KR101297104B1 - 분산형 지열 시스템 - Google Patents

Abstract

분산형 지열 시스템이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 분산형 지열 시스템은 지중의 열원을 취득하기 위해 서로 다른 용량으로 이루어진 다수개의 지중 열교환기가 구비된 열원 취득부; 상기 열원 취득부에서 취득된 열원이 저장되는 열원 저장부; 상기 열원 저장부에 저장된 열원을 개별적으로 공급받고 서로 다른 위치에 배치된 다수개의 열원 수용처로 이루어진 열원 수용부; 및 상기 열원 저장부에 저장된 열원을 열원 수용처의 개별 부하 상태에 따라 상기 지중 열교환기 중의 어느 하나 또는 다수개의 지중 열교환기를 선택적으로 제어하여 상기 열원을 열원 수용처에 독립적으로 공급하는 열원 제어부를 포함하되, 상기 열원 제어부는 상기 다수개의 지중 열교환기 중 가장 저온 또는 고온의 열원 상태로 감지되는 어느 하나의 지중 열교환기를 선택하여 우선 작동시키고, 선택되지 않은 나머지 지중 열교환기는 오프 상태로 제어하며, 소정의 시간이 경과된 이후에는 상기 선택된 지중 열교환기를 통해 열원 저장부로 공급되는 열원 공급량을 일정하게 유지시킨 후에 기 선택된 지중 열교환기를 제외한 나머지 지중 열교환기 중에서 상대적으로 저온 또는 고온의 열원 상태로 감지되는 어느 하나의 지중 열교환기가 온(On) 상태로 작동되도록 제어하고 선택되지 않은 나머지 지중 열교환기는 열원 공급량과 온(On), 오프(Off) 제어를 실시하여 열원 저장부에 열원이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

분산형 지열 시스템{Dispersing type geothermal system}

본 발명은 지중 열교환기를 이용하여 건축물의 냉방과 난방을 도모하기 위한 것으로서, 보다 상세하게는 분산 배치된 열원 수용부의 개별 부하 상태에 따라 독립적으로 열원을 분산시켜 공급할 수 있는 분산형 지열 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 지열이라 함은 지표를 구성하는 암석이나 암석내에 존재하는 공간이나 균열된 틈새를 채우고 있는 유체에 저장된 열에너지를 말한다. 지표면 하부에서 특정 심도의 지열은 연중 일정한 온도를 유지하고 있으며, 지하수가 풍부한 곳에서는 지하수의 수온을 이용하여 건물의 냉난방을 도모하고 지하수의 부족한 곳에서는 순수한 토양과 암석 자체가 보유하고 있는 지열을 이용하여 건물의 냉난방에 사용하고 있다.

지열을 이용한 냉난방시스템은 냉난방 방식 중에서 가장 효율이 높고, 환경 친화적인 방법으로 알려져 있으며 지구온난화를 유발하는 이산화탄소의 배출 절감을 위한 방안 중에서 가장 경제적이고 효과적인 방법으로 인식되고 있다.

지열은 지하 약 10m정도까지는 지표면 온도의 변화에 따른 영향을 받지만 그 이하로 내려가면 지표면 온도의 영향을 거의 받지 않고 연중 일정한 온도상태를 유지한다. 상기 지열을 이용한 냉난방시스템은 무한한 지열에너지를 이용하여 냉난방을 위한 에너지를 수급하는 것으로서 히트펌프로 유입되는 열원 유체의 전달방식에 따라 밀폐형과 개방형으로 구분할 수 있다.

밀폐형 지열시스템은 수직형과 수평형으로 구분되고, 개방형 지열시스템은 크게 지표수 및 지하수 열원방식으로 구분된다. 지하수 열원방식은 다시 직립정(Standing Column Well)과 복수정(Two Wells)으로 구분할 수 있다.

밀폐형 지열시스템은 열을 회수, 방열하기 위해 플라스틱 파이프(고밀도 폴리에틸렌 파이프(HDPE))로 구성된 지중 열교환기를 지중에 매설한 상태에서 지열을 이용하는 것으로서, 개방형의 지하수 히트 펌프시스템과는 다르게 지하수를 빼내거나 순환시키지 않고 지중에 매설된 밀폐형 열교환기를 통해 작동 유체를 순환시켜 지중으로부터 열을 회수하거나 지중으로 열을 방출하는 방식이다. 밀폐형 지열시스템은 지중 열교환기를 지중에 설치한 후에는 지중 열교환기와 천공홀의 공간에 대한 되메우기(grouting) 작업을 수행하여 지표수의 유입방지 및 지하환경의 오염 발생을 방지해야한다. 이러한 밀폐형 지열시스템은 지하수를 얻을 수 없는 환경에서도 적용이 가능하고 지하수 이용에 따른 환경적 제한 없이 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다.

