KR102583084B1 - 건물 설치형 열교환 시스템 - Google Patents

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KR102583084B1
KR102583084B1 KR1020230000596A KR20230000596A KR102583084B1 KR 102583084 B1 KR102583084 B1 KR 102583084B1 KR 1020230000596 A KR1020230000596 A KR 1020230000596A KR 20230000596 A KR20230000596 A KR 20230000596A KR 102583084 B1 KR102583084 B1 KR 102583084B1
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KR1020230000596A
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이병천
이원종
안경근
오승석
김기홍
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주식회사 풍천엔지니어링
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 건물 설치형 열교환 시스템은, 건물을 감싸고 지면으로부터 상측으로 연장되도록 배치되며 공공이 형성된 외벽이 형성되고, 냉각탑과 냉동기가 배치되고 냉각탑으로부터 냉동기로 냉각수가 유동하는 제1 냉각수유로 및 냉동기로부터 냉각탑으로 냉각수가 유동하는 제2 냉각수유로를 포함하는 냉난방시스템이 사용되는 건물의 외벽측에 설치되는 시스템으로, 외벽을 통해 유입되는 자연풍과 내부를 순환하는 냉각수를 열교환하는 열교환부; 제2 냉각수유로에 연결되어 제2 냉각수유로를 유동중인 냉각수의 일부가 바이패스되는 유로를 제공하는 메인유로; 메인유로와 열교환부 사이에 배치되어 선택적으로 열교환부로 열교환을 위한 냉각수가 유동하도록 메인유로로 바이패스되는 유로를 제공하는 열교환유로; 및 메인유로 및 열교환유로의 냉각수 유동을 제어하는 제어부;를 포함하고, 제어부는, 냉각모드 동작에서 냉각수가 제2 냉각수유로, 메인유로, 열교환유로, 열교환부 및 제2 냉각수유로로 유동하여 냉각탑으로 유입되도록 냉각수 유동을 제어하고, 수리모드 동작에서 냉각수가 제2 냉각수유로로 유동하여 냉각탑으로 유입되도록 냉각수 유동을 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

건물 설치형 열교환 시스템 {HEAT EXCHANGE SYSTEM MOUNTED BUILDING}
본 발명은 건물 고층의 외벽측에 설치되어 에너지 효율을 높일 수 있는 건물 설치형 열교환 시스템에 관한 것이다.
최근 창고, 극장, 쇼핑몰, 데이터센터 등으로 활용되는 건물(이하, 창고형 건물)은 내부공기를 자체적으로 환기함과 더불어 외부에 창문이 배치되지 않게 건축되고 있다. 이는 실내공기의 적정온도 유지 기능과 더불어 외부에서 내부가 보이지 않도록 하기 위한 것으로, 이러한 창고형 건물은 일반적으로 실내로부터 실외까지 건물이 단열재-내벽-외벽 구조로 건설되고 있다.
또한, 창고형 건물은 실내공기의 온도 유지를 위해 자체 환기시스템과 더불어 자체 냉방시스템을 갖추고 있다.
일반적으로 건물에 사용되는 냉방시스템은 냉동기 시스템과 공기조화기를 이용한 냉방시스템을 적용하고 있으며, 이를 위해 건물 지하에는 냉동기가 설치되고, 건물 내부에는 공기조화기가 설치되며, 옥상에는 냉각탑이 설치됨에 따라, 냉동기의 응축기에서 열교환되어 온도가 상승한 냉각수는 냉각탑으로 가서 냉각되어 온도가 하강하고, 냉각된 냉각수는 다시 냉동기의 응축기로 가서 냉매의 온도를 낮춤과 동시에 열교환되어 온도가 상승하여 냉각탑으로 순환되는 구조를 가진다.
그런데 냉동기에서 열교환되어 온도가 상승한 냉각수를 냉각탑에서 냉각시키기 위해서는 전기에너지가 소모된다. 이 경우, 냉각탑 냉각수 입구와 출구의 온도 차이가 많이 날수록 냉각탑의 동작에 들어가는 전기에너지가 상승하는 문제가 있다.
특히, 최근 전기사용량을 줄이고자 하는 친환경적인 움직임과 더불어 ESG 경영에 의한 환경문제에 따라 전기에너지 효율을 친환경적으로 높일 수 있는 방안이 다수 제시되고 있어, 건축물의 냉방시스템에 들어가는 전기에너지를 줄여 에너지 효율을 높일 수 있는 기술에 대한 수요가 점차 늘어나고 있어, 이에 대한 기술개발이 필요한 실정이다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
특허출원번호 10-2016-0002232 (발명의 명칭 : 외기 및 지하 열기를 이용한 건물의 외벽 공기순환시스템.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 냉각탑으로 공급되는 냉각수의 온도를 선제적으로 하강시킴으로써, 냉각탑에서 소모되는 전기에너지를 낮추어 에너지 효율을 높일 수 있는 건물 설치형 열교환 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 건물 설치형 열교환시스템은, 건물을 감싸고 지면으로부터 상측으로 연장되도록 배치되며 공공이 형성된 외벽이 형성되고, 냉각탑과 냉동기가 배치되고 냉각탑으로부터 냉동기로 냉각수가 유동하는 제1 냉각수유로 및 냉동기로부터 냉각탑으로 냉각수가 유동하는 제2 냉각수유로를 포함하는 냉난방시스템이 사용되는 건물의 외벽측에 설치되는 열교환 시스템으로, 상기 외벽을 통해 유입되는 자연풍과 내부를 순환하는 냉각수를 열교환하는 열교환부; 상기 제2 냉각수유로에 연결되어 상기 제2 냉각수유로를 유동중인 냉각수의 일부가 바이패스되는 유로를 제공하는 메인유로; 상기 메인유로와 상기 열교환부 사이에 배치되어 선택적으로 상기 열교환부로 열교환을 위한 냉각수가 유동하도록 상기 메인유로로 바이패스되는 유로를 제공하는 열교환유로; 및 상기 메인유로 및 상기 열교환유로의 냉각수 유동을 제어하는 제어부;를 포함하고, 상기 제어부는, 냉각모드 동작에서 냉각수가 상기 제2 냉각수유로, 상기 메인유로, 상기 열교환유로, 상기 열교환부 및 상기 제2 냉각수유로로 유동하여 상기 냉각탑으로 유입되도록 냉각수 유동을 