KR20120094212A

KR20120094212A - 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템

Info

Publication number: KR20120094212A
Application number: KR1020110013561A
Authority: KR
Inventors: 양인철
Original assignee: 양인철
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-08-24

Abstract

본 발명은 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템에 관한 것으로서, 특히 압축기, 응축기, 팽창변, 증발기의 냉동사이클로 구성된 적어도 하나 이상의 히트펌프와; 공기, 지하수, 해수, 지열, 태양열, 배출 유체중 적어도 하나 이상의 외부 열원과; 상기 외부 열원 또는 히트펌프로부터 수축열을 공급받아 저장한 후 부하측으로 공급하되, 계절에 따라 축열전용 또는 축냉전용 또는 축열과 축냉을 나눠서 담당하는 복수의 수축열조와; 각 구성을 상호 연결하는 복수의 배관과; 각 배관에 설치되어 유로를 조절 및 전환하는 복수의 밸브; 및 각 구성들간의 유체 순환을 위한 복수의 순환펌프로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면 가열부하와 냉각부하가 계절이나 시간에 따라 동시에 존재하거나 시간을 두고 번갈아 가면서 존재하거나 한가지 부하만 연속적으로 존재하는 등 여러 가지의 부하조건의 변동이 생기는 조건에서 히트펌프가 운전시 동시에 발생되는 냉열과 온열을 필요한 만큼 각각 축냉조와 축열조에 저장하여 두었다가 가열 또는 냉각부하가 발생시 사용하도록 함으로서 가열이나 냉각에 필요한 열의 생산에 필요한 에너지는 상대방측 열원의 생산에 필요한 동력만 사용되면서 부가적으로 생산되기 때문에 동력을 상대적으로 낮추고, 계절에 따라 가열이나 냉각 부하의 차이가 변화가 있어 축냉이나 축열조의 저장용량을 조절하여 더욱 효과적인 온열이나 냉열의 사용을 할 수 있기 때문에 한 개 이상의 축냉용 저장조와 한 개 이상의 축열용 저장조를 서로 배관 연결하고, 배관에 차단용 밸브를 설치하여 필요에 따라서 축냉 또는 축열의 용량을 조절하거나 저장조 전체를 축열 전용이나 축냉 전용으로 활용하여 에너지 사용의 효과를 극대화시키고, 전력요금이 저렴한 시간대에의 운전비중을 높힘으로서 사용전력단가를 낮출 수 있다.

Description

냉열 온열 통합생산 및 운영시스템{OTAL PRODUCTION AND OPERATING SYSTEM OF COOL HEAT AND HOT HEAT }

본 발명은 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 가열부하와 냉각부하가 있는 환경에서 온열 및 냉열을 생산, 공급하기 위하여 압축, 응축, 팽창, 증발의 기계식 냉동사이클로 구성되는 히트펌프와, 히트펌프에서 생산되는 냉열 및 온열을 저장(축냉 및 축열)하여 냉각 및 가열부하에 사용하고 축냉 또는 축열능력을 초과하는 열은 외부의 열원을 사용하여 열을 흡수하거나 배출하도록 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템에 관한 것이다.

여러 분야의 생산공정이나 또는 생활 환경에서는 가열부하나 냉각부하가 존재하는 경우가 많으며 동일한 환경에서 가열부하와 냉각부하가 동시에 발생하거나 시차를 두고 번갈아 가면서 발생하는 경우도 있다.

예를 들어 사람이 주거하는 생활용 건물일 경우 난방이나 냉방이 필요하고 세면이나 목욕 등을 위하여 온수를 사용하게 된다. 이때 냉방에 필요한 부하가 냉각부하가 되며 난방과 급탕을 감당하는 부하가 가열부하가 되는 것이다.

이러한 냉각부하와 가열부하를 감당하는 장치로서는 일반적으로 아래와 같은 방법이 적용되어 왔다.

가열 부하를 감당하기 위해서는 연료를 연소시켜 발생되는 열, 또는 전기저항에 의한 열 등을 이용하여 최종 가열매체인 공기 또는 물을 직접 또는 한번 이상의 열 교환을 통하여 가열하여 필요한 온도를 만드는 방식이 주로 사용되었다.

그리고, 냉각 부하를 감당하기 위해서는 압축, 응축, 팽창, 증발의 순환 사이클을 형성하는 기계식 냉동사이클이나 냉매분리 발생, 응축, 팽창, 증발, 흡수 가열 의 사이클을 형성하는 흡수식 냉동사이클의 증발과정에서의 증발열을 활용하여 냉매의 증발에 필요한 열을 열매가 배출케 함으로서 낮아진 온도의 열매를 직접 이용하거나 1회 이상의 열교환을 통하여 냉각을 필요로 하는 공기 등을 냉각시키는 방식이 주로 사용되어 왔다. 기계식 냉동사이클에는 압축에 필요한 동력을 얻기 위하여 전기에 의하여 모터를 구동시키거나 내연기관이나 증기터빈 등에 의하여 구동력을 얻어서 압축기를 가동시킨다. 흡수식 냉동사이클에서는 냉매와 흡수재의 분리를 위하여 열이 소요되는바 연료의 직접연소, 증기 또는 온수가 주로 사용된다.

일반적으로 생활용 냉각 가열 부하를 감당하기 위하여 냉동사이클을 이용한 에어컨디셔너 또는 냉동기를 사용하여 냉각부하를 담당하고 보일러, 전열히터 등을 통하여 가열부하를 담당하게 설치되어 있다.

히트펌프는 냉동사이클의 응축과정중의 배출되는 열을 활용하는 것으로서 가열된 온도를 필요로 하는 공기 또는 액체를 직접 가열하거나 1회 이상의 열교환을 통하여 간접가열 하기도 한다. 계절에 따라 기온 변화가 있는 지역에서는 계절에 따라 냉각부하 또는 가열부하가 교차하여 발생하게 됨으로서 히트펌프를 사용하여 계절에 따라 냉각, 가열운전을 번갈아 가면서 운전함으로서 쾌적한 온도조건을 만드는 상품도 상용화되어 있다.

히트펌프는 동력에 투입된 에너지 자체가 열로 변환되는 것이 아니고 온도가 낮은 측의 열을 증발기에서 흡수하여 응축기에서는 증발기에서 흡수된 열과 압축기 구동에 사용된 에너지를 합하여 고온측으로 배출하는 원리를 사용하는 것으로서, 항상 상대측의 외부 열원을 필요로 한다. 흔히 사용할 수 있는 외부 열원으로서는 공기가 사용될 수 있으나 환경에 따라 지하수, 하천수, 호수, 해수, 지열, 태양열 또는 사용하고 버리는 배출유체 등이 활용될 수 있다. 가열 또는 냉각 하고자 하는 온도와 열원으로 사용되는 유체와의 온도차가 작을수록 소요동력 대비 발생열량의 비율이 커짐으로 입지에 따라 적절한 열원을 선택하게 된다.

냉각이나 가열부하는 외기 온도나 사용장소의 조건에 따라 변화가 생기며 변화의 폭도 크다. 일반적으로 히트펌프의 용량은 사용장소의 최대부하를 감당하도록 시설하고 부분 부하시에는 히트펌프를 부분적이나 간헐적으로 가동하여 필요한 부하를 감당하여왔다. 축열조를 이용하면 히트펌프의 용량보다 부하가 작거나 부하가 전혀 없을 시에는 축열을 하고 부하가 히트펌프의 용량보다 클 경우에는 축열된 열을 활용함으로서 히트펌프의 용량을 줄일 수 있을 뿐 아니라 첨단 전력부하를 감소시키고, 단가가 저렴한 심야전력의 사용률을 높임으로서 에너지 비용을 줄일 수 있다. 냉각기간 중에는 축열조를 축냉조로 활용할 수 있다. 축열이나 축냉이나 저장열은 저장 체적에 사용가능한 최대 온도의 차에 저장유체의 비열을 곱한 것이 축열 또는 축냉 능력이라 할 수 있다. 저장온도 범위에서 상 변화를 이루는 물질을 저장조 안에 두어 상이 변화할 때 발생되는 잠열을 이용하거나 순환 열매보다 비중 곱하기 비열이 큰 물질을 저장조 내에 저장하여 동일 체적에서의 축냉 또는 축열 능력을 크게 향상시킬 수도 있다.

