KR102662573B1 - 신재생 복합 설비를 이용한 열에너지 통합저장 시스템 및 방법 - Google Patents

신재생 복합 설비를 이용한 열에너지 통합저장 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

복수의 열원에서 발생되는 열을 저장 및 활용하기 위한 신재생 복합 설비를 이용한 장기저장 및 통합저장 시스템 및 방법에 관한 것으로, 계절 간 발생되는 열에너지 생산-수요의 불균형을 해소하기 위해 복수의 에너지원을 활용하며 여름철 발생되는 잉여에너지 축열을 통해 계절 간 발생되는 생산-수요 불균형을 해소한다. 또한, 각 에너지원에 연결된 유로는 서로 합류되도록 구성하고, 각 에너지원의 히트펌프를 멀티 히트펌프로 통합하여 제어 및 유지 관리에 소요되는 시간이 단축 가능한 신재생 복합 설비를 이용한 열에너지 통합저장 시스템 및 방법을 제안한다.

Description

신재생 복합 설비를 이용한 열에너지 통합저장 시스템 및 방법 {Integrated thermal energy storage system and method using renewable complex facilities}
본 발명은 열에너지 통합저장 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더 자세하게는 복수의 열원에서 발생되는 열을 저장 및 활용하기 위한 신재생 복합 설비를 이용한 열에너지 통합저장 시스템 및 방법에 관한 것이다.
보편적으로 사용되는 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석 연료 또는 핵연료 등을 사용하게 되는데, 이러한 에너지원은 환경오염의 원인이 될 뿐 아니라, 매장량의 한계가 있기 때문에 대체 에너지로 풍력, 태양열, 지열 등의 신재생 에너지를 이용하는 연구가 활발히 진행된다.
지구온난화 방지 및 지속가능한 에너지 개발에 부합하는 국가적인 신재생에너지 보급목표 달성을 위하여 신재생에너지 지원이 진행되나, 현재는 신재생에너지 보급 현황이 전기 분야에 치중되어 있으며, 이를 탈피하여 열분야에 대한 기술개발이 필요하다.
일반적으로 신재생 에너지를 이용한 난방 시스템은 단일 에너지원으로 이용되는 경우가 많으며, 이는 계절에 따라 에너지 공급량 편차가 심하여 시기에 따라 에너지 수요를 충분히 만족할 수 없는 문제가 있다.
따라서 계절 간 발생되는 생산??수요 불균형을 해소하기 위한 열에너지 공급시스템이 요구되며, 복수의 에너지원을 이용할 경우, 복수의 에너지원을 효율적으로 제어하기 위한 제어 시스템이 요구된다.
따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 계절에 따라 신재생 에너지원에서 생산되는 공급량이 변화하는 문제를 해결하기 위해 다양한 신재생 열에너지 하이브리드 복합 적용으로 계절에 따른 에너지 수요변화를 고려한 신재생 에너지 공급 가능한 신재생 복합 설비를 이용한 열에너지 통합저장 시스템 및 방법을 제안한다.
또한, 복합 설비를 이용한 시스템을 구축 시, 수많은 연결부재들이 배치되어, 유지관리에 어려움이 발생하나, 본 발명은 복수의 열원이 연결된 각각의 히트펌프를 통합 구성한 신재생 복합 설비를 이용한 열에너지 통합저장 시스템 및 방법을 제안한다.
본 발명은 열에너지가 요구되는 사용처와 연결되는 열에너지 저장장치, 연료전지를 이용하여 온열이 생성되는 연료전지부, 태양열을 이용하여 온열이 생성되는 태양열부, 상기 연료전지부 및 상기 태양열부와 연결되는 계간축열조, 및 일측은 상기 연료전지부와 상기 계간축열조가 연결되되, 유체가 순차적으로 열교환하는 유로와 연결되며, 타측은 상기 열에너지 저장장치와 연결되는 멀티히트펌프를 포함한다.
또한, 상기 계간축열조는 연결된 유로의 방향을 변경하기 위한 한 쌍의 제1교차유로를 포함한다.
또한, 상기 태양열부와 연결되는 태양열 버퍼축열조는 상기 열에너지 저장장치 또는 상기 계간축열조와 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열에너지 통합저장시스템은 수열원으로부터 열에너지를 공급받는 수열부, 지열원으로부터 열에너지를 공급받는 지열부, 일단이 상기 수열부와 연결된 수열 히트펌프, 및 일단이 상기 지열부와 연결된 지열 히트펌프를 포함하고, 상기 수열히트펌프와 상기 지열히트펌프는 타단이 상기 열에너지 저장장치와 연결되되, 열에너지 방향이 변경되도록 한 쌍의 제2교차유로를 포함한다.