제어하고, 수리모드 동작에서 냉각수가 상기 제2 냉각수유로로 유동하여 상기 냉각탑으로 유입되도록 냉각수 유동을 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 메인유로는, 상기 제2 냉각수유로에 배치되어 상기 냉동기로 유동하는 냉각수가 바이패스 되는 유로를 제공하는 제1 메인유로; 상기 열교환부로부터 열교환된 냉각수가 유동하는 유로를 제공하는 제2 메인유로; 상기 제1 메인유로 및 상기 제2 메인유로에 연결되어 선택적으로 냉각수를 제2 냉각수유로로 유동시키는 유로를 제공하는 제3 메인유로; 및 상기 제1 메인유로 출구, 상기 제2 메인유로 출구 및 상기 제3 메인유로 입구에 연결되어 냉각수의 유동경로를 결정하는 메인밸브를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 냉각모드에서 상기 제2 메인유로로부터 상기 제3 메인유로로 냉각수가 유동하도록 상기 메인밸브를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환유로는, 상기 제1 메인유로에 형성된 바이패스 출구를 통해 냉각수가 열교환부로 유입되는 유로를 제공하는 제1 열교환유로; 상기 열교환부로부터 유출된 냉각수가 상기 제2 메인유로로 유입되기 위한 제2 열교환유로; 상기 제1 열교환유로를 선택적으로 개폐하는 제1 열교환밸브; 및 상기 제2 열교환유로를 선택적으로 개폐하는 제2 열교환밸브를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 냉각모드에서 상기 제1 열교환밸브 및 상기 제2 열교환밸브를 온(On) 하여 상기 제1 열교환유로 및 상기 제2 열교환유로를 개방하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환유로를 바이패스 하도록 배치되어 상기 열교환부 내부의 냉각수를 선택적으로 외부로 배출하는 유로를 제공하는 배출유로; 및 상기 열교환부 출구측에 배치되어 상기 열교환부에서 유출되는 냉각수의 온도를 측정하여 감지온도를 생성하는 온도센서를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 감지온도가 설정온도 미만이면 동파방지모드로 동작하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 배출유로는, 상기 열교환부 입구로 공기압력을 공급하기 위해 상기 제1 열교환유로에 입구가 연결되고 외부로 출구가 노출된 제1 배출유로; 상기 열교환부에서 유출되는 냉각수를 드레인 배관을 통해 외부로 배출하기 위해 상기 제2 열교환유로에 입구가 연결되고 상기 드레인 배관으로 출구가 연결된 제2 배출유로; 상기 제1 배출유로의 선택적으로 개폐하는 제1 배출밸브; 및 상기 제2 배출유로의 선택적으로 개폐하는 제2 배출밸브를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 동파방지모드에서 상기 제1 열교환밸브 및 상기 제2 열교환밸브를 오프(Off)하여 상기 제1 열교환유로 및 상기 제2 열교환유로는 폐쇄하고, 상기 제1 배출밸브 및 상기 제2 배출밸브를 온 하여 상기 제1 배출유로 및 상기 제2 배출유로를 개방하는 것을 특징으로 한다.
또한, 열교환 시스템은 상기 열교환부와 상기 외벽 사이에 배치되어 열교환부 전면으로 자연풍의 풍향을 발생시키도록 전면이 대향되도록 배치된 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환부는 전면이 외벽을 향하도록 배치되고 지면을 기초로 설정각도만큼 상측이 후방으로 기울어지고, 상기 팬은 전면이 상기 열교환부의 전면과 평행하거나 지면을 기초로 상기 설정각도 이하로 기울어진 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환유로는 상기 메인유로를 기초로 측방으로 병렬되게 복 수개 배치된 것을 특징으로 한다.
기본적으로 별도의 에너지를 사용하지 않고 자연풍만을 활용하여 건물 내부의 냉난방 시스템에서 냉동기로부터 가열된 냉각수를 1차적으로 열교환시킨 뒤 냉각탑으로 보내주기 때문에 냉각탑에서 소모되는 에너지를 절약하여 에너지 소모량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 별도의 에너지를 사용하지 않기 때문에 최근 ESG 경영의 트랜드 중 하나인 친환경 에너지 활용 측면에서 매우 적합한 기술이며, 건물의 외벽을 활용하기 때문에 건물 내부에 별도의 공간을 따로 사용하지 않고 열교환 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 자연풍이 약한 경우에는 팬을 활용하여 외벽으로부터 유입되는 자연풍의 유동을 인위적으로 생성하거나 더 강력한 자연풍을 생성할 수 있기 ‹š문에 바람이 없는 날씨에도 열교환효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 열교환부의 수리나 교체, 정기적인 점검 시나 냉방동작이 빈번히 수행되지 않아 열교환 시스템의 동작에 따른 에너지 소모가 더 큰 경우에는 열교환부로 유동하는 냉각수의 흐름을 수동밸브를 통해 차단할 수 있기 때문에, 열교환부의 미동작 시에도 건물의 냉각시스템을 정상적으로 동작시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 겨울철 냉방이 잘 이루어지지 않거나 온도가 급격하게 낮아 열교환부 내부의 냉각수가 냉각되어 어는 경우 열교환부의 동파가 이루어질 수 있는데, 온도센서를 활용하여 냉각수의 어는온도를 미만의 온도로 감지되는 경우, 열교환부 내부의 냉각수를 외부로 배출시킴으로써 동파를 방지할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건물 설치형 열교환 시스템의 구성을 도시함과 동시에 수리모드를 도시한 회로도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 건물 설치형 열교환 시스템의 전면 구조도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 건물 설치형 열교환 시스템의 측면 구조도.
