자연공조지열 시스템

자연공조지열시스템 특허 제10-0695252호

㈜ 엔학

1. 회사 소개 회사명

주식회사 엔학

대표이사

김 무 홍 (金武弘)

사업분야

자연공조시스템, PCS(Passive Cooling System)

소재지

경기도 성남시 중원구 상대원동 442-17 쌍용IT 트윈타워 A동904호

설립일자

2005. 05. 13.

설비목적

자연에너지를 이용하여 PCM 에 의한 에너지 저장기술을 활용하여 에너지절약 및 환경을 보호하고, 에너지 수입 비용을 절감하여 국가경제에 이바지 하고자 함

자본금 홈페이지

1억원 http://blog.daum.net/pcmenergy

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10. 대외 인증 및 공문 가. 특허 보유 현황

구분

특허

등록번호

등록일

발명의 명칭

비 고

제 0362686 호

2002. 11. 14

수동공조장치

제 0344972 호

2002. 07. 04

전자장비함체의 수동공조시스템 설계법

(지하저장법)

제 0344973 호

2002. 07. 04

전자장비함체의 수동공조시스템 설계법

(현열저장법)

제 0344974 호

2002. 07. 04

전자장비함체의 수동공조시스템 설계법

(잠열저장법)

제 0415492 호

2004. 01. 06

PCM을 이용한 수동공조장치

제 0477947 호

2005. 03. 10

전자장비함체용냉각장치

제 0477948 호

2005. 03. 10

전자장비 냉각장치

제 0695252 호

2007. 03. 08

자연공조지열시스템

제 0884275 호

2009. 02. 11

이글루 탄약고 결로 방지시스템

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자연공조지열시스템을 활용한 화훼 냉난방 시스템 기술성 및 사업성

㈜ 엔학

▣ 제안목적 및 PCM 개요 제안 목적 국내 각 화훼, 으로 발생하는 생산성 저하의 개선 과 적정온도를 유지하기 위한 냉난방 에너지 절감이 공통적 으로 안고 있는 해결과제로 되어 있다. 이에, 원천기술인 “자연공조지열시스템기술”을 활용하여, 3 미터 이하 지중(12.1℃ ~ 15.2℃) 에 지중관을 설치하고, 지중관 안에 PCM 볼을 삽입한 쿨튜브(Cool Tube)로 열교환을 하여 축사에 냉난방 에너지를 공급, 연중 일정 온도를 유지하게 하여 에너지를 절감하는 한편 자연에너지를 활용함으로써 조류인플루엔자(AI), 황 사,바이러스 등 외부 공기로 인한 직접 오염의 문제점을 축소하여 축사 및 화훼 의 환경을 개선시키는데 개 발 목적을 두고 있다.

PCM 개요 P.C.M. (Phase Change Material) : 상변환 물질 PCM은 일정 온도에서 고체-액체-기체,기체-액체-고체로 상이 변하면서 열을 흡수, 방출하는 물질로 잠열량이 우수한 물질. 흡열

고체

흡열

기 체

액체 방열

방열

Technology

•

핵심기술 – PCS : Passive Cooling System - 상변화물질(PCM: Phase Change Material)을 이용하여 야간에 차가운 공기를 축냉하였다가 주 간에 냉기를 실내로 공급 - 상변화물질(PCM)의 성능개선 및 상용화의 기술 확보로 자연대류 방식(무 전원)의 열 교환 시스 템 완성 - 원하는 온도에 맞추어 진공상태의 열 교환장치(PCM CELL)에 증류수, PCM등을 주입하여 설계 → 다양한 시스템 요구에 따라 설계 및 제작 가능(다품종 소량생산 가능) - 흡수 열 에너지량 : 냉매 1g당 50W(무 전원 상태)의 전력소모 대체 효과 - 중력과 밀도차이를 이용한 유기적인 열 이전 시스템 W = 장비로부터 발생되는 열에너지 C = 내부발생 열을 저장하는 열 매체

T

T C

R = 열 저항 (단열) T = 내부발생 열을 외부로 방출하는

C

R

W

W 발열장비 <주간: PCM의 열흡수>

R

발열장 비 <주간: PCM의 열방출>

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열 교환기

▣ 지중 온도 및 외기 온도 분포 (한국건설기술연구원 ; 2004. 9) ○ 2003. 8 - 2004.1까지 6개월간 5미터 – 75미터까지 깊이에 따라 지중 온도 측정한 결과 ○ 외기 온도 27.5 ℃ ~ 영하 12.5 ℃ 조건에서도 지중온도는 12.1℃ ~ 15.2℃ 로 일정함 - 지하 5 m 지점에서의 온도는 외기의 온도 변화에 다소 영향을 받지만, 외기 온도가 변동하는 것에 비하면 안정적 - 지하 5 m 이하의 지중 온도는 깊이 및 외기 온도의 변동에 상관없이 거의 일정.

