KR100758820B1 - Cooling and heating system using geothermy and solar energy and extra haeting source and operation control method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
도 1 본 발명의 일 실시예에 따른 지열-태양열-보조열원을 사용하는 급탕 및 냉난방시스템 계통 구성도.1 is a schematic diagram of a hot water supply and heating and heating system using a geothermal-solar-secondary heat source according to an embodiment of the present invention.
도 2 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 다기능 보조탱크 세부 구성을 보여주는 태양열 시스템의 구성도.Figure 2 is a schematic diagram of a solar system showing a detailed configuration of the multi-functional auxiliary tank of the system according to an embodiment of the present invention.
도 3 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 실내 냉난방 장치의 연결계통도.3 is a connection system diagram of an indoor heating and cooling device of a system according to an embodiment of the present invention.
도 4 본 발명의 일 실시예에 따른 지열-태양열-보조열원 이용 급탕 및 냉난방 시스템 제어 흐름도.4 is a flow chart of a hot water supply and cooling and heating system using a geothermal-solar-secondary heat source according to an embodiment of the present invention.
도 5 본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치 구성도.5 is a block diagram of a control device according to an embodiment of the present invention.
<도면의 주요부호의 간단한 설명><Brief description of the major symbols in the drawings>
110 : 가스보일러 120 : 지열원 열펌프110: gas boiler 120: geothermal heat pump
130,310 : 축열조 140,320 : 보조탱크130,310: heat storage tank 140,320: auxiliary tank
150 : 실내 160 : 급탕기150: indoor 160: hot water heater
170,330 : 집열기 180 : 급탕 제어밸브170,330: collector 180: hot water supply control valve
190,210 : 냉난방 제어밸브 220 : 바닥패널방열기190,210: Heating and cooling control valve 220: Floor panel radiator
230 : 실내공조기 240 : 천정패널방열기230: indoor air conditioner 240: ceiling panel radiator
410 : 설정부 420 : 디스플레이부410: setting unit 420: display unit
430 : 마이컴 모듈 440 : 측정신호 처리모듈430: microcomputer module 440: measurement signal processing module
450 : 복합측정모듈450: composite measurement module
본 발명은 지열과 태양열과 같은 청정열원인 신재생에너지원을 급탕 및 냉난방에 활용하는 기술에 관한 것으로, 구체적으로 청정열원과 보조열원을 합리적으로 이용할 수 있도록 열 흐름을 고려하여 개별 시스템을 결합하고, 기후나 운전조건에 따라 전체 시스템을 효율적으로 제어하도록 구성한 새로운 지열-태양열-보조열원을 사용하는 급탕 및 냉난방시스템과 그 운전제어방법에 관한 것이다.The present invention relates to a technology for utilizing new and renewable energy sources, such as geothermal heat and solar heat, for hot water supply and cooling and heating. Specifically, combining individual systems in consideration of heat flow so as to reasonably use the clean heat source and auxiliary heat source. The present invention relates to a hot water supply and cooling system using a new geothermal-solar-auxiliary heat source, which is configured to efficiently control the entire system according to the climate and operating conditions, and a method of controlling the operation thereof.
건물이나 단지에서 에너지 이용흐름은 공급 위주의 설계와 적용으로 인하여 주로 전기나 가스 등과 같은 에너지 소비형이나 화석에너지 사용의 일방향으로 진행되었고, 이로 인하여 유용한 에너지 손실의 증가와 화석에너지 사용에 따른 오염물질의 배출 등이 문제가 되고 있다. 이에 따라 환경부하를 최소화 할 수 있도록 신재생에너지를 적용현장의 특성과 기후에 따라 합리적으로 이용하여 궁극적으로 자연계에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 기술의 개발이 요구되고 있다.In buildings or complexes, energy use flow has been directed to one-sided use of fossil energy or energy consumption types such as electricity and gas due to supply-oriented design and application. Emissions are a problem. Accordingly, in order to minimize the environmental load, it is required to develop technology that can minimize the impact on the natural system by using renewable energy reasonably according to the characteristics of the site and climate.
따라서 종래 지열이나 태양열과 같은 청정열원 또는 신재생에너지원을 이용 하려는 노력이 있어 왔다. 그런데, 친환경 건물이나 단지에서 요구되는 급탕이나 냉난방수요를 충족시키기 위해서는 안정적인 청정열원의 확보가 관건이나 대개의 신재생에너지원은 기후나 환경에 따라 변동되는 특성을 가지고 있다. 그런데 이러한 청정열원을 이용하는 시스템에 있어서는, 지열 또는 태양열을 이용하는 단일시스템으로서는 경제성을 확보하기 어렵다는 것이며, 이에 따라 투자회수기간이 장기임을 고려하여 운전 및 유지관리비용을 저감할 수 있는 시스템의 설계와 적용이 중요하다.Therefore, there have been efforts to use a clean heat source or renewable energy sources such as geothermal and solar heat. However, in order to meet the hot water supply and cooling and heating demands required in environment-friendly buildings or complexes, it is important to secure a stable clean heat source, but most renewable energy sources have characteristics that vary depending on the climate and environment. However, in a system using such a clean heat source, it is difficult to secure economic feasibility as a single system using geothermal or solar heat. Accordingly, considering the long payback period, the design and application of a system that can reduce operation and maintenance costs This is important.
