KR101317711B1 - 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화 시스템 - Google Patents
염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템을 개시한 것으로, 이러한 본 발명은 미활용 에너지원으로서 도서 지역 및 내륙 해안 지역에서 일정온도의 염지하수를 취수한 후 이를 열교환기 및 히트펌프(압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기)와 같은 냉난방장치의 냉난방과 급탕 열원으로 사용하고, 열교환기를 통과하게 되는 염지하수를 지중 혹은 해역으로 방류하지 않고 담수화시스템으로 재순환시키도록 구성한 것이며, 이에따라 냉난방시스템의 열원으로 사용된 후 재순환되는 염지하수에서 염분이 제거된 식수원 또는 지역 특성에 따라 육상 양식장의 공급수로 활용할 수 있도록 하면서 경제적이고, 친환경적이며, 냉난방 시스템의 효율성을 높임은 물론, 열교환기를 통과한 염지하수를 담수시스템 원수로 활용하며 전처리로 카트리지 필터를 통과한 후 혼상(Mixed Bed) 이온교환수지탑을 활용하여 양이온과 음이온의 오염성분을 제거시 인체에 유해한 보론의 농도를 저감시킬 수 있도록 하면서 유지비용의 감소와 효율을 증대시킨 것이다.
Description
본 발명은 담수화시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 미활용 에너지원으로서 도서 지역 및 내륙 해안 지역에서 일정온도의 염지하수를 취수한 후 이를 열교환기 및 히트펌프(압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기)와 같은 냉난방장치의 냉난방과 급탕 열원으로 사용하고, 열교환기를 통과하게 되는 염지하수를 지중 혹은 해역으로 방류하지 않고 담수화시스템으로 재순환시켜 염분이 제거된 식수원 또는 지역 특성에 따라 육상 양식장의 공급수로 활용할 수 있도록 하는 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 히트펌프의 냉난방 시스템은 냉방 및 난방이 선택적으로 이루어지는 것으로, 냉방모드나 난방모드에 따라 시스템을 선택적으로 운전하여 냉매의 흐름이 서로 역방향으로 행하여지면서 선택 모드에 따라 냉방이나 난방, 급탕이 이루어지며, 히트펌프를 가동하여 응축기에서 방출되는 고온의 열을 난방 및 급탕에 이용하고, 또한 증발기에서 차가워진 냉열을 건물의 냉방에 이용하는데, 냉열을 이용하는 것 이외에도 응축기에서 온열을 이용하므로 히트펌프 1대로 냉방과 난방(급탕)이 동시에 가능한 기기로서, 외부의 열을 회수하기 때문에 이 회수된 열만큼은 전력소비가 줄어들게 되어 성능(COP)이 높아지는 이점이 있는 것이다.
이때, 상기 히트펌프의 냉난방 시스템은 공기열원, 수열원 및 지열원 등을 이용하는 것으로, 수열원 히트펌프시스템은 하천수(원수, 강변여과수, 지하수), 해수 및 하수 등의 물을 이용하여 냉난방을 하는 장치이며, 한 가정에 냉난방을 위한 전력이 5㎾ 정도라면 수열원을 이용했을 때는 1㎾의 전력만 사용하게 되고, 나머지 4㎾의 전력은 수열이나 지열에서 발생되는 열기를 이용해 냉난방이 가능한 것이다.
즉, 상기 수열원 히트펌프시스템은 공기열원에 비해 효율이 높고 도심 열섬화 현상을 억제하는 것으로, 초기투자비가 공기열원에 비해 비싸나, 운영관리비가 적게 들며 화재나 폭발 위험이 없으며, 물 대 공기(Water to Air) 방식과 물 대 물 방식이 적용되는 것이다.
상기 물 대 공기방식은 가스 부분 면적이 적어 효율적이며, 물 대 물 방식은 대규모나 멀리 수송할 때 효율적인 것으로, 이러한 히트펌프 시스템 효율을 다른 에너지와 COP를 비교해 보았을 때 COP가 3이라는 것은 전기 1㎾ 투입시 열에너지로 3㎾를 생성한다는 뜻으로 전기히터를 1로 보았을 때 수열원 냉난방의 COP는 3∼4 정도로서, 보일러(COP 0.6∼0.8)에 비해 효율이 높아 전기요금이 절약되며, 원수 온도차 냉난방은 LNG, 보일러, 지역 난방 등과 비교해 거의 1/3∼1/4정도의 요금 차이가 발생하게 되는 등 전기요금이 절감되는 이점이 있는 것이다.
상기 공기 열원 히트펌프 시스템은 동계 운전시 열원의 온도가 저하하면, 증발 압력 저하와 함께 과도한 압축비로 운전되어 압축기의 운전효율이 감소하며, 시스템 순환 유량 감소에 따른 난방 능력 감소에 의하여 결국 시스템 효율이 저하되는 것으로, 증발 압력이 저하되면 압축기 토출구 냉매온도가 과도하게 상승할 우려가 있으므로 시스템의 안전에도 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있는 단점이 있다.
