폐열을 이용한 온수가열장치{A hot water heating device using a wasted heat}
도 1은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 온수가열장치가 적용된 시스템도. ***도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*** 10: 수냉식 공조시스템, 12: 공조기, 14: 냉각탑, 16: 냉각수 배관, V1 ~ V6: 방향제어밸브, 21: 열교환 배관, 22: 온수 순환 배관, 23: 열교환기, 24: 온수 출수 배관, 25: 보충수 배관, 26: 제어부, 30: 온수 시스템, 32: 온수탱크, 33: 주 배관,
본 발명은 폐열을 이용한 온수가열장치에 관한 것으로, 특히 대형 건물에 적 용되는 공조시설의 수냉식 냉각사이클에서 발생되는 냉각수의 폐열을 온수배관의 열교환 매체로 활용하여 별도의 온수 가열 없이 여름철 온수탱크의 적정온도를 유지하도록 하는 폐열을 이용한 온수가열장치에 관한 것이다. 일반적인 수냉식 공조시스템은 공기에 의해서 냉매의 응축이 수행되는 공냉식 방식에 비해 효율이 높고, 실내기 측에 소음이 낮아지는 장점이 있다. 또한, 수냉식 공조시스템이 대형 빌딩에 적용되는 경우에는 공기배관 또는 냉매배관이 바깥으로 드러나지 아니하여 빌딩 외관이 아름답게 되고, 유지보수가 편리해지며, 기밀의 냉매배관이 요구되지 않기 때문에 안정성이 높아지는 장점을 얻을 수 있다. 한편, 최근 대도시에는 경쟁적으로 대형 마천루가 들어서고 있고, 이러한 마천루는 안정상의 문제와 고층의 풍속 문제 등으로 인하여 각 층마다 개방형의 창문을 만들 수 없다. 그러므로, 이와 같은 대형 빌딩에는 중앙집중형의 냉난방이 수행되는 것이 일반적이다. 중앙집중형 냉난방을 위한 수냉식 공조 시스템은 실내기와 실외기가 각각 배치되는데, 상기 실외기는 빌딩의 옥상에 설치되어 고온이 냉각수를 냉각시키는 냉각탑의 형태를 취하고 있고, 상기 실내기는 빌딩의 각 층에 설치되어 상기 실외기에서 냉각된 차가운 냉각수가 공급되어 냉매를 응축시키는 작용이 수행된다. 그리고 실내기에서 데워진 냉각수는 다시 실외기로 순환되어 냉각되는 하나의 사이클을 이룬다. 이와 같이 응축시 발생되는 열을 냉각하기 위한 냉각수는 그 양에 따라서 응축열량이 좌우되는 특징이 있기 때문에 적정량의 공급이 필요하며, 적정공급량에 의한 열교환 후 냉각수는 냉각탑으로 가기 전 43℃가 가장 효율이 크다. 이러한 냉각수는 냉각탑을 거치면서 거의 상온과 근접하게 쿨링되는데, 쿨링 전 냉각수의 가열온도(43℃)는 사람이 뜨겁다는 느낌을 갖는 온도이기 때문에 이 폐열을 그냥 버리기에 너무 아까울 뿐만 아니라 여름철에도 지속적인 온수공급이 필요한 병원, 호텔, 수영장, 사우나 등에는 온수가열을 위한 보일러 가동시 발생되는 연료비, 유지관리비 등이 요구되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서 그 목적은, 대형 건물에 적용되는 공조시설의 수냉식 냉각사이클에서 발생되는 냉각수의 폐열을 온수배관의 열교환 매체로 활용하여 별도의 온수 가열 없이 여름철 온수탱크의 적정온도를 유지하여 보일러의 연료비 및 유지관리비 등을 현저하게 절감하도록 하는 폐열을 이용한 온수가열장치를 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 수냉식 공조시스템에서 발생되는 냉각수의 폐열을 온수시스템과 연계하여 적정온도 이하의 온수탱크의 물을 가온하기 위한 열매체로 이용하도록 구성함에 있어서, 수냉식 공조시스템을 거쳐 응축열을 포함한 냉각수가 냉각탑으로 진입하기 전의 냉각수 배관 상에 바이패스 방향으로 설치되어 밸브의 방향제어에 의해 냉각수의 흐름을 바꾸도록 하는 열교환 배관과; 상기 온수탱크으로부터의 온수를 펌핑력에 의해 순환시키는 온수 순환 배관과; 상기 열교환 배관과 온수 순환 배관의 사이에 설치되어 상기 온수 순환 배관을 통해 순환하는 온수를 냉각수의 폐열에 의해 가온시키는 열교환기를 포함하여 구성된 특징을 갖는다. 