KR100657472B1 - 코제너레이션 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 코제너레이션 시스템은, 전기를 발생시키도록 발전기를 구동하는 엔진과; 냉방 작동시에 하나 이상의 압축기, 사방밸브, 제1 실외열교환기, 제1 팽창 장치, 실내열교환기 순으로 냉매가 순환하는 히트 펌프식 냉동사이클을 이용한 냉난방 장치와; 난방 작동시에 상기 압축기, 상기 사방 밸브, 상기 실내 열교환기와, 제2 팽창장치, 상기 엔진의 폐열에 의해 가열되는 제2 실외 열교환기 순으로 냉매가 순환하도록 하는 폐열공급 난방수단이 포함되어 구성됨으로써, 난방 운전시에 엔진의 폐열을 최대한 활용함과 아울러 난방 성능을 높일 수 있는 효과를 제공하게 된다.
엔진, 히트 펌프, 배기 가스, 냉각수, 발전기, 실외 열교환기, 압축기

Description

코제너레이션 시스템{Cogeneration system}
도 1은 종래 코제너레이션 시스템이 도시된 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 코제너레이션 시스템이 도시된 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 코제너레이션 시스템에서 엔진룸의 구성이 도시된 상세도,
도 4는 본 발명에 따른 코제너레이션 시스템에서 복수개의 실내 열교환기가 구성된 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
50 : 엔진 52 : 발전기
60 : 냉난방 장치 61 : 압축기
62 : 사방밸브 63 : 제1 실외열교환기
64 : 제1 팽창 장치 65 : 실내열교환기
68 : 어큐뮬레이터 70 : 폐열공급 난방수단
71 : 제2 팽창장치 73 : 제2 실외 열교환기
H : 히터 C : 체크밸브형 분배관
E : 엔진룸 O: 실외기
본 발명은 엔진으로 생성된 전기와 폐열을 함께 이용하는 코제너레이션 시스템에 관한 것으로서, 난방 운전시 엔진의 폐열에 의해 가열되는 실외 열교환기를 별도로 구성하여 난방 성능을 향상시킬 수 있도록 한 코제너레이션 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 코제너레이션 시스템(Cogeneration system)은 열병합 발전시스템이라고도 불리는 것으로, 하나의 에너지원으로부터 전력과 열을 동시에 생산하는 시스템이다.
이와 같은 코제너레이션 시스템은 엔진 또는 터빈을 구동하여 발전을 하면서 발생되는 배기가스 열 또는 냉각수의 폐열을 회수하여 종합열효율을 70 ~ 80% 까지 높이는 것이 가능하여, 최근에는 건축물의 전력, 열원으로 주목받고 있으며, 특히 회수 폐열을 냉난방, 급탕 등에 많이 활용하고 있는 고효율 에너지 이용 방식이다.
도 1은 종래 냉난방 장치에 활용되는 코제너레이션 시스템이 도시된 구성도이다.
종래 코제너레이션 시스템은 가스 엔진(1)을 운전하여 발전기(3)를 구동하고, 이 발전기(12)에서 생성된 전기를 냉난방 장치(20) 또는 다른 조명 및 전자 제품 등에 다양하게 이용하게 된다.
그리고 상기 가스 엔진(1)에서 발생되는 폐열, 즉 가스 엔진(1)을 냉각하면서 발생되는 냉각수 열과 가스 엔진(1)의 배기 가스 열은 상기 냉난방 장치(20)의 난방 운전시에 이용된다.
여기서, 상기 냉난방 장치(20)는 냉방 장치로 사용할 수 있는 동시에 냉동 사이클의 냉매 흐름을 반대로 하여 난방 장치로도 사용할 수 있는 히트 펌프식으로 구성되는데, 통상의 히터 펌프식 구성과 같이 압축기(21), 사방 밸브(23), 실외열교환기(25), 실외팬(26), 팽창장치(27), 실내열교환기(29) 등으로 구성된다.
특히 상기 실외 열교환기(25) 측에는 상기 가스 엔진(1)의 폐열을 이용하여 상기 냉난방 장치(20)의 난방 운전시에 상기 실외 열교환기(25)를 통과하는 공기를 예열시키도록 공기예열 열교환기(30)가 구성된다.
상기와 같은 냉난방 장치(30)에 폐열을 제공하는 코제너레이션 시스템은 가스 엔진(1)을 냉각한 냉각수 열을 회수하는 냉각수 열교환기(5)와, 배기 연통(7) 상에 구비되어 배기열을 회수하는 배기가스 열교환기(9)가 구비된다.