또한, 지열원을 이용하여 난방을 수행하는 개방형 지열시스템의 열교환 구조는 지하 300m 내지 500m 깊이의 지열공 즉, 지하수 관정을 개발하고 그 안에 수중 모터펌프를 설치하여 파이프 배관을 통해 열교환기까지 연중 15℃ 내외의 온도를 가진 지하수를 보내고, 열교환기와 열교환이 이루어진 지하수는 지열공으로 다시 회수하는 구조를 갖는 것이다.
즉, 지열 에너지 중에서 해수, 하천수나 생활하수 등의 수열원은 히트펌프를 사용하여 난방, 급탕용과 냉방용에도 이용 가능한 열원으로, 여름철에는 대기보다 낮고, 겨울철에는 대기보다 높은 온도를 가지고 있으므로 대기를 열원으로 할 때보다 높은 효율로 히트펌프를 구동할 수 있으며, 온수를 사용하여 버려지는 생활하수도 시스템 성능 계수 및 열효율을 상승시키게 되는데, 해수 열에너지는 자연에너지로서 친환경적이어서 지구 온난화 같은 부작용을 초래하지 않는데다 자연에 무한히 존재하는 장점이 있으며, 온도의 계절변동이 하천수에 비해 적고, 동결온도가 약 -2℃로 낮아 하천수보다 저온까지 열이용이 가능하며, 냉·난방시 대기와 5∼10℃ 정도의 온도차를 가지고 있으므로(여름에는 대기보다 5∼10℃ 낮고 겨울에는 대기보다 5∼8℃ 높음), 히트펌프의 열원으로서 아주 우수한 특성을 가지고 있으며, 해수 온도차 냉난방시스템의 경우 해수온도에 따라 다소 차이가 있지만 시스템의 효율은 40~60% 증가시킬 수 있고, 우리나라의 경우 3면이 바다인 점을 고려하면 해수 열에너지는 거의 무한한 에너지원이면서도 화석연료를 사용하지 않아 유류수급에 따른 영향을 받지 않고 화석연료를 사용했을 때 발생되는 CO2의 배출이 없어 친환경적인 시스템인 것이다.
그러나, 상기 개방형 지열시스템의 열교환 구조는 지열공과 열교환기 사이를 연결하는 지하수 순환라인은 지열공의 상부로부터 지상으로 빠져나와 배설되기 때문에 외부에 그대로 노출되어 겨울철 혹한기 때에 특히, 열교환이 이루어진 지하수를 지열공으로 다시 회수하는 라인이 동파될 우려가 크고, 외부의 물리적 충격을 받아 쉽게 파손될 우려가 클 뿐 아니라 외기 온도의 영향으로 상당한 지하수의 열손실을 초래할 수 있는 것이다.
한편, 간접식 해수열 이용방법은 등록특허공보 제 10-0954233 호(등록일 2010.04.14.)에서와 같이, 통상적으로 필터를 통해 유입된 해수가 해수펌프를 통과한 후, 해수 열교환기의 오염을 줄이기 위한 오토 스트레이너를 통과하게 되며, 해수가 해수 열교환기의 해수측을 통과하면서 해수 열교환기의 열매체측의 열매체와 열교환을 수행하게 되며, 열매체는 냉매 증발기 또는 응축기 내에서 냉매 입구로 들어온 냉매와 열전달을 수행하게 되는 것이다.
이때, 열매체 순환펌프는 열매체가 해수 열교환기와 냉매 증발기 또는 응축기 사이를 반복적으로 순환될 수 있도록 함으로써, 결과적으로 냉매 입구로 들어온 냉매와 필터로 들어온 해수 사이에 열전달이 이루어질 수 있도록 하는 것이며, 열전달이 수행된 후, 해수는 해수 열교환기의 해수측 출구를 통하여 다시 해수면으로 방출되며, 냉매는 냉매 출구를 통하여 히트펌프 등의 열원기기로 되돌아가게 된다.
그러나, 상기와 같은 과정을 반복 수행하게 되면, 해수 열교환기의 해수측에 파울링(fouling)이 쌓여 열전달 성능이 급격히 저하되는데, 이 경우 파울링 제거를 위하여 해수 열교환기의 작동을 멈추고 분해하여 청소를 한 후 다시 조립하는 과정이 필요로 하는 등 그 운용에 문제점이 많았다.
즉, 종래의 해수열 이용방법은 오토 스트레이너 및 필터의 지속적인 관리가 필요하고, 해수 펌프 및 열매체 순환펌프가 동시에 필요하며, 세정을 위하여 열교환기 자체의 주기적인 분해조립을 필요로 하는 것으로, 초기 투자비용이 과다하게 지출됨은 물론 유지관리비도 지속적으로 증가하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 해수열 이용방법은 지하수를 취수한 후(Production Well), 열교환기를 통해 냉난방을 위한 열원을 확보하고 이를 또 다른 지하수공에 재주입(Injection Well) 혹은 인근 해역에 방출하게 되는데, 이러한 경우 주입공의 추가 시공, 대수층 지하수의 온도 변화 및 지하수 오염 유발 가능성 등의 다양한 문제점을 가지고 있는 것이다.
