KR20170142505A - 하이브리드 냉난방장치를 이용한 폐열 재활용 시스템 - Google Patents

하이브리드 냉난방장치를 이용한 폐열 재활용 시스템 Download PDF

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Abstract

폐열 재활용 시스템은 하이브리드 냉난방장치, 열교환탱크, 냉각수 열교환기 및 재활용 단지를 포함한다. 상기 하이브리드 냉난방장치는 냉방 부하, 난방 부하 및 급탕 탱크와 연결되어, 상기 냉방 부하, 상기 난방부하 및 상기 급탕 탱크로 각각 냉수, 온수 및 급탕수를 선택적으로 공급한다. 상기 열교환탱크는 상기 냉방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결되며, 재활용 가능한 열원으로부터 폐열을 회수한다. 상기 냉각수 열교환기는 상기 난방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결된다. 상기 재활용 단지는 상기 냉방부하 및 상기 난방부하와 동시에 연결되어 냉수 또는 온수를 공급받아 냉방 또는 난방된다.

Description

하이브리드 냉난방장치를 이용한 폐열 재활용 시스템{WASTE HEAT RECYCLING SYSTEM USING A HYBRID HEAT PUMP}
본 발명은 폐열 재활용 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이브리드 히트 펌프식 냉난방장치를 이용하여 모든 종류의 폐열을 재활용하는 폐열 재활용 시스템에 관한 것이다.
발전소나 태양광 모듈 등을 이용한 에너지 생산의 경우, 에너지를 생산하며 남은 온배수나 잔류 태양열 등에도 추가적으로 에너지를 생산할 수 있으며, 이러한 폐열을 통해 에너지를 재생산하는 것은 궁극적으로 에너지 소비를 최소화할 수 있다는 점에서 매우 중요하다.
특히, 발전소에서 발생하는 온배수의 경우 그대로 바다로 흘려보내는 경우 해수의 가열에 따라 다양한 피해가 발생하고 있으며, 여름철의 태양에너지에 의해 온도가 상승함에 따라 상승하는 지열이나 해수열도 그대로 방치하는 경우 많은 에너지 재활용의 기회를 상실하는 것으로 볼 수 있다.
나아가, 앞서 설명한 태양광 모듈에서 발생하는 잔류 태양열은 물론, 다양한 열원으로부터 에너지를 생산하고 발생하는 폐열로부터 잔류 에너지를 재활용 하는 것은 에너지의 재활용의 측면에서는 물론, 폐열의 방치로 인한 2차 피해를 예방할 수 있다는 점에서 매우 중요하다.
물론, 현재까지 상기 온배수를 비롯한 폐열 재활용을 위한 다양한 기술들이 개발되고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-1488656에서는 고온의 온배수로부터 폐열을 전달받아 낙하시키며 전력을 발생시키는 발전소에 대하여 개시하고 있으며, 대한민국 등록특허 제10-1263941호에서는 폐열을 회수하여 터빈에 공급하여 발전에 재활용하는 기술에 대하여 개시하고 있다.
그러나, 낭비되는 폐열로부터 보다 효과적으로 에너지를 재활용할 수 있는 시스템에 대한 개발은 미흡한 실정이다.
(특허문헌 1) 대한민국 등록특허 제10-1488656호
(특허문헌 2) 대한민국 등록특허 제10-1263941호
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 하이브리드 냉난방장치를 이용하여 온배수의 폐열, 지열, 해수열, 잔류 태양열, 냉각탑의 냉각수열을 회수하여 냉방, 난방 또는 급탕으로 모두 활용할 수 있으며, 계절에 따라 에너지원을 선택적으로 활용하여, 에너지 재활용성이 효과적인 폐열 재활용 시스템에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 폐열 재활용 시스템은 하이브리드 냉난방장치, 열교환탱크, 냉각수 열교환기 및 재활용 단지를 포함한다. 상기 하이브리드 냉난방장치는 냉방 부하, 난방 부하 및 급탕 탱크와 연결되어, 상기 냉방 부하, 상기 난방부하 및 상기 급탕 탱크로 각각 냉수, 온수 및 급탕수를 선택적으로 공급한다. 상기 열교환탱크는 상기 냉방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결되며, 재활용 가능한 열원으로부터 폐열을 회수한다.상기 냉각수 열교환기는 상기 난방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결된다. 상기 재활용 단지는 상기 냉방부하 및 상기 난방부하와 동시에 연결되어 냉수 또는 온수를 공급받아 냉방 또는 난방된다.
