KR102416452B1

KR102416452B1 - 상수도 수열에너지를 활용한 친환경 자연 냉각 시스템

Info

Publication number: KR102416452B1
Application number: KR1020210077772A
Authority: KR
Inventors: 정성규; 이태귀; 김동주
Original assignee: 호스트웨이아이디씨(주)
Priority date: 2021-06-16
Filing date: 2021-06-16
Publication date: 2022-07-05

Abstract

본 발명은 상수도원인 시수(tap water)의 수열에너지를 활용하여 데이터 센터, 전산실, 정밀 측정실, 정밀 기기실, 실험실, 항온항습 창고 등과 같이 일정한 온도 및 습도를 유지시킬 필요가 있는 냉방 공간(S)을 냉방하도록 함에 따라 냉방을 위한 동력 소모를 절감할 수 있는 친환경 자연 냉각 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템은, 항온항습 모듈; 시수를 냉열원으로 하여 냉방수를 냉각하는 냉방용 열교환기가 구비된 제1 냉방 모듈; 냉각수를 이용하여 냉방수를 냉각하는 냉동기와 상기 냉동기에서 온도가 상승한 냉각수의 온도를 낮추어 상기 냉동기로 공급하는 냉각탑이 구비된 제2 냉방 모듈; 및 제어모듈을 포함하며, 상기 제1 냉방 모듈 및 제2 냉방 모듈은 각각 독립적으로 구동하여 상기 항온항습 모듈에 냉방수를 공급할 수 있어 냉방 공간(S)을 냉방할 수 있다.

Description

상수도 수열에너지를 활용한 친환경 자연 냉각 시스템{Eco-friendly natural cooling system using the hydrothermal energy of tap water supplied from waterwork}

본 발명은 상수도원인 시수(tap water)의 수열에너지를 활용하여 데이터 센터, 전산실, 정밀 측정실, 정밀 기기실, 실험실, 항온항습 창고 등과 같이 일정한 온도 및 습도를 유지시킬 필요가 있는 냉방 공간을 냉방하도록 함에 따라 냉방을 위한 동력 소모를 절감할 수 있는 친환경 자연 냉각 시스템에 관한 것이다.

현대 사회에서 필수적인 정보통신기술(Information & Communication Technology, ICT)은 정보 기술(Information Technology, IT)과 통신 기술(Communication Technology, CT)의 합성어로 정보기기의 하드웨어 및 이들 기술과 이들 기술을 이용하여 정보를 수집, 생산, 가공, 보존, 전달, 활용하는 모든 방법을 의미한다.

상기 정보통신기술 분야에서 가중 중요한 시설 중 하나가 데이터 센터로서, 데이터 센터는 컴퓨터 시스템과 통신장비, 저장장치인 스토리지(storage), 서버와 네트워크를 24시간 관리하는 운영센터(network operating center, NOC) 등이 설치된 시설을 말하는 것으로, 인터넷 검색과 이메일, 온라인 쇼핑 등의 작업을 처리하는 시설이다.

상기 데이터 센터는 인터넷이 활성화되면서 기업이 보더 빠르고 편리하게 인터넷을 이용하기 위한 전용 시설이 필요하면서 활성화되었다. 대기업의 경우 인터넷 데이터센터(internet data center, IDC)라는 명칭의 대규모 시설을 보유하기 시작했으며 규모가 작은 기업은 비용 절감을 위해 자사의 장비 보관과 관리를 전문 시설을 갖춘 업체에 위탁하게 되었다. 인터넷 데이터센터는 기업의 인터넷 장비(서버)를 맡아 대신 관리하기 때문에 서버 호텔 또는 임대 서버 아파트라고 불린다.

데이터 센터의 경우 잠시라도 전원 공급이 중단되면 전술한 기능이 마비되기 때문에 예비 전력공급장치와 예비 데이터 통신장비가 부설된다. 또한 서버 장비는 온도와 습도에 민감하므로 데이터센터에는 각종 장비로부터 방출되는 열을 냉각하여 16 내지 24℃의 적정 온도로 유지하고 40 내지 55%의 적정 습도를 유지하기 위한 CRAC 등과 같은 공조 장치가 설치된다. 또한 데이터센터에는 지진과 홍수와 같은 재해에 대비한 안전장치뿐만 아니라 보안장치와 소방시설 등도 설치된다.

상기 CRAC(computer room air conditioner)는 전산실, 정밀 측정실, 정밀 기기실, 실험실, 항온항습 창고 등 일정한 온·습도 유지가 필요한 장소에 사용되는 기기로서, 공기를 냉각시키는 열원의 종류에 따라 공랭식, 냉수식, 수냉식 등으로 구분되며, 냉각, 가열, 재열, 제습, 공기청정 등의 기능으로 외기 조건에 관계없이 항상 일정하게 온·습도를 유지시켜 사용실의 목적에 따라 최적의 공간 환경을 조성하도록 하나, 가동에 많은 전력이 소모되고 있다.

구체적으로, 데이터 센터 중 서버를 포함한 IT 시스템이 전체 소비전력 중 약 50%를 필수적으로 사용하지만 공조장치 또한 데이터 센터의 전체 소비전력 중 약 37% 정도의 전력을 소비하는 것으로 알려져 있다. 따라서 데이터센터 공조장치의 전력소모량을 감소시킴과 동시에 에너지를 절감하기 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.

