KR20120033330A - 지역 에너지 공유 시스템 - Google Patents

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KR20120033330A
KR20120033330A KR1020127000801A KR20127000801A KR20120033330A KR 20120033330 A KR20120033330 A KR 20120033330A KR 1020127000801 A KR1020127000801 A KR 1020127000801A KR 20127000801 A KR20127000801 A KR 20127000801A KR 20120033330 A KR20120033330 A KR 20120033330A
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heat
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conduit
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cold water
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KR1020127000801A
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Inventor
윌리엄 티. 바우간
에릭 딘 린드쿠이스트
Original Assignee
디이씨 디자인 메카니컬 컨설턴츠 엘티디.
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Abstract

지역 에너지 공유 시스템(DESS)은 수중에 열 에너지를 축적하고 순환시키는 열 에너지 회로, 일부 열 에너지를 회로("열 공급원") 내로 축적하고 및/또는 회로("열 싱크")로부터 일부 열 에너지를 제거하며 회로에 열 결합된 하나 이상의 클라이언트 빌딩 및 외부 열 공급원 및/또는 싱크(예를 들어, 지열 공급원)에 열적으로 결합될 수 있는 하나 이상의 열 서버 플랜트를 포함하고, 이의 기능은 DESS 내에서 열 평형을 유지시키는 것이다.

Description

지역 에너지 공유 시스템{DISTRICT ENERGY SHARING SYSTEM}
본 발명은 지역 내의 클라이언트 및 서버 간의 열 에너지를 공유하기 위한 지역 에너지 공유 시스템에 관한 것이다.
종래의 빌딩 난방 및 냉방 시스템은 빌딩 내에서 사용된 난방 또는 냉방수에 대해 공간 난방 및/또는 냉방을 제공하기 위하여 전기 또는 화석 연료와 같은 1차적인 고급 에너지 공급원을 사용한다. 빌딩 공간과 물을 난방 또는 냉방하기 위한 공정은 이 고급 에너지를 빌딩에서 빠져나가서 주위 환경으로 회수되려고 하는 고 엔트로피에 따라 저급 폐열로 변환한다. 예를 들어, 샤워(shower) 또는 싱크로부터 가열된 물은 하수구로 배출될 것이며, 가열된 공기 내의 열 에너지는 방출되고 외부 벽을 통해 대기로 전달된다.
빌딩 난방 및 냉방 시스템은 재생불가의 공급원의 주요 양을 소모하고, 실질적으로 지구를 온난화시킨다. 또한, 다수의 산업 공정은 추가로 대기 및 수온 상승을 야기하는 다량의 저급 에너지를 배출시킨다.
빌딩을 난방 및 냉방하기 위하여 효율적이고 친환경적인 방법을 제공하기 위하여 자연의 열 공급원 및 열 싱크를 사용하려는 시도가 되어지고 있으며, 예를 들어, 도 1(종래 기술)에 도시된 바와 같이, 지역 내의 빌딩은 독립적인 지열 펌프 시스템이 개별적으로 제공될 수 있다. 이 방법은 불행하게도 상당한 기반 비용을 요하며 이는 각각의 자가 집 소유자가 그라운드 루프를 포함하는 열 펌프 시스템을 설치할 필요가 있기 때문이다.
전형적인 빌딩 지역은 도 2(종래 기술)에 예시적으로 도시되고, 단일의 파이프 온수 분배 도관에 각각 유체결합된 클라이언트 빌딩을 포함한다. 이 도면에서, 열 공급원(그라운드 루프를 갖는 기계적 플랜트)은 열 교환기에 의해 회로에 열적으로 결합되고, 또 다른 열 교환기는 인접한 지역에서 회로를 또 다른 유체 흐름 분배 회로에 열적으로 결합하기 위해 제공된다. 각각의 빌딩은 가정 공간 또는 물의 가열을 위해 유용한 열로 회로로부터의 열 에너지를 변환하고, 회로에 열적으로 결합된 열 펌프가 제공될 수 있다. 이러한 지역에 따른 하나의 특정 단점은 각각의 빌딩이 회로에 일렬로 연결되고, 빌딩 열 펌프 작동의 전체 효율은 저하되는데, 이는 모든 상류 열 펌프가 회로부터 열을 인출할 때 하류 열 펌프가 더 격하게 작동되기 때문이다. 효과적인 작동은 또한 일부 빌딩 열 펌프가 난방되고 일부가 냉방될 때 저하되며, 이는 회로를 따라 상당한 온도 변화기 있기 때문이며, 이의 설계 작동 범위 내에서 회로의 온도를 유지하기 위해 추가 수단이 이용될 필요가 있다.
따라서, 가정의 공간 및 물의 가열 및 냉각 공정의 결과로서 생성된 적어도 일부의 저급 폐열을 재사용하는 빌딩을 난방 및/또는 냉방하기 위하여 개선되고 비용-효율적인 시스템을 제공하는 것이 유용하다.
본 발명의 일 양태에 따라서, 지역 에너지 공유 시스템이 제공되는데, 이 지역 에너지 공유 시스템은 열 에너지 회로와 열 펌프 조립체를 포함한다. 열 에너지 회로는 제1 온도에서 열 전달 액체의 흐름을 위한 온수 도관과 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 열 전달 액체의 흐름을 위한 냉수 도관을 포함한다. 열 펌프 조립체는 가역 열 펌프, 클라이언트 빌딩에 열적으로 결합되며 열 펌프에 열적으로 결합된 빌딩 열 교환기, 열 펌프를 열 에너지 회로에 열적으로 결합하는 회로 열 교환기, 회로 열 교환기를 온수 및 냉수 도관에 유체적으로 결합하는 파이프, 파이프에 결합된 하나 이상의 순환 펌프 및 유체 경로가 온수 도관으로부터 회로 열 교환기를 통하여 냉수 도관까지 열 전달 액체의 흐름을 위한 파이프를 통해 형성되는 난방 모드와 유체 경로가 냉수 도관으로부터 열 교환기를 통해 온수 도관까지 열 전달 유체의 흐름을 위한 파이프를 통하여 형성되는 냉방 모드 간의 변환이 가능하고 파이프에 결합된 하나 이상의 제어 밸브를 포함하는 밸브 조립체를 포함한다. 밸브 조립체는 온수 및 냉수 도관이 파이프를 통하여 열 교환기와 유체연통되지 않는 오프 모드로 추가로 변환가능하다.
밸브 조립체는 한 쌍의 3-웨이 제어 밸브를 포함할 수 있으며, 제1의 3-웨이 제어 밸브는 온수 도관, 냉수 도관 및 회로 열 교환기의 입구에 유체결합되며, 제2의 3-웨이 제어 밸브는 온수 도관, 냉수 도관 및 회로 열 교환기의 출구에 유체 결합되고, 밸브 조립체가 난방 모드에 있을 때 제1의 3-웨이 제어 밸브는 냉수 도관을 폐쇄하고 회로 열 교환기의 입구와 온수 도관에 대해 개방되며, 제2의 3-웨이 제어 밸브는 온수 도관에 대해 폐쇄되고 회로 열 교환기의 출구와 냉수 도관에 대해 개방된다.
대안으로, 밸브 조립체는 회전 액추에이터 및 4개의 포트를 갖는 단일의 4-웨이 제어 밸브를 포함할 수 있다. 4개의 포트는 온수 도관에 유체 결합된 제1 포트, 회로 열 교환기의 입구에 유체 결합된 제2 포트, 냉각수 도관에 유체 결합된 제3 포트 및 회로 열 교환기의 출구에 유체 결합된 제4 포트를 포함하고, 회전 액추에이터는 난방 모드에서 제1 및 제2 포트를 유체결합하며 제3 및 제4 포트를 유체 결합하고, 냉방 모드에서 제1 및 제4 포트를 유체 결합하며 제2 및 제3 포트를 유체 결합한다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 지역 에너지 공유 시스템은 열 에너지 회로 및 그레이워터 주입 조립체를 포함한다. 그레이워터 주입 조립체는 그레이워터가 온수 도관 또는 냉수 도관에 공급되도록 그레이워터 공급원에 유체 결합되고 냉수 또는 온수 도관에 유체 결합된 그레이워터 공급 도관 및 열 에너지 회로 내의 수압을 조절하도록 작동가능하고 열 에너지 회로 또는 그레이워터 공급 도관에 유체결합된 압력 제어 장치를 포함하고, 열 에너지는 열 에너지 회로와 클라이언트 빌딩 사이에서 전달될 수 있도록 클라이언트 빌딩에 열적으로 결합되며 온수 및 냉수 도관에 유체 결합된 클라이언트 빌딩 열 전달 장치를 포함하고, 그레이워터가 잡용수의 용도로 빌딩에 공급될 수 있도록 클라이언트 빌딩에 유체결합되고 온수 도관에 유체 결합된 그레이워터 테이크-오프 도관(grey water take-off conduit)포함한다.
그레이워터 주입 조립체는 압력 제어 장치의 상류에서 그레이워터 공급 도관에 유체결합된 여과 장치를 추가로 포함할 수 있다. 압력 제어 장치는 열 에너지 회로 내에서 물의 압력보다 높이 그레이워터의 압력을 증가시키기 위한 하나 이상의 펌프를 포함할 수 있다. 압력 제어 장치는 온수 도관에 대해 그레이워터의 흐름 속도를 변화시키고, 펌프에 유체 결합된 큐션 탱크 및 하나 이상의 제어 밸브를 추가로 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라서, 지역 에너지 공유 시스템은 제1 및 제2 열 에너지 회로 및 제1 및 제2 열 에너지 회로를 열적으로 결합하기 위한 열 에너지 전달 스테이션을 포함한다. 제1 및 제2 열 에너지 회로는 제1 온도에서 열 전달 액체의 흐름을 위한 온수 도관, 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 열 전달 액체의 흐름을 위한 냉수 도관 및 열 전달 액체을 펌핑하기 위하여 온수 도관과 냉수 도관 중 하나 이상의 도관에 결합된 하나 이상의 회로 펌프를 포함한다. 열 에너지 전달 스테이션은 제1 및 제2 열 에너지 회로를 유체 결합하고 이들 사이에서 열 전달 유체를 흐르게 하는 펌프를 포함하는 액체 전달 조립체와 제1 및 제2 열 에너지 회로를 유체적으로 분리하고 열적으로 결합하는 열 교환기 조립체 중 하나 이상을 포함한다.
일 양태에서, 열 에너지 전달 스테이션은 단지 액체 전달 조립체만을 포함하고, 제1 및 제2 열 에너지 회로의 온수 도관을 유체결합하는 온수 전달 도관, 제1 및 제2 열 에너지 회로의 냉수 도관을 유체결합하는 냉수 전달 도관 및 제2 열 에너지 회로로부터 제1 열 에너지 회로까지 파이프를 통하여 유체 통로를 형성하는 제2 모드와 제1 열 에너지 회로로부터 제2 열 에너지 회로까지 파이프를 통하여 유체 경로를 형성하는 제1 모드에서 작동가능하고 파이프에 유체 결합된 하나 이상의 제어 밸브 및 펌프에 대해 및 온수 또는 냉수 전달 도관에 유체 결합된 파이프를 포함하는 변환 조립체를 추가로 포함한다.
또 다른 양태에서, 열 에너지 전달 스테이션은 단지 열 교환기 조립체만을 포함하고, 열 교환기 조립체는 제1 열 전달 구역으로부터 유체적으로 분리되지만 이에 열적으로 결합된 제2 열 전달 구역과 제1 열 전달 구역을 갖는 액체-대-액체 열 교환기, 제2 에너지 회로의 온수 및 냉수 도관에 제2 열 전달 구역을 유체 결합하는 제2 액체 전달 파이프와 제1 열 에너지 회로의 온수 및 냉수 도관에 제1 열 전달 구역을 유체 결합하는 제1 액체 전달 파이프, 제2 열 에너지 회로로부터 제2 열 전달 구역으로 액체를 흐르게 하고, 제1 열 전달 구역을 통해 제1 열 에너지 회로로부터 액체를 흐르게 하며, 제1 및 제2 액ㅊ레 전달 파이프에 각각 유체 결합된 한 쌍의 전달 펌프를 포함한다.