일 실시예에서, 상기 하이브리드 냉난방장치는, 냉매를 순환시켜 냉각하는 과열방지 열교환기, 상기 과열방지 열교환기로부터 제공받은 냉매를 압축하여 고온의 냉매로 전환하는 압축기, 상기 고온의 냉매와의 열교환으로 급탕을 생산하여, 상기 급탕 탱크로 제공하는 급탕 열교환기, 상기 급탕 열교환기를 통과한 냉매와 열교환하여 온수를 생산하여 상기 난방 부하로 제공하며, 냉매를 상기 과열방지 열교환기로 제공하는 응축기, 상기 과열방지 열교환기에서 냉각된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 및 상기 냉방 부하 또는 상기 열교환탱크와 선택적으로 연결되며, 상기 팽창밸브를 통해 기화된 냉매와의 열교환으로 냉수를 생산하고, 냉매를 상기 과열방지 열교환기로 제공하는 증발기를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재활용 단지로 냉수가 공급되는 경우, 상기 증발기에서 생산된 냉수의 일부는 상기 냉방부하로 공급되어 상기 재활용 단지를 냉각하며 상기 재활용 단지의 열을 회수하여 상기 증발기로 제공하고, 상기 증발기에서 생산된 냉수의 나머지는 상기 열교환탱크로 공급되어 상기 열교환탱크를 냉각하며 폐열을 회수하여 상기 증발기로 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 여름철에는 상기 재활용 단지로 냉수만 공급되며 온수 공급은 차단될 수 있다.
일 실시예에서, 겨울철에는 상기 재활용 단지로 온수만 공급되며, 상기 증발기에서 생산된 냉수는 상기 열교환탱크로 공급되어 상기 열교환탱크를 냉각하며 폐열을 회수하여 상기 증발기로 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 재활용 단지는, 주거단지, 사무용단지, 교육단지, 워터파크, 종합레저타운, 열대식물 생태계테마공원, 화장품 생산 또는 원료 공장, 반도체 생산 공장, 제약 또는 식음료 생산 또는 원료 공장, 화훼 또는 파프리카 농장, 열대과일 또는 특용작물 농장 중 어느 하나일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 난방 부하와 상기 응축기 사이에 연결되는 상기 냉각수 열교환기와 연결되어, 온수의 남는 열량이 상기 냉각수 열교환기에 열교환되며 남은 열을 외부로 방출하는 냉각탑을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 열교환탱크는, 발전소의 온배수 배출수로에서 설치되어 상기 발전소의 온배수열로부터 폐열을 회수하거나, 지하에 설치되어 지열 또는 지하수열을 회수하거나, 수면 아래에 설치되어 해수열을 회수하거나, 냉각탑에 설치되어 냉각수열을 회수하거나, 태양광 모듈에 설치되어 태양열을 회수할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 발전소의 온배수, 지면 아래의 지열, 수면 아래의 해수열, 냉각탑의 냉각수열, 태양광 모듈의 태양열을 재활용할 수 있어, 기존에 해수로 폐기되거나, 별도의 열원으로 사용되지 않던 열원을 재활용할 수 있다.
