KR20120046856A - 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 지열을 이용한 지열 히트펌프로 클린룸을 냉방(여름 모드) 또는 난방(겨울 모드)하여 이산화탄소의 감소와 열원으로 전력 대신 지열을 사용하여 외기 부하를 저감시키고, 반환냉온수와 지열 히트펌프의 냉온수의 저온배열을 이용하여 에너지를 저감할 수 있도록 한 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템에 관한 것이다.
Description
본 발명은 지열을 이용한 지열 히트펌프로 클린룸을 냉방(여름 모드) 또는 난방(겨울 모드)하여 이산화탄소의 감소와 열원으로 전력 대신 지열을 사용하여 외기 부하를 저감시키고, 반환냉온수와 지열 히트펌프의 냉온수의 저온배열을 이용하여 에너지를 저감할 수 있도록 한 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 반도체와 같은 물품의 제조는 클린룸 내에서 이루어지고 있다. 특허문헌에는 클린룸으로 유입되는 공기의 먼지를 제거하고, 클린룸 내부의 온도 및 습도를 최적의 조건으로 조정하기 위한 외기공조장치가 개시되어 있다.
위 외기공조장치는, 공기 중의 미세 먼지를 제거하기 위한 필터, 상기 필터의 후단에 설치되는 프리히터, 상기 프리히터 후단에 설치되고 공기 중의 미세입자를 여과하기 위한 에어와셔 및 에어와셔 후단에 설치되는 리히팅 코일이 구비되어 있다.
한편, 반도체 제조공정에서 사용되는 공조에너지는 제조장비 발열부하가 40%, 외기부하가 35%, 송풍동력이 20%이며, 기타 5%로 구성되어 있으므로, 외기 부하를 감소시키는 것으로 매우 큰 에너지 절감효과를 얻을 수 있다.
그런데, 특허문헌에 개시된 외기공조장치는 외기부하를 감소시키기 위한 특별한 방안을 강구하고 있지 않다.
한편, 통상 클린룸의 내방을 위한 냉각수는 냉각기(chiller)와 냉각탑을 이용하기 때문에, 전력 공급에 따른 이산화탄소의 증가와 외기 부하를 증가시킨다.
본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 이산화탄소 배출의 저감 및 냉난방 부하의 감소시켜 에너지 저감 시스템의 성능을 극대화시킨 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 청구항 1에 기재된 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템은, 외기(OA)를 필터링하여 냉각 또는 가열된 외기(SA)를 클린룸(cleanroom)에 보내는 외기공조장치; 상기 클린룸을 냉방 또는 난방을 하는 냉난방장치를 포함하되, 상기 냉난방장치는 지열 히트펌프와, 상기 히트펌프와 열교환 하는 지열교환기로 이루어진다.
청구항 1의 구성에 의하면, 원천적인 자연 열원인 지열을 도입하여 냉/난방 부하를 감소시킨다.
본 발명의 청구항 2에 기재된 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템은, 상기 냉난방장치는 상기 클린룸에서 발생한 열을 상기 지열 히트펌프가 흡수하여 상기 지열교환기를 통해서 지중(땅속)으로 방출하는 냉방장치이다.
본 발명의 청구항 3에 기재된 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템은, 상기 외기공조장치는 상기 외기(OA) 중의 이물질을 제거하기 위한 필터(air filter)와, 상기 필터를 거친 공기를 냉각 또는 가열하는 제1순환코일을 갖는 에어 와셔(Air washer), 상기 에어 와셔의 전방 또는 후방에 설치되는 프리히터(p/h) 또는 리히터(h/c, reheating coils), 상기 프리히터와 상기 에어와셔 사이에 형성되어 공기를 냉각 또는 가열하는 제2순환코일, 냉각 또는 가열된 외기(SA)를 상기 클린룸에 보내는 송풍기를 구성하고; 상기 지열 히트펌프의 증발기와 상기 클린룸의 냉각코일(c/c)에는 냉수를 공급하는 공급냉수로와, 냉수를 반환하는 반환냉수로가 구성되고; 상기 제1순환코일에는 공급냉수로 또는 반환냉수로의 냉수가 선택적으로 공급되는 것이 바람직하다.
본 발명의 청구항 4에 기재된 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템은, 상기 냉난방장치는 지중(땅속)의 지열교환기에서 발생한 열을 상기 지열 히트펌프가 흡수하여 상기 클린룸으로 방출하는 난방장치이다.