상기 냉각수 열교환기(5)와 배기가스 열교환기(9)는 상기 냉난방 장치(20)의 공기예열 열교환기(30)와 열교환 매체가 유동하는 열전달 라인(11)으로 연결되어 상기 냉난방 장치(20)가 난방 운전될 때 폐열을 제공하게 된다. 이와 같이 상기 엔진 열 및 배기 가스 열을 회수하여 상기 공기예열 열교환기(30)를 통해 실외 공기를 예열하고, 이 예열된 공기가 실외열교환기(25)를 열교환시킴으로써 외기 온도가 낮은 경우에 발생할 수 있는 히트 펌프의 난방 능력 저하를 방지할 수 있게 된다.
한편, 상기 냉난방 장치(30)가 냉방 운전될 때는 폐열의 공급이 필요치 않으 므로 상기 열전달 라인(11)에 연결되는 방열 라인(13)으로 유로를 변경하여 열교환기(15)와 방열팬(16)으로 이루어진 방열 장치(17)를 통해 폐열을 외부로 방열시키거나, 급탕이나 온수 공급 장치 등의 또 다른 시스템에 제공하여 활용하고 있다.
도 1에서 참조 부호 P는 각 라인의 열전달 매체를 유동시키는 펌프이고, V는 상기 열전달 라인(11)에서 방열 라인(13)으로 유로를 전환하는 밸브를 나타낸다.
그러나, 상기한 바와 같은 종래 기술의 코제너레이션 시스템은 가스 엔진(1)에서 발생된 폐열을 공기예열 열교환기(30)에 제공하여 하나의 실외 열교환기(25)를 예열하는데만 사용하기 때문에 난방 운전시에 난방 성능을 더욱 향상시키는 데 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 난방 운전시 엔진의 폐열에 의해 가열되는 실외 열교환기를 추가로 구성하여 난방 작동이 이루어지도록 구성함으로써 폐열 이용 효율을 높이고 난방 성능을 향상시킬 수 있는 코제너레이션 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 코제너레이션 시스템은, 전기를 발생시키도록 발전기를 구동하는 엔진과; 냉방 작동시에 하나 이상의 압축기, 사방밸브, 제1 실외열교환기, 제1 팽창 장치, 실내열교환기 순으로 냉매가 순환하는 히트 펌프식 냉동사이클을 이용한 냉난방 장치와; 난방 작동시에 상기 압축기, 상기 사방 밸브, 상기 실내 열교환기와, 제2 팽창장치, 상기 엔진의 폐열에 의해 가열되는 제2 실외 열교환기 순으로 냉매가 순환하도록 하는 폐열공급 난방수단이 포함된 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 코제너레이션 시스템이 도시된 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 코제너레이션 시스템에서 엔진룸의 구성이 도시된 상세도이다.
본 발명에 따른 코제너레이션 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 전기를 발생시키도록 발전기(52)를 구동하는 엔진(50)과; 냉방 작동시에 하나 이상의 압축기(61), 사방밸브(62), 제1 실외열교환기(63), 제1 팽창 장치(64), 실내열교환기(65) 순으로 냉매가 순환하는 히트 펌프식 냉동사이클을 이용한 냉난방 장치(60)와; 난방 작동시에 상기 압축기(61), 상기 사방 밸브(62), 상기 실내 열교환기(65)와, 제2 팽창장치(71), 상기 엔진(50)의 폐열에 의해 가열되는 제2 실외 열교환기(73) 순으로 냉매가 순환하도록 하는 폐열공급 난방수단(70)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 엔진(50), 제2 실외 열교환기(73), 제2 팽창장치(71) 등은 엔진룸(E) 내에 설치되어 구비된다.
상기 엔진(50)은 가스 또는 석유 등 화석 연료를 이용하여 운전되는 기구이고, 상기 발전기(52)는 상기 냉난방 장치(60)를 비롯하여 주변 장치에 전기를 제공하는 역할을 하게 된다.
특히, 상기 폐열공급 난방수단(70)의 상기 제2 실외 열교환기(73)에 엔진(50)의 폐열을 제공하기 위한 엔진룸(E) 내의 추가 구성은, 도 3을 참고하면, 상기 엔진(50)과 냉각수 라인(55)을 통해 연결되어 상기 엔진(50)의 냉각수 열을 회수하는 냉각수 열교환기(56)와, 상기 엔진(50)에서 배출된 배기가스 열을 회수하도록 배출 통로(54) 상에 설치된 배기가스 열교환기(58)와, 상기 냉각수 열교환기(56)와 상기 배기가스 열교환기(58)를 통과하면서 상기 제2 실외 열교환기(73)에 열을 전달하는 열전달 라인(57)이 구성된다.
그리고, 상기 제2 실외 열교환기(73) 측에 엔진의 폐열을 전달하지 않을 때 다른 열필요 요소에 제공하거나 대기 중으로 방열하기 위해 방열 열교환기(59)가 구비된다. 물론, 상기 방열 열교환기(59)는 상기 열전달 라인(57)에서 바이패스 되는 라인(59a)이 통과하도록 설치되고, 이 바이패스 라인(59a)은 밸브(V)에 의해 열전달 유체의 흐름이 절환되도록 구성된다.