도 4는 냉각운전 모드에서의 건물 설치형 열교환 시스템의 냉각수 이동경로를 도시한 도면.
도 5는 동파방지 모드에서의 건물 설치형 열교환 시스템의 냉각수 이동경로를 도시한 도면.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 구조나 방법에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)의 구성을 도시한 회로도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)은 외벽(910)에 개구가 형성되고 내부에 냉각시스템이 구비된 건물(900)에 설치될 수 있다. 상세히, 설치를 위한 건물(900)은 외벽(910) 중 하나의 면에 루버나 구멍이 형성되고 별도의 창문이 형성되지 않은 건물(900)로, 이러한 건물(900)로 주로 사용되는 건물(900)은 창고, 극장, 쇼핑몰, 데이터센터 등으로 활용되는 건물(900)인 창고형 건물(900)일 수 있다. 이는 외벽(910)을 통해 자연풍이 측방으로 들어오면 해당 자연풍을 활용하여 냉각수의 온도를 낮춤으로써 열교환효율을 높이기 위함이다.
또한, 이러한 창고형 건물(900)은 옥상에 냉각탑(290)이 배치되고, 지하에 냉동기(930)가 배치되며, 냉각탑(290)으로부터 응축되어 냉각된 냉각수가 냉동기(930)로 유입되기 위한 제1 냉각수유로(940)와, 냉동기(930)로부터 증발되어 가열된 냉각수가 냉각탑(290)으로 유입되기 위한 제2 냉각수유로(950)가 설치되어야 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)은 건물(900)의 외벽(910)루버가 형성된)에 인접한 공간 중 하나의 공간에 배치될 수 있다. 이러한 공간은 건물(900) 내 객실이나 실내공간이 활용될 수 있고, 그렇지 않은 경우라도 별도로 설치공간을 형성하여 활용될 수 있다. 더불어 자연풍의 활용성을 극대화하기 위해서 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)은 건물(900)의 최고층 또는 고층에 인접한 위치에 배치될 수 있다. 이는 지면에서 멀어질수록 자연풍의 풍속이나 풍량이 커짐에 따라, 열교환 효율이 높아지기 때문이다.
상기와 같이 설치조건이 명확한 건물(900)에 설치된다는 기준으로 아래에서는 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)에 대하여 설명한다. 또한, 아래에서는 방향을 도 1을 기준으로 외벽(910) 방향을 전방, 열교환부(130) 방향을 후방, 옥상방향을 상방, 지면방향을 하방으로 정의한다. 다만, 이는 설명의 편의를 위한 정의일 뿐 실질적인 기능을 수행할 수 있다면 이에 한정되지 않는다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)의 전면 구조도이고, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)의 측면 구조도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)은 외벽(910)으로부터 설정간격 이격된 설치공간에 배치되어 외벽(910)으로부터 유입되는 공기와 내부를 순환하는 냉각수를 열교환하기 위한 하나 이상의 열교환부(130), 제2 냉각수유로(950)를 바이패스 하도록 배치되어 냉동기(930)로 유동중인 냉각수가 바이패스 되도록 유로를 제공하는 메인유로(110), 메인유로(110)를 바이패스 하도록 배치되어 선택적으로 하나의 열교환부(130)로 냉각수를 열교환시키기 위한 유로를 제공하는 하나 이상의 열교환유로(120), 열교환부(130)와 외벽(910) 사이에 배치되고 열교환부(130) 전방으로 자연풍의 풍향을 발생시키는 팬(150), 냉각수의 온도를 실시간으로 센싱하는 온도센서(180) 및 열교환을 위해 각 구성의 동작을 제어하는 제어부(160)를 포함할 수 있다. 아래에서는 각 구성에 대하여 상세히 설명한다.
메인유로(110)는 제2 냉각수유로(950)에 연결되어 냉각기로부터 열교환되어 온도가 상승하여 냉동기(930) 방향으로 이동하는 냉각수가 바이패스 되어 유동되기 위한 제1 메인유로(111), 제1 메인유로(111)로부터 열교환부(130)를 통과하여 열교환된 냉각수가 유동하기 위한 제2 메인유로(112), 제1 메인유로(111)와 제2 메인유로(112)의 출구에 입구이 연결되고 냉각수가 제2 냉각수유로(950)로 유입시키기 위한 제3 메인유로(113) 및 제1 메인유로(111)와 제2 메인유로(112)의 출구와 제3 메인유로(113)의 입구에는 선택적으로 제1 메인유로(111)에서 제3 메인유로(113)로 냉각수를 유동시키거나 제2 메인유로(112)에서 제3 메인유로(113)로 냉각수를 유동시키기 위한 메인밸브(114)를 포함할 수 있다.
제1 메인유로(111)는 제2 냉각수유로(950)로부터 냉동기(930)로 유동하는 냉각수를 열교환부(130)로 유동시키거나 또는 바로 제3 메인유로(113)로 유동시키기 위한 유로를 제공하는 수단으로, 입구가 제2 냉각수유로(950)에 연결되고 출구는 메인밸브(114)에 연결될 수 있다. 또한, 제1 메인유로(111)는 냉각수가 유동되는 과정에서 후술할 제1 열교환유로(121로 선택적으로 유출될 수 있도록 입구로부터 출구로 연결되는 유로 중간에 바이패스출구(111)a)가 배치될 수 있다.