종래에 지열이나 태양열 시스템을 보완하여 보조열원을 사용하려는 노력이 있어 왔다. 그 예를 들어보면, 대한민국 특허출원번호 10-2003-0099488 (“가정용보일러와 연계한 태양열 급탕, 난방 시스템”, 출원인 : 한국건설기술연구원)의 공개공보에는 종래 태양열 시스템을 보완하여 가정용보일러를 보조열원으로서 이용하는 시스템이 제안되어 있다. 다른 예로는, 대한민국 실용신안 출원번호 20-2004-0023596 (“보조열원공급수단을 갖는 지열 열교환식 열펌프 냉난방시스템”, 실용신안권자: 권영현)의 등록공보에는 종래 지열 시스템을 보완하여 별도의 보일러를 추가한 시스템이 제안되어 있다. 이는 기존 가정에 설치되어 있는 가스 등을 이용한 보일러에 태양열 시스템이나 지열 시스템을 추가함으로써 급탕 및 냉난방 시스템의 효율성을 높일 수 있다는 장점이 있다.In the past, efforts have been made to use auxiliary heat sources by complementing geothermal or solar thermal systems. For example, Korean Patent Application No. 10-2003-0099488 (“Solar hot water supply and heating system in connection with household boiler”, Applicant: Korea Institute of Construction Technology) discloses a domestic boiler by supplementing the conventional solar system. A system used as a system has been proposed. As another example, the Republic of Korea Utility Model Application No. 20-2004-0023596 (“Geothermal heat exchanger type heat pump air-conditioning system having a secondary heat source supply means,” Utility Model Holder: Kwon, Young-Hyun) Registered publications complement the conventional geothermal system to separate boiler A system with added is proposed. This has the advantage that the efficiency of the hot water supply and heating system can be increased by adding a solar system or a geothermal system to a boiler using a gas installed in an existing home.
더 나아가, 지열 시스템과 태양열 시스템을 결합한다면 그 효율성은 배가될 수 있을 것이 예상된다. 즉, 일반적으로 지열원은 연간 비교적 안정적인 지중의 온도조건을 가지므로 사계절 냉난방 및 급탕 열원으로 이용이 가능한 장점이 있으며, 보다 효율적인 운용을 위하여 태양열 급탕시스템을 결합하여 운전할 경우에 경제성을 향상시킬 수 있다는 것이 예상된다. 그런데, 이러한 복합시스템의 경우에는 복잡한 배관계통과 설비의 대형화에 따른 경제성 등을 고려할 때 일반적인 가정에서는 이용하기 어려운 면이 있었다. 그런데, 근래에는 주택 구조의 경우 단독주택보다는 연립주택이나 아파트와 같은 공동주택형태가 대중화되고 있다. 이러한 주택형태는 한 건물에 수십채의 가정이 몰려있으므로, 초기 비용이 부담스럽지만 유지비가 저렴하다면, 대형화된 시스템을 구비하는 것이 오히려 경제적일 수 있다.Furthermore, the combined efficiency of geothermal and solar systems could be expected. That is, in general, since geothermal sources have relatively stable underground temperature conditions annually, they can be used as four season heating and heating and hot water supply sources, and can be economically improved when combined with a solar hot water system for more efficient operation. It is expected. However, in the case of such a complex system, it is difficult to use it in a general household in consideration of the economics due to the enlargement of complex piping system. However, in recent years, the housing structure has been popularized in the form of multi-family housing such as townhouses or apartments rather than single-family homes. This type of housing has dozens of homes in one building, so if the initial costs are high but the maintenance costs are low, it may be more economical to have a larger system.
따라서 지열과 태양열을 함께 이용하는 시스템에서, 에너지원의 복합이용에 있어서 연계되는 복잡한 계통을 단순화하는 설계기술과 계통의 복잡화에 따른 유지보수성을 개선하는 기술과 최적상태로 운전을 제어하는 기술이 확보된다면 유리할 것이다. 더 나아가 이러한 복합 시스템의 제어에 있어, 개별 에너지시스템을 결합하여 합리적으로 운전하고 제어하는 기술이 확보된다면 더 유리할 것이다.Therefore, in a system using both geothermal and solar heat, if a design technology that simplifies the complex system linked to the complex use of energy sources, a technology that improves maintainability due to the complexity of the system, and a technology that controls operation at an optimum state are secured, Will be advantageous. Furthermore, in the control of such complex systems, it would be more advantageous if the technology of combining and operating individual energy systems with reasonable operation and control was secured.
본 발명은 상기와 같은 종래 시스템의 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로, 공동 축열조에 연결되는 지열원 열펌프와 태양열 집열기를 통해 급탕을 공급하고, 냉난방을 위해 지열원 열펌프를 이용하며, 가스보일러와 같은 보조열원을 통해 급탕과 냉난방을 보조하는 시스템을 제공함으로써 청정열원을 사용하는 복합열원 시스템을 제공하려는 목적을 가진다.The present invention has been invented to solve the problems of the conventional system as described above, supplying hot water supply through a geothermal source heat pump and a solar heat collector connected to a common heat storage tank, using a geothermal source heat pump for cooling and heating, gas boiler The purpose of providing a complex heat source system using a clean heat source by providing a system for assisting hot water supply and cooling and heating through an auxiliary heat source such as.
본 발명의 구체적인 목적은, 대체로 수직방향으로 긴 형태의 축열조의 중간에 설치된 온도센서를 통해 태양열 시스템의 운전 상태를 감시하고 지열원 열펌프 에서 소비되는 전력을 감시하는 센서를 통해 열펌프의 냉난방운전 상태를 판단하여 축열조의 가온을 제어하여 급탕을 제어하고, 태양열과 지열시스템에 의한 급탕 공급이 동시에 불가능한 경우를 축열조 온도와 열펌프 운전상태를 통해 판단하고, 급탕계통에 연결된 삼방밸브를 절환하여 급탕 및 냉난방을 보조하도록 가스보일러와 같은 보조열원을 제어하도록 구성한 지열-태양열-보조열원 급탕 및 냉난방시스템과 그 운전제어방법을 제공하는데 있다.A specific object of the present invention, the heating and cooling operation of the heat pump through a sensor for monitoring the operating state of the solar system and the power consumption of the geothermal heat pump through a temperature sensor installed in the middle of the vertically long heat storage tank It judges the condition and controls the hot water supply by controlling the heating of the heat storage tank, and judges the case that it is impossible to supply the hot water supply by solar heat and geothermal system at the same time through the heat storage tank temperature and the heat pump operation state, and switches the three-way valve connected to the hot water supply system And a geothermal-solar-auxiliary heat source hot water supply and cooling system configured to control an auxiliary heat source such as a gas boiler to assist cooling and heating, and an operation control method thereof.
