KR20030061575A - 빙축열 냉각시스템의 축열조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열조 내부에 부동액이 균등하게 흐를 수 있도록 디퓨서 및 격자가 설치된 빙축열 냉각시스템의 축열조에 관한 것으로서, 그 주요 구성은 내부에 다수개의 축열구를 수용하는 빙축열 냉각시스템의 축열조에 있어서, 상기 축열조는 일측에 부동액이 주입될 수 있는 상부 디퓨서와, 타측에 상기 상부 디퓨서를 통하여 주입된 부동액이 상기 축열조의 외부로 배출되도록 하는 하부 디퓨서와, 상기 축열구들의 상단에 설치되는 격자를 갖도록 형성하되, 상기 격자는 상부 디퓨서를 통하여 축열조 내부로 부동액이 주입될 때, 부동액이 격자 위에 소정의 높이를 가지고 수두를 형성할 수 있도록 다수의 구멍들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하며, 위와 같은 구성에 의하여 빙축열조 안에서 부동액의 유동을 균등하게 유지할 수 있으므로 제빙시 냉동기로 들어가는 부동액의 입구온도를 상승시켜 냉동기의 효율을 상승시킬 수 있으며, 또 해빙시에는 축열조의 출구온도 즉 열교환기 입구온도가 올라감으로써 부하측에 충분한 냉기를 공급하지 못하는 것을 방지할 수 있다.

Description

빙축열 냉각시스템의 축열조{Ice storage tank of cooling thermal energy storage system}

본 발명은 빙축열 냉각시스템의 축열조에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축열조 내부에 부동액이 균등하게 흐를 수 있도록 디퓨서 및 격자가 설치된 빙축열 냉각시스템의 축열조에 관한 것이다.

일반적으로, 빙축열 냉각시스템이란, 심야의 값싼 전기를 이용하여 낮시간 동안의 냉방을 가능하게 하는 냉방시스템의 일종으로서, 심야에 냉동기를 가동시켜서 얼음을 얼리고, 이를 보존하였다가 낮시간에 이 얼음을 이용하여 냉방을 하는 축열식 열교환시스템을 말한다.

이러한 빙축열 냉각시스템의 원리는 먼저 심야시간대에 값싼 심야전력을 사용하여 냉동기를 가동하여 부동액을 냉각시키고, 냉각된 부동액을 다수개의 축열구가 수용된 축열조에 통과시켜서 상기 축열구에 담긴 결빙액을 얼음 상태로 얼리고, 결빙과정이 끝나면 상기 결빙된 축열구를 단열상태의 내벽 내부에서 보존하고 있다가 낮시간이 되어 얼음 상태의 결빙액에 의해 차가워진 부동액을 열교환기로 순환시켜서 상기 결빙된 축열구의 냉기를 냉방에 활용토록 함으로써 주간의 최대부하시 냉방전력의 사용을 줄이거나 피할 수 있게 하는 것이다.

이러한 종래의 빙축열 냉각시스템의 축열조가 도 1에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 종래의 빙축열 냉각시스템의 축열조(10)는 통상 단열처리된 건물 지하의 내벽(11)에 전체적으로 구형상의 외곽을 갖는 다수개의 축열구(12)를 충만하여 이루어지며, 내벽(11)의 상부 일측으로부터 부동액을 주입하기 위하여 노즐분사식이나 빗모양의 디퓨서로 이루어져 있는 상부 디퓨서(13)와, 내벽(11)의 하부 일측에서 상기 부동액을 배출하기 위한 하부 디퓨서(14)와, 상기 상부 디퓨서(13)의 하부에 설치되며 결빙이 완료된 축열구(12)들이 부력에 의해서 떠오르는 것을 방지하기 위하여 맨홀 등에 사용되는 철 재질의 격자(15)를 포함한다.

