WO2022103118A1 - 수처리장치와 외부플랜트간의 친환경 열 교환 시스템 - Google Patents

수처리장치와 외부플랜트간의 친환경 열 교환 시스템 Download PDF

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김윤진
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Abstract

데이터센터와 같은 외부플랜트와 하수처리장의 수처리장치간의 열 교환 시스템이 개시된다. 본 시스템은, 외부플랜트에서 발생하는 열을 수처리장치 내의 미생물을 이용하는 반응조로 공급하는 열기 공급부, 및 수처리장치에서 배출되는 처리수를 외부플랜트의 방열을 위한 냉각수로서 외부플랜트에 공급하는 냉각수 공급부를 구비한다. 외부플랜트와 하수처리장간에 상보적인 열 교환이 가능하며, 이에 의하여 환경적인 측면과 경제적인 측면에서 다양한 문제를 동시에 해결할 수 있다.

Description

수처리장치와 외부플랜트간의 친환경 열 교환 시스템
본 발명은 하수처리장의 수처리장치와 데이터센터와 같은 외부플랜트간의 폐열을 교환하여 재이용하는 열 교환 시스템에 관한 것이다.
하수처리장의 수처리장치는 하수, 오수, 폐수 등의 오염된 물을 정화, 처리하는 하수 처리장의 개별기술이나 시스템을 말한다. 하수를 처리하는 방식은 제거될 오염원의 종류에 따라 상이하나 통상 고형물은 물리적, 또는 화학적으로 제거되고 유기물이나 질소, 인 등은 미생물에 의한 생물학적 처리를 통해 제거된다. 생물학적 처리를 위해서는 오염물을 먹이삼아 생존하는 미생물을 배양하는 반응조가 필요하며, 미생물의 성장과 활성화를 위해서는 반응조의 온도가 매우 중요하다. 특히 겨울철 수온 저하는 미생물 활성도를 떨어뜨려 생물학적 반응 효율을 저하시키는 문제를 유발한다. 통상 수온이 40℃를 넘지 않는 한 높은 수온을 유지할수록 생물학적 처리 효율이 좋아져, 에너지 비용 등 운영비가 절감되고 안정적인 방류 수질을 확보할 수 있다. 하수 처리장에 낮은 비용 또는 무료로 열원이 공급될 수 있다면 생물학적 반응의 운영 효율이 증가될 수 있고 또한 하수 처리 시 발생되는 슬러지 건조 등에도 활용될 수 있다. 이를 통해 하수 처리장의 운영비가 절감되고 에너지 소비 감소에 의해 탄소 배출 감소 효과를 얻을 수 있다.
한편, 운영 중에 다량의 열이 발생하는 다양한 산업 플랜트가 존재한다. 종래에는 화학물질이나 특정 물건을 생산하는 플랜트에서 주로 열이 발생하였으나, 최근에는 데이터 통신 산업의 발달에 따라 데이터센터에서의 열 발생이 문제가 되고 있다. 데이터센터는 인터넷과 같은 외부 통신망과 연결되어 외부 통신망을 통해 수수(授受)되는 데이터를 저장하기 위한 시설이다. 포털사이트 운영사나 클라우드 서비스를 제공하는 회사뿐만 아니라 공공기관에서도 대량의 데이터 저장을 위해 대규모의 데이터센터를 운영하고 있다. 이러한 데이터센터는 유능한 근무 인력, 시큐리티 및 전력 확보의 편의성과 외부 통신망과의 연계성 등을 고려하여 도시 근교에 설치되는 것이 선호되지만, 부지 확보의 어려움, 발생한 열의 냉각에 소요되는 다량의 에너지로 인한 전력난과 지구 온난화, 도시 열섬 현상 유발 등 많은 문제를 낳고 있다.
상술한 바와 같이, 하수처리장은 생물학적 처리효율이나 경제적인 슬러지 처리 등을 위해 적절한 열원을 경제적으로 공급받기를 원하고, 데이터센터와 같은 외부플랜트는 발생되는 열을 제거함으로서 탄소배출, 전력난, 열섬 효과를 극복하길 원한다. 본 발명은 이와 같은 점에 착안하여 안출된 것으로서, 외부플랜트와 하수처리장간에 상보적인 열 교환이 가능하도록 함으로써 환경적인 측면과 경제적인 측면에서 다양한 문제를 동시에 해결하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 가동 시 열이 발생하여 주변 환경에 대한 열원으로 작용하는 외부플랜트와 하수를 처리하기 위한 수처리장치간의 열 교환 시스템을 제시한다. 본 발명의 열 교환 시스템은, 상기 외부플랜트에서 발생하는 열을 상기 수처리장치 내의 미생물을 이용하는 반응조로 공급하는 열기 공급부, 상기 수처리장치에서 배출되는 처리수를 상기 외부플랜트의 방열을 위한 냉각수로서 상기 외부플랜트에 공급하는 냉각수 공급부, 및 상기 열기 공급부 및 상기 냉각수 공급부의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 외부플랜트는, 외부 통신망을 통해 데이터를 수수(授受)하고 상기 데이터를 저장하는 데이터센터를 포함한다.
