KR20160133341A

KR20160133341A - Ess기능 마이크로 냉난방공조시스템

Info

Publication number: KR20160133341A
Application number: KR1020150066352A
Authority: KR
Inventors: 김영선
Original assignee: 김영선
Priority date: 2015-05-12
Filing date: 2015-05-12
Publication date: 2016-11-22

Abstract

본 발명은 일반적으로 낮은 열원을 활용하여 발전하는 발전사이클로 잘 알려져 있는 증발, 팽창, 응축, 압축의 유기랭킨사이클과 냉난방을 위한 시스템에어컨에 사용되는 압축, 응축, 팽창, 증발의 역랭킨사이클이 케스케이드로 상호 연결하고, 하나의 스텝모터로 제어되어 공기흐름 및 온도를 제어하는 공기제어유닛과 상기 유기랭킨사이클에 의해 생산되는 전력이나, 상용계통으로 부터의 상용전력을 이용하여 배터리관리시스템과 배터리가 내장된 에너지저장부에 저장하여, 경제적으로 전력을 관리하여 냉난방을 할 수 있는 ESS기능 마이크로 냉난방 공조시스템에 관한 기술이다.

Description

ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 {Micro Cooling and Heating System which have the function of Energy Storage}

낮은 비등점을 갖는 냉매를 사용하여 비교적 낮은 열원으로 발전을 할 수 있는 유기랭킨사이클과, 낮은 열원으로 부터 열을 취득하여 높은 열원으로 만드는 역랭킨사이클을 결합하여, 마이크로 냉난방공조시스템을 구성하는 방법에 관한 것이다.

또한, 상기 냉난방공조시스템에 배터리와 배터리관리시스템이 내장된 에너지저장부를 더 구비하여, 상기 냉난방공조시스템의 유기랭킨사이클에서 생산된 전력이나 상용전력을 에너지저장부에 저장하여, 에너지효율을 높이는 ESS기능의 마이크로 냉난방공조시스템에 관한 것이다.

일반적으로 냉방시스템은 역랭킨사이클인 히트펌프 기술로 구성되어 있다. 열매체를 사용하여 실내에 설치된 증발기에서 실내 열기를 흡수하여 증발한 열매체를 압축기로 압축하여 고온 고압의 기체상태로 상변화된 열매체를 실외에 설치된 응축기에서 응축잠열을 방출한 뒤 액체로 상변화된 열매체를 팽창밸브를 통해 저압액체 상태로 만들어 다시 실내 열기를 흡수하여 외부에 방출하는 사이클을 반복하여 냉방을 하는 냉방시스템이다.

특히, 고층건물이나 대형건물에서는 냉방시에는 외기를 흡입하여 냉각기에 의해 공기를 냉각시켜 덕트를 통해 건물내로 보내는 방법으로 냉방을 하고, 난방시는 흡입한 공기를 스팀보일러 등에 의해 가열하여 덕트를 통해 건물 내부로 보내는 방법으로 난방을 한다.

전자의 냉방시스템은 냉방운전시 외부에 실외기를 설치하여, 냉방시스템 가동시 발생되는 응축열을 공기중으로 배출시켜야 한다.

후자의 냉난방공조시스템은 냉각기를 위한 냉각탑을 옥상에 설치해야 하고, 난방시는 가스나 디젤등의 연료를 연소하여 그 연소열로 외기공기를 가열하여 난방을 해야 함으로 건물에 연소시 발생되는 연기를 배출할 수 있는 굴뚝을 설치해야 한다.

건물 전력소모의 대부분은 냉난방 부하에 의한 것으로, 냉난방 부하가 몰리는 피크타임에 전력부족이 문제가 된다.

이 문제를 해결하기 위한 에너지저장시스템(ESS: Energy Storage System)은 피크타임을 피해서 전력을 ESS에 저장하였다가 전력부하에 공급함으로서 일시에 전력부하가 집중되는 피크타임 문제를 해결할 수 있다.

에어컨으로 불리는 냉방시스템은 냉방사이클을 돌리는데 많은 전력을 소모하여, 에어컨 소비전력을 줄이기 위한 다양한 기술들이 특허로 공지되어 있으나, 소비전력을 줄이는데 한계가 있다.

또한, 냉방사이클의 작동열매체가 실내 공기로 부터 열을 흡수하여 냉방을 하고, 응축열을 외기에 설치된 응축기에서 방출하여야 함으로, 응축기가 내장된 실외기를 설치해야 함으로 전문인력이 설치해야 한다는 문제가 있다.