하지만, 기존에는 상수도 망을 통해 건물에 생활 용수로 공급되는 시수, 즉, 수돗물을 활용하여 냉방 기능을 수행하도록 하는 시스템에 대한 기술 내용은 개시된 바 없어 이에 대한 연구가 필요하다.

한국등록특허 제10-1207521호 (공고일 : 2012.12.03) 한국등록특허 제10-0911221호 (공고일 : 2009.08.06) 한국공개특허 제10-2021-0020588호 (공개일 : 2021.02.24)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 외부 기온이 낮은 경우 상수도로부터 공급되는 시수(tap water)를 냉열원으로 활용하여 냉방수를 공급하고, 외부의 기온이 높은 하절기에는 냉동기를 사용하여 냉방수를 공급하며, 여러 대의 항온항습 모듈이 시수와 냉동기 및 냉각탑, 열교환기, 순환펌프를 공유하는 방식으로 동작하여 냉방을 위해 소모되는 전력 사용량을 크게 절감할 수 있고, 저탄소 소비에 의한 이산화탄소(CO₂)의 발생을 억제할 수 있는 친환경 자연 냉각 시스템에 관한 기술 내용을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 기술적 과제를 달성하기 위해서 본 발명은, 냉방 공간에 한 개 이상 설치되고, 냉방수를 공급받아 상기 냉방 공간을 일정한 온도로 유지시키고, 상기 냉방 공간에 습도를 조절하는 항온항습 모듈; 건물에 물을 공급하는 시수 공급관과 연결되어 시수 공급관으로부터 공급되는 시수를 냉열원으로 하여 냉방수를 냉각하고, 냉각한 냉방수를 상기 항온항습 모듈로 공급하는 냉방용 열교환기 및 상기 냉방용 열교환기에서 냉방수를 냉각한 다음 배출되는 시수를 공급받아 저장하는 시수탱크를 포함하는 제1 냉방 모듈; 냉각수를 이용하여 냉방수를 냉각하고, 냉각한 냉방수를 상기 항온항습 모듈로 공급하는 냉동기 및 상기 냉동기에서 온도가 상승한 냉각수의 온도를 낮추어 상기 냉동기로 공급하는 냉각탑을 포함하는 제2 냉방 모듈; 상기 시수 공급관의 일측에 설치되어 상기 제1 냉방 모듈에 공급되는 시수의 온도를 감지하는 감지 센서를 포함하는 센서 모듈; 및 상기 항온항습 모듈, 제1 냉방 모듈 및 제2 냉방 모듈의 구동을 제어하는 제어 모듈을 포함하며, 상기 제어 모듈은 상기 제1 냉방 모듈과 제2 냉방 모듈을 각각 독립적으로 구동시켜 상기 항온항습 모듈에 냉방수를 공급하고, 상기 시수 공급관에 공급되는 시수의 온도 따라 상기 제1 냉방 모듈과 제2 냉방 모듈의 구동을 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 친환경 자연 냉각 시스템을 제공한다.

또한, 상기 제어 모듈은, 상기 시수탱크에 저장된 시수의 온도가 20 ℃ 이하일 때 상기 제1 냉방 모듈이 동작하도록 제어하고, 상기 시수탱크에 저장된 시수의 온도가 20 ℃를 초과할 때 상기 제2 냉방 모듈이 동작하도록 제어할 수 있다.

또한, 상기 제1 냉방 모듈은, 상기 시수를 정화하는 정화 필터를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 상기 시수탱크는 저장된 시수를 순환시켜 외부에 노출시키도록 함에 따라, 시수가 외기와 반응하여 시수의 온도를 낮출 수 있도록 시수 순환 배관을 추가로 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템은 지열을 이용하여 상기 냉방수를 냉각하는 제3 냉방 모듈을 추가로 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템은 건물에 물을 공급하기 위해 정수장으로부터 공급되는 시수(tap water)를 냉열원으로 활용하여 냉방수의 냉각을 위한 에너지를 절감할 수 있고, 저탄소 소비에 의한 이산화탄소(CO₂)의 발생을 억제할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템은 냉방 공간을 냉각하는 냉매가 시수이며, 중앙에 대형 냉동기 및 냉방용 열교환기를 각각 설치하여 냉방 공간 보다 외부의 기온이 낮은 경우 냉방용 열교환기를 사용하여 냉방수를 공급하고, 외부의 기온이 높은 하절기에는 냉동기를 사용하여 냉방수를 공급하며, 여러 대의 항온항습 모듈이 시수와 냉동기 및 냉각탑, 열교환기, 순환펌프를 공유하는 방식으로 동작하여 냉방을 위해 소모되는 전력 사용량을 크게 절감할 수 있어 대형 데이터 센터에 적합하다.

도 1은 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템을 나타낸 기본 구성도이다.
도 2는 본 발명에 바람직한 일실시예에 따른 친환경 자연 냉각 시스템을 나타낸 구성도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시 예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시 예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시 예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.

본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.

"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.