위와 같은 구조로 이루어지는 축열조(10)는 통상 그 축열조의 크기가 건물의 지하기계실의 30~40%를 차지할 정도로 상당히 크기 때문에 축열조의 내벽(11)을 관통해서 들어오는 상부 디퓨서(13)에 의해서 축열조(10)의 내부로 부동액을 주입할 때, 부동액이 축열조(10)의 내부 면적 전체에 걸쳐서 균등하게 주입되지 아니하고 도 1의 A부분에서 보는 바와 같이 축열조의 어느 일 부분에만 치우쳐서 주입되게 되는 현상이 발생하게 된다.

따라서, 축열조 내부의 얼음을 얼리고자 하는 제빙시에 냉동기로부터 공급되는 저온의 부동액이 축열조의 상부쪽으로 공급될 때 축열구에 수용되어 있는 결빙액이 부동액의 냉기로 인해 부동액과 접촉되는 부분부터 결빙되기 시작하여 축열조 전체로 결빙이 확산하게 되는데 부동액이 축열조 내부로 균등하게 주입되지 아니하고 일부분에만 치우쳐서 주입되게 되면, 제빙 작용이 축열조 전체로 확산되는 것을 방해하게 된다.

이러한 결과는 냉동기로부터 공급되는 저온의 부동액이 축열조 전체에 걸쳐서 배치되어 있는 축열구들과 충분하게 열교환이 이루어지지 아니하고 일부 축열구들만 열교환을 한 상태로 축열조의 하부로 그대로 배출되게 되므로 축열조 하부에서 배출되는 부동액의 온도가 충분히 상승되지 못하고 저온 상태로 부동액이 배출되게 되어 결과적으로 냉동기의 입구온도가 낮게 되므로 냉동기의 효율이 떨어지게 되는 문제점이 있다.

또한, 해빙시에는 열교환기에서 냉기를 공급하고 자기자신은 온도가 상승된 부동액이 축열조의 일측으로만 계속해서 공급됨에 따라 축열조 내부에 얼어 있는 얼음이 전체적으로 균등하게 녹지 않고 상온의 부동액이 유입되는 부분 즉, 도 1의 A부분이 먼저 녹게 되고, 이후 그 이웃하는 부분이 녹게 되는데 부동액이 축열조 내부로 균등하게 주입되지 아니하고 일부분에만 치우쳐서 주입되게 되면, 해빙 작용이 축열조 전체로 확산되는 것을 방해하게 된다.

이러한 결과는 열교환기로부터 공급되는 상온의 부동액이 축열조 전체에 걸쳐서 배치되어 있는 축열구들과 충분하게 열교환이 이루어지지 아니하고 일부 축열구들만 열교환을 한 상태로 축열조의 하부로 그대로 배출되게 되므로 축열조에 실제로는 얼음이 남아 있는데도 불구하고 축열조 하부에서 배출되는 부동액의 온도가 충분히 냉각되지 못하고 상온 상태로 부동액이 그대로 배출되게 되어 실내기의 냉방성능이 저하되어 건물에서 요구하는 냉방부하를 충분히 감당하지 못하게 되며, 따라서, 낮시간 대에도 축열조에 실제로는 얼음이 남아 있더라도 급증하는 오후의 부하를 만족시키기 위해 냉동기를 가동시켜야 하는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 축열조 안에서 부동액의 유동을 축열조 전체에서 균등하게 유지함으로써 제빙시 냉동기로 들어가는 부동액의 입구온도를 상승시켜 냉동기의 효율을 상승시키고, 해빙시에는 축열조의 출구온도 즉 열교환기 입구온도가 올라감으로써 부하측에 충분한 냉기를 공급하지 못하는 것을 방지하기 위한 빙축열 냉각시스템의 축열조를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 내부에 다수개의 축열구를 수용하는 빙축열 냉각시스템의 축열조에 있어서, 상기 축열조는 일측에 부동액이 주입될 수 있는 상부 디퓨서와, 타측에 상기 상부 디퓨서를 통하여 주입된 부동액이 상기 축열조의 외부로 배출되도록 하는 하부 디퓨서와, 상기 축열구들의 상단에 설치되는 격자를 갖도록 형성하되, 상기 격자는 상부 디퓨서를 통하여 축열조 내부로 부동액이 주입될 때, 부동액이 격자 위에 소정의 높이를 가지고 수두를 형성할 수 있도록 다수의 구멍들이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 종래의 빙축열 냉각시스템의 축열조를 나타내는 단면도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 빙축열 냉각시스템의 축열조를 나타내는 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 빙축열 냉각시스템의 축열조에 사용되는 상부 디퓨서의 사시도이다.