열 에너지 전달 스테이션은 제1 및 제2 열 에너지 회로들 사이에서 압력을 조절하고 제1 및 제2 액체 전달 도관에 유체 결합된 유체 도관 및 압력 제어 장치를 추가로 포함하고, 압력 제어 장치는 부스터 펌프와 하나 이상의 압력 감소 제어 밸브를 포함한다.
열 에너지 전달 스테이션은 하나 이상의 서버 플랜트를 추가로 포함할 수 있다. 각각의 서버 플랜트는 열 싱크와 열 공급원 중 적어도 하나에 제1 또는 제2 액체 전달 도관 중 하나를 열적으로 결합하는 열 펌프 조립체를 포함한다.
도 1은 독립적인 지열 공급원 펌프 시스템에 의해 각각 개별적으로 제공되는 다수의 빌딩의 도면.(종래 기술)
도 2는 단일의 파이프의 온수 공급 회로에 각각 유체 결합된 다수의 빌딩의 도면.(종래 기술)
도 3은 지역 내에서 열 서버 플랜트와 다수의 클라이언트 빌딩에 열적으로 결합되는, 온수 도관 및 냉수 도관을 갖는 열 에너지 회로를 포함하는, 일 실시예에 따르는 지역 에너지 공유 시스템의 도면.
도 4는 각각의 빌딩과 서버 플랜트 내의 열 전달 장치가 도시되고, 지역 내의 열 서버 플랜트와 다수의 클라이언트 빌딩에 열적으로 결합된 열 에너지 회로를 포함하는 또 다른 실시예에 따르는 지역 에너지 공유 시스템의 도면.
도 5(a) 내지 도 5(i)는 하나의 클라이언트 빌딩 내의 열 펌프 조립체를 도시하며, 도 5(a) 내지 도 5(c)는 난방 모드(도 5(a)), 냉방 모드(도 5(b)), 및 오프 모드(도 5(c))에서 작동되도록 구성된 한 쌍의 3-웨이 제어 밸브와 가역 열 펌프를 갖는 일 실시예에 따르는 열 펌프 조립체를 도시하며, 도 5(d) 내지 도 5(f)는 난방 모드(도 5(d)), 냉방 모드(도 5(e)), 및 오프 모드(도 5(f))에서 작동되도록 구성된 단일의 4-웨이 제어 밸브와 가역 열 펌프를 갖는 또 다른 실시예에 따르는 열 펌프 조립체를 도시하고, 도 5(g) 내지 도 5(i)는 4개의 2-웨이 제어 밸브와 가역 열 펌프를 갖는 또 다른 실시예에 따르는 열 펌프 조립체를 도시한다.
도 6은 또 다른 실시예에 따르는 지역 에너지 공유 시스템의 도면.
도 7은 또 다른 실시예에 따르는 지역 에너지 공유 시스템의 도면.
도 8은 또 다른 실시예에 따르는 지역 에너지 공유 시스템의 도면.
도 9(a) 내지 도 9(h)는 열 에너지 전달 스테이션에 의해 서로 열적으로 결합된 한 쌍의 열 에너지 회로를 포함하는 또 다른 실시예에 따른 지역 에너지 공유 시스템의 도면이며, 도 9(a)는 열 서버 플랜트와 다수의 클라이언트 빌딩에 열적으로 결합된 열 에너지 회로를 도시하고, 도 9(b)는 동일한 압력 구역을 갖는 회로를 제공하기 위한 일 실시예에 따르는 전달 스테이션의 상세도이며, 도 9(c)는 상이한 압력 구역을 갖는 회로를 제공하기 위한 일 실시예에 따르는 전달 스테이션의 상세도이며, 도 9(d)는 한 쌍의 열 서버 플랜트를 가지며 상이한 압력 구역을 갖는 회로를 제공하기 위한 도 다른 실시예에 따른 전달 스테이션의 상세도이고, 도 9(e) 내지 도 9(h)는 도 9(b)에 도시된 전달 스테이션의 회로들 사이에서 열의 전달을 위한 상이한 작동 모드를 도시하는 도면이다.
도 10은 촬영된 지역에 배치된 지역 에너지 공유 시스템의 일 실시예를 도시하는 사진.
도 11은 지역 에너지 공유 시스템의 일 실시예에 따라 열 에너지를 공유하는 공정을 도시하는 도면.
도 12는 또 다른 실시예에 따르는 그레이워터 주입 조립체를 갖는 지역 에너지 시스템의 도면.
일 실시예에 따라서 도 3을 참조하면, 지역 에너지 공유 시스템(district energy sharing system, 10)(DESS)은 수중의 열 에너지를 순환시키며 비축하는 열 에너지 회로(thermal energy circuit, 12), 회로(12)("열 공급원") 내로 일부 열 에너지를 유입시키고 및/또는 회로(12)("열 공급원")로부터 일부 열 에너지를 제거하며, 회로(12)에 열적으로 결합된 하나 이상의 클라이언트 빌딩(client building, 20)(주목: 도면에 도시된 클라이언트 빌딩(20)은 단지 회로(12)로부터 열 에너지를 예시하며, 이에 따라 모두가 열 싱크로서 작동됨) 및 열 공급원 및/또는 싱크(예를 들어, 지열 원)에 열적으로 결합될 수 있는 하나 이상의 열 서버 플랜트(thermal server plant, 21)를 포함하고, 이 서버 플랜트의 기능은 DESS(10) 내에서 열 평형(thermal balance)을 유지시키는 것이다. DESS(10)는 또한 시스템(도시되지 않음) 작동 중에 열 에너지의 조절, 측정 및 최적화를 위한 네트워크 제어 및 모니터링 시스템을 포함할 수 있다.
회로(12)는 공급원과 싱크(각각, "온(warm)" 및 "냉(cool)" 도관) 사이에 열 에너지를 전달 및 비축하기 위해 제공되고, 상이한 온도에서 물이 흐르는 한 쌍의 수 도관(water conduit, 14, 16)을 포함한다. 각각의 빌딩(20)에서 열 전달 장치(30)는 온수가 온수 도관(14)으로부터 열 전달 장치(30)를 통해 그 뒤 냉수 도관(16) 내로, 또는 역으로 흐를 수 있도록 온 및 냉수 도관(14, 16)을 유체적으로 상호연결한다. 전자의 형상에서, 열 전달 장치(30)는 빌딩(20)의 온도를 높이기 위해 온수 도관(14)으로부터 열을 공급받도록 작동되며, 그 뒤 냉각된 물을 냉수 도관(16) 내로 축적하고, 후자의 형상에서 열 전달 장치(30)는 빌딩(20)의 온도를 낮추기 위해 빌딩(20)으로부터 열을 추출하도록 작동되며 추출된 열을 온수 도관(14)으로 보낸다.
온수 도관(14)과 냉수 도관(16)은 클라이언트 빌딩(20)과 서버 플랜트(21)에서만 유체적으로 상호연결된 파이프의 2개의 개별적이고 평행한 폐쇄 루프이다. 이 실시예에서 파이프 시스템은 열 전달 액체로서 순수한 물(plain water)을 이용하고, 파이프는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)이 단열되지 않은 단일의 벽이다. 그러나, 그 외의 다른 액체는 회로(12)가 폐쇄된 유체 루프이기 때문에 또 다른 실시예에 따라서 열 전달 액체로서 사용될 수 있다.
하나 이상의 순환 펌프(22)는 파이프에 유체적으로 결합되고, 온수 및 냉수 도관(14, 16)을 통해 물을 순환시키도록 작동된다. 특히, 물은 제1 온도("온수")에서 온수 도관(14)을 통해 펌핑되고, 냉수는 온수 온도보다 낮은 제2 온도("냉수")에서 냉수 도관(16)을 통해 펌핑된다. 온수에 대해 적합한 온도 범위는 10 내지 30˚C이며, 냉수에 대한 적합한 온도 범위는 5 내지 20 ˚C이다. 2-파이프 장치는 모든 클라이언트 빌딩(20)이 열 펌프에 대해 동일한 온도의 물을 공급하는 것을 보장한다.
도 3에는 온수 및 냉수 도관(14, 16)에 각각 유체적으로 결합된 한 쌍의 순환 펌프(22)를 갖는 것으로 도시될지라도, 이들 펌프는 회로(12) 전체를 통해 물을 순환시키기 위하여 서버 플랜트(21)(서버 펌프) 내에서 또는 하나 이상의 클라이언트 빌딩(20)(클라이언트 펌프) 내에서 순환 펌프(24)에 의해 대체 또는 보충될 수 있다.
통상 사용 중에 네트 난방 부하(net heating load)를 갖는 임의의 클라이언트 빌딩(20)은 온수 도관(14)으로부터 물을 흡인하고 이 물을 냉수 도관(16)에 복귀시키고, 네트 냉방 모드에서 임의의 클라이언트 빌딩(20)은 냉수 도관(16)으로부터 물을 흡입하고 이 물을 온수 도관(14)에 복귀시킨다. 온수 도관으로부터 냉수 도관으로 또는 냉수 도관으로부터 온수 도관으로 물이 전달됨에 따라 수용 도관의 압력은 증가되며, 열이 추가 또는 제거되는 열 서버 플랜트(21)를 통해 물이 재차 그 외의 다른 도관으로 이동된다. 이 전달은 자연적으로 또는 순환 펌프(22, 24)를 사용함으로써 구현된다.
열 에너지 회로(12)는 온수 및 냉수 도관(14, 16) 사이의 온도 차이가 항시 가능한 작도록 유지되어 클라이언트 펌프(24)가 펌펑 마력(pumping horsepower)을 증가시키고 클라이언트에 대한 흐름을 제한할 수 있는 큰 헤드를 극복할 수 없는 것을 보장하도록 설계된다. 이는 동등한 저마찰 손실 상태에서 수 도관(14, 16) 내에서 저속을 유지시키며 통상적으로 온수 및 냉수 도관(14, 16) 내에서 흐름을 동일한 방향으로 유지시킴으로써 구현되며, 이에 따라 마찰로부터의 압력 강하는 회로(12)의 길이를 따라 양 도관(14, 16) 내에서 유사하다.