또한, 상기 수열히트펌프, 상기 지열히트펌프 및 상기 열에너지 저장장치를 연결하는 유로는 비례제어밸브를 포함하며, 상기 수열부과 상기 지열부에서 생산된 열에너지를 비교하여 상기 비례제어밸브를 통해 수열히트펌프와 지열히트펌프를 통과하는 유량을 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 열에너지 통합저장시스템을 이용한 온열공급방법에 있어서, 계간축열조와 멀티히트펌프와 연결되는 유로는 한 쌍의 제1교차유로를 포함하고, 한 쌍의 제1교차유로가 개방되어 계간축열조가 연결된 유로방향을 변경하는 방열 준비단계, 상기 계간축열조에서 발산된 온열은 연료전지부와 연결된 연료전지 버퍼축열조를 통과하여 멀티 히트펌프로 이송되는 온열 이송단계, 상기 멀티 히트펌프를 통해 열에너지 저장장치로 공급하는 온열 공급단계를 포함한다.
또한, 수열 히트펌프는 수열부으로부터 온열을 공급받고, 지열 히트펌프는 지열원로부터 온열을 공급받아 온열을 생성하는 온열생산단계, 상기 수열 히트펌프와 상기 지열 히트펌프는 하나의 유로로 연결되며, 열에너지 저장장치로 온열을 이송되는 수열 및 지열 이송단계, 및 수열부와 지열부에서 생산되는 에너지양에 따라 비례제어밸브를 통해 수열히트펌프 및 지열히트펌프를 통과하는 유량이 제어하는 유량제어단계를 포함한다.
또한, 열에너지 통합저장시스템을 이용한 열에너지 계간 축열방법에 있어서, 연료전지부와 태양열부에서 온열이 생산되는 온열생산단계, 생산된 온열은 연료전지부에서 연료전지 버퍼축열조로 전달되고, 태양열부에서 태양열 버퍼축열조로 전달되며, 상기 연료전지 버퍼축열조 및 상기 태양열 버퍼축열조에서 계간축열조로 전달되는 축열단계를 포함하고, 상기 축열단계는 연료전지 버퍼축열조에서 방열된 온열은 태양열 버퍼축열조로 전달되며, 태양열 버퍼축열조에서 방열된 온열은 계간축열조로 전달되는 것을 특징으로 한다.
또한, 열에너지 통합저장시스템을 이용한 냉열 공급방법에 있어서, 수열부와 연결된 수열 히트펌프, 지열부와 연결된 지열 히트펌프, 및 상기 열에너지저장장치와 연결된 유로는 제2교차유로를 개방되어 유로방향을 변경하는 냉열공급 준비단계, 상기 수열 히트펌프는 수열원으로부터 냉열을 공급받고, 상기 지열히트펌프는 지열원로부터 냉열을 공급받아 냉열을 생성하는 냉열생산단계, 및 상기 수열 히트펌프와 상기 지열 히트펌프는 하나의 유로로 연결되며, 열에너지 저장장치로 냉열을 이송하는 냉열이송단계를 포함한다.
또한, 상기 냉열이송단계는 상기 수열 히트펌프와 상기 지열 히트펌프에서 발생되는 냉열을 측정하고, 후단에 배치된 유량제어밸브를 통해 열에너지저장장치로 이송되는 수열유량과 지열유량을 제어하는 유량제어단계를 포함한다.
본 발명은 태양열 및 연료전지 배열의 장기축열 및 지열원 히트펌프, 수열원 히트펌프 등을 복합 구성하여 생산된 온열 및 냉열을 통합저장하고 활용하여, 계절 간 생산-수요 불균형 해소할 수 있는 효과가 있다.
또한, 각각의 히트펌프를 멀티 히트펌프로 통합함으로써 제어 및 유지 관리에 소요되는 시간이 단축되는 장점이 있다.
또한, 장기 축열과 방열시 버퍼축열조를 통과하도록 하여 안정적인 축열 및 방열이 이루어지는 장점이 있다.
또한, 복수의 열원을 하나의 시스템으로 이용하되, 각 열원에서 생산되는 에너지양에 따라 통과하는 유량을 제어하여 효과적으로 축열 및 방열을 진행하는 장점이 있다.