특히, 하이브리드 냉난방장치를 통해, 냉수, 온수는 물론 급탕수까지 냉방부하 또는 난방부하로 제공할 수 있으므로, 기존에 냉수, 온수, 급탕수의 공급을 위해 각각 설치하여야 했던 시스템을 하나의 시스템으로 대체할 수 있어, 에너지 재활용을 위한 설치비용을 최소화할 수 있으며, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 냉온수를 동시에 생산되는 장점을 통해 냉방이나 난방이 필요한 재활용 단지에 에너지를 공급할 수 있어 에너지효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 냉방부하 및 난방부하가 모두 재활용 단지에 연결됨으로써, 재활용 단지에 계절에 따라 냉수 또는 온수를 선택적으로 제공할 수 있어 에너지 재활용을 통해 보다 효과적으로 재활용 단지에 소모되는 에너지를 최소화할 수 있다.
이 경우, 재활용 단지에 냉수가 공급되는 경우, 증발기에서 생산된 냉수가 일부는 상기 재활용 단지와 열교환되고, 나머지는 열교환탱크와 열교환되므로, 에너지의 재생산과 에너지의 재사용을 동시에 도모할 수 있어, 보다 효과적인 에너지 재활용 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 여름철에는 상기 재활용 단지로 냉수만 공급되며, 겨울철에는 온수만 공급되므로, 불필요한 에너지 낭비를 최소화할 수 있다.
또한, 여름철의 경우 해수의 온도가 상승함에 따라 온배수로 인한 악영향이 감소하게 되며, 상대적으로 온배수의 폐열보다는 지열이나 해수열, 태양광 또는 냉각탑의 냉각수를 사용하여 에너지의 효과적인 생산이 가능하며, 이와 달리, 겨울철의 경우 해수의 온도가 하강함에 따라 온배수로 인한 악영향이 증가하며 지열이나 해수열, 태양광 또는 냉각탑의 냉각수의 열이 감소하므로, 상대적으로 온배수의 폐열을 사용하여 에너지의 효과적인 생산이 가능하므로, 계절에 따른 상호 보완적인 에너지의 효과적인 생산이 가능하여 재활용 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
나아가, 상기 하이브리드 냉난방장치는, 냉매를 순환시켜 냉각을 방지하며, 팽창밸브, 증발기, 응축기 및 압축기와 동시에 연결되어, 냉방부하, 난방부하는 물론 급탕의 공급도 가능한 과열방지 열교환기를 포함하므로, 종래 냉난방장치에서 발생하는 압축기 과열이나 적상 등의 문제를 해소하면서 난방효율을 향상시킬 수 있고, 제어 시스템을 상대적으로 단순화하면서 안정적인 운용이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 폐열 재활용 시스템을 도시한 모식도이다.
도 2는 도 1의 폐열 재활용 시스템의 여름철의 운행 상태를 도시한 모식도이다.
도 3은 도 1의 폐열 재활용 시스템의 겨울철의 운행 상태를 도시한 모식도이다.
도 4는 도 1의 폐열 재활용 시스템을 통해 공급되는 냉방 또는 난방이 활용되는 상태를 도시한 모식도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 실시예들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "이루어진다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 폐열 재활용 시스템을 도시한 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 폐열 재활용 시스템(10)은 하이브리드 냉난방장치(100), 열교환탱크(200), 냉방부하(300), 난방부하(400) 및 급탕탱크(500)를 포함한다.
본 실시예에 의한 폐열 재활용 시스템(10)은 상세한 내용은 후술하겠으나, 발전소의 온배수로부터 폐열을 회수하거나, 지열 또는 지하수열이나 해수열로부터 잠열을 회수하거나, 태양광 모듈로부터 잔류 태양열을 회수하거나, 또는 건축물의 냉각탑에서 사용되는 냉각수로부터 냉각수열을 재활용하는 것으로, 발전소에 인접하게 설치되거나, 높은 지열을 갖는 위치 또는 해안가 또는 수면아래, 태양광 모듈 설치장소 또는 건축물의 냉각탑 설치 장소에 설치되는 것이 바람직하다.