본 발명의 다른 구체적인 목적은 실내 온도센서에 의해 측정된 실내 온도와 미리 결정된 냉난방 설정온도(Trc, Trh)를 이용하여 냉방 및 난방모드를 판단하고, 이에 따라 냉난방 순환계통에 4방 전동제어밸브를 매개로 대류형방열기와 바닥패널 방열기와 천장패널방열기를 여러 계통으로 조합할 수 있는 배관계통을 복합적인 결합 형태로 제어하는 방법과 이를 내장한 제어장치를 구비한 지열-태양열-보조열원 급탕 및 냉난방시스템 및 그 운전 제어방법을 제공하는데 있다.Another specific object of the present invention is to determine the cooling and heating mode using the room temperature measured by the room temperature sensor and predetermined cooling and heating set temperature (Trc, Trh), according to the four-way electric control valve in the heating and cooling circulation system Method of controlling conduit system that can combine convection radiator, floor panel radiator and ceiling panel radiator in various systems by means of complex combination type and geothermal-solar-auxiliary heat source with hot water supply The present invention provides a system and a method of controlling the operation thereof.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 구성되는 본 지열-태양열-보조열원 급탕 및 냉난방시스템은 온수 급탕 및 실내의 냉난방을 위한 시스템으로서; 태양열을 모으기 위한 집열기와, 이 집열기에서 모아진 태양열을 이용해 물을 데우는 열교환기가 하부에 설치된 축열조와, 보충수 주입 및 보충수 유량파악이 가능하고 상기 축열조에 부착되며 열매 팽창량을 고려한 공기층이 존재하여 팽창탱크 기능을 가지는 다기능 보조탱크를 포함하는 태양열 시스템과; 지열을 이용하여 열교환을 하도록 구성된 지열원 열펌프와 이 열펌프에서 공급되는 지열을 이용해 물을 데우 는 열교환기가 상기 축열조 상부에 설치되고, 상기 실내에 설치되어 있는 냉난방 장치에 연결되는 지열 시스템과; 상기 축열조의 상기 지열원 시스템 열교환기와 급탕 제어밸브를 개재하여 연결되며, 상기 실내의 냉난방 장치와 연결되는 상기 지열원 시스템 부분에 냉난방 제어밸브를 개재하여 연결되는 보조열원 시스템; 및 상기 태양열 시스템을 급탕용 시스템으로서 제어하고 상기 지열 시스템을 실내 냉난방용 시스템으로 제어하며, 상기 태양열 시스템을 보조하도록 상기 지열 시스템을 보조 급탕용 시스템으로서 제어하며, 상기 태양열 시스템과 상기 지열 시스템을 보조하도록 상기 보조열원 시스템을 2차 보조 급탕용 및 보조 냉난방용 시스템으로서 제어하는 제어장치를 포함할 수 있다.The present geothermal-solar-assisted heat source hot water supply and heating / heating system, which is configured to achieve the above object, is a system for hot water hot water supply and room heating and cooling; There is a heat storage tank installed at the bottom, and a heat storage tank installed in the bottom to collect solar heat, and a heat exchanger that heats water using the solar heat collected from the heat collector, and an air layer that is attached to the heat storage tank and considers the amount of fruit expansion. A solar system including a multifunctional auxiliary tank having an expansion tank function; A geothermal source heat pump configured to heat exchange using geothermal heat and a heat exchanger for warming water using geothermal heat supplied from the heat pump, which is connected to an air-conditioning unit installed above the heat storage tank and installed in the room; An auxiliary heat source system connected to the geothermal source system heat exchanger of the heat storage tank via a hot water supply control valve, and connected to a part of the geothermal source system connected to the indoor air conditioner via a heating and cooling control valve; And controlling the solar system as a hot water supply system, controlling the geothermal system as a system for indoor cooling and heating, controlling the geothermal system as an auxiliary hot water system to assist the solar system, and assisting the solar system and the geothermal system. And a control device for controlling the auxiliary heat source system as a secondary auxiliary hot water supply system and an auxiliary air conditioning system.
바람직하게, 상기 보조열원 시스템은 가스보일러 시스템이다.Preferably, the auxiliary heat source system is a gas boiler system.
바람직하게, 상기 보조탱크는, 상기 태양열 시스템의 집열계통과 상기 축열조 하단의 열교환기에 연결되어 밀폐계를 구성하며, 상부에 보충수 주입구와 상기 집열계통의 열매 유입관과 개폐밸브가 설치되고, 하부에는 보충수 배출구와 상기 집열계통의 열매 공급관과 순환펌프와 개폐밸브가 설치되고, 외부 표면에 투명 액주계를 구비하여 보충수 유량파악이 가능하고, 상기 축열조에 부착되는 일체형 구조를 가지며, 내부공간은 하부에 열매가 내용적을 차지하고 상부에는 열매 팽창량을 고려한 공기층이 존재하여 팽창탱크 기능을 가지도록 구성될 수 있다.Preferably, the auxiliary tank is connected to the heat collecting system of the solar system and the heat exchanger at the bottom of the heat storage tank to form a closed system, and a supplemental water inlet and a fruit inlet pipe and an opening / closing valve of the collecting system are installed at an upper portion of the auxiliary tank. The supplementary water outlet, the fruit supply pipe of the heat collecting system, the circulation pump and the on-off valve are installed, and the external liquid surface is provided with a transparent liquid pour system to detect the supplementary water flow rate, and has an integrated structure attached to the heat storage tank. The fruit occupies the inner portion of the silver and the air layer considering the amount of fruit expansion in the upper part may be configured to have an expansion tank function.