본 발명의 청구항 5에 기재된 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템은, 상기 외기공조장치는 상기 외기(OA) 중의 이물질을 제거하기 위한 필터(air filter)와, 상기 필터를 거친 공기를 냉각 또는 가열하는 제1순환코일을 갖는 에어 와셔(Air washer), 상기 에어 와셔의 전방 또는 후방에 설치되는 프리히터(p/h) 또는 리히터(h/c, reheating coils), 상기 프리히터와 상기 에어와셔 사이에 형성되어 공기를 냉각 또는 가열하는 제2순환코일, 냉각 또는 가열된 외기(SA)를 상기 클린룸에 보내는 송풍기를 구성하고; 상기 지열 히트펌프의 응축기와 상기 클린룸의 냉각코일(c/c)에는 온수를 공급하는 공급온수로와, 온수를 반환하는 반환온수로가 구성되고; 상기 제1순환코일에는 공급온수로 또는 반환온수로의 온수가 선택적으로 공급되는 것이 바람직하다.
발명의 청구항 6에 기재된 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템은, 상기 제2순환코일은 상기 클린룸의 배기(RA)가 도입되는 습식 스크러버에서 배기(RA)의 열을 회수한 물과 열교환하는 것이 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템은 자연 열원인 지열을 이용하여 이산화탄소의 배출을 현저히 줄이고 냉방부하 또는 난방부하를 감소시켜 에너지 저감 시스템의 성능을 극대화시킬 수 있다.
또한, 반환냉온수와 히트펌프의 냉온수의 저온배열을 이용하여, 유입 외기의 가열가습 부하와 클린룸 실내의 냉난방 부하가 서로 상쇄됨으로써 에너지 효율을 대폭 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하기(여름) 모드용 클린룸 공조시스템에 대한 개략도.
도 2는 도 1의 지열 히트펌프 냉방사이클.
도 3은 본 발명의 동기(겨울) 모드용 클린룸 공조시스템에 대한 개략도.
도 4는 도 3의 지열 히트펌프 난방사이클.
도 2는 도 1의 지열 히트펌프 냉방사이클.
도 3은 본 발명의 동기(겨울) 모드용 클린룸 공조시스템에 대한 개략도.
도 4는 도 3의 지열 히트펌프 난방사이클.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 하기(여름) 모드용 클린룸 공조시스템에 대한 개략도이고, 도 2는 도 1의 지중열 히트펌프 냉방사이클이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 클린룸용 공조시스템은, 외기공조장치, 냉방장치, 클린룸 및 공급냉수로/반환냉수로를 포함한다.
본 발명에서 외기공조장치는, 외기(OA) 중의 이물질을 제거하기 위한 필터(Air filter)와, 상기 필터(Air filter)를 거친 공기를 냉각 또는 가열하는 에어 와셔(Air washer), 상기 에어 와셔(Air washer)의 전방 또는 후방에 설치되는 프리히터(p/h) 또는 리히터(h/c, Reheating coils), 냉각 또는 가열된 공기(SA)를 클린룸(Cleanroom)에 보내는 송풍기로 구성된다.
여름철과 같이 외기 온도가 높은 경우 상기 프리히터(p/h)는 사용하지 않을 수도 있다.
상기 리히터(h/c)는 에어 와셔와 송풍기 사이에 설치하는 것이 바람직하다.
상기 에어 와셔에는 공기를 냉각 또는 가열하는 제1순환코일(ch/c)이 형성되어 있다. 상기 에어 와셔에 설치된 펌프 및 노즐에 의해, 제1순환코일에 물이 분사되어 열교환을 하게 된다.
상기 에어 와셔의 전방에는 공기를 냉각 또는 가열하는 제2순환코일(ch/c)이 형성되어 있다. 즉 상기 제2순환코일(ch/c)은 프리히터(p/h)와 에어와셔 사이에 설치되어 있다.
냉방장치는 지열 히트펌프와 지중의 지열교환기로 이루어진다.
지열 히트펌프는 도 2에 도시한 바와 같이, 압축기에서 생성된 고온 고압의 냉매 가스가 4방 밸브를 통해 응축기(Condenser)를 지나는 지열교환기로 열을 방출하고 액체 냉매 상태로 상변화 하게 되며, 저온 저압상태의 냉매는 증발기(Evaporator)에서 클린룸 공기와 열교환 되어 냉방을 생성하게 된다. 이때의 응축기 쪽의 상승된 온도의 지열은 지열교환기를 순환하면서 적합한 유입수온으로 되돌아오면서 시스템이 지속적으로 이루어진다. 즉, 냉방사이클은 클린룸에서 발생한 열을 지열 히트펌프가 흡수하여 지중의 지열교환기를 통해서 땅으로 방출하는 원리이다.