또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 상기 온수 순환 배관에 각각 온수시스템의 주 배관에 연결되도록 온수 출수 배관과 보충수 배관을 각각 연결 설치하고, 그 연결지점에 제어신호에 의해 흐름방향을 전환시킬 수 있는 밸브를 각각 설치하되, 온수 순환 배관 흐름, 온수 출수 배관 흐름, 보충수 배관 흐름을 조건에 따라 제어하는 제어부를 더 포함하는 구성의 특징을 갖는다. 이하 본 발명을 첨부한 도면에 의거하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다. 첨부도면 도 1은 본 발명에 따른 폐열을 이용한 온수가열장치가 적용된 시스템도이다. 본 발명 구성의 핵심은 여름철 수냉식 공조시스템(10)의 작동중에 발생되는 응축열을 포함하고 있는 냉각수를 온수시스템(30)에서 온수탱크(32)에 저장된 온수가 시간이 경과함에 따라 떨어지는 온도를 감지하여 상기 냉각수를 온수 가온매체 로 활용하도록 하기 위함이다. 즉, 수냉식 공조시스템(10)에서 냉매의 압축, 응축, 팽창, 증발 등 일련의 냉각사이클을 거치면서 외기의 온도를 빼앗아 냉각시키고, 냉매의 응축과정에서 고온의 열이 발생하게 되는 한편, 냉각수 배관(16)을 따라 순환하는 냉각수에 의해 열을 빼앗아 냉각탑(14)에서의 쿨링과정을 거쳐 재순환하게 된다. 이 때 응축열을 빼앗아 냉각탑(14)으로 가기 전의 냉각수 온도는 약 43℃이다. 본 발명에서는 상기와 같이 응축열을 빼앗아 냉각탑(14)으로 가기 전의 냉각수 배관(16) 상에 별도의 바이패스 형태의 열교환 배관(21)을 설치한다. 상기 열교환 배관(21)이 분기 접설되는 각각의 위치에는 냉각수 배관(16)의 흐름과 열교환 배관(21)의 흐름을 선택 제어하는 방향제어밸브(V1)(V2)가 설치된다. 한편, 온수시스템(30)의 온수탱크(32)로부터 순환펌프(22a)의 펌핑력에 의해 온수를 순환시키기 위한 온수 순환 배관(22)이 설치되고, 상기 온수 순환 배관(22)에는 순환하는 온수의 온도를 측정하여 후술되는 제어부(26)에 그 측정값을 보내도록 하는 온도 게이지(22b)가 설치된다. 또한, 온수시스템(30)의 온수탱크(32)는 그 탱크내에 일정한 수위로 저장된 온수가 주 배관(33)의 냉수와 혼합되어 적정한 온도의 혼합수가 욕탕으로 공급되도록 온수 순환 배관(22)의 초입에 주 배관(33)과 연결되는 온수 출수 배관(24)이 설치되고, 상기 온수 출수 배관(24)과의 연결지점에 각각 온수의 흐름을 전환하는 방향제어밸브(V3)(V4)가 설치된다. 또한, 상기 온수 출수 배관(24)의 통과 후의 온수 출수 배관(24)의 임의 지 점과 상기 온수 출수 배관(24)의 통과 전의 주 배관(33)의 임의 지점에 상기 주 배관(33)을 통한 냉수를 온수탱크(32)에 공급하기 위해 보충수 배관(25)이 설치되고, 그 배관의 각 연결지점에 냉수의 유입흐름을 제어하는 방향제어밸브(V5)(V6)가 설치된다. 또한, 본 발명에서는 상기 밸브(V1~V6) 및 순환펌프(22a)의 동작을 제어할 뿐만 아니라 수냉식 공조시스템(10)과 온수시스템(30)의 제어회로와 연계하여 작동되도록 구성된다. 