KR102542579B1 - 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 대수층 방식 축열 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 히트펌프의 증발기 측에 대수층 방식의 냉열 계간 축열조와 제 1취수원을 설치하고, 히트펌프의 응축기 측에 대수층 방식의 온열 계간 축열조와 제 2취수원을 설치하여, 수시로 발생하는 신재생에너지 잉여 전력으로 히트펌프를 동작시켜 발생하는 냉열과 온열로 제 1, 2취수원에서 취수한 물을 냉각 및 가열하여 냉열 계간 축열조 및 온열 계간 축열조에 각각 저장할 수 있고, 이러한 냉/온열 계간 축열조와 제 1, 2취수원을 이용하여 계절에 따라 다양한 운전모드로 사용자에게 냉열과 온열을 공급하도록 하는 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템에 관한 것이다.

Description

별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템{AQUIFER-TYPE THERMAL ENERGY STORAGE SYSTEM WITH SEPARATE WATER INTAKES}
본 발명은 대수층 방식 축열 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 히트펌프의 증발기 측에 대수층 방식의 냉열 계간 축열조와 제 1취수원을 설치하고, 히트펌프의 응축기 측에 대수층 방식의 온열 계간 축열조와 제 2취수원을 설치하여, 수시로 발생하는 신재생에너지 잉여 전력으로 히트펌프를 동작시켜 발생하는 냉열과 온열로 제 1, 2취수원에서 취수한 물을 냉각 및 가열하여 냉열 계간 축열조 및 온열 계간 축열조에 각각 저장할 수 있고, 이러한 냉/온열 계간 축열조와 제 1, 2취수원을 이용하여 계절에 따라 다양한 운전모드로 사용자에게 냉열과 온열을 공급하도록 하는 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템에 관한 것이다.
역사적으로 경제가 발전하게 되면서 에너지 사용이 늘고 온실가스 배출이 증가하게 되는데 석유, 석탄, 천연가스와 같은 화석에너지 가격의 높은 변동성으로부터 회피하기 위해서라도 화석에너지의 의존도를 줄여야 하는 상황으로, 온실가스 배출 증가에 따른 기후변화가 전 지구적인 문제로 떠오르면서 신재생에너지의 사용이 불가피한 현실이다. 특히, 1970년대 1차, 2차 석유파동과 지구온난화, 오존층 파괴 등 환경오염으로 인하여 전 세계적으로 화석연료의 사용 제약과 신재생에너지 사용 활성화를 적극 추진하여 각국에서는 2025~2030년까지 온실가스 감축 목표를 설정하고 있으며, 여러 공약을 세우고 이를 시행하고자 노력하고 있다.
지난 40여 년간 OECD 국가의 신재생에너지(지열, 태양광, 풍력, 조력, 파력, 바이오디젤, 바이오연료, 바이오가스, 폐기물 등이 포함)는 연평균 2.5%로 성장이 크게 증가하고 있고, 특히 OECD 국가의 신재생에너지는 '71년 1.6억 TOE에서 '12년 4.4억 TOE로 증가하여 이 기간 동안 연평균 2.8%씩 성장(태양광, 풍력의 경우 다른 에너지원에 비해 동일기간 연평균 18.8% 증가)이 높은데 이는 해당국가의 태양광, 풍력 관련 에너지 확장 정책의 추진에 기인하며, 전 세계적인 화석연료 사용 저감을 위하여 국제간의 협력체계를 구축하고 국제에너지협회(IEA) 사업으로 기술향상을 위한 연구를 활발히 추진하고 있다.
국내의 신재생에너지 시설은 기존 에너지시설 대비 규모가 작으며 자본 비용도 낮고 기술 집약적인 특징이 있어 성능이 우월하고 가격 경쟁력이 있는 기술이 시장을 장악하고 있으며, 안정성 높은 신재생에너지 기술, 신재생에너지+에너지저장기술(축열 시스템), 신재생에너지+스마트그리드에 대한 수요가 존재한다.
풍력, 조력 등 일부 신재생에너지를 제외하고 환경 규제에 대한 영향은 미미하며, 원자력ㅇ화력은 주변 환경에 영향을 미치지만, 태양열, 태양광, 연료전지 등은 건물에 설치하기가 용이하고, 환경 규제에 대한 영향이 상대적으로 적다.
