KR102323296B1 - 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지역난방에서 공급되는 열원을 공급하는 공급관 및 회수관이 배치되는 배관라인, 상기 배관라인의 일영역에서 설치되어 전력을 생산하는 수차펌프, 상기 지역난방의 배관라인의 일영역에 배치되는 ORC 히트펌프부 및 상기 ORC 히트펌프부와 열교환을 통해 사용자측으로 열원을 공급 또는 회수하는 제1 열교환부를 포함하며, 상기 수차펌프는 상기 제1 열교환부의 동작에 따라 수차 모드 또는 펌프 모드로 구동하는 것을 특징으로 하는 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템을 제공한다.

Description

지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템{Deformable system for two-way heat linkage with district heating}
실시예는 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 열수요에 맞춰 지역난방과 연계된 신재생 열에너지의 생산량과 활용도를 증대하기 위한 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 지역난방은 아파트, 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등 각종건물이 개별난방 갖추는 대신 집중된 대규모 열원시설(열병합 발전소, 열전용 보일러, 쓰레기 소각로 등)에서 경제적으로 생산된 열을 이용하여 지역 전체에 난방 및 급탕을 공급하며, 쾌적한 도시환경을 창조하고 에너지 절약과 환경공해 개선에 기여하는 효율적인 난방방식으로 개별적으로 사용자가 난방설비를 갖추는 개별난방 시스템과는 차이가 있다.
즉, 지역난방은 한 개의 도시 또는 일정한 지역 내에 있는 각종 건물이나 시설물 등이 개별적으로 난방설비를 갖추지 않고, 대규모 열생산 시설을 이용하여 난방 및 급탕에 필요한 고온수(115~120도 내외)를 생산하여 고압의 압력으로 열수송관을 통해 각 수용자에게 열원을 공급하는 시스템으로 집단에너지 공급방식 중 하나이다.
한편, 최근에는 중앙 집중식 방식의 대규모 화석 연료의 발전을 줄이고 신재생 에너지 사용의 확대를 위하여 태양광이나 풍력 등을 이용한 발전 및 연료 전지 등의 신재생 에너지를 기반으로 하는 발전 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
그러나, 신재생에너지의 발전량과 열사용자의 열사용량은 환경에 따라 각각 변동성이 매우 크다. 따라서 열생산과 열수요를 맞추는 것이 매우 어렵기 때문에 수축열조를 설치하여 변동성을 맞추고 있으나 축열조는 부피가 커서 공간을 많이 차지하는 문제점이 존재한다.
실시예는 지역난방과 연계된 신재생 열에너지 설비의 가동률을 높이기 위한 위해 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급된 과제에 국한되지 않으며 여기서 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예는, 지역난방에서 공급되는 열원을 공급하는 공급관 및 회수관이 배치되는 배관라인; 상기 배관라인의 일영역에서 설치되어 전력을 생산하는 수차펌프; 상기 지역난방의 배관라인의 일영역에 배치되는 ORC 히트펌프부; 및 상기 ORC 히트펌프부와 열교환을 통해 사용자측으로 열원을 공급 또는 회수하는 제1 열교환부;를 포함하며, 상기 수차펌프는 상기 제1 열교환부의 동작에 따라 수차 모드 또는 펌프 모드로 구동하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 열교환부가 열을 사용자측으로 공급하는 경우, 상기 수차펌프는 수차로 구동하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 열교환부가 열을 사용자측에서 회수하는 경우, 상기 수차펌프는 상기 배관라인의 열원을 반대로 이송하도록 펌프로 동작하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 ORC 히트펌프부는 유기매체가 이동하는 순환라인, 상기 순환라인에 배치되어 상기 배관라인을 따라 이동하는 열원과 열교환을 하는 제2 열교환부, 상기 제1 열교환부를 통과한 상기 유기매체를 이용하여 전력을 생산하는 터빈부, 상기 터빈부를 통과한 상기 유기매체와 열교환을 하는 상기 제1 열교환부 및 상기 제1 열교환부를 통과한 상기 유기매체를 압송하는 펌프부를 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 ORC 히트펌프부는 상기 펌프부를 바이패스하는 제1 바이패스라인 및 상기 터빈부를 바이패스하는 제2 바이패스라인을 포함하며, 상기 제2 바이패스라인에는 3방 밸브가 구비되며, 상기 제2 바이패스라인에는 압축기가 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 열교환부가 열을 사용자측으로 공급하는 경우, 상기 유기매체는 상기 펌프부의 동작으로 순환하며, 상기 유기매체는 제1 열교환부, 상기 터빈부, 상기 제2 열교환부 및 상기 펌프부를 순환하는 것을 특징으로 할 수 있다.
