열병합 발전부의 폐열을 이용한 냉방 시스템{AIR CONDITION SYSTEM USING WASTE HEAT IN STEAM SUPPLY AND POWER GENERATION}

본 발명은 열병합 발전부의 폐열을 이용한 냉방 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열병합 발전부의 가동시 자연 발생되는 폐열을 히트펌프 시스템의 냉매에 의해 회수한 후, 히트펌프 시스템의 냉매와 열교환하는 흡수식 냉동부를 통해 실내를 냉방함으로써 열병합 발전부의 가동효율과 냉방효율을 높일 수 있는 열병합 발전부의 폐열을 이용한 냉방 시스템에 관한 것이다.

열병합발전시스템은 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 시스템으로 에너지 이용효율이 발전만하는 기존의 화력발전시스템에 비해 훨씬 높다.

보통 화력발전시스템은 투입에너지 대비효율이 40%이고 송전손실을 감안하면 종합효율은 35%정도에 불과한 것으로 알려져 있다.

따라서 화력발전시스템에서 발전시의 배열(엔진냉각수 배열 및 엔진배가스 열)로 손실되는 열량이 발전에 소요되는 열량에 비해 1.5~2배정도 발생된다.

그러므로 열병합발전시스템은, 상기 발전시의 배열을 회수하여 난방과 급탕가열 등에 이용함으로서, 종합 에너지 이용효율을 70%이상으로 높일 수 있도록 한 것이다.

이러한 열병합발전시스템의 방식은 현재 다양하게 제안되어 있지만, 일반적으로 [도 1]에 도시된 것과 같은 기본적 구성을 갖는 것이 보통이다.

즉, 보일러(1)와 발전용 엔진부(8)를 열 발생원으로 하고 상기 열 발생원을 이용하여 순환수를 가열한 후, 이 순환수를 난방수요처(3) 및 급탕탱크(7) 쪽으로 공급하는 배관이 배열되는 기본적 구성을 갖는다.

이러한 기본적 구성에 따라 순환수가 순환하여 소정의 난방 및 급탕이 이루어지는 작용과정을 설명하면 다음과 같다.

발전을 하기 위한 엔진 가동 중에는 엔진의 냉각을 위하여 냉각수를 순환시키게 된다. 냉각수는 엔진에서 발생하는 열을 흡수하여 가열되는데 이 가열된 냉각수는 제1열교환기(a)에서 순환수에 열을 전달하고 다시 냉각되는 순환과정을 거친다. 이 때 냉각수로부터 열을 전달받은 순환수는 대략 90℃ 정도로 가열되도록 하는 것이 일반적이다.

제1열교환기(a)에서 가열된 순환수는 제1헤더(2)로 이송되며 제1헤더에서 필요에 따라 난방수요처(3) 쪽으로 분배되는 난방수와 또는 급탕탱크(7) 쪽으로 분배되는 급탕가열수로 나뉘어진다.

만일 제1헤더(2)로 이송되는 순환수가 엔진 냉각수와의 열교환만으로 충분히 데워지지 않았다면, 보조적으로 보일러를 가동하여 추가로 고온의 순환수를 제1헤더에 공급하여 냉각수와 열교환되어 온 순환수와 혼합함으로써 소망하는 온도(약90℃)의 온수를 만들게 된다.

제1헤더(2)에서 난방수요처(3)로 분배된 난방수는 난방수요처의 제2열교환기(b)에서 난방수요처 내부를 순환하는 난방수요처 내부순환수와 열교환하여 온도가 약 70℃ 정도로 저하된 후 제2헤더(5)로 환수되며, 이 때 난방수요처 내부순환수는 대략 40℃ 정도가 적정온도가 된다.

제1헤더(2)에서 급탕탱크(7) 쪽으로 공급된 급탕가열수도 제3열교환기(c)에서 급탕수에 열을 전달한 뒤 온도가 약 70℃정도로 저하되어 제2헤더(5)로 환수되며, 이 때 급탕탱크 내의 급탕수는 약 60℃ 정도가 적정온도가 된다.

이렇게 제2헤더(5)로 환수된 난방수와 급탕가열수는 혼합된 후, 다시 엔진의 냉각수와 열교환하기 위하여 제1열교환기(a)로 공급됨으로 한 사이클의 순환수 순환과정이 이루어진다.

