KR20050041610A - 복합열원을 이용한 급탕시스템 - Google Patents

Abstract

지중열과 하수열의 복합열원을 이용하여 급탕에 필요한 온수를 생산할 수 있도록, 급탕시설에서 사용된 후 배출되는 하수에 포함된 열을 수집하고 이 열을 열전달유체가 흡수하여 저장하는 하수열교환기;

지중에 설치되어 지중의 열을 열전달유체가 흡수하여 저장하고, 상기 하수열교환기의 열전달 유체를 선택적으로 공유하는 관로 연결을 이루고 있는 지열교환기;

상기 하수열교환기 및/또는 지열교환기로부터 축열된 열전달유체를 펌프의 구동으로 순환시켜 급수관을 통하여 공급되는 물과 열교환을 행하여 온수를 생산하는 히트펌프;

상기 히트펌프에서 생산된 온수를 저장하는 축열조;

상기 2개의 열교환기를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하고 축열량에 따라 히트펌프의 운전을 제어하는 제어부를 포함하는 복합열원을 이용한 급탕시스템을 제공한다.

Description

복합열원을 이용한 급탕시스템{HOT-WATER SUPPLY SYSTEM USING A MIXED HEAT SOURCE}

본 발명은 급탕시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지중열과 하수열의 복합열원을 이용하여 급탕에 필요한 온수를 생산할 수 있도록 이루어진 복합열원을 이용한 급탕시스템에 관한 것이다.

일반적으로 온수를 생산하기 위해 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하는 경우가 대부분이다.

그러나 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경 및 수질을 오염시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계가 있으므로, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.

이러한 대체에너지 중에서도 풍력, 태양열, 지열 등과 같은 자연에너지에 관한 연구가 오래 전부터 진행되고 있는데, 이들 자연에너지는 환경오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 무한한 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 낮은 결점으로 인하여 그 밀도를 높여 이용 가능한 형태로 변환하는 것이 기술개발의 핵심관건이라 할 수 있다.

이러한 자연에너지 기술중의 하나로 각광받고 있는 것이 지열이나 하천, 바닷물을 열원으로 이용하는 수열원 히트펌프시스템인데, 이것은 온도가 안정적으로 유지되는 지중, 하천, 바다, 하수처리장의 열을 회수하거나 또는 상기 지중, 하천, 바다, 하수처리장으로 열을 배출할 수 있도록 열교환기를 설치하여 히트펌프의 열원으로 사용하는 기술이다.

통상적으로 히트펌프의 열원으로는 에어컨과 같이 대기중에서 열을 얻거나 열을 배출하는 공기열원방식이 사용된다. 그러나 특히 겨울철과 같이 대기 온도가 0??이하로 떨어지면 공기열원방식의 히트펌프는 작동이 불가능하거나 작동효율이 크게 낮아져 사용이 곤란하게 된다.

따라서 우리나라와 같이 겨울철에 기온이 낮은 지역 지역에서는 히트펌프의 사용이 제한되고 있다. 하지만 지중, 하천, 바다, 허수처리장의 열을 이용하면 대기온도가 0??이하인 경우에도 안정적인 열원을 공급받아 높은 효율로 히트펌프를 작동시켜 온수를 생산할 수 있다.

그러나 대부분의 경우 온수를 생산하기 위한 급탕시스템은 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하여 냉수를 가열하여 소정온도의 온수를 생산하는 구조이고, 이렇게 생산된 온수는 사용한 후 그대로 하수로 배출시키게 된다.

특히 목욕탕과 같이 대량의 온수를 필요로 하는 곳에서는 보다 많은 화석연료를 사용하여야하며, 사용한 온수의 배출도 그만큼 많아진다.

한편, 히트펌프시스템의 가동을 위하여 전력에너지를 사용하는데, 심야전력을 이용할 경우 피크부하의 전력량을 줄이고 저렴한 심야전력을 이용하면 히트펌프시스템의 경제성을 높일 수 있는 장점이 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 급탕시스템은 온수를 생산하기 위한 에너지원으로 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료를 이용하게되므로 환경에 악용향을 끼치게되고, 이렇게 생산된 온수는 사용한 후 그대로 하수로 배출시키므로 계속해서 냉수를 가열하여 온수를 생산하여야하므로 급탕시스템의 효율이 떨어지고 에너지원이 많이 소요되는 단점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 주열원으로 하수열을 이용하고, 보조열원으로 지중열을 이용하여 생산된 열을 계속 재순환하여 환경오염의 발생이 없으면서 온수생산 비용을 최소화하여 경제성을 높일 수 있는 하수열, 지열의 복합열원을 이용한 급탕시스템을 제공하는데 있다.