지열교환기는 폐쇄형 파이프로 구성되어, 응축기의 열을 흡수해서 지중의 파이프를 통해 땅속으로 열을 방출하는 형태로 되어 있다.
상기 지열 히트펌프의 증발기와 상기 클린룸의 냉각코일(c/c)을 연결하는 공급냉수로에 의해 냉수가 상기 지열 히트펌프로부터 냉각코일(c/c)로 공급된다.
또한, 상기 클린룸의 냉각코일(c/c)로부터 상기 지열 히트펌프로 냉수를 반환하여 응축기와 열교환 하도록, 상기 냉각코일과 상기 지열 히트펌프는 반환냉수로에 의해 연결되어 있다.
즉 지열 히트펌프의 응축기에서 냉각된 냉수는 공급냉수로를 거쳐 클린룸의 냉각코일에서 열교환을 거친 후 반환냉수로(18도)를 거쳐 지열 히트펌프로 귀환한다. 후술하는 제1순환코일에서 열교환된 냉수가 반환냉수로에 합류되면 온도가 더 낮아진다(예: 12도). 이로 인해 히트펌프에서 발생할 수 있는 냉각부하를 줄일 수 있다.
상기 에어 와셔에 설치된 제1순환코일(ch/c)에는 공급냉수 및/또는 반환냉수가 선택적으로 공급된다. 제1순환코일에 공급되는 공급냉수 및/또는 반환냉수는 외기공조장치에 도입되는 도입 외기와 열교환을 하는 것으로, 겨울철에는 도입 외기를 가열하고 여름철에는 도입 외기를 냉각하는 것이다.
외기공조장치의 프리히터(p/h)와 에어 와셔(Air washer) 사이에는 제2순환코일(ch/c)이 설치되어 있다.
클린룸에서 배출되는 배기(RA)는 습식 스크러버(Wet scrubber)에 공급된다. 습식 스크러버에는 펌프 및 노즐에 의해 배기에 포함된 이물질을 제거하는 것으로 본 발명 이전에 공지된 구성임이 명백하므로 상세한 설명은 생략한다.
주펌프(Primary pump)는 습식 스크러버와 열교환기(Heat exchanger) 사이에서 물을 순환시키고 있다. 또한, 보조펌프(Secondary pump)는 제2순환코일(ch/c)과 열교환기 사이에서 물을 순환시키고 있다. 즉, 클린룸의 배기(RA)가 습식 스크러버에 도입되고, 상기 습식 스크러버에서 배기의 열을 회수한 물은 제2순환코일과 열교환하는 것이다.
즉, 본 발명에서는 클린룸에서 배출되는 배기(RA)의 열회수가 가능하고, 지열 히트펌프에서 공급되는 공급냉수가 외기공조장치의 냉각코일 및 에어와셔 내부의 제1순환코일에서 열교환되어 지열 히트펌프 냉각수의 열회수가 가능하며, 반환냉수로에 의해 지열 히트펌프로 반환되는 반환냉수가 제1순환코일에서 열교환되어 반환냉수의 열회수가 가능하게 된다.
한편, 도 3은 본 발명의 동기(겨울) 모드용 클린룸 공조시스템에 대한 개략도이고, 도 4는 도 3의 지중열 히트펌프 난방사이클이다.
도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명의 클린룸용 공조시스템은, 외기공조장치, 난방장치, 클린룸 및 공급온수로/반환온수로를 포함한다.
즉, 겨울 모드용 클린룸 공조시스템은 여름 모드용 클린룸 공조시스템과 그 구성 및 기능은 유사하지만, 냉방사이클의 역사이클인 난방사이클로 이루어짐으로써 냉수 대신 온수가 순환류로 활용되는 것에 차이가 있을 뿐이다. 따라서, 난방장치에 대해서만 설명한다.
난방장치는 지열 히트펌프와 지중의 지열교환기로 이루어진다.
지열 히트펌프는 도 4에 도시한 바와 같이, 압축기(Compressor)에서 생성된 고온 고압의 냉매 가스는 4방 밸브를 통해 응축기(Condenser)로 전달되어 클린룸 공기와 열교환 되어 난방을 생성하게 된다. 열교환에 의한 저온의 액체상태 냉매는 증발기(Evaporator)에서 지열 측으로부터 열을 흡수하고 증기 냉매 상태로 상변화 한 후 다시 압축기로 보내져 고온 고압의 가스가 되는 사이클을 반복한다. 이때의 증발기 쪽의 강하된 온도의 지열은 지열교환기를 순환하면서 적합한 유입수온으로 되돌아오면서 시스템이 지속적으로 이루어진다. 즉, 난방사이클은 지중의 지열교환기를 통해 지열에너지를 지열 히트펌프에서 흡수하여 클린룸으로 방출하는 원리이다.