보다 구체적으로, 상기 하이브리드 냉난방장치(100)는 도시된 바와 같이, 증발기(110), 응축기(120), 팽창밸브(130), 과열방지 열교환기(140), 압축기(150) 및 급탕 열교환기(160)를 포함한다.
상기 압축기(150)는 상기 과열방지 열교환기(140)로부터 제공받은 약 25도 내외의 냉매를 압축하여, 약 90~120도 내외의 고온의 냉매가스로 전환하여 상기 급탕 열교환기(160)로 제공한다.
한편, 도시하지는 않았으나, 상기 압축기(150)는 냉매의 압축을 위해 전력을 공급받을 필요가 있으며, 예를 들어, 태양광 모듈이나 풍력발전모듈 등과 연결되어 전력을 공급 받을 수 있다.
상기 급탕 열교환기(160)는 상기 압축기(150)로부터 제공받은 고온의 냉매가스와 열교환을 통해 약 55~80도 내외의 급탕을 생산하여, 상기 급탕 탱크(500)로 제공한다. 또한, 상기 급탕 탱크(500)로 공급되고 남은 급탕은 상기 급탕 열교환기(160)로 재순환되며, 상기 급탕 열교환기(160)와 상기 급탕 탱크(500) 사이에는 급탕 순환펌프(501)가 구비되어 급탕을 순환시키게 된다.
상기 응축기(120)는 상기 급탕 열교환기(160)를 통과하여 급탕을 생산한 냉매가 약 60~80도 내외로 냉각되는 경우, 상기 냉매와의 열교환을 통해 약 45~60도 내외의 난방용 온수를 생산한다. 이렇게 생산된 난방용 온수는 상기 난방 부하(400)로 제공된다.
한편, 상기 난방부하(400)와 상기 응축기(120) 사이에는 냉각용 열교환기(420)가 연결되며, 상기 냉각용 열교환기(420)는 냉각탑(410)과 연결된다.
그리하여, 상기 난방부하(400)로 제공된 온수의 남는 열은 상기 냉각용 열교환기(420)에서 열교환되며, 상기 냉각탑(410)으로 남은 열이 방출된다. 즉, 상기 냉각탑(410)을 통해 남은 온수의 열량이 방출되는 것으로 종래 냉난방장치에서와 같이 해수 또는 강을 통해 남은 열량이 방출되지 않고 상대적으로 적은 양의 열량이 대기중으로 방출되므로 특히 온배수에서의 폐열에 의해 해양 생태계 교란이나 이로 인한 어민의 피해를 최소화할 수 있으며, 지열이나 해수열이 그대로 낭비되는 것을 방지할 수 있다.
이 경우, 상기 난방부하(400)와 상기 응축기(120) 사이의 온수 순환을 위해 온수 순환펌프(401)가 구비될 수 있으며, 상기 냉각용 열교환기(420)와 상기 냉각탑(410) 사이의 공기의 순환을 위해 냉각탑 순환펌프(411)가 구비될 수 있다.
상기 과열방지 열교환기(140)는 상기 응축기(120), 상기 압축기(150), 상기 팽창밸브(130) 및 상기 증발기(110)와 연결된다.
즉, 상기 과열방지 열교환기(140)는 상기 응축기(120)로부터 제공받은 약 50~70도 내외의 냉매를 순환시키며 약 30도 내외로 냉매를 냉각시킨다.
이렇게 냉각된 냉매는 상기 팽창밸브(130)로 제공되며, 상기 팽창밸브(130)에서는 냉매를 팽창시켜 약 0도 내외로 기화시켜 냉각시킨다.
이렇게 약 0도 내외로 냉각된 냉매는 상기 증발기(110)로 제공되며, 상기 증발기(110)에서는 열교환을 통해 약 7도 내외의 냉수를 생산하게 된다.