열 에너지 회로(12)는 또한 시간이 지남에 따라 수 도관(14, 16) 내의 온도를 변화시키고 수 도관(14, 16)을 오버사이징함으로써 축열 장치로서 기능을 한다. 제2 수준의 축열은 고 부하 상태 동안에 온도 변화를 향상시키는 도관을 둘러싸는 토양에 의해 제공될 수 있다. 도관(14, 16)을 오버사이징함에 따라 마찰 손실 및 펌핑 마력이 감소된다. 열이 지역(district)에서 하나 이상의 클라이언트 빌딩(20)을 난방하기 위해 열 에너지 회로(12)로부터 제거되고 지역에서 하나 이상의 그 외의 다른 빌딩으로부터 제거된 열이 열 에너지 회로(12)에 전달될 때, 이들 클라이언트 빌딩(20)은 독립 작동식 난방 및 냉방 공정의 결과로서 열을 주위환경으로 방출하는 클라이언트 빌딩(20)을 갖는 것보다 더 에너지 효율적인 난방 및 냉방 공정에서 열 에너지 회로(12) 내에서 효과적으로 열 에너지를 할당한다. 열 에너지 회로(12) 내의 열 에너지가 DESS(10)를 설계함으로써 상당히 일정하게 유지될 수 있어서 클라이언트 및 열 공급원 빌딩(20)이 동일한 양의 열 에너지를 일괄로 제거 및 회수할지라도, 열 서버 플랜트(21)는 DESS(10) 내에서 열 평형을 보장하기 위해 제공된다. 즉, 클라이언트 빌딩(20)에 의해 회로(12)로부터 제거된 열 에너지의 네트 양은 결합된 외부 열 공급원(23)으로부터의 열 에너지를 인출시킴으로써 회로(12)에 복귀되며, 유사하게 클라이언트 빌딩(20)에 의해 회로(12) 내에 축적된 에너지의 네트 양은 결합된 외부 열 싱크(23) 내에 비축되고 서버 플랜트(21)에 의해 제거된다. 서브 플랜트(21)에 대한 열 공급원 또는 싱크(23)는 지중열 교환 필드(지중열-교환 field), 지하수, 해수, 호수, 하수관, 시내, 냉방 플랜트, 태양열 수집기, 아이스 링크, 또는 산업 설비일 수 있다. 서버 플랜트 유형에 대한 이들 대체물은 열을 생성 또는 흡수하고, 온수 및 냉수 도관으로부터 또는 이로 열을 전달할 수 있는 임의의 공급원일 수 있다.
적합한 서버 열 공급원을 선택하는 것은 온도 및 용량 프로파일뿐만 아니라 열 공급원에 의해 제공된 열의 형태에 적어도 부분적으로 의존될 것이다. 일부 서버 열 공급원은 일정한 용량을 제공하며, 반면 그 외의 다른 것은 날씨 조건, 년 중의 한 시기, 일 중의 한 시기 및 그 외의 다른 조건을 기준으로 가변 용량을 제공한다. 서버 열 공급원의 선택은 클라이언트 부하 프로파일(client load profile)을 만족시키기 위한 능력에 의존되며, 용량 프로파일의 컴퓨터 모델링(computer modelling)은 임의의 예상된 부하 하에서 만족스럽게 작동될 수 있는 시스템을 설계하도록 수행될 수 있다.
적합한 서버 열 싱크의 선택은 짧거나 긴 시간 동안에 열 에너지를 축적할 수 있는 열 싱크의 능력에 적어도 부분적으로 의존될 것이다. 에너지를 축적하는 능력은 축적 매체의 중량 및 비열뿐만 아니라 열 손실 또는 획득 속도에 의존된다. 실행가능한 높은 용량 축적 시스템은 융합 열이 큰 온도 변화없이 상대적으로 좁은 공간에서 상당 양의 에너지를 축적하기 위해 사용될 수 있는 상 변화 매체를 포함할 수 있다. 공정(eutectic)은 특정 온도에서 상 변화가 이뤄지도록 선택될 수 있다.
짧은 시간의 축적은 전형적으로 수 시간일 수 있으며, 날마다의 변화(diurnal variation)에 적용될 수 있다. 긴 시간의 축적은 열을 보유하기 위한 매체의 능력에 따라 계절 변화(seasonal variation)에 적용될 수 있다. 열 분해(thermal degradation)는 긴 시간의 축적이기보다는 짧은 시간에 덜 관련된다. 축적 분해 시에, 이와는 달리 소모되는 에너지에 의해 충전된다.
이제 도 4를 참조하면, 각각의 빌딩(20) 내의 열 전달 장치(30)는 온수 도관(14)으로부터의 저-급(저온) 에너지를 빌딩(20)을 난방하기 위하여 사용될 수 있는 고-급 에너지 내로 전달하도록 구성될 수 있는 하나 이상의 열 펌프 조립체를 포함할 수 있다. 하나 이상의 그 외의 다른 열 펌프 조립체는 빌딩(20)을 냉방시키고 냉수 도관(16)에 대한 부차 열(by-product heat)을 차단하도록 구성될 수 있다. 밸브 스위칭 조립체(valve switching assembly)를 갖는 일부 그 외의 다른 열 펌프 조립체(도 4에 도시되고 하기에서 상세히 설명되는 바와 같이)는 온수 도관(14)으로부터 열을 인출시키거나 또는 냉수 도관(16) 내로의 열을 차단함으로써 빌딩(20)을 난방 또는 냉방하도록 선택적으로 제공될 수 있다. 열 펌프 조립체는 물-대-공기 또는 공기-대-물일 수 있다. 물-대-공기 열 펌프 조립체는 회로 열 교환기를 통해 DESS(10)과 상호작용하는 폐쇄된 파이프 루프에 의해 또는 DESS(10)에 의해 직접 제공될 수 있으며, 단일의 공간을 제공하는 전형적으로 소형 유닛인 열 펌프를 갖는다. 빌딩(20) 내에서 열 펌프는 난방 및/또는 냉방 모드로 작동될 수 있어서 회로(12)에 대한 열 전달은 난방 부하와 냉방 부하 간의 네트 차이이다. 따라서, DESS(10)는 통상적으로 일부 빌딩에 있는 냉방 타워 및 보일러와 대체될 수 있다.
각각의 열 펌프 조립체는 한 쌍의 열 교환기(각각 "회로 열 교환기"(32) 및 "빌딩 열 교환기"(33))와 양 열 교환기(32, 33)로부터 유체적으로 분리되지만 이에 열적으로 결합된 열 펌프(34)를 포함한다. 회로 열 교환기(32)는 온수 도관(14)과 냉수 도관(16)과 유체 연통된다. 더 구체적으로, 회로 열 교환기(32)는 온수 도관(14)과 유체 연통되는 입구 및 냉수 도관(16)과 유체 연통되는 출구를 가지며, 이에 따라 물은 온수 도관(14)으로부터 열 교환기(32)를 통과하고 그 뒤 냉수 도관(16)으로 보내진다. 열 펌프(34)가 배열되어, 이의 증발기는 열 교환기(32)를 통하여 흐르는 온수 내의 일부 열 에너지가 열 펌프(34) 내의 작동 유체에 의해 흡수되도록 회로 열 교환기(32)와 열적으로 연통되며, 이에 따라 그 뒤에 냉수 도관(16) 내로 흐르는 순환 수는 냉각된다. 열 펌프(34)도 또한 배열되어 이의 응축기는 순환 수로부터 흡수된 열 에너지가 빌딩(20) 내로 유입되도록 빌딩 열 교환기(33)와 열적으로 연통된다.
도 4에 도시된 실시예에서, 아이스 링크(20(a))는 냉방이 필요하며, 이에 따라 열 공급원으로서 제공되고, 뒤이은 빌딩은 난방이 필요하고 이에 따라 열 싱크: 거주 주택(residential home, 20(b)), 저층 빌딩(low-rise apartment building, 20(c)) 및 고층 빌딩(high-rise apartment building, 20(d))으로서 제공된다. 거주 주택(20(b))은 공간 난방을 필요로 하고, 복사 난방에 의해 난방되고, 각각의 이들 빌딩 내에서 복사 난방 시스템(36)은 각각의 열 전달 장치(30)의 빌딩 열 교환기(33)와 각각의 빌딩(20(a), 20(b)) 내에서 난방을 필요로 하는 공간에 열적으로 결합된다(thermally coupled). 저층 빌딩(20(c))은 또한 공간 난방을 필요로 하고, 이 빌딩(20(c)) 내에서 빌딩 열 교환기(33)에 열적으로 결합되는 복사 난방 시스템(42)과 강제 공 시스템(forced air system, 40)에 의해 난방되며, 강제 공 시스템(40)은 빌딩(20(c)) 내의 공기 덕트에 대해 빌딩 열 교환기(33)에 결합된 복사 고온수 루프로부터 열을 전달하는 물-대-공가 열 펌프를 갖는다. 고층 빌딩(20(d))은 공간 난방 및 가정용 고온수 난방을 빌딩(20(d))에 제공하기 위하여 일련의 열 전달 장치(30)를 포함한다. 공간 난방을 제공하는 열 전달 장치(30)는 빌딩(20(d)) 내에서 공기 덕트에 열적으로 결합된 빌딩 열 교환기(33)와 물-대-공기 열 펌프를 가지며, 가정용 고온수 난방을 제공하는 열 교환 장치(30)는 빌딩(20(d)) 내에서 가정용 수 공급원에 결합된 이의 빌딩 열 교환기를 갖는다.
도 4에 도시된 실시예에서 서버 플랜트(21)는 오수거(sanitary sewer, 23(b)) 및 지열 그라운드 루프(geothermal ground loop, 23(a))에 열적으로 결합되는 펌프 하우스(44)이다. 그라운드 루프는 열 공급원 및 싱크로서 기능을 할 수 있으며, 오수거(23(b))는 열 공급원으로서 제공될 수 있다. 펌프 하우스(44)는 양 열 교환기, 즉 열 에너지 회로(12)에 유체가 통하도록 결합된 회로 열 교환기 및 지면으로부터 및 지면으로 신장되는 유체 루프에 유체가 통하도록 연결합된 그라운드 루프 열 교환기로부터 유체적으로 분리되지만 이에 열적으로 결합된 열 펌프 및 한 쌍의 열 교환기를 갖는 열 펌프 조립체(46)를 포함한다. 더 구체적으로, 회로 열 교환기는 온수 도관(14)과 유체 연통되는 출구 및 냉수 도관(16)과 유체 연통되는 입구를 갖는다.
지열원이 열 공급원으로서 사용될 때, 지열 에너지는 그라운드 루프를 통해 펌핑된 유체에 의해 흡수되고, 이 열 에너지는 회로 열 교환기를 통해 냉수 도관(16)으로부터 흐르는 물에 전달된다. 추가 열 에너지는 오수거(23(b))로부터 배출된 온 폐수로부터 수득될 수 있으며, 오수거 열 전달 장치(48)는 온수 도관(14)에 유체적으로 결합된 출구 및 냉수 도관(16)에 유체적으로 결합된 입구를 가지며 폐수에 열적으로 결합된 열 교환기를 포함한다.
프로그램가능한 컨트롤러(도시되지 않음)는 열 펌프 조립체(46) 내에서 열 펌프의 작동을 제어하도록 프로그래밍될 수 있으며, 이에 따라 충분한 지열 에너지가 열 에너지 회로(12)에 전달되어 원하는 온수 온도 범위 내로 온수가 유지된다.
이제, 도 5(a) 내지 도 5(i)를 참고하면, 또 다른 실시예에 따라서, 지역에서 하나 이상의 클라이언트 빌딩(20)은 열을 회로(12) 내로 축적 또는 회로(12)로부터 열을 인출시킬 수 있는 가역가능한 열 펌프 조립체(reversible heat pump assembly, 50)가 제공될 수 있다. 열 펌프 조립체(50)는 열 펌프(50)를 회로(12)에 열적으로 결합하는 회로 열 교환기(56), 열 펌프(52)를 클라이언트 빌딩(20)에 열적으로 결합하는 빌딩 열 교환기(58) 및 회로 열 교환기(56)를 통해 온수 도관(14)으로부터 온수 또는 냉수 도관(16)으로부터 냉수를 안내하도록 구성될 수 있으며 파이프(54)에 의해 온 및 냉 도관(14, 16) 모두에 유체적으로 결합된 순환 펌프(55)와 밸브 조립체를 포함한다. 열 펌프(52)는 빌딩 열 교환기(58)와 회로 열 교환기(56) 모두로부터 유체적으로 분리되지만 이에 열적으로 결합된다. 열 펌프 조립체(50)는, 밸브 조립체가 회로 열 교환기(56)를 통해 온수 도관(14)으로부터 물을 안내하고 그 뒤 냉수 도관(16) 내로 안내하며 열 펌프(52)를 작동시켜 회로 열 교환기(56)를 통하여 흐르는 물로부터 열을 흡수하고 빌딩 열 교환기(58) 내로 열을 방출하도록(이 도면에서 빌딩의 강제 공 시스템에 결합된 것으로 도시되지만 종래 기술에서와 같이 임의의 빌딩 열 분배 시스템에 결합될 수 있음) 구성되는 경우에, 난방 모드로 작동될 수 있다. 역으로, 열 전달 장치(50)는, 밸브 조립체가 회로 열 교환기(56)를 통해 냉수 도관(16)로부터 냉수를 안내하고 온수 도관(14) 내로 안내하며 열 펌프(52)를 작동시켜 빌딩 열 교환기(58)로부터 열을 흡수하고 회로 열 교환기(56)를 통해 흐르는 물 내로 흡수된 열을 방출하도록 구성되는 경우에, 냉방 모드로 작동될 수 있다.