도 4는 본 발명에 따른 빙축열 냉각시스템의 축열조에 사용되는 격자의 사시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 빙축열 냉각시스템의 축열조의 작용을 설명하기 위한 설명도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10 : 축열조11 : 내벽

12 : 축열구20 : 상부 디퓨서

30 : 하부 디퓨서40 : 격자

본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 빙축열 냉각시스템의 축열조를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2에서 도 1에 도시된 구성요소와 동일한 부분에 대해서는 동일 부호를 사용하여 표시하였으며, 설명의 간결성을 위하여 동일 부분에 대한 설명은 생략한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 빙축열 냉각시스템의 축열조(10)는 통상 단열처리된 건물 지하의 내벽(11)에 전체적으로 구형상의 외곽을 갖는 다수개의 축열구(12)를 충만하여 이루어지며, 축열구(12)를 축열조(10)의 내부에 투입하기 위하여 축열조(10)의 상부에 설치된 뚜껑과, 내벽(11)의 상부 일측으로부터 부동액을 주입하기 위한 상부 디퓨서(20)와, 내벽(11)의 하부 일측에서 상기 부동액을 배출하기 위한 하부 디퓨서(30)와, 상기 상부 디퓨서(20)의 하부에 설치되는 격자(40)를 포함한다.

상기 상부 디퓨서(20)는 축열조(10)의 상부면 전체에 걸쳐 균등하게 부동액이 주입되도록 하기 위해 도 3에서 보는 바와 같이 축열조(10)의 내벽(11)을 관통해서 투입되는 제1주입관(21)과, 축열조(10)의 중앙에서 분기되며 소정의 길이를 갖는 제2주입관(22)과, 상기 제2주입관(22)으로부터 분기되는 제3주입관(23)과, 제3주입관(23)으로부터 다시 분기되는 제4주입관(24)과, 제4주입관(24)으로부터 최종적으로 분기되는 최종분기관(25)으로 구성되며, 전체적으로 볼 때, H자 형상을 이루며 분기되고 있다.

상기 제1주입관(21) 내지 제4주입관(24)은 부동액이 분출될 수 있는 구멍이 형성되어 있지 아니하고 단지 연결관의 역할만을 하며, 하위분기관으로 진행될수록 점차로 그 직경이 감소토록 함으로써 하위 분기관으로 부동액이 용이하게 흘러 갈 수 있도록 한다.

상기 최종분기관(25)은 축열조(10)의 상부면 전체에 걸쳐 균등하게 부동액이 축열조(10)의 내부로 주입될 수 있도록 그 소정길이 전체에 걸쳐서 부동액이 분출할 수 있는 구멍이 형성되어 있다.

상기 상부 디퓨서(20)는 도 3에서 제1 내지 제4주입관과 최종분기관을 가지는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 상기 상부 디퓨서(20)는 축열조(10)의 크기에 따라서 그 분기되는 분기관의 숫자를 가감할 수 있다.

상기 하부 디퓨서(30)는 상부에서 자유낙하 형식으로 균등하게 흘러오는 부동액을 축열조(10)의 하부면 전체에 걸쳐 H자 형상을 이루면서 사구역이 없이 균등하게 부동액이 배출되도록 하기 위해 상기 상부 디퓨서(20)와 같은 방법으로 다수의 합류관을 가지며, 가장 직경이 작은 쪽의 합류관에서만 부동액을 흡입할 수 있는 구멍이 형성되어 있고, 이후의 합류관과 내벽을 관통하여 축열조(10)의 외부로 배출관에서는 구멍이 형성되어 있지 않다.