한편, 상기 열교환탱크(200)는 냉방부하(300)와 상기 증발기(110) 사이에 제1 및 제2 전환부들(311, 312)을 통해 연결되며, 이하에서는 상기 열교환탱크(200) 또는 상기 냉방부하(300)와 상기 증발기(110) 사이의 순환에 대하여 설명한다.
즉, 상기 증발기(110)와 상기 냉방부하(300)의 순환의 경우, 상기 증발기(110)를 통해 생산된 약 7도 내외의 냉수는 냉수 순환펌프(301)를 통해 상기 냉방 부하(300)로 제공되며, 상기 냉방 부하(300)를 통해 후술되는 재활용 단지(450)가 냉방되고, 가열된 냉수는 다시 증발기(110)로 회수된다.
상기 증발기(110)로 회수된 냉수에 의해 가열된 냉매는 다시 과열방지 열교환기(140)를 통해 압축기(150)로 제공되어, 상기 설명한 사이클이 반복된다.
한편, 상기 증발기(110)와 상기 열교환탱크(200)의 순환의 경우, 상기 증발기(110)를 통해 생산된 약 7도 내외의 냉수는 냉수 순환 펌프(301)를 통해 상기 열교환탱크(200)로 제공되며, 상기 열교환탱크(200)는 발전소의 온배수 배출수로(210), 수면 아래(220), 지하(230), 태양광 모듈(250), 냉각탑(240) 등에 설치되므로, 상기 열교환탱크(200)에서 상기 냉수는 상기 온배수, 해수, 지열, 태양열, 냉각수열 등과 열교환하여 폐열을 회수하게 된다.
물론, 상기 증발기(110)는 상기 열교환탱크(200) 및 상기 냉방부하(300)와 동시에 순환하여, 상기 증발기(110)를 통해 생산된 약 7도 내외의 냉수는 냉수 순환 펌프(301)를 통해 상기 냉방부하(300) 및 상기 열교환탱크(200)로 동시에 제공될 수 있고, 상기 열교환탱크(200) 및 상기 냉방부하(300)에서 회수되는 가열된 냉수는 상기 증발기(110)로 회수될 수 있다.
도 2는 도 1의 폐열 재활용 시스템의 여름철의 운행 상태를 도시한 모식도이다.
도 2를 참조하면, 후술되는 재활용 단지(450)에 냉방이 필요한 하절기, 예를 들어 5월에서 9월 사이에는, 상기 난방부하(400)는 동작이 중단(OFF)되며, 상기 냉방부하(300)만 동작된다(ON).
이에 따라, 상기 증발기(110)를 통해 생산된 약 7도 내외의 냉수 중 일부는 냉수 순환펌프(301)를 통해 상기 냉방 부하(300)로 제공되어 상기 재활용 단지(450)로 공급되며, 상기 재활용 단지(450)를 냉방하고 가열된 후 다시 상기 증발기(110)로 회수된다.
또한, 상기 증발기(110)를 통해 생산된 약 7도 내외의 냉수 중 나머지는 냉수 순환펌프(301)를 통해 상기 열교환탱크(200)로 제공되어, 상기 열교환탱크(200)와 열교환되며 가열된 후 다시 상기 증발기(110)로 회수된다.
한편, 냉방이 필요한 시기에는 해수의 온도도 동시에 상승하므로, 발전소의 온배수 배출수로(210)를 통해 배출되는 온도가 해수에 미치는 영향이 상대적으로 적게 된다. 반면, 지열이나 해수열이 상승하게 되고, 태양광 모듈(250)로부터 발생되는 태양열 및 냉각탑(240)에 사용되는 냉각수열은 상승하게 된다.
이에 따라, 상기 수면 아래(220), 지하(230), 태양광 모듈(250) 또는 냉각탑(240)에 설치된 열교환탱크(200)에서의 열교환이 보다 활발하게 수행될 수 있으며, 결과적으로 상기 증발기(110)를 통해 생산된 냉수는 상기 지열, 해수열, 태양열 또는 냉각수열과 열교환하여 가열되며 상기 증발기(110)로 회수된다.
