KR20170142516A

KR20170142516A - 하이브리드 히트 펌프를 이용한 폐열 재활용 시스템

Info

Publication number: KR20170142516A
Application number: KR1020160076074A
Authority: KR
Inventors: 이완호
Original assignee: 이완호
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-12-28

Abstract

폐열 재활용 시스템은 하이브리드 히트 펌프, 열교환탱크 및 재활용 단지를 포함한다. 상기 하이브리드 히트 펌프는 냉난방 부하 및 급탕 탱크와 연결되어, 상기 냉난방 부하 및 상기 급탕 탱크로 각각 냉수 또는 온수 및 급탕수를 선택적으로 공급한다. 상기 열교환탱크는 상기 하이브리드 히트 펌프에 연결되며, 재활용 가능한 열원으로부터 폐열을 회수한다. 상기 재활용 단지는 상기 냉난방부하와 연결되어 냉수 또는 온수를 공급받아 냉방 또는 난방된다. 또한, 상기 하이브리드 히트 펌프는 상기 재활용 단지에 냉수 또는 온수를 공급하는 제1 냉온수 공급부, 및 상기 열교환탱크로 냉수 또는 온수를 공급하는 제2 냉온수 공급부를 포함한다.

Description

하이브리드 히트 펌프를 이용한 폐열 재활용 시스템{WASTE HEAT RECYCLING SYSTEM USING A HYBRID HEAT PUMP}

본 발명은 폐열 재활용 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 하이브리드 히트 펌프를 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 히트펌프를 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 히트 펌프, 열교환탱크 및 재활용 단지를 포함한다. 상기 하이브리드 히트 펌프는 냉난방 부하 및 급탕 탱크와 연결되어, 상기 냉난방 부하 및 상기 급탕 탱크로 각각 냉수 또는 온수 및 급탕수를 선택적으로 공급한다. 상기 열교환탱크는 상기 하이브리드 히트 펌프에 연결되며, 재활용 가능한 열원으로부터 폐열을 회수한다. 상기 재활용 단지는 상기 냉난방부하와 연결되어 냉수 또는 온수를 공급받아 냉방 또는 난방된다. 또한, 상기 하이브리드 히트 펌프는 상기 재활용 단지에 냉수 또는 온수를 공급하는 제1 냉온수 공급부, 및 상기 열교환탱크로 냉수 또는 온수를 공급하는 제2 냉온수 공급부를 포함한다.