한편, 해수담수화 기술은 국내의 물수요를 해결하고 대체수자원 확보기술을 제공함과 동시에 해외시장을 개척하며 고가치 창출이 가능한 대표적인 기술 분야로서, 여러 보고서에 의하면 해수담수화 시장은 현재 300만 톤/일 규모이며 2015년에는 620만 톤/일 규모로 성장할 것으로 전망되고 있다.
또한 해수담수화 기술은 국내 물 부족 지역에 대한 대체 수자원 제공의 해결책이 되고 있으며, 특히 환경문제의 논란이 야기되고 있는 댐 공사를 통한 수자원확보 방안을 대체함으로써 비용절감 및 환경적 문제를 개선할 수 있기 때문에 향후에는 국내수요도 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.
해수담수화 방법은 크게 증발법과 역삼투법으로 구분할 수 있는데, 역삼투법이 증발법에 비하여 단위 부피의 물을 생산하기 위한 에너지 필요량이 상대적으로 작기 때문에 최근에는 역삼투법이 널리 사용되고 있다.
역삼투법은 해수나 기수에 함유되어 있는 성분을 고분자 분리막(역삼투막)을 이용하여 생산수와 농축수로 분리시키며, 생산수는 성분농도를 희석하여 용수 및 음용수로 활용하고 농축수는 다시 바다로 배출하게 된다.
즉, 첨부된 도 1에서와 같이, 일반적인 염지하수 담수화공정은 원수 취수 후 미립자를 필터링하기 위한 카트리지필터(5pre-filter)(1)와 여과기(모래, 안트라사이트 및 활성탄 등 충진)(2)를 활용하여 전처리공정을 수행하고, 역삼투 멤브레인(3)을 통해 역삼투 공정을 수행한 후 별도의 소독공정 없이 식수원으로 공급하도록 되어 있다.
여기서, 상기 염지하수에 대한 물리적인 전처리기술에 대하여 살펴보면, 화학적인 전처리기술로 NaOCl(Sodium hypochlorite) 및 NaHSO3(Sodium bisulfite) 그리고 스케일 방지를 위하여 스케일 억제제(Anti-scalant)를 주입하게 되며, 후처리 기술로 탈가스(Degasification) 및 pH 조절을 수행하고, 역삼투 공정을 거치지 않은 전처리수와 혼합하여 블렌딩(Blending) 효과를 유도하며, 최종 필요에 따라 중화제 및 NaOCl 투입으로 소독효과를 유도하게 되는 것이다.
이때, 종래의 담수화시스템은 지역특성상 관리자의 전문성 부족(대다수 마을이장 관리)으로 유지관리의 최소화와 조작방법의 단순화 등이 요구되며, 화학약품 주입을 통한 각 공정의 수질정화와 유지관리는 회피하여 설계 및 적용되고 있으며, 경제성을 위하여 여과기에 충진된 여재와 역삼투공정에 적용되는 멤브레인의 빈번한 교체주기가 없도록 지역특성(염지하수 원수 특성)에 적합하도록 최적으로 공정이 구성되어야 하는데, 일률적으로 카트리지 필터(1)-여과기(2)-역삼투 멤브레인(3)의 공정을 기반으로 하여 적용 및 운영되는 관계로, 최근 인체에 위해성이 있는 것으로 판단되는 보론 물질(B(OH)4 -)이 해수 및 염지하수에서 이슈화되고 있으나 도서지역에 설치되는 담수화시스템은 WHO에서 규정하고 있는 농도(0.5mg/L)로 저감시킬 수 있는 단위공정이 적용되지 못하여 인체에 심각한 우려 현상을 잠재하고 있는 것이다.
즉, 상기 보론은 해수내에 평균적으로 약 5~10mg/L의 농도로 존재하고 있으며, 전 세계적으로 먹는 물 내 보론(B(OH)4 -)의 허용기준치는 0.3~1.0mg/L 이하로 규정되어 있다.
보론을 다량 섭취하는 경우 인체에 여러 가지 악영향을 미치는 것으로 알려져 있는데, 급성중독증상으로는 조울증, 경련, 신장퇴화, 고환위축 등의 증세가 있고, 만성중독증상으로는 위장관 자극, 식욕부진, 구토, 멀미 등의 증세가 있다.
보론은 물에 녹아 있을 때 H3BO3 혹은 B(OH)3으로 존재하며, 중성이나 산성 영역에서는 B(OH)3 알칼리 영역에서는 B(OH)4 -로 존재하고, B(OH)4 - 이온은 음이온 교환수지로 제거할 수 있으나 해수와 같이 많은 다른 경쟁이온이 높은 농도로 존재하는 경우 상대적으로 소량인 B(OH)4 -이 경쟁할 수 없어 보론 제거가 어려워진다.