또한, 겨울철은 온열을 생산하되, 여름철은 일부 열원으로부터 냉열을 생산하여 냉난방 시스템을 구축할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 계절간 운전방법 개념도
도 2는 본 발명의 구성도
도 3은 본 발명의 운전방법 예시도
도 4 내지 도 6은 본 발명의 겨울철 운전방법 예시도
도 7 내지 도 9는 본 발명의 여름철 운전방법 예시도
일반적은 신재생에너지를 이용한 열에너지 공급시스템은 단일 에너지원으로 형성되어, 날씨 및 계절의 영향을 크게 받게 되며, 특히 여름철 및 겨울철 발생되는 열에너지 생산-수요의 불균형을 해소하지 못하는 단점이 있다.
본 발명은 계절 간 발생되는 열에너지 생산-수요의 불균형을 해소하기 위한 것으로, 복수의 에너지원을 통합 관리하며, 여름철 발생되는 잉여에너지 축열을 통해 계절간 발생되는 생산-수요 불균형을 해소한 신재생 복합 설비를 이용한 열에너지 통합저장 시스템 및 방법을 제안한다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 대한 신재생 복합 설비를 이용한 열에너지 통합저장 시스템 및 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명을 하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 계절 간 운전방법 개념도이다. 도 1(a)은 여름철 본 발명의 운전방법에 대한 개념도이다. 도 1(a)을 참고하면, 여름철 온열은 수요보다 공급이 많이 생산되므로, 일부 에너지원에서 생산되어 남은 온열은 계간축열조(200)에 저장하고, 일부 에너지원으로부터 냉열을 생산하여 공급하는 시스템을 구성한다. 연료전지와 태양열로부터 생산된 열에너지는 계간축열조(200)로 공급된다. 본 발명은 연료전지를 에너지원으로 구성하여 계절 및 날씨에 영향을 줄인 장점이 있다. 연료전지부(100) 및 태양열부(300)에서 생산된 온열은 계간축열조(200)로 공급시 안정적인 열에너지 전달을 위해 각각의 버퍼축열조(110, 310)가 배치된다.
본 발명은 여름철 냉열을 공급하기 위해 수열과 지열로부터 생산되는 에너지를 활용한다. 수열 히트펌프(510)와 지열 히트펌프(610)는 열교환을 통해 냉열을 생산하며, 열에너지 저장장치(700)로 냉열을 공급한다. 열에너지 공급장치는 필요에 따라 각 수요처에 냉열을 공급한다. 이때, 수열 히트펌프(510) 및 지열 히트펌프(610)와 열에너지 저장장치(700)가 연결된 유로는 하나의 유로로 형성된다.
도 1(b)은 겨울철 본 발명의 운전 개념도이다. 도 1(b)을 참고하면, 겨울철 열에너지 공급장치는 연료전지, 태양열, 지열, 수열, 및 여름철 열에너지가 저장된 계간축열조(200)로부터 온열을 공급받는다.
연료전지부(100)와 태양열부(300) 및 계간축열조(200)는 버퍼축열조(110, 310)를 통하여 멀티 히트펌프(400)로 온열을 전달한다. 멀티 히트펌프(400)는 열에너지 저장장치(700)와 연결되어 온열을 전달한다.
각 에너지원마다 개별 히트펌프가 구비되지 않고, 하나의 멀티 히트펌프(400)가 배치됨으로써, 시스템을 구성하는 장치들을 줄여 제어 및 유지관리에 소요되는 시간이 단축되는 장점이 있다.
열에너지 저장장치(700)는 수열 히트펌프(510) 및 지열 히트펌프(610)로부터 온열을 전달받으며, 수열 히트펌프(510) 및 지열 히트펌프(610) 또한 하나의 멀티 히트펌프(400)로 구성될 수 있다.
본 방법의 자세한 구성 및 운전방법은 도면을 참고하여 후술하도록 한다.
도 2는 본 발명의 구성도이다. 도 2를 참고하면, 열열에너지가 요구되는 사용처와 연결되는 열에너지 저장장치, 연료전지를 이용하여 온열이 생성되는 연료전지부, 태양열을 이용하여 온열이 생성되는 태양열부, 상기 연료전지부 및 상기 태양열부와 연결되는 계간축열조, 및 일측은 상기 연료전지부와 상기 계간축열조가 연결되되, 유체가 순차적으로 열교환하는 유로와 연결되며, 타측은 상기 열에너지 저장장치와 연결되는 멀티히트펌프를 포함한다.
열에너지 저장장치(700)는 복수의 에너지원으로부터 온열 또는 냉열을 공급받아 열에너지를 저장하며, 사용처의 요구에 따라 방열된다.