일 실시예에서, 상기 재활용 단지에 냉방이 필요한 경우 상기 재활용 단지로 냉수가 공급되며, 상기 재활용 단지에 난방이 필요한 경우 상기 재활용 단지로 온수가 공급될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 재활용 단지로 냉수가 공급되는 경우, 상기 제1 냉온수 공급부에서 생산된 냉수는 상기 냉난방 부하로 공급되어 상기 재활용 단지를 냉각하며 상기 재활용 단지의 열을 회수하여 환수되고, 상기 제2 냉온수 공급부에서 생산된 온수는 상기 열교환탱크로 공급되어 폐열을 회수하며 환수될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 재활용 단지로 온수가 공급되는 경우, 상기 제1 냉온수 공급부에서 생산된 온수는 상기 냉난방 부하로 공급되어 상기 재활용 단지를 가열하며 냉각되어 환수되고, 상기 제2 냉온수 공급부에서 생산된 냉수는 상기 열교환탱크로 공급되어 폐열을 회수하며 환수될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 재활용 단지는, 워터파크, 종합레저타운, 생태계공원, 화장품 생산 공장, 반도체 생산 공장, 제약 또는 식음료 생산 공장, 화훼 또는 파프리카 농장, 열대과일 또는 특용작물 농장 중 어느 하나일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 열교환탱크는, 발전소의 온배수 배출수로에서 설치되어 상기 발전소의 온배수열로부터 폐열을 회수하거나, 지하에 설치되어 지열을 회수하거나, 수면 아래에 설치되어 해수를 회수하거나, 냉각탑에 설치되어 냉각수열을 회수하거나, 태양광 모듈에 설치되어 태양열을 회수할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 하이브리드 히트 펌프는, 상기 제1 및 제2 냉온수 공급부들과 각각 연결되어, 냉매를 순환시키는 과열방지 열교환기, 상기 과열방지 열교환기와 상기 제1 냉온수 공급부 사이에 연결되어 냉매를 팽창시키는 팽창밸브, 상기 냉매를 압축하고 고온 및 고압의 냉매로 전환하는 압축기, 상기 압축기와 연결되어 상기 고온 및 고압의 냉매와 열교환으로 급탕을 생산하여 급탕 탱크로 제공하는 급탕 열교환기, 및 상기 과열방지 열교환기, 상기 압축기, 상기 급탕 열교환기 및 상기 제2 냉온수 공급부와 연결되어, 상기 냉매의 순환 방향을 제어하는 사방밸브(4-way valve)를 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 사방밸브는, 상기 재활용 단지에 냉방이 필요한 경우 상기 과열방지 열교환기로부터 냉매를 제공받으며, 상기 재활용 단지에 난방이 필요한 경우 상기 과열방지 열교환기로 냉매를 제공하도록 냉매를 순환시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 재활용 단지에 냉방이 필요한 경우, 상기 과열방지 열교환기로부터 제공된 냉매는 상기 사방밸브를 통해 상기 압축기에서 고온 및 고압의 냉매로 전환되어 상기 급탕 열교환기를 통과하고, 상기 급탕 열교환기를 통과한 냉매는 상기 사방밸브를 통해 상기 제2 냉온수 공급부로 제공되어 상기 제2 냉온수 공급부에서 열교환되어 온수를 생산하고, 상기 제2 냉온수 공급부를 통과한 냉매는 상기 과열방지 열교환기로 재공급될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 과열방지 열교환기로 재공급된 냉매는 상기 팽창밸브를 통해 감압된 후, 상기 제1 냉온수 공급부로 제공되어 상기 제1 냉온수 공급부에서 열교환되어 냉수를 생산하고, 상기 제1 냉온수 공급부를 통과한 냉매는 상기 과열방지 열교환기로 재공급될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 재활용 단지에 난방이 필요한 경우, 상기 사방밸브로부터 상기 과열방지 열교환기로 제공된 냉매는 상기 제1 냉온수 공급부로 제공되어 상기 제1 냉온수 공급부에서 열교환되어 온수를 생산하고, 상기 제1 냉온수 공급부를 통과한 냉매는 상기 팽창밸브를 통해 감압된 후, 상기 과열방지 열교환기로 재공급될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 과열방지 열교환기로 재공급된 냉매는 상기 제2 냉온수 공급부로 제공되어 상기 제2 냉온수 공급부에서 열교환되어 냉수를 생산하고, 상기 제2 냉온수 공급부를 통과한 냉매는 상기 사방밸브를 통해 상기 압축기로 제공되어 상기 압축기에서 고온 및 고압의 냉매로 전환되고, 상기 고온 및 고압의 냉매는 상기 급탕 열교환기를 통과하여 상기 사방밸브로 재공급된 후, 상기 사방밸브를 통해 상기 과열방지 열교환기로 재공급될 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 히트 펌프를 통해, 냉수 및 온수를 냉난방부하로 제공하며, 급탕수까지 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.

특히, 제1 냉온수 공급부를 통해 상기 냉난방부하가 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.

또한, 제2 냉온수 공급부와 연결된 열교환탱크를 통해 재활용 가능한 열원으로부터 계절에 따라 냉수 또는 온수를 선택적으로 제공하며 폐열을 회수할 수 있어 에너지 재활용의 효과를 향상시킬 수 있다.