도 3은 도 1의 폐열 재활용 시스템의 겨울철의 운행 상태를 도시한 모식도이다.
도 3을 참조하면, 후술되는 재활용 단지(450)에 난방이 필요한 동절기, 예를 들어 10월에서 4월 사이에는, 상기 냉방부하(300)는 동작이 중단(OFF)되며, 상기 난방부하(400)만 동작된다(ON).
이에 따라, 상기 증발기(110)를 통해 생산된 약 7도 내외의 냉수는 상기 냉방부하(300)로 제공되지 않으며, 모두 상기 냉수 순환펌프(301)를 통해 상기 열교환탱크(200)로 제공되어, 상기 열교환탱크(200)와 열교환되며 가열된 후 다시 상기 증발기(110)로 회수된다.
특히, 난방이 필요한 시기에는 해수의 온도도 동시에 하강하므로, 발전소의 온배수 배출수로(210)를 통해 배출되는 온도가 해수에 미치는 영향이 상대적으로 증가하게 된다. 반면, 지열이나 해수열이 하강하게 되고, 태양광 모듈(250)로부터 발생되는 태양열 및 냉각탑(240)에 사용되는 냉각수열도 하강하게 된다.
이에 따라, 상기 수면 아래(220), 지하(230), 태양광 모듈(250) 또는 냉각탑(240)에 설치된 열교환탱크(200)에서의 열교환보다는, 상기 온배수 배출수로(210)에 설치된 열교환탱크(200)에서의 열교환이 보다 활발하게 수행될 수 있으며, 결과적으로 상기 증발기(110)를 통해 생산된 냉수는 상기 온배수열을 중심으로 열교환하여 가열되며 상기 증발기(110)로 회수된다.
한편, 상기 도 2 및 도 3에서는 각각 냉방이 필요한 시기에는 난방부하(400)는 동작하지 않고, 난방이 필요한 시기에는 냉방부하(300)는 동작하지 않는 것을 설명하였으나, 이는 시기적으로 구분되어 동작되는 것 외에, 후술되는 재활용 단지(400)에서 냉방 또는 난방 중 필요한 것에 따라 시기와 관계없이 선택적으로 동작될 수 있다.
나아가, 난방부하(400) 및 냉방부하(300)가 동시에 동작하며, 필요한 온수 및 냉수를 상기 재활용 단지(400)로 제공할 수도 있다.
도 4는 도 1의 폐열 재활용 시스템을 통해 공급되는 냉방 또는 난방이 활용되는 상태를 도시한 모식도이다.
도 4를 참조하면, 본 실시예에 의한 폐열 재활용 시스템(10)에서, 상기 재활용 단지(450)는 상기 냉방부하(300) 및 상기 난방부하(400)에 동시에 연결된다.
그리하여, 냉방이 필요한 경우에는 상기 냉방부하(300)로부터 약 7도 내외의 냉수를 공급받으며, 상기 냉수는 상기 재활용 단지(450)를 냉방하며 가열된 후 상기 증발기(110)로 회수된다.
반면, 난방이 필요한 경우에는 상기 난방부하(400)로부터 약 60도 내외의 온수를 공급받으며, 상기 온수는 상기 재활용 단지(450)를 난방하며 냉각된 후 상기 응축기(120)로 회수된다.
한편, 상기 재활용 단지(450)는 냉방이 필요한 시기에는 냉수만 공급받으며, 난방이 필요한 시기에는 온수만 공급받을 수 있으나, 계절과 무관하게 냉방과 난방이 필요한 경우 선택적으로 냉수 및 온수를 공급받을 수 있다.
또한, 상기 재활용 단지(450)는 도시된 것을 포함하여, 예를 들어, 주거단지, 사무용단지, 교육단지, 워터파크, 종합레저타운, 열대식물 생태계테마공원, 화장품 생산 또는 원료 공장, 반도체 생산 공장, 제약 또는 식음료 생산 또는 원료 공장, 화훼 또는 파프리카 농장, 열대과일 또는 특용작물 농장 중 어느 하나일 수 있으며, 두 개 이상의 단지들을 복합적으로 포함할 수도 있다.