국내 신재생에너지 산업은 초기에 기술개발 중심으로 상용화 측면을 고려할 여지가 없었지만, 보급촉진을 위한 다양한 제도가 만들어지고 본격 적용되면서 국내외 시장에서 확대되고 있는 추세에 있으며, 신재생에너지 보급사업 중 주택지원사업의 경우 보급목표는 2020년까지 단계적으로 주택의 약 10%까지 신재생에너지 보급확대를 목표로 약 1,250만 가구 중 100만 가구에 태양광, 태양열, 연료전지, 지열 등을 보급하고 있다.
한편, 신재생에너지의 보급으로 인해 수요 반응(Demand response) 제도가 운영중이다.
이러한 수요 반응 제도는 현재 전력량의 수요에 맞추기 위해 전기 사용자가 사용량을 변화시키는 것이다.
전기는 쉽게 저장될 수가 없어서 전력 공급 회사들은 과거에 발전소의 생산율을 최대로 조절하고, 온라인 또는 오프라인 발전설비를 가리지 않고 가동하고 또는 다른 전력 회사에서 수입해서 수요와 공급을 맞췄다. 그렇게 공급하는 데에도 한계가 있는데 어떤 발전 설비들은 최대로 가동하기까지 시간이 오래 걸릴 수 있고, 어떤 설비는 가동비용이 비싸고, 어떤 때에는 수요가 전체 발전소의 생산량을 합한 것보다 클 수 있기때문에 공급을 조절하는 대신 수요를 조절하는 수요 반응 제도가 생겼다.
또한, 전력망에서 전기 소비량과 발전량은 항상 균형을 이루어야 한다. 심각한 불균형은 전력망 불안정성 또는 심각한 전압 변동을 일으키고 전력망 내에서 고장을 일으킬 수 있다. 따라서 총 발전 용량은 일정 수준의 오차와 우발 사건에 대한 허용(예: 피크수요 동안 발전소가 오프라인 상태)을 대비해서 피크 수요에다가 어느 정도의 예비 전력량을 합한 양이어야 한다. 발전소 운영자는 일반적으로 가장 저렴한 발전 용량을 사용하며, 수요가 증가함에 따라 더 비싼 발전소의 추가 용량을 사용한다.
그리하여, 수요 반응 제도는 잠재적 장애 위험을 줄이기 위해 피크수요를 줄이고, 추가 발전소에 대한 추가 자본 비용의 필요성을 제거하며, 더 비싸거나 덜 효율적인 발전소의 사용을 줄이는 것을 목표로 한다.
일례로, 제주도의 풍력 발전량이 과잉되어 계통 상 문제를 일으킬 수 있어 2020년까지 수십 차례 출력제한이 이루어졌고, 제주도의 신재생에너지 발전량 비중이 높아, 전력량이 많을 때는 제주도 전체 수요의 60%까지 차지한다.
이러한 수요 반응 제도에 부응하여 신재생에너지 잉여 전력을 효과적으로 사용하는 시스템의 개발이 요구되고 있는 실정이다.
이러한 신재생에너지 잉여 전력에 대한 축열 기술의 일례로 계간축열 시스템이 개시되어 있다.
계간 축열이란 비수기에 남는 잉여열을 저장하여 열수요가 많은 성수기에 사용하는 축열방식으로서 발전폐열, 산업폐열, 폐기물 소각열, 연료전지, 바이오매스, 태양열 등 연중 생산되는 (폐)열을 열원으로 이용하는 것으로, 간헐적이거나 배출온도가 일정치 않거나 온도가 낮아서 전력생산이나 산업용으로 이용하기 곤란한 열도 회수하여 건물 냉난방 또는 농업용으로 사용 가능하다.
한편, 이러한 계간 축열 시스템은 축열조를 구성하는 방식에 따라 크게 4가지로 구분되며, 지중에 탱크를 매설하는 탱크 방식(TTES)과, 암반층에 피트를 형성하고, 피트 내부에 축열물질을 넣는 피트 방식(PTES), "U"자형 관을 수직으로 지중에 매설하는 보어홀 방식(BTES) 및 대수층에 2개의 관정을 파서 지하수를 한 곳에서 흡입하여 다른 곳으로 주입하는 대수층 방식(ATES)으로 나뉜다.