연료전지부(100)는 생산된 온열이 연료전지 버퍼축열조(110)로 전달되며, 연료전지 버퍼축열조(110)는 계간축열조(200)와 멀티 히트펌프(400)가 연결된 유로와 연결된다. 연료전지부(100)에서 생산된 온열은 요구에 따라 밸브제어에 의해 계간축열조(200)로 전달되어 축열되며, 멀티 히트펌프(400)로 전달되어 방열된다.
연료전지부(100)는 쿨링팬(120)을 포함하여 유로가 과열되는 것을 방지한다.
태양열부(300)는 생산된 온열이 태양열 버퍼축열조(310)와 연결된다. 태양열 버퍼축열조(310)는 열에너지 저장장치(700)와 연결되어 발열된다. 이때, 계간축열조(200)와 멀티 히트펌프(400)가 연결된 유로와 연결되도록 밸브가 제어되어 계간축열조(200)에서 축열된다. 즉, 태양열부(300)에서 생산된 온열은 멀티 히트펌프(400)를 거치지 않고 열에너지 저장장치(700)와 연결될 수 있다.
계간축열조(200)는 연료전지부(100) 및 태양열부(300)에서 생산된 온열을 축열한다. 이때, 계간축열조(200)와 멀티 히트펌프(400)가 연결된 유로는 축열 및 방열을 위한 유로 방향을 변경하기 위해 한 쌍의 제1교차유로(210)를 포함한다. 제1교차유로(210)는 복수개의 밸브에 의해 제어되며, 계간축열조(200)와 열교환되는 유체가 반대방향으로 흐를 수 있도록 제어된다.
연료전지부(100)에서 생산된 온열 및 계간축열조(200)에서 축열된 축열은 멀티 히트펌프(400)를 통하여 열에너지 저장장치(700)로 이송된다.
본 발명의 열에너지 통합저장시스템은 수열원으로부터 열에너지를 공급받는 수열부(500), 지열원으로부터 열에너지를 공급받는 지열부(600), 일단이 상기 수열부(500)와 연결된 수열 히트펌프(510), 및 일단이 상기 지열부(600)와 연결된 지열 히트펌프(610)를 포함한다.
수열부(500)와 지열부(600)는 도시된 바와 같이 각각의 히트펌프가 구비될 수 있으며, 유로가 연결되어 하나의 멀티 히트펌프(400)를 구비할 수 있다.
수열 히트펌프(510)와 지열 히트펌프(610)는 일단이 각 열원과 연결되고, 타단이 상기 열에너지 저장장치(700)와 연결되되, 열에너지 저장장치(700)와 연결된 유로는 하나의 유로를 형성하도록 구성된다. 이때, 수열 히트펌프(510) 또는 지열 히트펌프(610)는 운전이 정지될 경우 밸브에 제어에 의해 하나의 히트펌프만 운전이 가능하다.
본 발명은 수열부(500)와 지열부(600)로부터 여름철 냉열을 생성 및 활용한다. 수열 히트펌프(510) 및 지열 히트펌프(610)는 생산된 냉열을 열에너지 저장장치(700)로 공급하기 위해여, 유로의 방향이 변경되도록 한 쌍의 제2교차유로(620)를 형성한다. 제2교차유로(620)의 구조는 제1교차유로(210)와 동일하며, 계절 및 수요에 따라 냉열 또는 온열이 공급되도록 밸브가 제어된다.
본 발명은 복수의 에너지원을 하나의 시스템으로 제어하는 것을 특징으로 하며, 제어 및 유지관리의 시간 소요를 줄이기 위해 에너지원이 유로가 합류되도록 시스템의 구성을 간소화한다. 이때, 제어부는 바이패스유로가 구성된 비례제어밸브를 제어하여 각 에너지원에서 발생되는 에너지양에 따라 각 에너지원을 통과하는 유량을 제어한다.
도 2를 참고하여 일예를 설명하면, 수열 히트펌프(510)와 지열 히트펌프(610)는 열에너지 저장장치(700)와 연결되되, 유로가 합류하여 하나의 유로를 형성한다. 이때, 수열원과 지열원은 에너지 생산량의 차이가 발생되며, 효율적으로 하나의 유로를 활용하기 위하여 수열 히트펌프(510) 및 지열 히트펌프(610)의 후단에 바이패스유로 및 비례제어밸브(V)를 배치된다. 수열부(500)와 지열부(600)에서 생산된 에너지 차이가 발생될 경우, 생산량이 적은 히트펌프 측에 적은 양의 유량을 통과시키고, 생산량이 많은 히트펌프 측에 더 많은 양의 유량을 통과시킨다. 이를 통해 효율적으로 에너지를 열에너지 저장장치(700)로 전달하는 장점이 있다.