이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템(10)에서 냉방을 위해 활용되는 시수(tap water)는 원수를 깨끗하게 정수하여 시수, 즉, 수돗물을 생산하는 정수지, 정수장에서 보낸 시수를 가정으로 보내기 전까지 저장하는 배수지로부터 공급되는 시수를 사용하거나, 저수 시설에서 직접 취수하는 시수 또는 각 지역에서 개발한 지하수를 사용할 수도 있으며, 상기 시수는 공급 펌프에 의해 공급되어 후술할 제1 냉방 모듈로 공급될 수 있고, 건물의 사용용수로 활용될 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템(10)을 나타낸 기본 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템을 나타낸 블록도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템(10)은 항온항습 모듈(100); 제1 냉방 모듈(200); 제2 냉방 모듈(300); 및 제어 모듈(500)을 포함하여 외부 기온이 낮은 봄, 가을, 겨울에는 시수 및 열교환기를 사용하고, 외부 기온이 높은 여름에는 냉동기를 사용하여 냉방 공간(S)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있고, 냉방수의 냉각을 위한 에너지를 절감할 수 있고, 저탄소 소비에 의한 이산화탄소(CO₂)의 발생을 억제할 수 있다.

본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템(10)의 구조에 대해 상세히 살펴보면, 항온항습 모듈(100)은, 냉방 공간(S)에 한 개 이상 설치되는 항온항습기를 포함하고, 후술할 제1 냉방 모듈(200) 또는 제2 냉방 모듈(300)에서 냉각된 냉방수를 공급받아 상기 냉방 공간(S)을 일정한 온도로 유지시키고, 상기 냉방 공간(S)에 습도를 조절하는 역할을 한다.

구체적으로, 항온항습 모듈(100)은, 온도 및 습도 조절이 필요한 실내 공간, 즉, 냉방 공간(S)에서 발생하는 고온의 공기를 냉각시키고, 습도를 조절하는 습도 조절기가 설치될 수 있으며, 상기 항온항습 모듈(100)은, 냉방 공간(S)의 온도 및 습도를 조절하기 위해 설치되는 통상적인 다양한 형태의 항온항습기를 도입할 수 있고, 냉방 공간(S)에 한 개 이상 설치될 수 있고, CRAC(Computer Room Air Conditioner)로도 불리우며, 냉각코일, 송풍기, 필터, 제습기 및 가습기를 포함하는 구조의 항온항습기를 활용해 구현할 수 있다.

보다 구체적으로, 냉각 코일은 냉방수가 흐르는 배관으로 구성되며, 냉각코일에는 냉각된 냉방수가 유통되며, 냉방수가 유통되는 냉각코일의 표면과 냉방 공간의 뜨거운 공기가 접촉하여 열교환을 하는 방법으로 냉방 공간의 공기를 냉각시킬 수 있다. 냉각코일에는 제1 냉방 모듈(200) 또는 제2 냉방 모듈(300)에서 냉각된 냉방수가 공급되어 냉방공간의 공기와 열교환을 통해 데워진 후 온도가 상승한 냉방수가 배출되고, 온도가 상승한 냉방수는 제1 냉방 모듈(200) 또는 제2 냉방 모듈(300)에서 냉각될 수 있다.

송풍기는 별도로 동력을 전달받아 구동하는 팬이 설치되어 냉방 공간의 공기를 순환시키고, 냉방 공간의 뜨거운 공기가 냉각 코일에 접촉되도록 하며, 필터는 항온항습 모듈의 일측에 설치되어 냉방 공간의 공기를 정화시키는 역할을 한다.

제습기는 냉각 코일과 인접하는 위치에 설치되어 냉각 코일에 공급되는 냉방수가 냉방 공간의 온도 및 습도에 의거 산출되는 이슬점 이하의 온도일 경우 습기의 응결로 인해 발생되는 결로를 방지하기 위해서 내부의 습도가 높은 공기를 냉방 공간의 외부로 배출하고, 외부의 습도가 낮은 공기를 냉방 공간의 내부로 유입시킬 수 있으며, 공기 배출 배관 및 공기 유입 배관이 구비된 구조를 가질 수 있다.

가습기는 항온항습 모듈(100)에 설치되어 냉방 공간에 습도를 높이도록 하는 역할을 하며, 공지된 다양한 형태의 가습기를 설치하여 구현할 수 있다.

또한, 상기 항온항습 모듈(100)은 제1 냉방 모듈(200) 또는 제2 냉방 모듈(300)로부터 냉방수를 공급받아 냉방 공간(S)의 온도를 유지시킬 수 있으며, 일측에 냉방수 공급 배관(110)이 형성되어 냉각된 냉방수를 공급받을 수 있고, 타측에 냉방수 회수 배관(130)이 형성되어 온도가 상승한 냉방수를 제1 냉방 모듈(200) 또는 제2 냉방 모듈(300)로 배출하는 구조를 형성할 수 있다.

또한, 냉방수 공급 배관(110)과 냉방수 회수 배관(130)은 분배기 및 분기 배관이 각각 설치되어 복수 개의 항온항습 모듈(100)에 냉방수를 각각 분배하여 공급하는 구조를 형성할 수 있으며, 냉방수 공급 배관(110)과 냉방수 회수 배관(130)은 공급 펌프(P)가 설치되어 냉방수의 공급량을 조절하는 구조를 형성할 수 있다.

