KR100923962B1

KR100923962B1 - 지열원을 활용한 히트펌프 시스템

Info

Publication number: KR100923962B1
Application number: KR1020090048154A
Authority: KR
Inventors: 신경수; 원승기; 권동우
Original assignee: (주)이에스
Priority date: 2009-06-01
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2009-10-29

Abstract

본 발명은 부하에 따라 제어할 수 있는 시스템 방식으로 열원측 출구온도에 따라 히트펌프 장비의 대수제어, 순차제어가 가능하고, 히트펌프 운전중 히트펌프내 압축기의 교번운전과 대수제어로 수명연장 및 운전의 신뢰성이 향상되며, 대수제어에 의하여 히트펌프 유입 열원의 온도에 따른 시스템의 안정화가 되게 하고, 열원의 입출수 온도차에 따른 히트펌프의 효율적 운전을 하게 하는 지열원을 활용한 히트펌프 시스템 및 제어장치에 관한 것이며, 지중열교환기와 히트펌프를 연결하는 지열원공급라인과 지열원환수라인에 하나 이상의 지중열교환기가 병렬로 연결되고, 하나 이상의 히트펌프가 지열원공급라인과 부하측공급라인 및 지열원환수라인과 부하측환수라인에 병렬로 연결되며, 지열원원공급라인에 지열원순환펌프는 다수개가 병렬로 연결되고, 부하측환수라인에 부하측순환펌프가 다수개 병렬로 연결되며, 히트펌프에는 두개의 압축기1과 압축기2가 형성되어 압축기의 교번운전과 대수제어가 가능하게 구성되고, 지중열교환기의 지열원공급라인과 지열원환수라인에 지열원온도의 온도측정부가 형성되며, 히트펌프의 입구에 히트펌프입구온도와 히트펌프출구온도의 온도측정부가 형성되고, 부하측 공급헤더와 환수헤더 측에 각각 부하측입구온도와 부하측출구온도의 온도측정부가 형성되며, 상기 온도측정부의 온도차 측정값에 의하여 히트펌프내 압축기의 순차제어와 교번제어가 가능하게 구성된 것을 특징으로 한다.

히트펌프, 지중열교환기, 온도측정부, 증발기, 압축기, 응축기

Description

지열원을 활용한 히트펌프 시스템 { A heat pump system using earth heat }

본 발명은 지열원을 활용한 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 부하에 따라 제어할 수 있는 시스템 방식으로 열원측 출구온도에 따라 히트펌프 장비의 대수제어, 순차제어가 가능하고, 히트펌프 운전중 히트펌프내 압축기의 교번운전과 대수제어로 수명연장 및 운전의 신뢰성이 향상되며, 대수제어에 의하여 히트펌프 유입 열원의 온도에 따른 시스템의 안정화가 되게 하고, 열원의 입출수 온도차에 따른 히트펌프의 효율적 운전을 하게 하는 지열원을 활용한 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

지열을 에너지원으로 하는 히트펌프를 이용한 지열냉난방 시스템은 대지 내에 포함된 지열과 지하수 또는 개발된 수역에 존재하는 일정한 온도의 지열을 순환시키는 지열교환기와 지열교환기에 의해 지상으로 끌어올려진 지열을 순환시키는 냉방사이클, 난방사이클 및 온수사이클을 포함해 이루어진다.

종래에 공개된 특허인 지열 및 폐열을 이용한 히트펌프 시스템은 폐열을 가 지는 생활배수를 저장하는 폐수조로부터 회수환 폐열을 급탕용 히트펌프 증발기에서 열원으로 사용하는 기술이다.