또한, 일반적인 냉난방공조시스템은 주로 초고층빌딩이나 대형빌딩에 설치되고, 이 냉난방공조시스템을 위한 냉각탑과 굴뚝이 설치되어야 하고, 냉각탑을 통해 냉각수를 순환시키는데 고층건물의 경우 수압 때문에, 냉난방공조시스템이 설치된 기계실을 건물 지하뿐 아니라 건물 중간 중간에 나누어 두어야 하는 문제가 있다.

본 발명에서는 기존 냉방사이클과 같은 압축, 응축, 팽창, 증발의 역랭킨사이클과 낮은 비등점을 갖는 열매체를 사용하여 증발, 팽창, 응축, 압축의 유기랭킨사이클을 구동하여, 역랭킨사이클의 응축열과 같은 비교적 낮은 열원으로도 동력을 생산할 수 있는 결합(역랭킨사이클과 유기랭킨사이클)사이클을 구성하여,

냉방 운전시, 실내의 더운 공기에서 열을 흡수하여 냉방을 하고, 외부에 설치된 응축기를 통해 열을 방출하여 냉방사이클을 구성 함으로서 냉방을 하는 방법이 아닌,

외부공기에서 열을 흡수하여 동력을 생산하여, 자체 사이클에서 필요한 동력을 공급하고, 외기공기에서 열을 흡수하는 과정에서 냉각된 공기를 건물내부의 실내에 공급하여 냉방을 하고, 난방 운전시는 역랭킨사이클만 구동시켜 실내공기를 응축열에 의해 계속 순환가열 하는 마이크로 냉난방공조시스템 기술을 사용한다.

또한, 냉방 운전시, 역랭킨사이클에 의해 외부 공기로 부터 흡수한 열원을 유기랭킨사이클에 공급하여 동력을 생산하여, 유기랭킨사이클의 마이크로터빈과 역랭킨사이클의 압축기를 축으로 연결하여 회전력을 전달하거나, 동력의 일부를 전력으로 변환하여 에너지저장부에 저장하여 냉난방 피크에 따른 전력부하를 피할 고, 피크타임 이외의 시간에 상기 에너지저장부에 상용계통 전력을 저장하여 마이크로 냉난방공조시스템에 활용하여 에너지 사용효율을 높힌다.

냉방이 필요할 정도로 외기 온도가 높을 때, 외기로 부터 열원을 흡수하여 자체 동력을 생산 공급하고, 열이 제거된 냉각공기를 냉방에 활용하는 마이크로 공조시스템으로, 배터리와 배터리관리시스템이 구비된 에너지저장부에 상기 동력을 전기로 변환하여 저장하거나 상용계통 전력을 전력부하가 몰리는 피크타임 이외의 시간에 충전하여, 실내부하에 공급하는 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템으로 냉난방으로 인한 전력부하가 집중되는 것을 막을 수 있다.

도1 은 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 구성도.
도2 는 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 냉방운영 예시도.
도3 은 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 냉방 운영시 공기흐름제어부 동작 예시도.
도4 는 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 난방 운영 예시도.
도5 는 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 난방 운영시 공기흐름제어부 동작 예시도.
도6 은 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 또 다른 실시 구성도(냉방운전).
도7 은 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 또 다른 실시 구성도(난방운전).

본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템은,

공기의 흐름 및 온도를 제어하는 공기제어유닛(150);

낮은 열원을 흡수하여 높은 열원으로 만들어 유기랭킨사이클에 공급하기 위한 역랭킨사이클(120);

상기 역랭킨사이클로 부터 열원을 공급받아 동력을 생산하는 유기랭킨사이클(110);

상기 역랭킨사이클과 유기랭킨사이클의 작동열매체가 사이클을 순환하면서 공기로 부터 열원을 흡수하여 증발하는 과정에서 생산된 냉각공기와 응축과정에서 생산된 응축열을 활용하는 냉난방공조유닛(130);

배터리와 배터리 충방전을 관리하는 배터리관리시스템을 구비한 에너지저장부(200);를 포함하며,

상기 유기랭킨사이클(110)로 부터 생산된 동력을 전기로 변환하거나, 상용전력을 변환하여 상기 에너지저장부(200)에 저장하여, 냉난방 부하에 따른 운전을 통합 제어하는 제어부(201)를 구비함을 특징으로 한다.

도1 은 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 구성도 이다.