한편, 제1 냉방 모듈(200)은 시수(tap water)를 냉열원, 즉, 시수의 수열에너지를 이용해 냉방수를 냉각시켜 냉방 공간(S)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다.

이를 위해, 제1 냉방 모듈(200)은, 냉방용 열교환기(210) 및 시수탱크(230)를 포함하는 구조를 갖는다.

구체적으로, 상기 냉방용 열교환기(210)는 시수 공급관(211)과 연결되어 시수 공급관(211)으로 부터 공급되는 시수를 냉열원으로 하여 냉방수를 냉각할 수 있다. 냉방용 열교환기(210)는 상기 냉방 공간(S)을 냉방하고 열교환에 의해 온도가 상승한 냉방수를 공급받아 시수와 열교환을 통해 냉방수를 냉각할 수 있으며, 냉각된 냉방수를 냉방 공간(S)으로 재공급할 수 있다.

이를 위해, 상기 냉방용 열교환기(210)는 냉방수 공급 배관(110)과 연결되는 제1 공급 배관(213)이 설치되어 상기 시수와 열교환되어 냉각된 냉방수를 상기 항온항습 모듈(100)에 공급할 수 있고, 타측에 냉방수 회수 배관(130)과 연결되는 제1 회수 배관(215)이 설치되어 상기 냉방 공간(S)을 냉방하고 온도가 상승한 냉방수가 공급될 수 있다. 상기 제1 공급 배관(213)은 일측에 제1 조절 밸브(V)가 설치되어 냉방용 열교환기(210)로부터 항온항습 모듈(100)로 공급되는 냉방수의 공급을 조절할 수 있으며, 이에 의해 항온항습 모듈(100)에 공급되는 냉방수의 공급을 제어 모듈(500)이 제어할 수 있다.

상기 시수탱크(230)는, 시수를 임시 저장하고, 건물에 물을 생활용수로 공급하기 위해 상수도로부터 시수, 즉, 수돗물(tap water)을 공급받아 저장하는 역할을 한다.

상기 시수탱크(230)는, 상기 냉방용 열교환기(210)와 시수 유입 배관(231)을 통해 연결되어 냉방용 열교환기(210)에서 냉방수를 냉각시킨 다음 배출되는 시수를 공급받아 저장할 수 있다.

또한, 일측에 별도로 구비되는 시수 공급 배관(233)을 통해 시수를 직접 공급받아 저장할 수 있고, 시수 배출 배관(235)이 구비되어 시수탱크(230)에 저장된 시수를 건물의 화장실 등에 생활용수로 공급할 수도 있다.

그리고, 상기 시수탱크(230)는, 시수 보충 배관(237)을 통해 연결되어 냉방용 열교환기(210)에 저장된 시수를 공급하여 냉각시키기 위한 냉방수의 온도를 조절할 수 있고, 냉방용 열교환기(210)에 공급된 시수는 시수 공급 배관(233)을 통해 회수되는 구조를 형성할 수 있다. 즉, 제1 냉방 모듈(200)은, 후술할 제어 모듈(500)에 의해 제어되어 시수에 의해 냉방 공간에 설치된 항온항습 모듈에 공급되는 냉각된 냉방수의 온도가 이슬점 이하가 되지 않도록 조절하여 습기를 일정하게 유지시킬 수 있으며, 이에 의해 제습기의 동작에 의한 에너지 소모를 절감시키는 구조를 형성할 수 있다.

상기 시수 유입 배관(231), 시수 공급 배관(233), 시수 배출 배관(234), 시수 보충 배관(237)은 각각 일측에 별도의 동력을 공급받아 구동하는 공급 펌프(P)가 설치될 수 있고, 조절 밸브가 설치되어 시수의 유통을 제어 모듈이 제어하는 구조를 형성할 수 있으며, 유량 감지 장치가 설치되어 시수의 유량을 측정하여 관리자가 유량을 확인하는 구조를 형성할 수도 있다.

아울러, 시수탱크(230)는, 시수 순환 배관(238)이 추가로 설치될 수 있으며, 시수 순환 배관(238)은 시수탱크(230)에 저장된 시수를 순환시켜 외부에 노출시키도록 함에 따라, 시수가 외기와 반응하여 시수의 온도를 낮출 수 있으며, 시수 순환 배관(238)에는 시수 순환 펌프(P)가 설치되어 시수의 순환을 조절할 수 있다. 상기 시수 순환 배관(238)은 외기와 열교환될 수 있도록 금속 배관, 금속 주름 배관 등이 설치될 수 있고, 시수 순환 배관(238)에 설치된 시수 순환 펌프(P)는 후술할 제어 모듈(500)에 의해 구동이 제어될 수 있고, 제어 모듈(500)은 외부 온도가 15 ℃ 미만인 경우 해당 시수 순환 펌프(P)의 구동을 제어하여 시수의 온도를 낮출 수 있도록 한다.

