KR20140006384A - 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치 - Google Patents

히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치 Download PDF

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KR20140006384A
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Abstract

본 발명은 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치에 관한 것으로, 그 목적은 히트펌프를 이용하여 리히팅 코일과 칠러의 에너지 소비량을 줄임으로써 에너지절감을 실현할 수 있도록 하는 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치를 제공함에 있다. 이를 위한 본 발명의 외기공조장치는 외기 중의 이물질을 여과하는 필터와, 외기를 가열하는 프리 히팅 코일과, 외기로 물을 분무하여 이물질을 여과하는 에어와셔와, 외기를 냉각하는 쿨링 코일과, 외기를 최종적으로 가열하는 리히팅 코일과, 클린룸의 냉방을 실시하는 드라이 쿨링 코일과, 상기 쿨링 코일과 드라이 쿨링 코일로 냉수를 제공하는 칠러를 포함하는 외기공조장치에 있어서, 상기 쿨링 코일에 인접하게 배치되어 외기를 냉각하는 보조 쿨링 코일; 상기 리히팅 코일에 인접하게 배치되어 외기를 가열하는 보조 히팅 코일; 및 상기 보조 쿨링 코일이나 드라이 쿨링 코일로 열매체를 공급하고, 보조 쿨링 코일이나 드라이 쿨링 코일에서 사용된 열매체를 제공받아 열매체의 열을 흡수하며, 흡수한 열을 보조 히팅 코일로 제공되는 열매체로 전달하는 히트펌프를 포함하는 것으로 구성된다.

Description

히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치{Energy-saving outdoor air conditioning system with heat pump}
본 발명은 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치에 관한 것으로, 특히 히트펌프를 이용하여 보조 쿨링 코일이나 드라이 쿨링 코일에서 열을 흡수하고, 흡수된 열을 보조 히팅 코일을 통해 방출함으로써, 리히팅 코일과 칠러의 에너지소비량을 감소시킬 수 있도록 한 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체나 액정표시장치와 같은 물품의 제조는 고 청정도가 유지되는 클린룸(Clean room)에서 이루어지고 있으며, 이러한 클린룸으로 유입되는 외기를 요구되는 온도와 습도로 조정하고, 외기 중에 포함된 이물질을 여과하기 위하여 외기공조장치가 사용되고 있다.
도 1은 종래 외기공조장치의 구성도를 도시하고 있다.
종래의 외기공조장치는 유입되는 외기를 순차적으로 처리하도록 배치된 필터(10), 프리 히팅 코일(20), 에어와셔(30), 쿨링 코일(40), 리히팅 코일(50)과, 상기 쿨링 코일(40)로 냉수를 공급함과 더불어 클린룸의 냉방을 실시하는 드라이 쿨링 코일(Dry cooling coil,60)로 냉수를 공급하는 칠러(Chiller,70)를 구비하는 것으로 구성되어 있다.
이때 상기 필터(10)는 유입되는 외기에 포함된 먼지나 각종 가스 상의 오염물(SOx,NOx,NH3)을 제거하고, 상기 프리 히팅 코일(20)은 외기를 가열하며, 상기 에어와셔(30)는 외기로 물을 분사하여 각종 미세입자를 여과하고, 상기 쿨링 코일(40)은 외기를 최종적으로 냉각하며, 상기 리히팅 코일(50)은 외기를 최종적으로 가열하여 요구되는 온도로 조정하게 된다.
한편 상기 리히팅 코일(50)과 칠러(70)는 클린룸용 외기공조장치에 반드시 포함되어야 하는 장치로 사계절 내내 작동하게 되며, 통상적으로 리히팅 코일로 유입되는 외기의 온도는 10℃ 전후로 클린룸 내부의 발열량에 따라 리히팅 코일로 외기를 12~19℃로 가열하고, 상기 칠러(70)는 클린룸의 냉방을 위하여 일년 내내 작동하게 된다.