본 발명이 제안하는 복합열원을 이용한 급탕시스템은, 급탕시설에서 사용된 후 배출되는 하수에 포함된 열을 수집하고 이 열을 열전달유체가 흡수하여 저장하는 하수열교환기;

지중에 설치되어 지중의 열을 열전달유체가 흡수하여 저장하고, 상기 하수열교환기의 열전달 유체를 선택적으로 공유하는 관로 연결을 이루고 있는 지열교환기;

상기 하수열교환기 및/또는 지열교환기로부터 축열된 열전달유체를 펌프의 구동으로 순환시켜 급수관을 통하여 공급되는 물과 열교환을 행하여 온수를 생산하는 히트펌프;

상기 히트펌프에서 생산된 온수를 저장하는 축열조;

상기 2개의 열교환기를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하고 축열량에 따라 히트펌프의 운전을 제어하는 제어부를 포함하는 복합열원을 이용한 급탕시스템을 제공한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 복합열원을 이용한 급탕시스템의 전체 구성도로서, 본 발명에 의한 복합열원을 이용한 급탕시스템은, 급탕시설에서 사용된 후 배출되는 하수에 포함된 열을 수집하고 이 열을 열전달유체가 흡수하여 저장하는 하수열교환기(10)와, 열전달 유체가 흐르는 관로가 지하에 매립 설치되어 지중에 있는 지열을 흡수하여 저장하고, 상기 하수열교환기(10)의 열교환 능력이 저하되는 경우 보조적으로 열에너지를 공급하는 지열교환기(20)와, 상기 하수열교환기(10) 또는 하수열교환기(10)와 지열교환기(20)의 열전달유체를 공급받아 급수관(100)을 통하여 공급되는 물과 열교환하여 소정의 온도를 갖는 온수를 생산하는 히트펌프(30)와, 상기 히트펌프(30)에서 생산된 온수를 저장하는 축열조(40) 및 상기 2개의 열교환기를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하고 축열량에 따라 히트펌프(30)의 운전을 제어하는 제어부(50)를 포함한다.

상기 하수열교환기(10)는 급탕시설에서 사용된 후 배출되는 하수가 저장되는 곳에 열전달유체가 충진된 매체를 침지시켜, 하수가 갖고있는 열원을 열전달유체가 수집하고 이 열에너지로 온수를 생산할 수 있도록 이루어진 것으로서, 이러한 하수열교환기(10)는 통상적으로 사용되는 것이 적용될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

상기 지열교환기(20)는 폴리에틸렌 파이프 또는 열전도율이 높은 재질의 열교환 파이프를 지중에 매설하는 방식으로 설치되며, 지열을 회수할 수 있도록 그 내부에는 열전달 유체가 충진된 구조로 이루어질 수 있다.

이와 같은 하수열교환기(10) 및 지열교환기(20)는 잘 알려진 구조의 것이나 이와 유사한 구조의 열교환기가 사용될 수 있다.

실질적으로 상기 하수열교환기(10)는 주 열교환기로 사용되고, 상기 지열교환기(20)는 보조 열교환기로 사용되는데, 이것은 급탕시설에서 사용된 온수가 하수열교환기(10)로 오는 동안 열에너지가 외부로 방출되므로 이러한 열에너지가 일정수준 이상으로 방출되면 지열교환기(20)의 열에너지를 하수열교환기(10) 측으로 보충하여 안정적으로 온수를 공급하기 위함이다.

상기 하수열교환기(10)와 지열교환기(20)는 직렬 또는 병렬구조로 관로에 의해 연결할 수 있는데, 본 실시예에서는 하수열교환기(10)의 입구측과 출구측은 히트펌프(30)와 관로(L1)(L2)로 각각 연결되어 열전달 유체가 이들 관로(L1)(L2)를 따라서 하수열교환기(10)와 히트펌프(30) 사이를 순환할 수 있도록 이루어지고, 상기 지열교환기(20)의 입구측과 출구측에도 관로(L3)(L4)가 각각 연결되고 이들 관로(L3)(L4)는 하수열교환기(10)의 입구측 관로(L1)와 출구측 관로(L2)에 각각 연결된 구조를 갖는다.

그리고 하수열교환기(10)와 지열교환기(20)의 입구측 관로(L1)(L3)와 출구측 관로(L2)(L4)의 연결부에는 하수열교환기(10)측으로 유입되거나 배출되는 열전달 유체의 양을 조절하기 위하여 순환조절밸브(V1)(V2)가 설치된다.