이러한 히트펌프시스템은 히트펌프의 컴프레셔에서 온열을 생산하여 급탕을 공급하게 한 폐열회수부와; 지중에 매설된 다수개의 지열교환 파이프를 구비하여 난방시 이 지열교환 파이프로부터의 지열을 냉난방용 히트펌프 증발기의 열원으로 사용하고, 히트펌프의 컴프레셔에서 생산한 온수를 공급하게 하며, 냉방시 냉난방용 히트펌프에서 발생되는 컴프레셔의 배열을 이 지열교환 파이프를 통하여 지중으로 배출하게 한 지열교환부와; 상기 폐열회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 입구측 및 상기 지열교환부의 냉난방용 히트펌프 증발기의 입구측에 연결된 제1삼방밸브와; 상기 폐열회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 출구측 및 상기 지열교환부의 냉난방 히트펌프증발기의 출구측에 연결된 제2삼방밸브;를 구비하여 상기 지열교환부의 지열교환파이프로부터의 지열 또는 냉난방 히트펌프 컴프레셔로부터 배열을 상기 제1 및 제2삼방밸브들을 통해 상기 폐열회수부의 급탕용 히트펌프 증발기의 열원으로 더 사용하게 하여 안정된 온도의 급탕을 공급할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 구성이다.

이와 같은 구성의 경우 대부분 수동으로 운전되고 있고, 자동으로 운전하는 경우에도 히트펌프 자체의 운전조건에 따른 운전 혹은 원격운전으로 부하에 따른 운전을 하지 못하는 구성으로 에너지 낭비가 많은 문제점이 있었다.

이와 같이 부하에 따른 장비의 순차운전과 대수운전이 불가능하므로 부하량이 작은 경우에도 일정한 전기용량으로 지열 순환펌프를 사용하여야 하므로 에너지 소모가 많은 문제점과 지열순환펌프의 용량보다 큰 부하량이 걸릴 경우에 지열순환펌프가 손상되는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위하여 종래 기술인 도 1에 도시된 바와 같이 지중열교환기(1), 지열원순환펌프(6) 및 히트펌프(2)를 유닛화하여 각각의 유닛에 각각의 컨트롤러를 두어 유닛별로 온도 및 전류 등을 감지함과 동시에 작동과 정지를 시킬 수 있게 구성하는 기술이 개발되었다. 히트펌프(2)는 각각의 지중열교환기(1)로부터의 공급라인과 환수라인에 연결되고, 지열원순환펌프(6)가 지중열교환기(1)의 공급라인에 설치된다.

그리고 히트펌프(2)는 증발기(4)와 응축기(5)가 압축기(3)에 연결되어 지중열교환기(1)와 축열탱크(8)에 연결되는 유닛을 이루게 된다.

축열탱크(8)의 환수라인에는 부하측순환펌프(7)가 설치되어 각각의 유닛에 연결되는 히트펌프(2)에 열원을 공급한다.

하지만 이러한 기술의 경우 장비의 이상시 지중열교환기의 활용도가 떨어지는 문제가 있고, 요구부하에 대한 필요열원 만큼의 장비가동이 필요한 경우 최적비 제어의 어려운 점이 존재한다.

또한 부하에 의하여 여러개의 유닛이 작동할 경우 순환펌프(6)에 이상이 발생하면 시스템 전체에 문제가 발생하는 오류가 존재한다.

그리고 단지 부하에 의하여만 제어되므로 효율적인 시스템 사용이 어렵고, 사용하는 장비만 계속 사용하게 되므로 장비의 지연시간이 짧아 기계수명이 줄어드는 문제가 발생한다.

지중열교환기(1)가 하나의 히트펌프(2)에 연결되므로 히트펌프(2)가 고장나면 해당 유닛의 지중열교환기(1)는 사용할 수 없으므로 장비 효율성에 많은 문제가 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 장비의 대수제어, 순차제어, 교번제어를 통한 효율적인 컨트롤과, 부하측 순환펌프의 유닛화 구성으로 지원열 활용를 할 수 있는 지열원을 활용한 히트펌프 시스템을 제공하고자 하는 목적이 있다.

그리고, 부하량에 따라 용량제어가 가능하도록 구성하고자 한다.