한편, 생산품의 생산이나 사람이 생활하는 환경에서는 계절이나 하루의 시간대 중에서 냉각 부하만 발생할 수도 있고, 가열부하만 발생할 수도 있지만 냉각과 가열부하가 장소에 따라서 동시에 발생할 수도 있다. 예로서 우리가 주거하는 공간에서는 기온이 낮은 겨울철에는 난방과 급탕용 온수 가열 등 가열부하만 있으나 기온이 높은 여름철에는 난방부하는 없지만 냉방과 급탕용 온수가열 등 냉각부하와 가열부하가 동시에 존재한다.

일반적인 시설에서는 냉방은 에어컨을 사용하고, 급탕용 온수가열은 보일러에 의하거나 다른 열원을 사용하여 필요한 온도의 온수를 얻는다. 한 봄, 가을 등 환절기에는 일간 기온의 교차가 큰 경우가 많아 쾌적한 환경을 유지하기 위해서는 동일 장소이더라도 난방부하와 냉방부하가 번갈아서 발생하기도 한다.

냉방이나 난방기간 중에도 하루중의 시간대에 따라서 부하의 변동의 폭이 크지만 재실자가 불편이 없기 위해서는 최대 난방부하와 최대 냉방부하를 감당할 수 있는 히트펌프 등의 열원 시설을 하여야 하기 때문에 장비의 용량도 커지며 전원설비가 커지고 급탕가열용 시설은 별도로 필요로 하는 등의 설치비용, 운영비용 등이 커지게 된다.

근래에는 빙축조, 또는 수축열조를 설치하여 하루의 평균부하근처로 냉열 또는 온열을 저장하여 가열 또는 냉각부하가 히트펌프의 용량을 초과할 시에는 저장된 온열 또는 냉열을 이용하여 히트펌프의 용량을 줄이고 심야전력 등 전력단가가 낮은 때의 전력의 사용량을 높이는 방법도 사용되고 있지만, 축열 또는 축냉 중 한쪽의 열만 저장함으로서 부하의 반대측에서 발생되는 냉열 또는 온열은 외부열원에 의하여 방출함으로서 배열의 활용은 되지 않는다.

도 1a 및 1b는 통상적인 히트펌프와 축열조를 활용한 시스템의 예이며, 압축기(A1), 제 1열교환기(A2), 제 2열교환기(A3), 제 1팽창변(A4), 제 2팽창변(A5), 제 1역지변(A6), 제 2역지변(A7), 제 1사방변(A8)의 기본 구성품을 갖춘 히트펌프와 수저장조(A9), 제 1순환펌프(A10), 제 2순환펌프(A11), 제 2사방변(A12), 제 3사방변(A13), 부하측 공급헤더(A14), 부하측 환수헤더(A15)로 구성된 시스템 요소들을 배관에 의하여 연결한 예이다. 외부의 열원으로서는 강수 또는 지하수가 히트펌프의 제 2열교환기(A3)에 순환되게 연결되어 있다.

도 1a는 난방기간에 흐름을 표시한 것으로 압축기(A1)가 가동하면 압축기(A1)에서 압축된 냉매가 제 1사방변(A8)에서 제 1열교환기(A2)를 통과하게 되고, 이와 동시에 제 1순환펌프(A10)가 가동되면 축열조(A9)에 저장된 온수는 축열조(A9)의 하부의 디퓨저(A17)로 유입되어 배관(R1)을 지나 제 2사방변(A12)을 지나 제 1순환펌프(A10)에 의하여 순환되는 유체가 제 1열교환기(A2)를 통과하면서 압축된 냉매가스를 냉각하여 응축시키고 순환되는 유체는 가열되어 배관(R2)을 통하여 축열조(A9) 상부의 디퓨저(A18)를 통하여 축열조인 수저장조(A9)의 상부로 배출되어 수저장조(A9)의 온수는 온도가 올라간다.

한편, 제 1열교환기(A2)를 통과하면서 냉각되고 응축된 냉매는 제 1역지변(A6)을 통과하고, 제 2역지변(A7)에서 흐름이 차단되어 제 2팽창변(A5)을 통과하면서 압력이 하강하여 제 2열교환기(A3)에 유입된다. 압력이 낮아진 냉매는 배관(R4)을 통하여 제 2열교환기(A3)에 공급되는 강수 또는 지하수의 열을 흡수하여 증발되어 배관(R6) 및 제 1사방변(A8)을 거쳐 압축기(A1)에 유입되어 압축된다. 수저장조(A9)는 물의 온도가 낮으면 비중이 작아지는 원리를 이용하여 수저장조(A9)의 상부에 설치된 디퓨저(A18)를 통하여 저속으로 배출되어 대류를 최소한으로 하여 상부와 하부의 온도차를 크게 유지하여 축열효과를 크게 한 구조로서 상부의 디퓨저(A18)를 통하여 배관(R7)을 통하여 제 3사방변(A13)을 거쳐 제 2순환펌프(A11)에 의하여 부하측 공급헤더(A14)를 거쳐 각 냉난방부하기기를 통과하면서 냉각되어 부하측 환수헤더(A15)를 거쳐 제 3사방변(A13)을 지나 배관(R8)을 통하여 수저장조(A9)의 하부의 디퓨저(A17)를 통하여 축열조에 배출된다.

도 1b는 냉방기간에 흐름을 표시한 것으로 압축기(A1)에서 압축된 냉매가 제 1사방변(A8)에서 제 2열교환기(A3)를 통과하면서 배관(R4)을 통하여 제 2열교환기(A3)를 통과하는 강수 또는 지하수로 열을 배출하여 냉각 및 응축되어 응축된 냉매는 제 2역지변(A7)을 통과하고 제 1역지변(A6)에서 흐름이 차단되어 제 1팽창변(A4)을 통과하면서 압력이 하강하여 제 1열교환기(A2)에 유입된다. 압력이 낮아진 냉매는 배관(R10)을 통하여 제 1열교환기(A2)에 유입되어 통과하면서 축냉조인 수저장조(A9) 상부의 디퓨저(A18)로 유입되어 배관(R11)을 통하여 제 2사방변(A12)을 거쳐 제 1순환펌프(A10)에 의하여 배관(R13)을 통하여 제 1열교환기(A2)에 공급되는 냉수를 냉각하여 증발된 냉매는 배관(R14)을 통하여 제 1사방변(A8)을 지나 압축기(A1)에 유입되어 압축된다. 제 1열교환기(A2)에서 냉각된 냉수는 배관(R2)을 통하여 제 2사방변(A12)을 통하여 배관(R1)을 지나 수저장조(A9) 하부의 디퓨저(A17)를 통하여 수저장조(A9)의 하부에 배출된다. 수저장조(A9) 하부의 냉수는 수저장조(A9) 하부의 디퓨저(A17)에서 유입되어 배관(R8)을 통하여 제 3사방변(A13)을 거쳐 제 2순환펌프(A11)에 의하여 부하측 공급헤더(A14)를 거쳐 각 냉난방부하기기를 통과하면서 가열되어 부하측 환수헤더(A15)를 거쳐 제 3사방변(13)을 지나 배관(R7)을 통하여 수저장조(A9)의 상부의 디퓨저(A18)를 통하여 수저장조(A9)에 배출된다.