이러한 대수층 방식의 계간 축열 시스템의 일례로 국내 등록특허 제10-2000481호인 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템이 개시되어 있다.
상기 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 충적대수층에 저장된 지하수를 이용하여 온실의 냉난방을 수행하는 것으로서, 냉수의 양수 및 주입을 위해 지하에 설치된 냉수 주관정(100), 온수의 양수 및 주입을 위해 지하에 설치된 온수 주관정(200), 냉수 주관정(100)으로부터 양수된 냉수의 열교환을 통해 온실(700)의 냉방을 수행하고, 온수 주관정(200)으로부터 양수된 온수의 열교환을 통해 온실(700)의 난방을 수행하는 히트펌프(300), 히트펌프(300)로부터 배출되는 냉배수의 분산 주입을 위해 냉수 주관정(100)의 주위에 설치된 냉수 보조관정(400), 및 히트펌프(300)로부터 배출되는 온배수의 분산 주입을 위해 온수 주관정(200)의 주위에 설치된 온수 보조관정(500)을 포함한다.
상기 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템은 하절기 및 동절기로 구분하여, 하절기에는 온실의 냉방에 이용되고, 동절기에는 온실의 난방에 이용된다.
예를 들어, 하절기에는, 도 1에 도시된 바와 같이, 냉수 주관정(100)을 통해 충적대수층에 저장되어 있는 냉수를 양수하여 히트펌프(300)로 공급하고, 히트펌프(300)를 이용한 열교환을 통해 온실(700)의 냉방을 수행하며, 히트펌프(300)에서의 열교환에 의해 가열된 온배수는 온수 주관정(200)으로 배출되어 충적대수층에 저장된다.
반면, 동절기에는, 도 2에 도시된 바와 같이, 온수 주관정(200)을 통해 충적대수층에 저장되어 있는 온수를 양수하여 히트펌프(300)로 공급하고, 히트펌프(300)를 이용한 열교환을 통해 온실(700)의 난방을 수행하며, 히트펌프(300)에서의 열교환에 의해 냉각된 냉배수는 냉수 주관정(100)으로 배출되어 충적대수층에 저장된다.
그러나, 이러한 종래의 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템은 관정 2개를 이용하여 하절기에는 냉정으로부터 지하수를 추출하여 히트펌프 응축기에서 가열되면 이것을 온정에 주입하고, 동절기에는 온정으로부터 지하수를 추출하여 히트펌프 증발기에서 냉각되면 이것을 냉정에 주입하는데, 지질상으로 대수층이 잘 발달된 지역 외에는 적용이 불가능한 문제점이 있다.
또한, 종래의 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템은 히트펌프가 양방향으로 사용, 즉 히트펌프의 일측 열교환기가 하절기에는 응축기로, 동절기에는 증발기로 사용되어 지하수와 열교환하며, 타측 열교환기가 하절기에는 증발기로, 동절기에는 응축기로 사용되어 사용자에 냉열과 온열을 공급하기 때문에 냉정과 온정중 어느 한 쪽 우물로부터 지하수를 추출하여 히트펌프로 가열하거나 냉각하여 다른 쪽 우물에 주입하는 방식으로 운영되어 냉열과 온열을 동시에 한 쌍의 대수층 방식 계간축열조에 저장할 수 없다는 문제점이 있다.
즉, 종래의 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템은 수요 반응 제도를 이용하여 신재생에너지 잉여 전력으로 히트펌프를 동작시키더라도 냉열과 온열 중 어느 하나만을 저장하고, 다른 하나는 사용하지 않는 경우 에너지를 버려야 하는 문제점이 있다.