이러한 리히팅 코일과 칠러에서 소비되는 에너지는 상당하며, 그 크기는 설정온도, 급기풍량(Reheating coil)/클린룸 내 발열량, 외기온도(Chiller)에 비례하여 증가되므로 에너지의 소모가 큰 문제점을 갖고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 히트펌프를 이용하여 리히팅 코일과 칠러의 에너지 소비량을 줄임으로써 에너지절감을 실현할 수 있도록 하는 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치는 외기 중의 이물질을 여과하는 필터와, 외기를 가열하는 프리 히팅 코일과, 외기로 물을 분무하여 이물질을 여과하는 에어와셔와, 외기를 냉각하는 쿨링 코일과, 외기를 최종적으로 가열하는 리히팅 코일과, 클린룸의 냉방을 실시하는 드라이 쿨링 코일과, 상기 쿨링 코일과 드라이 쿨링 코일로 냉수를 제공하는 칠러를 포함하는 외기공조장치에 있어서, 상기 쿨링 코일에 인접하게 배치되어 외기를 냉각하는 보조 쿨링 코일; 상기 리히팅 코일에 인접하게 배치되어 외기를 가열하는 보조 히팅 코일; 및 상기 보조 쿨링 코일이나 드라이 쿨링 코일로 열매체를 공급하고, 보조 쿨링 코일이나 드라이 쿨링 코일에서 사용된 열매체를 제공받아 열매체의 열을 흡수하며, 흡수한 열을 보조 히팅 코일로 제공되는 열매체로 전달하는 히트펌프를 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편 상기 히트펌프와 보조 쿨링 코일을 연결하는 배관에 설치되어 유로를 개폐하는 제1 밸브; 및 상기 히트펌프와 드라이 쿨링 코일을 연결하는 배관에 설치되어 유로를 개폐하는 제2 밸브가 더 포함될 수 있다.
한편 상기 보조 쿨링 코일은 쿨링 코일의 전방에 배치되어 쿨링 코일로 유동하는 외기를 미리 냉각함으로써 쿨링 코일의 부하를 감소시키고, 상기 보조 히팅 코일은 리히팅 코일의 전방에 배치되어 리히팅 코일로 유동하는 외기를 미리 가열함으로써 리히팅 코일의 부하를 감소시키도록 구성되는 것이 바람직하다.
상기와 같은 특징을 갖는 본 발명에 의하면, 히트펌프를 이용하여 보조 쿨링 코일과 드라이 쿨링 코일에서 사용된 열매체의 열을 흡수하고, 흡수된 열을 보조 히팅 코일로 공급되는 열매체에 전달하여 리히팅 코일과 칠러의 에너지소비량을 줄임으로써, 외기공조장치에서 소모되는 에너지를 절감시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 종래 외기공조장치의 구성도,
도 2 는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외기공조장치의 구성도,
도 3 은 히트펌프의 구성도,
도 4 는 제2 밸브를 개방시킨 외기공조장치의 구성도,
도 5 는 동절기 제1 밸브를 폐쇄시킨 외기공조장치의 구성도.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면과 연계하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 외기공조장치의 구성도를, 도 3 은 히트펌프의 구성도를 도시하고 있다.
본 발명에 따른 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치는 외기의 냉각이나 클린룸의 냉방을 위하여 사용된 열매체의 열을 히트펌프(200)를 이용하여 흡수하고, 흡수된 열을 외기의 가열을 위해 사용되는 열매체에 전달함으로써 리히팅 코일(150)과 칠러(170)의 부하를 경감시켜 외기공조장치에서 사용되는 에너지를 절감할 수 있도록 한 것으로, 필터(110), 프리 히팅 코일(120), 에어와셔(130), 쿨링 코일(140), 리히팅 코일(150), 드라이 쿨링 코일(160), 칠러(170), 보조 쿨링 코일(180), 보조 히팅 코일(190) 및 히트펌프(200)를 포함하는 것으로 구성되어 있다.
상기 필터(110)는 유입되는 외기 중에 포함된 이물질을 여과하는 것이다. 이러한 필터(110)로는 망구조의 필터 또는 가스상의 오염물질을 여과하기 위한 케미컬 필터로 구성될 수 있으며, 물론 망구조의 필터와 케미컬 필터를 혼용하여 구성될 수도 있다.
상기 프리 히팅 코일(120)은 동절기와 같이 대기의 온도가 낮을 경우, 열매체(ex:스팀, 온수, 가스)를 열원으로 하여 외기를 가열하는 것이다. 물론 이러한 프리 히팅 코일(120)을 대신하여 전기를 이용하여 열을 발산함으로써 외기를 가열하는 히터가 사용될 수도 있다.
상기 에어와셔(130)는 외기로 물을 분무하여 외기에 포함된 이물질을 여과하는 것이다. 이러한 에어와셔(130)는 물의 분무를 위한 다수 개의 노즐이 구비된 다수 개의 노즐 바(131)가 서로 마주하도록 배치되어 물을 분무하도록 구성된다.