다만 앞서 설명한 것처럼 엔진 냉각수와의 열교환 만으로 순환수가 충분히 데워지지 않은 경우에는, 보조적으로 보일러를 가동하여 추가로 고온의 순환수를 제1헤더(2)에 공급하여야 하므로 제2헤더(5)에서 보일러로 순환수의 일부를 분배 공급하게 된다. 이 때 보일러 쪽으로 공급되는 순환수는 보일러의 폐열회수기(d)를 통과시키고, 여기에서 보일러 배기가스와 폐열을 흡수하기 위한 열교환 과정을 거침으로써 열효율을 제고하게 된다.

그러나 이러한 종래 열병합발전시스템의 구성은 다음과 같은 문제점이 있다.

종래 냉방 시스템은 흡수식 냉동기나 히트 펌프 등을 단순히 이용한 냉열공급, 난방시스템은 발전기의 가스나 온수 등의 배열회수, 축열조의 배열회수 등에 의한 난방공급 및 급탕 기능만을 동절기, 하절기 구분하여 획일적으로 수행하게 되므로서 열병합 발전을 포함한 전력 에너지 시스템, 온열에너지 시스템, 냉열 에너지 시스템이 기기에 따라 선택적으로 채택되어 적절하고 조화롭게 연계될 수 있게끔 전력생산 및 냉방, 난방시스템이 최적으로 조합된 복합 시스템이 구성되지 못하게 되므로 전력 및 열 에너지 공급에 있어서 에너지 부하에 원활하게 대응하지 못하여 공급 불균형이 발생하거나 폐열의 활용율이 저조하여 에너지 낭비 등 경제적이지 못한 문제점이 있었다.

그리고, 냉방시스템은 히트펌프 시스템이나 흡수식 냉방기를 직접 열교환방식으로 실내를 냉방하기 때문에 냉방효율이 떨어지는 문제점도 있다.

또한, 하절기에는 열병합 발전부의 가동율이 떨어지기 때문에 열병합 발전부의 투자비 회수기간이 길어지는 문제점도 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 열병합 발전부의 보일러에서 발생되는 폐열을 직접 흡수식 냉동부와 열교환시키지 않고 히트펌프 시스템을 거쳐 열교환시켜 열병합 발전부의 가동율을 높이고 냉방효율을 향상할 수 있는 열병합 발전부의 폐열을 이용한 냉방 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 열병합 발전부의 폐열을 이용한 냉방 시스템은, 보일러를 포함하는 열병합 발전부와; 상기 열병합 발전부의 보일러에서 발생되는 폐열을 회수하여 내부의 냉매와 열교환시키는 증발기를 갖는 히트펌프 시스템과; 상기 히트펌프 시스템을 흐르는 냉매와 열교환하여 실내를 냉방하는 흡수식 냉동부와; 상기 히트펌프 시스템과 흡수식 냉동부의 냉매가 통과하는 유로가 구비되어, 상기 히트펌프 시스템의 압축기에 의해 고온고압으로 압축된 냉매와 상기 흡수식 냉동부의 냉매를 열교환시켜 상기 흡수식 냉동부에서 냉방 공기를 생산하는 냉방 열교환기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 열병합 발전부의 폐열을 이용한 냉방 시스템에 의하면, 열병합 발전부의 가동시 발생되는 폐열을 흡수식 냉동부와 직접 열교환하지 않고 히트펌프 시스템을 거쳐 열교환한 후 흡수식 냉동부와 열교환되도록 하여 하절기에 열병합 발전부의 폐열을 이용하여 실내를 냉방함으로써 하절기에도 열병합 발전부를 가동하므로 가동율에 따른 투자비 회수가 빨라진다.

그리고, 열병합 발전부의 폐열을 히트펌프 시스템에 의해 1차로 열교환하여 흡수식 냉동부에 공급함으로써 열효율이 높아져 결과적으로 냉방 효율을 향상할 수 있다.