해외계사

▣ 기존방식 와 자연공조지열시스템 비교표 (30 RT 기준, 단위:천원) 구 분 설치비 투 자 비

년 운 영 비

총 계

-

쿨 패드 방식(외산) - 하절기 냉방에만 사용

자연공조지열 냉난방 시스템 - 하절기 + 동절기 사용

지열방식

빙축열 시스템

10,000 공사비 포함 (300평 기준)

25,000 (정부지원 자금 감안 시 12,500)

132,000

38,000

좌 동

심야 전력제도

팬설치비

8,400 송풍기 12대 가동 (48인치 팬)

8,400 송풍기 12대 가동 (48인치 팬)

7,000 송풍기 10대 가동 (48인치 팬)

( 소 계)

8,400

18,400

32,000 (19,500)

필터 (300평 기준)

2,000 (해파필터)

2,000 + 1,200 = 3,200 (해파필터 + 쿨링 필터)

2,000 (해파필터)

냉방 전기료 (8개월 적용)

4,480 (하절기 포함)

4,760 (모터, 하절기 포함)

3,952 + 933 = 4,885 (송풍기용 + 히트펌프 3개월 가동)

난방비 (4개월 기준)

8,400 열풍기(경유 사용 기준)

8,400 열풍기(경유 사용 기준)

1,245 (85% 절감) 히트펌프 사용 (사용전력량 64.4원/Kwh, 기본요금 4,190원/Kwh)

( 소 계 )

14,880

16,360

8,130

23,280

34,760

40,130 (27,630)

투자비+운영비

기 대 효 과

-기존 송풍기 대비 투자비 회수기간 : 3.5 년 ( 정부 지원금액 적용 시 1.8 년) -쿨 패드 방식 대비 투자비 회수기간 : 1.7 년 ( 년간 운영비 약 8,230 절감 ) 정책 지원자금

지열사용 프로젝트 정부지원으로 전체 투자비 50% 지원(에너지관리공단)

기타 무형효과

* 일정 지열온도(10~15도)를 보유한 자연공기의 유입으로 닭의 생산성이 향상됨 * 수입품 대체 효과(쿨패드 방식) * 외부 직접 공기 유입량의 감소로 외부 오염 요인을 희석시킴

기 타

기존 송풍기(자연)

▣ 자연공조지열시스템을 활용한 축사 냉난방 시스템 공기분배실 < P C M 활용> 지열 온도변환 외부공기

외부공기

▣ PCM 지중 열교환 유니트 열교환 유니트

< 내경 파이프 > 파이프내부에 PCM 삽입 고체-액체-기체,기체-액체-고체로 상이 변하면서 지열을 흡수, 방출

< 파이프 홀 > 결로제거

< 파이프 홀 >

< 연화 HDPE 파이프 > 냉각수(열매체류)

AIR

< 외경 파이프 > 내경 파이프와 외경 파이프 사이에 PCM볼 삽입 ( FRONT VIEW )

< PCM Ball > 고체-액체-기체,기체-액체-고체로 상이 변하면서 지열을 흡수, 방출

( SIDE VIEW )

▣ 자연공조지열시스템을 활용한 축사 냉난방 시스템 (TOP VIEW) TOP VIEW 외부공기

외부공기

헤파필터

외부 공기 유입 파이프

<PCM> 12℃ 온도변환

In Line Fan

TO: 공기분배실 히터펌프

히트펌프 (공기 분배실 설치)

지열열매체류 (실외기용)

▣ 기술방식의 차이점 기존 냉난방시스템

지열히트펌프시스템

자연공조지열시스템

냉/난 방 용량 산출기준

* 환기량.수분량 * 적정 온습도/광도/풍속 /유해가스 농도 * 단열

- 지열교환기 용량 - 지열히트펌프 용량 - 공조기기

# PCM.용량 # 지중열교환장치 # 히트펌프

열원 방식

* 여름-송풍기(전기) * 겨울-히타(전기) 열풍기(경유,석유) * 보일러난방 - 열매체류

- 지열의 열을 흡입 방출할 수 있는 지열 열교환기를 지중에 매설하여 지열히트 펌프와 열교환 하는 방식 - 지열열교환기+지열히트펌프+공조기기

# 지열, 외기온도 # 지열히트펌프 # 열교환장치(PCM)

공조 방식

* * * *

-

지하; 수직형 열교환기.(지하100m이상) 기계실; 순환펌프 및 팽창탱크(대형) 실외; 지열히트펌프(대형) AHU Type (공조기기) Water-to-Water 방식

# # # #

지하: 수평형 열교환기(지하 5~10 m) 기계실; 순환펌프 및 팽창탱크(소형) 공기분배실; 지열히트펌프(소형) Air-To-Air 방식

-

100 RT 이상 대용량 필요 시설에 적합 친환경적이나 과다한 유지비용 시스템이 간편(냉.난방의 일체화) 조용한 운전 높은 초기 투자비 히트펌프 고장 시 예비 히트펌프로 작동 (주/예비 히트펌프 설치필수)

# # # # # # #

중소형 용량(RT) 시설에 적합 친환경적 및 저렴한 유지비용 시스템이 간편 (냉.난방의 일체화) 조용한 운전 지열대비 초기투자비가 저렴 유지보수 및 운전전력비 절감 히트펌프 고장 시 시스템은 정상작동(히트펌프->보조 장치)