바이패스유로 및 비례제어밸브는 계간축열조(200)의 후단, 멀티 히트펌프(400)의 후단, 등에 배치되며, 도시된 구성 이외 필요에 따라 더 배치될 수 있다.
제어부는 모든 밸브를 제어하며, 이를 통해 개방여부, 통과 유량 및 유체흐름방향을 제어한다.
본 발명은 복수의 에너지원을 이용한 열에너지 통합저장시스템에 관한 것으로, 도시된 연료전지부(100), 태양열부(300), 수열부(500), 및 지열부(600) 이외의 에너지원을 더 결합 및 이용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 운전방법을 정리한 예시 표이다. 도 3을 참고하면, 겨울철 운전방법은 6가지이며, 여름철 운전방법은 5가지이다. 본 발명은 정리된 운전방법에 한정되는 것이 아닌 유로 및 밸브의 배치에 의해 변경될 수 있다.
이때, ST는 태양열부(300), TES는 열에너지 저장장치(700), BTES는 계간축열조(200), STHP는 태양열 버퍼축열조(310), FC는 연료전지부(100), WSHP는 수열 히트펌프(510), GSHP는 지열 히트펌프(610)를 의미한다.
간략히 설명하자면, 겨울철에는 태양열, 연료전지, 계간축열조(200), 수열 및 지열을 이용하여 수요처와 연결된 열에너지 저장부에 온열을 전달한다. 여름철에는 태양열 및 연료전지를 이용하여 계간축열조(200)로 온열을 축열하며, 지열 및 수열을 이용하여 수요처와 연결된 열에너지 저장부에 냉열을 전달한다. 즉, 여름철 운전은 온열 축열 및 냉열 공급을 동시에 운전될 수 있다.
도 3에 표기된 운전방법 중 일부를 도시화하여 설명하도록 한다. 도 4 내지 도 6은 본 발명의 겨울철 운전방법 예시도이다. 점선으로 표기된 유로는 유체가 흐르는 유로이다. 도 4는 겨울철 태양열을 이용한 열에너지 공급방법에 관한 것이다. 도 4를 참고하면, 태양열부(300)에서 생산된 온열은 열에너지 저장장치(700)로 전달되되, 태양열부(300)와 열에너지 저장장치(700) 사이에 태양열 열교환기와 태양열 버퍼축열조(310)가 순차적으로 배치된다. 태양열부(300)와 태양열 열교환기는 하나의 펌프에 의해 일 방향으로 흐르는 순환구조의 유로로 연결되어 태양열부(300)에서 생산된 에너지가 열교환기를 통해 태양열 버퍼축열조(310)로 공급된다.
태양열 열교환기와 태양열 버퍼축열조(310)는 하나의 펌프에 의해 일방향으로 흐르는 순환구조의 유로에 의해 연결되되, 태양열 버퍼축열조(310)에서 태양열 열교환기로 흐르는 유로는 바이패스 유로 및 비례제어밸브가 배치된다. 태양열부(300)에서 발생되는 열에너지가 적을 경우, 태양열 버퍼축열조(310)를 통과한 일정량의 유체가 바이패스 유로를 통해 태양열 버퍼축열조(310)로 순환됨으로써, 태양열 열교환기를 통과하는 유량을 줄여, 일정 기준에 만족하는 열에너지를 확보할 수 있도록 한다.
태양열 버퍼축열조(310)와 열에너지 저장장치(700)는 하나의 펌프에 의해 일방향으로 흐르는 순환구조의 유로에 의해 연결된다. 연결된 유로는 바이패스유로 및 비례제어 밸브가 배치되며, 열에너지 저장장치(700)는 일정 기준에 만족하는 열에너지를 공급받는다.
도 5는 연료전지부(100)와 계간축열조(200)에 저장된 축열을 이용한 겨울철 운전방법이다. 도 5를 참고하면, 한 쌍의 제1교차유로(210)를 개방하여 계간축열조(200)와 연결된 유로방향을 변경하는 방열 준비단계, 연료전지부(100)에서 생산되는 온열과 계간축열조(200)에서 축열된 온열이 멀티 히트펌프(400)로 이송되는 온열 이송단계, 멀티 히트펌프(400)를 통해 열에너지 저장장치(700)로 온열을 공급하는 온열 공급단계를 포함한다.
방열 준비단계는 계간축열조(200)와 멀티 히트펌프(400)를 연결하는 유로 내에 배치된 한 상의 제1교차유로(210)를 통해 계간축열조(200)를 통과하는 유체의 방향을 전환하여, 축열모드에서 방열모드로 전환한다.