가열부하 또는 냉각부하가 전혀 없거나 히트펌프에서 생산되는 열량보다 작아 수저장조(A9)가 축열조로 사용되는 경우에는 축열조의 온도가 상승하고, 축냉조로 운전될 때에는 축냉조의 온도가 하강하며, 부하가 히트펌프의 생산량보다 클 때에는 축열조로 운전시 축열조의 온도가 하강하고 축냉조로 운전시에는 온도가 상승하여 생산량보다 부족한 열량을 보충할 수 있음으로 부하보다 작은 용량의 히트펌프로서도 용량보다 큰 부하를 감당할 수 있다.

그러나 이러한 종래의 시스템에서는 수저장조를 계절에 따라 축열 또는 축냉중 한가지만 선택하여 운전할 수 있어 장소에 따라 난방부하와 냉방부하가 동시에 존재하거나 하루중 일 온도교차가 심하여 시간에 따라 난방부하나 냉방부하가 번갈아 가면서 발생하는 환절기에도 한가지 운전만 선택하여 운전을 하여야 하는 제한이 있고 배출되는 온열이나 냉열을 사용하지 못하며 급탕용 온수를 가열하기 위해서는 별도의 장치를 하여야만 하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 가열부하와 냉각부하가 계절이나 시간에 따라 동시에 존재하거나 시간을 두고 번갈아 가면서 존재하거나 한가지 부하만 연속적으로 존재하는 등 여러 가지의 부하조건의 변동이 생기는 조건에서 히트펌프가 운전시 동시에 발생되는 냉열과 온열을 필요한 만큼 각각 축냉조와 축열조에 저장하여 두었다가 가열 또는 냉각부하가 발생시 사용하도록 함으로서 가열이나 냉각에 필요한 열의 생산에 필요한 에너지는 상대방측 열원의 생산에 필요한 동력만 사용되면서 부가적으로 생산되기 때문에 동력을 상대적으로 낮추고, 계절에 따라 가열이나 냉각 부하의 차이가 변화가 있어 축냉이나 축열조의 저장용량을 조절하여 더욱 효과적인 온열이나 냉열의 사용을 할 수 있기 때문에 한 개 이상의 축냉용 저장조와 한 개 이상의 축열용 저장조를 서로 배관 연결하고, 배관에 차단용 밸브를 설치하여 필요에 따라서 축냉 또는 축열의 용량을 조절하거나 저장조 전체를 축열 전용이나 축냉 전용으로 활용하여 에너지 사용의 효과를 극대화시키고, 전력요금이 저렴한 시간대에의 운전비중을 높임으로서 사용전력단가를 낮출 수 있도록 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 히트펌프에서 동시에 생산되는 온열과 냉열에 의하여 부하를 감당하고 축열 및 축냉능력을 초과하는 기간에는 남는 온열이나 냉열을 외부로 배출하여야 하는 경우에 공기열원이나, 공기, 지하수, 하천수, 호수, 해수, 지열, 태양열, 배출 유체 등 설치장소의 여건에 따라 미리 연결된 한가지 이상의 열원을 사용하여 열을 흡수하거나 배출시킬 수 있도록 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템을 제공하는데 다른 목적이 있다.

또, 본 발명은 하절기에는 급탕부하 외에는 가열부하가 필요치 않고 동절기에는 냉각부하가 필요치 않게 되며 부하량도 환절기에 비하여 커지게 됨으로 이러한 기간에는 축냉이나 축열의 소요도 커짐으로 서로 연결된 전체의 축냉 및 축열조를 밸브의 조작에 의하여 축냉전용 또는 축열전용으로 사용함으로서 저장능력을 최대한으로 활용할 수 있도록 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템을 제공하는데 또 다른 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

압축기, 응축기, 팽창변, 증발기의 냉동사이클로 구성된 적어도 하나 이상의 히트펌프와; 공기, 지하수, 하천수, 호수, 해수, 지열, 태양열, 배출 유체중 적어도 하나 이상의 외부 열원과; 상기 외부 열원 또는 히트펌프로부터 수축열을 공급받아 저장한 후 부하측으로 공급하되, 계절에 따라 축열전용 또는 축냉전용 또는 축열과 축냉을 나눠서 담당하는 복수의 수축열조와; 각 구성을 상호 연결하는 복수의 배관과; 각 배관에 설치되어 유로를 조절 및 전환하는 복수의 밸브; 및 각 구성들간의 유체 순환을 위한 복수의 순환펌프로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은 제 1열교환기를 더 포함하며, 상기 외부 열원을 상기 히트펌프의 증발기 또는 응축기를 직접 통과시키지 않고, 상기 제 1열교환기를 통해 통과시켜 상기 히트펌프의 증발기 또는 응축기와, 각각의 상기 수축열조를 순환하는 냉수 또는 온수와 열교환시킨다.

여기에서 또한, 상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은 제 2열교환기를 더 포함하며, 상기 부하측을 순환하는 유체를 상기 히트펌프의 증발기 또는 응축기를 직접 통과시키지 않고, 상기 제 2열교환기를 통해 통과시켜 상기 히트펌프의 증발기 또는 응축기와, 각각의 상기 수축열조를 순환하는 냉수 또는 온수와 열교환시킨다.

여기에서 또, 상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은 급탕가열용 열교환기와, 저탕조 및 급탕용수 순환펌프를 더 포함하며, 상기 급탕가열용 열교환기에서 상기 히트펌프에서 가열된 유체로 급탕용수를 가열하고, 가열된 급탕용수를 배관 및 급탕용수 순환펌프를 통하여 부하측에 공급하거나 상기 저탕조에 저탕한다.

여기에서 또한, 상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은 각각의 상기 수축열조를 상기 배관에 의하여 상호 연결하고 상기 배관 상에 상기 밸브를 설치한 후 필요에 따라 상기 밸브를 조작하여 축냉과 축열의 용량을 조절한다.

여기에서 또, 상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은 각각의 상기 수축열조를 상기 배관에 의하여 상호 연결하고 상기 배관 상에 상기 밸브를 설치한 후 필요에 따라 상기 밸브를 조작하여 전체의 수축열조를 축냉전용 또는 축열전용으로 사용할 수 있도록 조절한다.

여기에서 또, 상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은 배출되는 폐수와 급탕 공급수 사이에 설치되는 제 3열교환기를 더 포함하며, 급탕용으로 사용되고 배출되는 폐수가 상기 제 3열교환기를 통하여 급탕용 공급수를 가열하여 급탕부하를 줄이도록 한다.

여기에서 또, 상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은 상기 제 3열교환기를 통과하여 배출된 폐수와 상기 히트펌프의 증발기를 통과하여 냉각된 순환냉수 사이에 설치되는 제 4열교환기를 더 포함하며, 상기 제 3열교환기를 통과하면서 냉각된 폐수가 상기 히트펌프에 의하여 냉각된 순환냉수를 가열한 후 냉각되어 배출하도록 한다.

여기에서 또, 상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은 상기 급탕가열용 열교환기를 통하여 가열된 급수의 전부 또는 일부를 상기 저탕조의 저온부와 상기 급탕수 순환펌프와의 사이에 공급하여 상기 급탕용수 순환펌프와, 급탕가열용 열교환기 및 상기 히트펌프의 응축기를 통과하면서 가열된 순환수에 의하여 가열되도록 한다.

여기에서 또, 상기 히트펌프는 복수단계의 냉동사이클로 구성되어 1차 냉동사이클의 응축기의 열원으로서 2차 냉동사이클의 증발기가 되도록 하여 2차 냉동사이클의 응측기에서 생산된 순환유체의 온도가 상대적으로 고온으로 이루어지도록 한다.

여기에서 또, 각각의 상기 수축열조는 축열 또는 축냉 저장온도 근처에서 상이 변화되는 물질을 내부에 투입하여 응고 또는 융해열을 이용하여 체적당 축열 또는 축냉능력을 향상시킨다.