특히, 두 개 이상의 단지들이 복합적으로 포함된 경우, 각각의 단지에서 냉수 또는 온수가 별개로 필요한 경우라면, 계절과 무관하게 냉수 또는 온수를 각각 제공받을 수도 있다.
본 발명의 실시예들에 의하면, 발전소의 온배수, 지면 아래의 지열, 수면 아래의 해수열, 냉각탑의 냉각수열, 태양광 모듈의 태양열을 재활용할 수 있어, 기존에 해수로 폐기되거나, 별도의 열원으로 사용되지 않던 열원을 재활용할 수 있다.
특히, 하이브리드 냉난방장치를 통해, 냉수, 온수는 물론 급탕수까지 냉방부하 또는 난방부하로 제공할 수 있으므로, 기존에 냉수, 온수, 급탕수의 공급을 위해 각각 설치하여야 했던 시스템을 하나의 시스템으로 대체할 수 있어, 에너지 재활용을 위한 설치비용을 최소화할 수 있으며, 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 냉온수를 동시에 생산되는 장점을 통해 냉방이나 난방이 필요한 재활용 단지에 에너지를 공급할 수 있어 에너지효율을 극대화 할 수 있다.
또한, 냉방부하 및 난방부하가 모두 재활용 단지에 연결됨으로써, 재활용 단지에 계절에 따라 냉수 또는 온수를 선택적으로 제공할 수 있어 에너지 재활용을 통해 보다 효과적으로 재활용 단지에 소모되는 에너지를 최소화할 수 있다.
이 경우, 재활용 단지에 냉수가 공급되는 경우, 증발기에서 생산된 냉수가 일부는 상기 재활용 단지와 열교환되고, 나머지는 열교환탱크와 열교환되므로, 에너지의 재생산과 에너지의 재사용을 동시에 도모할 수 있어, 보다 효과적인 에너지 재활용 시스템을 구현할 수 있다.
또한, 여름철에는 상기 재활용 단지로 냉수만 공급되며, 겨울철에는 온수만 공급되므로, 불필요한 에너지 낭비를 최소화할 수 있다.
또한, 여름철의 경우 해수의 온도가 상승함에 따라 온배수로 인한 악영향이 감소하게 되며, 상대적으로 온배수의 폐열보다는 지열이나 해수열, 태양광 또는 냉각탑의 냉각수를 사용하여 에너지의 효과적인 생산이 가능하며, 이와 달리, 겨울철의 경우 해수의 온도가 하강함에 따라 온배수로 인한 악영향이 증가하며 지열이나 해수열, 태양광 또는 냉각탑의 냉각수의 열이 감소하므로, 상대적으로 온배수의 폐열을 사용하여 에너지의 효과적인 생산이 가능하므로, 계절에 따른 상호 보완적인 에너지의 효과적인 생산이 가능하여 재활용 에너지 효율을 극대화할 수 있다.
나아가, 상기 하이브리드 냉난방장치는, 냉매를 순환시켜 냉각을 방지하며, 팽창밸브, 증발기, 응축기 및 압축기와 동시에 연결되어, 냉방부하, 난방부하는 물론 급탕의 공급도 가능한 과열방지 열교환기를 포함하므로, 종래 냉난방장치에서 발생하는 압축기 과열이나 적상 등의 문제를 해소하면서 난방효율을 향상시킬 수 있고, 제어 시스템을 상대적으로 단순화하면서 안정적인 운용이 가능하게 된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 폐열 재활용 시스템은 발전소의 폐열, 지열, 해수열, 태양광 또는 냉각탑의 냉각수 재활용에 사용될 수 있는 산업상 이용 가능성을 갖는다.