먼저, 냉방운전사이클 구성은,

압축기(121), 제1열교환기(115), 팽창밸브(123), 제2열교환기(113), 외기증발기(124)로 폐루프를 구성한 역랭킨사이클(120);과

마이크로터빈(111), 제1응축열교환기(112), 제2열교환기(113), 압축펌프(114), 제1열교환기(115)로 폐루프를 구성한 유기랭킨사이클(110);이 결합하여 구성된다.

난방운전사이클은 유기랭킨사이클(110)이 폐루프에서 제거되고, 역랭킨사이클(120) 압축기(121)와 연결된 축도 클러치(116)에 의해 축에서 완전 분리된다.

따라서, 난방운전사이클은,

압축기(121), 제2응축열교환기(125),팽창밸브(123), 병렬로 결합된 제1응축열교환기(112)와 외기증발기(124)로 폐루프를 구성한 역랭킨사이클(120); 로 구성된다.

난방운전사이클에서 병렬로 결합된 제1응축열교환기(112)와 외기증발기(124)는 공기중에서 열원을 흡수하는 하나의 외기증발기(124) 처럼 작동한다.

냉난방공조유닛(130)은 내부적으로 두개의 공조유닛으로 구성되어 있다.

외기공기를 흡입하는 흡입구(136, EI)와 공기필터(132), 제1응축열교환기(112), 외기증발기(124), 냉각공기를 배출하는 냉기덕트(137 , EO)와 연결된 송풍기(134)를 구비한 냉방공조유닛과, 외기 혹은 실내 공기를 흡입하는 흡기덕트(138, CI), 공기필터(133), 제2응축열교환기(125), 가열된 공기를 배출하는 온기덕트(139, CO)와 연결된 송풍기(135)를 구비한 난방공조유닛 이다.

상기 냉난방공조유닛(130)의 냉기덕트(137, EO)와 흡기덕트(138, CI), 온기덕트(139, CO)와 연결되어 건물(300)내부로 가열 혹은 냉각된 공기를 공급하는 실내급기덕트(143, BAI)와 난방을 위해 가열순환 시키거나 환기를 위한 실내배기덕트(144, BAO), 외부공기를 유입하거나 환기를 위해 배출하기 위한 흡배기덕트(142, ACI), 외부로 공기를 배출하는 배기덕트(141, ABO)로의 공기 흐름을 제어하는 공기제어유닛(150)이 구비되어 있다.

공기제어유닛(150)은 공기흡배출구(153)를 구비한 하우징(152) 내부에, 스텝모터(151)의 축과 연결된 스텝모터회전축(154)과 스텝모터회전축(154)에 설치된 다수의 공기댐퍼(155)를 구비하여, 스텝모터(151)의 회전각에 따라 공기댐퍼(155)에 의해 공기흡배출구(153)를 선택하여 공기의 흐름을 제어하여 냉난방 운전사이클을 결정한다.

냉방 운전시, 스텝모터(151)의 회전각에 의해 실내급기덕트(143, BAI)와 배기덕트(141, AEO)로 흐르는 냉각 공기양을 조절하여 온도를 조절할 수 있다.

난방 운전시, 스텝모터(151)의 회전각에 의해 외부공기(142, ACI)와 실내공기(144, BAO)를 동시에 흡입하여 응축열을 실내로 공급(139, CO)하는 방식으로 환기(도5의 (c )참조)를 하거나, 실내공기(144, BAO)를 순환 흡입하여 응축열을 실내에 공급(도5, (B )참조) 함으로서, 난방부하를 낮출 수 있다.

냉방운전시, 유기랭킨사이클(110)의 마이크로터빈(111)과 한축으로 연결된 역랭킨사이클(120)의 압축기(121)와 모터발전기(122)에 의해, 외기온도가 높을 때 압축기(121) 회전동력 이상으로 유기랭킨사이클(110)에 의해 동력이 생산되면, 모터발전기(122)에 의해 전기로 변환되어 에너지저장부(200)에 저장될 수 있다.