또한, 상기 시수탱크(230)는 상기 시수냉크의 내부 수위를 검출하는 수위 검출 부재가 추가로 설치될 수 있으며, 시수탱크에 저장된 시수의 저장량이 미리 설정된 임계값 이상이 될 경우 시수탱크에 저장된 시수를 외부로 배출시킬 수 있다.

상기 제1 냉방 모듈(200)은, 상기 시수 유입 배관(231)의 일측에 설치되는 정화 필터(250)를 추가로 포함하도록 구성할 수 있으며, 이에 의해, 시수 탱크로 회수되는 시수를 정화시켜 시수를 오염시키지 않으면서 건물 냉방을 위해 활용할 수 있다.

상기 정화 필터(250)는 정밀 여과(microfiltration), 한외 여과(ultrafiltration), 나노 여과(nanofiltration) 등과 같이 물을 정화시키기 위해 통상적으로 사용되는 공지된 다양한 형태의 필터가 도입된 정화용 수처리기를 이용해 구현될 수 있으며, 정화 필터(250)는 시수 회수 배관(215) 뿐만 아니라 다양한 위치에 설치될 수 있다.

한편, 제2 냉방 모듈(300)은, 냉각탑(330)을 이용해 냉각시킨 냉각수를 냉동기(310)에 공급하고, 냉동기(310)에 의해 냉각된 냉방수를 냉방 공간(S)에 공급하여 냉방 공간(S)의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있다.

이를 위해, 제2 냉방 모듈(300)은, 냉동기(310) 및 냉각탑(330)을 포함하는 구조를 갖는다.

상기 냉동기(310)는 후술할 냉각탑(330)에서 냉각된 냉각수를 공급받고, 냉각수를 이용해 냉방수를 냉각할 수 있다. 상기 냉동기(310)는 냉각탑으로부터 냉각수를 공급받아 냉방수를 냉각하는 통상적인 다양한 형태의 냉동기를 활용할 수 있고, 응축기, 증발기 및 압축기를 포함하는 터보 냉동기로 구현될 수 있으며, 이에 제한받는 것은 아니다.

상기 냉동기(310)는 냉방수 공급 배관(110)과 연결되는 제2 공급 배관(311)이 일측에 설치되어 냉각된 냉방수를 항온항습 모듈(100)로 공급할 수 있고, 냉방수 회수 배관(130)과 연결되는 제2 회수 배관(313)이 타측에 설치되어 온도가 상승한 냉방수를 항온항습 모듈(100)에서 공급받을 수 있다.

또한, 상기 제2 공급 배관(311) 및 제2 회수 배관(313)은 각각 일측에 조절 밸브(V)가 설치되어 냉동기(310)로부터 항온항습 모듈(100)로 공급되는 냉방수의 공급을 조절할 수 있으며, 이에 의해 항온항습 모듈(100)에 공급되는 냉방수의 공급을 제어 모듈(500)이 제어할 수 있다.

상기 냉각탑(330)은 상기 냉동기(310)에서 온도가 상승한 냉각수의 온도를 낮추어 냉동기(310)로 공급하는 역할을 한다. 상기 냉각탑(330)은 상기 냉동기(310)와 연결되는 냉각수 유출 배관(331)이 일측에 형성되어 냉각수를 상기 냉동기(310)로 공급하고, 타측에 냉동기(310)와 연결되는 냉각수 유입 배관(333)이 일측에 형성되어 온도가 상승한 냉각수를 회수하는 구조를 형성할 수 있다. 상기 냉각수 유출 배관(331)과 냉각수 유입 배관(333)은 각각 공급 펌프(P)가 일측에 설치되어 냉각수의 공급 및 회수를 촉진시키는 구조를 형성할 수 있다.

상기 공급 펌프(P)는 냉방 공간의 규모에 따라 1개 이상 설치될 수 있으며, 하절기 냉방부하에 따라 제어모듈(500)에 의해 구동이 제어되어 냉방수의 가동 수량이 조절될 수 있고, 조절 밸브(V) 또한 자동으로 연동되어 시수와 냉각수에 의한 냉방수의 냉각이 제어될 수 있도록 한다. 또한, 냉방수가 적정 온도 이상으로 높아질 경우 친환경 자연 냉각 시스템(10)에 악영향을 끼질 수 있으므로, 항온항습 모듈(100)로 공급되는 냉방수의 온도를 실시간으로 산출하는 감지 센서가 구비될 수 있으며, 냉방수의 온도가 적정 온도를 초과할 경우 냉동기(310) 및 냉동탑(330)이 구동하도록 동작을 제어할 수 있다.

상기와 같은 구조를 갖는 냉동기(310)는 기계실 등과 같은 건물 내부에 구현될 수 있고, 시수탱크(110)와 냉각탑(330)은 건물 외부에 구현될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템(10)은 센서 모듈(400)을 포함할 수 있으며, 센서 모듈은 온도를 감지하는 온도 감지 센서, 온도 및 습도를 감지하는 온습도 센서로 구현될 수 있고, 온도 감지 센서 및 온습도 센서는 복수 개가 설치될 수 있다.