일례로 온수시스템(30)의 온수탱크(32)에는 도면에는 도시되지 않은 만수위와 저수위를 감지하는 센서가 설치되는데, 상기 저수위 감지센서의 감지신호에 의해 보충수 배관(25)을 통해 온수탱크(32)로 주 배관(33)의 냉수가 들어올 수 있도록 밸브(V5)(V6)가 열리도록 한다. 본 발명에서의 제어부(26)의 역할은 온수 순환 배관(22)에 설치된 온도게이지(22b)의 측정값을 설정값과 비교하여 측정값이 설정값 보다 작을 때 수냉식 공조시스템(10)의 냉각수가 냉각수 배관(16)을 타고 바로 냉각탑(14)으로 순환되지 않고 열교환 배관(21)으로 바이패스되어 열교환기(23)를 거쳐 냉각탑으로 순환할 수 있도록 밸브(V1)(V2)의 작동을 제어하고, 또한, 온수 순환 배관(22)의 온수의 순환력을 제공하는 순환펌프(22a)의 전원을 제어하며, 온수탱크(32)의 온수를 온수 출수 배관(24)을 통해 욕탕으로 보내기 위해 밸브(V3)(V4)의 흐름을 제어하고, 특히 V4밸브는 온수 출수 배관(24)을 통한 온수와 주 배관(33)을 통한 냉수가 서로 혼합하여 목욕하기 적합한 온도가 되기 위한 믹싱 밸브라고도 한다. 상기와 같이 구성된 본 발명의 작동상태를 설명하면 다음과 같다. 여름철 수냉식 공조시스템(10)의 작동은 냉각사이클에 의해 냉매가 압축, 응축, 팽창, 증발과정을 거치면서 공조기(12)를 통한 시원한 냉기를 얻을 수 있다. 또한, 냉매의 응축시 발생되는 열은 냉각수 배관(16)을 거쳐 순환하는 냉각수는 냉매의 응축열을 빼앗아 약 43℃로 데워져 냉각탑(14)으로 가 쿨링된다. 한편, 온수탱크(32)의 온수는 수영장이나 호텔 등 공공시설에서 지속적으로 필요하기 때문에 보일러(도시안됨)의 작동이 요구된다. 그러나 본 발명에서는 이러한 지속적인 보일러 작동이 필요없다. 즉 냉각수의 순환중에 빼앗은 응축열을 이용하여 온수의 가열매체로 이용할 수 있기 때문이다. 보다 상세하게는 최초에 보일러에 의해 가열된 온수탱크(32)의 온수는 시간이 경과함에 따라 온도가 떨어지게 된다. 이러한 상황은 온수 순환 배관(22)에 설치된 온도게이지(22b)의 실온값과 미리 설정된 비교값과 비교하는 제어부(26)에서 판단하여 비교값보다 떨어지는 경우 밸브(V1)(V2)를 작동시켜 냉각수가 열교환 배관(21)으로의 흐름이 되어 열교환기(23)를 거쳐 순환되도록 하고, 또한 순환펌프(22a)를 작동시켜 온수가 온수 순환 배관(22)을 타고 열교환기(23)를 거쳐 냉각수의 열을 빼앗아 온수탱크(32)로 순환하면서 열을 보충받아 원하는 온도값이 될 때까지 지속적으로 순환한다. 물론, 온수가 제어부(26)에 설정된 비교값과 같거나 높게 될 경우 밸 브(V1)(V2)를 열교환 배관(21)으로 들어오는 흐름을 차단하고, 순환펌프(22a)의 전원을 오프하여 온수의 순환을 차단한다. 욕탕으로 가는 온수의 출수(온수 출수 배관)과 온수의 공급(보충수 배관)과 이에 대한 밸브(V3)(V4)(V5)(V6)의 작동과 제어부(26)의 역할에 대해서는 구성의 설명에서 언급하였음으로 이에 대한 작동설명은 생략하기로 한다.
이상에서와 같은 본 발명을 적용하게 되면, 무더운 여름철 건축물에서 주로 이용되는 수냉식 공조시스템에서 폐열로 버려지는 냉각수의 응축열을, 온수가 여름철에도 지속적으로 필요한 병원, 사우나, 수영장, 호텔 등에서 보충열로 활용하여 온수가열을 위한 보일러의 사용을 현저하게 줄일 수 있기 때문에 연료비의 절감이 두드러질 뿐만 아니라 오염물질 배출을 최소화할 수 있는 장점이 있다. 이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변경 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다. |