또한 지중열교환기가 잘 활용되어 장비의 효율성을 높이고자 하고, 각각의 구성의 효율을 높이고, 부하에 따른 구동을 상호 유기적인 열원공급 및 제어를 하고자 한다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환기와 다수의 히트펌프가 연결되어 부하측에 열을 공급하거나 열을 제거하는 지열원을 활용한 히트펌프 시스템에 있어서, 지중열교환기와 히트펌프를 연결하는 지열원공급라인과 지열원환수라인에 하나 이상의 지중열교환기가 병렬로 연결되고, 하나 이상의 히트펌프가 지열원공급라인과 부하측공급라인 및 지열원환수라인과 부하측환수라인에 병렬로 연결되며, 지열원원공급라인에 지열원순환펌프는 다수개가 병렬로 연결되고, 부하측환수라인에 부하측순환펌프가 다수개 병렬로 연결되며, 히트펌프에는 두개의 압축기1과 압축기2가 형성되어 압축기의 교번운전과 대수제어가 가능하게 구성되고, 히트펌프의 입구에 히트펌프입구온도와 히트펌프출구온도의 온도측정부가 형성되고, 부하측 공급헤더와 환수헤더 측에 각각 부하측입구온도와 부하측출구온도의 온도측정부가 형성되며, 상기 온도측정부의 온도차 측정값에 의하여 히트펌프내 압축기의 순차제어와 교번제어가 가능하게 구성된 것을 특징으로 하며, 지열원순환펌프와 부하측순환펌프는 부하에 의하여 교번제어와 순차제어가 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 지열원을 활용한 히트펌프 시스템을 제공한다.

이상과 같이 본 발명은 단일 지중열교환기에 의한 지열원 히트펌프 시스템의 히트펌프 고장시 단일 지중열교환기 시스템은 지열교환기를 활용할 수 없는 반면 본 발명의 지열원 활용에 따른 히트펌프 시스템은 히트펌프 장비에 문제가 발생시 다른 지열교환기를 활용할 수 있는 효과가 있다.

냉동기의 성적계수(Coefficient Of Performance, COP)는 냉동기의 열효율이 좋고 나쁨을 판정하는 척도이고, 어떤 조건 하에서 공급하는 일(W)에 대하여 냉동하여 얻을 수 있는 냉동효과 Q1의 비율로 나타낸다. (Q2: 고온열원에의 배출열, T1: 증발기에서 냉매증발온도, T2: 응축기에 있어서 냉매응축온도)

본 발명에서는 온도에 의한 제어를 하게 되므로 증발기 및 응축기의 온도차가 작아져 COP는 커지게 되는 효과가 있다. 열원의 입출수 온도차에 따라 효율적 운전을 위해 히트펌프내의 압축기 및 펌프의 대수 운전하도록 하는 컨트롤러기능을 겸비하여 히트펌프 시스템의 성능계수(COP)가 향상 되는 효과가 있다.

또한 단일 히트펌프 시스템의 방식은 히트펌프 1대당 지열교환기 순환펌프 1대의 연결방식으로 사용시 s/p 여부의 순환펌프를 필요하게 되므로 본 발명의 히트펌프 방식은 단일 히트펌프 시스템 방식의 s/p 순환펌프의 이용 효율면에서 전체적인 s/p 그룹 시스템에 s/p 순환펌프 수량 측면에서 효율적으로 대응할 수 있다.

자동제어에 따른 제어와 필요에너지 효율 등을 디스플레이할 수 있어 운영의 효율이 극대화되는 효과가 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석하여서는 되지 않고, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 도 2에 도시되어 있듯이, 지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환기(10)(11)와 다수의 히트펌프(30)(31)가 연결되어 부하측의 공 급헤더(100)와 환수헤더(200)에 열을 공급하거나 열을 제거하는 지열원을 활용한 히트펌프 시스템이고, 지중열교환기(10)(11)와 히트펌프1A(30) 히트펌프1B(31)를 연결하는 지열원공급라인(12)과 지열원환수라인(13)에 하나 이상의 지중열교환기(10)(11)가 병렬로 연결된다.

하나 이상의 히트펌프1A(30) 히트펌프 1B(31)... 히트펌프nC가 지열원공급라인(12)과 부하측공급라인(14) 및 지열원환수라인(13)과 부하측환수라인(15)에 각각 병렬로 연결되고, 지열원원공급라인(12)에 지열원순환펌프(20)는 다수개가 병렬로 연결된다.

그리고 부하측환수라인(15)에 부하측순환펌프(40)가 다수개 병렬로 연결되고, 상기 지열원순환펌프(20)와 부하측순환펌프(40)는 부하에 의하여 하나 또는 그 이상 운전하게 자동제어 된다. 이때 각각의 순환펌프가 순차로 교번제어 되어 장비의 수명을 늘릴 뿐 만 아니라 하나의 순환펌프가 고장났을 때도 다른 펌프에 의하여 바로 동작될 수 있으므로 효율이 뛰어나다. 그러므로 지중열교환기는 항상 운용될 수 있다.