즉, 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, 하나의 하이브리드 히트 펌프를 통해 냉수와 온수를 동시에 제공할 수 있으며, 특히 사방밸브를 통해 냉매 순환의 방향만을 전환함으로써, 계절에 따라 상기 제1 냉온수 공급부를 통해 냉수 또는 온수를 선택적으로 제공할 수 있어 에너지 활용성이 향상된다.

이를 통해, 상기 하이브리드 히트 펌프는, 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 시스템을 재활용 단지에 적용한 시스템을 도시한 모식도이다.
도 3은 도 1의 폐열 재활용 시스템에서, 재활용 단지에 냉방이 필요한 경우의 운행 상태를 도시한 모식도이다.
도 4는 도 1의 폐열 재활용 시스템에서, 재활용 단지에 난방이 필요한 경우의 운행 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 2는 도 1의 폐열 재활용 시스템을 재활용 단지에 적용한 시스템을 도시한 모식도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예에 의한 폐열 재활용 시스템(10)은 하이브리드 냉난방장치(100), 열교환탱크(200), 냉난방부하(300), 재활용 단지(400) 및 급탕탱크(500)를 포함한다.

본 실시예에 의한 폐열 재활용 시스템(10)은 상세한 내용은 후술하겠으나, 발전소의 온배수로부터 폐열을 회수하거나, 지열이나 해수열로부터 잠열을 회수하거나, 태양광 모듈로부터 잔류 태양열을 회수하거나, 또는 냉각탑에서 사용되는 냉각수로부터 냉각수열을 재활용하는 것으로, 발전소에 인접하게 설치되거나, 높은 지열을 갖는 위치 또는 해안가, 태양광 모듈 설치장소 또는 냉각탑 설치 장소에 설치되는 것이 바람직하다.

상기 하이브리드 냉난방장치(100)는, 상세한 내용은 후술하겠으나, 상기 냉난방부하(300)와 연결되어 상기 냉난방부하(300)로 냉수 또는 온수를 공급하며, 상기 급탕 탱크(500)와 연결되어 상기 급탕 탱크(500)로 급탕수를 공급하며, 상기 열교환탱크(200)와 연결되어 상기 열교환 탱크(200)를 통해 재활용 가능한 열원으로부터 회수된 폐열을 공급받는다.

이 경우, 상기 하이브리드 냉난방장치(100)와 상기 냉난방부하(300) 사이에는 냉온수 순환펌프(301)가 연결되어 냉온수의 순환을 유도하고, 상기 하이브리드 냉난방장치(100)와 상기 급탕탱크(500) 사이에는 급탕 순환펌프(501)가 연결되어 급탕의 순환을 유도한다.

또한, 상기 하이브리드 냉난방장치(100)와 상기 열교환탱크(200) 사이에는 열교환 순환펌프(201)가 연결되어 냉온수의 순환을 유도한다.

상기 재활용 단지(400)는 상기 냉난방부하(300)와 연결되어, 냉방이 필요한 시기(예를 들어, 여름철인 5월~9월)에는 냉수만 공급받으며, 난방이 필요한 시기(예를 들어, 겨울철인 10월~4월)에는 온수만 공급받을 수 있으나, 계절과 무관하게 냉방과 난방이 필요한 경우 선택적으로 냉수 또는 온수를 공급받을 수 있으며, 이는 후술되는 사방밸브의 순환 방향 전환을 통해 선택될 수 있다.

상기 재활용 단지(400)는 예를 들어, 워터파크, 종합레저타운, 생태계공원, 화장품 생산 공장, 반도체 생산 공장, 제약 또는 식음료 생산 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 실시예에 의한 폐열 재활용 시스템(10)은 상기 재활용 단지(400)에 냉방이 필요한 경우에는 냉수가 공급되며, 상기 재활용 단지(400)에 난방이 필요한 경우에는 온수가 공급되는 시스템으로, 이하에서는 냉방이 필요한 경우 및 난방이 필요한 경우의 냉매의 순환을 중심으로 상세히 설명한다.