에너지저장시스템(ESS)는 모터발전기(122)로 부터 출력되는 AC전력을 DC로 변환하기 위한 AC-DC인버터(204)와, 상용계통(206)으로 부터 건물내부(300)로 인입하여 설치된 전력량계(207), 실내부하(208)과 상용계통(206)으로 부터 공급받은 AC전력

을 DC로 변환하거나, DC전력을 AC로 변환하여 상용계통(206)에 공급하거나, 상기 마이크로 냉난방공조시스템(100)을 포함한 실내부하(208)에 공급하기 위한 양방향 AC-DC인버터(205), 배터리와 배터리 충방전 제어를 위한 배터리관리시스템(BMS)이 내장된 에너지저장부(202), 에너지저장부(202)의 DC전압이나 AC-DC인버터(204)와

양방향 AC-DC인버터(205) DC전압을 상호 DC로 변환하기 위한 양방향 DC-DC컨버터(203)와 제어스위치(SW01~SW04)와 마이크로 냉난방공조유닛(100), 에너지저장부(202) 등을 제어하기 위한 통합 제어부(201)로 구성된다.

도2 는 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 냉방운전사이클 예시도 이다.

앞서 설명한 바와 같이, 냉방운전사이클은 유기랭킨사이클(110)과 역랭킨사이클(120) 두개의 사이클로 구성된다.

도3 은 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 냉방 운영시 공기흐름제어부 동작 예시도 로서, 상기 도2의 냉방운전사이클 에서의 공기흐름을 보여준다.

냉난방공조유닛(130)의 외기덕트(136, EI)로 유입된 외기공기는 유기랭킨사이클(110)의 제1응축열교환기(112)에서 방출되는 응축열에 의해 가열되면서, 역랭킨사이클(120) 외기증발기(124)에서 역랭킨사이클(120) 작동열매체의 증발 과정에서 열원이 흡수되어 냉각되어 진다.

냉각된 공기는 냉기덕트(137, EO)를 통해 공기제어유닛(150)으로 유입되어 실내급기덕트(143, BAI)로 급기되어 건물(300) 실내를 냉각하게 된다.(도3, (B))

건물(300) 실내의 공기는 실내배기덕트(144, BAO)를 통해, 공기제어유닛(150)의 역류방지댐퍼(158)가 설치되어 있는 공기흡배출구를 통해 흡배기덕트(142, ACI)로 배출되는 과정에 의해 환기가 이루어 진다.

도3.(C)에서 보는 바와 같이 건물(300) 내부로 유입되는 공기의 양을 공기제어유닛(150)의 스텝모터(151)의 변위 제어에 의해 배기덕트(141, AEO)를 통해 외부로 배출되는 공기의 양을 조절하는 방법으로 건물(300) 내부 온도를 제어할 수 있다.

도4 는 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 난방 운영 예시도 이다.

도1 에서 설명한 바와 같이 난방운전사이클은 유기랭킨사이클(110)은 분리되고, 역랭킨사이클(120)에 의해 구성된다.

도5 는 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 난방 운영시 공기흐름제어부 동작 예시도 로서,

상기 도4의 난방운전 모드에 대한 공기제어유닛(150) 변위제어를 통한 난방 및 환기 방법을 보여준다.

도6(냉방운전모드)과 도7(난방운전모드)은 은 본 발명의 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템 또 다른 실시 구성도를 보여준다.

앞서 도1과 차이점은 냉방운전사이클을 구성하는 방법에 있어 차이가 있다.

압축기(121), 제1열교환기(115), 팽창밸브(123), 제2열교환기(113), 외기증발기(124)로 폐루프를 구성한 역랭킨사이클(120);

마이크로터빈(111), 병렬로 연결된 제1응축열교환기(112)와 제2열교환기(113), 압축펌프(114), 제1열교환기(115)로 폐루프를 구성한 유기랭킨사이클(110);

도1에서는 제1응축열교환기(112)와 제2열교환기(113)가 유기랭킨사이클(110)의 응축기로 동작하고, 역랭킨사이클(120)의 증발기로 동작함에 있어 직렬로 연결된 경우이고,

도6에서는 제1응축열교환기(112)와 제2열교환기(113)이 병렬로 연결된 것이 차이점이다.