특기 사항

터널식 환기시스템 크로스플로우 환기시스템 터보식환기시스템 쿨패드(Cool Pad) 방식

* 냉난방시 유지비용이 과다 * 외부공기의 유입으로 인한 황사/조류인플루엔자 유입 과다 * 소음이 심함(환기시스템)

▣ 기술방식의 차이점 기존지열시스템의 개선 방안 기존지열시스템의 문제점

자연공조지열시스템으로 문제점 개선 방안

히트펌프(전용) 사용으로 초기 투자비 과다 부담

히트펌프(보조) 소형을 적용 초기 투자비 감소

주요 장비 수입에 의존

관련 장비의 국산화 이미 시현

혹한기 난방열량 부족으로 히트펌프의 성능 저하 ( -5도 이하시 효율저하)

혹한기 난방열량 부족분에 대한 영향을 받지 않음

유지관리를 위한 고가 중앙제어시스템 도입 부대관리비 지출 과다

중앙제어시스템의 간소화 와 저가 부대관리비 지출 최소화

중요장비(히트펌프)의 고장 시 전체 시스템의 가동 불가

문제발생시 부분 가동 가능, 임시로 문제 해결 또 는 단시간 내 대처 복구 가능

지중 상황 판단이 난해 지열시스템 도입 적격지가 한정

지중 상황에 큰 영향을 받지 않음

지열시스템 구축시 Know-how와 정밀설계 요함

상대적으로 설계 허용 한계 수용폭 큼

▣ 기술,경제적 파급효과

기술적 효과

당

사

국가산업

고객 (제품사용처)

경제적 효과

- 지열 냉난방 설비에 PCM의 적용기술 확보 로 온열 및 냉열이 필요한 건물 및 산업체 전반에 응용기술의 파급효과

- 내수 판매 : 연간 약 100 억원 이상 (축사, 소규모 건물냉난방 등에 적용) - 수출산업으로 육성 가능 주야간 일교차가 심한 지역 중동아시아, 북아프리카, 중국 내몽고, 러시아 등에는 본 자연공조 지열시스템이 최적화될 수 있는 조건이 됨 (PCM 및 지열활용)

- 에너지절약형 냉난방설비로서 에너지 절감 기술 발전에 기여 - 정부의 친환경 정책에 부응 - 지구온난화 방지 국제협약 정책에 기여 - 세균감염경로가 없고 공기순환경로가 오염 되지 않기 때문에 친환경적, 건강적임

- 에너지 절감 효과 기존의 냉난방시스템에 비해 50%(일반 지열방식 기준) 이상의 에너지절감 효과 - 외국 쿨 패드 방식의 수입 대체 효과 - 시스템 수출로 고부가가치 창출

- 설비 운영의 단순화 - 전력설비 이용률 향상으로 원활한 전력 공급 가능 - 사용전력 절감으로 적정 냉.난방온도를 유지 하여 생산성 향상에 기여

- 7 ~ 9 월 중 전력량 절감으로 연간 매월 기본요금을 절감할 수 있음 - 기존 설치 운영되고 있는 시스템에 복합 기술로 적용 가능하여 투자비 절감됨 - 신규 또는 개보수시 ESCO사업 및 에너지 관리공단의 보조금 지원

▣ 국.내외 기술 비교

- 요소기술 : PCM제조, 시스템 설계 및 제작, 쿨튜브 방식 < PCM 제조기술 > 이탈리아, 독일, 일본, 호주. 영국 등에서 보급하고 있음

< PCM 제조기술 > 생산기술연구원 및 일부 대학 연구소에서 개발 및 실용화 단계

< 자연공조지열시스템 설계 및 제작 기술> - 지중을 순환하는 냉각수와 증발기 간 열교환 하도록 함으로써 지열과 각종 설비(실내기,응축기 등)를 이용하여 냉난방을 실시하는 방식 - 국내 적용 사례 없음

< Cool tube 방식의 지열시스템 > 타사 적용 사례 : 광주 디자인 센터

국내 기술 동향

국외 기술 동향

< 자연공조시스템 설계 및 제작 기술 > 이탈리아 Eudosia(설계원천기술보유) 에서 주야 일교차가 심한 지역에서의 shelter 및 cabinet형의 자연공조시스템의 설계 및 제작에 관한 세계적 기술을 보유하고 있음 설계기술 보유, 실용화 단계

< Cool tube 방식의 지열시스템> 미국 등 선진국에서 지열히트펌프를 개발하여 지열을 이용한 냉난방 시스템의 보급이 활발히 되고 있음.

고객서비스센터

경기도 성남시 중원구 상대원동 442-17 번지 쌍용IT 트윈타워 A동904호 ☎ 031) 743-2071 (대) E-mail ; gadool@paran.com

(주) 엔 학 -16-