히트펌프1A(30), 히트펌프 1B(31)에는 두개의 압축기1(32)과 압축기2(33)가 형성되어 압축기의 교번운전과 대수제어가 가능하게 구성된다.

지중열교환기(10)(11)의 지열원공급라인(12)과 지열원환수라인(13)에 히트펌프1A(30), 히트펌프1B(31)의 입구에서 히트펌프출구온도(t3)(53)와 히트펌프입구온도(t4)(54)의 온도측정부(50)가 형성되고, 부하측 공급헤더(100)와 환수헤더(200) 측에 각각 부하측입구온도(t6)(56)와 부하측출구온도(t5)(55)의 온도측정부(50)가 형성된다.

상기 온도측정부(50)의 온도차 측정값에 의하여 히트펌프내 압축기의 순차제어와 교번제어가 가능하게 구성된다.

히트펌프1A, 1B(30)(31)에는 지열원 순환펌프(20) 및 부하측 순환펌프(40)를 제어하는 컨트롤러와, 입출구 온도설정조건에 따라 히트펌프내의 압축기의 대수 및 순환펌프의 대수의 순차제어를 행하는 히트펌프 제어회로가 포함된다.

상기 컨트롤러는 히트펌프와 지중열 순환펌프(20) 및 히트펌프와 부하측 순환펌프(40)를 제어하는 장치로서, 히트펌프의 대수제어에 의한 동작은 열원수 입출구온도(t4,t3)(54)(53)의 설정값에 따라 지열원순환펌프(20)와 대수제어한다.

히트펌프의 대차제어는 부하측의 입구,출구온도(t6,t5)(56)(55)에 의해서 부하측 순환펌프(40)와 대수제어한다. 그리고 상기 지열원 순환펌프(20)는 히트펌프가 작동되면 항상 ON 되도록 제어되고, 상기 부하측 순환펌프(40)는 지중열교환기 공급라인 내의 지열원온도가 지중열교환기 환수라인 내의 지열원온도와 비교되거나 히트펌프출구온도(t3)가 설정치의 범위내에 있을 경우 어떤 일정비율로 정한 것을 온도차량의 설정치로 할 때에 일정 비율로 제어하기 위해 Ratio factor로 제어되는 알고리즘이 컨트롤러로 ON 되게 구성된다.

지열원 활용에 따른 히트펌프 시스템은 도 4에 도시된 바와 같이 압축기1(32), 압축기2(33), 방향전환밸브(36), 실내측 열교환기(34), 팽창밸브(37) 및 실외측 열교환기(35)를 포함한다. 상기 구성요소들의 동작은 일반적인 냉동장치와 동일하지만, 냉매의 흐름을 정방향 또는 역방향으로 전환할 수 있는 방향전환밸 브(36)에 의하여 난방시스템 또는 냉방시스템으로 사용할 수 있다.

냉방시스템으로 동작시키기 위해서는 냉매가 시계방향으로 순환하도록 방향전환밸브(36)를 조작하여 냉매가 실내측 열교환기(35)를 통하여 실내의 열을 흡수한 후 실외측 열교환기(34)를 통해 외부로 열을 방출함으로써 실내를 냉방시키고, 난방시스템으로 동작시키기 위해서는 냉매가 반시계방향으로 순환하도록 방향전환밸브(36)를 조작하여 실외측 열교환기(34)를 통하여 실외의 열을 흡수한 후 실내측 열교환기(35) 통해 실내로 열을 방출함으로써 실내를 난방시킨다.

상기 히트펌프 시스템은 냉동사이클 내에 방향전환밸브(36)를 추가시켜 냉매의 순환방향을 정 또는 역방향으로 제어함으로써 여름철에는 냉방장치로 사용할 수 있고, 겨울철에는 난방장치로 사용할 수 있으며, 그러한 경우 실내측 열교환기(35)와 실외측 열교환기(34)는 증발기와 응축기로서의 역할이 서로 바뀌게 된다.