상기 쿨링 코일(140)은 칠러(170)로부터 공급되는 냉수를 열매체로써 제공받아 외기를 냉각하게 된다.
상기 리히팅 코일(150)은 열매체(ex:스팀, 온수, 가스)를 열매체로 제공받아 외기를 최종적으로 가열하게 된다.
상기와 같은 필터(110), 프리 히팅 코일(120), 에어와셔(130), 쿨링 코일(140), 리히팅 코일(150)은 외기가 유입되는 방향을 기준으로 하여 순차적으로 배치된다.
상기 드라이 쿨링 코일(160)은 칠러(170)로부터 공급되는 냉수를 이용하여 클린룸의 냉방을 실시하게 된다.
상기 칠러(170)는 드라이 쿨링 코일(160)과 쿨링 코일(140)로 냉수를 공급하고, 드라이 쿨링 코일(160)과 쿨링 코일(140)에서 사용된 후 반환되는 냉수를 다시 냉각하여 드라이 쿨링 코일(160)과 쿨링 코일(140)로 공급하도록 구성된다.
상기 보조 쿨링 코일(180)은 외기를 냉각하여 쿨링 코일(140)에 가해지는 공조부하를 경감시키는 것으로, 쿨링 코일(140)의 인접한 위치에 배치되며, 바람직하게는 쿨링 코일(140)의 전방에 배치되어 쿨링 코일(140)로 유동하는 외기를 미리 냉각하도록 구성된다.
이러한 보조 쿨링 코일(180)은 히트펌프(200)와 배관(210)을 통해 연결되어 히트펌프(200)로부터 제공되는 열매체를 받아 외기를 냉각하게 되고, 외기의 냉각에 사용된 열매체를 히트펌프(200)로 반환하게 된다.
상기 보조 히팅 코일(190)은 외기를 가열하여 리히팅 코일(150)에 가해지는 공조부하를 경감시키는 것으로, 리히팅 코일(150)의 인접한 위치에 배치되며, 바람직하게는 리히팅 코일(150)의 전방에 배치되어 리히팅 코일(150)로 유동하는 외기를 미리 가열하도록 구성된다.
이러한 보조 히팅 코일(190)은 히트펌프(200)와 배관(220)을 통해 연결되어 히트펌프(200)로부터 제공되는 열매체를 받아 외기를 가열하게 되고, 외기의 가열에 사용된 열매체를 히트펌프(200)로 반환하게 된다.
상기 히트펌프(200)는 드라이 쿨링 코일(160)이나 쿨링 코일(140)로부터 반환되는 열매체로부터 열을 흡수하고, 흡입된 열을 보조 히팅 코일(190)로 공급되는 열매체에 전달하는 것이다.
이러한 히트펌프(200)는 주지된 바와 같이, 증발기(201), 압축기(202), 응축기(203), 팽창변(204)으로 구성되며, 상기 증발기(201)는 드라이 쿨링 코일(160)과 쿨링 코일(140)로부터 반환되는 열매체의 열을 흡수하고, 상기 응축기(203)는 흡수된 열을 보조 히팅 코일(190)로 공급되는 열매체로 방출하게 된다.
한편 상기 히트펌프(200)와 보조 쿨링 코일(180)을 연결하는 배관(210)에는 유로를 개폐하기 위한 제1 밸브(211)가 설치되고, 상기 히트펌프(200)와 드라이 쿨링 코일(160)을 연결하는 배관(220)에는 유로를 개폐하기 위한 제2 밸브(221)가 설치되어 계절이나 제어방식에 따라 유로를 적절하게 제어할 수 있도록 구성된다.
도면 중 미설명 부호 230은 송풍기이고, 240은 에어와셔(130)를 통해 분무되는 물이 외기와 함께 쿨링 코일(140)로 유입되는 것을 방지하도록 외기 중의 물을 분리하여 제거하는 엘리미네이터(Eliminator)이다.
상기와 같이 구성된 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치가 갖는 작용효과에 대해 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 외기공조장치는 송풍기(230)의 구동에 의하여 외기를 유입하게 되며, 송풍기의 구동에 의하여 외기공조장치로 유입되는 외기는 필터(110)를 거쳐 여과되고, 프리 히팅 코일(120)을 거쳐 가열되며, 에어와셔(130)를 거치며 여과됨과 더불어 습도 조절이 이루어지게 된다. 여기서 상기 프리 히팅 코일(120)은 하절기와 같이 대기의 온도가 높은 계절에는 사용되지 않을 수도 있다.