온열 이송단계는 연료전지 버퍼축열조(110), 계간축열조(200), 및 멀티 히트펌프(400)는 하나의 펌프에 의해 순환구조를 형성하여 온열이 전달된다. 순환구조는 다음과 같다. 계간축열조(200)에서 방열된 온열은 연료전지 버퍼축열조(110)로 이동되며, 연료전지 버퍼축열조(110)에서 멀티 히트펌프(400)로 이동된다. 멀티 히트펌프(400)는 열에너지 저장장치(700)로 온열을 전달하며, 방열된 유체는 다시 계간축열조(200)로 이송된다. 순환구조는 바이패스 유로 및 비례제어밸브를 포함하고 있어, 계간축열조(200)에 저장된 열이 유입되는 유량 대비 부족하거나 중지가 필요할 경우 유량을 우회하도록 제어한다.
멀티 히트펌프(400)와 열에너지 저장장치(700)는 하나의 펌프에 의해 일방향으로 흐르는 순환구조의 유로에 의해 연결되며, 유로는 멀티 히트펌프(400)에 유입되는 열이 유량 대비 부족하거나 중지가 필요할 경우 일부 유량이 우회하도록 바이패스 유로 및 비례제어 밸브에 의해 제어된다.
이때, 연료전지부(100)와 연료전지 버퍼축열조(110)는 하나의 펌프에 의해 일방향으로 흐르는 순환구조의 유로로 연결되며, 쿨링팬(120)에 의해 유로가 과열되는 것을 방지한다.
도 6은 겨울철 수열 및 지열을 이용한 운전방법의 예시도이다. 잠시 도 3을 참고하면, 본 발명은 수열 및 지열을 이용한 운전은 각각 운전 될 수 있으며, 도 6과 같이 동시에 운전될 수 있다.
도 6을 참고하면, 수열 히트펌프(510)는 수열부(500)로부터 온열을 공급받고, 지열 히트펌프(610)는 지열원로부터 온열을 공급받아 온열을 생성하는 온열 생성단계, 상기 수열히트펌프와 상기 지열히트펌프는 하나의 유로로 연결되며, 열에너지 저장장치(700)로 온열을 이송되는 온열이송단계, 및 수열부(500)와 지열부(600)에서 생산되는 에너지양에 따라 비례제어밸브를 통해 수열 히트펌프(510) 및 지열 히트펌프(610)를 통과하는 유량이 제어하는 유량제어단계를 포함한다.
온열이송단계는 수열 히트펌프(510)와 지열 히트펌프(610) 및 열에너지 저장장치(700)는 하나의 펌프에 의해 일방향으로 흐르는 순환구조의 유로에 의해 연결되어 열에너지가 전달된다.
유량제어단계는 수열 히트펌프(510) 또는 지열 히트펌프(610)를 통과하는 유량은 비례제어밸브 및 바이패스유로에 의해 유량이 제어된다. 수열부(500) 및 지열부(600)에서 생산하는 에너지양 차이를 이용하기 위해 배치된 비례제어밸브를 제어하여 열에너지 저장장치(700)는 일정 기준에 만족하는 열에너지를 확보할 수 있도록 한다.
열에너지 저장장치(700)에서 방출된 유체는 각 히트펌프에서 방출된 유량에 대응한 양이 유입된다. 순환유로는 하나의 펌프가 구비된 폐유로이므로, 유관이 합류되는 지점에 추가적인 밸브가 필요하지 않는다.
도 6은 일 실시예에 해당하여, 수열부(500) 및 지열부(600)는 하나의 멀티 히트펌프(400)와 연결될 수 있으며, 이때, 바이패스유로 및 비례제어밸브는 멀티 히트펌프(400)의 전단에 배치된다.
도 6을 참고하여, 수열부(500), 지열부(600) 각각의 운전방법을 간략히 설명하면, 지열 히트펌프(610)로 흐르는 2방 밸브를 닫아 수열부(500)의 열에너지가 이동하게 된다. 수열 히트펌프(510)로 흐르는 2방 밸브를 닫게 될 경우, 지열부(600)의 열에너지가 열에너지 저장장치(700)로 전달된다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 여름철 운전방법 예시도이다. 도 7은 여름철 태양열부(300)에서 발생되는 열을 계간축열조(200)에 축열한 예시도이다. 도 7을 참고하면, 태양열부(300)에서 발생된 열은 태양열 버퍼축열조(310)로 전달되며, 태양열 버퍼축열조(310)는 계간축열조(200)와 연결되어 열에너지를 전달한다. 이때, 태양열 버퍼축열조(310)는 밸브 제어에 의해 열에너지 저장장치(700)와 연결된 유로에서 계간축열조(200)가 연결된 유로로 이송되며, 계간축열조(200)로 열에너지가 전달된다.