상기 열기 공급부는, 상기 외부플랜트 내에 마련된 열교환기와 상기 반응조 사이의 열기 이동 경로를 제공하는 열기관(hot-air pipe), 및 상기 열기관을 통해 상기 열교환기로부터 상기 반응조로 열기를 송풍하는 송풍기(blower)를 포함한다.
상기 열기관은 상기 열교환기와 상기 반응조에서 발생하는 슬러지를 건조시키기 위한 건조기 사이의 열기 이동 경로를 추가로 제공하며, 상기 송풍기는 상기 열기관을 통해 상기 열교환기로부터 상기 건조기로 열기를 송풍한다.
상기 열기관의 열기 이동 경로상에는 밸브가 설치되어, 상기 열기관을 통한 상기 반응조와 상기 건조기로의 열기의 공급을 단속한다. 상기 제어부는 상기 반응조 및 상기 건조기로의 열기의 공급이 개별적으로 조절되도록 상기 밸브를 제어한다.
상기 냉각수 공급부는, 상기 외부플랜트 내에 마련된 열교환기로 상기 처리수를 공급하기 위한 제1냉각관, 상기 외부플랜트의 외측에 설치되거나 상기 외부플랜트의 외벽 내에 매립 설치되며 상기 처리수가 공급되는 제2냉각관, 상기 외부플랜트의 외측에 상기 처리수를 살수하여 상기 외부플랜트를 냉각시키거나 건물 녹화를 위해 상기 외부플랜트에 식재된 식물에 물을 공급하는 살수기, 및 상기 외부플랜트로 냉각을 위해 공급되는 외기에 상기 처리수를 분무하는 분무기 중 하나 이상을 포함한다.
상기 냉각수 공급부는, 상기 제1냉각관, 상기 제2냉각관, 상기 살수기, 및 상기 분무기 중 하나 이상에 상기 처리수를 공급하기 위한 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 공급부는 상기 외부플랜트에 공급되어 냉각에 사용된 상기 처리수의 일부 또는 전부를 상기 수처리장치로 회수하는 회수관을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 공급부는 상기 외부플랜트에 공급될 상기 처리수를 저장하는 저장부를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 공급부는 상기 외부플랜트에 공급되어 냉각에 사용된 상기 처리수의 일부 또는 전부를 상기 저장부로 순환시키는 순환관을 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 공급부는 상기 저장부에 저장된 상기 처리수를 냉각시키기 위한 냉각기를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 공급부는, 상기 반응조에서 발생하는 바이오가스를 연료로 사용하여 상기 냉각기에 공급될 전력을 생산하는 연료전지를 더 포함할 수 있다.
상기 연료전지에서 출력되는 전력의 일부는 상기 외부플랜트에 공급되도록 구성될 수 있다.
상기 냉각수 공급부는, 상기 반응조에서 발생하는 바이오가스를 연소시켜 상기 냉각기에 공급될 전력을 생산하는 터빈를 더 포함할 수 있다.
상기 터빈에서 출력되는 전력의 일부는 상기 외부플랜트에 공급되도록 구성될 수 있다.
본 발명의 열 교환 시스템은, 상기 바이오가스의 연소에 의해 발생하는 이산화탄소를 에탄올로 변환하여 상기 반응조에 공급하는 변환기를 더 포함할 수 있다.
상기 냉각수 공급부는, 상기 열기 공급부를 통해 상기 반응조에 공급되는 열기의 온도가 상기 반응조 내의 미생물의 활성화에 요구되는 온도보다 높은 경우 상기 처리수의 일부 또는 전부를 상기 열기관의 외부에 공급하여 상기 열기관을 통해 공급되는 열기를 냉각시킨다.
상기 제어부는, 상기 열기의 온도, 상기 반응조의 온도, 상기 외부플랜트의 온도, 상기 처리수의 수질, 상기 처리수의 온도, 상기 수처리장치의 하수 처리 용량 중 어느 하나 이상에 기초하여 상기 열기 공급부와 상기 냉각수 공급부의 동작을 제어한다.