10 : 폐열 재활용 시스템
100 : 하이브리드 냉난방장치 110 : 증발기
120 : 응축기 130 : 팽창밸브
140 : 과열방지 열교환기 150 : 압축기
160 : 급탕 열교환기 200 : 열교환탱크
300 : 냉방부하 400 : 냉방부하
450 : 재활용 단지 500 : 급탕탱크

Claims (8)

  1. 냉방 부하, 난방 부하 및 급탕 탱크와 연결되어, 상기 냉방 부하, 상기 난방부하 및 상기 급탕 탱크로 각각 냉수, 온수 및 급탕수를 선택적으로 공급하는 하이브리드 냉난방장치;
    상기 냉방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결되며, 재활용 가능한 열원으로부터 폐열을 회수하는 열교환탱크;
    상기 난방 부하와 상기 하이브리드 냉난방장치의 사이에 연결되는 냉각수 열교환기; 및
    상기 냉방부하 및 상기 난방부하와 동시에 연결되어 냉수 또는 온수를 공급받아 냉방 또는 난방되는 재활용 단지를 포함하는 폐열 재활용 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하이브리드 냉난방장치는,
    냉매를 순환시켜 냉각하는 과열방지 열교환기;
    상기 과열방지 열교환기로부터 제공받은 냉매를 압축하여 고온의 냉매로 전환하는 압축기;
    상기 고온의 냉매와의 열교환으로 급탕을 생산하여, 상기 급탕 탱크로 제공하는 급탕 열교환기;
    상기 급탕 열교환기를 통과한 냉매와 열교환하여 온수를 생산하여 상기 난방 부하로 제공하며, 냉매를 상기 과열방지 열교환기로 제공하는 응축기;
    상기 과열방지 열교환기에서 냉각된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브; 및
    상기 냉방 부하 또는 상기 열교환탱크와 선택적으로 연결되며, 상기 팽창밸브를 통해 기화된 냉매와의 열교환으로 냉수를 생산하고, 냉매를 상기 과열방지 열교환기로 제공하는 증발기를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 재활용 단지로 냉수가 공급되는 경우,
    상기 증발기에서 생산된 냉수의 일부는 상기 냉방부하로 공급되어 상기 재활용 단지를 냉각하며 상기 재활용 단지의 열을 회수하여 상기 증발기로 제공하고,
    상기 증발기에서 생산된 냉수의 나머지는 상기 열교환탱크로 공급되어 상기 열교환탱크를 냉각하며 폐열을 회수하여 상기 증발기로 제공하는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    여름철에는 상기 재활용 단지로 냉수만 공급되며 온수 공급은 차단되는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
  5. 제2항에 있어서,
    겨울철에는 상기 재활용 단지로 온수만 공급되며,
    상기 증발기에서 생산된 냉수는 상기 열교환탱크로 공급되어 상기 열교환탱크를 냉각하며 폐열을 회수하여 상기 증발기로 제공하는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 재활용 단지는,
    주거단지, 사무용단지, 교육단지, 워터파크, 종합레저타운, 열대식물 생태계테마공원, 화장품 생산 또는 원료 공장, 반도체 생산 공장, 제약 또는 식음료 생산 또는 원료 공장, 화훼 또는 파프리카 농장, 열대과일 또는 특용작물 농장 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 난방 부하와 상기 응축기 사이에 연결되는 상기 냉각수 열교환기와 연결되어, 온수의 남는 열량이 상기 냉각수 열교환기에 열교환되며 남은 열을 외부로 방출하는 냉각탑을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열교환탱크는,
    발전소의 온배수 배출수로에서 설치되어 상기 발전소의 온배수열로부터 폐열을 회수하거나,
    지하에 설치되어 지열 또는 지하수열을 회수하거나,
    수면 아래에 설치되어 해수열을 회수하거나,
    냉각탑에 설치되어 냉각수열을 회수하거나,
    태양광 모듈에 설치되어 태양열을 회수하는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
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