제2 메인유로(112)는 열교환부(130)로부터 열교환된 냉각수를 제3 메인유로(113)로 유동시키기 위한 유로를 제공하는 수단으로, 입구는 폐쇄되고 출구가 메인밸브(114)에 연결될 수 있다. 또한, 제2 메인유로(112)는 후술할 제2 열교환유로(122로 열교환부(130)로부터 열교환된 냉각수가 선택적으로 유입될 수 있도록 입구로부터 출구로 연결되는 유로 중간에 바이패스입구(112)a)가 배치될 수 있다.
제3 메인유로(113)는 제1 메인유로(111) 및 제2 메인유로(112)의 출구로 배출되는 냉각수를 제2 냉각수유로(950)로 유동시키기 위한 유로를 제공하는 수단으로, 입구가 메인밸브(114)에 연결되고 출구가 제2 냉각수유로(950)에 연결될 수 있다.
메인밸브(114)는 제1 메인유로(111) 및 제2 메인유로(112)의 출구와 제3 메인유로(113)의 입구를 각각 개방 또는 폐쇄시킴으로써 선택적으로 냉각수의 유동경로를 결정할 수 있는 수단이다. 상세히, 메인밸브(114)는 삼방밸브(3-Way Valve)로 형성되어 제1 메인유로(111)를 통해 유입된 냉각수가 열교환부(130)를 거치지 않고 바로 제3 메인유로(113)로 유동할 수 있도록 경로를 제공하거나, 열교환부(130)를 거친 냉각수가 제2 메인유로(112)를 거쳐 제3 메인유로(113)로 유동할 수 있도록 경로를 제공할 수 있다.
열교환유로(120)는 메인유로(110), 상세히는 제1 메인유로(111)를 통해 유입된 냉각수가 열교환부(130)로 유동할 수 있는 경로를 제공할 수 있는 수단이다. 상세히, 열교환유로(120)는 제1 메인유로(111)를 통해 유입된 냉각수가 열교환부(130)로 유입되기 위한 경로를 제공하는 제1 열교환유로(121), 열교환부(130)로부터 열교환된 냉각수가 제2 메인유로(112)로 유출되기 위한 경로를 제공하는 제2 열교환유로(122), 제1 열교환유로(121)를 선택적으로 개폐하는 제1 열교환밸브(123) 및 제2 열교환유로(122)를 선택적으로 개폐하는 제2 열교환밸브(124)를 포함할 수 있다.
제1 열교환유로(121)는 입구가 제1 메인유로(111)의 바이패스출구(111)a)에 연결되고 출구가 열교환부(130)의 입구에 연결되어, 제1 메인유로(111)로 유동하는 냉각수가 바이패스되어 열교환부(130)로 유입되기 위한 경로를 제공하는 수단이다. 즉, 열교환부(130)로부터 냉각수가 열교환되기 위해서는 제1 열교환유로(121)로 냉각수가 유동하는 것이 필수적이다.
제2 열교환유로(122)는 입구가 열교환부(130)의 출구에 연결되고 출구가 제2 메인유로(112)의 바이패스입구(112)a)에 연결되어, 열교환부(130)로부터 열교환된 냉각수가 바이패스되어 제2 메인유로(112)로 유출되기 위한 경로를 제공하는 수단이다. 즉, 열교환부(130)로부터 열교환된 냉각수가 냉동기(930)로 유동하기 위해서는 제2 열교환유로(122)로 냉각수가 유동하는 것이 필수적이다.
제1 열교환밸브(123)는 제1 열교환유로(121)에 배치되어 선택적으로 제1 열교환유로(121)를 개폐시킬 수 있는 수단이다. 상세히, 제1 열교환밸브(123)가 제1 열교환유로(121)를 개방하면 제1 메인유로(111)로 유동하는 냉각수가 제1 열교환유로(121)를 통해 열교환부(130)로 유입될 수 있고, 반대로 제1 열교환밸브(123)가 제1 열교환유로(121)를 폐쇄하면 제1 메인유로(111)로 유동하는 냉각수는 메인벨브를 향해 유동될 수 있다.
제2 열교환밸브(124)는 제2 열교환유로(122)에 배치되어 선택적으로 제2 열교환유로(122)를 개폐시킬 수 있는 수단이다. 상세히, 제2 열교환밸브(124)가 제2 열교환유로(122)를 개방하면 열교환부(130)로부터 열교환된 냉각수가 제2 열교환유로(122)를 통해 제2 메인유로(112)로 유출될 수 있고, 반대로 제2 열교환밸브(124)가 제2 열교환유로(122)를 폐쇄하면 제2 메인유로(112)로 냉각수가 유출될 수 없다.
일 예로, 상기한 제1 열교환밸브(123) 및 제2 열교환밸브(124)는 이방밸브(2-Way Valve)일 수 있다.
열교환부(130)는 열교환유로(120), 상세히는 제1 열교환유로(121)와 제2 열교환유로(122) 사이에 배치되어 유입되는 냉각수와 외벽(910) 및 팬(150)을 통해 발생되는 자연풍 간의 열교환이 이루어지는 수단이다. 상세히, 냉각수는 열교환부(130)를 통해 자연풍과 열교환되는 과정에서 냉각될 수 있고, 이에 따라 냉각탑(290)으로 유입되는 냉각수는 냉동기(930)로부터 열교환된 냉각수에 비해 낮은 온도를 가질 수 있다.
상세히, 열교환부(130)는 핀코일 형식의 밀폐식 얼교환 장치를 포함할 수 있고, 이 경우 코일 외부는 외벽(910)을 통해 유입되는 자연풍이 접촉하고, 코일 내부는 제1 열교환유로(121)를 통해 유입된 냉각수가 제2 열교환유로(122)를 통해 유출되면서 서로 열교환이 일어남에 따라, 공기와 냉각수가 직접 접촉이 아닌 간접 열교환을 수행할 수 있다.