본 발명에 의하면, 냉각에 막대한 비용을 사용하는 데이터센터와 같은 외부플랜트에서 발생되는 열을 회수하여 하수처리장에서 다양한 용도로 사용한다. 데이터센터 같은 외부플랜트의 냉각 방식이 공냉식인 경우, 데이터센터에서 발생하는 뜨거운 공기는 하수처리장에 공급되어 하수처리에 활용되거나 슬러지 건조에 활용된다. 외부플랜트 냉각 방식이 수냉식인 경우, 하수처리장의 처리수를 외부플랜트의 열을 제거하기 위한 냉각수 공급원으로 활용한다. 데이터센터 내의 열을 회수한 처리수는 하수처리장의 유입수로 직접 사용하거나 또는 처리수의 배관이 하수처리장의 유입수나 생물학적 반응조를 통과하도록 함으로써, 하수처리장의 온도를 높이는 데에 사용된다.
열을 제거하기 위한 외부플랜트와 열을 필요로 하는 하수처리장의 상보적인 열 교환은 양 시설의 안정적이고 경제적인 운영은 물론이고 기후변화, 열섬 현상 제어 등 사회적, 환경적 문제 해소에도 도움이 된다. 전술된 다양한 열교환 방식은 독립적으로 적용될 수도 있고 함께 사용될 수도 있다.
계절이나 기온의 특성에 따라 당야한 냉각 방식을 동시에 또는 개별적으로 선택 사용하여 경제성과 효과를 높일 수 있는 자동운전이 기능하다. 효율적이고 안정적인 열교환 운전을 위해 AI 기반의 최적 운전 시스템이 적용될 수도 있다. 운전 시스템은 데이터센터와 하수처리장의 온도, 습도, 전력량 등의 실시간 모니터링 데이터를 바탕으로 최적의 열교환 방식을 선택하고, 머신러닝 알고리즘을 적용한 발열량 예측 및 조기경보로 안정적 운전을 제시한다.
하수처리장을 지하화하고 데이터센터를 하수처리장 상부의 지상에 건립함으로써, 하수처리장과 데이터센터의 부지 문제의 해결 및 기후변화와 열섬효과 대응에 큰 효과를 볼 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 열 교환 시스템에 의해 수처리장치와 데이터센터간의 상보적 열 교환 상황을 개략적으로 도시한 도면.
도 2 는 도 1 의 다른 예로서 수처리장치가 지중에 매설되는 방식으로 설치된 상태를 도시한 도면.
도 3 은 본 발명에 따른 열 교환 시스템의 구성을 도시한 블록도.
도 4 는 도 3 의 열 교환 시스템이 수처리장치와 데이터센터에 적용된 상태를 도시한 블록도.
도 5 는 도 4 의 열 교환 시스템에 추가로 구비되는 본 발명의 세부 구성이 포함된 상태를 도시한 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 구체적으로 설명한다.
도 1 은 본 발명에 따른 열 교환 시스템에 의해 수처리장치와 외부플랜트간의 상보적 열 교환 상황을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 외부플랜트의 일례로서 외부 통신망을 통해 데이터를 수수(授受)하고 이 데이터를 저장하는 데이터센터(20)를 예시한다. 그러나 데이터센터(20)는 본 발명의 열 교환 시스템이 적용되는 외부플랜트의 일례에 불과하며, 데이터센터(20) 외에도 열이 발생하여 방열이 요구되는 다른 산업 설비에 대해서도 본 발명이 적용될 수 있다. 즉, 본 발명의 외부플랜트는 가동 시 열이 발생하여 주변 환경에 대한 열원으로 작용하는 모든 종류의 설비를 포함한다. 그리고, 본 발명에서 수처리장치(10)는 미생물을 이용하여 수처리를 하는 반응조를 구비함으로써 미생물의 활성화를 위해 열기의 공급이 필요한 설비이고, 이 설비는 하수처리 시 발생하는 슬러지를 건조하는 설비 등을 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 열 교환 시스템은 수처리장치(10)와 데이터센터(20)간의 상보적 열 교환을 구현한다. 수처리장치(10)와 데이터센터(20)는 상호 인접된 위치에 설치되며, 열 교환 시스템은 이들 사이에 배치되거나 각각의 내부에 배치된다. 열 교환 시스템은 데이터센터(20)에서 발생하는 열기의 일부 또는 전부를 수처리장치(10)에 공급하며, 수처리장치(10)는 하수의 처리 결과 깨끗한 수질이 된 처리수의 일부 또는 전부를 데이터센터(20)에 공급한다. 데이터센터(20)에서 냉각수로 사용된 처리수는 다시 수처리장치(10)로 회수되어, 수처리장치(10)의 열원으로서 사용됨과 동시에 수처리장치(10)에 의해 재처리되어 보다 양질의 수질을 갖는 처리수로 정화된다.