한편, 냉방이 필요한 경우는 주로 여름철(5월~9월)이고, 난방이 필요한 경우는 주로 겨울철(10월~4월)일 수 있으나 계절과 무관하게 상기 재활용 단지(400)의 상태에 따라 선택될 수도 있다.

도 3은 도 1의 폐열 재활용 시스템에서, 재활용 단지에 냉방이 필요한 경우의 운행 상태를 도시한 모식도이다. 도 4는 도 1의 폐열 재활용 시스템에서, 재활용 단지에 난방이 필요한 경우의 운행 상태를 도시한 모식도이다.

상기 폐열 재활용 시스템(10)의 냉방 또는 난방의 필요성에 따른 동작을 설명하기 전에, 상기 하이브리드 히트 펌프(100)를 상세히 설명하면 하기와 같다.

즉, 상기 하이브리드 히트 펌프(100)는 제1 냉온수 공급부(110), 제2 냉온수 공급부(120), 팽창밸브(130), 과열방지 열교환기(140), 압축기(150), 급탕 열교환기(160) 및 사방밸브(4-way valve)(170)를 포함한다.

상기 과열방지 열교환기(140)는 냉매를 순환시키며, 상기 제1 및 제2 냉온수 공급부들(110, 120), 상기 팽창밸브(130) 및 상기 사방밸브(4-way valve)(170)와 연결된다.

상기 제1 냉온수 공급부(110)는 상기 과열방지 열교환기(140)와 연결되며, 상기 냉난방부하(300)로 냉수 또는 온수를 공급하고, 공급된 냉수 또는 온수가 사용된 후 이를 다시 유입받는다.

상기 팽창밸브(130)는 상기 제1 냉온수 공급부(110)와 상기 과열방지 열교환기(140)의 사이에 연결되어 냉매를 팽창시킨다.

상기 제2 냉온수 공급부(120)는 상기 제1 냉온수 공급부(110)와는 다른 방향으로 상기 과열방지 열교환기(140)와 연결되며, 상기 열교환탱크(200)로 온수 또는 냉수를 공급하고, 공급된 온수 또는 냉수가 사용된 후 이를 다시 유입받는다.

상기 압축기(150)는 상기 사방밸브(170)에 연결되어, 상기 사방밸브(170)로부터 제공받은 냉매를 압축하여 고온 및 고압의 냉매로 전환하고, 상기 고온 및 고압의 냉매를 상기 급탕 열교환기(160)로 제공한다.

상기 급탕 열교환기(160)는 상기 압축기(150)와 상기 사방밸브(170)의 사이에 연결되어 상기 고온 및 고압의 냉매와 열교환으로 급탕을 생산하여 상기 급탕 탱크(500)로 제공한다.

상기 사방밸브(170)는 상기 압축기(150)와 연결되어 냉매를 상기 압축기(150)로 제공하며, 상기 급탕 열교환기(160)와 연결되어 상기 급탕 열교환기(160)를 통과한 냉매를 제공받는다.

또한, 상기 사방밸브(170)는 상기 압축기(150)를 통과한 냉매를 상기 과열 방지 열교환기(140) 측으로 제공하거나, 또는 상기 제2 냉온수 공급부(120) 측으로 제공하는 등, 상기 냉매의 순환 방향을 제어한다.

즉, 상기 하이브리드 히트 펌프(100)는 도면에 도시된 바와, 상기에서 설명한 바와 같은 연결관계를 가지며, 계절에 따라 또는 냉수/온수의 필요에 따라 냉매의 순환방향이 제어되어 온수 및 냉수를 동시에 공급할 수 있다.

이하에서는, 상기 재활용 단지(400)에 냉방이 필요한 경우와 난방이 필요한 경우로 구분하여, 상세한 냉수 또는 온수의 공급방법 및 폐열 회수 방법을 설명한다.