도 5(a)-(c)는 한 쌍의 3-웨이 밸브(60, 62)를 포함하는 밸브 조립체의 일 실시예를 도시한다. 제1의 3-웨이 밸브(60)는 회로 열 교환기(56)의 입구, 냉수 도관(16) 및 온수 도관(14)에 파이프(54)에 의해 유체적으로 결합되며, 제2의 3-웨이 밸브(62)는 회로 열 교환기(56)의 출구, 냉수 도관(16) 및 온수 도관(14)에 유체적으로 결합된다. 열 전달 장치(50)는 도 5(a)에 도시된 바와 같이 난방 모드로 설정될 때, 제1의 3-웨이 제어 밸브(60)가 냉수 도관(16)에 대해 폐쇄되지만 온수 도관(14)과 회로 열 교환기(54)의 입구에 대해서는 개방되며, 제2의 3-웨이 제어 밸브(62)는 온수 도관(14)에 대해서는 폐쇄되지만 회로 열 교환기(54)의 출구와 냉수 도관(16)에 대해서는 개방된다. 그 결과, 수 경로(water pathway)는 물을 온수 도관(14)으로부터 회로 열 교환기(56)를 통하여 냉수 도관(16)으로 흐르게 하기 위한 파이프(54)를 통해 제공된다. 열 펌프 조립체(50)가 도 5(b)에 도시된 바와 같이 냉방 모드로 설정될 때, 제1의 3-웨이 제어 밸브(60)가 온수 도관(14)에 대해 폐쇄되지만 냉수 도관(16)과 회로 열 교환기(54)의 입구에 대해서는 개방되며, 제2의 3-웨이 제어 밸브(62)는 냉수 도관(16)에 대해서는 폐쇄되지만 회로 열 교환기(54)의 출구와 온수 도관(14)에 대해서는 개방된다. 그 결과, 수 경로는 물을 냉수 도관(16)으로부터 회로 열 교환기(56)를 통하여 온수 도관(14)으로 흐르게 하기 위한 파이프(54)를 통해 제공된다. 순환 펌프(55)는 회로 열 교환기(56)의 입구에서 파이프(54)에 결합되며 이러한 흐름이 가능하도록 작동된다.
한 쌍의 3-웨이 제어 밸브(60, 62)는 각각 냉방 모드 형상과 난방 모드 형상으로 제어 밸브(60, 62)를 구성하도록 프로그래밍된 컨트롤러와 연통되는 솔레노이드 밸브일 수 있다. 대안으로, 한 쌍의 3-웨이 제어 밸브(60, 62)는 이의 냉방 모드 형상과 난방 모드 형상 간에 수동 조절이 가능할 수 있다.
열 펌프가 도 5(c)에 도시된 바와 같이 오프될 때, 양 제어 밸브(60, 62)는 이의 포트들 중 하나를 폐쇄하여 온수의 흐름을 차단하고, 게다가 파이프(54)를 통한 냉수의 흐름을 차단한다. 대안으로 양 밸브(60, 62)는 이의 포트들 중 하나를 폐쇄하여 온수의 흐름과 냉수의 흐름을 차단한다. 한 위치에서, 물은 나머지 개방 포트에 의해 파이프(54)를 통하여 여전히 순환할 수 있다. 제어 밸브(60, 62)는 최대 유입 수 온도 또는 최대 냉매 압력을 유지하기 위하여 온수 도관(14)으로부터 온수와 열 펌프(52)로부터 배출된 냉수를 혼합하기 위해 냉매 압력 컨트롤러 또는 열 펌프(52)에 공급 도관 내에서 온도 센서(도시되지 않음)에 의해 변조될 수 있는 변조 밸브일 수 있다.
한 쌍의 3-웨이 제어 밸브 대신에, 동일한 기능이 또 다른 실시예에 따라서 도 5(d) 내지 (f)에 도시된 바와 같이 단일의 4-웨이 제어 밸브(53)에 의해 구현될 수 있다. 4-웨이 제어 밸브(63)는 4개의 포트(A, B, C, D)를 가지며, 흐름을 변환시키는 회전 액추에이터를 가져서 한 위치에서 포트(A)를 포트(B)에, 포트(C)를 포트(D)에 연결한다. 밸브가 이의 또 다른 위치로 변환될 때, 이는 포트(A)를 포트(C)에 그리고 포트(B)를 포트(D)에 연결한다. 파이프(54)가 제공되어 회로 열 교환기(54)의 입구 포트는 포트(A)에 결합되고, 온수 도관(14)은 포트(B)에 연결되며, 냉수 도관(16)은 포트(C)에 연결되고, 회로 열 교환기(54)의 출구 포트는 포트(D)에 결합된다. 제어 밸브(63)의 제1 위치에서, 온수는 파이프(54)를 통하여 회로 열 교환기(54) 내로 흐르며, 냉수는 회로 열 교환기(54)로부터 냉수 도관(16) 내로 배출된다. 제어 밸브(63)의 제2 위치에서, 냉수는 회로 열 교환기(54) 내로 안내되며, 가온된 수는 온수 도관(14)으로 배출된다.
열 펌프를 통한 흐름을 차단하기 위하여, 열 펌프가 오프될 때 밀폐되는 2-웨이 제어 밸브(65)는 온 또는 냉 공급 파이프 중 하나에 배치된다.
도 5(g) 내지 (i)에 도시된 바와 같이, 두 쌍의 2-웨이 제어 밸브(64, 66)는 열 전달 장치가 냉방 모드와 난방 모드 모두에서 작동될 수 있도록 한 쌍의 3-웨이 제어 밸브(60, 62)에 대해 유사한 쌍으로 작동될 수 있다. 이들 도면에서, 개방된 제어 밸브(64, 64)는 윤곽만이 도시되고, 폐쇄된 제어 밸브는 꽉찬 흑색으로 도시된다. 도 5(g)에서 화살표로 도시된 바와 같이, 파이프(54)를 통한 유체 경로는 온수 도관으로부터 회로 열 교환기(56)를 통하여 냉수 도관(16)으로 온수를 흐르게 하는 개방 및 폐쇄된 제어 밸브(64, 66)에 의해 형성된다. 유사하게, 유체 경로는 냉수 도관(16)으로부터 회로 열 교환기(56)를 통해 온수 도관(14)으로 흐르는 물을 도시하는 도 5(h)에서 화살표로 도시된다. 모든 제어 밸브(64, 66)는 도 5(i)에서 밀폐된 것으로 도시되며, 이에 따라 파이프(54)를 통한 흐름이 방지된다.
이제 도 6을 참조하면, 또 다른 실시예에 따라서, DESS(10)는 다수의 클라이언트 빌딩(20)(하기에서는 로컬 열 전달 플랜트(70)로 지칭됨)에 하나의 열 전달 장치(30)가 제공되는 것으로 구성될 수 있다. 로컬 열 전달 플랜트(70)는 한 쌍의 열 교환기(74, 76)를 갖는 열 펌프 조립체(72)와 이들 2개의 열 교환기(74, 76)에 열적으로 결합된 열 펌프(78)를 포함한다. 이들 열 교환기(74) 중 하나는 전술된 바와 동일한 방식으로 온수 및 냉수 도관(14, 16)을 유체적으로 상호연결하는 회로 열 교환기이며, 즉 입구는 온수 도관(14)에 결합되며, 출구는 냉수 도관(16)에 결합된다. 그 외의 다른 열 교환기는 개별적인 수 회로(하기에서 "빌딩 수 회로"(80)로 언급됨)에 유체적으로 결합되는 빌딩 열 교환기(76)이다. 열 펌프(78)의 증발기는 회로 열 교환기(76)와 열 연통되고, 열 펌프(78)의 응축기는 열 펌프(78)가 열 에너지 회로(12)로부터 빌딩 수 회로(80)로 열을 전달하기 위해 작동될 수 있도록 빌딩 열 교환기(76)와 열 연통된다. 빌딩 수 회로(80) 내의 물은 빌딩(20(f), 20(g))에서 도시된 바와 같이 복사 난방 시스템 또는 빌딩(20(e)) 내에서 도시된 바와 같이 팬 코일 공기 난방 시스템일 수 있는 각각의 빌딩(20(e), 20(f), 20(g)) 내에서 난방 시스템을 간격을 두고 배치하기 위하여 로컬 열 전달 플랜트(70) 내의 펌프에 의해 순환한다. 버퍼 탱트(buffer tank, 84)는 단지 작은 부하가 제공될 때 쇼트 사이클(short cycling)을 방지하도록 열 펌프가 충분히 길게 작동될 수 있도록 하기 위해 빌딩 수 회로(80)에 유체적으로 결합된다. 빌딩 수 회로(80)는 또한 가정용 고온수 회로(88)에 열적으로 결합되는 가정용 고온수 열 교환기(86)에 유체적으로 결합된다. 가정용 고온수 회로(88)는 이들 빌딩 내에서 가정용 고온수에 대한 각각의 빌딩(20(e), 20(f), 20(g))에 대해 가열된 물을 제공하는 파이프(91) 및 가정용 고온수 탱크(90)를 포함한다. 열 에너지 회로(12) 내의 열 에너지는 빌딩 수 회로(8)에 전달되고, 그 뒤 공간 난방을 위해 빌딩 난방 시스템에 그리고 빌딩 수 회로(80)로부터 가열된 가정용 물이 제공된 가정용 고온수 회로에 전달되는 것으로 도시될 수 있다.
이 실시예에서 열 서버 플랜트는 지중열-교환 서버 플랜트(지중열-교환 server plant, 94)가 지열 공급원에만 열적으로 결합되는 것을 제외하고 도 4에 도시된 펌프 하우스(44)와 유사한 지중열-교환 서버 플랜트(94)이다.
이제 도 7을 참조하면, 또 다른 실시예에 따라서, DESS(10)는 지역 내의 각각의 빌딩(20(h), 20(i), 20(j))이 이의 자체적인 열 전달 장치(30)를 가지며 열 서버 플랜트가 도 6의 실시예에 대해 기술되고 예시된 바와 같이 지중열-교환 플랜트(94)이도록 구성될 수 있다.
이들 빌딩(20(h), 20(i), 20(j)) 각각에서 열 전달 장치(30)는 복사 난방 시스템 내에서 사용된 빌딩(20(i), 20(j)) 내의 물-대-물 열 펌프와, 강제 공 난방 시스템 내에서 사용된 빌딩(20(h)) 내의 물-대-공기 열 펌프 조립체와 같은 상이한 유형의 공간 난방 시스템일 수 있다. 대안으로, 도시되지 않았지만, 열 전달 장치(30)는 빌딩으로부터 열을 흡수하고 흡수된 열을 열 에너지 회로(12)로 배출하도록 구성된 회로 열 교환기를 포함하는 하나 이상의 냉방 시스템(도시되지 않음)도 포함할 수 있다. 또한, 대안으로, 도시되지 않았지만, DESS(10)는 전술된 일부 빌딩이 로컬 열 전달 플랜트에 의해 일괄로 공급되고 일부 빌딩은 이의 자체적인 열 전달 장치를 갖도록 지역에서 그 외의 다른 빌딩에 공급하는 도 6의 실시예에서의 플랜트(70)와 유사한 로컬 열 전달 플랜트를 포함할 수 있다.