도 2 는 도 1 의 다른 예로서 수처리장치가 지중에 매설되는 방식으로 설치된 상태를 도시한 도면이다. 본 발명은 도 1 과 같이 수처리장치(10)와 데이터센터(20)가 지상에 설치된 경우에 적용될 수 있으나, 도 2 와 같이 수처리장치(10)가 지중에 매설되는 경우에도 적용될 수 있다. 이 경우 수처리장치(10)와 데이터센터(20)를 설치하는 데에 요구되는 부지의 면적이 줄게 되어, 보다 경제적으로 본 발명을 구현할 수 있다.
도 3 내지 도 5 는 본 발명에 따른 열 교환 시스템을 도시한 도면이다. 도 3 은 본 발명에 따른 열 교환 시스템의 구성을 도시한 블록도이다. 도 4 는 도 3 의 열 교환 시스템이 수처리장치(10)와 데이터센터(20)에 적용된 상태를 도시한 블록도로서, 본 발명의 열 교환 시스템의 구성 중에서 열 교환에 직접적으로 관련된 구성 위주로 도시한 도면이다. 도 5 는 도 4 의 열 교환 시스템이 열 교환 효율이 높고 친환경적인 구성을 갖도록, 도 4 의 구성에 추가로 구비되는 세부 구성을 도시한 도면이다.
본 발명이 적용되는 수처리장치(10)는 반응조(12), 건조기(14), 및 고도처리기(16)를 구비한다. 반응조(12)는 미생물을 수용하며, 유입되는 하수를 미생물에 의해 처리한다. 반응조(12)에서 처리된 처리수는 필요에 따라 고도처리기(16)로 공급되어 2차적으로 보다 양질의 수질로 처리된다. 반응조(12)에서 발생한 슬러지는 건조기(14)로 보내져 탈수케익의 형태로 건조된다. 건조기(14)는 슬러지에 열풍을 공급하여 슬러지를 건조시킨다. 본 발명의 열 교환 시스템은 이러한 통상적인 수처리장치(10)에서 방출되는 처리수를 데이터센터(20)의 냉각에 사용한다.
데이터센터(20)는 그 내부에 열교환기(도시되지 않음)를 구비하고 있다. 열교환기는 데이터센터(20)의 외부로부터 외기를 흡입하여 데이터센터(20) 내부로 공급함으로써 데이터센터(20)의 가동에 의해 발생하는 열을 냉각시키며, 냉각에 사용되어 온도가 높아진 열기는 외부로 배출된다. 본 발명의 열 교환 시스템은 이러한 통상적인 데이터센터(20)의 냉각 시스템에 의해 발생되어 배출되는 열기를 수처리장치(10)에 공급되는 열원으로 활용한다.
본 발명의 열 교환 시스템은 열기 공급부(100), 냉각수 공급부(200), 변환기(300), 및 제어부(400)를 포함한다. 열기 공급부(100)는 데이터센터(20)에서 발생하는 열기를 수처리장치(10) 내의 반응조(12)로 공급하는 기능을 하며, 냉각수 공급부(200)는 수처리장치(10)에서 배출되는 처리수를 데이터센터(20)의 방열을 위한 냉각수로서 데이터센터(20)에 공급하는 기능을 한다. 변환기(300)는 후술되는 바와 같이 반응조(12)에서 발생하는 바이오가스를 연소시킬 때 발생하는 이산화탄소를 에탄올로 변환하여 반응조(12)에 공급하는 기능을 한다. 제어부(400)는 열기 공급부(100), 냉각수 공급부(200), 및 변환기(300)의 동작을 포함하는, 본 발명의 열 교환 시스템의 세부 구성의 제반 동작을 제어하는 기능을 한다.
열기 공급부(100)는 열기관(110), 송풍기(120), 밸브(130), 및 바이오가스 공급관(150)을 포함하여 구성된다.
열기관(hot-air pipe)(110)은 데이터센터(20) 내의 열교환기와 수처리장치(10) 내의 반응조(12) 사이의 열기 이동 경로를 제공한다. 열기관(110)은 제1열기관(111)과 제2열기관(112)을 포함하며, 이들은 열기관(110)으로부터 분기되어 각각 반응조(12)와 건조기(14)로 연결된다. 이에 따라 제1열기관(111)은 데이터센터(20) 내의 열교환기로부터 반응조(12)로의 열기 이동 경로를 제공하고, 제2열기관(112)은 데이터센터(20) 내의 열교환기로부터 건조기(14)로의 열기 이동 경로를 제공한다.