또한 일반적으로 역삼투막은 NaCl에 대한 제거율은 99.9% 이상으로 높은데 반하여 보론의 제거율은 80~90%로 비교적 낮기 때문에 역삼투막으로 처리한 물에는 보론이 높은 농도로 존재할 가능성이 있다.
결론적으로, 종래에는 염지하수를 냉난방의 열원으로 활용하는 기술은 발전하고 있지만, 냉난방 열원으로 사용되고 재순환되는 염지하수를 담수화 시스템에 직접 활용하지 못하고, 담수화 시스템의 경우에는 인체에 유해한 물질인 보론의 제거가 제대로 이루어지지 못하는 단점이 있으며, 특히 종래에는 냉난방 시스템과 담수화 시스템이 별도 운영되면서 재순환되는 염지하수를 인근 해역에 방출할 수 밖에 없는 것인 바, 이러한 독립적인 운영방식은 경제적이지 못하고, 친환경적이지 못하며, 특히 자원 활용의 효율성이 떨어질 수 밖에 없는 것이다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 개선하기 위한 것으로, 미활용 에너지원으로서 도서 지역 및 내륙 해안 지역에서 일정온도 염지하수를 취수한 후 이를 열교환기 및 히트펌프(압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기)와 같은 냉난방장치의 냉난방과 급탕 열원으로 사용하고, 열교환기를 통과하게 되는 염지하수를 지중 혹은 해역으로 방류하지 않고 담수화시스템으로 재순환시키도록 구성함으로써, 냉난방시스템의 열원으로 사용된 후 재순환되는 염지하수에서 염분이 제거된 식수원 또는 지역 특성에 따라 육상 양식장의 공급수로 활용할 수 있도록 하면서 경제적이고, 친환경적이며, 냉난방 시스템의 효율성을 높일 수 있도록 하는 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템을 제공함에 그 목적이 있는 것이다.
또한, 본 발명은 열교환기를 통과한 염지하수를 담수화시스템 원수로 활용하며 전처리로 카트리지 필터를 통과한 후 혼상(Mixed Bed) 이온교환수지탑을 활용하여 양이온과 음이온의 오염성분(Ca2+, Mg2+, NO3 - 및 SO4 2- 등)을 제거시 인체에 유해한 보론(B(OH)4 -)의 농도를 저감시킬 수 있도록 하면서 유지비용의 감소와 효율을 증대시킬 수 있도록 하는 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템을 제공함에 또 다른 목적이 있는 것이다.
상기 목적 달성을 위한 본 발명 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템은, 지하수 관정으로부터 취수되는 일정온도의 염지하수를 일정온도로 열교환시키는 열교환기; 및, 상기 열교환기로부터 열교환되는 염지하수를 열원으로 하여 냉,난방 운전을 수행하도록 통상의 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 포함하는 히트펌프 시스템; 을 포함하여 구성하고, 상기 열교환기로부터 일정온도로 열교환되어 상기 히트펌프 시스템의 열원으로 사용되는 염지하수를 지중 또는 해역으로 방류하지 않고 식수원으로 재사용하도록 상기 열교환기로부터 열교환되는 염지하수를 공급받아 담수화 처리하는 담수화 처리부; 를 더 포함하여 구성하는 것이다.
또한, 상기 담수화 처리부는, 상기 열교환기로부터 열교환이 이루어진 염지하수를 1차 필터링하는 카트리지 필터; 상기 카트리지 필터로부터 1차 필터링되는 염지하수에서 양이온과 음이온의 오염성분을 제거함은 물론, 인체에 유해한 보론의 농도를 저감시키도록 양이온 및 음이온 교환수지가 혼합 충진되는 혼상(Mixed Bed) 이온교환수지탑; 및, 상기 혼상 이온교환수지탑으로부터 양이온 및 음이온의 오염성분이 제거되고 보론의 농도가 저감된 염지하수의 염분 농도를 고분자 분리막(역삼투막)을 통해 희석시키는 역삼투 공정으로 식수원을 분리시키는 역삼투 멤브레인; 을 포함하여 구성하는 것이다.
또한, 상기 열교환기를 통해 열교환이 이루어지는 염지하수에 다량의 미립입자가 함유되면, 상기 담수화처리부에 포함되는 상기 카트리지 필터와 상기 혼상 이온교환수지탑의 사이에는 미립입자를 필터링하도록 모래 및 안트라사이트와 활성탄이 충진되는 여과기; 를 더 포함하여 구성하는 것이다.