여기에서 또, 각각의 상기 수축열조는 체적당 열용량(비중과 비열을 곱한값)이 순환유체의 열용량보다 큰 물질을 내부에 투입하여 체적당 축열 또는 축냉능력을 향상시킨다.

여기에서 또, 상기 외부 열원은 주위 환경에 따라 복수의 열원을 두어 계절 및 기타 환경변화에 따라 전부 또는 선택적으로 사용한다.

여기에서 또, 상기 히트펌프는 냉매 방향 조절을 위한 4방향 밸브를 미적용한 상태에서 상기 수축열조의 밸브 조절을 통해 냉각과 가열을 동시 수행한다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템에 따르면, 냉열 온열 공급장소 내에서 두 종류의 부하가 동시에 발생시 한쪽 부하의 열 생산에 필요한 동력만 필요하며 반대측 부하는 상대측 열 생산에서 부수적으로 생산되는 열로 처리할 수 있으므로 반대측 부하의 소요 열을 생산하는 에너지는 별도로 필요치 않기 때문에 상대적으로 동력을 절약할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 냉열부하와 온열부하가 시간에 따라서 변화할 경우에는 한쪽의 열(예로서 냉열)을 생산시 발생되는 반대측 열(온열)을 저장하였다가 필요시에 사용할 수 있으므로 반대측 열(온열) 생산에 소요되는 별도의 에너지가 불필요하여 상대적으로 동력을 절약할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 가열 및 냉각부하의 균형이 달라 축냉 또는 축열의 용량을 초과하는 부분만 외부열원을 사용하면 됨으로 외부 열원의 소요를 최소한으로 할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 히트펌프의 용량을 최대 부하시의 용량을 설치하지 않고, 축열 가능 용량 범위 내에서 평균부하의 용량을 설치함으로서 최대 부하시는 축냉 또는 축열된 열을 사용할 수 있어 히트펌프의 용량이 작아도 되며 이에 필요한 전원 설비도 작아질 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 급탕용수의 가열도 본 시스템 구성에 포함되어 있어서 급탕용수 가열을 위한 보일러 등 별도의 가열설비나 연료공급계통이 불필요하여 설치비를 절감할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 주변의 환경에 따라 하나 이상의 가용한 열원을 선택하여 사용할 수 있고, 여건의 변화에 따라 열원을 추가하거나 변경할 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 심야전력 등 전력요금이 저렴한 시간에 축냉 또는 축열을 수행하고, 부하가 발생시 이를 사용함으로서 전력 사용단가를 낮출 수 있다.

또, 본 발명에 따르면 냉매의 방향전환 밸브가 필요치 않고 증발기 전방에만 팽창밸브를 설치하게 됨으로 구조가 간단해지고 제어장치도 간단해지며 고장의 요소를 감소시킬 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 히트펌프와 축열조를 활용한 시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 계절이나 부하의 성격에 따라 밸브를 조절하여 흐름을 구성한 예이다.
도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 2실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 계절이나 부하의 성격에 따라 밸브를 조절하여 흐름을 구성한 예이다.
도 6은 본 발명의 제 3실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 제 3실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 계절이나 부하의 성격에 따라 밸브를 조절하여 흐름을 구성한 예이다.

이하, 본 발명의 실시예들에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

《제 1실시예》

도 2는 본 발명의 제 1실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템(100)은 압축기(A1), 응축기(A2), 팽창변(A4), 증발기(A3)를 구비하여, 압축, 응축, 팽창, 증발의 사이클을 갖는 히트펌프(HP01)와, 외기, 지하수, 하천수, 하수, 해수, 지열, 배출유체 중 적어도 하나 이상의 외부열원과, 제 1수축열조(A9)와, 제 2수축열조(A10)와, 이들 장치들 간의 연결 및 부하측과의 연결 및 유체 이송을 위한 배관(R1~R21, R23~28, X1, X2)과, 배관(R1~R21, R23~28, X1, X2) 상에 설치되는 밸브(V1~V15) 및 유체를 순환시키는 순환펌프(P01~P04)로 이루어진다.

여기에서, 제 1수축열조(A9)와, 제 2수축열조(A10)는 축열 또는 축냉 저장온도 근처에서 상이 변화되는 물질을 내부에 투입하여 응고 또는 융해열을 이용하여 체적당 축열 또는 축냉능력을 향상시키거나, 체적당 열용량(비중과 비열을 곱한값)이 순환유체의 열용량보다 큰 물질을 내부에 투입하여 체적당 축열 또는 축냉능력을 향상시키는 것이 바람직하다.

도 3a 내지 도 3e는 본 발명의 제 1실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 계절이나 부하의 성격에 따라 밸브를 조절하여 흐름을 구성한 예이다.

도 3c는 하루의 총 난방부하와 냉방부하가 평형을 이루는 시기의 흐름을 도시한 것이다.

먼저, 밸브(V2, V3, V5, V6, V7, V9, V12, V13, V14)는 닫히고, 밸브(V1, V4, V8, V10, V11, V15)는 개방된다.

온수가열용 순환펌프(P01)와 냉각수냉각용 순환펌프(P02)가 운전되고, 히트펌프(HP01)가 운전되면 유체가 제 1수축열조(A9) 하부의 디퓨저(A17)로 유입되어 배관(R1), 밸브(V4), 온수가열용 순환펌프(P01), 배관(R28), 배관(R15)을 거쳐 히트펌프(HP01)의 응축기(A2)를 통과하면서 가열되어 배관(R2, R3)과 밸브(V1) 및 배관(R4)을 통하여 제 1수축열조(A9) 상부의 디퓨저(A18)를 통하여 제 1수축열조(A9)의 상부에 배출된다.

한편, 냉각수냉각용 순환펌프(P02)에 의하여 제 2수축열조(A10) 상부의 디퓨저(A20)로 유입되어 밸브(V10)와 냉각수냉각용 순환펌프(P02), 배관(R5, R10)을 통과한 냉각수는 히트펌프(HP01)의 증발기(A3)를 통과하면서 냉각되어 배관(R11, R6)과, 밸브(V8) 및 배관(R21)을 지나 제 2수축열조(A10)의 하부의 디퓨저(A19)를 통하여 제 2수축열조(A10) 하부에 배출된다.

이로 인하여 제 1수축열조(A9)는 축열용으로 제 2수축열조(A10)는 축냉의 기능을 갖게 된다. 난방공급용 순환펌프(P03)가 운전되면 제 1수축열조(A9) 상부의 온수는 제 1수축열조(A9) 상부의 디퓨저(A18)에서 유입되어 난방순환수 공급헤더(A21)를 통하여 각 난방용 기기를 통과하면서 냉각되어 난방순환수 환수헤더(A22)를 통하여 밸브(V15)를 지나 제 1수축열조(A9) 하부의 디퓨저(A17)를 통하여 제 1수축열조(A9) 하부에 배출된다.

냉방부하가 있을시에는 냉방공급용 순환펌프(P04)가 운전되어 제 2수축열조(A10) 하부의 냉수는 제 2수축열조(A10) 하부의 디퓨저(A19)를 통하여 유입되어 냉방순환수 공급헤더(A23)를 통하여 냉방용 기기를 통과하면서 가열되어 냉방순환수 환수헤더(A24)를 거쳐 밸브(V11)를 지나 제 2수축열조(A10) 상부의 디퓨저(A20)를 통하여 제 2수축열조(A10) 상부에 배출된다.

이러한 운전은 난방부하 및 냉방부하가 동시에 존재하거나 시차를 두면서 난방부하와 냉방부하의 차이가 크지 않아 한쪽 부하를 생산하기 위하여 발생되는 반대측 냉열 또는 온열이 제 2수축열조(A10)와 제 1수축열조(A9)의 저장능력을 초과하지 않는 경우에 적용될 수 있다.