송풍기(blower)(120)는 열기관(110)을 통해 공급되는 열기를 반응조(12) 및 건조기(14)로 송풍하는 기능을 한다. 이때, 송풍기(120)에 의해 송풍된 열기는 제1열기관(111)을 통해 반응조(12)로 공급되고 제2열기관(112)을 통해 건조기(14)로 공급된다.
밸브(130)는 열기관(110)의 열기 이동 경로상에 설치되어, 열기관(110)을 통한 반응조(12)와 건조기(14)로의 열기의 공급을 단속하는 기능을 한다. 밸브(130)는 열기관(110)의 열기 이동 경로 중에서 제1열기관(111)과 제2열기관(112)의 분기 지점에 설치되거나 제1열기관(111)과 제2열기관(112)에 각각 설치되어, 제1열기관(111)과 제2열기관(112)을 통한 반응조(12)와 건조기(14)로의 열기 공급을 개별적으로 제어한다. 밸브(130)의 개폐 동작은 제어부(400)에 의해 제어된다. 일 예로서, 제어부(400)는 반응조(12) 내의 온도가 25℃ 이하인 경우 제1열기관(111)을 개방하여 반응조(12) 내로 열기가 공급되도록 하고, 반응조(12) 내의 온도가 35℃ 이상인 경우 제2열기관(112)을 개방하여 건조기(14) 내로 열기가 공급되도록 할 수 있다.
바이오가스 공급관(150)은 반응조(12)에서 미생물에 의한 처리 과정에서 발생되는 바이오가스를 연료전지(253) 또는 터빈(254) 측으로 공급하는 경로를 제공한다.
냉각수 공급부(200)는 제1냉각관(211), 제2냉각관(212), 살수기(213), 분무기(214), 펌프(215), 회수관(230), 저장부(251), 냉각기(252), 연료전지(253), 및 터빈(254)을 포함하여 구성된다.
제1냉각관(211)은 수처리장치(20)에서 배출되는 처리수를 데이터센터(20) 내의 열교환기로 공급하는 경로를 제공한다. 제1냉각관(211)을 통해 공급되는 처리수에 의하여 데이터센터(20)의 열교환기는 수냉식으로 냉각 동작을 수행한다. 제2냉각관(212)은 데이터센터(20)의 외벽을 둘러싸는 형태로 외측에 설치되거나 또는 데이터센터(20)의 외벽 내에 매립되도록 설치되어 데이터센터(20)의 외측에 처리수가 공급되는 경로를 제공한다. 이에 따라 데이터센터(20)의 외벽에서 발생되는 열이 처리수에 의해 흡수되어 외벽이 냉각된다.
살수기(213)는 데이터센터(20)의 외벽이나 옥상에 처리수를 살수하는 기능을 한다. 이에 의하여 데이터센터(20)의 외벽이나 옥상에서 발생하는 열이 살수된 처리수의 기화에 의해 흡수된다. 또한, 살수기(213)는 예컨대 식물을 이용한 건물 녹화를 위하여 건물의 옥상에 식재된 식물이 있는 경우, 식물의 생육에 필요한 물을 처리수를 이용하여 공급하는 기능도 수행할 수 있다. 분무기(214)는 데이터센터(20)에 냉각을 위해 공급되는 외기의 유입구측에 처리수를 분무하는 기능을 한다. 이에 따라 데이터센터(20) 내의 열교환기로 유입되는 외기에 습기가 함유되어, 데이터센터(20)의 공냉식 냉각의 효율이 더욱 높아진다. 살수기(213)와 분무기(214)에는 냉각관(211, 212)으로부터 분기된 별도의 관을 통해 처리수가 공급될 수 있다.
펌프(215)는 제1냉각관(211), 제2냉각관(212), 살수기(213), 및 분무기(214)에 처리수를 공급한다. 구체적으로는, 반응조(12)에서 배출된 처리수는 고도처리기(16)로 공급되어 추가로 처리되고, 고도처리기(16)에서 배출되는 처리수는 펌프(215)에 의해 펌핑되어 제1냉각관(211), 제2냉각관(212), 살수기(213), 및 분무기(214)에 공급된다. 제1냉각관(211), 제2냉각관(212), 살수기(213), 및 분무기(214)에는 처리수의 공급을 각각 개별적으로 단속하는 별도의 밸브(도시되지 않음)가 설치됨으로써, 펌프(215)에 의한 처리수 공급이 이들 중 일부 또는 전부에 대해 선택적으로 이루어지도록 구성되는 것이 바람직하다. 각 밸브의 개폐 동작은 제어부(400)에 의해 제어된다.