바람직한 냉난방 운전에 있어서, 상기 실내에 설치되어 실내의 온도(Tr)를 계측하기 위한 온도센서를 포함하고, 상기 냉난방 장치(220, 230, 240)는 대류형 방열기(230)와 바닥패널 방열기(220) 및 천정패널(240) 중 적어도 하나를 포함하 며, 상기 제어장치는 상기 계측된 실내 온도(Tr)를 미리 설정된 실내 냉난방 설정온도(Trc, Trh)와 비교하여 냉방모드 및 난방모드를 판별하고 이 판별기준에 따라 냉난방 순환수 계통에 연결된 4방 전동제어밸브를 제어하는 신호를 출력하여 제어하되, 냉난방 운전모드에 따라 상기 대류형 방열기(230)와 상기 바닥패널 방열기(220) 및 상기 천장패널 방열기(240)를 단독 또는 조합하여 연결되도록 상기 4방 전동제어밸브를 절환하도록 제어할 수 있다.In a preferred heating and cooling operation, it is installed in the room includes a temperature sensor for measuring the temperature (Tr) of the room, the air-conditioning device (220, 230, 240) is a
바람직한 난방 운전에 있어서, 상기 지열 시스템의 특정 부분의 온도를 계측하는 온도센서를 포함하고, 상기 제어 장치는 계측된 온도를 미리 설정된 온도(Ts)와 비교하고 이 비교결과에 따라 지열 시스템에 의한 난방을 상기 보조열원 시스템에 의한 난방으로 절환하도록 제어할 수 있다.In a preferred heating operation, it comprises a temperature sensor for measuring the temperature of a particular part of the geothermal system, wherein the control device compares the measured temperature with a preset temperature Ts and heats the geothermal system according to the comparison result. It can be controlled to switch to the heating by the auxiliary heat source system.
더 구체적으로는, 상기 지열 시스템의 특정 부분의 온도를 계측하는 온도센서는, 상기 지열 시스템의 지중 열교환기 순환계통에서 지중 열교환 전과 후에 순환수의 온도(Ti, To)를 계측하는 온도센서이며, 상기 미리 설정된 온도(Ts)는 열교환 순환수의 온도차(Ti - To)에 대응하며, 열교환 순환수의 온도차(Ti - To)가 설정온도(Ts) 이하인 경우 상기 제어 장치는 상기 지열 시스템의 난방 운전을 상기 보조열원 시스템에 의한 난방으로 절환할 수 있다.More specifically, the temperature sensor for measuring the temperature of a specific portion of the geothermal system is a temperature sensor for measuring the temperature (Ti, To) of the circulating water before and after the underground heat exchange in the underground heat exchanger circulation system of the geothermal system, The preset temperature Ts corresponds to the temperature difference Ti-To of the heat exchange circulation water, and when the temperature difference Ti-To of the heat exchange circulation water is less than or equal to the set temperature Ts, the control device performs heating operation of the geothermal system. It can be switched to the heating by the auxiliary heat source system.
바람직한 급탕 운전에 있어서, 상기 축열조 내의 온도를 계측하기 위한 온도센서와 상기 열펌프의 압축기 전력 계통에 설치된 전력 감시 및 계측 센서를 포함하고, 상기 제어 장치는 계측된 축열조 온도를 미리 설정된 온도와 비교하고 이 비교결과에 따라 상기 태양열 시스템에 의한 급탕을 상기 지열 시스템에 의한 급탕으 로 절환하도록 제어하고, 더 나아가 상기 제어 장치는 상기 계측된 전력과 미리 설정된 전력을 비교하고 이 비교결과에 따라 상기 보조열원 시스템에 의한 급탕으로 절환하도록 제어하며, 상기 축열조의 온도가 설정치 이상으로 상승시에 상기 지열원 시스템 또는 상기 보조열원 시스템에 의한 급탕운전을 중지하고 태양열 급탕운전모드로 전환하도록 제어할 수 있다.In a preferred hot water supply operation, a temperature sensor for measuring the temperature in the heat storage tank and a power monitoring and measurement sensor installed in the compressor power system of the heat pump, the control device compares the measured heat storage tank temperature with a preset temperature According to the comparison result, the hot water supply by the solar system is controlled to be switched to the hot water supply by the geothermal system, and further, the control device compares the measured power with a preset power and according to the comparison result, the auxiliary heat source. The system may be controlled to switch to hot water supply by the system, and when the temperature of the heat storage tank rises above a set value, the hot water supply operation by the geothermal source system or the auxiliary heat source system may be stopped and the operation may be switched to the solar hot water operation mode.
아래에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 일 실시예에 따른 구성을 상세히 설명한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings will be described in detail the configuration according to an embodiment of the present invention.
도 1은 본 발명의 실시예인 구성과 작용을 도시한 것으로서, 급탕기(160)에 온수를 공급하고 실내(150)의 냉난방을 위해 태양열 시스템과 지열원 시스템 및 보조열원 시스템(예컨대, 가스보일러 시스템)을 포함하여 구성될 수 있다. 태양열 시스템은, 태양열을 집열기(170)로 집열하여 축열조(130)에 저장하고 다기능 보조탱크(140)를 집열계통에 매개한다. 지열원 시스템은, 지중열교환기를 열펌프의 증발부 (또는 응축부 겸용)를 사용하여 실내의 냉난방을 수행하고 일부 급탕을 보조할 수 있는 지열원 열펌프를 포함한다. 가스보일러(110)는 난방수와 급탕수를 공급한다. 축열조(130)는 급탕 공급을 위한 물을 데우는 장소로서, 내부의 상하부에 코일형 열교환기를 갖추고 상부에는 지열원 급탕계통이 연결되고 하부에는 태양열 집열계통이 연결되어 공유된다. 사방전동제어밸브를 통해 냉난방 순환수 계통을 선택적으로 절환하는 배관계통이 이들 시스템을 서로 연결하며, 실내(150)에는 방열기로서 바닥패널 방열기(220)와 천장패널 방열기(240)과 실내 공조기(230)일 수 있는 대류형 냉난방기가 설치될 수 있다.1 is a view showing the configuration and operation of an embodiment of the present invention, the solar system and geothermal source system and auxiliary heat source system (eg, gas boiler system) for supplying hot water to the
이하 각 시스템별로 더 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter will be described in more detail for each system as follows.