도 3d는 하루에 난방부하와 냉방부하가 모두 존재하면서 난방부하가 현저하게 커서 난방부하를 생산하기 위해 히트펌프(HP01)를 가동시 동시에 생산되는 냉열이 제 2수축열조(A10)의 저장능력을 초과할 때의 흐름을 도시한 것이다.

먼저, 밸브(V1, V4, V8, V10, V11, V15)는 개방되고, 밸브(V2, V3, V5, V6, V7, V9, V12, V13, V14)는 닫힌다. 난방부하를 감당하기 위한 난방수를 가열시키기 위하여 히트펌프(HP01)를 운전하면 냉방부하가 작을시에는 제 2수축열조(A10)의 온도는 내려가게 된다. 제 2수축열조(A10)의 전체 수온이 저장온도 한계이하로 내려가면 냉각수냉각용 순환펌프(P02)는 정지하고, 밸브(V8, V10)는 닫힘과 동시에 밸브(V12, V13)는 개방되어 강수 또는 지하수인 외부열원이 배관(R7, R9, R10)을 통하여 히트펌프(HP01)의 증발기(A3)를 통과하면서 냉각되어 배관(R11, R12), 밸브(V13), 배관(R8)을 순차적으로 통하여 외부로 배출된다. 이렇게 되면 제 1축열조(A9)에는 계속 축열이 되고, 제 2축열조(A10)의 축냉이 없이 외부열원인 강수 또는 지하수로부터 열을 흡수하게 된다.

도 3b는 하루에 난방부하와 냉방부하가 모두 존재하면서 냉방부하가 현저하게 커서 냉방부하를 생산하기 위해 히트펌프(HP01)를 가동시 동시에 생산되는 온열이 제 1수축열조(A9)의 저장능력을 초과할 때의 흐름을 도시한 것이다.

먼저, 밸브(V1, V4, V8, V10, V11, V15)는 개방되고, 밸브(V2, V3, V5, V6, V7, V9, V12, V13, V14)는 닫힌다. 냉방용수를 냉각시키기 위하여 히트펌프(HP01)를 운전하면 난방부하가 작을시에는 제 1수축열조(A9)의 온도는 올라가게 된다. 제 1수축열조(A9)의 전체 수온이 저장온도 한계이상으로 올라가면 온수가열용 순환펌프(P01)가 정지되고, 밸브(V1, V4)는 닫힘과 동시에 밸브(V2, V3)는 개방되고, 강수 또는 지하수인 외부열원이 배관(R7, R13), 밸브(V3), 배관(R14, R15)을 순차적으로 통하여 히트펌프(HP01)의 응축기(A2)를 통과하면서 가열되어 배관(R2, R16), 밸브(V2), 배관(R17, R8)을 통하여 외부로 배출된다. 이렇게 되면 제 2축열조(A10)에는 계속 축냉이 되며 제 1축열조(A9)의 축열이 없이 외부열원인 강수 또는 지하수로 열을 배출하게 된다.

도 3a는 하루중에 난방부하는 전혀 없이 냉방부하만 존재하는 계절의 흐름을 도시한 것이다.

이러한 계절에는 환절기에 비하여 외부온도가 많이 높아져 하루의 전체 냉방부하도 커지게 됨으로 축냉 소요량도 커지게 되며 축열은 필요가 없게된다.

먼저, 밸브(V2, V3, V6, V7, V8, V9)는 개방되고, 밸브(V1, V4, V5, V10, V11, V12, V13)는 닫힌다. 제 1수축열조(A9) 하부의 디퓨저(A17)는 배관(R1, R25), 밸브(V6), 배관(R26, R27)을 통하여 제 2수축열조(A10) 상부의 디퓨저(A20)와 연결되어 있다. 이에 따라 기존에 제 1수축열조(A9)로 사용되던 것이 제 2의 축냉조 역할을 하게 되어 기존 제 2수축열조(A10)의 저장능력의 배로 증가하게 된다. 제 1수축열조(A9)와 제 2수축열조(A10)는 동일높이의 평면에 설치하여 양측수면의 높이차이가 생길 때에 서로 연결된 배관을 통하여 유체의 이동에 의하여 수면을 맞추게 한 것으로 제 1수축열조(A9) 상부의 온도가 제일 높고 제 1수축열조(A9) 하부, 제 2수축열조(A10)의 상부, 제 2수축열조(A10)하부의 순으로 온도가 높다. 냉방용수 냉각용 순환펌프(P02)가 운전되면 제 1수축열조(A9)의 상부의 냉수는 제 1수축열조(A9) 상부의 디퓨저(A18)를 통하여 유입된 후 배관(R4, R18), 밸브(V7), 배관(R19, R20), 냉방용수 냉각용 순환펌프(P02), 배관(R5, R10)을 통해 히트펌프(HP01)의 증발기(A3)를 통과하면서 냉각되어 배관(R11, R6), 밸브(V8), 배관(R21)을 지나 제 2수축열조(A10)의 하부의 디퓨저(A19)를 통해 제 2수축열조(A10)의 하부로 배출된다. 냉방용수를 생산하기 위하여 히트펌프(HP01)를 운전하면서 동시에 생산되는 온열은 배관(R7, R13), 밸브(V3), 배관(R14, R15)을 통하여 히트펌프(HP01)의 응축기(A2)를 통과하는 외부열원인 강수 또는 지하수를 가열시켜 배관(R2, R16), 밸브(V2), 배관(R17, R8)을 통하여 외부로 배출한다.

냉방공급용 순환펌프(P04)가 운전되면 제 2수축열조(A10) 하부의 냉수는 제 2수축열조(A10) 하부의 디퓨저(A19)를 통하여 유입된 후 냉방공급용 순환펌프(P04), 냉방순환수 공급헤더(A23)를 지나 각 냉방용 기기에서 열을 흡수하여 온도가 상승된 후 냉방순환수 환수헤더(A24), 배관(R23, R24), 밸브(V9), 배관(R19), 밸브(V7), 배관(R18, R4)을 지나 제 1수축열조(A9) 상부의 디퓨저(A18)를 통하여 제 1수축열조(A9)의 상부로 배출된다. 이때 냉각수냉각용 순환펌프(P02)의 순환량이 냉방공급용 순환펌프(P04)의 순환량보다 많으면 그 차이만큼의 유량은 제 1수축열조(A9)의 상부의 디퓨저(A18)를 통하여 유입하여 배관(R4, R18), 밸브(V7), 배관(R19)을 통하여 유입된 유체와 냉방순환수 환수헤더(A24), 배관(R23, R24), 밸브(V9)를 거쳐온 순환수와 분기점(X1)에서 합쳐져 배관(R20)을 거쳐 냉각수냉각용 순환펌프(P02)에 유입되며, 냉각수냉각용 순환펌프(P02)의 순환량이 냉방공급용 순환펌프(P04)의 순환량보다 작으면 그 차이만큼의 유량은 분기점(X1)에서 배관(R19), 밸브(V7), 배관(R18, R4), 제 1수축열조(A9) 상부의 디퓨저(A18)를 통하여 제 1수축열조(A9) 상부에 배출된다. 제 1 수축열조(A9) 상부의 디퓨저(A18)를 통하여 냉수가 배출시에는 제 2수축열조(A10)의 수위가 내려가게 되며 제 1수축열조(A9) 하부의 디퓨저(A17)는 제 2수축열조(A10) 상부의 디퓨저(A20)와 배관(R1, R25), 밸브(V6), 배관(R26, R27)에 의하여 연결되어 있기 때문에 제 1수축열조(A9)와 제 2수축열조(A10) 수면의 동일 높이를 맞추기 위하여 연결된 배관을 통하여 유체가 이동함으로서 2개의 수축열조는 합한 용량의 축냉조로서의 기능을 하게된다.