도 3을 다시 참조하면, 상기 재활용 단지(400)에 냉방이 필요한 경우(예를 들어, 여름철인 5월~9월 사이)에는, 상기 제1 냉온수 공급부는 냉매와의 열교환으로 냉수를 생산하여 공급하고(즉, 증발기로서 역할을 수행함), 상기 제2 냉온수 공급부는 냉매와의 열교환으로 온수를 생산하여 공급한다(즉, 응축기로서 역할을 수행함).

그리하여, 상기 제1 냉온수 공급부(110)를 통해 제공되는 냉수는 상기 냉난방부하(300)를 통해 상기 재활용단지(450)로 제공되며, 상기 재활용단지(450)를 냉방한 이후 가열되어 상기 제1 냉온수 공급부(110)로 회수된다.

또한, 상기 제2 냉온수 공급부(120)를 통해 제공되는 온수는 상기 열교환탱크(200)로 제공되어 상기 열교환탱크(200)가 위치한 온배수 배출수로(210), 수면아래(220), 지하(230), 태양광 모듈(250) 또는 냉각탑(240)에서 열교환을 통해 폐열을 회수한다.

다만, 여름철의 경우 해수의 온도 상승에 따라 상기 온배수 배출수로(210)에서의 온배수에 의한 악영향이 감소하므로, 상기 수면아래(220), 지하(230), 태양광 모듈(250) 또는 냉각탑(240)을 통해 보다 효과적으로 열교환을 수행할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 사방밸브(170)는 상기 과열방지 열교환기(140)로부터 냉매를 제공받도록 냉매의 순환 방향을 제어하며, 이에 따라 상기 과열방지 열교환기(140)로부터 제공된 냉매는 상기 사방밸브(170)를 통해 상기 압축기(150)로 제공된다.

상기 압축기(150)는 상기 약 25℃ 내외의 냉매를 압축하여 약 90~120℃ 내외의 고온 및 고압의 냉매로 전환하고, 상기 고온 및 고압의 냉매는 상기 급탕 열교환기(160)로 제공된다.

상기 급탕 열교환기(160)는 상기 고온 및 고압의 냉매를 이용하여 열교환으로 급탕을 생산하여 상기 급탕 탱크(500)로 공급하며, 상기 냉매를 상기 사방밸브(170)로 재공급한다.

상기 사방밸브(170)는 상기 고온 및 고압의 냉매를 상기 제2 냉온수 공급부(120)로 공급하며, 상기 제2 냉온수 공급부(120)는 상기 냉매와의 열교환을 통해 약 45~60℃ 내외의 온수를 생산한다.

이렇게 생산된 온수는 상기 열교환탱크(200)로 공급되어 폐열을 회수하여 상기 제2 냉온수 공급부(120)로 회수되고, 상기 제2 냉온수 공급부(120)를 통과한 냉매는 상기 과열방지 열교환기(140)로 재순환된다.

상기 과열방지 열교환기(140)는 상기 제2 냉온수 공급부(120)로부터 제공받은 냉매를 순환시키며 약 30℃ 내외로 냉매를 냉각시킨다.

이렇게 냉각된 냉매는 상기 팽창밸브(130)로 제공되며, 상기 팽창밸브(130)에서는 상기 냉매를 팽창시키며 감압하여 약 0℃ 내외로 기화시켜 냉각시킨다.

이와 같이, 약 0℃ 내외로 냉각된 냉매는 상기 제1 냉온수 공급부(110)로 제공되며, 상기 제1 냉온수 공급부(110)에서는 열교환을 통해 약 7℃ 내외의 냉수를 생산하며, 이렇게 생산된 냉수는 상기 냉난방부하(300)를 통해 상기 재활용 단지(400)로 공급된다.