회수관(230)은 데이터센터(20)에 공급되어 냉각에 사용된 처리수의 일부 또는 전부를 수처리장치(20)로 회수하는 경로를 제공한다. 구체적으로는, 회수관(230)은 데이터센터(20)에서 방출되는 처리수를 반응조(12)의 앞단, 즉 반응조(12)로 하수가 유입되는 하수 유입구 측으로 회귀시켜 반응조(12)에 공급한다. 이에 따라 데이터센터(20)에서 냉각에 사용된 처리수의 전부 또는 일부는 반응조(12)로 반송되며, 반송되지 않은 처리수는 방류관(30)을 통해 외부로 방류된다. 일례로서, 반응조(12) 내의 온도를 높일 필요가 있거나 처리수의 수질이 방류에 부적합할 경우에는 처리수는 수처리장치(20)로 회수되고, 반응조(12) 내의 온도를 높일 필요가 없고 방류수의 수질이 배출 허용 기준을 충족할 경우 처리수는 외부로 방출된다.
한편, 데이터센터(20)에서 배출되는 처리수는 열교환기에 의해 가열되어 온도가 높으므로 직접적으로 외부에 방류될 경우 또 다른 환경 문제를 야기할 우려가 있다. 따라서, 데이터센터(20)에서 배출되는 처리수의 대부분 또는 전부는 수처리장치(10)로 회귀되도록 하고 처리수의 외부 방출은 수처리장치(10)에서만 이루어지도록 하는 것이 바람직하다. 수처리장치(10)에서 배출되는 처리수 중 외부에 방류될 처리수는 방류관(30)을 통해 배출된다.
저장부(251)는 수처리장치(10)와 데이터센터(20) 사이의 처리수 이동 경로상에 배치된다. 저장부(251)는 예컨대 수탱크로 구성되어 데이터센터(20)에 공급될 처리수를 저장하는 기능을 한다. 이러한 저장부(251)에 의해, 수처리장치(10)에서 배출되거나 순환되는 처리수의 양은 데이터센터(20)의 냉각에 필요한 양을 고려하여 조절될 수 있다.
냉각기(252)는 저장부(251)에 저장된 처리수를 냉각시키는 기능을 한다. 처리수가 저장부(251)에 저장된 상태에서 냉각기(252)에 의해 냉각되므로, 처리수가 데이터센터(20)로 공급될 때에는 온도가 낮아져 데이터센터(20)를 더욱 효과적으로 냉각할 수 있다.
한편, 데이터센터(20)에서 방출되는 처리수를 수처리장치(10)로 회수하거나 외부에 방류하지 않고 데이터센터(20)의 냉각을 위해 반복적으로 사용하고자 할 경우, 처리수가 순환되도록 하는 것이 바람직하다. 이를 위하여, 회수관(230)은 도 5 에 도시된 바와 같이 순환관(231)을 추가로 구비하는 것이 바람직하다. 순환관(231)은 회수관(230)으로부터 분기되어 데이터센터(20)의 배출수를 저장부(251)로 순환시키는 경로를 제공한다. 회수관(230)으로부터 순환관(231)이 분기되는 지점에는 배출수를 순환관(231)에 공급할지 여부를 제어하는 밸브(도시되지 않음)가 설치된다. 데이터센터(20)의 배출수가 순환관(231)측으로 공급되도록 밸브가 제어되면 배출수는 저장부(251)로 공급되어 저장부(251)에 저장되고, 저장부(251)에서 냉각기(252)에 의해 냉각된 후 데이터센터(20)의 냉각을 위해 재사용된다.
연료전지(253)는 바이오가스를 연료로 사용하여 전력을 생성한다. 전술한 바와 같이, 반응조(12)에서 미생물에 의한 처리 과정에서 발생되는 바이오가스는 바이오가스 공급관(150)을 통하여 연료전지(253)로 공급된다. 연료전지(253)는 바이오가스를 직접적인 연료로 사용하여 전기를 생성하며, 생성된 전기는 냉각기(252)의 구동 전원으로 사용된다.
터빈(254)은 바이오가스를 연소시켜 전력을 생성한다. 전술한 바와 같이, 반응조(12)에서 미생물에 의한 처리 과정에서 발생되는 바이오가스는 바이오가스 공급관(150)을 통하여 터빈(253)측으로도 공급된다. 터빈(254) 내에는 바이오가스를 연소시키는 연소장치(도시되지 않음)가 구비되며, 이 연소장치에 의해 바이오가스가 연소됨에 따라 발생된 열기의 팽창력에 의하여 터빈(254)이 구동되어 전기가 생성된다. 생성된 전기는 냉각기(252)의 구동 전원으로 사용된다.
