장치(104)로부터 배출되는 압축공기의 온도가 25℃를 초과하는 경우에는, 공기 냉각기(105)에서 압축공기를 25℃까지 더 냉각한 후, 공기 냉각기(105)에서 냉각된 저온의 압축공기를 공기 액화라인(AL1)을 통해 저온 잠열 저장부(120)로 공급할 수 있다.
본 실시예의 저온 잠열 저장부(120)는 여러개의 저온 잠열 저장장치를 포함하며, 각 저온 잠열 저장장치에 저장된 냉열을 활용하여, 여러 단계에 걸쳐 저온의 압축공기를 액화시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 저온 잠열 저장부(120)는 제1 저온 잠열 저장장치(106); 제2 저온 잠열 저장장치(107); 제3 저온 잠열 저장장치(108); 제4 저온 잠열 저장장치(109); 제5 저온 잠열 저장장치(110); 및 제6 저온 잠열 저장장치(111); 등 총 6개의 저온 잠열 저장장치를 포함하고, 1 내지 6단계에 걸쳐 저온의 압축공기를 액화시킬 수 있다.
저온 잠열 저장부(120)의 내부에는 도 3에 도시된 바와 같이 6개의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)가 상호 이격되어 설치될 수 있고, 나머지 공간은 진공 단열 처리되어 있을 수 있다.
저온 잠열 저장부(120)에 의해 저온의 압축공기는, 다수의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)를 순차적으로 통과하면서 1 내지 6단계에 걸쳐 다수의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)에 충전되어 있는 냉열에 의해 냉각되면서 액화된다.
도 3을 참조하면, 다수의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111) 각각의 내부에는, 고압의 공기가 유동하는 고압 공기 튜브와 저압의 공기가 유동하는 저압 공기 튜브로 구성되는 공기 이동부(122); 및 상변화 물질이 채워지는 상변화 물질 충진부(120);로 구성될 수 있다.
즉, 다수의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111) 각각의 내부는 공기 이동부(122) 외 나머지 공간이 모두 상변화 물질로 채워질 수 있다.
또한, 다수의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111) 각각은 온도 변화에 따른 부피변화를 완충하기 위한 수축/팽창부(121)가 구비된다. 수축/팽창부(121)는 일종의 여유공간으로서, 상변화 물질이 액체에서 고체로, 고체에서 액체로 변화함에 따른 부피 변화가 발생하여 저온 잠열 저장장치 자체의 수축 또는 팽창이 일어나지 않도록 한다.
여기서, 상변화 물질은, 특정 온도범위에서 상변화하는 물질이다. 본 실시예에서 6개의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)에는 갑작스러운 온도 변화를 막기 위하여, 각각 서로 다른 상변화 온도를 갖는 상변화 물질이 채워져있다. 따라서, 저온 잠열 저장부(120)에서 열교환하는 유체의 온도 변화는 순차적으로 이루어질 수 있다.
저온의 압축공기는 6개의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)를 순차적으로 통과하며, 유입온도 및 목표 배출온도에 따라 1단계 내지 6단계에 걸쳐 냉각된다.
예를 들어, 저온의 압축공기가 6단계에 걸쳐 냉각되는 경우, 축열 잠열 저장장치(130) 및/또는 공기 냉각기(105)에서 냉각된 저온의 압축공기는 공기 액화라인(AL1)을 따라 제1 저온 잠열 저장장치(106), 제2 저온 잠열 저장장치(107), 제3 저온 잠열 저장장치(108), 제4 저온 잠열 저장장치(109), 제5 저온 잠열 저장장치(110) 및 제6 저온 잠열 저장장치(111)의 공기 이동부(122)를 통과하면서, 각 저온 잠열 저장장치에 충전되어 있는 냉열에 의해 냉각된다.
다수개의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)의 상변화 물질을 각각 액체에서 고체로 상변화하고 이때 상변화 물질의 상변화에 의한 잠열에 의해 저온의 압축공기가 냉각된다. 여기서, 상변화 물질은 액체에서 고체는 물론 기체에서 액체 또는 기체에서 고체로 상변화하는 물질일 수 있을 것이다.
본 실시예의 제1 저온 잠열 저장장치(106)의 상변화 물질의 상변화 온도는 약 15℃, 제2 저온 잠열 저장장치(107)의 상변화 물질의 상변화 온도는 약 0℃, 제3 저온 잠열 저장장치(108)의 상변화 물질의 상변화 온도는 약 -40℃, 제4 저온 잠열 저장장치(109)의 상변화 물질의 상변화 온도는 약 -80℃, 제5 저온 잠열 저장장치(110)의 상변화 물질의 상변화 온도는 약 -120℃일 수 있고, 제6 저온 잠열 저장장치(111)의 상변화 물질의 상변화 온도는 약 -165℃일 수 있다.