또한, 상기 담수화 처리부의 담수화 처리공정과, 상기 히트펌프 시스템의 냉난방 운전은 PLC(Programmable Logic Controller) 또는 VFD(Vaccum Fluorescent Display)로 이루어지는 모니터링 제어부에 의해 제어되도록 구성하고, 상기 모니터링 제어부는 상기 담수화 처리부에 의해 담수화 처리되는 염지하수의 수질에 대한 모니터링이 이루어지도록 구성한 것이다.
또한, 상기 모니터링 제어부에는 히트펌프 시스템의 냉,온수 출구온도, 토출압력, 압축기 운전/정지, 냉동기 운전/정지, 원격운전상태, 스케줄 운전상태 및 펌프 운전상태를 표시함은 물론, 냉난방 운전중인 상태를 진단하여 고장발생 여부를 점검하는 진단프로그램을 탑재 구성한 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 담수화시스템은 도서지역 또는 내륙 해안지역으로의 운반과 설치가 용이하게 이루어지도록 에폭시 코트 스틸 프레임(Epoxy coated steel frame)에 설치 구성하는 것이다.
이와 같이 본 발명은 미활용 에너지원으로서 도서 지역 및 내륙 해안 지역에서 일정온도의 염지하수를 취수한 후 이를 열교환기 및 히트펌프(압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기)와 같은 냉난방장치의 냉난방과 급탕 열원으로 사용하고, 열교환기를 통과하게 되는 염지하수를 지중 혹은 해역으로 방류하지 않고 담수화시스템으로 재순환시키도록 구성한 것으로, 이를 통해 냉난방시스템의 열원으로 사용된 후 재순환되는 염지하수에서 염분이 제거된 식수원 또는 지역 특성에 따라 육상 양식장의 공급수로 활용할 수 있도록 하면서 경제적이고, 친환경적이며, 냉난방 시스템의 효율성을 높임은 물론, 열교환기를 통과한 염지하수를 담수시스템 원수로 활용하며 전처리로 카트리지 필터를 통과한 후 혼상(Mixed Bed) 이온교환수지탑을 활용하여 양이온과 음이온의 오염성분(Ca2+, Mg2+, NO3 - 및 SO4 2- 등)을 제거시 인체에 유해한 보론(B(OH)4 -)의 농도를 저감시킬 수 있도록 하면서 유지비용의 감소와 효율을 증대시키는 효과를 기대할 수 있는 것이다.
도 1은 종래 담수화 처리 블럭도.
도 2는 본 발명의 실시예로 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템의 전체 블럭도.
도 3은 본 발명의 실시예로 카트리지 필터와 혼상 이온교환수지탑 및 역삼투 멤브레인을 포함하는 담수화 처리부의 구성을 보인 블럭도.
도 4는 본 발명의 실시예로 카트리지 필터와 여과기 및 혼상 이온교환수지탑와 역삼투 멤브레인을 포함하는 담수화 처리부의 구성을 보인 블럭도.
도 2는 본 발명의 실시예로 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템의 전체 블럭도.
도 3은 본 발명의 실시예로 카트리지 필터와 혼상 이온교환수지탑 및 역삼투 멤브레인을 포함하는 담수화 처리부의 구성을 보인 블럭도.
도 4는 본 발명의 실시예로 카트리지 필터와 여과기 및 혼상 이온교환수지탑와 역삼투 멤브레인을 포함하는 담수화 처리부의 구성을 보인 블럭도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 실시예로 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템의 전체 블럭도이고, 도 3은 본 발명의 실시예로 카트리지 필터와 혼상 이온교환수지탑 및 역삼투 멤브레인을 포함하는 담수화 처리부의 구성을 보인 블럭도이며, 도 4는 본 발명의 실시예로 카트리지 필터와 여과기 및 혼상 이온교환수지탑와 역삼투 멤브레인을 포함하는 담수화 처리부의 구성을 보인 블럭도를 도시한 것이다.
첨부된 도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템은 도서지역 또는 내륙 해안지역으로의 운반과 설치가 용이하게 이루어질 수 있도록 에폭시 코트 스틸 프레임(Epoxy coated steel frame)에 설치 구성하는 것이며, 열교환기(10), 히트펌프 시스템(20), 담수화 처리부(30), 그리고 모니터링 제어부(40)를 포함하여 구성하는 것이다.
상기 열교환기(10)는 지하 300m 내지 500m 깊이의 지열공 즉, 파이프 관정에서 수중 모터펌프의 펌핑동작으로 배관을 통해 취수되는 일정온도(예; 15℃ )의 염지하수, 즉 여름철에는 대기보다 낮고, 겨울철에는 대기보다 높은 온도를 가지는 염지하수를 일정온도로 열교환시킨 후 이를 상기 히트펌프 시스템(20)과 상기 담수화 처리부(30)에 각각 공급하도록 구성되는 것이다.
상기 히트펌프 시스템(20)은 통상적인 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 포함하는 것으로, 상기 열교환기(10)로부터 열교환되는 염지하수를 열원으로 하여 냉,난방 운전을 수행하도록 구성되는 것이다.