또한 상기 하수열교환기(10)의 출구측관로(L2)와 히트펌프(30) 사이에는 열전달유체의 원활한 흐름을 위하여 펌프(P)가 설치된다.

상기 히트펌프(30)에 관로(L2)(L4)를 통하여 공급되는 하수열교환기(10) 및 지열교환기(20)의 열전달유체는 어느 하나의 열교환기로부터 오는 유체이던가 아니면 양쪽 모두에서 오는 열전달 유체로서, 히트펌프(30)에서 열교환이 행하여진 후 하수열교환기(10) 또는/및 지열교환기(20)로 관로(L1)(L3)를 통하여 리턴하므로서 열전달 유체가 순환할 수 있는 시스템을 이루고 있다.

실질적으로 상기 히트펌프(30)에서 열교환이 행하여진 열전달 유체는 밸브(V1)에서 나뉘어져 관로(L1)를 통하여 하수열교환기(10)로 리턴하거나, 또는 다른 관로(L3)를 통하여 지열교환기(20)로 리턴할 수 있는 시스템이다.

상기 히트펌프(30)는 하수열교환기(10) 및 지열교환기(20)에 축열된 열에너지를 공급받아 급수관(P)을 통하여 투입된 물과 열교환하여 온수를 생산하도록 이루어지는데, 이 히트펌트(30)는 냉난방장치에서 통상적으로 사용되는 것이 적용될 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

상기 축열조(40)는 히트펌프(30)와 관로(L5)를 통하여 연결되어 히트펌트 (30)에서 열교환 작용으로 생산된 온수를 저장하도록 구성되며, 이 축열조(40)는 온수사용처(60)와 관로(L6)로 연결되어 있다.

상기 온수사용처(60)는 여기에서 사용한 후 배출되는 하수를 정화처리 및 저장하는 하부저장부(70)와 관로(L7)로 연결되며, 이 하수저장부(70)는 하수열교환기 (10)와 관로(L8)로 연결되어 열에너지를 갖는 하수를 하수열교환기(10)로 공급할 수 있도록 구성된다.

한편, 상기 제어부(50)는 히트펌프(30)의 열교환 능력을 감지하기 위한 센서 (S1)와, 축열조(40)에 저장된 온수의 배출온도를 측정하기 위한 센서(S2)와, 하수저장부(70)에서 하수열교환기(10)로 유입되는 하수의 수량 및 온도를 측정하여 하수열교환기(10)의 열교환능력을 감지하는 센서(S3)와 연결되어 이들 센서 (S1)(S2)(S3)로부터 전달되는 신호를 비교하여 어느 일측의 밸브(V1)(V2)의 개폐범위를 조절하여 열전달유체의 흐름량을 조절하도록 구성하고 있다.

상기 센서(S1)(S2)(S3)는 온도감지 센서나 열감지형 센서 등이 사용될 수 있으며, 상기 밸브(V1)(V2)는 통상적으로 사용되는 전자제어형 가변식 분류밸브나 이와 유사한 기능의 밸브류가 사용될 수 있다.

이와 같이 이루어지는 본 실시예의 복합열원을 이용한 급탕시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.

먼저 초기상태에서는 하수열교환기(10) 및 지열교환기(20)에서 열전달유체가 하수열과 지열을 각각 빼앗아 축열상태로 저장되어 있는데, 이러한 상태에서 펌프(P)가 구동을 시작하면서 열전달유체는 출구측관로(L2)(L4)를 통하여 히트펌프 (30) 측으로 이동하게 된다.

이러한 상태에서 밸브(V1)(V2)는 제어부(50)에 의하여 하수열교환기(10)의 입구측관로(L1) 및 출구측관로(L2)는 개방상태로 제어하고, 지열교환기(20)의 입구측관로(L3) 및 출구측관로(L4)는 폐쇄된 상태로 제어된다.

이와 같이 히트펌프(30)로 열전달유체가 공급될 때 히트펌프(30)와 연결된 급수관(100)을 통하여 물을 공급하면 하수열교환기(10)의 열전달유체가 갖고 있는 열에너지를 물이 빼앗아 소정의 온도로 데워져 온수가 생산되고, 이 온수는 관로(L5)를 따라서 축열조(40)에 유입 저장되며, 열에너지를 빼앗긴 열전달유체는 입구측관로(L1)를 따라서 하수열교환기(10)로 리턴된다.

그리고 축열조(40)에 저장된 온수는 온수사용처(60)에서 사용하게되는데, 사용한 후 배출되는 하수는 정화과정을 거쳐 하수저장부(70)에 일시 저장된 후 관로(L8)를 통하여 하수열교환기(10)로 유입되며, 이때 하수에 포함된 소정의 열에너지를 열전달유체가 흡수하여 저장하고, 열에너지를 빼앗긴 하수는 방류관(200)을 통하여 외부로 배출된다.