바람직하게는, 상기 제1 열교환부가 열을 사용자측으로 회수하는 경우, 상기 유기매체는 상기 제2 바이패스라인에 배치되는 상기 압축기의 동작으로 순환하며, 상기 유기매체는 상기 압축기, 상기 제2 열교환부, 상기 제1 바이패스라인 및 상기 제1 열교환부를 순환하는 것을 특징으로 할 수 있다.
실시예에 따르면, 열연계 시스템의 초기 투자 비용을 감소시키고, 운영 유연성을 확보할 수 있다.
또한, 효율적인 유연운전을 통한 화석 에너지 사용량 절감 및 온실가스를 감축할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템의 구조도이고,
도 2는 도 1의 수력터빈과 ORC 동시발전 발전모드시 동작 상태를 나타내는 도면이고,
도 3은 도 2의 미활용열 회수 및 냉방시 지역난방수 가온모드에서 동작상태를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1 내지 도 3는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템의 구조도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템은 배관라인(100), 수차펌프(130), ORC 히트펌프부(200) 및 제1 열교환부(220)를 포함할 수 있다.
배관라인(100)은 지역난방에서 공급되는 열원이 분배되어 각 사용자나 설비로 이동하는 배관을 포함할 수 있다. 이때, 배관라인(100)에는 공급관(110)과 회수관(120)이 배치될 수 있다.
일반적으로 지역난방은 열원을 생산하여 사용자에게 공급한다. 이때 열원으로는 중온의 물이 사용되고 있다. 지역난방은 하나의 도시 또는 일정한 지역 내에 있는 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등 각종 건물이 개별적으로 난방설비를 갖추지 않고, 대규모 열생산시설, 즉 열병합발전소를 건설하여 난방 및 급탕에 필요한 중온수(110~120℃)를 생산, 열수송관을 통해 각 수용가에 공급하는 시스템으로 집단에너지 공급방식 중 하나이다.
이러한 지역난방에서 열공급부의 구조는 다양하게 변형실시될 수 있다.
수차펌프(130)는 배관라인(100)의 일영역에서 설치되어 전력을 생산할 수 있다.
수차펌프(130)는 공급관(110)과 회수관(120) 사이에 배치되며, 공급관(110)에서 공급되는 열원을 이용하여 전력을 생산할 수 있다. 수차펌프(130)의 구조는 제한이 없으며 발전기를 이용하여 전력을 생산하는 다양한 구조로 변형실시될 수 있다.
또한, 수차펌프(130)는 제1 열교환부(220)의 동작에 따라 수차모드 또는 펌프모드로 구동될 수 있다.
일반적으로 지역난방에서는 공급관(110)을 통해 115℃ 내외의 중온수를 10bar 내외로 공급하게 되며, 회수관(120)은 55℃의 물이 4~5bar로 회수된다. 이때, 수차펌프(130)는 압력차를 이용하여 전력을 생산할 수 있다.
또한, 수차펌프(130)는 제1 열교환부(220)의 동작에 따라 펌프모드로 구동할 수 있다.
제1 열교환부(220)가 사용자(300)로부터 열을 회수하는 경우 수차펌프(130)는 회수관(120)과 공급관(110)의 흐름을 반대로 형성하기 위해 펌프로 구동할 수 있다. 이때, 수차펌프(130)는 전력을 공급받아 펌프로 동작하여 회수관(120) 측의 물을 공급관(110) 측으로 이동시킬 수 있다.
ORC 히트펌프부(200)는 지역난방의 배관라인(100)의 일 영역에 배치될 수 있다.
ORC 히트펌프부(200)는 순환라인(210), 제1 열교환부(220), 펌프부(250), 제2 열교환부(230) 및 터빈부(240)가 배치될 수 있다.