구체적으로, 센서 모듈(400)은 시수 공급관(211)의 일측에 설치되어 제1 냉방 모듈(200)에 공급되는 시수의 온도를 감지하는 감지 센서가 구비될 수 있으며, 감지된 시수의 온도 정보를 제어 모듈(400)로 전송하여 제어 모듈(400)의 구동을 제어할 수 있다.

이외에도, 센서 모듈(400)은 항온항습 모듈(100), 제1 냉방 모듈(200)과 제2 냉방 모듈(300)에 설치되는 한 개 이상의 온도, 습도 또는 온습도 감지 센서를 포함하여 냉방 공간의 온도 및 습도, 항온항습 모듈(100)에 공급되는 냉방수의 온도, 제2 냉방 모듈(300)에서 냉각된 냉방수의 온도를 각각 감지하여 제어 모듈(500)에 전송하고, 제어 모듈(500)은 각각의 감지 센서에서 감지된 정보를 전달받아 항온항습 모듈(100), 제1 냉방 모듈(200)과 제2 냉방 모듈(300)의 동작을 제어할 수 있다. 각각의 감지 센서에서 측정된 정보는 근거리 통신을 통해 제어 모듈(500)로 전송될 수 있다.

한편, 제어 모듈(500)은 항온항습 모듈(100), 제1 냉방 모듈(200)과 제2 냉방 모듈(300)의 동작을 제어하며, 제1 냉방 모듈(200)과 제2 냉방 모듈(300)이 각각 독립적으로 구동하도록 제어할 수 있으며, 냉방 공간의 온도 및 습도가 미리 설정된 값을 벗어날 경우 제1 냉방 모듈(200) 또는 제2 냉방 모듈(300)의 구동을 제어할 수 있다.

구체적으로, 상기 제어 모듈(500)은 각각의 배관에 설치된 조절 밸브(V)의 개폐를 제어하여 제1 냉방 모듈(200)과 제2 냉방 모듈(300)이 각각 독립적으로 구동하도록 제어할 수 있고, 공급 펌프(P)의 구동을 제어하는 제어 신호를 전송하여 항온항습 모듈(100)로 공급되는 냉방수의 공급량과 냉방수의 온도를 제어하여, 냉방 공간의 온도 및 습도를 조절할 수 있다. 그리고, 항온항습 모듈(100)의 송풍기와 제습기, 그리고 분배기의 구동을 제어할 수도 있다.

또한, 제어 모듈(500)은 시수 공급관(211)에 설치된 감지 센서에서 수집한 시수의 온도를 전달 받아 시수의 온도가 미리 설정된 값을 초과할 경우 제1 냉방 모듈(200)의 구동을 정지하고, 제2 냉방 모듈(300)의 구동을 유도할 수 있다.

구체적으로, 제어 모듈(500)은 시수의 온도를 감지하여 시수의 온도가 일정 온도(20 ℃) 이하인 경우 제1 냉방 모듈(200)이 구동되도록 하여 냉방용 열교환기를 통해 냉방 공간에 냉각된 냉방수를 공급하고, 시수의 온도가 일정 온도(20 ℃)를 초과할 경우 냉방용 열교환기측 밸브가 닫히고, 제2 냉방 모듈(300)이 구동되도록 하여 제2 냉방 모듈(300)에 의해 냉방수를 냉각하도록 구동을 제어할 수 있다.

또한, 상기 제어 모듈(500)은 관리자가 냉방 공간의 온도 및 습도 조건을 입력하는 입력부가 추가로 구비되어 관리자가 냉방 공간의 운영 목적 및 조건에 맞게 온도 및 습도 조건을 조절할 수 있다. 이로 인해, 관리자가 냉방 공간의 온도 및 습도 조건을 설정한 경우 이슬점 이하의 냉방수가 공급되지 않도록 제어 모듈이 제어하여 항온항습 모듈에서 수분의 응결에 의해 발생되는 전자기기의 부식 방지 등을 달성할 수 있다.

그리고, 제어 모듈(500)은 냉방 공간의 온도 및 습도를 표시하는 디스플레이부가 추가로 구비되어 외부에서 냉방 공간의 온도 및 습도, 시수의 온도, 냉방수의 온도를 실시간으로 확인할 수 있다.

아울러, 제어 모듈(500)은 데이터 저장부가 추가로 구비되어 항온항습 모듈(100), 제1 냉방 모듈(200)과 제2 냉방 모듈(300)의 동작 정보, 온도 및 습도, 냉방수 공급량 등을 포함하는 구동 정보를 저장할 수 있으며, 저장된 정보를 관리 서버로 전송할 수도 있다.

또한, 상기 제어 모듈(500)은 계절을 동절기와 비동절기로 구분하고, 시간을 주간 및 야간으로 구분하여 제1 냉방 모듈 및 제2 냉방 모듈의 구동을 제어할 수 있다.

일례로, 제어 모듈(500)은 비동절기의 주간에서의 냉방 공간의 적정 설정 온도 범위를 22 내지 26 ℃로 설정한 경우, 비동절기 야간에서의 냉방 공간의 적정 설정 온도 범위는 이보다 0.5 내지 1 ℃ 정도 올리도록 설정할 수 있고, 동절기 주간에는 비동절기 주간에 냉방 공간의 적정 설정 온도 범위보다 1 내지 1.5 ℃로 높이고, 동절기 야간에는 비동절기 야간의 적정 설정 온도 범위보다 1.5 내지 2 ℃ 정도로 높이는 것이 바람직하다.