국내 등록특허 제10-2000481호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 히트펌프의 증발기 측에 대수층 방식의 냉열 계간 축열조와 제 1취수원을 설치하고, 히트펌프의 응축기 측에 대수층 방식의 온열 계간 축열조와 제 2취수원을 설치하여, 수시로 발생하는 신재생에너지 잉여 전력으로 히트펌프를 동작시켜 발생하는 냉열과 온열로 제 1, 2취수원에서 취수한 물을 냉각 및 가열하여 냉열 계간 축열조 및 온열 계간 축열조에 각각 저장할 수 있고, 이러한 냉/온열 계간 축열조와 제 1, 2취수원을 이용하여 계절에 따라 다양한 운전모드로 사용자에게 냉열과 온열을 공급하도록 하는 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 히트펌프의 증발기 측에 대수층 방식의 냉열 계간 축열조를 설치하고, 히트펌프의 응축기 측에 대수층 방식의 온열 계간 축열조를 설치하며, 이들 사이에 단독으로 단일 취수원을 설치하여, 수시로 발생하는 신재생에너지 잉여 전력으로 히트펌프를 동작시켜 발생하는 냉열과 온열로 단일 취수원에서 취수한 물을 냉각 및 가열하여 냉열 계간 축열조 및 온열 계간 축열조에 각각 저장할 수 있고, 이러한 냉/온열 계간 축열조와 단일 취수원을 이용하여 계절에 따라 다양한 운전모드로 사용자에게 냉열과 온열을 공급하도록 하는 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
냉열과 온열을 각각 동시에 생산하는 히트펌프와; 상기 히트펌프의 증발기에서 발생되는 냉열을 저장하고, 저장된 냉열을 상기 히트펌프의 응축기로 공급하며, 상기 히트펌프의 증발기 측에 설치되는 대수층 방식의 냉열 계간 축열조와; 상기 히트펌프의 증발기로 물을 공급하고, 상기 히트 펌프의 증발기에서 나오는 물이 배출되도록 상기 히트펌프의 증발기 측에 설치되는 제 1취수원과; 상기 히트펌프의 응축기에서 발생되는 온열을 저장하고, 저장된 온열을 상기 히트펌프의 증발기로 공급하며, 상기 히트펌프의 응축기 측에 설치되는 대수층 방식의 온열 계간 축열조; 및 상기 히트펌프의 응축기로 물을 공급하고, 상기 히트 펌프의 응축기에서 나오는 물이 배출되도록 상기 히트펌프의 응축기 측에 설치되는 제 2취수원으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 제 1, 2취수원에서 취수하는 물은 지하수, 상수, 하수, 하천수, 호소수, 해수 중 하나이다.
여기에서 또한, 상기 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템은 연중 전력 잉여 시에 상기 제 1취수원에서 취수한 물을 상기 히트펌프의 증발기와의 열교환을 통해 냉각시켜 상기 냉열 계간축열조에 저장하는 동시에 상기 제 2취수원에서 취수한 물을 상기 히트펌프의 응축기와의 열교환을 통해 승온시켜 상기 온열 계간축열조에 저장한다.
여기에서 또, 상기 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템은 하절기에 상기 냉열 계간 축열조의 냉수를 상기 히트펌프의 응축기로 공급하여 열교환을 통해 승온시켜 배출하고, 냉열 사용자 측에서 회수되는 물을 상기 히트펌프의 증발기와 열교환을 통해 냉각 순환시켜 냉열 사용자에게 냉열을 공급하되, 상기 히트펌프의 응축기에서 나오는 물의 온도가 온열 기준 온도와 동일하거나 높으면 상기 온열 계간 축열조로 주입해서 저장한다.
여기에서 또, 상기 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템은 하절기에 상기 냉열 계간 축열조의 냉수를 상기 히트펌프의 응축기로 공급하여 열교환을 통해 승온시켜 배출하고, 냉열 사용자 측에서 회수되는 물을 상기 히트펌프의 증발기와 열교환을 통해 냉각 순환시켜 냉열 사용자에게 냉열을 공급하되, 상기 히트펌프의 응축기 출구에서 나오는 물의 온도가 온열 기준 온도보다 낮으면 상기 제 2취수원으로 배출한다.