도 3e는 그림 3a와 정 반대로 하루 중에 냉방부하는 전혀 없이 난방부하만 존재하는 계절의 흐름을 도시한 것이고, 흐름의 구성은 그림 2a와 완전히 대칭되는 흐름으로서 그 설명은 생략한다.

《제 2실시예》

도 4는 본 발명의 제 2실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제 2실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템(100)은 기계식 냉동사이클의 기본구성 요소인 압축기(A01), 응축기(A02), 팽창변(A03), 증발기(A04)로 구성된 제 1히트펌프(HP01)와, 압축기(A05), 응축기(A06), 팽창변(A07), 증발기(A08)로 구성된 제 2히트펌프(HP01)를 중심으로 난방용 열교환기(HX03), 냉방용 열교환기(HX01) 및 급탕용 열교환기(HX02), 지열용 파이프식 열교환기(HX04), 제 1수축열조(TK01), 제 2수축열조(TK02) 및 저탕조(TK03)와 유체들을 순환시키기 위한 순환펌프(P01~P05)와 3방향 밸브(VA1~VA4, VB1~VB4)와, 2방향 개폐밸브(VL1, VL2)와, 배관으로 구성되어 있다. 여기에서, 도 4는 계절에 따라 난방부하, 냉방부하가 있고 사계절 급탕부하가 있는 생활용 주거의 가열, 냉각 시스템에 본 발명의 원리를 적용한 장치의 구성도이다. 외부의 열원은 지열을 이용하였다.

여기에서, 제 1수축열조(TK01), 제 2수축열조(TK02)는 축열 또는 축냉 저장온도 근처에서 상이 변화되는 물질을 내부에 투입하여 응고 또는 융해열을 이용하여 체적당 축열 또는 축냉능력을 향상시키거나, 체적당 열용량(비중과 비열을 곱한값)이 순환유체의 열용량보다 큰 물질을 내부에 투입하여 체적당 축열 또는 축냉능력을 향상시키는 것이 바람직하다.

도 5a 내지 도 5e는 본 발명의 제 2실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템을 계절이나 부하의 성격에 따라 밸브를 조절하여 흐름을 구성한 예이다. 급탕부하는 사계절 모두 있으며 5a는 냉방부하만 있는 기간이며 5b, 5c 및 5d는 냉방부하와 난방부하가 장소에 따라 동시에 발생하거나 시간대에 따라 번갈아 가며 발생하는 계절이며 도 5e는 난방부하만 있는 기간의 흐름의 방향 및 밸브 개폐가 표시되어 있다.

도 5c는 중간계절에서도 하루 중의 난방부하와 냉방부하가 비교적 균형을 이루는 기간대의 흐름도로서 외부로의 열 배출이 없이 히트펌프에서 생산되는 냉열과 온열만으로서 냉난방 및 급탕부하를 감당하는 예이다.

도 5c의 운전을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 제 2수축열조(TK02)로부터 순환펌프(P02)에 의하여 3방향 밸브(VB3, VB2)를 거쳐 제 1히트펌프(HP01)의 응축기(A02) 및 제 2히트펌프(HP02)의 응축기(A06)를 통과하면서 가열된 열매체는 급탕용 열교환기(HX02)를 통과하면서 저탕조(TK03) 및 공급원으로부터 공급되는 물을 가열시키고, 3방향 밸브(VA1)를 거쳐 난방용 순환펌프(P03)에 의하여 난방용 순환수를 가열하고 3방향 밸브(VA4)를 거쳐 제 2수축열조(TK02)에 들어간다. 이와 동시에 제 1수축열조(TK01)로부터 순환펌프(P01)에 의하여 3방향 밸브(VA3, VA2)를 거쳐 제 1, 2히트펌프(HP01, HP02)의 증발기(A04, A08)를 통과하면서 냉각된 열매체는 3방향 밸브(VB1)를 거쳐 냉방용 열교환기(HX01)를 통과하여 3방향 밸브(VB4)를 거쳐서 제 1수축열조(TK01)에 순환된다. 난방용 순환펌프(P03)와 급탕용 순환펌프(P05) 및 냉방용 순환펌프(P04)는 부하가 있을 때는 운전되고 부하가 없을때는 정지됨으로 제 1, 2히트펌프(HP01, HP02)를 통과하여 가열 또는 냉각된 열매체는 부하가 있을 때는 각각의 열교환기(HX01, HX02, HX03)에서 온도의 변화가 생겨 부하를 감당하는 역할을 하지만 부하가 없을 때에는 제 1, 2히트펌프(HP01, HP02)에 의하여 가열 또는 냉각된 상태로 제 2수축열조(TK02) 또는 제 1수축열조(TK01)에 순환됨으로서 축열 또는 축냉의 기능을 하게된다.

축냉이나 축열의 용량을 초과하여 외부로부터 열을 흡입하거나 외부로 열을 방출할 필요가 있을 시에는 제 1, 2히트펌프(HP01, HP02)의 응축기(A02, A06) 또는 증발기(A04, A08)에 연결된 지열용 열교환기(HX04)를 통하여 열을 흡수하거나 배출한다.

도 5d는 하루중 냉방부하보다 난방부하가 크게 차이가 나게 클 경우의 흐름을 도시한 것이다.

난방부하를 감당하기 위하여 제 1, 2히트펌프(HP01, HP02)가 운전되면서 발생되는 냉열을 제 1수축열조(TK01)에 저장하되 제 1수축열조(TK01)내의 온도가 하한에 달했을 경우에는 제 1, 2히트펌프(HP01, HP02)의 증발기(A04, A08)를 통과하면서 냉각된 열매체는 3방향 밸브(VB1)를 거쳐 지열용 열교환기(HX04)를 통과하면서 가열되어 3방향 밸브(VA2)를 거쳐 제 1, 2히트펌프(HP01, HP02)의 증발기(A04, A08)에 순환하게 된다.

도 5b는 난방부하에 비하여 냉방부하가 상대적으로 큰 경우에는 지열을 통하여 열을 배출하는 흐름을 도시한 것으로, 흐름은 도 5d의 경우와 대칭되게 지열용 열교환기(HX04)를 통하여 열을 배출하고, 그 설명은 생략한다.

냉방 전용기간에는 냉난방 혼용기간에 비하여 냉방부하가 크며 이에 따라 축냉량도 클 필요가 있는 반면에 축열은 전혀 필요치 않게 된다.

도 5a는 제 1수축열조(TK01)와 제 2수축열조(TK02)를 모두 축냉목적으로 사용된 흐름을 도시한 것이다.

먼저, 제 1수축열조(TK01)로부터 3방향 밸브(VA3, VA2)를 거쳐 순환펌프(P01)에 의하여 제 1, 2히트펌프(HP01, HP02)의 증발기(A04, A08)를 통과하면서 냉각된 열매체는 3방향 밸브(VB1)를 거쳐 냉방용 열교환기(HX01)를 통과하면서 냉방용 순환펌프(P04)에 의하여 냉방용 열교환기(HX01)에 순환하는 냉방순환수를 냉각시키고, 3방향 밸브(VB4)를 거쳐서 제 1수축열조(TK02)로 유입된 후 3방향 밸브(VB3)를 통하여 제 2수축열조(TK01)로 순환된다. 이와 동시에 제 1, 2히트펌프(HP01, HP02)의 응축기(A02, A06)를 통과하면서 가열된 열매체는 급탕용 열교환기(HX02)를 통과하면서 저탕조(TK03)로부터 순환되는 온수를 가열하고, 3방향 밸브(VA1)를 거쳐서 지열용 열교환기(HX04)를 통과하면서 냉각되어 3방향 밸브(VB2)를 거쳐서 순환펌프(P02)에 의하여 제 1, 2히트펌프(HP01, HP02)의 응축기(A02, A06)에 순환한다.