순환라인(210)은 유기랭킨 사이클(ORC,Organic Rankine Cycle)을 이용하여 발전을 하기 위해 유기매체가 이동하는 라인을 의미한다.
유기랭킨 사이클 발전은 유기매체를 작동유체로 사용하는 랭킨 사이클로서, 비교적 저온의 폐열을 이용하여 작동매체를 고온 고압으로 비등시킨 후, 터빈을 통해 팽창시켜 토크를 얻어 발전기를 통해 전력을 생산한다.
제1 열교환부(220)는 터빈부(240)를 통과한 유기매체와 열교환을 하여 사용자(300)측으로 열을 전달하거나 회수할 수 있다.
펌프부(250)는 제1 열교환부(220)를 통과한 유기매체를 압송하여 유기매체가 순환라인(210)을 순환할 수 있도록 한다.
제2 열교환부(230)는 순환라인(210)에 배치되어 배관라인(100)을 따라 이동하는 열원과 열교환을 할 수 있다.
터빈부(240)는 제2 열교환부(230)를 통해 열교환된 유기매체를 이용하여 발전을 할 수 있다.
또한, ORC 히트펌프부(200)는 사용자(300)측의 미사용열을 다시 공급관(110)으로 공급하기 위해 유기매체의 순환라인(210)을 변경할 수 있다.
이때, ORC 히트펌프부(200)는 제1 바이패스라인(260)과 제2 바이패스라인(270)을 구비할 수 있다.
제1 바이패스라인(260)은 유기매체가 펌프부(250)를 바이패스하도록 할 수 있다. 이때, 제1 바이패스라인(260)이 연결되는 영역에는 3방 밸브(261)가 배치되어 유기매체의 이동방향을 제어할 수 있다.
일실시예로, 제1 바이패스라인(260)에는 유기매체의 이동을 차단하기 위한 체크밸브(262)가 배치될 수 있다.
제2 바이패스라인(270)은 유기매체가 터빈부(240)를 바이패스하도록 배치된다. 제2 바이패스라인(270)에는 순환라인(210)과 연결되는 일영역에 3방 밸브(271)가 배치될 수 있으며, 제2 바이패스라인(270)에는 압축기(272)가 구비될 수 있다.
펌프부(250)를 이용하여 유기매체를 순환하는 경우에는 낮은 압력이 필요로 하는 바, 펌프부(250)의 용량이 낮아도 유기매체의 순환이 가능하다. 그러나, 사용자(300)로부터 열을 회수하여 유기매체를 순환하는 경우, 펌프부(250)를 대신하여 압축기(272)가 사용될 수 있다.
압축기(272)는 유기 냉매를 압축하여 고온상태로 제2 열교환부(230)에서 열교환이 일어나도록 하는 바, 열교환효율을 증대할 수 있다.
도 2는 도 1의 수력터빈과 ORC 동시발전 발전모드시 동작 상태를 나타내는 도면이다
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템에서 공급관(110)을 통해 지역난방에서 공급되는 중온수는 제2 열교환부(230)를 통해 ORC 히트펌프부(200)의 유기매체와 열교환을 하게된다. 열교환을 한 중온수는 수차펌프(130)를 통과하며, 수차펌프(130)는 이를 이용하여 전력을 생산하게 된다.
열교환된 유기매체는 ORC 히트펌프부(200)의 순환라인(210)을 따라 순환하게 된다.
제1 바이패스라인(260)과 제2 바이패스라인(270)은 폐쇄되도록 3방 밸브(261,271)가 동작하게 되며, 유기매체는 펌프부(250)의 동작으로 제2 열교환부(230), 터빈부(240) 및 제1 열교환부(220)를 순환하게된다. 이때, 터빈부(240)에서는 전력을 생산하게 되며, 제1 열교환부(220)는 사용자(300)측으로 열을 공급할 수 있다.
도 3은 도 2의 미활용열 회수 및 냉방시 지역난방수 가온모드에서 동작상태를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 사용자(300)측에서 미활용된 열이나 하수열을 회수하기 위해 ORC 히트펌프부(200)가 순환하게 된다.
제1 바이패스라인(260)은 펌프부(250)를 바이패스하도록 3방 밸브(261)의 상측과 우측이 개방되고 좌측이 폐쇄되어 유기매체가 펌프부(250)를 바이패스하도록 할 수 있다.