이제 도 8을 참조하면, 또 다른 실시예에 따라서, 도 6에 도시된 로컬 열 전달 플랜트(70)와 지중열-교환 서버 플랜트(94)는 다수의 클라이언트 빌딩(20(k), 20(I), 20(m))에 공급하는 단일의 조합된 플랜트(100) 내로 조합될 수 있다. 이들 클라이언트 빌딩은 도 6의 실시예에서 열 전달 플랜트(70)에 대해 기술된 바와 동일한 방식으로 조합된 플랜트(100)에 열적으로 결합된 가정용 고온수 파이프와 조합된 플랜트(100)에 열적으로 결합된 공간 난방 시스템이 각각 제공된다. 열 서버 플랜트(94)와 열 전달 플랜트(70)를 조합함에 따라, 열 펌프 조립체(72)는 열 에너지 회로(12)에 대신에 열 펌프 플랜트 수 루프에 열적으로 결합되어 간다. 서버 플랜트는 이의 회로 열 교환기를 서버 플랜트 수 루프와 열 에너지 회로(12)와 유체 연통된 상태로 유지시킨다. 따라서, 지열 공급원 열 전달 장치에 의해 지열 공급원 수 루프로부터 또는 열 에너지 회로(12)로부터 서버 플랜트 수 루프로 전달된 열은 공간 난방 및 가정용 고온수를 빌딩(20(k), 20(I), 20(m))에 제공하기 위하여 사용될 수 있다.
이제 도 9(a)를 참조하면, 또 다른 실시예에 따라서, 한 쌍의 DESS((10)(a), 10(b))는 열 에너지 전달 스테이션(110)에 의해 서로 유체 및/또는 열적으로 결합될 수 있으며, 이의 실시예는 도 9(b) 내지 (d)에 도시된다.
각각의 회로(12)(루프 A, 루프 B) 내에서 온수 및 냉수 도관(14, 16)은 물이 임의의 지점에서 각각의 도관(14, 16) 내에서 유사한 압력으로 유지시키기 위해 각각의 도관(14, 16) 내에서 동일한 방향으로 이동되도록 배열된다. 설계는 회로(12) 내에서 모든 클라이언트 빌딩(20)을 만족시키는 크기로 형성된 하나 이상의 서버 플랜트(21)를 갖는 각각의 회로(12)를 기초로 한다. 그러나, 서버 플랜트 용량과 클라이언트 빌딩 부하는 매분 마다 그리고 매 계절마다 변화할 수 있어서 임의의 하나의 회로(12)는 온 및 냉 파이프 온도를 설정지점 초과 또는 미만으로 야기하는 불균형을 종료시킬 수 있다. 역으로, 향상된 성능을 구현하기 위하여, 작동자는 하나이의 회로의 온도를 변화시켜 추후 사용을 위해 에너지를 축적하기를 원할 수 있다. 한 회로(12)로부터 또 다른 회로로 열 에너지를 전달하는 또 다른 요인은 열 배터리와 같이 작동할 수 있는 지중열-교환 서버 내의 폐수 처리 플랜트와 같은 하나의 서버 플랜트로부터 잉여 에너지를 축적하기 위해 필요하다.
열적 불균형이 있을 때, 열 에너지는 하나의 회로(12(a))로부터 또 다른 회로(12(b))로 또는 일련의 회로(12)를 통하여 전달될 필요가 있다. 이를 구현하기 위하여, 회로(12) 간의 교차 연결이 하나의 회로(12)로부터 또 다른 회로로 열을 전달하기 위하여 열 에너지 전달 스테이션(110)에 의해 제공된다.
에너지 전달 스테이션(110)의 3가지의 상이한 실시예가 하기에 따라 기술된다:
1. 동일한 압력 구역 내에서 회로(12(a), (b)) 간의 열 전달(도 9(b)).
2. 상이한 압력 구역 내에서 회로(12(a), (b)) 간의 열 전달(도 9(c)).
3. 전달 스테이션(110) 내에 하나 이상의 열 서버 플랜트를 가지며 상이한 압력 구역 내에서 회로(12(a), (b)) 간의 열 전달(도 9(d)).
1. 동일한 압력 구역 내에서 루프들 간의 열 전달
도 9(b) 및 (e) 내지 (h)를 참조하면, 전달 스테이션(110)은 2개의 열 에너지 회로(12(a))의 온수 및 냉수 도관을 각각 결합하는 온수 및 냉수 전달 도관(120, 122)을 포함한다. 펌프(124)는 온수 전달 도관(120)에 결합되며, 제1 도관(12(a))으로부터 제2 도관(12(b))으로 물이 흐르도록 할 수 있다. 펌프(124)는 가변 속도 드라이브(Variable Speed Drive, (VSD))를 가져서 흐름 속도가 조절될 수 있다.
온수 전달 도관(120)에 결합된 셧 오프 밸브(shut off valve) 및 파이프와 연계된 한 쌍의 3-웨이 밸브(126)를 포함하는 변환 조립체(changeover assembly, 125)에 따라 물 흐름의 방향이 역전된다. 3-웨이 제어 밸브(126)의 위치(각각의 밸브(126)의 개방 위치는 윤곽만이 도시되고 폐쇄된 위치는 꽉찬 흑색으로 도시됨)를 기준으로 하는 4 가지의 작동 모드가 있다. 모드 1에서 제1 회로(12(a))로부터 제2 회로(12(b))로 물이 펌핑된다(도 9(e)). 제2 모드에서 제2 회로(12(b))로부터 제1 회로(12(a))로 물이 펌핑된다(도 9(f)). 제3 모드에서 펌프가 오프된 상태에서 한 방향으로 자유롭게 흐르며(도 9(g)), 모드 4에서는 흐르지 않는다(도 9(h)). 모드 4에서 회로(12(a), (b))는 열 에너지 전달이 없는 상태에서 독립적으로 작동될 수 있다.
몇몇의 회로(12)(도시되지 않음)를 통해 물이 전달될 때, 모드 3에서 그 외의 다른 전달 스테이션을 가지며 모드 1 또는 모드 2에서 하나의 전달 스테이션(110)에 단지 하나의 펌프(124)가 작동될 수 있다.
셧 오프 제어 밸브(shut off control valve, 128)는 회로(12(a), (b)) 간의 물의 흐름을 차단하기 위하여 냉수 전달 도관(122) 상에 제공된다. 셧 오프 제어 밸브(128)는 교차-연결된 그 외의 다른 루프인 루프들 간의 압력 차이로 인해 냉수 전달 도관(122)을 통한 흐름이 없으며 이를 보장하기 위하여 모드 4에서 폐쇄된 상태로 있는 제2 분리 수단이다. 셧 오프 제어 밸브(128)는 2개의 회로(12(a), (b)) 내에서 상대 압력에 기초로 하는 흐름을 제어할 수 있는 변조 유형이다.
2. 상이한 압력 구역 간의 열 전달
도 9(c)를 참조하면, 상이한 압력에서 작동되는 회로(12(a), (b))의 경우 전달 스테이션(110)은 물을 전달하지 않고 회로(12(a), (b)) 간에 열 에너지를 전달한다. 전달 스테이션(110)은 열적으로 결합되지만 유체 분리된 제1 및 제2 열 전달 구역 및 열 교환기(112)의 제1 및 제2 열 전달 구역과 각각의 회로(12(a), (b))의 온수 고관 및 냉수 도관을 유체적으로 결합하는 파이프를 포함하는 액체-대-액체 열 교환기(112)를 포함한다. 전달 펌프(114, 116)는 열 교환기(112)에 각각의 회로(12(a), (b))를 결합하는 파이프 상에 제공되고, 열은 더 고온의 회로로부터 더 저온의 회로로 열 교환기(112) 내에서 전달될 수 있도록 각각 열 교환기를 통해 각각의 회로(12(a), (b))로부터 물을 흐르게 할 수 있다.
열 교환기(112)는 1 ˚C의 어프로치(approach)를 획득할 수 있는 역류 열 교환기, 세척가능한 플레이트(cleanable plate) 및 스테인리스 스틸이다. 즉, 유체는 그 외의 다른 유체의 진입 온도의 1 ˚C 내에서 열 교환기(112)로부터 배출된다. 전달 펌프(114, 116)는 각각의 회로(12(a), (b)) 내에서 냉수 도관(16)으로부터 온수 도관(14)으로 유체를 펌핑한다. 이 흐름은 역전될 수 있어서 전달 펌프(114, 116)는 시나리오 1(도시되지 않음)에 대해 사용된 펌프에 대해 체인지오버 조립체를 사용함으로써 온수 도관(14)으로부터 냉수 도관(16)으로 물을 펌핑한다.
시스템의 압력 제어부가 하나의 루프 내에 있을 수 있지만 그 외의 다른 루프에는 제공되지 않기 때문에 압력 강하가 필요하다면 PRV 또는 압력 증가를 위한 연계된 파이프 및 부스터 펌프(118)가 선택적으로 제공된다.
3. 하나의 스테이션 내의 서버와 상이한 압력 구역 간의 열 전달
도 9(d)를 참조하면, 도 9(c)에 도시된 것과 유사한 전달 스테이션(110)은 열 교환기(112)의 각각의 측면에 제공된 각각의 파이프에 각각 결합된 한 쌍의 서버 플랜트(130)가 추가로 제공된다. 이 배열은 열 교환기(112)를 서버 플랜트 빌딩 내로 일체 구성하고, 펌핑을 단순화할 수 있으며 공급원 또는 싱크인 설비에 열 전달을 제공하는 설비의 공유를 통해 제어될 수 있다. 각각의 서버 플랜트는 예시적인 지열 공급원, 열 공급원 및 싱크(131)를 포함하는 것으로 도시되고, 서버 플랜트(130)는 전술된 바와 같이 그 외의 다른 열 공급원 및 싱크에 열적으로 결합될 수 있다.
전형적인 장치는 저압 하측 루프(B)에 직접 연결된 또 다른 세트와 고압 상측 루프(A)에 직접 연결된 지중열-교환 열 펌프와 같은 하나 이상의 에너지 공급원/싱크일 수 있다. 일 세트의 열 펌프의 용량을 갖는 고압 루프(A)와 저압 루프(B) 사이의 열 교환기에 따라 열 펌프는 상측 또는 하측 루프에 대해 제공될 수 있다. 이 배열에 따라 도한 2개의 루프는 열 펌프를 사용하지 않고 루프로부터 루프로 전달되는 열에 대해 또는 독립적으로 작동될 수 있다.
도 10은 도면에서 펼쳐진 것으로 도시된 DESS(10)에 따른 지역의 포토그래프이다. DESS(10)는 폐수 열 회수 공급원(23), 거주 빌딩(20)(클라이언트 열 싱크), 아이스 아레나(ice arena, 20)(클라이언트 열 싱크), 및 학교, 수영장 및 그린 하우스 로드(green house load, 20)를 포함한다. 실선은 열 에너지 회로의 온수 및 냉수 도관을 나타낸다. 점선은 고온 전달 도관을 나타낸다.
도 11은 에너지가 DESS(10)를 통해 다수의 열 공급원으로부터 관리되고 균형이 유지되는 방식 및 DESS(10)의 열 전달 매체로서 허용되는 경우 물이 회수될 수 있는 방식을 나타내는 블록도이다.