태양열 시스템Solar system
도 2를 참조하면, 태양열 시스템에 있어서, 건물의 옥상이나 벽면, 평지 등에 설치되는 집열기(330)의 상부에 열매 출구배관이 연결되고, 집열기(330) 하부에 열매의 입구배관이 연결되며, 집열기의 입출구 배관은 축열조(310)의 하부 코일형 열교환기 입출구에 연결되고, 집열기(330)와 축열조(310)를 연결하는 배관계통에 순환펌프와 보조탱크(320), 압력계, 온도센서 등이 매개된다. 이러한 태양열 시스템은 온수 공급을 위한 급탕용 시스템으로서 사용된다.Referring to Figure 2, in the solar system, the fruit outlet pipe is connected to the upper portion of the
한편, 태양열 집열계통에 매개되는 보조탱크(320)는 상부에 보충수 주입구가 설치되고, 집열계통의 열매 유입관이 연결되고, 유입관에서 보조탱크 표면에 가깝게 개폐밸브가 설치되고, 하부에는 보충수 배출구와 집열계통의 열매 공급관과 순환펌프와 개폐밸브가 설치된다. 보조탱크(320)의 외부 표면에 투명 액주계를 구비하여 보충수 유량파악이 가능하게 하는 것이 바람직하다. 보조탱크(320)는 축열조(310)에 부착되는 일체형 구조를 가지며, 내부공간은 하부에 열매가 내용적을 차지하고 상부에는 열매 팽창량을 고려한 공기층이 존재하여 팽창탱크 기능을 가진다.On the other hand, the auxiliary tank 320, which is mediated by the solar heat collecting system, is provided with a supplemental water inlet at an upper portion thereof, a fruit inlet pipe of the collecting system is connected, and an opening and closing valve is installed near the surface of the auxiliary tank at the inlet pipe, A water supply pipe, a water supply pipe of a water outlet, a collecting system, a circulation pump, and an opening / closing valve are installed. It is preferable to provide a transparent liquid column on the outer surface of the auxiliary tank 320 to enable the replenishment water flow rate to be detected. The auxiliary tank 320 has an integrated structure attached to the
상기 보조탱크(320)의 유입 및 유출배관은 열매 표면 하부에 위치하도록 하여 열매 순환시 기포가 발생되지 않도록 하며, 입출구에 설치된 2개의 개폐밸브는 보조탱크에 보충수 보충과 열매량 조정, 계통 정비시에 잠금 역할을 한다.The inlet and outlet pipes of the auxiliary tank 320 are positioned below the surface of the fruit so that bubbles are not generated during the fruit circulation, and the two open / close valves installed at the inlet and outlet are supplemented with supplemental water and the amount of fruit in the auxiliary tank, and system maintenance. It serves as a lock at the time.
상기 보조탱크(320)에서 유입 및 유출배관이 열매표면 하부에 위치하고 전체 계통이 밀폐계를 구성하고 있기 때문에 순환펌프의 동작이 정지하더라도 상부의 집열계통의 열매가 공기층의 압축률 이상 보조탱크(320)로 흘러내리지 않는다. 상기 보조탱크(320)의 배관공기층의 용적은 태양열 집열시스템의 운전시 열매의 팽창량을 고려하고 공기의 압축정도를 고려하여 결정한다.Since the inlet and outlet pipes in the auxiliary tank 320 is located below the fruit surface and the entire system constitutes a closed system, even if the operation of the circulation pump is stopped, the fruit of the upper collecting system has a compression ratio of the air layer more than the auxiliary tank 320. Does not flow down The volume of the piping air layer of the auxiliary tank 320 is determined in consideration of the amount of expansion of the fruit and the degree of compression of air during operation of the solar heat collecting system.
태양열시스템의 제어는 집열기(330) 상단의 온도와 축열조(310)의 온도를 비교하여 설정된 차온 이상인 경우에 운전을 개시하는 기존의 차온제어방식을 사용하며, 추가로 태양열시스템 운전조건과 축열조(310)의 설정온도가 만족되었을 경우에 지열원 열펌프의 급탕운전과 가스 보일러 급탕운전을 연동하도록 제어할 수 있다.The control of the solar system uses the existing temperature control method to start the operation when the temperature is higher than the set temperature by comparing the temperature of the top of the
지열원Geothermal source 시스템 system
지열원 시스템 즉 지열원 열펌프는, 급탕 및 냉난방을 위한 온수 및 냉난방수를 생산하기 위한 시스템이다. 지열원 열펌프(120)는 지중에 설치된 열교환기에 열펌프의 증발부 (또는 응축부 겸용)가 연결되고, 배관을 통하여 지열교환을 위한 순환수가 흐르고, 상기 열펌프의 응축부(또는 증발부 겸용)에 배관을 매개로 실내(150)의 냉난방 장치(220, 230, 240)가 연결되며, 배관계통을 통하여 냉난방 순환수가 흐르고, 열펌프의 사이클을 작동하여 냉난방수 겸용생산과 급탕을 공급할 수 있도록 구성된다.Geothermal source system, that is, geothermal source heat pump, is a system for producing hot water and heating and cooling water for hot water supply and air conditioning. Geothermal
또한, 축열조(130, 310) 상부 열교환기에 지열원 열펌프(120)의 급탕계통을 연결하여 태양열시스템과 함께 축열조(130, 310)를 공유하는 구조를 가지며, 축열조(130, 310) 중심에 설치된 온도센서와 지열원 열펌프(120)의 냉난방 휴지기와 작 동기를 전력소비 상태로 감시하는 센서와 결합된다.In addition, by connecting the hot water supply system of the geothermal
한편, 축열조가 일정 온도 이하로서 태양열에 의한 급탕이 부족한 경우에 급탕 축열조의 온도(Tc)가 설정온도(Ts) 이하임을 비교하는 연산부, 추가로 지열원 열펌프(120)의 휴지기에 운전 여부를 판단하기 위하여 열펌프의 압축기 전력계통에 설치된 전력감시 및 계측센서로부터 출력을 받아 작동 여부를 판별하는 연산부, 상기 연산부의 감시정보를 전달받아 열펌프의 냉난방 휴지기일 경우에 지열원 열펌프의 급탕운전을 제어하는 신호를 출력하고, 상기 정보를 가스보일러(110)의 급탕제어모듈로 전달하는 동작을 제어한다.On the other hand, when the heat storage tank is below a certain temperature and the hot water supply is insufficient, the operation unit for comparing that the temperature (Tc) of the hot water storage heat storage tank is less than the set temperature (Ts), and whether the geothermal