또한, 열교환부(130)는 외벽(910)으로부터 지면에 설정각도만큼 전방으로 상면이 기울어진 상태로 배치되어 외벽(910)을 통해 유입되는 자연풍이 전체 면적에 효율적으로 접촉될 수 있도록 배치될 수 있다. 상세히, 열교환부(130)는 상면이 전방으로 지면을 기준으로 설정각도만큼 기울어져서 상단에서 하단으로 갈수록 후측으로 경사지도록 배치될 수 있다. 이는 외벽(910)을 통해 자연풍이 유입되는 유입면적 대비 열교환을 위해 자연풍이 접촉될 수 있는 열교환부(130)의 표면면적을 넓게 하여 열교환효율을 높이기 위함이다.
팬(150)은 열교환부(130)와 외벽(910) 사이에 배치되어 열교환부(130) 전방으로 풍량을 발생시킴으로써, 외벽(910)으로부터 유입되는 자연풍의 풍량을 증가시킴과 동시에 별도로 자연풍이 불지 않는 경우에 자연풍을 인위적으로 발생시킴으로써 열교환이 연속적으로 이루어질 수 있도록 하는 수단이다.
또한, 팬(150)은 전면이 열교환부(130)의 전면과 평행하거나 또는 설정각도 이하로 기울어지도록 배치됨으로써, 열교환부(130) 전면으로 자연풍의 풍향을 조정하거나 자연풍이 불어오도록 유도시킴으로써 열교환 효율을 높일 수 있다.
온도센서(180)는 열교환부(130) 출구에 배치되어 열교환부(130)로부터 열교환이 이루어진 냉각수의 온도를 실시간 또는 설정시간 간격으로 센싱하는 수단이다. 상세히, 온도센서(180)는 열교환부(130) 출구 측의 제2 열교환유로(122)에 배치되어 열교환부(130)로부터 열교환 후 유출되는 냉각수의 온도, 즉 감지온도를 측정할 수 있고, 측정된 감지온도 정보를 제어부(160)로 송신할 수 있다.
제어부(160)는 온도센서(180)로부터 감지온도 정보를 수신하여 이를 기초로 열교환부(130), 메인유로(110), 열교환유로(120) 및 팬(150)의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 생성하는 수단이다. 제어부(160)의 구성 동작에 대한 상세한 설명은 추후 열교환 시스템(100)의 동작에 대한 설명 시 후술한다.
발명의 일 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)은 열교환유로(120)를 바이패스 하도록 배치되어 열교환부(130) 내부의 냉각수를 선택적으로 외부로 배출할 수 있는 배출유로(140)를 더 포함할 수 있다.
배출유로(140)는 열교환부(130)의 입구측으로 공기압력을 공급하기 위한 제1 배출유로(141), 열교환부(130)의 출구측에서 유출되는 냉각수를 외부로 배출시키기 위한 제2 배출유로(142), 제1 배출유로(141)의 개폐정도를 결정하여 내부로 공급되는 공기압력의 정도를 결정할 수 있는 제1 배출밸브(143), 제2 배출유로(142)의 개폐정도를 결정하여 외부로 배출되는 냉각수의 양을 조절할 수 있는 제2 배출밸브(144)를 포함할 수 있다.
제1 배출유로(141)는 열교환부(130)의 입구측, 상세히는 제1 열교환유로(121)의 출구에 입구가 연결되고 출구가 외부로 노출되어 있는 수단이다. 출구가 외부로 노출됨에 따라 출구로부터 공기가 유입됨으로써 공기압력을 생성할 수 있다. 다만, 공기압력을 생성은 설정조건 하에서 이루어지는 바, 이에 대해서는 후술한다.
제2 배출유로(142)는 열교환부(130)의 출구측, 상세히는 제2 열교환유로(122)의 입구에 입구가 연결되고 출구가 드레인을 위한 배관에 연결될 수 있는 수단이다. 이에 따라 열교환부(130)로부터 유출되는 냉각수를 설정조건 하에서 드레인 배관을 통해 외부로 배출할 수 있으며, 설정조건에 대해서는 후술한다.
제1 배출밸브(143)는 제1 배출유로(141)에 배치되어 제1 배출유로(141)의 개폐를 결정할 수 있다. 상세히, 제1 배출밸브(143)는 솔레노이드 밸브로 이루어질 수 있다. 상세히, 제1 배출밸브(143)는 설정조건에서 제1 배출유로(141)를 개방할 수 있고, 이 외의 상황에서 제1 배출유로(141)를 폐쇄할 수 있다.
제2 배출밸브(144)는 제2 배출유로(142)에 배치되어 제2 배출유로(142)의 개폐를 결정할 수 있다. 상세히, 제2 배출밸브(144)는 솔레노이드 밸브로 이루어질 수 있다. 상세히, 제2 배출밸브(144)는 설정조건에서 제2 배출유로(142)를 개방할 수 있고, 이 외의 상황에서 제2 배출유로(142)를 폐쇄할 수 있다.
상기에서 설명한 열교환유로(120), 열교환부(130), 온도센서(180) 및 배출유로(140)는 하나 이상 배치될 수 있다. 상세히, 외벽(910)이 측방으로 설정길이 이상으로 길어지는 경우, 사용자는 냉각용량이나 효율을 고려하여 열교환유로(120), 열교환부(130), 온도센서(180) 및 배출유로(140)를 제1 메인유로(111) 및 제2 메인유로(112) 사이에 병렬로 연결시켜 측방으로 서로 이격되도록 배치시킬 수 있다. 이 경우, 제어부(160)는 각 열교환유로(120), 열교환부(130), 온도센서(180) 및 배출유로(140)의 동작을 전체적으로 통일하여 동작시킬 수 있을 뿐 아니라, 필요에 따라서 일부의 동작만 수행하도록 제어할 수 있다.