또 다른 실시예에 따라서 도 12를 참조하면, DESS(10)는 그레이워터 공급원(grey water source, 152)으로부터 열 에너지 회로(12) 내로 그레이워터를 흐르게 하고 특정 가정용 수의 사용을 위해 이 물의 적어도 일부를 클라이언트 빌딩으로 전달하기 위한 그레이워터 주입 조립체(grey water injection assembly, 150)를 포함한다.
용어 "그레이워터"는 음용수 기준에는 부합되지 않지만 화장실 물내림 용도, 외부 청소 또는 세척과 같은 특정 용도로 클라이언트 빌딩에 사용될 수 있는 잡용수(non-potable water)를 의미한다.
이 실시예에서, 열 에너지 회로(12), 뿐만 아니라 클라이언트 빌딩(20)으로 열 에너지의 전달에 따라 클라이언트 빌딩(20)으로 그레이워터를 분배할 수 있다. 그레이워터는 화장실 물내림 용도 및 청소용으로 사용될 수 있으며, 이에 따라 응용수의 소모가 상당히 줄어든다.
DESS(10)가 통상적으로 폐쇄된 루프일지라도, 그레이워터 주입 조립체(150)에 따라 DESS(10)는 부분적으로 개방되고, 이에 따라 회로(12) 내의 파이프는 플라스틱, 비-철 금속 및 스테인리스 스틸과 같은 적합한 재료를 사용하는 개방 시스템에 대해 적합해야 하다.
하수 처리 플랜트로부터 유출되는 깨끗한 그레이워터는 회로(12) 내에서 특히 열 교환기 내에서 이물질 또는 식물의 생성을 방지하기 위하여 특정 기준에 부합되어야 한다. 또한 위생의 요인으로 기준에 부합되어야 한다. 그러나, 필요한 기준은 음용수의 경우 더 낮다.
그레이워터를 주입함에 따라 DESS 내에서 물의 흐름이 증가되지만 그레이워터 요구는 에너지 전달을 위해 필요한 물의 흐름에 비해 상당히 낮다. 따라서, 파이프의 크기는 그레이워터의 유입되는 흐름을 수용하기 위해 통상적으로 증가될 필요가 없다.
그레이워터 주입 장치의 부품이 기술된다:
그레이워터 공급 도관(grey water supply conduit,153)은 그레이워터 공급원(152)을 열 서버 플랜트(21) 내에서 파이프에 유체적으로 결합하고, 이 경우, 그레이워터 공급 도관(153)은 그레이워터가 가온됨에 따라 온수 공급 도관(154)에 결합되며 일부 열 에너지를 회로(12)에 제공할 수 있으며, 그러나 그레이워터 공급 도관(153)은 특히 그레이워터가 냉각된다면 대안으로 냉수 공급 도관(156)에 결합될 수 있다.
그레이워터 공급 도관(153)을 흐르는 그레이워터는 우선 여과 장치(도시되지 않음)를 통해 흘러서 위상, 미립자 농도 및 미생물 성장 가능성에 대한 필요한 기준에 부합될 수 있다. 압력 제어 장치(156)는 회로(12) 내의 수압을 조절하기 위해 제공되고 여고 장치의 하류에 위치된 그레이워터 공급 도관(153)에 결합된다. 특히, 압력 제어 장치(156)는 DESS(10)보다 높이 그레이워터의 압력을 증가시키는 표준 압력 부스팅 펌핑 시스템(standard pressure boosting pumping system)을 갖는다. 펌핑 시스템은 물의 가변 흐름을 설정 압력으로 전달하는 쿠션 탱크(cushion tank) 및 펌프 제어 밸브의 장치로 구성된다. 펌핑 시스템의 설정 압력은 DESS(10)에 대해 필요한 압력이다. 제어 장치(156)는 또한 회로 내에서 수압을 감소시키기 위하여 하나 이상의 PRV를 포함할 수 있다. 압력 제어 장치는 온수 도관에 대한 그레이워터의 흐름 속도를 가변시키기 위해 작동가능하고 펌프에 유체적으로 결합된 큐션 탱크 및 하나 이상의 제어 밸브를 추가로 포함할 수 있다.
각각의 클라이언트 빌딩(20)에 제공되는 온수 도관(14)은 열 펌프 흐름과 동시에 그레이워터 흐름을 취하도록 크기가 형성된다. 전형적인 주택의 경우, DESS는 1 인치의 직경일 수 있으며, 그레이워터가 추가 시에 이는 1과 1/4 인치의 직경일 수 있다. 빌딩의 온수 공급 도관(159)으로부터의 매설형 테이트-오프 도관(158)은 그레이워터 사용량을 측정하기 위해 수량계가 제공될 수 있으며, 그 뒤 물은 빌딩(20)의 세척 시스템과 화장실 플러싱 시스템(도시되지 않음)에 연계될 수 있다.
임의의 클라이언트 빌딩(20)에 의한 그레이워터의 사용량은 전체 회로(12) 내에서 압력을 감소시킬 수 있으며, 압력 제어 장치(156)는 압력 강하를 감지하고 설정 압력을 유지시키기 위하여 DESS(10) 내로 새로운 그레이워터를 유입시킬 수 있다.
전술된 바와 같이, DESS(10)는 지역 내에서 빌딩에 대해 난방 및 냉방 모두를 제공하고, 저온 수-기반 파이프 시스템을 통해 개별 열 공급원 및 클라이언트를 결합하는 모듈식 저급 열 에너지 네트워크이다. DESS(10)는 거주용, 공공용, 상업용 및 산업용 지역에 적용될 수 있다. 저온수에 전달될 수 있는 열의 임의의 공급원은 지열, 지중열-교환, 지하수, 표면수, 폐수, 냉방 시스템, 아이스 링크, 태양열 수집기, 배기 공기 스트림, 디젤 제너레이터 및 굴뚝과 같은 개별 공급원을 포함하는 DESS(10) 내로 일체구성될 수 있다. DESS(10)는 이들 열 공급원으로부터 이 저급 열을 포획하고, 이 열을 열 전달 장치 내에서 열 펌프를 사용함으로써 빌딩을 난방하고 물을 제공하기 위한 더 고급으로 저급 열 에너지를 변환하는 클라이언트에 분배하거나 또는 열을 공조를 위한 저급 시스템으로 회수시킨다.
열 에너지 회로(12)는 에너지 전달 기능뿐만 아니라 에너지 축적 기능을 모두를 제공하며, 이들 두 기능에 따라 열 공급원을 공유할 수 있으며, 다양성을 통해 필요한 열 공급원 크기가 줄어들 수 있다. DESS(10)의 열 에너지 회로(12) 내에서 사용된 파이프의 온도는 지면 온도에 근접하고, 이에 따라 단열될 필요가 없다. 파이프는 고밀도 폴리에틸렌(그 외의 다른 파이프 시스템에 비해 상당히 저가인 HDPE)일 수 있으며, 낮은 작동 온도로 인해 사용될 수 있다.
존재하는 도로 및 빌딩에 대한 종래의 지역 에너지 해결방법의 통합은 통합이 완료되기 전에 빈번하게 상당한 자본 지출을 요하는 논리적 시도일 수 있다. 바람직하게는, HDPE 파이프 내로의 상대적으로 용이한 설치 및 탭핑(tapping)과 DESS(10)의 모듈식 특성에 따라 점진적으로 확장될 수 있으며, 자본 지출의 조기 회수가 가능하다.
DESS(10)는, 에너지가 지면, (정적) 대수층(aquifer), 호수, 및 해양과 같이 장래 사용을 위해 축적 또는 인출될 수 있는 공급원 및/또는 싱크인 에너지 비축량의 사용을 특징으로 할 수 있다. 그 외의 다른 공급원은 짧은 기간 동안 재사용되어야 하고 제한된 비축 용량, 가변 출력 범위를 갖는 공급원을 포함한다. 이들 공급원은 폐수 유출물, 공조, 아이스 링크, 산업 공정 및 공-발전 공정과 같은 그 외의 다른 영역에서 이용되도록 난방 및 냉방이 인출될 필요가 있는 대형 에너지 회수 공급원을 포함할 수 있다. 이용가능한 공급원에 있어서, 부하는 DESS(10)에 연결된 빌딩의 효율을 최적화하고, 주위 환경으로 방출되는 폐열을 최소화하며, DESS(10)를 프리컨디셔닝함으로써(preconditioning) 피크 부하(peak load)를 감소시키는, 조합된 거주, 상업 및 산업 응용예에 대해 개발된 공급원 및 다중-루프, 하이브리드 시스템에 적합해진다.
열 공급원(23)으로부터 포획된 열은 또한 축적될 수 있으며, 지열 공급원, 열적 시스턴 축적(thermal cistern storage), 시스템 인프라스트럭쳐(system infrastructure) 또는 풀을 포함하는 축적 옵션들은 다양할 수 있다. 온수 및 냉수 도관(14, 16)은 DESS(10)에서 사용된 열 펌프의 효율을 상당히 증가시키기 위해 온도 차이를 제공한다. 더 저온의 물을 난방 및 회수를 위해 온수 도관(14)으로부터의 온수를 냉수 도관(16) 내로 끌어당김으로써, 이는 부하를 오프셋설정할 수 있다. 일부 시스템은 전형적으로 난방 모드 및 일부 냉방 모드에서 작동되며, DESS(10)는 지역에 대한 전체 필요량을 최소화시키는 이들 부하를 오프셋 설정한다. 1차 열 공급원 또는 싱크인 지중열-교환과 같은 일차 공급원 대신에, 이는 계절적 부하에 대해 더 많은 비축과 같이 DESS(10)의 에너지 필요량의 균형을 유지시키기 위한 수단으로서 더 큰 역할을 한다.
도 12에 도시된 바와 같이, DESS(10)는 또한 폐수 처리 플랜트 또는 물이 재생되는 그 외의 다른 공정으로부터 재생된 물의 운반자(conveyor)로서 사용될 수 있다. 이에 따라, 지역 위생 및 환경 규제에 부합되는 물의 품질이 보장되고, 이들 공급원으로부터 열 회수의 효율이 증가되며, 재생된 물은 화장실 물내림 용도, 세척, 스트림 증대(stream augmentation) 및 음용수를 요하지 않는 그 외의 다른 물의 제공을 위해 재생된 물을 이용함으로써 음용수에 대한 요구량을 줄일 수 있다.
DESS(10)는 또한 우수(storm water)를 여과함으로써 이의 관리를 돕는 운반수단(vehicle)으로 사용될 수 있으며, 이의 온도에 따라 우수를 온수 또는 냉수 도관(14, 16)을 통해 이송시킨다. 상당한 폭풍 해일(storm surge) 시에, DESS(10)는 과도한 우수를 더 잘 처리할 수 있는 지역 공동체에서 또 다른 영역에 대한 지역 공동체의 한 영역에서 과도한 우수를 분기하는데 도움이 될 수 있다. DESS(10)는 확장가능한 지역 시스템에 대한 효과적인 모델을 제공하고, 온도 시스템의 문제점을 해결한다. 이는 1차 분배 시스템으로서 루프의 형태인 상대적으로 저온의 온수 및 냉수 도관을 이용한다. 가변 온도의 다수의 루프들은 하나의 루프 또는 네트워크로부터 또 다른 것으로 에너지의 효과적인 전달을 최대화하기 위하여 연결되고 균형이 유지된다. 큰 집중화된 열 에너지 시스템에 추가로, 도 9("소형-플랜트")에 도시된 바와 같이 더 작은 국부적인 열 에너지 밸런스 전달 스테이션은 새로운 열 에너지 공급원을 추가하고, 다양한 루프들 간에 그리고 루프의 세그먼트들 간에 열 에너지의 균형을 유지하고 이를 관리하기 위해 사용될 수 있다. 후자의 해결방법은 당해 과세 표준(tax base) 또는 발달(development)의 현 상태와 DESS(10)의 자본비의 조화를 돕고, 동시에 DESS(10)가 현존 지역 공동체에 대한 발달 또는 확장에 따라 용이하게 성장할 수 있도록 한다. 큰 공급원 및 싱크에서 작은 소형-플랜트를 사용함으로써, 온수 및 냉수 도관(14, 16)의 균형을 유지시키고 환경 또는 설비로부터 저급 열을 포획할 수 있다. 이러한 해결방법에 따라 또한 DESS(10)의 확장이 용이해지고, 각각의 플랜트는 에너지를 DESS(10)의 그 외의 다른 부분으로 분기시킬 수 있다. 상호연관성은 DESS(10)의 안정성을 증대시키며, 용이한 확장이 가능하게 한다.