<실시예 1>

도 2에서 보이는 바와 같이, 본 실시예에 의한 열병합 발전을 이용한 냉방 시스템은, 열병합 발전부(10), 히트펌프 시스템(20), 흡수식 냉동부(30) 및 히트펌프 시스템(20)과 흡수식 냉동부(30)의 냉매를 열교환시켜 냉방 열원을 생산하는 냉방 열교환기(40)로 이루어진다.

열병합 발전부(10)는 종래와 동일한 구성이므로 구체적인 설명은 생략하며, 본 발명은 열병합 발전부(10)의 보일러(11)의 가동시 발생되는 폐열을 열원으로 하여 냉방용 열원을 공급한다.

열병합 발전부(10)의 보일러(11)의 가동시에는 약 35℃의 열이 굴뚝을 통해 공기중으로 폐기된다. 본 발명에서는 보일러(11)에서 발생되어 폐기되는 폐열을 히트펌프 시스템(20)의 후술하는 증발기(23)의 냉매와 열교환시킨다.

히트펌프 시스템(20)은 냉매를 열병합 발전부(10)의 보일러(11)에서 발생되는 폐열과 열교환시키고, 이 냉매와 흡수식 냉동부(30)의 냉매를 열교환(냉방 열교환기(40)를 통해 열교환)시킨다.

히트펌프 시스템(20)은 냉매를 고온고압으로 압축하는 압축기(21), 압축기(21)에 의해 압축된 냉매가 순환하는 냉방 열교환기(40)(냉방 열교환기(40)는 히트펌프 시스템(20)에서는 응축기의 기능을 수행함), 냉방 열교환기(40)를 통과한 냉매를 감압하는 팽창밸브(22), 팽창밸브(22)를 통과한 냉매가 순환하여 이 냉매가 열병합 발전부(40)의 보일러(11) 폐열과 열교환되도록 하는 증발기(23)로 이루어진 다.

즉, 보일러(11)에서 발생된 폐열과 증발기(23)를 통과하는 냉매가 열교환할 수 있도록 보일러(11)의 배기계통과 증발기(23) 주변은 유체 연통 가능하게 연결되며, 증발기(23) 주변은 열손실을 없애기 위하여 밀폐 형성될 수 있다.

흡수식 냉동부(30)는 기존 흡수식 냉동부(30)와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하며, 단, 흡수식 냉동부(30)의 증발기가 냉방 열교환기(40)로 대체된다.

냉방 열교환기(40)는 히트펌프 시스템(20)의 응축부와 흡수식 냉동부(30)의 증발부 기능을 수행한다. 예컨대, 냉방 열교환기(40)는 서로 구획된 2개의 유로가 구축되어 어느 하나의 유로에는 히트펌프 시스템(20)의 압축기(21)에서 압축된 냉매가 통과하며 다른 하나의 유로에는 흡수식 냉동부(30)의 냉매가 순환하는 것이다. 이에 따라, 냉방 열교환기(40)는 히트펌프 시스템(20)에서 볼 때 응축기이고 흡수식 냉동부(30)에서 볼 때 증발기인 것이다.

이와 같이, 히트펌프 시스템(20)에 의해 열병합 발전부(10)의 폐열과 1차 열교환된 냉매를 이용하여 흡수식 냉동부(30)에서 냉방용 냉매를 생산함으로써 냉방 효율을 높일 수 있는 것이다.

이와 같이 구성된 본 발명에 의한 열병합 발전을 이용한 냉방 시스템의 작용은 다음과 같다.

본 발명에 의한 열병합 발전을 이용한 냉방 시스템이 가동되면, 열병합 발전부(10), 히트펌프 시스템(20), 흡수식 냉동부(30)가 가동된다.

먼저, 열병합 발전부(10)의 보일러(11)가 운전하면, 보일러(11)에서는 고온 (약 35℃)의 열이 발생되어 굴뚝을 통해 폐기된다.

아울러, 히트펌프 시스템(20)이 가동되면, 압축기(21)를 통해 압축된 냉매가 냉방 열교환기(40) - 팽창밸브(22) - 증발기(23) - 압축기(21)를 연속 순환한다.

또한, 흡수식 냉동부(30)는 냉방용 냉매가 구성요소와 냉방 열교환기(40)를 연속 순환한다.