한편, 상기 재활용 단지(400)로 공급된 냉수는 다시 상기 제1 냉온수 공급부(110)로 환수되며, 상기 냉수의 환수에 따라 상기 냉매는 일정부분 가열되며, 이렇게 가열된 냉매는 상기 과열방지 열교환기(140)로 재순환된다.

이 후, 상기 과열방지 열교환기(140)를 통해 상기 냉매는 상기 사방밸브(170)로 다시 제공되며, 이러한 사이클로 상기 냉매가 순환한다.

또한, 상기 사이클로 냉매가 순환함에 따라, 상기 제2 냉온수 공급부(120)에서는 온수를 제공하게 되며, 상기 제1 냉온수 공급부(110)에서는 냉수를 제공하게 된다.

그리하여, 여름철과 같이 상기 재활용 단지(400)의 냉방이 필요한 시기에, 상기 폐열 재활용 시스템(10)을 통해 폐열을 재활용하며 재활용 단지의 냉방을 수행할 수 있다.

도 4를 다시 참조하면, 상기 재활용 단지(400)에 난방이 필요한 경우(예를 들어, 겨울철인 10월~4월 사이)에는, 상기 제1 냉온수 공급부는 냉매와의 열교환으로 온수를 생산하여 공급하고(즉, 응축기로서 역할을 수행함), 상기 제2 냉온수 공급부는 냉매와의 열교환으로 냉수를 생산하여 공급한다(즉, 증발기기로서 역할을 수행함).

그리하여, 상기 제1 냉온수 공급부(110)를 통해 제공되는 온수는 상기 냉난방부하(300)를 통해 상기 재활용단지(450)로 제공되며, 상기 재활용단지(450)를 난방한 이후 냉각되어 상기 제1 냉온수 공급부(110)로 회수된다.

또한, 상기 제2 냉온수 공급부(120)를 통해 제공되는 냉수는 상기 열교환탱크(200)로 제공되어 상기 열교환탱크(200)가 위치한 온배수 배출수로(210), 수면아래(220), 지하(230), 태양광 모듈(250) 또는 냉각탑(240)에서 열교환을 통해 폐열을 회수한다.

다만, 겨울철의 경우 해수의 온도 하강에 따라 상기 온배수 배출수로(210)에서의 온배수에 의한 악영향이 증가하므로, 상기 온배수 배출수로(210)에서 보다 효과적으로 열교환을 수행할 수 있다.

보다 구체적으로, 우선, 상기 압축기(150)를 통해 상기 약 25℃ 내외의 냉매가 압축되어 약 90~120℃ 내외의 고온 및 고압의 냉매로 전환된 후, 상기 고온 및 고압의 냉매가 상기 급탕 열교환기(160)를 통과한 후 상기 사방밸브(170)로 재공급된다.

이 때, 상기 사방밸브(170)는 상기 과열방지 열교환기(140)로 냉매를 제공하도록 냉매의 순환 방향을 제어한다. 그리하여, 상기 사방밸브(170)로 재공급된 냉매는 상기 과열방지 열교환기(140)로 제공된다.

상기 과열방지 열교환기(140)는 상기 냉매를 상기 제1 냉온수 공급부(110)로 제공하며, 상기 제1 냉온수 공급부(110)는 상기 냉매와의 열교환을 통해 약 45~60℃ 내외의 난방용 온수를 생산한다.

이렇게 생산된 온수는 상기 냉난방부하(300)를 통해 상기 재활용 단지(400)로 제공되며, 상기 재활용 단지(400)에서 사용된 온수는 다시 상기 제1 냉온수 공급부(110)로 환수된다. 이 때, 상기 온수의 환수에 따라 상기 냉매는 일정부분 냉각된다.

한편, 상기 제1 냉온수 공급부(110)를 통과한 냉매는 상기 팽창밸브(130)로 제공되며, 상기 팽창밸브(130)에서는 상기 냉매를 팽창시키며 감압하여 약 0℃ 내외로 기화시켜 냉각시킨다.