즉, 상기 히트펌프 시스템(20)은 상기 열교환기(10)에서 열교환되는 염지하수를 열원으로 하여 상기 모니터링 제어부(40)의 제어를 받으면서 냉방모드나 난방모드에 따라 시스템을 선택적으로 운전하여 냉매의 흐름이 서로 역방향으로 행하여지면서 선택 모드에 따라 냉방이나 난방, 급탕이 이루어지는 것이며, 히트펌프를 가동하여 응축기에서 방출되는 고온의 열을 난방 및 급탕에 이용하고, 또한 증발기에서 차가워진 냉열을 건물의 냉방에 이용함은 물론, 냉열을 이용하는 것 이외 응축기에서 온열을 이용할 수 있는 것이다.
상기 담수화 처리부(30)는 상기 모니터링 제어부(40)의 제어를 받아 구동하는 것으로, 상기 열교환기(10)로부터 일정온도로 열교환되어 상기 히트펌프 시스템(20)의 열원으로 사용되는 염지하수를 지중 또는 해역으로 방류되어 첨부된 도 2의 점선과 같이 파이프 관정으로 재주입(Injection Well)이 이루어지지 않고 식수원 또는 공급수로 재사용하도록 상기 열교환기(10)로부터 열교환되는 염지하수를 공급받아 담수화 처리하는 것이며, 첨부된 도 3에서와 같이 카트리지 필터(31), 혼상 이온교환수지탑(32), 역삼투 멤브레인(33)을 포함하거나, 또는 첨부된 도 4에서와 같이 카트리지 필터(31), 혼상 이온교환수지탑(32), 역삼투 멤브레인(33), 그리고 여과기(34)를 더 포함하여 구성할 수도 있는 것이다.
상기 카트리지 필터(31)는 상기 열교환기(10)로부터 열교환이 이루어진 염지하수를 1차 필터링하도록 구성되는 것이다.
즉, 염지하수는 대수층을 통과하면서 1차적으로 미립자 등이 많이 제거되지만, 상기 카트리지 필터(31)는 대수층을 통과하면서 제거되지 않은 미립자를 제거하기 위해 사용되는 것이다.
상기 혼상 이온교환수지탑(32)은 양이온 및 음이온 교환수지가 혼합 충진된 것으로, 상기 카트리지 필터(31)로부터 1차 필터링되는 염지하수에서 양이온과 음이온의 오염성분(Ca2+, Mg2+, NO3 - 및 SO4 2- 등)을 제거함은 물론, 인체에 유해한 보론(B(OH)4 -)의 농도를 저감시키도록 구성되는 것이다.
상기 역삼투 멤브레인(33)은 상기 혼상 이온교환수지탑(32)으로부터 양이온 및 음이온의 오염성분이 제거되고 보론의 농도가 저감된 염지하수의 염분 농도를 고분자 분리막(역삼투막)을 통해 희석시키는 역삼투 공정으로 식수원과 농축수를 분리시키도록 구성되는 것이다.
이때, 상기 여과기(34)는 상기 열교환기(10)를 통해 열교환이 이루어지는 염지하수에 다량의 미립입자가 함유되는 경우에 사용될 수 있는 것으로, 상기 담수화 처리부(30)에 포함되는 상기 카트리지 필터(31)와 상기 혼상 이온교환수지탑(32)의 사이에 위치하면서 미립입자를 필터링하도록 모래 및 안트라사이트와 활성탄이 충진되어 있는 것이다.
상기 모니터링 제어부(40)는 상기 담수화 처리부(30)의 담수화 처리공정과, 상기 히트펌프 시스템(20)의 냉난방 운전을 제어함은 물론, 상기 담수화 처리부(30)에 의해 담수화 처리되는 염지하수의 수질에 대한 모니터링하도록 구성되며, 이를 위해 PLC(Programmable Logic Controller) 또는 VFD(Vaccum Fluorescent Display)로 구성되는 것이다.
이때, 상기 모니터링 제어부(40)에는 상기 히트펌프 시스템(2)의 냉,온수 출구온도, 토출압력, 압축기 운전/정지, 냉동기 운전/정지, 원격운전상태, 스케줄 운전상태 및 펌프 운전상태를 표시함은 물론, 냉난방 운전중인 상태를 진단하여 고장발생 여부를 점검하는 진단프로그램을 탑재 구성하도록 하였다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화 시스템은 첨부된 도 2 내지 도 4에서와 같이, 우선 지하 300m 내지 500m 깊이의 지열공 즉, 파이프 관정에서 수중 모터펌프의 펌핑동작으로 배관을 통해 취수(Production Well)되는 일정온도(예; 15℃ )의 염지하수, 즉 여름철에는 대기보다 낮고, 겨울철에는 대기보다 높은 온도를 가지는 염지하수가 열교환기(10)로 공급되도록 한다.