연료전지(253)와 터빈(254)은 둘 다 설치될 수도 있고 어느 하나만 설치될 수도 있다. 또한 연료전지(253)와 터빈(254)에서 생성된 전기는 별도의 축전지를 마련함으로써 저장하여 둘 수도 있다.
이와 같이 구성된 연료전지(253)와 터빈(254)에 의하여, 수처리장치(20)의 냉각기(252)의 동작에 사용되는 전력이 수처리장치(20) 자체의 하수 처리 과정에서 생성되는 바이오가스의 재활용에 의해 얻어진다. 따라서, 처리수를 냉각시키는 과정에서 별도의 외부 전력 공급이 필요 없거나 외부 전력 공급의 필요성이 줄어들게 되어, 더욱 친환경적인 열 교환 시스템의 구성이 가능하다.
한편, 연료전지(253)와 터빈(254)에서 생산되는 전력의 양이 바이오가스만에 의해서는 충분하지 못한 경우를 대비하여, 연료전지(253)에는 발전을 위한 연료의 외부 공급이 추가적으로 이루어지도록 할 수 있다. 반면에, 연료전지(253)에 충전되는 전력이 냉각기(252)의 동작에 필요한 정도를 넘는 경우, 여분의 전력은 데이터센터(20) 내의 각종 컴퓨터 등의 동작에 필요한 전력으로 사용되거나 또는 데이터센터(20)의 냉각에 필요한 외기 공급용 팬의 구동에 사용되도록 할 수 있다.
변환기(300)는 이산화탄소를 에탄올로 변환시킨다. 터빈(254) 측으로 공급된 바이오가스가 터빈(254)을 구동하기 위하여 연소되는 과정에서 이산화탄소(CO2)가 생성되며, 생성된 이산화탄소는 지구온난화의 원인으로 작용할 수 있다. 따라서 변환기(300)는 이산화탄소를 공급받아 에탄올로 변환함으로써 이산화탄소의 발생을 최소화한다. 변환기(300)에서 생성된 에탄올은 반응조(12)에 공급된다. 반응조(12)에 공급된 에탄올은 처리될 하수에 대한 탈질 기능을 수행하여, 하수 처리 효율을 높이는 데에 사용된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 데이터센터(20)와 같은 외부플랜트에서 발생하는 열을 수처리장치(10)에서 요구되는 열기의 공급을 위한 열원으로 사용하며 또한 수처리장치(10)의 처리수를 외부플랜트(20)의 냉각을 위한 냉각수 공급원으로 사용한다. 이에 따라 외부플랜트(20)와 수처리장치(10)의 상보적인 열 교환을 통해 경제적인 열풍 공급이 가능하고 또한 열섬 현상을 해소할 수 있다.
한편, 본 발명의 열 교환 시스템은, 실제 운영 과정에서 다양한 요인을 고려하여 최적화된 방식으로 운영될 수 있다. 예컨대, 하절기에는 데이터센터(20)의 냉각의 필요성이 수처리장치(10)에 열기를 공급할 필요성보다 크고, 동절기에는 이와 반대이다. 따라서 제어부(400)는 하절기에는 순환관(231)을 통한 처리수의 순환을 강화하고, 동절기에는 에너지 비용 등을 줄이기 위해 처리수 순환은 하지 않고 송풍기(120)의 동작을 강화한다. 또한, 하절기에는 데이터센터(20)로 공급되는 처리수의 양을 증가시키고 처리수의 온도를 낮출 필요가 있으므로 제어부(400)는 펌프(215)의 동작과 냉각기(252)의 동작을 강화하고, 동절기에는 이와 반대로 구동할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 열기 공급부(100)를 통해 반응조(12)에 공급되는 열기의 온도가 반응조(12) 내의 미생물의 활성화에 요구되는 온도보다 높은 경우 열기의 온도를 낮출 필요가 있다. 따라서, 처리수의 일부 또는 전부를 열기관(110)을 통해 공급되는 열기의 냉각을 위해 열기관(110)에 공급하도록 냉각수 공급부(200)를 제어할 수 있다. 구체적으로는 냉각기(252)에서 배출되는 처리수가 열기관(110)의 외부를 향해 분사되는 추가의 처리수 이송관(도시되지 않음) 또는 분사 노즐을 마련하고, 제어부(400)는 냉각된 처리수를 이 이송관이나 분사 노즐을 통해 열기관(110)으로 공급 또는 분사함으로써 열기관(110)의 외부를 냉각시킨다. 이에 따라 반응조(12)에 공급되는 열기의 온도가 반응조(12)의 미생물의 활성화에 적합한 적정 온도를 유지할 수 있게 된다.