이와 같이 열병합 발전부(10), 히트펌프 시스템(20), 흡수식 냉동부(30)가 각각 가동되는 중에 보일러(11)에서 발생된 폐열은 히트펌프 시스템(20)의 증발기(23)를 통과하게 된다. 이 과정에서 보일러(11)에서 발생된 폐열을 열원으로 하여 증발기(23)를 통과하는 냉매가 증발하게 된다. 증발기(23)를 통과하여 온도가 낮아진 공기는 외부로 배출된다.

증발기(23)를 통과하여 증발된 냉매는 압축기(21)에 유입되어 고온고압으로 압축된 후 냉방 열교환기(40)에 유입된다.

냉방 열교환기(40)의 일측 유로에는 히트펌프 시스템(20)의 압축기(21)를 통해 고온고압으로 압축된 냉매가 통과하며, 나머지 유로에는 흡수식 냉동부(30)의 냉매가 흐르게 된다.

이와 같이 냉방 열교환기(40)에서 히트펌프 시스템(20)의 냉매와 흡수식 냉동부(30)의 냉매가 열교환할 때 히트펌프 시스템(20)측 냉매는 응축되어 히트펌프 시스템(20)을 순환하며, 흡수식 냉동부(30)측 냉매는 증발되어 흡수식 냉동부(30)를 순환한다.

즉, 흡수식 냉동부(30)는 히트펌프 시스템(20)에 의해 열병합 발전부(10)의 폐열과 열교환된 냉매와 열교환하여 폐열과 직접 열교환할 때보다 높은 효율을 보일 수 있다.

<실시예 2>

도 3에서 보이는 것처럼, 본 실시예에 의한 열병합 발전을 이용한 냉방 시스템은, 열병합 발전부(10)를 가동하지 않거나 보일러(11)에서 발생되는 폐열의 온도가 낮을 경우 외기열을 열원으로 사용하도록 구성된 것이다.

보일러(11)에서 발생되는 폐열을 히트펌프 시스템(20)의 증발기(23)에 공급하기 위한 이송관(12)에는 외기를 흡입하기 위한 외기흡입관(13)이 분기 형성되며, 이송관(12)과 외기흡입관(13)의 사이에는 이송관(12)과 외기흡입관(13) 중 어느 하나를 선택적으로 개방하거나 개도를 조절하는 댐퍼(14)가 갖추어진다.

댐퍼(14)의 조절은 수동 및 자동으로 이루어질 수 있다. 수동방식은 작업자가 보일러(11)의 폐열 온도와 외기 온도를 비교한 후 임의로 판단하여 댐퍼(14)를 조작하며, 자동방식은 온도센서(T)를 통해 보일러(11)에 의한 폐열의 온도와 외기온도를 감지하여 컨트롤러(C)가 액추에이터(15)를 통해 댐퍼(14)를 작동한다.

본 실시예에 의하면, 자동방식의 경우 온도센서(T)는 보일러(11)의 폐열온도와 외기온도를 각각 감지하여 이 온도값을 컨트롤러(C)에 인가하며, 컨트롤러(C)는 온도센서(T)에서 인가된 보일러(11)의 폐열온도와 외기온도를 비교하여 이 중 흡수식 냉동부(30)의 구동을 위해 적당한 것을 선택하여 액추에이터(15)를 제어하며, 댐퍼(14)는 액추에이터(15)에 의해 구동하여 이송관(12)과 외기흡입관(13) 중 어느 하나를 개방되고 다른 하나를 폐쇄한다.

경우에 따라 이송관(12)과 외기흡입관(13)의 개도를 조절하여 보일러(11)의 폐열과 외기를 혼합하여 증발기(23)에 공급할 수도 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 열병합 발전부의 구성도.

도 2는 본 발명의 실시예 1에 의한 열병합 발전부의 폐열을 이용한 냉방 시스템의 구성도.

도 3은 본 발명의 실시예 2에 의한 열병합 발전부의 폐열을 이용한 냉방 시스템의 구성도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호 설명>

10 : 열병합 발전부, 11 : 보일러

20 : 히트펌프 시스템, 21 : 압축기

22 : 팽창밸브, 23 : 증발기

30 : 흡수식 냉동부, 40 : 냉방 열교환기