한편, 상기 엔진(50)의 구동력에 의해 발전기(52)에서 발생된 전기를 이용하여 상기 냉난방 장치(60)와 폐열공급 난방수단(70)의 순환 냉매를 가열하여 난방 성능이 향상되도록 냉매 라인 상에는 히터(H)가 설치되어 구성될 수 있다.
상기 히터(H)는 냉매 라인의 적절한 위치면 어디든지 설치될 수 있으며, 상기 발전기(52)에서 압축기(61) 등 다른 전원 필요 요소에 제공하고 남은 전기를 이용하여 작동되는 것이 바람직하다.
도 3에서 참조 부호 P는 각 라인의 열전달 매체를 유동시키는 펌프를 나타내고, 59b는 방열팬을 나타낸다.
한편, 상기 제2 팽창장치(71)와 제2 실외 열교환기(73)는 상기 실내 열교환기(65)의 출구측에서 분리된 냉매 라인(75)에 순차적으로 연결되며, 상기 제2 실외 열교환기(73)의 출구측의 냉매 라인(76)은 상기 사방 밸브(62)로 연결된다.
또한, 상기 난방 작동에 따라 냉매가 상기 제2 팽창장치(71)와 제2 실외 열교환기(73)를 순환할 때, 난방 과부하가 발생하면, 이를 해소하기 위해 상기 실내 열교환기(65)를 거친 냉매의 일부가 상기 제2 실외 열교환기(73)를 거치지 않고 바로 상기 제2 실외 열교환기(73)의 출구측의 냉매 라인(76)으로 순환되도록 하는 바이패스 수단인 바이패스 라인(77) 및 이 라인(77)을 절환하는 절환 밸브(77V)로 구성된다.
또한, 상기 폐열공급 난방수단(70)은 상기 제2 실외 열교환기(73)의 실외 온도와 증발 온도를 판단하여 실외 온도가 증발 온도보다 높을 경우에는 필요에 따라 상기 제2 실외 열교환기(73)를 통과한 냉매가 상기 제1 실외열교환기(63)를 통과하도록 하는 냉매 라인(78) 및 절환 밸브(78V)가 구비된다.
한편, 상기 압축기(61), 사방밸브(62), 제1 실외열교환기(63), 제1 팽창 장치(64)는 통상의 에어컨의 구성과 같이 실외기(O)에 구비되고, 상기 실내 열교환기는 각 실내의 냉난방 공간에 설치된다.
본 실시예에서는 하나의 실내 열교환기(65)만 예시하여 설명하였으나, 필요에 따라 복수개가 직결 또는 병렬로 냉매 라인에 연결되어 구성되는 것이 가능하며, 또한 압축기(61) 및 실외 열교환기(63) 역시 설계 조건이나 필요에 따라 복수개의 실외기(O) 사용이 가능하다.
도 2에서 참조 번호 C는 냉매가 설정된 방향으로만 흐르도록 하는 체크 밸브형 분배관을 나타낸다.
한편, 상기한 각종 열교환기들은 열전도체를 이용하여 열전달이 이루어지거나, 내부에 유체가 존재하여 열전달 유체를 통해 양측 사이의 열전달이 이루어지는 방식 등 설계 조건이나 필요에 따라 다양하게 구성하여 적용할 수 있을 것이다.
도 4는 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 코제너레이션 시스템에서 복수의 실내열교환기가 구비된 구성을 나타낸 개략적인 도면으로서, 하나의 냉난방 장치(60)에 복수개의 실내열교환기(65A)(65B)(65C)가 직렬 또는 병렬로 배치되어 여러 공간을 냉난방 시키도록 구성된다.
또한, 상기 냉난방 장치(60) 또는 엔진룸(E)이 복수개가 구비되어 상호 조합된 구성되는 것도 가능하다.
도 4에서 미설명 참조 부호는 전술한 도 2의 구성과 동일하므로 동일한 부호를 부여하고 그에 대한 설명은 생략한다.
한편, 상기한 각종 열교환기들은 열전도체를 이용하여 열전달이 이루어지거나, 내부에 유체가 존재하여 열전달 유체를 통해 열전달이 이루어지는 방식 등 설계 조건이나 필요에 따라 다양하게 구성하여 적용할 수 있을 것이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 코제너레이션 시스템의 작용을 설명하면 다음과 같다.
엔진(50)의 구동력을 이용하여 발생된 전기는 상기 냉난방 장치(50)의 압축 기(61)나 각 콘트롤 장비 등 전기 필요 요소에 사용되고, 여분의 전기는 난방 작동시 냉매 배관을 가열하는 히터(H)에 제공되어 사용된다.