100 : 마이크로 냉난방공조시스템
110 : 발전사이클
111 : 마이크로터빈
112 : 제1응축열교환기
113 : 제2열교환기
114 : 압축펌프
115 : 제1열교환기
116 : 클러치
120 : 열펌프사이클
121 : 압축기
122 : 모터발전기
123 : 팽창밸브
124 : 외기증발기
125 : 제2응축열교환기
130 : 냉난방공조유닛
132,133 : 공기필터
134,135 : 송풍기
136 : 외기덕트(EI)
137 : 냉기덕트(EO)
138 : 흡기덕트(CI)
139 : 온기덕트(CO)
141 : 배기덕트(AEO)
142 : 흡배기덕트(ACI)
143 : 실내급기덕트(BAI)
144 : 실내배기덕트(BAO)
150 : 공기제어유닛
151 : 스텝모터
152 : 공기제어유닛 하우징
153 : 공기흡배출구
154 : 스텝모터 회전축
155 : 공기댐퍼
156 : 기준공기댐퍼
158 : 역류방지댐퍼
200 : ESS (에너지저장시스템)
201 : 제어부
202 : 에너지저장부
203 : 양방향 DC-DC 컨버터
204 : AC-DC인버터
205 : 양방향 AC-DC인버터
206 : 전력계통
207 : 전력량계
208 : 실내부하
300 : 건물
301 : 디퓨져
302 : 실내공기 흡입구

Claims

공기의 흐름 및 온도를 제어하는 공기제어유닛;
낮은 열원을 흡수하여 고온으로 만들어 유기랭킨사이클에 공급하기 위한 역랭킨사이클;
역랭킨사이클로 부터 열원을 공급받아 동력을 생산하는 유기랭킨사이클;
역랭킨사이클과 유기랭킨사이클의 작동열매체가 사이클을 순환하면서 공기로 부터 열원을 흡수하여 증발하는 과정에서 생산된 냉각공기와 응축과정에서 생산된 응축열을 활용하는 냉난방공조유닛;
배터리와 배터리 충방전을 관리하는 배터리관리시스템을 구비한 에너지저장부;를 포함하며,
상기, 유기랭킨사이클로 부터 생산된 동력을 전기로 변환하거나, 상용전력을 변환하여 상기 에너지저장부에 저장하여, 냉난방 부하에 따른 운전을 통합 제어하는 제어부를 구비함을 특징으로 하는 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템.
청구항 1항에 있어서,
압축기, 제1열교환기, 팽창밸브, 제2열교환기, 외기증발기로 폐루프를 구성한 역랭킨사이클;
마이크로터빈, 제1응축열교환기, 제2열교환기, 압축펌프, 제1열교환기로 폐루프를 구성한 유기랭킨사이클;

상기의 두 사이클로 냉방운전사이클을 구성함을 특징으로 하는 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템.
청구항 1항에 있어서,
압축기, 제2응축열교환기, 팽창밸브, 병렬로 결합된 제1응축열교환기와 외기증발기로 폐루프를 구성한 역랭킨사이클;

상기 역랭킨사이클로 난방운전사이클을 구성함을 특징으로 하는 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템.
청구항 2항과 3항에 있어서,
마이크로터빈과 모터발전기 구비된 압축기가 연결된 축상에 클러치를 더 구비하여, 냉방사이클 운전시는 클러치에 의해 연결되고, 난방사이클 운전시는 클러치에 의해 마이크로터빈이 축에서 분리되도록 함을 특징으로 하는 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템.
청구항 1항에 있어서,
공기제어유닛은 공기흡배출구를 구비한 하우징 내부에, 스텝모터의 축과 연결된 스텝모터회전축과 스텝모터회전축에 설치된 공기댐퍼를 구비하여, 스텝모터의 회전각에 따라 공기댐퍼에 의해 공기흡배출구를 선택하여 공기의 흐름을 제어하여 냉난방 운전사이클을 결정함을 특징으로 하는 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템.
청구항 5항에 있어서,
냉방 운전시, 스텝모터의 회전각에 의해 실내급기덕트와 배기덕트로 흐르는 냉각 공기양을 조절하여 온도를 조절함을 특징으로 하는 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템.
청구항 5항에 있어서,
난방 운전시, 스텝모터의 회전각에 의해 외부공기와 실내공기를 동시에 흡입하여 흡입한 공기에 응축열을 방출하여, 실내로 공급하는 방식으로 난방과 환기를 동시에 하거나, 실내공기를 순환 흡입하여 응축열에 의해 가열시켜 실내에 공급 함으로서, 난방부하를 낮춤을 특징으로 하는 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템.
청구항 1항에 있어서,
압축기, 제1열교환기, 팽창밸브, 제2열교환기, 외기증발기로 폐루프를 구성한 역랭킨사이클;
마이크로터빈, 병렬로 연결된 제1응축열교환기와 제2열교환기, 압축펌프, 제1열교환기로 폐루프를 구성한 유기랭킨사이클;

상기의 두 사이클로 냉방운전사이클을 구성함을 특징으로 하는 ESS기능 마이크로 냉난방공조시스템.