제2 바이패스라인(270)은 터빈부(240)를 바이패스하도록 3방 밸브(271)의 좌측과 하측이 개방되고 우측이 폐쇄되어 유기매체가 터빈부(240)를 바이패스하도록 할 수 있다.
이때, 제2 바이패스라인(270)상에 배치되는 압축기(272)는 유기매체를 압축하여 고온으로 승온하여 이동시키며 승온된 유기매체는 제2 열교환부(230)에서 배관라인(100)을 이동하는 온수와 열교환을 할 수 있다.
배관라인(100)에 배치되는 수차펌프(130)는 전력을 공급받아 펌프로서 동작하여 회수관(120)을 이동하는 라인의 온수를 공급관(110)으로 이동시키며, 55℃의 회수수는 제2 열교환부(230)에서 승온되어 공급관(110)으로 공급될 수 있다.
이를 통해 사용자(300)측에서 미활용되는 열을 회수하여 공급측으로 재공급할 수 있으며, 열사용 효율을 증대할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시 예에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 살펴보았다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 배관라인
110 : 공급관
120 : 회수관
130 : 수차펌프
200 : ORC 히트펌프부
210 : 순환라인
220 : 제1 열교환부
230 : 제2 열교환부
240 : 터빈부
250 : 펌프부
260 : 제1 바이패스라인
261, 271 : 3방 밸브
262 : 체크밸브
270 : 제2 바이패스라인
272 : 압축기
300 : 사용자

Claims (7)

  1. 지역난방에서 공급되는 열원을 공급하는 공급관 및 회수관이 배치되는 배관라인;
    상기 배관라인의 일영역에서 설치되어 전력을 생산하는 수차펌프;
    상기 지역난방의 배관라인의 일영역에 배치되는 ORC 히트펌프부; 및
    상기 ORC 히트펌프부와 열교환을 통해 사용자측으로 열원을 공급 또는 회수하는 제1 열교환부;
    를 포함하며,
    상기 수차펌프는 상기 제1 열교환부의 동작에 따라 수차 모드 또는 펌프 모드로 구동하는 것을 특징으로 하는 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환부가 열을 사용자측으로 공급하는 경우, 상기 수차펌프는 수차로 구동하여 전력을 생산하는 것을 특징으로 하는 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 열교환부가 열을 사용자측에서 회수하는 경우, 상기 수차펌프는 상기 배관라인의 열원을 반대로 이송하도록 펌프로 동작하는 것을 특징으로 하는 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 ORC 히트펌프부는
    유기매체가 이동하는 순환라인,
    상기 순환라인에 배치되어 상기 배관라인을 따라 이동하는 열원과 열교환을 하는 제2 열교환부;
    상기 제1 열교환부를 통과한 상기 유기매체를 이용하여 전력을 생산하는 터빈부;
    상기 터빈부를 통과한 상기 유기매체와 열교환을 하는 상기 제1 열교환부; 및
    상기 제1 열교환부를 통과한 상기 유기매체를 압송하는 펌프부;
    를 포함하는 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 ORC 히트펌프부는
    상기 펌프부를 바이패스하는 제1 바이패스라인 및
    상기 터빈부를 바이패스하는 제2 바이패스라인을 포함하며,
    상기 제2 바이패스라인에는 3방 밸브가 구비되며,
    상기 제2 바이패스라인에는 압축기가 구비되는 것을 특징으로 하는 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 열교환부가 열을 사용자측으로 공급하는 경우,
    상기 유기매체는 상기 펌프부의 동작으로 순환하며, 상기 유기매체는 제1 열교환부, 상기 터빈부, 상기 제2 열교환부 및 상기 펌프부를 순환하는 것을 특징으로 하는 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 열교환부가 열을 사용자측으로 회수하는 경우,
    상기 유기매체는 상기 제2 바이패스라인에 배치되는 상기 압축기의 동작으로 순환하며, 상기 유기매체는 상기 압축기, 상기 제2 열교환부, 상기 제1 바이패스라인 및 상기 제1 열교환부를 순환하는 것을 특징으로 하는 지역난방과 양방향 열연계를 위한 가변형 시스템.
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