소형-플랜트는 하나의 루프로부터 또 다른 루프로 열 에너지의 효과적인 수집, 축적 및 전달을 제어하고 이의 균형을 유지시키기 위한 임의의 개수의 축적 탱크, 열 교환기, 펌프, 및 열 펌프를 포함할 수 있다. 이들 소형-플랜트은 회로(12)의 프리컨디셔닝에 도움이 되고, 또한 회로(12) 전체에 대해 축적 위치로의 과도한 열 에너지의 효과적인 전달이 최대화된다. 축적 위치는 비-압축되거나, 플라스틱 또는 금속일 수 있는 축적 탱크일 수 있으며, 소형-플랜트 내에 위치되거나 또는 외부에 매설될 수 있다. 다수의 열 펌프에 따라 플랜트는 필요한 용량이 증가됨에 따라 확장될 수 있다. 소형-플랜트는 모듈식이고, 공장-장착식(factory built)이며, 시험되고, 설비는 콘크리트 챔버 내에 수용될 수 있거나, 부분적으로 매설될 수 있거나 또는 옥상 설비(rooftop equipment)와 유사하게 접근 패널을 포함하는 낮은 높이의 공장 시트 금속 엔클로저 내에 수용될 수 있다. 다양한 거주지 또는 상용 빌딩과 같은 더 큰 빌딩의 경우, 소형플랜트는 빌딩 내로 통합될 수 있다.
최적화된 관점으로부터, 이용가능한 에너지 공급원은 지점 마다를 기준으로 평가되며, DESS(10)는 DESS(10)의 지속가능성(sustainability)을 최대화하고 비용을 최소화하기 위해 이용가능한 공급원 주위에 설계되다. DESS(10)는 또한 냉방으로부터 거절된 에너지와 난방을 위해 필요한 에너지의 균형을 유지시킴으로써 지역 공동체의 난방, 냉방 및 가정용 고온 수에 대해 필요한 전체 에너지를 줄이는데 사용될 수 있으며, 이에 따라 기반(infrastructure)의 총 비용이 줄어든다. 하나의 영역에서의 빌딩으로부터 거절되거나 또는 하나 이상의 공급원 또는 축적 위치로부터 수집된 열은 난방이 필요한 지역으로 전달될 수 있다. 이 방법에서, 부하는 지역에 걸쳐서 할당된다. 유사하게, 난방 모드에서의 빌딩으로부터 거절되거나 또는 하나 이상의 공급원 또는 축적 위치로부터 수집된 냉각 수는 빌딩을 더 효율적으로 냉방하는데 사용될 것이다. 난방 및 냉방 에너지의 이 할당은 네트워크에서 전체 에너지 소모를 감소시키고, 필요한 추가 공급원의 양을 줄인다.
일련의 특수한 구성 요소 및 하위 조립체가 DESS(10)의 일부를 형성할 수 있으며, 다음 중 적어도 하나를 포함할 수 있다:
● 로우 헤드 하이 플로우 인-라인 펌프 장치(Low head high flow in-line pump arrangement).
● 하나의 파이프 또는 두 개의 파이프 작동이 가능하고, 운동 에너지를 DESS 주 수류에 인가하기 위한 공급원 또는 클라이언트 연결부를 위한 HDPE 벤투리 주입 티(HDPE venturi injection tee). 하나의 파이프가 작동함에 따라 2개의 파이프는 작동중단되는 동시에 시스템은 여전히 더 낮은 효율의 비용으로 작동됨.
● 하나 또는 두 개의 파이프 DESS 작동을 이용하기 위한 2개 또는 4개의 파이프 빌딩 연결부(building connection) 및 밸브 조립체.
● 물, 또는 물과 암석(rock)이 내부에 채워진, 인-그라운드 비-압축식 층화된 열 축적 탱크(in-ground non pressurized stratified heat storage tank)
● DESS 네트워크 내의 그 외의 다른 소형 플랜트 및 구역으로부터 및 이에 대해 에너지의 전달을 제어하고, 에너지를 전달, 인출 및 축적하도록 배열되고, 다양한 부하, 공급원 및 DESS에 연결되는 소형-플랜트.
● 흐름, 난방 및 냉방을 위한 에너지 측정 장치(energy metering device) 및 소프트웨어.
● 온도 제어 시스템 및 네트워크 DESS 흐름용 소프트웨어.
● 접속가능한 인-라인 원격 온도 및 압력 모니터링 장치.
북아메리카에서, 대부분의 이용가능한 열에너지 공급원은 전형적으로 저온 공급원이며, 이에 대해 열 펌프는 난방 또는 냉방의 수준을 높일 필요가 있다. 다수의 열 펌프는 DESS(10) 내에 배치 시에 5.5 초과의 성능 계수를 획득할 수 있다. 이는 난방 및 냉방의 전체적인 빌딩 에너지 소모를 80% 정도 줄여주고, 전체 빌딩 에니지 소모를 45% 정도 줄여주는 효과를 나타낸다. 지역 내에서 전체 전기적 에너지 소모를 최소화시킴으로써, 그 외의 다른 대체 에너지가 더 적합해지며, 추가로 프로젝트의 지속 가능성이 촉진 및 증가된다. 분배된 에너지 공급원의 스테이징(staging)을 고려하고 유연한 기계적 시스템을 유지할 때, 다음과 같은 두 가지의 옵션이 있다: 고온에서 모든 에너지 공급원을 변환(더 낮은 급의 에너지 공급원에 대해서는 적합하지 않을 수 있음) 또는 주위 온도에서 분배. 이웃 지역을 개장할 때, 후자의 방법은 최적의 통합 요건에 따라 최대 135°F-180°F 까지 전달 온도를 올리는데 사용될 수 있는 열 펌프를 포함한 소형-플랜트 에너지 센터와 조합될 수 있다.
이 방법은 존재하는 기계적 룸 내의 공간이 발견되지 않을 때 통합을 단순화하는 고온 전달 시스템과 저비용 및 저에너지 손실 주위 온도 분배 시스템의 효율을 최대화시킨다. 고온이 단지 짧은 거리에 대해서만 필요하기 때문에, 라인 손실(line loss)이 제한될 수 있으며, 전달된 에너지는 더 우수하게 관리될 수 있어서 DESS(10)의 전체 라이프 사이클 비용이 감소되는 동시에 통합 요건(integration requirement)이 단순화된다.
열 에너지 회로(12)는 잠재적으로 상당한 열 에너지 축적 시스템을 나타내며, 그 결과 초과 열 에너지가 회로(12) 내의 수 도관(14, 16) 중 하나의 평균 온도를 조절함으로써 회로(12) 내에 축적될 수 있다. 수온의 프리컨디셔닝 또는 수온을 조절 및 축적하기 위한 이 능력은 첨두삭감(peak shaving) 및 부하 매칭(load matching)을 포함하는 다수의 잠재적 이점을 가질 수 있다. 로드 매칭은 외부 공기 온도와 빌딩 설정 온도 모두를 모니터링하고, 예상된 난방 및/또는 냉방 부하를 더 우수하게 조화시키기 위해 회로(12)의 온도를 상승 또는 하강시킴으로써 수행되고, 이에 따라 설비는 더 효율적으로 작동될 수 있고 열 펌프의 성능이 향상될 수 있다. 첨두삭감은 DESS(10)가 첨두 전기 삭감 및 첨두삭감을 수행할 수 있도록 상용 및/또는 거주용 전기 가격에 대한 임계 가격에 도달되기에 앞서 예상된 부하에 조화시키기에 앞서 회로(12)를 프리컨디셔닝함으로써 수행된다. 전기에 대한 피크 에너지 비용에 유리하게 회로(12)를 프리컨디셔닝함으로써 이러한 시간 동안에 더 적은 펌프 및 열 펌프가 구동을 위해 필요하며, 이에 따라 더 효과적으로 작동할 것이다. 이는 필요한 부하 차지(demand load charge)에 따른 빌딩에 대해 피크 부하 요구 비용을 감소시킬 것이며, 작동 비용을 잠재적으로 상당히 감소시킬 것이다.
회로(12)가 열 에너지에 대한 축적 용기(storage vessel)를 나타낼지라도, 추가 축적은 빌딩 내의 예비-열 탱크 또는 지역 내의 축적 탱크에 대해 추가될 수 있다. 예를 들어, 예비열 탱크는 DESS(10)의 일부로서 제공될 수 있다.
DESS(10)의 또 다른 중요한 장점은 모듈식 지역 에너지의 사용에 있다. DESS(10)는 다수의 공급원(지속 가능 연료 및 화석 연료 모두를 기반)과 통합되고, 전체 에너지 요구량을 관리하며 및 전체 지역에 걸쳐서 필요량을 축적할 수 있는 기반 통합(infrastructure integration)을 제공하고, 전체 "그리드" 또는 영역에 걸쳐서 수요량 및 축적 용량을 관리하며, 다수의 지역 공동체를 통합할 수 있다. 분배 및 전달 시스템은 빌딩 시스템을 개장하는 비용을 최소화하기 위하여 고온 빌딩 연결부 요건(high temperature building connection requirement)에 따라 저 강도/온도 분배를 통합하고, 더 높은 온도의 통합을 위해 존재하는 빌딩의 요구에 따라 저/주변 온도 분배의 이점을 제공하며, 저급 열 에너지 또는 고급 열 에너지에 대해 존재하는 빌딩 시스템의 요건에 부합되도록 빌딩 연결부를 제공한다.
DESS(10)는 소형-플랜트가 "그리드" 프레임워크 내에 가온 및 냉방 파이프 시스템과 조합될 때 신뢰성을 제공하고, 개개의 소형 플랜트는 전체적으로 DESS(10)을 저하시키지 않고 서비스를 위한 라인을 제거할 수 있다. DESS(10) 내에서 모듈이 상호연결됨에 따라 신뢰성이 향상되며, 개장 비용(retrofitting cost)은 빌딩의 요구에 대해 빌딩 연결부의 유형과 가장 적합해짐으로써 줄어든다. DESS(10)는 복수의 압력 구역 및 열 에너지 전달 구역을 이용할 수 있다. 소형-플랜트는 DESS 네트워크 또는 지역 공동체 내에서 상이한 압력 구역을 통합하는데 도움이 되는 사상을 제공한다. 네트워크의 인접한 영역들은 둘 이상의 구역들 간에 그리고 전달 펌프와 교차-연결된 자체의 루프를 갖는다. 인접한 루프가 실질적으로 상이한 높이(elevation)를 갖는 더 경량의 듀티 파이프(duty pipe)의 사용을 허용할 수 있는 적합한 수준으로 파이프 내의 압력을 유지하기 위하여, 교차 연결이 열 교환기에 의해 제공될 수 있다. 전술된 바와 같이, 소형 플랜트에 따라 또한 하나의 구역으로부터 또 다른 구역으로 에너지의 밸런싱, 관리 및 전달이 가능하고, 다수의 구역에 걸쳐서 열 에너지를 전달하기 위해 설정 및 제어될 수 있다. 에너지 밸런싱은 대안의 에너지 공급원이 일간 및 계절적 변경을 갖도록 제공될 수 있으며, 이에 따라 하나의 공급원에 기초한 전체 지역 에너지 시스템을 형성하기가 상당히 곤란하거나 또는 비용-금지적이다(cost prohibitive). DESS의 모듈식 특성 및 다수의 공급원을 통합하기 위한 이의 능력에 따라 부합되는 지역 공동체의 총 에너지 요구량을 제공함으로써 임의의 주어진 공급원의 비용이 줄어들고, 제공된 에너지는 지속될 수 있으며, 이들 지속가능한 공급원은 잠재적 재건(potential redevelopment)의 밀도를 증가시키는데 사용될 수 있다.