나아가, 제어부(400)는, 열기의 온도, 반응조(12)의 온도, 데이터센터(20)의 온도, 처리수의 수질, 처리수의 온도, 수처리장치의 하수 처리 용량 중 일부 또는 전부를 측정하여, 측정된 값에 따라 열기 공급부(100)와 냉각수 공급부(200)의 동작을 제어할 수 있다. 이에 따라 최적화된 열교환 성능이 발휘될 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 가동 시 열이 발생하여 주변 환경에 대한 열원으로 작용하는 외부플랜트와 하수를 처리하기 위한 수처리장치간의 열 교환 시스템으로서,
    상기 외부플랜트에서 발생하는 열을 상기 수처리장치 내의 미생물을 이용하는 반응조로 공급하는 열기 공급부;
    상기 수처리장치에서 배출되는 처리수를 상기 외부플랜트의 방열을 위한 냉각수로서 상기 외부플랜트에 공급하는 냉각수 공급부; 및
    상기 열기 공급부 및 상기 냉각수 공급부의 동작을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부플랜트는, 외부 통신망을 통해 데이터를 수수(授受)하고 상기 데이터를 저장하는 데이터센터;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열기 공급부는,
    상기 외부플랜트 내에 마련된 열교환기와 상기 반응조 사이의 열기 이동 경로를 제공하는 열기관(hot-air pipe); 및
    상기 열기관을 통해 상기 열교환기로부터 상기 반응조로 열기를 송풍하는 송풍기(blower);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 열기관은 상기 열교환기와 상기 반응조에서 발생하는 슬러지를 건조시키기 위한 건조기 사이의 열기 이동 경로를 추가로 제공하며,
    상기 송풍기는 상기 열기관을 통해 상기 열교환기로부터 상기 건조기로 열기를 송풍하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 열기관의 열기 이동 경로상에 설치되어 상기 열기관을 통한 상기 반응조와 상기 건조기로의 열기의 공급을 단속하는 밸브;
    를 더 포함하며,
    상기 제어부는 상기 반응조 및 상기 건조기로의 열기의 공급이 개별적으로 조절되도록 상기 밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는,
    상기 외부플랜트 내에 마련된 열교환기로 상기 처리수를 공급하기 위한 제1냉각관;
    상기 외부플랜트의 외측에 설치되거나 상기 외부플랜트의 외벽 내에 매립 설치되며 상기 처리수가 공급되는 제2냉각관;
    상기 외부플랜트의 외측에 상기 처리수를 살수하여 상기 외부플랜트를 냉각시키거나 건물 녹화를 위해 상기 외부플랜트에 식재된 식물에 물을 공급하는 살수기; 및
    상기 외부플랜트로 냉각을 위해 공급되는 외기에 상기 처리수를 분무하는 분무기;
    중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는, 상기 제1냉각관, 상기 제2냉각관, 상기 살수기, 및 상기 분무기 중 하나 이상에 상기 처리수를 공급하기 위한 펌프;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는 상기 외부플랜트에 공급되어 냉각에 사용된 상기 처리수의 일부 또는 전부를 상기 수처리장치로 회수하는 회수관;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는 상기 외부플랜트에 공급될 상기 처리수를 저장하는 저장부;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는 상기 외부플랜트에 공급되어 냉각에 사용된 상기 처리수의 일부 또는 전부를 상기 저장부로 순환시키는 순환관;
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는 상기 저장부에 저장된 상기 처리수를 냉각시키기 위한 냉각기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는, 상기 반응조에서 발생하는 바이오가스를 연료로 사용하여 상기 냉각기에 공급될 전력을 생산하는 연료전지;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 연료전지에서 출력되는 전력의 일부는 상기 외부플랜트에 공급되는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는, 상기 반응조에서 발생하는 바이오가스를 연소시켜 상기 냉각기에 공급될 전력을 생산하는 터빈;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 터빈에서 출력되는 전력의 일부는 상기 외부플랜트에 공급되는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 바이오가스의 연소에 의해 발생하는 이산화탄소를 에탄올로 변환하여 상기 반응조에 공급하는 변환기;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각수 공급부는, 상기 열기 공급부를 통해 상기 반응조에 공급되는 열기의 온도가 상기 반응조 내의 미생물의 활성화에 요구되는 온도보다 높은 경우 상기 처리수의 일부 또는 전부를 상기 열기관의 외부에 공급하여 상기 열기관을 통해 공급되는 열기를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 열기의 온도, 상기 반응조의 온도, 상기 외부플랜트의 온도, 상기 처리수의 수질, 상기 처리수의 온도, 상기 수처리장치의 하수 처리 용량 중 어느 하나 이상에 기초하여 상기 열기 공급부와 상기 냉각수 공급부의 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
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