여기에서 또, 상기 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템은 동절기에 상기 온열 계간 축열조의 온수를 상기 히트펌프의 증발기로 공급하여 열교환을 통해 감온시켜 배출하고, 온열 사용자 측에서 회수되는 물을 상기 히트펌프의 응축기와 열교환을 통해 가열 순환시켜 온열 사용자에게 온열을 공급하되, 상기 히트펌프의 증발기 출구에서 나오는 물의 온도가 냉열 기준 온도와 동일하거나 낮으면 상기 냉열 계간 축열조로 주입해서 저장한다.
여기에서 또, 상기 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템은 동절기에 상기 온열 계간 축열조의 온수를 상기 히트펌프의 증발기로 공급하여 열교환을 통해 감온시켜 배출하고, 온열 사용자 측에서 회수되는 물을 상기 히트펌프의 응축기와 열교환을 통해 가열 순환시켜 온열 사용자에게 온열을 공급하되, 상기 히트펌프의 증발기 출구에서 나오는 물의 온도가 냉열 기준 온도보다 높으면 상기 제 1취수원으로 배출한다.
본 발명의 다른 특징은,
냉열과 온열을 각각 동시에 생산하는 히트펌프와; 상기 히트펌프의 증발기에서 발생되는 냉열을 저장하고, 저장된 냉열을 상기 히트펌프의 응축기로 공급하며, 상기 히트펌프의 증발기 측에 설치되는 대수층 방식의 냉열 계간 축열조와; 상기 히트펌프의 응축기에서 발생되는 온열을 저장하고, 저장된 온열을 상기 히트펌프의 증발기로 공급하며, 상기 히트펌프의 응축기 측에 설치되는 대수층 방식의 온열 계간 축열조; 및 상기 히트펌프의 증발기 및 응축기로 물을 공급하고, 상기 히트 펌프의 응축기 또는 증발기에서 나오는 물이 배출되도록 단독으로 설치되는 단일 취수원으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 단일 취수원에서 취수하는 물은 지하수, 상수, 하수, 하천수, 호소수, 해수 중 하나이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템에 따르면, 히트펌프의 증발기 측에 대수층 방식의 냉열 계간 축열조와 제 1취수원을 설치하고, 히트펌프의 응축기 측에 대수층 방식의 온열 계간 축열조와 제 2취수원을 설치하여, 수시로 발생하는 신재생에너지 잉여 전력으로 히트펌프를 동작시켜 발생하는 냉열과 온열로 제 1, 2취수원에서 취수한 물을 냉각 및 가열하여 냉열 계간 축열조 및 온열 계간 축열조에 각각 저장할 수 있고, 이러한 냉/온열 계간 축열조와 제 1, 2취수원을 이용하여 계절에 따라 다양한 운전모드로 사용자에게 냉열과 온열을 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 히트펌프의 증발기 측에 대수층 방식의 냉열 계간 축열조를 설치하고, 히트펌프의 응축기 측에 대수층 방식의 온열 계간 축열조를 설치하며, 이들 사이에 단독으로 단일 취수원을 설치하여, 수시로 발생하는 신재생에너지 잉여 전력으로 히트펌프를 동작시켜 발생하는 냉열과 온열로 단일 취수원에서 취수한 물을 냉각 및 가열하여 냉열 계간 축열조 및 온열 계간 축열조에 각각 저장할 수 있고, 이러한 냉/온열 계간 축열조와 단일 취수원을 이용하여 계절에 따라 다양한 운전모드로 사용자에게 냉열과 온열을 공급할 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래의 충적대수층 계간축열 온실냉난방시스템의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 연중 전력 잉여시 동작 상태를 설명하기 위한 설명도이다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 하절기 동작 상태를 설명하기 위한 설명도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 동절기 동작 상태를 설명하기 위한 설명도이다.
도 9는 본 발명의 제 2실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.
이하, 본 발명의 실시예들에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
《제 1실시예》
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템(1)은 냉열 계간 축열조(10)와, 제 1취수원(20)과, 온열 계간 축열조(30)와, 제 2취수원(40) 및 히트펌프(50)로 구성된다.
먼저, 냉열 계간 축열조(10)에는 대수층 방식으로 냉열이 저장되고, 냉열 사용자 측으로 냉열을 직접 공급하거나 저장된 냉열을 하기에서 설명할 히트펌프(50)의 응축기(53) 측으로 공급한다.