또한, 건물(900)을 기준으로 지면에서 상측에서 하측으로 갈수록 제1 열교환유로(121), 제1 배출유로(141), 열교환부(130), 제2 배출유로(142), 제2 열교환유로(122)가 순차적으로 배치되기 때문에 열교환부(130) 내에서 유동하는 냉각수의 유동이 중력에 의해 더욱 효율적으로 이루어지는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)은 사용자가 수동으로 조작하기 위한 수동밸브(170)를 더 포함할 수 있다. 상세히, 수동밸브(170)는 제1 메인유로(111) 입구에 배치되어 제2 냉각수유로(950)로부터 유동 여부를 결정하기 위한 제1 수동밸브(171), 제3 메인유로(113) 출구에 배치되어 제2 냉각수유로(950)로 유동하는 냉각수의 유동 여부를 결정하기 위한 제2 수동밸브(172) 및 제1 메인유로(111) 입구 및 제3 메인유로(113) 출구 사이의 제2 냉각수유로(950)에 배치되어 제2 냉각수유로(950)에서 냉동기(930)로 유동하는 냉각수의 유동 여부를 결정하는 제3 수동밸브(173)를 포함할 수 있다.
아래에서는 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)에 대하여 상세히 설명한다. 우선 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)은 1) 수리모드, 2) 냉각모드, 3) 동파방지모드의 3가지 동작에 따라 동작할 수 있다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)의 구성을 도시함과 동시에 수리모드를 도시한 회로도이고, 도 4는 냉각운전 모드에서의 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)의 냉각수 이동경로를 도시한 도면이며, 도 5는 동파방지 모드에서의 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)의 냉각수 이동경로를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하여 우선 수리모드에 대하여 설명한다. 수리모드는 냉각수를 열교환부(130)로 보내지 않고 냉동기(930)에서 바로 냉각탑(290)으로 보내는 모드를 의미한다. 즉, 수리모드에서는 제1 수동밸브(171) 및 제2 수동밸브(172)가 오프되고, 제3 수동밸브(173)가 온 된 상태로 동작이 이루어지기 때문에, 별도의 메인유로(110)나 열교환유로(120)가 동작하는 단계 없이 냉동기(930)에서 열교환된 냉각수가 냉각탑(290)으로 즉각 유동하는 동작이 수행된다. 이러한 수리모드 동작은 열교환부(130)의 수리나 미사용 등을 통해 열교환효율을 높이는 것 보다 열교환부(130)를 동작시키지 않는 것이 더 비용이나 시간적으로 절감되는 경우 동작될 수 있는 모드이다.
도 3을 참조하여 냉각모드에 대하여 설명한다. 냉각모드는 냉동기(930)로부터 열교환된 냉각수를 열교환부(130)로 바이패스 시켜 자연풍과 열교환시킨 뒤 냉각탑(290)으로 순환시키는 모드로, 냉각수의 온도가 낮아진 상태로 냉각탑(290)으로 유입되기 때문에 에너지효율 및 전력비용이 절감되는 효과가 있다.
제어부(160)는 온도센서(180)가 감지한 감지온도 정보가 설정온도 이상인 경우, 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)이 냉각모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
냉각모드에서는 제3 수동밸브(173)는 오프동작되고, 제1 수동밸브(171) 및 제2 수동밸브(172)는 온 동작된 상태로 동작될 수 있다. 또한, 메인밸브(114)는 제2 메인유로(112)와 제3 메인유로(113)의 유동경로를 개방하고, 제1 메인유로(111)와 제3 메인유로(113)의 유동경로는 폐쇄하도록 동작할 수 있다. 이와 동시에, 열교환유로(120)의 제1 열교환밸브(123) 및 제2 열교환밸브(124)는 온 동작하고, 배출유로(140)의 제1 배출밸브(143) 및 제2 배출밸브(144)는 오프 동작할 수 있다.
이 경우, 냉동기(930)로부터 열교환되어 유동되는 냉각수는 제2 냉각수유로(950)에서 제1 메인유로(111)로 바이패스 한 뒤, 바이패스출구(111)a)를 통해 열교환유로(120), 상세히는 제1 열교환유로(121)로 유입될 수 있다. 이 경우, 냉각수는 열교환부(130)로 유입되고 이 경우 팬(150)이 온 동작하여 외벽(910)으로부터 유입되는 자연풍과 열교환이 이루어질 수 있다.
또한, 열교환된 냉각수는 제2 열교환유로(122)를 통해 제2 메인유로(112)로 유동할 수 있고, 메인밸브(114)에 의해 제2 메인유로(112)로부터 제3 메인유로(113)를 거쳐 제2 냉각수유로(950)로 유동하여 최종적으로 냉각탑(290)으로 유입될 수 있다.
냉각모드에서 냉각탑(290)으로 유입되는 냉각수의 온도는 자연풍과의 열교환으로 인해 수리모드에서 냉각탑(290)으로 유입되는 냉각수의 온도보다 낮기 때문에, 냉각탑(290)에서 냉각수를 냉각시키기 위해 소모되는 열교환에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 4를 참조하여 동파방지모드에 대하여 설명한다. 동파방지모드는 열교환부(130) 내부의 온도가 급격하게 낮아져서 열교환부(130) 내부에 존재하는 냉각수가 냉각되어 어는 경우, 열교환부(130)가 동파되는 것을 방지하기 위한 동작이다.
제어부(160)는 온도센서(180)가 감지한 감지온도 정보가 설정온도 미만인 경우, 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)이 동파방지모드로 동작하도록 제어할 수 있다.