도 5e는 난방 전용기간에 제 1수축열조(TK01)와 제 2수축열조(TK02) 모두를 축열용으로 사용하여 축열능력을 키운 흐름을 도시한 것으로, 이의 원리도 도 1a와 완전히 대칭이 되는 흐름으로, 그 설명은 생략한다.

이때, 2방향 밸브(VL1, VL2)는 부하가 비교적 작은 기간에 히트펌프 한대만 운전할 때에는 2방향 밸브(VL1, VL2)가 막히도록 하여 히트펌프 한대만의 운전시간을 길게 하여 지열용 열교환기(HX04)의 이용시간을 최대로 함으로서 운전효율을 높일 수 있다.

또한, 밀폐회로의 온도변화에 따른 밀도의 변화로 발생될 수 있는 배관내의 과도한 압력상승을 방지하기 위하여 밀폐식 팽창탱크(ET1, ET2, ET3)가 배관에 각각 연결되어 있다.

《제 3실시예》

도 6은 본 발명의 제 3실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 제 3실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템(100)은 히트펌프(HP01)를 중심으로 세 개의 개방형 수축열조(TK01, TK02, TK03)가 설치되어 있으며, 축열과는 별도로 급탕용 온수를 저장할 수 있는 저탕조(TK04)가 있고, 지하수와 열교환을 위한 제 1열교환기(HX1), 공기와 열교환을 위한 제 5열교환기(HX05), 급탕용수 가열용인 제 2열교환기(HX02), 급탕 폐수와 지하수와의 열교환을 위한 제 3열교환기(HX03), 열을 빼앗긴 폐수를 더욱 냉각시켜 순환열매를 가열시키기 위한 제 4열교환기(HX04)가 있으며, 폐수에 의한 열교환기 폐색을 방지하기 위한 1, 2단계의 여과장치(FL01, FL02) 및 각 구성들 간 및 부하측에 열매를 이송하는 순환용 펌프(P01~P05), 지하수 펌프(P06), 폐수배출 펌프(P07) 및 계절별로 흐름을 변환시키기 위한 밸브들(V1~V28)로 구성된다. 도 6은 사계절이 있는 지역의 사람이 생활하는 난방, 냉방 및 급탕부하가 있는 생활환경의 온열과 냉열의 발생시설의 흐름을 도시한 것이다. 본 환경은 하절기에는 냉방부하와 급탕부하, 동절기에는 난방부하와 급탕부하, 봄 가을철에는 냉방부하, 난방부하 가 번갈아 가면서 발생하고 급탕부하가 존재한다. 이는 일반적으로 우리가 생활하는 주거나 숙박업소, 목욕업소, 병원, 휴양지 등의 전형적인 생활용 에너지의 부하구조이다. 본 예에서의 주변 열원시설의 환경은 급탕용 온수를 많이 사용하여 배출되는 온 폐수가 많으며 지하수가 있는 환경에서 본 발명의 원리를 적용한 냉열 온열 통합운영 시스템의 예이다.

여기에서, 히트펌프(HP01)는 1차 냉동사이클의 기본구성으로 압축기(A01), 응축기(A02), 팽창밸브(A03), 증발기(A04)로 구성되고, 2차 냉동사이클은 압축기(A05), 응축기(A06), 팽창변(A07), 증발기(A08)로 구성하여 1차 냉동사이클의 응축기(A02)의 상대측 유체를 2차 냉동사이클의 팽창변을 통과한 냉매가 통과하여 2차 냉동사이클의 증발기역할이 되도록 하는 2원 냉동 사이클을 적용하였다. 1원 냉동사이클을 적용하였을 때보다 고온의 온열이나 저온의 냉열을 얻을 수 있으므로 외부열원의 사용효과를 향상시키거나 축냉 또는 축열 능력을 향상시키는 효과를 가질 수 있다.

여기에서 또한, 개방형 수축열조(TK01, TK02, TK03)는 축열 또는 축냉 저장온도 근처에서 상이 변화되는 물질을 내부에 투입하여 응고 또는 융해열을 이용하여 체적당 축열 또는 축냉능력을 향상시키거나, 체적당 열용량(비중과 비열을 곱한값)이 순환유체의 열용량보다 큰 물질을 내부에 투입하여 체적당 축열 또는 축냉능력을 향상시키는 것이 바람직하다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 제 3실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템의 계절이나 부하의 성격에 따라 밸브를 조절하여 흐름을 구성한 예이다.

도 7a에 의하면 냉방전용기간의 흐름도이다.

먼저, 3개의 수축열조(TK01~TK03)는 모두 축냉용으로 사용될 수 있도록 밸브가 설치되어 있으며, 제 3수축열조(TK03)에서 냉방용 순환펌프(P02)에 의하여 냉방용수 공급헤더(HD03)를 통하여 부하측에서 가열된 순환수는 냉방용수 환수헤더(HD04)를 통하여 밸브(V01)를 통하여 제 1수축열조(TK01)에 들어간다.

냉각용 순환펌프(P01)에 의하여 히트펌프의 1차 냉동사이클의 증발기(A04)를 통과하면서 냉각된 유체는 밸브(V9)를 통하여 제 3수축열조(TK03)로 들어가서 축냉을 하게 된다. 가열용 순환펌프(P04)에 의하여 히트펌프(HP01)의 2차 냉동사이클의 응축기(A06)를 통과하여 가열된 유체의 일부는 밸브(V17)를 통하여 급탕용수 가열을 위한 제 3열교환기(HX03)를 통과한다.

그러면, 저탕조(TK04)로부터 급탕가열용 순환펌프(P05)에 의하여 제 3열교환기(HX03)에 순환되는 급탕용수를 가열하여 밸브(V28)를 통하여 가열용 순환펌프(P04)에 의해 가열된 유체의 일부는 밸브(V20)를 통하여 제 1열교환기(HX01)를 통과한다.

이어서, 지하수 펌프(P06)에 의하여 제 1열교환기(HX01)에 공급되는 지하수와 열교환하여 냉각되어 밸브(V27)를 통하여 가열용 순환펌프(P04)와 연결되며 가열된 유체의 일부는 공기열원식인 제 5열교환기(HX05)에 밸브(V26)를 통하여 팬에 의하여 강제로 순환되는 공기에 의하여 냉각되고, 밸브(V24)를 통하여 가열용 순환펌프(P04)에 의해 히트펌프(HP01)의 응축기(A06)에 유입되어 가열된다.

급탕용수를 사용하는 온수용 조절 밸브(V42)를 열면 지하수 펌프(P06)에 의하여 공급되는 유체의 일부는 폐수열 회수목적의 제 3열교환기(HX03)를 통과하면서 폐수의 열을 회수하여 배출폐수의 배출온도 근처까지 가열되고, 그 중의 일부는 밸브(V41)를 통하여 사용되고 일부는 급탕용 순환펌프(P05)에 의하여 급탕용수 가열목적의 제 2열교환기(HX02)에 의하여 가열된 후 온수용 조절 밸브(V42)를 통하여 냉수와 온수를 적절히 조절하여 사용하게 된다.

도 7b는 냉방부하가 많으며 간헐적 또는 부분적으로 난방 부하가 있는 기간의 흐름을 도시한 것으로, 수축열조 1개는 축열조로 사용하고 다른 2개의 수축열조는 축냉용으로 사용한다.