이는, 주간보다는 야간의 외부 온도가 낮아지고, 비동절기 보다는 동절기의 온도가 낮아지기 때문에, 이를 고려하여 냉방 공간의 적정 설정 온도 범위를 올리더라도 냉방 공간의 내부 온도가 상승하는 속도나 폭이 줄어들기 때문에 위와 같이 적정 설정 온도 범위를 보정하는 것이 바람직하며, 냉방 온도를 1 ℃ 높이면 에너지 소모율이 3 내지 10% 정도 절감될 수 있게 되기 때문에 이와 같이 시간대별, 절기별로 구분하여 탄력적으로 조정하는 경우, 동력 소모를 현저하게 절감할 수 있는 효과를 볼 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템(10)은 항온항습 모듈(100); 제1 냉방 모듈(200); 제2 냉방 모듈(300); 센서 모듈(400) 및 제어 모듈(500)의 구동을 위해 전원을 공급하는 전원공급 모듈을 포함하며, 시스템 구동을 위해 통상적으로 활용되는 전원공급 수단을 통해 구현할 수 있다.

상기한 바와 같은 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템(10)은 건물에 물을 공급하기 위해 정수장으로부터 공급되는 시수(tap water)를 냉열원으로 활용하여 냉방수의 냉각을 위한 에너지를 절감할 수 있고, 저탄소 소비에 의한 이산화탄소(CO₂)의 발생을 억제할 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템(10)은 데이터 센터 등과 같은 냉방 공간을 냉각하는 냉매가 시수이며, 중앙에 대형 냉동기 및 냉방용 열교환기를 각각 설치하여 냉방 공간 보다 외부의 기온이 낮은 경우 냉방용 열교환기를 사용하여 냉방수를 공급하고, 외부의 기온이 높은 하절기에는 냉동기를 사용하여 냉방수를 공급하며, 여러 대의 항온항습 모듈이 시수와 냉동기 및 냉각탑, 열교환기, 순환펌프를 공유하는 방식으로 동작하여 냉방을 위해 소모되는 전력 사용량을 크게 절감할 수 있어 대형 데이터 센터에 적합하다.

한편, 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템(10)은 항온항습 모듈(100)에 공급되는 냉각된 냉방수의 온도가 이슬점 이하가 되지 않도록 조절하여 항온항습 모듈(100) 내부에서 발생되는 습기의 응결로 인한 습도 증가로 인해 발생되는 전자기기의 부식을 방지하고, 제습기의 구동을 위해 공급되는 에너지의 소모량을 줄여 냉방을 위해 소모되는 전력 사용량을 크게 절감할 수 있다. 특히, 항온항습 모듈(100)에 설치된 제습기는 구동시 열을 발생시키게 되며, 이와 같은 제습기의 구동에 의해 냉방 공간을 냉방하기 위해서는 에너지 소모가 증가하는 문제가 발생할 수밖에 없다.

이를 위해, 제어 모듈(500)은 냉방 공간(S)의 내부 온도 및 습도, 항온항습 모듈(100) 에 공급되는 냉방수의 온도 정보를 감지 센서로부터 전달받아 냉방 공간(S)의 온도 및 습도와 항온항습 모듈(100)에 공급되는 냉방수의 온도에 의해 하기 표 1의 이슬점 산출표에 의거해 산출되는 이슬점 온도를 도출하고, 항온항습 모듈(100)에 공급되는 냉방수의 온도가 이슬점 온도 이하가 되지 않도록 냉방수의 온도를 제어할 수 있다.

구체적으로, 냉방 공간(S)이 데이터 센터일 경우 데이터 센터에 설치된 서버, 전자기기 등은 온도와 습도에 민감하므로, 냉방 공간(S)의 온도가 22 내지 26 ℃(24 ℃ ± 2), 습도는 40 내지 50%의 수준으로 유지되도록 냉방하는 것이 바람직하다. 이와 같은 온도 및 습도 조건을 유지시키기 위해서 항온항습 모듈(100)에 공급되는 냉방수는 이슬점 온도인 7.0 내지 14.1 ℃를 초과하는 온도의 냉방수를 공급하여야만 습기의 응결로 인해 발생되는 부식과 전자기기의 구동 저하를 방지할 수 있으며, 냉방수의 온도가 이슬점 이하일 경우 항온항습 모듈에 습기가 응결되어 습도 유지를 위해 제습기가 동작하여야 하는 문제가 있고, 냉방수가 이슬점을 초과하는 온도에서는 습기가 응결되지 않아 습도가 일정하게 유지될 수 있다.

따라서, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템은 냉방 공간(S)으로 데이터 센터를 냉방하기 위한 용도로 활용할 수 있고, 보다 바람직하게는, 냉방 공간(S)이 24 ℃의 온도 및 45%의 습도가 유지되도록 할 수 있고, 이때, 공급되는 냉방수는 이슬점인 10.76 ℃를 초과하는 온도의 냉방수가 공급되도록 하고, 공급되는 냉방수의 유량을 조절하여 냉방 공간의 온도를 제어할 수 있다.