이처럼 필터(110)와 프리 히팅 코일(120) 및 에어와셔(130)를 거친 외기는 보조 쿨링 코일(180), 쿨링 코일(140), 보조 히팅 코일(190), 리히팅 코일(150)을 순차적으로 거치며 냉각 및 가열됨으로써 요구되는 온도와 습도 조건으로 조절된 후 클린룸으로 유입된다.
한편 상기 보조 쿨링 코일(180)은 히트펌프(200)에서 생산되는 약 7℃의 냉수를 열매체로써 제공받아 외기를 냉각하게 되며, 외기와 열교환을 통해 열을 흡수하여 약 12℃로 승온된 열매체는 히트펌프(200)로 반환된다.
이처럼 히트펌프(200)로 반환되는 열매체는 히트펌프(200)의 증발기(201)를 순환하는 냉매와 열교환되어 다시 7℃의 냉수로 재생되며, 증발기(201)를 순환하는 냉매는 열매체의 열을 흡수한 채 압축기(202)로 유입되어 고온 고압의 상태로 압축된 후 응축기(203)로 보내지고, 응축기(203)는 냉매의 응축과정에서 발생되는 응축열을 이용하여 보조 히팅 코일(190)로 공급되는 열매체(온수)를 약 35℃로 가열하게 된다.
이와 같이 본 발명에 따른 외기공조장치는 히트펌프(200)에서 생산되는 냉수를 보조 쿨링 코일(180)로 공급하여 쿨링 코일(140)로 유동하는 외기를 냉각하여 온도를 낮춰 줌으로써 쿨링 코일(140)의 공조부하를 감소시킬 수 있으며, 이러한 쿨링 코일(140)의 공조부하 감소는 결국 칠러(170)의 부하를 감소를 의미하므로 칠러(170)에서 냉수의 생산을 위하여 소모되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.
또한 외기를 냉각과정에서 승온된 열매체의 열을 히트펌프(200)에서 흡수하고 이를 보조 히팅 코일(190)로 공급되는 열매체로 전달하여 외기의 가열에 이용될 수 있게 함으로써, 열에너지의 이용 효율을 높일 수 있게 된다.
또한 히트펌프(200)에서 생산된 약 35℃의 온수를 보조 히팅 코일(190)로 공급하여 리히팅 코일(150)로 유동하는 외기를 미리 가열하여 줌으로써 리히팅 코일(150)의 공조부하를 감소시켜 리히팅 코일(150)에서 소모되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.
한편 도 2에는 히트펌프(200)와 드라이 쿨링 코일(160)을 연결하는 배관(220)에 설치된 제2 밸브(221)를 차단하여 드라이 쿨링 코일(160)과 히트펌프(200)로 열매체가 순환되는 것을 억제한 구조가 도시되어 있으나, 상기 제2 밸브(221)를 개방하여 드라이 쿨링 코일(160)과 히트펌프(200)로 열매체가 순환되게 함으로써 에너지 절감효과를 더욱 높일 수 있다.
도 4는 제2 밸브를 개방시킨 외기공조장치의 구성도를 도시하고 있다.
상기 제2 밸브(221)를 개방시킨 경우, 히트펌프(200)에서 생산되는 7℃의 냉수가 보조 쿨링 코일(180)과 드라이 쿨링 코일(160)로 공급되며, 드라이 쿨링 코일(160)은 칠러(170)로부터 공급되는 냉수와 히트펌프(200)로부터 공급되는 냉수를 이용하여 클린룸의 냉방을 실시하게 된다.
이처럼 제2 밸브(221)를 개방시킨 경우, 드라이 쿨링 코일(160) 부하의 일부를 히트펌프(200)에서 부담하게 되므로, 칠러(170)에서 냉수의 생산을 위해 소모되는 에너지를 절감할 수 있으며, 드라이 쿨링 코일(160)에서 클린룸의 냉방을 위해 사용되어 승온된 냉수를 히트펌프(200)가 반환받아 열을 회수함으로써 열에너지의 이용효율을 높일 수 있게 된다.
도 5는 동절기 제1 밸브를 폐쇄시킨 외기공조장치의 구성도를 도시하고 있다.