이와 같이, 약 0℃ 내외로 냉각된 냉매는, 상기 과열방지 열교환기(140)를 통해 상기 제2 냉온수 공급부(120)로 제공되며, 상기 제2 냉온수 공급부(120)에서는 열교환을 통해 약 7℃ 내외의 냉수를 생산하며, 이렇게 생산된 냉수는 상기 열교환 탱크(200)로 제공된다.

그리하여, 상기 냉수는 상기 열교환 탱크(200)를 통해 열교환으로 폐열을 회수하고, 상기 제2 냉온수 공급부(120)로 환수된다.

이에 따라, 상기 냉매는 상기 냉수의 환수에 따라 일정부분 가열되며, 이렇게 가열된 냉매는 상기 사방밸브(170)를 통해 상기 압축기(150)로 재순환된다.

이후, 상기 압축기(150)를 통해 고온 및 고압으로 압축된 냉매는 상기 급탕 열교환기(160)로 재순환되며, 이러한 사이클로 냉매가 순환한다.

또한, 상기 사이클로 냉매가 순환함에 따라, 상기 제1 냉온수 공급부(110)에서는 온수를 제공하게 되며, 상기 제2 냉온수 공급부(120)에서는 냉수를 제공하게 된다.

그리하여, 겨울철과 같이 상기 재활용 단지(400)의 난방이 필요한 시기에, 상기 폐열 재활용 시스템(10)을 통해 폐열을 재활용하며 재활용 단지의 난방을 수행할 수 있다.

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 히트 펌프 110 : 제1 냉온수 공급부
120 : 제2 냉온수 공급부 130 : 팽창밸브
140 : 과열방지 열교환기 150 : 압축기
160 : 급탕 열교환기 200 : 열교환탱크
300 : 냉난방부하 400 : 재활용 단지
500 : 급탕탱크