그리고, 제 1취수원(30)은 히트펌프(50)의 증발기(51)로 물을 공급하고, 히트 펌프(50)의 증발기(51)에서 나오는 물이 배출되도록 히트펌프(50)의 증발기(51) 측에 설치된다.
또한, 온열 계간 축열조(30)에는 대수층 방식으로 온열이 저장되고, 온열 사용자 측으로 온열을 직접 공급하거나 저장된 온열을 히트펌프(50)의 증발기(51) 측으로 공급한다.
또, 제 2취수원(40)은 히트펌프(50)의 응축기(53)로 물을 공급하고, 히트 펌프(50)의 응축기(53)에서 나오는 물이 배출되도록 히트펌프(50)의 응축기(53) 측에 설치된다.
계속해서, 히트펌프(50)는 상시 단방향으로 동작되고, 연중 잉여 전력시에는 제 1취수원(20)의 물이 증발기(51)로 공급되어 증발기(51)에서 배출되는 냉열이 냉열 계간 축열조(10)에 저장되도록 함과 동시에 제 2취수원(40)의 물이 응축기(53)로 공급되어 응축기(53)에서 배출되는 온열이 온열 계간 축열조(10)에 저장되도록 한다.
그리고, 히트펌프(50)는 하절기에 냉열 계간 축열조(10)의 냉열을 응축기(53)로 공급하여 응축기(53)에서 배출되는 물의 온도가 온열 기준 온도(예를 들어, 18℃)와 동일하거나 높으면 온열 계간 축열조(30)에 저장시키고, 온열 기준 온도보다 낮으면 제 2취수원(40)으로 배출되도록 하고, 냉열 사용자 측에서 회수되는 물을 증발기(51)와 열교환을 통해 냉각 순환시켜 냉열 사용자에게 냉열을 공급한다.
또한, 히트펌프(50)는 동절기에 온열 계간 축열조(30)의 온열을 증발기(51)로 공급하여 증발기(51)에서 배출되는 물의 온도가 냉열 기준 온도(예를 들어, 12℃)와 동일하거나 낮으면 냉열 계간 축열조(10)에 저장시키고, 냉열 기준 온도보다 높으면 제 1취수원(20)으로 배출되도록 하고, 온열 사용자 측에서 회수되는 물을 응축기(53)와 열교환을 통해 가열 순환시켜 온열 사용자에게 온열을 공급한다.
한편, 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템(1)은 냉열 계간 축열조(10), 제 1취수원(20), 온열 계간 축열조(30), 제 2취수원(40) 및 히트펌프(50) 사이에 복수의 펌프(P)가 구비되어 유로에 따라 선택적으로 동작되고, 각 연결 부위에 3웨이밸브(미도시) 또는 4웨이밸브(미도시)가 구비되어 유로를 변경한다.
이하, 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 4는 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 연중 전력 잉여시 동작 상태를 설명하기 위한 설명도이고, 도 5 및 도 6은 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 하절기 동작 상태를 설명하기 위한 설명도이며, 도 7 및 도 8은 본 발명의 제 1실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 동절기 동작 상태를 설명하기 위한 설명도이다.
《연중 전력 잉여시 히트펌프를 이용한 냉/온열 축열》
도 4를 참조하면, 수요 반응(Demand response) 제도에 따라 수시로 발생하는 신재생에너지 잉여 전력으로 히트펌프(50)를 단방향으로 동작시킨다.
히트펌프(50)가 동작되면서 제 1취수원(20)의 물이 증발기(51)로 공급되어 증발기(51)에서 발생된 냉열과 열교환되면서 감온되어 냉열 계간 축열조(10)에 축열됨과 동시에 제 2취수원(40)의 물이 응축기(53)로 공급되어 응축기(53)에서 발생된 온열과 열교환되면서 승온되어 온열 계간 축열조(30)에 축열된다. 이때, 냉열 계간 축열조(10)에 주입되는 물의 온도는 대략 12℃ 이하이고, 온열 계간 축열조(30)에 주입되는 물의 온도는 대략 18℃ 이상이다.