또한, 난방부하의 급격한 증가나 지열원 열펌프의 장기 운전으로 인하여 지중온도가 열펌프의 난방운전에 적절치 않은 경우에 난방수가 순환하는 배관계통을 보조열원으로 절환하기 위하여 설정된 열펌프 증발부 (또는 응축부 겸용)의 온도를 측정하는 온도센서와 상한운전온도 설정부를 결합하고, 상기 지열원 열펌프의 지중 열교환기 순환계통에서 지중 열교환 전과 후에 순환수의 온도(Ti, To)를 계측하는 온도센서와, 열교환 순환수의 온도차(Ti - To) 설정부(410)와, 열교환 순환수의 온도차(Ti - To)가 설정온도(Ts) 이하로서 열펌프의 운전에 효과적이지 않을 경우를 판별하는 연산부를 내장한 제어장치를 결합하여, 상기 제어장치의 절환신호에 따라 지열원 열펌프(120)의 난방계통을 보조열원 난방계통 즉 가스보일러(110)의 난방계통으로 전환하는 동작을 제어한다.In addition, the heat pump evaporator (or the heat pump evaporation unit configured to switch the piping system where the heating water circulates to the auxiliary heat source when the ground temperature is not suitable for the heating operation of the heat pump due to the rapid increase in the heating load or the long-term operation of the geothermal heat pump). Temperature sensor for measuring the temperature of the condensing unit) and the upper limit operating temperature setting unit, and measuring the temperature (Ti, To) of the circulating water before and after underground heat exchange in the underground heat exchanger circulation system of the geothermal heat pump And a calculation unit for determining when the temperature difference (Ti-To)
축열조Heat storage tank
축열조(130, 310)는 열성층 효과에 의한 축열과 방열효율을 확보하기 위하여 높이가 너비보다 3배 이상이 되는 구조를 가지는 것이 바람직하다. 축열조(130, 310)는 하부에 급수가 유입되고, 상부에 급탕이 유출되는 구조를 가진다. 상기 축열조(130, 310)의 상부와 하부의 모양은 유입구와 유출구를 정점으로 호의 형태를 가지도록 하여 급수나 급탕의 유입 및 유출시 축열조 내의 교란을 최소화하는 것이 바람직하다. 또한 상부 또는 측면에 과압시에 증기나 급탕을 외부로 배출할 수 있도록 안전밸브를 구비하며, 축열조(130, 310) 측면에 다기능 보조탱크가 부착된다.The
또한, 축열조(130, 310) 상부에는 지열원 열펌프의 급탕계통과 연결되는 코일형 열교환기를 장착하고, 하부에 태양열시스템과 연결되는 코일형 열교환기를 장착하여 축열조(130, 310)를 태양열시스템과 지열원 열펌프가 공유하는 구성을 가진다.In addition, the heat storage tank (130, 310) is mounted on top of the coil type heat exchanger connected to the hot water supply system of the geothermal source heat pump, and the bottom of the heat storage tank (130, 310) by mounting the coil heat exchanger connected to the solar system and the solar heat system and Geothermal source heat pump has a shared configuration.
한편, 상기 축열조는 내부에 설치된 온도센서로부터 획득된 온도가 설정치 이하인 경우에 열펌프의 운전상태에 따라, 열펌프 휴지기에만 열펌프의 급탕계통을 가동하여 축열조를 가열할 수 있도록 하며, 열펌프 운전중이나 태양열시스템 운전중일 경우에는 작동하지 않도록 동작을 제어한다.On the other hand, when the temperature obtained from the temperature sensor installed in the heat storage tank is less than the set value according to the operating state of the heat pump, by operating the hot water supply system of the heat pump only in the heat pump rest period to heat the heat storage tank, heat pump operation Control the operation so that it does not work when it is in operation or during solar system operation.
배관계통, Relationship, 절환방식Switching method
각 시스템을 연결하는 배관계통은 크게 급탕계통과 냉난방계통과 집열계통으로 나뉜다. 급탕계통은 태양열에 의하여 급탕을 우선 공급하도록 축열조 하부에 설치된 코일형 열교환기, 하부의 급수배관, 상부의 급탕배관을 구비하고 있다.The plumbing system that connects each system is largely divided into a hot water supply system, an air conditioning system, and a heat collecting system. The hot water supply system is provided with a coil heat exchanger installed at the bottom of the heat storage tank, a water supply pipe at the bottom, and a hot water supply pipe at the top to supply hot water by solar heat first.
태양열에 의한 급탕 부족시 1차로 열펌프 급탕계통을 활용한다. 태양열 급탕계통은 축열조의 하부 열교환기에 연결되고, 열펌프 급탕계통은 축열조의 상부 열교환기에 연결되며, 열펌프 급탕계통은 해당계통에 삼방전동제어밸브를 매개로 연결하여 제어신호에 따라 동작을 절환한다.In case of lack of hot water supply due to solar heat, the heat pump hot water supply system is used first. The solar hot water supply system is connected to the lower heat exchanger of the heat storage tank, the heat pump hot water supply system is connected to the upper heat exchanger of the heat storage tank, and the heat pump hot water supply system is connected to the corresponding system via a three-way electric control valve to switch the operation according to the control signal. .
태양열과 지열원 열펌프에 의한 급탕이 모두 불가능할 시에 2차로 가스보일러와 같은 보조열원에 의한 급탕을 공급하며, 보조열원의 급탕계통은 해당계통의 말단에 삼방전동제어밸브를 매개하여 제어신호에 따라 동작을 절환한다.When hot water supply by both solar and geothermal source heat pumps is impossible, the hot water supply is supplied secondarily by an auxiliary heat source such as a gas boiler, and the hot water supply system of the auxiliary heat source is connected to the control signal through a three-way electric control valve at the end of the corresponding system. Switch operation accordingly.