난방용수 순환펌프(P03)가 운전되면 제 1수축열조(TK01)에 저장된 온수는 난방용수 공급헤더(HD01)를 통하여 난방부하 기기(X03)로 열을 공급하고, 냉각된 난방용수는 난방용수 환수헤더(HD02)를 통하여 밸브(V3)를 통하여 제 1수축열조(TK01)의 저온부분에 유입된다. 난방용수 가열용 순환펌프(P04)를 통하여 히트펌프(HP01)의 응축기(A06)를 통과하면서 가열된 유체의 일부는 밸브(V2)를 통하여 제 1수축열조(TK01)의 고온부에 유입되고, 가열된 유체의 일부는 밸브(V17)를 통하여 제 2열교환기(HX02)에서 냉각되어 밸브(V28)를 통하여 난방가열용 순환펌프(P04)로 공급된다.

이어서, 가열된 유체의 일부는 밸브(V20)를 통하여 제 1열교환기(HX01)에서 열을 배출하거나 또는 밸브(V26)를 통하여 제 5열교환기(HX05)에서 열을 배출하고, 난방가열용 순환펌프(P04)를 통하여 히트펌프(HP01)의 2차 냉동사이클의 응축기(A06)에 순환하면서 열을 흡수한다.

도 7c는 난방부하의 비중이 크며 간헐적 또는 부분적으로 냉방부하가 있는 기간의 흐름을 도시한 것으로, 제 1수축열조(TK01)와 제 2수축열조(TK02)는 축열조로 사용하고, 제 3수축열조(TK03)는 축냉조로 사용한다.

이러한 기간에는 외부 열원으로 열을 배출하기보다는 외기 열원으로부터 열을 흡수할 필요가 있음으로 제 3수축열조(TK03)의 냉수는 냉각수냉각용 순환펌프(P01)에 의하여 히트펌프(HP01)의 1차 냉동사이클의 증발기(A04)를 통과하여 냉각되고, 냉각된 냉수는 지하수와의 열교환을 위한 제 1열교환기(HX01)와 제 5열교환기(HX05) 및 급탕폐수와 급탕공급수와의 열교환을 위한 제3열교환기(HX03)를 통과하여 1차 냉각된 급탕폐수와 열교환을 위한 제4열교환기(HX04)를 통과하면서 열을 흡수하여 히트펌프(HP01)의 1차냉동사이클의 증발기(A04)를 통과하면서 냉동사이클에 열을 공급하는 역할을 하게된다.

도 7d는 난방전용기간의 흐름을 도시한 것으로, 제 1수축열조(TK01), 제 2수축열조(TK02), 제 3수축열조(TK03)를 모두 축열조로 사용한 흐름도이다. 도 7c와 비교하면 밸브의 조작에 의하여 수축열조 3개가 전부 축열조로 사용된 점을 제외하면은 흐름은 도 7c와 동일하므로 그 설명은 생략한다.

한편, 본 발명 제1~3실시예에 따른 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은 가열부하와 냉각부하가 계절에 따라 변화하거나 시간대에 따라서 번갈아 가면서 존재하거나 또는 구역에 따라서 가열부하와 냉각부하가 동시에 존재하는 경우에 부하조건이나 외부의 가용열원에 따라 구성한 예이며 이와 다른 환경이나 열원조건에서도 본 발명의 기본원리를 이용하여 다양한 적용을 할 수 있다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

HP : 히트펌프 HX : 열교환기
P : 펌프 R : 배관
V : 밸브

Claims

압축기, 응축기, 팽창변, 증발기의 냉동사이클로 구성된 적어도 하나 이상의 히트펌프와;
공기, 지하수, 하천수, 호수, 해수, 지열, 태양열, 배출 유체중 적어도 하나 이상의 외부 열원과;
상기 외부 열원 또는 히트펌프로부터 수축열을 공급받아 저장한 후 부하측으로 공급하되, 계절에 따라 축열전용 또는 축냉전용 또는 축열과 축냉을 나눠서 담당하는 복수의 수축열조와;
각 구성을 상호 연결하는 복수의 배관과;
각 배관에 설치되어 유로를 조절 및 전환하는 복수의 밸브; 및
각 구성들간의 유체 순환을 위한 복수의 순환펌프로 이루어지는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은,
제 1열교환기를 더 포함하며,
상기 외부 열원을 상기 히트펌프의 증발기 또는 응축기를 직접 통과시키지 않고, 상기 제 1열교환기를 통해 통과시켜 상기 히트펌프의 증발기 또는 응축기와, 각각의 상기 수축열조를 순환하는 냉수 또는 온수와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은,
제 2열교환기를 더 포함하며,
상기 부하측을 순환하는 유체를 상기 히트펌프의 증발기 또는 응축기를 직접 통과시키지 않고, 상기 제 2열교환기를 통해 통과시켜 상기 히트펌프의 증발기 또는 응축기와, 각각의 상기 수축열조를 순환하는 냉수 또는 온수와 열교환시키는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은,
급탕가열용 열교환기와, 저탕조 및 급탕용수 순환펌프를 더 포함하며,
상기 급탕가열용 열교환기에서 상기 히트펌프에서 가열된 유체로 급탕용수를 가열하고, 가열된 급탕용수를 배관 및 급탕용수 순환펌프를 통하여 부하측에 공급하거나 상기 저탕조에 저탕하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은,
각각의 상기 수축열조를 상기 배관에 의하여 상호 연결하고 상기 배관 상에 상기 밸브를 설치한 후 필요에 따라 상기 밸브를 조작하여 축냉과 축열의 용량을 조절하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 3 항에 있어서
상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은,
각각의 상기 수축열조를 상기 배관에 의하여 상호 연결하고 상기 배관 상에 상기 밸브를 설치한 후 필요에 따라 상기 밸브를 조작하여 전체의 수축열조를 축냉전용 또는 축열전용으로 사용할 수 있도록 조절하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은,
배출되는 폐수와 급탕 공급수 사이에 설치되는 제 3열교환기를 더 포함하며,
급탕용으로 사용되고 배출되는 폐수가 상기 제 3열교환기를 통하여 급탕용 공급수를 가열하여 급탕부하를 줄이도록 하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은,
상기 제 3열교환기를 통과하여 배출된 폐수와 상기 히트펌프의 증발기를 통과하여 냉각된 순환냉수 사이에 설치되는 제 4열교환기를 더 포함하며,
상기 제 3열교환기를 통과하면서 냉각된 폐수가 상기 히트펌프에 의하여 냉각된 순환냉수를 가열한 후 냉각되어 배출하도록 하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템은,
상기 급탕가열용 열교환기를 통하여 가열된 급수의 전부 또는 일부를 상기 저탕조의 저온부와 상기 급탕수 순환펌프와의 사이에 공급하여 상기 급탕용수 순환펌프와, 급탕가열용 열교환기 및 상기 히트펌프의 응축기를 통과하면서 가열된 순환수에 의하여 가열되도록 하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 히트펌프는,
복수단계의 냉동사이클로 구성되어 1차 냉동사이클의 응축기의 열원으로서 2차 냉동사이클의 증발기가 되도록 하여 2차 냉동사이클의 응측기에서 생산된 순환유체의 온도가 상대적으로 고온으로 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 3 항에 있어서,
각각의 상기 수축열조는,
축열 또는 축냉 저장온도 근처에서 상이 변화되는 물질을 내부에 투입하여 응고 또는 융해열을 이용하여 체적당 축열 또는 축냉능력을 향상시키도록 하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 3 항에 있어서,
각각의 상기 수축열조는,
체적당 열용량(비중과 비열을 곱한값)이 순환유체의 열용량보다 큰 물질을 내부에 투입하여 체적당 축열 또는 축냉능력을 향상시키도록 하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 외부 열원은,
주위 환경에 따라 복수의 열원을 두어 계절 및 기타 환경변화에 따라 전부 또는 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 히트펌프는,
냉매 방향 조절을 위한 4방향 밸브를 미적용한 상태에서 상기 수축열조의 밸브 조절을 통해 냉각과 가열을 동시 수행하는 것을 특징으로 하는 냉열 온열 통합생산 및 운영시스템.