《하절기-히트펌프를 이용한 냉열공급 및 온열축열》
도 5를 참조하면, 하절기에 냉열 계간 축열조(10)의 냉수를 히트펌프(50)의 응축기(53)로 공급하여 열교환을 통해 승온시켜 배출하는데, 히트펌프(50)의 응축기(53)에서 배출되는 물의 온도가 온열 기준 온도와 동일하거나 높으면 온열 계간 축열조(30)로 주입해서 축열시키고, 냉열 사용자 측에서 회수되는 물을 히트펌프(50)의 증발기(51)와 열교환을 통해 냉각 순환시켜 냉열 사용자에게 냉열을 공급한다. 이때, 온열 기준 온도는 예를 들어, 18℃로 선정한다.
《하절기-히트펌프와 냉열 계간 축열조를 이용한 냉열공급》
도 6을 참조하면, 하절기에 냉열 계간 축열조(10)의 냉수를 히트펌프(50)의 응축기(53)로 공급하여 열교환을 통해 승온시켜 배출하는데, 히트펌프(50)의 응축기(53)에서 배출되는 물의 온도가 온열 기준 온도보다 낮으면 제 2취수원(40)으로 배출하고, 냉열 사용자 측에서 회수되는 물을 히트펌프(50)의 증발기(51)와 열교환을 통해 냉각 순환시켜 냉열 사용자에게 냉열을 공급한다. 이때, 온열 기준 온도는 예를 들어, 18℃로 선정한다.
《동절기-히트펌프를 이용한 온열공급 및 냉열축열》
도 7을 참조하면, 동절기에 온열 계간 축열조(30)의 온수를 히트펌프(50)의 증발기(51)로 공급하여 열교환을 통해 감온시켜 배출하는데, 히트펌프(50)의 증발기(51)에서 배출되는 물의 온도가 냉열 기준 온도와 동일하거나 낮으면 냉열 계간 축열조(10)로 주입해서 축열시키고, 온열 사용자 측에서 회수되는 물을 히트펌프(50)의 응축기(53)와 열교환을 통해 가열 순환시켜 온열 사용자에게 온열을 공급한다. 이때, 냉열 기준 온도는 예를 들어, 12℃로 선정한다.
《동절기-히트펌프와 온열 계간 축열조를 이용한 온열공급》
도 8을 참조하면, 동절기에 온열 계간 축열조(30)의 온수를 히트펌프(50)의 증발기(51)로 공급하여 열교환을 통해 감온시켜 배출하는데, 히트펌프(50)의 증발기(51)에서 배출되는 물의 온도가 냉열 기준 온도보다 높으면 제 1취수원(20)으로 배출하고, 온열 사용자 측에서 회수되는 물을 히트펌프(50)의 응축기(53)와 열교환을 통해 가열 순환시켜 온열 사용자에게 온열을 공급한다. 이때, 냉열 기준 온도는 예를 들어, 12℃로 선정한다.
《제 2실시예》
도 9를 본 발명의 제 2실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 따른 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템(1)은 냉열 계간 축열조(10)와, 온열 계간 축열조(30)와, 단일 취수원(60) 및 히트펌프(50)로 구성된다.
먼저, 냉열 계간 축열조(10)는 대수층 방식으로 냉열이 저장되고, 냉열 사용자 측으로 냉열을 직접 공급하거나 저장된 냉열을 하기에서 설명할 히트펌프(50)의 증발기(51) 또는 응축기(53) 측으로 공급한다.
그리고, 온열 계간 축열조(30)는 대수층 방식으로 온열이 저장되고, 온열 사용자 측으로 온열을 직접 공급하거나 저장된 온열을 히트펌프(50)의 응축기(53) 또는 증발기(51) 측으로 공급한다.