상기 하부 디퓨서(30)는 상기 상부 디퓨서(20)와 같은 방법으로 합류되는 것으로 설명하였지만, 본 발명의 상기 하부 디퓨서(30) 역시 축열조(10)의 크기에 따라서 그 합류되는 합류관의 숫자를 가감할 수 있다.

상기 격자(40)는 도 4에서 보는 바와 같이 축열조(10)의 상부면적을 덮을 수 있는 PDF판(41)에 소정의 직경을 가지는 구멍(42)을 다수 형성함으로써, 상부 디퓨서(20)에서 주입되는 부동액이 축열조(10) 내부로 일시에 주입되는 것을 방지하여 부동액이 격자(40) 위에 소정의 높이를 가지고 수두를 형성하도록 한다.

부동액이 격자 위에 소정의 높이를 가지고 수두를 형성하게 되면, 상기 격자에 형성한 구멍에서 부동액이 통과하는 속도를 알 수 있게 되며, 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.

V= (2×g×h)^1/2------- (1)

여기서, V : 통과 유속

g : 중력가속도

h : 격자 위에 쌓인 부동액의 수두

위의 식에서 알 수 있는 바와 같이, 격자에 고이는 자연수두를 결정하면, 부동액이 격자의 구멍을 통과하는 유속 V가 결정되게 된다. 즉, 격자 위에 쌓이는 수두의 높이가 높으면 구멍을 통과하는 속도는 빨라지게 되며, 반대로 수두의 높이가 낮으면 통과속도가 늦어지게 된다. 상기 자연수두를 바람직한 한 예로서 80 mm로 설정하는 경우에는 구멍의 유속은 0.6261 m/s가 된다.

위의 식에서 유속이 결정되면 빙축열 냉각시스템의 설계시 확정이 된 펌프의 유량을 이용하여 격자에 형성하여야 할 구멍의 총면적이 결정될 수 있다.

Q= A×V ------ (2)

여기서, Q : 유량 [m3 /sec]

A : 구멍의 총면적 [m2]

위의 식을 이용하여 격자에 형성하여야 할 구멍의 총면적이 결정되면, 격자의 전체 면적에 따라 구멍의 직경과 개수를 결정할 수 있다.

위의 (1)과 (2)의 식에 의해서 결정되는 구멍들을 격자 위에 형성하게 되면 격자 위에 형성하는 수두의 높이는 아래의 빙축열조의 작용에서 후술하는 바와 같이 자동적으로 조절(self-balancing)되게 된다.

위에서 설명한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 빙축열조의 작용에 대하여 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 빙축열조의 작용을 설명하기 위한 도면으로서, 상부 디퓨서(20)의 최종분기관(25)들을 통하여 축열조 전체 면적에 걸쳐서 골고루 격자(40) 위에 부동액을 주입하게 되면, 상기 부동액은 축열조 내부로 일시에 주입되지 아니하고 소정의 높이를 가지고 수두를 형성하게 된다.

위와 같은 상태에서 상부 디퓨서(20)로부터 격자(40) 위에 주입되는 부동액이 설계치보다 많아지게 되면 격자(40) 위의 유체수위가 점차로 높아지게 되고, 유체수위가 높아지게 되면 구멍(42)을 통과하는 유속이 빨라지게 되며, 유속이 빨라지게 되면 격자(40)의 구멍(42)들을 통과하는 유체의 유량이 많아지게 되므로 수위가 설계치에 가까워지게 된다.

반대로 상부 디퓨서(20)에서 격자(40) 위에 주입되는 부동액이 설계치보다 적게 되면 격자(40) 위의 유체수위가 점차로 낮아지게 되고, 유체수위가 낮아지게 되면 구멍(42)을 통과하는 유속이 늦어지게 되며, 유속이 늦어지게 되면 격자(40)의 구멍(42)들을 통과하는 유체의 유량이 작아지게 되므로 수위가 높아져 설계치에 다시 가까워지게 된다.