즉, 저온 잠열 저장부(120)에서는 상기의 냉각공정에 의해 저온의 압축공기가 액화되어, 약 -160℃, 16 bar의 액체공기가 생성된다.
도 4의 (a)를 참조하면, 공기 압축 공정에서 6개의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)에서 일어나는 압축공기의 온도 구배가 실선으로 도시되어 있다. 각각의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)에는 각기 다른 상변화 온도를 갖는 상변화 물질을 주입하여, 압축공기에는 냉열을 공급하고 액체공기로부터는 냉열을 회수하게 된다. 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)에서 열교환이 진행될 경우, 상변화가 발생하는 온도와 공기와의 온도차이는 5K로 적용되어 있다.
저온 잠열 저장부(120)에서 생성된 액체공기는 공기 액화라인(AL1)을 따라 액화공기 저장탱크(112)에 저장된다.
본 실시예의 공기 팽창 공정부(D)는, 액화공기 저장탱크(112)로부터 배출된 액체공기를 감압시키는 줄-톰슨 밸브(113);를 포함한다.
본 실시예의 줄-톰슨 밸브(113)는 약 18 내지 16 bar의 액체공기를 약 3 bar까지 감압시킬 수 있다. 줄-톰슨 밸브(113)에서 감압되면서 액체공기는 줄-톰슨 효과에 의해 온도도 낮아진다.
줄-톰슨 밸브(113)에 의해 감압된 액체공기는, 공기 재기화라인(AL2)을 통해 저온 잠열 저장부(120)로 공급된다. 저온 잠열 저장부(120)로 공급된 액체공기는 다수의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)를 순차적으로 통과하면서, 액체공기의 냉열이 순차적으로 회수되어 저장된다.
즉, 액체공기는, 제6 저온 잠열 저장장치(111), 제5 저온 잠열 저장장치(110), 제4 저온 잠열 저장장치(109), 제3 저온 잠열 저장장치(108), 제2 저온 잠열 저장장치(107) 및 제1 저온 잠열 저장장치(106)를 순차적으로 통과하면서 냉열이 회수되고, 점차 온도가 상승하여 최종적으로는 기화된다.
저온 잠열 저장부(120)에서 회수된 액체공기의 냉열은 상변화 물질이 보유하게 되며, 상술한 저온의 압축공기를 액화시키는 냉열로 활용하게 된다.
저온 잠열 저장부(120)로부터 배출되는 재기화 공기의 온도는 약 20℃일 수 있다.
도 4의 (a)를 참조하면, 공기 팽창 공정에서 6개의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)에서 일어나는 재기화 공기의 온도 구배가 점선으로 도시되어 있다. 각각의 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)에는 각기 다른 상변화 온도를 갖는 상변화 물질을 주입하여, 압축공기에는 냉열을 공급하고 액체공기로부터는 냉열을 회수하게 된다. 저온 잠열 저장장치(106, 107, 108, 109, 110, 111)에서 열교환이 진행될 경우, 상변화가 발생하는 온도와 공기와의 온도차이는 5K로 적용되어 있다.
저온 잠열 저장부(120)로부터 배출된 재기화 공기는, 실내(room)에서 냉방 수요가 발생했을 때에는 냉방 라인(CL)을 통해 실내 온도 조절기, 예를 들어 에어컨으로 직접 방출될 수 있다.
또한, 저온 잠열 저장부(120)로부터 배출된 재기화 공기는, 실내(room)에서 난방 수요가 발생했을 때에는 난방 라인(HL)을 통해 축열 잠열 저장장치(130)로 공급된다.
축열 잠열 저장장치(130)로 공급된 재기화 공기는 축열 잠열 저장장치(130)에 저장된 고온의 열에너지, 즉 공기의 압축열에 의해 가열된다. 축열 잠열 저장장치(130)에서 가열된 재기화 공기의 온도는 약 30℃일 수 있다.
도 4의 (b)를 참고하면, 공기 팽창 공정에서 축열 잠열 저장장치(103, 104)에서 일어나는 압축공기의 온도 구배가 점선으로 도시되어 있다. 각각의 축열 잠열 저장장치(103, 104)에서 열교환이 진행될 경우, 상변화가 발생하는 온도와 공기와의 온도차이는 모두 5K로 적용되어 있다.
축열 잠열 저장장치(130)에 의해 가열된 재기화 가스는 난방 라인(HL)을 따라 실내 온도 조절기, 예를 들어 히터로 직접 방출될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 실내의 냉난방 수요에 따라 저온 잠열 저장부(120)로부터 배출된 재기화 가스의 유로를 제어하는 3방향 밸브(114);가 설치될 수 있다.