단지 짧은 거리에 대해 고온이 사용되기 때문에, 라인 손실이 제한될 수 있으며, 전달된 에너지는 더 우수하게 관리될 수 있어서 DESS의 전체 라이프 사이클 비용이 감소되는 동시에 통합 요건이 단순화된다. 이들 더 높은 출력 온도 열 펌프의 효율을 최대화하기 위하여, 이들 더 높은 출력 온도 열 펌프에 대해 다소 높은 입력 온도가 제공되도록 DESS 회로 온도를 프리컨디셔닝할 필요가 있을 수 있다. 이는 현존하는 빌딩 난방 및 냉방 시스템을 가능한 많이 재사용할 요구 및 특정 난방 제약에 따라 현존하는 빌딩이 제공되는 현존하는 지역 공동체에 대해 DESS를 개장할 때, 특히 중요하다. 이는 또한, 전체 루프 온도가 개별적인 빌딩 난방 및 냉방 요건에 반영되도록 더욱 동적으로 관리될 수 있는 것을 의미하며, 이에 따라 에너지가 네트워크 상의 각각의 빌딩 내로 전달되는 성능이 최대화되고 에너지 공급 비용이 감소된다. 루프 온도는 난방 및 냉방을 위한 빌딩의 요구가 반영되도록 더 정확히 제어될 수 있다. 빌딩 내에서 설비는 요구되는 것만 수행하도록 제어될 수 있다.

Claims (16)

  1. 지역 에너지 공유 시스템으로서,
    -열 에너지 회로를 포함하고, 열 에너지 회로는 제1 온도에서 열 전달 액체의 흐름을 위한 온수 도관과 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 열 전달 액체의 흐름을 위한 냉수 도관을 포함하고,
    -열 펌프 조립체를 포함하고, 열 펌프 조립체는 가역 열 펌프, 클라이언트 빌딩에 열적으로 결합되며 열 펌프에 열적으로 결합된 빌딩 열 교환기, 열 펌프를 열 에너지 회로에 열적으로 결합하는 회로 열 교환기, 회로 열 교환기를 온수 및 냉수 도관에 유체적으로 결합하는 파이프, 파이프에 결합된 하나 이상의 순환 펌프 및 유체 경로가 온수 도관으로부터 회로 열 교환기를 통하여 냉수 도관까지 열 전달 액체의 흐름을 위한 파이프를 통해 형성되는 난방 모드와 유체 경로가 냉수 도관으로부터 열 교환기를 통해 온수 도관까지 열 전달 유체의 흐름을 위한 파이프를 통하여 형성되는 냉방 모드 간의 변환이 가능하고 파이프에 결합된 하나 이상의 제어 밸브를 포함하는 밸브 조립체를 포함하는 지역 에너지 공유 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 밸브 조립체는 온수 및 냉수 도관이 파이프를 통하여 열 교환기와 유체연통되지 않는 오프 모드로 추가로 변환가능한 지역 에너지 공유 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 하나 이상의 제어 밸브는 변조 밸브인 지역 에너지 공유 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 밸브 조립체는 한 쌍의 3-웨이 제어 밸브를 포함하고 제1의 3-웨이 제어 밸브는 온수 도관, 냉수 도관 및 회로 열 교환기의 입구에 유체결합되며, 제2의 3-웨이 제어 밸브는 온수 도관, 냉수 도관 및 회로 열 교환기의 출구에 유체 결합되고, 밸브 조립체가 난방 모드에 있을 때 제1의 3-웨이 제어 밸브는 냉수 도관을 폐쇄하고 회로 열 교환기의 입구와 온수 도관에 대해 개방되며, 제2의 3-웨이 제어 밸브는 온수 도관에 대해 폐쇄되고 회로 열 교환기의 출구와 냉수 도관에 대해 개방되는 지역 에너지 공유 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 밸브 조립체는 회전 액추에이터 및 4개의 포트를 갖는 단일의 4-웨이 제어 밸브를 포함하고, 4개의 포트는 온수 도관에 유체 결합된 제1 포트, 회로 열 교환기의 입구에 유체 결합된 제2 포트, 냉각수 도관에 유체 결합된 제3 포트 및 회로 열 교환기의 출구에 유체 결합된 제4 포트를 포함하고, 회전 액추에이터는 난방 모드에서 제1 및 제2 포트를 유체결합하며 제3 및 제4 포트를 유체 결합하고, 냉방 모드에서 제1 및 제4 포트를 유체 결합하며 제2 및 제3 포트를 유체 결합하는 지역 에너지 공유 시스템.
  6. 지역 에너지 공유 시스템으로서,
    -열 에너지 회로를 포함하고, 열 에너지 회로는 제1 온도에서 물의 흐름을 위한 온수 도관, 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 물의 흐름을 위한 냉수 도관 및 물을 펌핑하기 위하여 온수 도관과 냉수 도관 중 하나 이상의 도관에 결합된 하나 이상의 회로 펌프를 포함하고,
    -그레이워터 주입 조립체를 포함하고, 그레이워터 주입 조립체는 그레이워터가 온수 도관 또는 냉수 도관에 공급되도록 그레이워터 공급원에 유체 결합되고 냉수 또는 온수 도관에 유체 결합된 그레이워터 공급 도관 및 열 에너지 회로 내의 수압을 조절하도록 작동가능하고 열 에너지 회로 또는 그레이워터 공급 도관에 유체결합된 압력 제어 장치를 포함하고,
    -열 에너지가 열 에너지 회로와 클라이언트 빌딩 사이에서 전달될 수 있도록 클라이언트 빌딩에 열적으로 결합되며 온수 및 냉수 도관에 유체 결합된 클라이언트 빌딩 열 전달 장치를 포함하고,
    -그레이워터가 잡용수의 용도로 빌딩에 공급될 수 있도록 클라이언트 빌딩에 유체결합되고 온수 도관에 유체 결합된 그레이워터 테이크-오프 도관을 포함하는 지역 에너지 공유 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 그레이워터 주입 조립체는 압력 제어 장치의 상류에서 그레이워터 공급 도관에 유체결합된 여과 장치를 추가로 포함하는 지역 에너지 공유 시스템.
  8. 제6항에 있어서, 압력 제어 장치는 열 에너지 회로 내에서 물의 압력보다 높이 그레이워터의 압력을 증가시키기 위한 하나 이상의 펌프를 포함하는 지역 에너지 공유 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 압력 제어 장치는 온수 도관에 대해 그레이워터의 흐름 속도를 변화시키고, 펌프에 유체 결합된 큐션 탱크 및 하나 이상의 제어 밸브를 추가로 포함하는 지역 에너지 공유 시스템.
  10. 제6항에 있어서, 서버 플랜트를 추가로 포함하고, 서버 플랜트는 열 공급원 또는 열 싱크에 열적으로 결합되며, 열 에너지 회로에 열적으로 결합된 회로 열 교환기, 온수 및 냉수 도관에 열 교환기를 유체 결합하는 파이프 및 파이프에 결합된 펌프를 포함하고, 그레이워터 공급 도관은 파이프에 유체 결합되는 지역 에너지 공유 시스템.
  11. 제6항에 있어서, 그레이워터는 제2 온도의 물보다 더 높은 온도를 가지며, 그레이워터 공급 도관은 온수 도관에 유체결합되는 지역 에너지 공유 시스템.
  12. 지역 에너지 공유 시스템으로서,
    -제1 및 제2 열 에너지 회로를 포함하고, 제1 및 제2 열 에너지 회로는 제1 온도에서 열 전달 액체의 흐름을 위한 온수 도관, 제1 온도보다 낮은 제2 온도에서 열 전달 액체의 흐름을 위한 냉수 도관 및 열 전달 액체을 펌핑하기 위하여 온수 도관과 냉수 도관 중 하나 이상의 도관에 결합된 하나 이상의 회로 펌프를 포함하고,
    -제1 및 제2 열 에너지 회로를 열적으로 결합하기 위한 열 에너지 전달 스테이션을 포함하고, 열 에너지 전달 스테이션은 제1 및 제2 열 에너지 회로를 유체 결합하고 이들 사이에서 열 전달 유체를 흐르게 하는 펌프를 포함하는 액체 전달 조립체와 제1 및 제2 열 에너지 회로를 유체적으로 분리하고 열적으로 결합하는 열 교환기 조립체 중 하나 이상을 포함하는 지역 에너지 공유 시스템.
  13. 제12항에 있어서, 열 에너지 전달 스테이션은 단지 액체 전달 조립체만을 포함하고,
    -제1 및 제2 열 에너지 회로의 온수 도관을 유체결합하는 온수 전달 도관,
    -제1 및 제2 열 에너지 회로의 냉수 도관을 유체결합하는 냉수 전달 도관 및
    -제2 열 에너지 회로로부터 제1 열 에너지 회로까지 파이프를 통하여 유체 통로를 형성하는 제2 모드와 제1 열 에너지 회로로부터 제2 열 에너지 회로까지 파이프를 통하여 유체 경로를 형성하는 제1 모드에서 작동가능하고 파이프에 유체 결합된 하나 이상의 제어 밸브 및 펌프에 대해 및 온수 또는 냉수 전달 도관에 유체 결합된 파이프를 포함하는 변환 조립체를 추가로 포함하는 지역 에너지 공유 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 열 에너지 전달 스테이션은 단지 열 교환기 조립체만을 포함하고, 열 교환기 조립체는
    -제1 열 전달 구역으로부터 유체적으로 분리되지만 이에 열적으로 결합된 제2 열 전달 구역과 제1 열 전달 구역을 갖는 액체-대-액체 열 교환기,
    -제2 에너지 회로의 온수 및 냉수 도관에 제2 열 전달 구역을 유체 결합하는 제2 액체 전달 파이프와 제1 열 에너지 회로의 온수 및 냉수 도관에 제1 열 전달 구역을 유체 결합하는 제1 액체 전달 파이프,
    -제2 열 에너지 회로로부터 제2 열 전달 구역으로 액체를 흐르게 하고, 제1 열 전달 구역을 통해 제1 열 에너지 회로로부터 액체를 흐르게 하며, 제1 및 제2 액ㅊ레 전달 파이프에 각각 유체 결합된 한 쌍의 전달 펌프를 포함하는 지역 에너지 공유 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 열 에너지 전달 스테이션은 제1 및 제2 열 에너지 회로들 사이에서 압력을 조절하고 제1 및 제2 액체 전달 도관에 유체 결합된 유체 도관 및 압력 제어 장치를 추가로 포함하고, 압력 제어 장치는 부스터 펌프와 하나 이상의 압력 감소 제어 밸브를 포함하는 지역 에너지 공유 시스템.
  16. 제14항에 있어서, 열 에너지 전달 스테이션은 하나 이상의 서버 플랜트를 추가로 포함하고, 각각의 서버 플랜트는 열 싱크와 열 공급원 중 적어도 하나에 제1 또는 제2 액체 전달 도관 중 하나를 열적으로 결합하는 열 펌프 조립체를 포함하는 지역 에너지 공유 시스템.
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