동파방지모드에서는 제3 수동밸브(173)는 오프동작되고, 제1 수동밸브(171) 및 제2 수동밸브(172)는 온 동작된 상태로 동작될 수 있다. 또한, 메인밸브(114)는 제2 메인유로(112)와 제3 메인유로(113)의 유동경로를 폐쇄하고, 제1 메인유로(111)와 제3 메인유로(113)의 유동경로는 개방하도록 동작할 수 있다. 이와 동시에, 열교환유로(120)의 제1 열교환밸브(123) 및 제2 열교환밸브(124)는 오프 동작하고, 배출유로(140)의 제1 배출밸브(143) 및 제2 배출밸브(144)는 온 동작할 수 있다.
이 경우, 냉동기(930)로부터 열교환되어 유동되는 냉각수는 제2 냉각수유로(950)에서 제1 메인유로(111)로 바이패스 한 뒤, 바이패스출구(111)a)를 통해 열교환유로(120)로 이동하지 않고 메인밸브(114)를 통해 바로 제3 메인유로(113)로 유동할 수 있다. 즉, 이 경우 냉각수는 열교환부(130)를 통과하지 않고 바로 바이패스하여 제2 냉각수유로(950)를 통해 냉각탑(290)으로 유동할 수 있다.
또한, 제1 열교환밸브(123) 및 제2 열교환밸브(124)는 오프되어 있기 때문에 냉각수가 열교환부(130)를 통과하지 않고, 반대로 제1 배출밸브(143) 및 제2 배출밸브(144)는 온 동작하고 있기 때문에 열교환부(130) 내부에 존재하던 냉각수는 드레인 배관을 통해 외부로 배출될 수 있다.
상세히, 제1 배출밸브(143)가 온 되어 제1 배출유로(141)가 오픈되고, 동시에 제2 배출밸브(144)가 온 되어 제2 배출유로(142)가 오픈되면, 제1 배출유로(141)의 출구를 통해 유입되는 외부 공기압에 의해 열교환부(130) 내부의 냉각수가 제2 배출유로(142)로 유동할 수 있다. 이 경우, 제2 배출유로(142)는 제1 배출유로(141) 하측에 배치되어 있기 때문에 제1 배출유로(141)로부터 유입되는 공기압과 중력의 영향으로 열교환부(130) 내부의 냉각수가 최 하측의 제2 배출유로(142)로 유동할 수 있다. 또한, 제2 열교환밸브(124)가 오프 동작되기 때문에 냉각수는 제2 열교환유로(122)를 통해 제2 메인유로(112)로 유동하지 않고 모두 제2 배출유로(142)로 유동됨으로써 드레인 배관으로 배출될 수 있다,
즉, 동파방지모드에서는 열교환부(130) 내부, 상세히는 제1 열교환밸브(123) 및 제2 열교환밸브(124) 사이에 존재하던 모든 냉각수가 드레인 배관을 통해 외부로 배출되기 때문에 냉각수가 동파될 우려가 없고, 따라서 열교환부(130)의 동작이 멈추거나 파손이 일어나는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 건물(900) 설치형 열교환 시스템(100)에 의하면 아래와 같은 효과가 있다.
기본적으로 별도의 에너지를 사용하지 않고 자연풍만을 활용하여 건물(900) 내부의 냉난방 시스템에서 냉동기(930)로부터 가열된 냉각수를 1차적으로 열교환시킨 뒤 냉각탑(290)으로 보내주기 때문에 냉각탑(290)에서 소모되는 에너지를 절약하여 에너지 소모량을 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한, 별도의 에너지를 사용하지 않기 때문에 최근 ESG 경영의 트랜드 중 하나인 친환경 에너지 활용 측면에서 매우 적합한 기술이며, 건물(900)의 외벽(910)을 활용하기 때문에 건물(900) 내부에 별도의 공간을 따로 사용하지 않고 열교환 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 자연풍이 약한 경우에는 팬(150)을 활용하여 외벽(910)으로부터 유입되는 자연풍의 유동을 인위적으로 생성하거나 더 강력한 자연풍을 생성할 수 있기 ‹š문에 바람이 없는 날씨에도 열교환효율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한, 열교환부(130)의 수리나 교체, 정기적인 점검 시나 냉방동작이 빈번히 수행되지 않아 열교환 시스템(100)의 동작에 따른 에너지 소모가 더 큰 경우에는 열교환부(130)로 유동하는 냉각수의 흐름을 수동밸브(170)를 통해 차단할 수 있기 때문에, 열교환부(130)의 미동작 시에도 건물(900)의 냉각시스템을 정상적으로 동작시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 겨울철 냉방이 잘 이루어지지 않거나 온도가 급격하게 낮아 열교환부(130) 내부의 냉각수가 냉각되어 어는 경우 열교환부(130)의 동파가 이루어질 수 있는데, 온도센서(180)를 활용하여 냉각수의 어는온도를 미만의 온도로 감지되는 경우, 열교환부(130) 내부의 냉각수를 외부로 배출시킴으로써 동파를 방지할 수 있는 효과가 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
900 : 건물 910 : 외벽
920 : 냉각탑 930 : 냉동기
940 : 제1 냉각수유로 950 : 제2 냉각수유로
100 : 열교환 시스템 110 : 메인유로
111 : 제1 메인유로 111a : 바이패스출구
112 : 제2 메인유로 112a : 바이패스입구
113 : 제3 메인유로 114 : 메인밸브
120 : 열교환유로 121 : 제1 열교환유로
122 : 제2 열교환유로 123 : 제1 열교환밸브
124 : 제2 열교환밸브 130 : 열교환부
140 : 배출유로 141 : 제1 배출유로
142 : 제2 배출유로 143 : 제1 배출밸브
144 : 제2 배출밸브 150 : 팬
160 : 제어부 170 : 수동밸브
171 : 제1 수동밸브 172 : 제2 수동밸브
173 : 제3 수동밸브 180 : 온도센서

Claims (8)