즉, 3방향 밸브(114)는 냉방 수요가 발생하면 재기화 가스가 냉방 라인(CL)을 따라 실내 온도 조절장치로 공급되도록 제어되고, 난방 수요가 발생하면 재기화 가스가 난방 라인(HL)을 따라 축열 잠열 저장장치(130)로 공급되도록 제어된다.
또한, 실내 공기는 배기팬(115)에 의해 배기 라인(EL)을 따라 외부로 배출됨으로써 실내의 온도 및 습도가 원하는 조건으로 제어될 수 있다.
상술한 본 실시예의 공기 압축 공정은 비첨두부하 시에 실시될 수 있고, 공기 팽창 공정은 첨두부하 시에 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 공기 조화 시스템을 용량을 크게하여 단독으로 적용하거나 또는 기존의 공기 조화 시스템의 보조적 역할로 적용함으로써, 친환경적이며 간단한 시스템으로도 전력 공급 불균형을 해소할 수 있고, 용량 변경에도 유연하게 대처할 수 있다.
그 뿐 아니라, 본 발명의 일 실시예에 따르면 상변화 물질의 상변화시 수반되는 잠열을 활용하여 공기 압축 공정에서 방출되는 고온의 열에너지와 공기 팽창 공정에서 방출되는 저온의 열에너지를 저장하고, 저장된 열에너지를 또한 상변화 물질의 상변화시 수반되는 잠열을 활용하여 공기 압축 공정에서 필요로 하는 저온의 열에너지와 공기 팽창 공정에서 필요로 하는 고온의 열에너지로 활용함으로써 최소한의 장치로도 열에너지를 효과적으로 사용할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명한 것이다.
101, 102 : 공기 압축기
103, 104 : 축열 잠열 저장장치
105 : 공기 냉각기
106, 107, 108, 109, 110, 111 : 저온 잠열 저장장치
121 : 수축/팽창부
122 : 공기 이동부
123 : 상변화 물질 충진부
112 : 액화공기 저장탱크
113 : 줄-톰슨 밸브
114 : 3방향 밸브
115 : 배기팬

Claims (16)

  1. 공기를 압축 및 냉각시켜 액체공기를 생성하는 공기 압축 공정부; 및
    상기 액체공기를 기화시켜 재기화 공기를 냉난방 수요처에 냉방용 공기로 공급하거나, 상기 재기화 공기를 가열하여 냉난방 수요처에 난방용 공기로 공급하는 공기 팽창 공정부;를 포함하고,
    상기 공기 압축 공정부 및 공기 팽창 공정부는,
    상기 공기 압축 공정부에서 공기를 액화시키면서 고온의 열에너지와, 상기 공기 팽창 공정부에서 공기를 기화시키면서 저온의 열에너지를 회수 및 저장하고, 상기 저장된 열에너지로 상기 공기를 기화 또는 액화시키는 잠열 저장부; 및
    상기 잠열 저장부에서 기화된 재기화 공기가 냉방용 공기 또는 난방용 공기로 공급되도록 유로를 제어하기 위한 3방향 밸브;를 더 포함하고,
    상기 잠열 저장부는,
    상기 액체공기를 상변화 물질의 잠열에 의해 재기화시켜 냉방용 공기로 공급하는 저온 잠열 저장부; 및
    상기 저온 잠열 저장부에서 재기화된 재기화 공기를 저온 잠열 저장부의 상변화 물질보다 상변화 온도가 높은 또 다른 상변화 물질의 잠열에 의해 가열하여 난방용 공기로 공급하는 축열 잠열 저장부;를 포함하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 저온 잠열 저장부는,
    상기 액체공기를 기화시키면서 액체공기의 저온 열에너지를 회수하여 저장하는 저온 잠열 저장장치;를 포함하고,
    상기 저온 잠열 저장장치는 다수개 구비되며,
    상기 다수개의 저온 잠열 저장장치에는 각각,
    공기가 유동하는 공기 이동부; 및
    상기 공기 이동부를 제외한 나머지 부분으로서, 특정 온도 범위에서 상변화가 일어나는 상변화 물질이 충진되는 상변화 물질 충진부;가 구비되고,
    상기 다수개의 저온 잠열 저장장치에는 각각 서로 다른 상변화 온도를 갖는 서로 다른 상변화 물질이 충진되어, 순차적으로 액체공기의 저온 열에너지를 회수하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 저온 잠열 저장장치는 6개 구비되고,
    상기 액체공기는 상기 6개의 저온 잠열 저장장치를 순차적으로 통과하면서 6단계에 걸쳐 저온의 열에너지가 회수되는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 공기 압축 공정부는,
    액화시킬 공기를 압축하는 공기 압축기;를 포함하고,
    상기 축열 잠열 저장부는,
    상기 공기 압축기 하류에 설치되며, 상기 공기 압축기에 의해 압축된 압축 공기로부터 고온의 열에너지를 회수하여 저장함으로써 상기 압축 공기를 냉각시키는 축열 잠열 저장장치;를 포함하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 축열 잠열 저장장치는,
    공기가 유동하는 공기 이동부; 및