상기 시스템의 냉방 운전시에는 통상의 히트 펌프식 냉동 사이클에서와 같이 사방 밸브(61)의 절환에 의해 압축기(61), 사방밸브(62), 응축기 역할을 하는 제1 실외열교환기(63), 제1 팽창 장치(64), 증발기 역할을 하는 실내열교환기(65), 다시 사방 밸브(62), 어큐뮬레이터(68), 압축기(61) 순으로 냉매가 유동하게 된다.
상기 시스템의 난방 운전시에는 상기 냉방 운전시와 반대로 사방 밸브(61)가 절환됨에 따라 압축기(61), 사방 밸브(62), 응축기 역할을 하며 실내에 더운 공기를 제공하는 실내 열교환기(65)와, 제2 팽창장치(71), 상기 엔진(50)의 폐열에 의해 가열되는 제2 실외 열교환기(73), 다시 사방 밸브(62), 어큐뮬레이터(68), 압축기(61) 순으로 냉매가 유동하게 된다.
여기서, 상기와 같은 난방 운전 중에 난방 과부하가 발생하면, 상기 절환 밸브(77V)의 작동으로 상기 실내 열교환기(65)를 거친 냉매의 일부가 바이패스 라인(77)을 통해 상기 제2 실외 열교환기(73)를 거치지 않고 바로 상기 제2 실외 열교환기(73)의 출구 측의 냉매 라인(76)으로 순환하게 된다.
또한, 상기 제2 실외 열교환기(73)의 실외 온도와 증발 온도를 판단하여 실외 온도가 증발 온도보다 높을 경우에는 상기 제2 실외 열교환기(73)를 통과한 냉매가 절환 밸브(78V)의 작동으로 냉매 라인(78)을 통해 상기 제1 실외열교환기(63)를 통과한 다음, 사방 밸브(62) 및 압축기(61) 쪽으로 유동하게 된다.
상기와 같이 구성되고 작용되는 본 발명에 따른 코제너레이션 시스템은, 난방 운전시에는 엔진의 폐열을 제공받는 별도의 실외 열교환기를 사용할 수 있도록 구성되기 때문에 난방 운전시에 엔진의 폐열을 최대한 활용함과 아울러 난방 성능을 높일 수 있는 이점을 제공하게 된다.

Claims (10)

  1. 전기를 발생시키도록 발전기를 구동하는 엔진과;
    냉방 작동시에 하나 이상의 압축기, 사방밸브, 제1 실외열교환기, 제1 팽창 장치, 실내열교환기 순으로 냉매가 순환하는 히트 펌프식 냉동사이클을 이용한 냉난방 장치와;
    난방 작동시에 상기 압축기, 상기 사방 밸브, 상기 실내 열교환기와, 제2 팽창장치, 상기 엔진의 폐열에 의해 가열되는 제2 실외 열교환기 순으로 냉매가 순환하도록 하는 폐열공급 난방수단이 포함된 것을 특징으로 하는 코제너레이션 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐열공급 난방수단에는 상기 엔진에서 발생된 전기를 이용하여 순환 냉매를 가열하는 히터가 포함된 것을 특징으로 하는 코제너레이션 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐열공급 난방수단은 난방 과부하 발생시에 상기 실내 열교환기를 거친 냉매의 일부가 상기 제2 실외 열교환기를 거치지 않고 순환하도록 하는 바이패스 수단이 포함된 것을 특징으로 하는 코제너레이션 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 폐열공급 난방수단은 필요에 따라 상기 제2 실외 열교환기를 통과한 냉매가 상기 제1 실외열교환기를 통과하도록 하는 냉매 라인 및 밸브 수단이 구비된 것을 특징으로 하는 코제너레이션 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 실외 열교환기는 엔진을 냉각한 냉각수 열을 전달받도록 구성된 것을 특징으로 하는 코제너레이션 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 실외 열교환기는 엔진의 배기가스 열을 전달받도록 구성된 것을 특징으로 하는 코제너레이션 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진의 냉각수 열과 배기가스 열을 회수하도록 냉각수 열교환기와 배기가스 열교환기가 각각 구비되고,
    상기 제2 실외 열교환기는 상기 냉각수 열교환기와 배기가스 열교환기 중 적어도 어느 한 쪽으로부터 열을 전달받도록 구성된 것을 특징으로 하는 코제너레이션 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 엔진, 제2 실외 열교환기, 제2 팽창장치는 엔진룸 내에 구비된 것을 특징으로 하는 코제너레이션 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 압축기, 사방밸브, 제1 실외열교환기, 제1 팽창 장치는 실외기에 구비된 것을 특징으로 하는 코제너레이션 시스템.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기, 실내 열교환기, 제1 실외 열교환기, 제2 실외 열교환기가 각각 적어도 하나 이상이 구비되어 상호 조합되어 구성하는 것을 특징으로 하는 코제너 레이션 시스템.
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