도 8은 여름철 태양열부(300) 및 연료전지부(100)에서 발생되는 열을 계간축열조(200)에 축열한 예시도이다. 도 8을 참고하면, 상기 연료전지부(100)와 상기 태양열부(300)에서 온열이 생산되는 온열생산단계, 생산된 온열은 버퍼축열조로 이동되며, 버퍼축열조는 계간축열조(200)와 연결되는 축열단계를 포함하고, 상기 축열단계는 연료전지 버퍼축열조(110)에서 방열된 온열은 태양열 버퍼축열조(310)로 전달되며, 태양열 버퍼축열조(310)에서 방열된 온열은 계간축열조(200)로 전달되는 것을 특징으로 한다.
온열생산단계는 태양열부(300)에서 생산된 온열이 태양열 버퍼축열조(310)로 전달되며, 연료전지부(100)에서 생산된 온열이 연료전지 버퍼축열조(110)로 전달된다.
축열단계는 태양열 버퍼축열조(310), 연료전지 버퍼축열조(110), 및 계간축열조(200)가 하나의 순환유로로 연결되며, 연료전지 버퍼축열조(110)에서 방열된 에너지는 태양열 버퍼축열조(310)를 통과하여 계간축열조(200)로 전달된다.
도 9는 여름철 수열부(500)와 지열부(600)에서 발생되는 열을 이용한 냉열 공급방법의 예시도이다. 도 9를 참고하면, 수열 히트펌프(510) 및 지열 히트펌프(610)가 열에너지 저장장치(700)와 연결된 유로는 제2바이패스유로를 개방하여 유로방향을 변경하는 냉열공급 준비단계, 수열 히트펌프(510)는 수열원으로부터 냉열을 공급받고, 상기 지열히트펌프는 지열원로부터 냉열을 공급받아 냉열을 생산하는 냉열생산단계, 및 수열히트펌프와 지열히트펌프는 하나의 유로로 연결되며, 열에너지 저장장치(700)로 냉열을 이송하는 냉열이송단계를 포함한다.
냉열공급 준비단계는 수열 히트펌프(510), 지열 히트펌프(610), 및 열에너지 저장장치(700)가 나의 펌프에 의해 일 방향으로 흐르는 순환구조의 유로로 연결되어, 냉열 공급 또는 온열 공급 시 유로 내에 배치된 한 쌍의 제2교차유로(620)를 통해 유체가 흐르는 방향을 전환한다.
냉열이송단계는 수열 히트펌프(510)와 지열 히트펌프(610)에서 생산되는 냉열을 측정하고, 생산되는 냉열에 따라 후단에 배치된 유량제어밸브를 통해 열에너지 저장장치(700)로 이송되는 수열유량과 지열유량을 제어하는 유량제어단계를 포함한다.
이를 통해 수열부(500) 및 지열부(600)에서 생산하는 에너지양 차이를 비례제어밸브를 제어하여 열에너지 저장장치(700)는 일정 기준에 만족하는 열에너지를 확보할 수 있도록 한다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100 : 연료전지부
110 : 연료전지 버퍼축열조 120 : 쿨링팬
200 : 계간축열조
210 : 제1교차유로
300 : 태양열부
310 : 태양열 버퍼축열조
400 : 멀티 히트펌프
500 : 수열부
510 : 수열 히트펌프
600 : 지열부
610 : 지열 히트펌프 620 : 제2교차유로
700 : 열에너지 저장장치

Claims (10)

  1. 열에너지가 요구되는 사용처와 연결되는 열에너지 저장장치,
    연료전지를 이용하여 온열이 생성되는 연료전지부,
    상기 연료전지부와 연결된 연료전지 버퍼축열조,
    태양열을 이용하여 온열이 생성되는 태양열부,
    상기 태양열부와 연결된 태양열 버퍼축열조,
    상기 연료전지 버퍼축열조 및 상기 태양열 버퍼축열조와 연결되는 계간축열조,
    일측은 상기 연료전지 버퍼축열조와 상기 계간축열조가 연결되되, 유체가 순차적으로 열교환되도록 연결되며, 타측은 상기 열에너지 저장장치와 연결되는 멀티히트펌프,
    상기 계간축열조와 상기 멀티 히트펌프를 연결하는 한 쌍의 유로 상에 배치된 하나의 펌프 및
    상기 한 쌍의 유로가 서로 교차되도록 연결된 한 쌍의 제1교차유로를 더 포함하고,
    상기 계간축열조는 한 쌍의 상기 제1교차유로를 통해 축열모드 또는 방열모드로 변경되는 것을 특징으로 하는 열에너지 통합저장 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열에너지 통합저장시스템은
    수열원으로부터 열에너지를 공급받는 수열부,
    지열원으로부터 열에너지를 공급받는 지열부,
    일단이 상기 수열부와 연결된 수열 히트펌프, 및
    일단이 상기 지열부와 연결된 지열 히트펌프를 포함하고,
    상기 수열 히트펌프와 상기 지열 히트펌프는
    타단이 상기 열에너지 저장장치와 연결되되, 열에너지 방향이 변경되도록 한 쌍의 제2교차유로를 포함하는 열에너지 통합저장 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 수열 히트펌프, 상기 지열 히트펌프 및 상기 열에너지 저장장치를 연결하는 유로는 비례제어밸브를 포함하며,
    상기 수열부과 상기 지열부에서 생산된 열에너지를 비교하여 상기 비례제어밸브를 통해 수열히트펌프와 지열히트펌프를 통과하는 유량을 제어하는 제어부를 포함하는 열에너지 통합저장 시스템.