그러면, 상기 열교환기(10)에서는 염지하수를 일정온도로 열교환시킨 후 이를 히트펌프 시스템(20)과 담수화 처리부(30)에 각각 공급하게 된다.
이때, 상기 히트펌프 시스템(20)은 통상적인 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 포함하는 것으로, PLC(Programmable Logic Controller) 또는 VFD(Vaccum Fluorescent Display)로 이루어진 모니터링 제어부(40)의 제어를 받아 상기 열교환기(10)로부터 열교환되는 염지하수를 열원으로 하여 냉,난방 운전을 수행하게 된다.
즉, 상기 히트펌프 시스템(20)은 상기 열교환기(10)에서 열교환되는 염지하수를 열원으로 하여 상기 모니터링 제어부(40)의 제어를 받으면서 냉방모드나 난방모드에 따라 시스템을 선택적으로 운전하여 냉매의 흐름이 서로 역방향으로 행하여지면서 선택 모드에 따라 냉방이나 난방, 급탕이 이루어지는 것이며, 히트펌프를 가동하여 응축기에서 방출되는 고온의 열을 난방 및 급탕에 이용하고, 또한 증발기에서 차가워진 냉열을 건물의 냉방에 이용함은 물론, 냉열을 이용하는 것 이외 응축기에서 온열을 이용할 수 있는 것이다.
여기서, 상기 모니터링 제어부(40)에 탑재되는 진단프로그램은 상기 히트펌프 시스템(20)의 냉,온수 출구온도, 토출압력, 압축기 운전/정지, 냉동기 운전/정지, 원격운전상태, 스케줄 운전상태 및 펌프 운전상태를 표시함은 물론, 냉난방 운전중인 상태를 진단하여 고장발생 여부를 점검하게 되는 것이다.
한편, 상기 열교환기(10)로부터 열교환되는 염지하수는 지중 또는 해역으로 방류되어 첨부된 도 2의 점선과 같이 파이프 관정으로 재주입(Injection Well)이 이루어지지 않고 상기 담수화 처리부(30)로 공급되는 바,
상기 담수화 처리부(30)는 상기 모니터링 제어부(40)의 제어를 받아 구동하면서, 상기 열교환기(10)로부터 일정온도로 열교환되어 상기 히트펌프 시스템(20)의 열원으로 사용되는 염지하수를 담수화처리한 후 이를 식수원으로 재사용시키게 되는 것이다.
즉, 첨부된 도 3에서와 같이 상기 담수화 처리부(30)에 포함되는 카트리지 필터(31)는 상기 열교환기(10)로부터 열교환이 이루어진 염지하수를 1차 필터링시킨 후 이를 양이온 및 음이온 교환수지가 혼합 충진된 온상 이온교환수지탑(32)에 전달하게 된다.
여기서, 상기 카트리지 필터(31)는 대수층을 통과하면서 1차적으로 미립자 등이 많이 제거되는 염지하수에서 대수층을 통과하면서도 제거되지 않은 미립자를 제거하기 위해 사용되는 것이다.
다음으로, 상기 혼상 이온교환수지탑(32)은 상기 카트리지 필터(31)로부터 1차 필터링되는 염지하수에서 양이온과 음이온의 오염성분(Ca2+, Mg2+, NO3 - 및 SO4 2- 등)을 제거함은 물론, 인체에 유해한 보론(B(OH)4 -)의 농도를 저감시킨 후 이를 역삼투 멤브레인(33)에 전달하게 된다.
다음으로, 상기 역삼투 멤브레인(33)은 상기 혼상 이온교환수지탑(32)으로부터 양이온 및 음이온의 오염성분이 제거되고 보론의 농도가 저감된 염지하수의 염분 농도를 고분자 분리막(역삼투막)을 통해 희석시키는 역삼투 공정을 수행하여 식수원과 농축수로 분리시킨 후 식수원은 가정집이나 육상 양식장 등에 공급하게 되고 농축수는 버리는 것이다.
한편, 상기 열교환기(10)를 통해 열교환이 이루어지는 염지하수에 다량의 미립입자가 함유되는 경우에는 첨부된 도 4에서와 같이 여과기(34)를 사용하게 된다.
즉, 첨부된 도 4에서와 같이 상기 담수화 처리부(30)에 포함되는 카트리지 필터(31)는 상기 열교환기(10)로부터 열교환이 이루어진 염지하수를 1차 필터링시킨 후 이를 모래 및 안트라사이트와 활성탄 등이 충진된 여과기(34)에 전달하게 된다.
그러면, 상기 여과기(34)는 상기 카트리지 필터(31)로부터 1차 필터링이 이루어진 염지하수에서 미립입자를 2차 필터링한 후 이를 양이온 및 음이온 교환수지가 혼합 충진된 온상 이온교환수지탑(32)에 전달하게 되는 것이다.