    상기 공기 이동부를 제외한 나머지 부분으로서, 특정 온도 범위에서 상변화가 일어나는 상변화 물질이 충진되는 상변화 물질 충진부;를 포함하며,
    상기 축열 잠열 저장장치는 다수개 구비되며, 모두 동일한 상변화 온도를 갖는 상변화 물질이 충진되는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 축열 잠열 저장장치에서 냉각된 압축공기는 상기 저온 잠열 저장장치로 공급되고,
    상기 저온 잠열 저장장치에 충진되어 있는 상변화 물질은, 상기 압축공기의 고온 열에너지에 의해 상변화되면서 상기 압축공기를 액화시키는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 공기 팽창 공정부는,
    상기 생성된 액체공기를 저장하는 액화공기 저장탱크; 및
    상기 액체공기를 감압시키고, 감압에 의해 액체공기의 온도를 낮추는 줄-톰슨 밸브;를 포함하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 줄-톰슨 밸브에 의해 감압된 액체공기는 상기 저온 잠열 저장장치로 공급되고,
    상기 저온 잠열 저장장치에 충진되어 있는 상변화 물질은, 상기 감압된 액체공기에 의해 상변화하고, 상기 상변화 물질의 잠열에 의해 상기 감압된 액체공기를 기화시키는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 축열 잠열 저장장치의 상변화 물질은, 상기 재기화 공기에 의해 상변화하고, 상기 상변화 물질의 잠열에 의해 상기 재기화 공기가 가열되는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  10. 청구항 4에 있어서,
    상기 공기 압축 공정부는,
    상기 축열 잠열 저장장치에서 냉각된 압축공기를 목표온도까지 더 냉각시켜 상기 저온 잠열 저장장치로 공급하는 공기 냉각기;를 더 포함하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 공기 압축 공정부는, 전력의 비첨두부하 시에 작동되고,
    상기 공기 팽창 공정부는, 전력의 첨두부하 시에 냉난방 수요가 발생하면 작동되는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 공기 압축 공정부는, 상기 냉난방 수요처에 설치된 유휴 압축기를 이용하여 공기를 압축하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 시스템.
  13. 전력의 비첨두부하 시에 공기를 압축 및 냉각시켜 액체공기를 생성하는 공기 압축 단계; 및
    냉난방 수요가 발생하면, 상기 액체공기를 기화시켜 냉난방 수요처에 냉방용 공기로 공급하거나, 상기 액체공기를 기화시킨 후 가열하여 상기 냉난방 수요처에 난방용 공기로 공급하는 공기 팽창 단계;를 포함하고,
    상기 공기 압축 단계에서 공기를 액화시키면서 고온의 열에너지를 회수 및 저장하고, 상기 공기 팽창 단계에서 공기를 기화시키면서 저온의 열에너지를 회수 및 저장하여, 상기 저장된 열에너지로 상기 공기를 기화시키거나 액화시키며,
    상기 액체공기는 저온 잠열 저장부의 상변화 물질의 잠열에 의해 재기화시켜 냉방용 공기로 공급하고, 상기 재기화시킨 냉방용 공기를 저온 잠열 저장부의 상변화 물질보다 상변화 온도가 높은 또 다른 상변화 물질의 잠열에 의해 가열하여 난방용 공기로 공급하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 방법.
  14. 삭제
  15. 청구항 13에 있어서,
    상기 공기 압축 단계는,
    액화시킬 공기를 압축하는 다단 압축 단계; 및
    상기 압축에 의해 온도가 상승한 압축공기의 고온 열에너지로 상변화 물질을 상변화시켜 열에너지를 저장함으로써 상기 압축공기를 냉각시키는 공기 냉각 단계;를 포함하며,
    상기 냉난방 수요처로 공급하는 재기화 공기는, 상기 공기 냉각 단계에서 저장된 고온 열에너지로 가열하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 방법.
  16. 청구항 13에 있어서,
    상기 공기 팽창 단계는,
    액체공기를 감압시켜 액체공기의 압력 및 온도를 낮추는 감압 단계; 및
    상기 감압된 액체공기의 저온 열에너지로 상변화 물질을 상변화시켜 열에너지를 저장함으로써 상기 액체공기를 재기화시키는 냉열 회수 단계;를 포함하고,
    상기 냉열 회수 단계는, 서로 다른 상변화 온도를 갖는 상변화 물질을 이용하여 여러 단계에 걸쳐 액체공기의 냉열을 회수하는, 액화공기를 활용한 공기 조화 방법.
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