동절기와 같이 외부 온도가 낮은 경우 외기의 냉각은 요구되지 않는 반면, 클린룸은 일정한 온도 유지를 위하여 냉방이 요구되므로, 히트펌프(200)와 보조 쿨링 코일(180)을 연결하는 배관(210)에 설치된 제1 밸브(211)를 차단하고, 히트펌프(200)와 드라이 쿨링 코일(160)을 연결하는 배관(220)에 설치된 제2 밸브(221)는 개방하게 된다.
이와 같은 경우 히트펌프(200)가 드라이 쿨링 코일(160) 부하의 일부를 부담하게 되므로, 앞서 설명된 바와 같이 칠러(170)에서 냉수를 생산하기 위하여 소모되는 에너지를 절감할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 외기공조장치는 히트펌프(200)를 이용하여 보조 쿨링 코일(180)과 드라이 쿨링 코일(160)에서 사용된 냉수의 열을 흡수하고, 흡수된 열을 보조 히팅 코일(190)을 통해 방출시켜 외기를 가열하는 구조를 갖고 있으며, 이러한 구조에 따르면, 보조 히팅 코일(190)에서 외기를 미리 가열하기 때문에 리히팅 코일(150)의 에너지소비량을 감소시킬 수 있고, 히트펌프(200)에 의해 생산되는 냉수를 드라이 쿨링 코일(160)과 보조 쿨링 코일(180)로 공급하여 드라이 쿨링 코일(160)이나 쿨링 코일(140)의 냉방부하를 경감시킴으로써 칠러(170)의 에너지 소비량을 감소시킬 수 있다.
물론 상기 히트펌프(200)의 구동을 위한 에너지의 소모가 발생되나, 히트펌프(200)는 구동에 필요한 에너지 보다 더 많은 양의 에너지를 열에너지 형태로 공급할 수 있는 특징을 갖고 있으므로, 결과적으로 히트펌프(200)의 구동을 위해 소비되는 에너지 보다 리히팅 코일(150)이나 칠러(170)에서 절감되는 에너지가 커 외기공조장치에서 소모되는 에너지를 감소시킬 수 있게 된다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
(110) : 필터 (120) : 프리 히팅 코일
(130) : 에어와셔 (140) : 쿨링 코일
(150) : 리히팅 코일 (160) : 드라이 쿨링 코일
(170) : 칠러 (180) : 보조 쿨링 코일
(190) : 보조 히팅 코일 (200) : 히트펌프
(210) : 배관 (211) : 제1 밸브
(220) : 배관 (221) : 제2 밸브

Claims (3)

  1. 외기 중의 이물질을 여과하는 필터(110)와, 외기를 가열하는 프리 히팅 코일(120)과, 외기로 물을 분무하여 이물질을 여과하는 에어와셔(130)와, 외기를 냉각하는 쿨링 코일(140)과, 외기를 최종적으로 가열하는 리히팅 코일(150)과, 클린룸의 냉방을 실시하는 드라이 쿨링 코일(160)과, 상기 쿨링 코일(140)과 드라이 쿨링 코일(160)로 냉수를 제공하는 칠러(170)를 포함하는 외기공조장치에 있어서,
    상기 쿨링 코일(140)에 인접하게 배치되어 외기를 냉각하는 보조 쿨링 코일(180);
    상기 리히팅 코일(150)에 인접하게 배치되어 외기를 가열하는 보조 히팅 코일(190); 및
    상기 보조 쿨링 코일(180)이나 드라이 쿨링 코일(160)로 열매체를 공급하고, 보조 쿨링 코일(180)이나 드라이 쿨링 코일(160)에서 사용된 열매체를 제공받아 열매체의 열을 흡수하며, 흡수한 열을 보조 히팅 코일(190)로 제공되는 열매체로 전달하는 히트펌프(200)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트펌프(200)와 보조 쿨링 코일(180)을 연결하는 배관(210)에 설치되어 유로를 개폐하는 제1 밸브(211); 및
    상기 히트펌프(200)와 드라이 쿨링 코일(160)을 연결하는 배관(220)에 설치되어 유로를 개폐하는 제2 밸브(221)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보조 쿨링 코일(180)은 쿨링 코일(140)의 전방에 배치되어 쿨링 코일(140)로 유동하는 외기를 미리 냉각함으로써 쿨링 코일(140)의 부하를 감소시키고,
    상기 보조 히팅 코일(190)은 리히팅 코일(150)의 전방에 배치되어 리히팅 코일(150)로 유동하는 외기를 미리 가열함으로써 리히팅 코일(150)의 부하를 감소시키는 것을 특징으로 하는 히트펌프를 이용하는 에너지절감형 외기공조장치.
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