상기 냉방수의 온도 제어는 냉방 공간(S)의 냉방을 위해, 제1 냉방 모듈(200)이 동작하는 경우, 냉방용 열교환기(210)에 공급되는 시수의 온도 제어, 열교환 시간 조절 등의 방법을 통해 수행하거나, 냉방 공간의 냉방을 위해, 제2 냉방 모듈(300)이 동작하는 경우에는 냉각수의 공급량 조절, 냉동기(310)의 구동 제어와 같은 방법을 통해 수행할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 친환경 자연 냉각 시스템(10)은 지열을 이용하여 상기 냉방수를 냉각하는 제3 냉방 모듈을 추가로 포함할 수 있다.

도면에 도시하지는 않았으나, 상기 제3 냉방 모듈은 냉방수 회수 배관(130)과 연결되어 온도가 상승한 냉방수를 항온항습 모듈(100)에서 공급받고, 냉각수를 이용하여 고온고압의 압축공기를 응축시켜 온도가 상승한 냉방수를 냉각하고, 상기 냉방수 공급 배관(110)과 연결되어 냉각한 냉방수를 상기 항온항습 모듈로 공급하는 히트 펌프, 상기 히트펌프의 응축과정에서 온도가 상승한 냉각수의 온도를 낮추어 상기 히트펌프로 재공급하는 지중열교환기 및 상기 지중열교환기에서 배출된 냉각수와 상기 응결수와의 열교환을 통해 상기 지중열교환기에서 배출된 냉각수의 온도를 낮추는 열교환기를 포함하는 구조를 갖는 통상적인 지열 장치를 활용해 구현할 수 있다.

상술한 바와 같이 개시된 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 상세한 설명은 당업자가 본 발명을 구현하고 실시할 수 있도록 제공되었다. 상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 당업자는 상술한 실시 예들에 기재된 각 구성을 서로 조합하는 방식으로 이용할 수 있다. 따라서, 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다.

본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다. 본 발명은 여기에 나타난 실시형태들에 제한되려는 것이 아니라, 여기서 개시된 원리들 및 신규한 특징들과 일치하는 최광의 범위를 부여하려는 것이다. 또한, 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시 예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함할 수 있다.

10 : 친환경 자연 냉각 시스템 100 : 항온항습 모듈
200 : 제1 냉방 모듈 300 : 제2 냉방 모듈
400 : 센서 모듈 500 : 제어 모듈

Claims

냉방 공간에 한 개 이상 설치되고, 냉방수를 공급받아 상기 냉방 공간을 일정한 온도로 유지시키고, 상기 냉방 공간에 습도를 조절하는 항온항습 모듈;
건물에 물을 공급하는 시수 공급관과 연결되어 시수 공급관으로부터 공급되는 시수를 냉열원으로 하여 냉방수를 냉각하고, 냉각한 냉방수를 상기 항온항습 모듈로 공급하는 냉방용 열교환기 및 상기 냉방용 열교환기에서 냉방수를 냉각한 다음 배출되는 시수를 공급받아 저장하는 시수탱크를 포함하는 제1 냉방 모듈;
냉각수를 이용하여 냉방수를 냉각하고, 냉각한 냉방수를 상기 항온항습 모듈로 공급하는 냉동기 및 상기 냉동기에서 온도가 상승한 냉각수의 온도를 낮추어 상기 냉동기로 공급하는 냉각탑을 포함하는 제2 냉방 모듈;
상기 시수 공급관의 일측에 설치되어 상기 제1 냉방 모듈에 공급되는 시수의 온도를 감지하는 감지 센서를 포함하는 센서 모듈; 및
상기 항온항습 모듈, 제1 냉방 모듈 및 제2 냉방 모듈의 구동을 제어하는 제어 모듈을 포함하고,
상기 항온항습 모듈이 상기 제1 냉방 모듈 또는 상기 제2 냉방 모듈로부터 냉방수를 공급받아 상기 냉방 공간의 온도를 유지하며,
상기 제어 모듈은 상기 제1 냉방 모듈과 제2 냉방 모듈을 각각 독립적으로 구동시켜 상기 항온항습 모듈에 냉방수를 공급하고, 상기 시수 공급관에 공급되는 시수의 온도 따라 상기 제1 냉방 모듈과 제2 냉방 모듈의 구동을 제어하도록 구성되며, 상기 시수의 온도가 20 ℃ 이하일 때 상기 제1 냉방 모듈이 동작하도록 제어하고, 상기 시수탱크에 저장된 시수의 온도가 20 ℃를 초과할 때 상기 제2 냉방 모듈이 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 친환경 자연 냉각 시스템.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제1 냉방 모듈은, 상기 시수를 정화하는 정화 필터를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자연 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
상기 시수탱크는 저장된 시수를 순환시켜 외부에 노출시키도록 함에 따라, 시수가 외기와 반응하여 시수의 온도를 낮출 수 있도록 시수 순환 배관을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자연 냉각 시스템.
제1항에 있어서,
지열을 이용하여 상기 냉방수를 냉각하는 제3 냉방 모듈을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 친환경 자연 냉각 시스템.