Claims

냉난방 부하 및 급탕 탱크와 연결되어, 상기 냉난방 부하 및 상기 급탕 탱크로 각각 냉수 또는 온수 및 급탕수를 선택적으로 공급하는 하이브리드 히트 펌프;
상기 하이브리드 히트 펌프에 연결되며, 재활용 가능한 열원으로부터 폐열을 회수하는 열교환탱크; 및
상기 냉난방부하와 연결되어 냉수 또는 온수를 공급받아 냉방 또는 난방되는 재활용 단지를 포함하며,
상기 하이브리드 히트 펌프는,
상기 재활용 단지에 냉수 또는 온수를 공급하는 제1 냉온수 공급부; 및
상기 열교환탱크로 냉수 또는 온수를 공급하는 제2 냉온수 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제1항에 있어서,
상기 재활용 단지에 냉방이 필요한 경우 상기 재활용 단지로 냉수가 공급되며, 상기 재활용 단지에 난방이 필요한 경우 상기 재활용 단지로 온수가 공급되는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제2항에 있어서, 상기 재활용 단지로 냉수가 공급되는 경우,
상기 제1 냉온수 공급부에서 생산된 냉수는 상기 냉난방 부하로 공급되어 상기 재활용 단지를 냉각하며 상기 재활용 단지의 열을 회수하여 환수되고,
상기 제2 냉온수 공급부에서 생산된 온수는 상기 열교환탱크로 공급되어 폐열을 회수하며 환수되는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제2항에 있어서, 상기 재활용 단지로 온수가 공급되는 경우,
상기 제1 냉온수 공급부에서 생산된 온수는 상기 냉난방 부하로 공급되어 상기 재활용 단지를 가열하며 냉각되어 환수되고,
상기 제2 냉온수 공급부에서 생산된 냉수는 상기 열교환탱크로 공급되어 폐열을 회수하며 환수되는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제1항에 있어서, 상기 재활용 단지는,
워터파크, 종합레저타운, 생태계공원, 화장품 생산 공장, 반도체 생산 공장, 제약 또는 식음료 생산 공장, 화훼 또는 파프리카 농장, 열대과일 또는 특용작물 농장 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제1항에 있어서, 상기 열교환탱크는,
발전소의 온배수 배출수로에서 설치되어 상기 발전소의 온배수열로부터 폐열을 회수하거나,
지하에 설치되어 지열을 회수하거나,
수면 아래에 설치되어 해수를 회수하거나,
냉각탑에 설치되어 냉각수열을 회수하거나,
태양광 모듈에 설치되어 태양열을 회수하는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제1항에 있어서, 상기 하이브리드 히트 펌프는,
상기 제1 및 제2 냉온수 공급부들과 각각 연결되어, 냉매를 순환시키는 과열방지 열교환기;
상기 과열방지 열교환기와 상기 제1 냉온수 공급부 사이에 연결되어 냉매를 팽창시키는 팽창밸브;
상기 냉매를 압축하고 고온 및 고압의 냉매로 전환하는 압축기;
상기 압축기와 연결되어 상기 고온 및 고압의 냉매와 열교환으로 급탕을 생산하여 급탕 탱크로 제공하는 급탕 열교환기; 및
상기 과열방지 열교환기, 상기 압축기, 상기 급탕 열교환기 및 상기 제2 냉온수 공급부와 연결되어, 상기 냉매의 순환 방향을 제어하는 사방밸브(4-way valve)를 포함하는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제7항에 있어서, 상기 사방밸브는,
상기 재활용 단지에 냉방이 필요한 경우 상기 과열방지 열교환기로부터 냉매를 제공받으며, 상기 재활용 단지에 난방이 필요한 경우 상기 과열방지 열교환기로 냉매를 제공하도록 냉매를 순환시키는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제8항에 있어서, 상기 재활용 단지에 냉방이 필요한 경우,
상기 과열방지 열교환기로부터 제공된 냉매는 상기 사방밸브를 통해 상기 압축기에서 고온 및 고압의 냉매로 전환되어 상기 급탕 열교환기를 통과하고,
상기 급탕 열교환기를 통과한 냉매는 상기 사방밸브를 통해 상기 제2 냉온수 공급부로 제공되어 상기 제2 냉온수 공급부에서 열교환되어 온수를 생산하고,
상기 제2 냉온수 공급부를 통과한 냉매는 상기 과열방지 열교환기로 재공급되는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제9항에 있어서,
상기 과열방지 열교환기로 재공급된 냉매는 상기 팽창밸브를 통해 감압된 후, 상기 제1 냉온수 공급부로 제공되어 상기 제1 냉온수 공급부에서 열교환되어 냉수를 생산하고,
상기 제1 냉온수 공급부를 통과한 냉매는 상기 과열방지 열교환기로 재공급되는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제8항에 있어서, 상기 재활용 단지에 난방이 필요한 경우,
상기 사방밸브로부터 상기 과열방지 열교환기로 제공된 냉매는 상기 제1 냉온수 공급부로 제공되어 상기 제1 냉온수 공급부에서 열교환되어 온수를 생산하고,
상기 제1 냉온수 공급부를 통과한 냉매는 상기 팽창밸브를 통해 감압된 후, 상기 과열방지 열교환기로 재공급되는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.
제11항에 있어서,
상기 과열방지 열교환기로 재공급된 냉매는 상기 제2 냉온수 공급부로 제공되어 상기 제2 냉온수 공급부에서 열교환되어 냉수를 생산하고,
상기 제2 냉온수 공급부를 통과한 냉매는 상기 사방밸브를 통해 상기 압축기로 제공되어 상기 압축기에서 고온 및 고압의 냉매로 전환되고,
상기 고온 및 고압의 냉매는 상기 급탕 열교환기를 통과하여 상기 사방밸브로 재공급된 후, 상기 사방밸브를 통해 상기 과열방지 열교환기로 재공급되는 것을 특징으로 하는 폐열 재활용 시스템.