따라서, 격자(40) 위에 형성하는 수두의 높이는 격자 위에 형성한 구멍들에 의해서 자동적으로 설계치에 유지될 수 있도록 조절되게 된다.

위와 같은 작용에 의해서 격자 위에 자동조절(self-balancing)되는 수두가 형성되게 되면, 축열조 전체 면적에 걸쳐 마치 도 5에서 보는 것처럼 비가 오듯이균등하게 부동액이 축열조 내부로 주입되게 되며, 상기 부동액은 축열구들과 열교환이 이루어지지 않는 사구역이 전혀 없이 골고루 축열구들과 열교환을 이루면서 축열조의 하부로 진행하게 되고,또 하부로 모이게 되는 부동액들은 하부 디퓨서를 통하여 배출되게 된다.

이상에서와 본 바와 같이, 본 발명의 빙축열 냉각시스템의 축열조에 의하면, 빙축열조 안에서 부동액의 유동을 균등하게 유지할 수 있으므로 제빙시 냉동기로 들어가는 부동액의 입구온도를 상승시켜 냉동기의 효율을 상승시킬 수 있으며, 또 해빙시에는 축열조의 출구온도 즉 열교환기 입구온도가 올라감으로써 부하측에 충분한 냉기를 공급하지 못하는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라 낮동안의 냉동기 가동을 최소화 할 수 있는 효과를 갖는 것이다.

Claims (7)

1. 내부에 다수개의 축열구(12)를 수용하는 빙축열 냉각시스템의 축열조(10)에 있어서, 상기 축열조(10)는 일측에 부동액이 주입될 수 있는 상부 디퓨서(20)와, 타측에 상기 상부 디퓨서(20)를 통하여 주입된 부동액이 상기 축열조(10)의 외부로 배출되도록 하는 하부 디퓨서(30)와, 상기 축열조(10)의 내부에 상기 축열구(12)들을 투입한 후 밀폐토록 하는 뚜껑(14)과, 상기 축열구(12)들의 상단에 설치되는 격자(40)를 갖도록 형성하되, 상기 격자(40)는 상부 디퓨서(20)를 통하여 축열조 (10) 내부로 부동액이 주입될 때, 부동액이 격자(40) 위에 소정의 높이를 가지고 수두를 형성할 수 있도록 다수의 구멍(42)들이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 빙축열 냉각시스템의 축열조.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 구멍(42)의 총 면적은 격자(40) 위에 쌓인 부동액의 수두에 의해서 결정되는 것을 특징으로 하는 빙축열 냉각시스템의 축열조.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 부동액의 수두는 시스템에서 설계한 특정 설계치에 가까워지도록 자동적으로 조절(self-balancing)되는 것을 특징으로 하는 빙축열 냉각시스템의 축열조.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 상부 디퓨서(20)는 축열조(10)의 내벽(11)을 관통해서 축열조(10)의 내부로 연장되어 H자형을 이루며 분기하되, 분기되는 관들은 점차로 그 직경이 감소하는 것을 특징으로 하는 빙축열 냉각시스템의 축열조.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 상부 디퓨서(20)는 가장 작은 직경을 이루면서 최종적으로 분기되어 있는 최종분기관(25)에서만 부동액이 분출되는 것을 특징으로 하는 빙축열 냉각시스템의 축열조.
6. 제 2 항에 있어서, 상기 하부 디퓨서(30)는 축열조(10)의 하부에 고여 있는 부동액을 균일하게 흡입하도록 하기 위해 H자형을 이루면서 합류되며, 합류되는 관들은 점차로 그 직경이 증가되는 것을 특징으로 하는 빙축열 냉각시스템의 축열조.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 하부 디퓨서(30)는 가장 작은 직경으로 이루어진 관에서만 부동액이 흡입될 수 있는 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 빙축열 냉각시스템의 축열조.