또한, 단일 취수원(60)은 히트펌프(50)의 증발기(51) 및 응축기(53)로 물을 공급하고, 히트 펌프(50)의 응축기(53) 또는 증발기(51)에서 나오는 물이 한곳으로 배출되도록 단독으로 설치된다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 냉열 계간 축열조 P : 펌프
20 : 제 1취수원 30 : 온열 계간 축열조
40 : 제 2취수원 50 : 히트펌프
51 : 증발기 53 : 응축기
60 : 단일 취수원

Claims (9)

  1. 냉열과 온열을 각각 동시에 생산하는 히트펌프와;
    상기 히트펌프의 증발기에서 발생되는 냉열을 저장하고, 저장된 냉열을 상기 히트펌프의 응축기로 공급하며, 상기 히트펌프의 증발기 측에 설치되는 대수층 방식의 냉열 계간 축열조와;
    상기 히트펌프의 증발기로 물을 공급하고, 상기 히트 펌프의 증발기에서 나오는 물이 배출되도록 상기 히트펌프의 증발기 측에 설치되는 제 1취수원과;
    상기 히트펌프의 응축기에서 발생되는 온열을 저장하고, 저장된 온열을 상기 히트펌프의 증발기로 공급하며, 상기 히트펌프의 응축기 측에 설치되는 대수층 방식의 온열 계간 축열조; 및
    상기 히트펌프의 응축기로 물을 공급하고, 상기 히트 펌프의 응축기에서 나오는 물이 배출되도록 상기 히트펌프의 응축기 측에 설치되는 제 2취수원으로 이루어지며,
    하절기에 상기 냉열 계간 축열조의 냉수를 상기 히트펌프의 응축기로 공급하여 열교환을 통해 승온시켜 배출하고, 냉열 사용자 측에서 회수되는 물을 상기 히트펌프의 증발기와 열교환을 통해 냉각 순환시켜 냉열 사용자에게 냉열을 공급하되, 상기 히트펌프의 응축기 출구에서 나오는 물의 온도가 온열 기준 온도보다 낮으면 상기 제 2취수원으로 배출하는 것을 특징으로 하는 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1취수원에서 취수하는 물은 지하수, 상수, 하수, 하천수, 호소수, 해수 중 하나이고,
    상기 제 2취수원에서 취수하는 물은 지하수, 상수, 하수, 하천수, 호소수, 해수 중 하나인 것을 특징으로 하는 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템은,
    연중 전력 잉여 시에 상기 제 1취수원에서 취수한 물을 상기 히트펌프의 증발기와의 열교환을 통해 냉각시켜 상기 냉열 계간축열조에 저장하는 동시에 상기 제 2취수원에서 취수한 물을 상기 히트펌프의 응축기와의 열교환을 통해 승온시켜 상기 온열 계간축열조에 저장하는 것을 특징으로 하는 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템은,
    하절기에 상기 냉열 계간 축열조의 냉수를 상기 히트펌프의 응축기로 공급하여 열교환을 통해 승온시켜 배출하고, 냉열 사용자 측에서 회수되는 물을 상기 히트펌프의 증발기와 열교환을 통해 냉각 순환시켜 냉열 사용자에게 냉열을 공급하되, 상기 히트펌프의 응축기 출구에서 나오는 물의 온도가 온열 기준 온도와 동일하거나 높으면 상기 온열 계간 축열조로 주입해서 저장하는 것을 특징으로 하는 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템은,
    동절기에 상기 온열 계간 축열조의 온수를 상기 히트펌프의 증발기로 공급하여 열교환을 통해 감온시켜 배출하고, 온열 사용자 측에서 회수되는 물을 상기 히트펌프의 응축기와 열교환을 통해 가열 순환시켜 온열 사용자에게 온열을 공급하되, 상기 히트펌프의 증발기 출구에서 나오는 물의 온도가 냉열 기준 온도와 동일하거나 낮으면 상기 냉열 계간 축열조로 주입해서 저장하는 것을 특징으로 하는 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템은,
    동절기에 상기 온열 계간 축열조의 온수를 상기 히트펌프의 증발기로 공급하여 열교환을 통해 감온시켜 배출하고, 온열 사용자 측에서 회수되는 물을 상기 히트펌프의 응축기와 열교환을 통해 가열 순환시켜 온열 사용자에게 온열을 공급하되, 상기 히트펌프의 증발기 출구에서 나오는 물의 온도가 냉열 기준 온도보다 높으면 상기 제 1취수원으로 배출하는 것을 특징으로 하는 별도의 취수원을 갖춘 대수층 방식 축열 시스템.
  8. 삭제
  9. 삭제
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