이러한 작용이 반복될 때 하수열교환기(10)의 열용량이 저하되거나 축열조(40)에서 온수사용처(60)로 배출되는 온수의 온도가 낮아지면, 센서(S1)(S2)가 각각의 열용량이나 온도를 감지하여 제어부(50)로 그 신호를 보내게 되고, 또 다른 센서(S3)는 하수열교환기(10)의 열교환 능력을 감지하여 제어부(50)로 보내게 된다.

상기 센서(S3)는 하수열교환기(10)로 유입되는 하수의 온도를 감지함으로서 열교환 능력을 판단할 수 있다.

이와 같은 신호가 제어부(50)로 입력되면, 제어부(50)는 밸브(V1)(V2)를 제어하여 지열교환기(20)측의 관로(L3)(L4)를 개방하여 열에너지가 축적된 지열교환기(20)의 열전달유체를 하수열교환기(10)측 관로(L1)(L2)로 공급하게 된다.

이러한 밸브(V1)(V2)의 제어로 펌프(P) 구동시 지열교환기(20)에서 축열된 상태로 저장된 열전달 유체가 하수열교환기(10)로 전달되거나 히트펌프(30)로 전달되므로 하수열교환기(10)에 의해 저하되었던 온수생산능력이 다시 향상될 수 있다.

이와 같은 온수생산작용이 이루어지면서 열전달 유체는 하수열교환기(10) 및 지열교환기(20)로 리턴하면서 위의 작용을 반복하게 되는데, 하수열교환기(10)의 열교환능력이 회복되거나 축열조(40)에서 온수사용처(60)로 배출되는 온수의 온도가 정상온도로 회복되면, 센서(S1)(S2)가 각각의 열용량이나 온도를 감지하여 제어부(50)로 그 신호를 보내게 되고, 이 신호에 의하여 밸브(V1)(V2)는 지열교환기 (20)의 입구측관로(L3) 및 출구측관로(L4)를 폐쇄하게 된다.

이에 따라 하수열교환기(10)와 지열교환기(20)의 열원을 제어부(50)의 제어에 의하여 밸브(V1)(V2)가 조절하여 어느 하나의 열원을 히트펌프(30)로 단독으로 공급하거나 또는 복합적으로 공급하여 항상 소정의 온도를 갖는 온수의 생산이 가능하다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 복합열원을 이용한 급탕시스템은, 하수열을 주 열원으로 사용하고 지열을 보조 열원으로 사용하여 하수열의 열교환능력이 저하되었을 경우 지열을 보충하므로 효율적, 안정적으로 온수를 생산할 수 있음은 물론, 급탕시스템의 유지 및 운용에 소요되는 비용을 최소화 할 수 있다.

또한, 하수열교환기에서 남은 열원은 지열교환기측으로 저장하여 나중에 지열교환기에서 사용할 수 있으므로 열에너지의 사용을 최적화 시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합열원을 이용한 급탕시스템의 전체 구성도.

Claims (4)

1. 급탕시설에서 사용된 후 배출되는 하수에 포함된 열을 수집하고 이 열을 열전달유체가 흡수하여 저장하는 하수열교환기;

   지중에 설치되어 지중의 열을 열전달유체가 흡수하여 저장하고, 상기 하수열교환기의 열전달 유체를 선택적으로 공유하는 관로 연결을 이루고 있는 지열교환기;

   상기 하수열교환기 및/또는 지열교환기로부터 축열된 열전달유체를 펌프의 구동으로 순환시켜 급수관을 통하여 공급되는 물과 열교환을 행하여 온수를 생산하는 히트펌프;

   상기 히트펌프에서 생산된 온수를 저장하는 축열조;

   상기 2개의 열교환기를 선택적으로 또는 동시에 사용할 수 있도록 하고 축열량에 따라 히트펌프의 운전을 제어하는 제어부를 포함하는 복합열원을 이용한 급탕시스템.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 지열교환기에서 열교환된 열전달 유체의 열에너지가 히트펌프에서 필요로 하는 열원요구량에 미치지 못할 경우, 상기 하수열교환기의 열전달 유체를 지열교환기쪽으로 공급하도록 이루어지는 복합열원을 이용한 급탕시스템.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 지열교환기의 열원을 주열원으로 사용하고 하수열교환기의 열원을 보조열원으로 사용하는 복합열원을 이용한 급탕시스템.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 지열교환기와 하수열교환기는 직렬 또는 병렬로 연결되는 복합열원을 이용한 급탕시스템.