  1. 건물을 감싸고 지면으로부터 상측으로 연장되도록 배치되며 공공이 형성된 외벽이 형성되고, 냉각탑과 냉동기가 배치되고 냉각탑으로부터 냉동기로 냉각수가 유동하는 제1 냉각수유로 및 냉동기로부터 냉각탑으로 냉각수가 유동하는 제2 냉각수유로를 포함하는 냉난방시스템이 사용되는 건물의 외벽측에 설치되는 열교환 시스템에 있어서,
    상기 외벽을 통해 유입되는 자연풍과 내부를 순환하는 냉각수를 열교환하는 열교환부;
    상기 제2 냉각수유로에 연결되어 상기 제2 냉각수유로를 유동중인 냉각수의 일부가 바이패스되는 유로를 제공하는 메인유로;
    상기 메인유로와 상기 열교환부 사이에 배치되어 선택적으로 상기 열교환부로 열교환을 위한 냉각수가 유동하도록 상기 메인유로로 바이패스되는 유로를 제공하는 열교환유로; 및
    상기 메인유로 및 상기 열교환유로의 냉각수 유동을 제어하는 제어부;를 포함하고,
    상기 메인유로는,
    상기 제2 냉각수유로에 배치되어 상기 냉동기로 유동하는 냉각수가 바이패스 되는 유로를 제공하는 제1 메인유로;
    상기 열교환부로부터 열교환된 냉각수가 유동하는 유로를 제공하는 제2 메인유로;
    상기 제1 메인유로 및 상기 제2 메인유로에 연결되어 선택적으로 냉각수를 제2 냉각수유로로 유동시키는 유로를 제공하는 제3 메인유로; 및
    상기 제1 메인유로 출구, 상기 제2 메인유로 출구 및 상기 제3 메인유로 입구에 연결되어 냉각수의 유동경로를 결정하는 메인밸브를 포함하고,
    상기 제어부는,
    냉각모드 동작에서 상기 메인밸브를 제어하여 냉각수가 상기 제2 냉각수유로, 상기 제1 메인유로, 상기 열교환유로, 상기 열교환부, 상기 제2 메인유로, 상기 제3 메인유로 및 상기 제2 냉각수유로로 유동하여 상기 냉각탑으로 유입되도록 냉각수 유동을 제어하고,
    수리모드 동작에서 냉각수가 상기 제2 냉각수유로로 유동하여 상기 메인유로로 유입되지 않고 상기 냉각탑으로 유입되도록 냉각수 유동을 제어하는 것을 특징으로 하는 건물 설치형 열교환 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환유로는,
    상기 제1 메인유로에 형성된 바이패스 출구를 통해 냉각수가 열교환부로 유입되는 유로를 제공하는 제1 열교환유로;
    상기 열교환부로부터 유출된 냉각수가 상기 제2 메인유로로 유입되기 위한 제2 열교환유로;
    상기 제1 열교환유로를 선택적으로 개폐하는 제1 열교환밸브; 및
    상기 제2 열교환유로를 선택적으로 개폐하는 제2 열교환밸브를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 냉각모드에서 상기 제1 열교환밸브 및 상기 제2 열교환밸브를 온(On) 하여 상기 제1 열교환유로 및 상기 제2 열교환유로를 개방하는 것을 특징으로 하는 건물 설치형 열교환 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열교환유로를 바이패스 하도록 배치되어 상기 열교환부 내부의 냉각수를 선택적으로 외부로 배출하는 유로를 제공하는 배출유로; 및
    상기 열교환부 출구측에 배치되어 상기 열교환부에서 유출되는 냉각수의 온도를 측정하여 감지온도를 생성하는 온도센서를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 감지온도가 설정온도 미만이면 동파방지모드로 동작하는 것을 특징으로 하는 건물 설치형 열교환 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 배출유로는,
    상기 열교환부 입구로 공기압력을 공급하기 위해 상기 제1 열교환유로에 입구가 연결되고 외부로 출구가 노출된 제1 배출유로;
    상기 열교환부에서 유출되는 냉각수를 드레인 배관을 통해 외부로 배출하기 위해 상기 제2 열교환유로에 입구가 연결되고 상기 드레인 배관으로 출구가 연결된 제2 배출유로;
    상기 제1 배출유로를 선택적으로 개폐하는 제1 배출밸브; 및
    상기 제2 배출유로를 선택적으로 개폐하는 제2 배출밸브를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 동파방지모드에서 상기 제1 열교환밸브 및 상기 제2 열교환밸브를 오프(Off)하여 상기 제1 열교환유로 및 상기 제2 열교환유로는 폐쇄하고,
    상기 제1 배출밸브 및 상기 제2 배출밸브를 온 하여 상기 제1 배출유로 및 상기 제2 배출유로를 개방하는 것을 특징으로 하는 건물 설치형 열교환 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환부와 상기 외벽 사이에 배치되어 열교환부 전면으로 자연풍의 풍향을 발생시키도록 전면이 대향되도록 배치된 팬을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 설치형 열교환 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 열교환부는 전면이 외벽을 향하도록 배치되고 지면을 기초로 설정각도만큼 상측이 후방으로 기울어지고,
    상기 팬은 전면이 상기 열교환부의 전면과 평행하거나 지면을 기초로 상기 설정각도 이하로 기울어진 것을 특징으로 하는 건물 설치형 열교환 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환유로는 상기 메인유로를 기초로 측방으로 병렬되게 복 수개 배치된 것을 특징으로 하는 건물 설치형 열교환 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH0719523A (ja) * 1991-01-31 1995-01-20 Sanki Eng Co Ltd 自然冷却空調装置
KR101930760B1 (ko) * 2018-07-02 2018-12-19 주식회사 성지공조기술 건축물 구조를 이용한 외기 냉방 시스템

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