지열교환기는 폐쇄형 파이프로 구성되어, 지중의 파이프를 통해 땅속의 열을 흡수하여 증발기와 열교환을 하여 증발기로 열을 방출하는 형태로 되어 있다.
본 발명에서는 30도 이하의 저온 에너지를 이용가능케 하여 반환냉온수 이외에 히트펌프 냉온수 폐열, 배기 폐열, 기타 생산용 냉온수 폐열 등을 이용할 수가 있어 매우 큰 에너지 절약을 실현할 수 있다. 또한, 반도체/디스플레이 제조용 초청정 클린룸 이외에 실내 발열이 많아 겨울철에도 냉방운전이 요구되는 건물 및 산업 공조에 활용될 수 있고 증기 가습을 대체할 수 있어 외기공조기술 고도화에 기여할 수 있다.
본 발명은 클린룸을 위한 공조시스템에 이용할 수 있다.
Claims (6)
- 외기(OA)를 필터링하여 냉각 또는 가열된 외기(SA)를 클린룸(cleanroom)에 보내는 외기공조장치;
상기 클린룸을 냉방 또는 난방을 하는 냉난방장치를 포함하되,
상기 냉난방장치는 지열 히트펌프와, 상기 히트펌프와 열교환하는 지열교환기로 이루어진 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 냉난방장치는 상기 클린룸에서 발생한 열을 상기 지열 히트펌프가 흡수하여 상기 지열교환기를 통해서 지중(땅속)으로 방출하는 냉방장치인 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템.
- 제2항에 있어서,
상기 외기공조장치는 상기 외기(OA) 중의 이물질을 제거하기 위한 필터(air filter)와, 상기 필터를 거친 공기를 냉각 또는 가열하는 제1순환코일을 갖는 에어 와셔(Air washer), 상기 에어 와셔의 전방 또는 후방에 설치되는 프리히터(p/h) 또는 리히터(h/c, reheating coils), 상기 프리히터와 상기 에어와셔 사이에 형성되어 공기를 냉각 또는 가열하는 제2순환코일, 냉각 또는 가열된 외기(SA)를 상기 클린룸에 보내는 송풍기를 구성하고,
상기 지열 히트펌프의 증발기와 상기 클린룸의 냉각코일(c/c)에는 냉수를 공급하는 공급냉수로와 냉수를 반환하는 반환냉수로가 구성되고,
상기 제1순환코일에는 공급냉수로 또는 반환냉수로의 냉수가 선택적으로 공급되는 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템.
- 제1항에 있어서,
상기 냉난방장치는 지중(땅속)의 지열교환기에서 발생한 열을 상기 지열 히트펌프가 흡수하여 상기 클린룸으로 방출하는 난방장치인 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템.
- 제4항에 있어서,
상기 외기공조장치는 상기 외기(OA) 중의 이물질을 제거하기 위한 필터(air filter)와, 상기 필터를 거친 공기를 냉각 또는 가열하는 제1순환코일을 갖는 에어 와셔(Air washer), 상기 에어 와셔의 전방 또는 후방에 설치되는 프리히터(p/h) 또는 리히터(h/c, reheating coils), 상기 프리히터와 상기 에어와셔 사이에 형성되어 공기를 냉각 또는 가열하는 제2순환코일, 냉각 또는 가열된 외기(SA)를 상기 클린룸에 보내는 송풍기를 구성하고,
상기 지열 히트펌프의 응축기와 상기 클린룸의 냉각코일(c/c)에는 온수를 공급하는 공급온수로와, 온수를 반환하는 반환온수로가 구성되고,
상기 제1순환코일에는 공급온수로 또는 반환온수로의 온수가 선택적으로 공급되는 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템.
- 제3항 또는 제5항에 있어서,
상기 제2순환코일은 상기 클린룸의 배기(RA)가 도입되는 습식 스크러버에서 배기(RA)의 열을 회수한 물과 열교환하는 클린룸용 외기공조 에너지 절감 시스템.
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Cited By (2)
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| CN116576525A (zh) * | 2023-06-28 | 2023-08-11 | 北京格林特克环保能源科技有限公司 | 一种具有冷热回收功能的洁净室及其冷热回收方法 |
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| WO2021205400A1 (en) * | 2020-04-10 | 2021-10-14 | Abu Dhabi Polytechnic | Smart desert geothermal heat pump for air conditioning and domestic water cooling |
| CN116576525A (zh) * | 2023-06-28 | 2023-08-11 | 北京格林特克环保能源科技有限公司 | 一种具有冷热回收功能的洁净室及其冷热回收方法 |
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