특히, 상기 태양열시스템과 지열원 열펌프에 의한 급탕 부족시 각 축열조 온도와 지열원 열펌프 운전상태 감시정보를 동시에 이용하여, 축열조 온도가 일정온도 이하이고 열펌프 운전 휴지기에만 열펌프의 급탕운전을 수행하는 것이 바람직하다. 한편, 열펌프 운전 중임에도 불구하고 축열조 온도가 일정 온도 이하인 경우 가스보일러를 급탕 운전하도록 제어신호를 출력한다.In particular, when the hot water supply shortage due to the solar system and the geothermal source heat pump is used simultaneously, the heat storage tank temperature and the geothermal source heat pump operation status monitoring information are simultaneously used. It is preferable to carry out. On the other hand, when the heat storage tank temperature is lower than a predetermined temperature despite the operation of the heat pump outputs a control signal for hot water operation of the gas boiler.
한편, 냉난방 순환계통은 지열원 열펌프의 응축부(또는 증발부 겸용)와 실내 냉난방 방열기와 사방전동제어밸브로 구성되며, 추가로 난방부하가 냉방부하보다 큰 점을 고려하여 난방 부족시 보조난방으로 가스보일러 난방순환계통을 상기 열펌프 냉난방 순환계통에 삼방전동제어밸브를 매개로 연결한다.On the other hand, the cooling and heating circulation system is composed of the condensation unit (or the evaporator unit) of the geothermal heat pump, the indoor air-conditioning radiator, and the four-way electric control valve.In addition, the auxiliary heating in case of insufficient heating considering the heating load is larger than the cooling load. The gas boiler heating circulation system is connected to the heat pump cooling and heating circulation system via a three-way electric control valve.
상기 열펌프와 연결된 냉난방계통은 공급측 주관에 사방전동제어밸브가 매개되어 있으며, 잔여 3개의 분지관은 실내 대류형방열기와 바닥패널 방열기와 천장패널방열기에 각각 연결되어 있다.The heating and cooling system connected to the heat pump has a four-way electric control valve connected to the supply main pipe, and the remaining three branch pipes are connected to the indoor convection radiator, the bottom panel radiator, and the ceiling panel radiator, respectively.
상기 냉난방계통은 방열기의 조합에 따라 개별적으로 절환하거나 여러 계통 으로 조합하여 절환하는 배관계통으로 구성될 수 있으며, 구체적으로 개별 방열기를 단독으로 연결하거나, 세가지 방열기를 모두 연결하거나, 두 가지씩 조합하여 연결하는 방법이 가능하다.The air-conditioning system may be composed of a piping system for switching individually or combined by switching in accordance with the combination of the radiator, specifically connecting the individual radiators alone, all three radiators, or a combination of two together How is it possible?
상기 사방전동제어밸브에 의한 냉난방계통을 절환하는 조합시나리오는 사전에 제어장치에 프로그램으로 내장되며, 조정단자를 활용하여 선택적으로 냉난방계통을 절환한다.The combination scenario for switching the cooling and heating system by the four-way electric control valve is pre-built in the control device as a program, and selectively switches the heating and heating system by using the adjustment terminal.
제어장치Controller
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 시스템은, 지열원 시스템과 태양열 시스템 및 보조열원 바람직하게는 가스보일러 시스템을 포함한다. 더 나아가, 도 5에 도시된 바와 같은 제어장치(410, 420, 430, 440, 450)를 포함한다. 제어장치는 열원 시스템의 작동을 제어하며, 요소 요소에 설치된 센서에 의한 정보를 근거로 하여 각 열원 시스템의 운전을 개시하거나 중지시킬 수 있다. 열원 시스템들은 급탕 배관 계통과 냉난방 배관 계통에 연결되는데, 급탕 계통에는 축열조(130)에서부터 급탕기(160)가 포함된다. 냉난방 계통에는 실내의 냉난방을 위한 방열기 장치(220, 230, 240)가 4방 전동제어밸브를 통해 조합 절환 가능하게 연결된다. 급탕 계통에는 태양열 시스템이 1차 열원으로 이용되며, 2차로 지열원 시스템이 이용되고, 3차로 가스보일러 시스템이 이용될 수 있다. 냉난방 계통에는 지열원 시스템이 이용되고, 2차로 가스보일러 시스템이 이용될 수 있다.As described above, the system according to the present invention includes a geothermal source system, a solar thermal system and an auxiliary heat source, preferably a gas boiler system. Furthermore, the
이러한 제어 방법은 도 4에 구체적인 흐름도로서 예시되어 있다.This control method is illustrated as a specific flowchart in FIG. 4.
실내 냉난방계통 제어시, 실내공간에 설치된 온도센서를 통하여 실내의 온도(Tr)를 계측하여 제어기에 설정된 실내 냉난방 설정온도(Trc, Trh)와 비교하여 냉방모드 및 난방모드를 판별하고 이 판별기준에 따라 냉난방 순환수 계통에 연결된 4방 전동제어밸브를 제어한다. 이때, 냉난방 운전모드에 따라 실내 공조기(230)와 같은 대류형 방열기와 바닥패널 방열기(220) 또는 천장패널 방열기(240)를 단독으로 연결되도록 4방 전동제어밸브를 절환하는 방법과 이러한 방열기의 모든 복합적인 결합을 선택하고 계통을 제어할 수 있다.When controlling the indoor air conditioning system, the temperature (Tr) of the room is measured by the temperature sensor installed in the indoor space, and the cooling and heating modes are determined by comparing with the indoor air conditioning set temperature (Trc, Trh) set in the controller. Therefore, the 4-way electric control valve connected to the heating / cooling circulation system is controlled. At this time, the four-way electric control valve switching method so as to connect the convection radiator such as the
보조난방계통 제어시, 예컨대 난방부하의 급격한 증가나 지열원 열펌프의 장기 운전으로 인하여 지중온도가 열펌프의 난방운전에 적절치 않은 경우에 난방수가 순환하는 배관계통을 보조열원으로 절환하기 위하여 설정된 열펌프 증발부 (또는 응축부 겸용)의 온도를 측정하는 온도센서를 포함할 수 있다. 온도센서는, 바람직한 실시예에 따라, 상기 지열원 열펌프의 지중 열교환기 순환계통에서 지중 열교환 전과 후에 순환수의 온도(Ti, To)를 계측하는 온도센서를 포함할 수 있다. 이 계측된 온도에 따라 열교환 순환수의 온도차(Ti - To)가 계산되고, 열교환 순환수의 온도차(Ti - To)가 설정온도(Ts)이하로서 열펌프의 운전에 효과적이지 않은지 효과적인지 여부를 판별하여 지열원 시스템 운전으로부터 보조열원인 가스보일러 시스템의 운전으로의 절환을 제어한다.In the control of auxiliary heating system, for example, a heat set to switch the piping system in which the heating water circulates to the auxiliary heat source when the ground temperature is not suitable for the heating operation of the heat pump due to a sudden increase in the heating load or the long term operation of the geothermal heat pump. It may include a temperature sensor for measuring the temperature of the pump evaporator (or condensate combined). According to a preferred embodiment, the temperature sensor may include a temperature sensor for measuring the temperature (Ti, To) of the circulating water before and after the underground heat exchange in the underground heat exchanger circulation system of the geothermal source heat pump. The temperature difference (Ti-To) of the heat exchange circulation water is calculated according to the measured temperature, and it is determined whether the temperature difference (Ti-To) of the heat exchange circulation water is less than the set temperature (Ts) or not effective for the operation of the heat pump. Discriminate and control the switching from the geothermal source system operation to the operation of the gas boiler system as an auxiliary heat source.