  6. 제1항의 열에너지 통합저장 시스템을 활용한 온열공급방법에 있어서,
    계간축열조와 멀티히트펌프와 연결되는 유로는 한 쌍의 제1교차유로를 포함하고, 한 쌍의 제1교차유로가 개방되어 계간축열조가 연결된 유로방향을 변경하는 방열 준비단계,
    상기 계간축열조에서 발산된 온열은 연료전지부와 연결된 연료전지 버퍼축열조를 통과하여 멀티 히트펌프로 이송되는 온열 이송단계,
    상기 멀티 히트펌프를 통해 열에너지 저장장치로 공급하는 온열 공급단계를 포함하는 온열공급방법.
  7. 제1항의 열에너지 통합저장 시스템을 활용한 온열공급방법에 있어서,
    수열 히트펌프가 수열부으로부터 온열을 공급받고, 지열 히트펌프는 지열원로부터 온열을 공급받아 온열을 생성하는 온열생산단계,
    상기 수열 히트펌프와 상기 지열 히트펌프는 하나의 유로로 연결되며, 열에너지 저장장치로 온열을 이송되는 수열 및 지열 이송단계, 및
    수열부와 지열부에서 생산되는 에너지양에 따라 비례제어밸브를 통해 수열히트펌프 및 지열히트펌프를 통과하는 유량이 제어하는 유량제어단계를 포함하는 온열공급방법.
  8. 제1항의 열에너지 통합저장 시스템을 활용한 열에너지 계간 축열방법에 있어서,
    연료전지부와 태양열부에서 온열이 생산되는 온열생산단계, 및
    생산된 온열은 연료전지부에서 연료전지 버퍼축열조로 전달되고, 태양열부에서 태양열 버퍼축열조로 전달되며, 상기 연료전지 버퍼축열조 및 상기 태양열 버퍼축열조에서 계간축열조로 전달되는 축열단계를 포함하고,
    상기 축열단계는 연료전지 버퍼축열조에서 방열된 온열은 태양열 버퍼축열조로 전달되며, 태양열 버퍼축열조에서 방열된 온열은 계간축열조로 전달되는 것을 특징으로 하는 열에너지 계간 축열방법,
  9. 제1항의 열에너지 통합저장 시스템을 활용한 열에너지 냉열 공급방법에 있어서,
    수열부와 연결된 수열 히트펌프, 지열부와 연결된 지열 히트펌프, 및 열에너지 저장장치와 연결된 유로는 제2교차유로를 개방되어 유로방향을 변경하는 냉열공급 준비단계,
    상기 수열 히트펌프는 수열원으로부터 냉열을 공급받고, 상기 지열 히트펌프는 지열원로부터 냉열을 공급받아 냉열을 생성하는 냉열생산단계, 및
    상기 수열 히트펌프와 상기 지열 히트펌프는 하나의 유로로 연결되며, 열에너지 저장장치로 냉열을 이송하는 냉열이송단계를 포함하는 냉열 공급방법.
  10. 제 9항에 있어서
    상기 냉열이송단계는
    상기 수열 히트펌프와 상기 지열 히트펌프에서 발생되는 냉열을 측정하고, 후단에 배치된 유량제어밸브를 통해 열에너지저장장치로 이송되는 수열유량과 지열유량을 제어하는 유량제어단계를 포함하는 냉열 공급방법.
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