그리고 도 2의 지열원순환펌프(20)와 부하측순환펌프(40)는 다수개의 순환펌프가 부하에 의하여 교번제어와 순차제어가 되도록 구성되어 순환펌프의 수명과 에너지효율을 증대시켜 준다.

전술한 지열원을 활용한 히트펌프 시스템에서, 각각의 히트펌프(30)(31)에 도 3의 LCD제어시스템이 연결되고, LCD제어시스템은 프로그램로직콘트롤러(PLC)와 디스플레이피씨에 허브로 연결되어 제어와 운영의 효율을 증대시키도록 구성된다.

지중열교환기, 순환펌프, 히트펌프의 병렬시스템을 하나의 unit의 개념으로 부하열량에 따른 히트펌프 댓수제어로 지열 냉난방시스템 적용한 것으로 각 유닛별 LCD 시스템에 대한 제어 및 PLC 제어가 허브를 통하여 PC상에서의 통합된 디스플 레이시스템이다.

초기 기동시 용량에 따른 히트펌프 대수제어 방식. N(1A+1B+.....nC) 및 냉방,난방 운전시 지중열교환기 출구온도에 따른 입출구온도차에 따라 대수제어 및 순차제어 방식과 히트펌프와 펌프의 대수제어 및 순차제어로 부하에 따른 용량제어 효율이 증가한다.

도 1은 종래의 지열원 히트펌프시스템을 도시한 개략도.

도 2는 본 발명의 지열원을 활용한 히트펌프 시스템을 도시한 개략도.

도 3은 본 발명의 지열원을 활용한 히트펌프 시스템의 제어장치를 도시한 개략도.

도 4는 본 발명의 지열원을 활용한 히트펌프 시스템의 히트펌프의 구성을 도시한 개략도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >

1 : 지중열교환기 2 : 히트펌프

3 : 압축기 4 : 증발기

5 : 응축기 6 : 지열원순환펌프

7 : 부하측순환펌프 8 : 축열탱크

10, 11 : 지중열교환기 12 : 지열원공급라인

13 : 지열원환수라인 14 : 부하측공급라인

15 : 부하측환수라인 20 : 지열원순환펌프

30, 31 : 히트펌프 32 : 압축기1

33 : 압축기2 34 : 실외측열교환기

35 : 실내측열교환기 36 : 방향전환밸브

37 : 팽창밸브 40 : 부하측순환펌프

50 : 온도측정부 53 : 히트펌프출구온도(t3)

54 : 히트펌프입구온도(t4) 55 : 부하측출구온도 (t5)

56 : 부하측입구온도(t6) 100 : 공급헤더

200 : 환수헤더

Claims

지열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하기 위한 지중열교환기와 다수의 히트펌프가 연결되어 부하측에 열을 공급하거나 열을 제거하는 지열원을 활용한 히트펌프 시스템에 있어서,

지중열교환기와 히트펌프를 연결하는 지열원공급라인과 지열원환수라인에 하나 이상의 지중열교환기가 병렬로 연결되고, 하나 이상의 히트펌프가 지열원공급라인과 부하측공급라인 및 지열원환수라인과 부하측환수라인에 병렬로 연결되며, 지열원원공급라인에 지열원순환펌프는 다수개가 병렬로 연결되고, 부하측환수라인에 부하측순환펌프가 다수개 병렬로 연결되며, 히트펌프에는 두개의 압축기1과 압축기2가 형성되어 압축기의 교번운전과 대수제어가 가능하게 구성되고, 지중열교환기의 지열원공급라인과 지열원환수라인에 히트펌프의 입구에서 히트펌프입구온도와 히트펌프출구온도의 온도측정부가 형성되며, 부하측 공급헤더와 환수헤더 측에 각각 부하측입구온도와 부하측출구온도의 온도측정부가 형성되고, 상기 온도측정부의 온도차 측정값에 의하여 히트펌프내 압축기의 순차제어와 교번제어가 가능하게 구성된 것을 특징으로 하는 지열원을 활용한 히트펌프 시스템.
제 1 항에 있어서, 지열원순환펌프와 부하측순환펌프는 부하에 의하여 교번제어와 순차제어가 되도록 구성된 것을 특징으로 하는 지열원을 활용한 히트펌프 시스템.
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