보조급탕계통 제어시, 예컨대 기후조건이 태양열 집열에 적절치 않아 축열조의 온도(Tc)가 설정치(Ts) 이하로 계측되는 경우를 1차로 판별하는 기존의 방법을 이용하고, 추가로 지열원 열펌프(120)의 휴지기에 운전 여부를 판단하기 위하여 열 펌프의 압축기 전력계통에 설치된 전력감시 및 계측센서로부터 출력을 받아 작동 여부를 판별한다. 여기서, Tc (temperature of storage center)는 축열조 중심 온도이고, Ts (setting temperature of storage)는 축열조의 미리 설정된 온도이다.When controlling the auxiliary hot water supply system, for example, by using the existing method of firstly discriminating when the temperature Tc of the heat storage tank is measured below the set value Ts because the climatic condition is not suitable for solar heat collection, the geothermal source heat pump ( In order to determine whether the vehicle is operating in the idle state of 120, it is determined whether the operation is performed by receiving the output from the power monitoring and measurement sensor installed in the compressor power system of the heat pump. Here, the temperature of storage center (Tc) is the heat storage tank center temperature, and the setting temperature of storage (Ts) is the preset temperature of the heat storage tank.
제어 장치는 판별된 정보를 이용하여 지열원 열펌프의 냉난방운전 휴지기에 급탕계통 운전신호를 출력하고, 지열원 열펌프의 냉난방 운전시에 가스 보일러에 의한 급탕운전 신호를 송출한다.The control device outputs the hot water supply system operation signal to the cooling and heating operation stop of the geothermal source heat pump using the determined information, and transmits the hot water supply operation signal by the gas boiler during the cooling and heating operation of the geothermal source heat pump.
예컨대, 상기 축열조의 온도가 설정치 사항으로 상승시에 지열원 열펌프 및 가스 보일러에 의한 급탕운전을 중지하고 태양열 급탕운전모드로 전환할 수 있다.For example, when the temperature of the heat storage tank rises to a set value, the hot water supply operation by the geothermal source heat pump and the gas boiler may be stopped, and the solar heat supply operation mode may be switched to the solar heat supply operation mode.
이상에서는, 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 설명하였으나, 개시된 내용과 도면을 참작하여 당업자라면 첨부된 청구범위의 기술 범위 내에서 여러가지 수정과 변형을 쉽게 생각해낼 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 것에 의해서가 아니라 청구범위에 의해 해석되어야 할 것임을 지적해둔다.In the above, the present invention has been described with reference to specific embodiments, but various modifications and variations can be readily devised by those skilled in the art in view of the disclosed contents and drawings. Therefore, it is pointed out that the scope of the present invention should be interpreted not by the description but by the claims.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면 건물이나 단지에서 지열과 태양열을 우선 활용하여 에너지 및 온실가스 절감에 기여할 수 있으며, 지열-태양열-가스보일러를 결합하여 운용함으로서 시스템의 운용과 유지관리측면에서 경제성을 향상시키는 효과와;As described above, according to the present invention, it is possible to contribute to energy and greenhouse gas reduction by utilizing geothermal and solar heat in buildings or complexes, and by combining geothermal-solar-gas boilers, economical in terms of operation and maintenance of the system. To improve the effect;
하나의 보조탱크로 열매량을 파악하고 조절할 수 있으며, 팽창탱크를 대용하는 기능을 구현하고 축열조에 부착하여 배관 연결부위를 감소시켜 소요비용을 줄이고 유지관리성을 향상시키는 효과와;It is possible to grasp and control the amount of fruit in one auxiliary tank, implement the function of substituting the expansion tank, and attach to the heat storage tank to reduce the pipe connection area to reduce the required cost and improve the maintainability;
하나의 축열조를 태양열과 지열시스템이 공유하여 급탕을 공급하도록 계통을 구성하고 축열조의 온도와 열펌프의 냉난방 운전상태에 관한 정보를 이용하여 급탕에 있어서 청정열원의 활용을 극대화하는 효과와;A system for supplying hot water by sharing a heat storage tank with a solar heat and a geothermal system, and maximizing utilization of a clean heat source in a hot water supply by using information about a temperature of a heat storage tank and a cooling / heating operation state of a heat pump;
다양한 실내기가 도입되고 있는 현실을 고려할 때, 4방 전동제어밸브를 도입하여 냉난방계통을 선택적으로 조합할 수 있도록 하였으며, 이는 복사 및 대류 열전달 효과를 조합하여 실내 쾌적성을 향상시키는 효과를 달성할 수 있다.Considering the fact that various indoor units are being introduced, four-way electric control valves can be introduced to selectively combine cooling and heating systems, which can achieve the effect of improving indoor comfort by combining radiation and convective heat transfer effects. have.
더불어 본 발명에서 제시하고 있는 제어방법과 이를 내장한 제어장치는 다양한 응용분야를 가지고 있어 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명이다.In addition, the control method proposed in the present invention and the control device incorporating the same have various applications, and thus the invention is expected to be greatly used in the industry.
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