그러면, 상기 혼상 이온교환수지탑(32)은 상기 여과기(34)로부터 2차 필터링되는 염지하수에서 양이온과 음이온의 오염성분(Ca2+, Mg2+, NO3 - 및 SO4 2- 등)을 제거함은 물론, 인체에 유해한 보론(B(OH)4 -)의 농도를 저감시킨 후 이를 역삼투 멤브레인(33)에 전달하게 된다.
다음으로, 상기 역삼투 멤브레인(33)은 상기 혼상 이온교환수지탑(32)으로부터 양이온 및 음이온의 오염성분이 제거되고 보론의 농도가 저감된 염지하수의 염분 농도를 고분자 분리막(역삼투막)을 통해 희석시키는 역삼투 공정을 수행하여 식수원과 농축수로 분리시킨 후 식수원은 가정집이나 육상 양식장 등에 공급하고 농축수는 버리는 것이다.
이상에서 본 발명의 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화 시스템에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
따라서, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.
10; 열교환기 20; 히트펌프 시스템
30; 담수화 처리부 31; 카트리지 필터
32; 혼상 이온교환수지탑 33; 역삼투 멤브레인
34; 여과기 40; 모니터링 제어부
30; 담수화 처리부 31; 카트리지 필터
32; 혼상 이온교환수지탑 33; 역삼투 멤브레인
34; 여과기 40; 모니터링 제어부
Claims (9)
- 지하수 관정으로부터 취수되는 일정온도의 염지하수를 일정온도로 열교환시키는 열교환기; 및, 상기 열교환기로부터 열교환되는 염지하수를 열원으로 하여 냉,난방 운전을 수행하도록 통상의 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 포함하는 히트펌프 시스템; 을 포함하여 구성하고,
상기 열교환기로부터 일정온도로 열교환되어 상기 히트펌프 시스템의 열원으로 사용되는 염지하수를 지중 또는 해역으로 방류하지 않고 식수원으로 재사용하도록 상기 열교환기로부터 열교환되는 염지하수를 공급받아 담수화 처리하는 담수화 처리부; 를 더 포함하여 구성하고,
상기 담수화 처리부는,
상기 열교환기로부터 열교환이 이루어진 염지하수를 1차 필터링하는 카트리지 필터;
상기 카트리지 필터로부터 1차 필터링되는 염지하수에서 양이온과 음이온의 오염성분을 제거함은 물론, 인체에 유해한 보론의 농도를 저감시키도록 양이온 및 음이온 교환수지가 혼합 충진되는 혼상(Mixed Bed) 이온교환수지탑; 및,
상기 혼상 이온교환수지탑으로부터 양이온 및 음이온의 오염성분이 제거되고 보론의 농도가 저감된 염지하수의 염분 농도를 고분자 분리막(역삼투막)을 통해 희석시키는 역삼투 공정으로 식수원을 분리시키는 역삼투 멤브레인; 을 포함하여 구성하고,
상기 열교환기를 통해 열교환이 이루어지는 염지하수에 다량의 미립입자가 함유되면, 상기 담수화처리부에 포함되는 상기 카트리지 필터와 상기 혼상 이온교환수지탑의 사이에는 미립입자를 필터링하는 여과기; 를 더 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 상기 여과기에는 모래, 안트라사이트, 활성탄 중 어느 하나 또는 모두를 충진하여 구성되는 것을 특징으로 하는 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 혼상 이온교환수지탑에 의해 제거되는 양이온과 음이온의 오염성분은 Ca2+, Mg2+, NO3 - , SO4 2- 중 어느 하나이거나, 또는 Ca2+, Mg2+, NO3 - , SO4 2- 모두를 포함하는 것을 특징으로 하는 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템.
- 제 1 항에 있어서, 상기 담수화 처리부의 담수화 처리공정과, 상기 히트펌프 시스템의 냉난방 운전은 PLC(Programmable Logic Controller) 또는 VFD(Vaccum Fluorescent Display)로 이루어지는 모니터링 제어부에 의해 제어되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템.
- 제 6 항에 있어서, 상기 모니터링 제어부는 상기 담수화 처리부에 의해 담수화 처리되는 염지하수의 수질에 대한 모니터링이 이루어지도록 구성하는 것을 특징으로 하는 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템.
- 제 6 항에 있어서, 상기 모니터링 제어부에는 히트펌프 시스템의 냉,온수 출구온도, 토출압력, 압축기 운전/정지, 냉동기 운전/정지, 원격운전상태 및 펌프 운전상태를 표시함은 물론, 냉난방 운전중인 상태를 진단하여 고장발생 여부를 점검하는 진단프로그램을 탑재 구성하는 것을 특징으로 하는 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템.
- 제 1 항, 제 4 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 담수화시스템은 도서지역 및 내륙 해안지역으로의 운반과 설치가 용이하게 이루어지도록 에폭시 코트 스틸 프레임(Epoxy coated steel frame)에 설치 구성하는 것을 특징으로 하는 염지하수를 이용한 냉난방장치의 재순환수 담수화시스템.
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