그러나 밀페형 지열시스템은 위와 같은 장점에도 불구하고 보급 활성화에 따른 단점을 가지고 있으며 일 예로 지열교환기를 지중에 매설해야만 하는 관계로 초기투자비가 많이 발생 되고 좁은 지역에서는 냉난방용 지중 열교환기를 매설하기 위한 대지가 필수적으로 확보되어야 하는 문제점이 유발되었다.

수직 밀폐형 지열시스템에서 지열을 열원으로 이용하기 위해서는 깊은 천공홀 외에도 지열루프의 설치간격이 5m 이상이 필요하므로 100RT 용량의 수직 밀폐형 지열시스템이 설치될 경우에 비교적 넓은 대지면적을 필요로 하였다.

개방형 지열시스템은 호수, 강 및 지하수를 채수하여 사용한 후 배수하거나 다른 용도로 사용하며 초기설치비가 밀폐형에 비해서 저렴하고 시스템 효율이 높다는 장점은 있으나, 충분한 수자원을 갖추어야만 하기에 실제 적용에 있어서 면밀한 사전검토가 필요하다. 개방형 지열시스템 중 가장 안정적이고 효율이 높은 시스템은 관정형(Well) 지열시스템으로서 물의 열에너지만을 이용하므로 지하수의 각종 오염 및 수정(水井)의 붕괴를 방지할 수 있으며, 동일면적당 지표수보다 10배 이상의 열에너지를 보유한 지하수를 사용하여 안정되고 신뢰성 있는 열에너지를 공급할 수 있다.

지하수 열원 지열시스템은 밀폐형 지열시스템에 비해 초기투자비가 적고 효율이 높아 운전비가 적게 든다는 장점이 있으며 지하수의 순환 과정에서 수온을 제외한 어떠한 변화도 없기에 환경 친화적이다.

종래의 지중 열교환기를 이용한 지중 열교환 시스템에 대해 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 1을 참조하면, 종래에는 건물(2)의 냉방과 난방을 위해 지중에 있는 지하수를 열원으로 이용하는 지중 열교환기(3)를 도면과 같이 설치하고, 상기 지중 열교환기(2)에 마련된 수중펌프를 이용하여 일정 온도로 유지되는 지하수를 펌핑하여 히트펌프(미도시)를 통해 냉방과 난방을 실시하였다. 이와 같이 사용되는 지중 열교환 시스템은 냉방과 난방을 위한 특정 건물(2)에 일대일로 지중 열교환기(2)를 설치하거나, 다수개의 지중 열교환기를 설치하여 냉방 또는 난방 부하가 발생되는 건물(2)에 열원인 물을 공급하여 냉난방을 실시하였다.

그러나 이와 같이 사용되는 종래의 지중 열교환 시스템은 냉방 또는 난방 부하가 발생되는 건물에 지속적으로 열원인 물을 공급하기 위해 연속 가동되면서 가동시간 증가로 인한 경제성이 저하되고, 해당 건물의 부하량이 증가 될수록 이와 비례하여 다수개의 지중 열교환기를 필요로 하면서 비용증가의 원인을 유발하였으며 다양한 부하 발생 상태에 따른 정밀한 제어가 실시되지 않고 단순히 부하 발생에 따른 냉방과 난방만을 도모하는 방법으로 제어되는 문제점이 유발되어 이에 대한 대책을 필요로 하였다.

본 발명의 실시예들은 부하가 서로 다른 열원 수용처에서 발생되는 부하량에 따른 최적의 냉난방을 도모하고자한다.

본 발명의 실시예들은 냉방 및 난방을 위해 가장 유리한 온도로 감지되는 지중 열교환기에 대한 우선 작동을 통해 지중 열교환기의 불필요한 가동을 최소화하여 작동 효율이 우수하고 경제성이 향상된 기기 운영을 도모하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 분산형 지열 시스템은 지중의 열원을 취득하기 위해 서로 다른 용량으로 이루어진 다수개의 지중 열교환기가 구비된 열원 취득부; 상기 열원 취득부에서 취득된 열원이 저장되는 열원 저장부; 상기 열원 저장부에 저장된 열원을 개별적으로 공급받고 서로 다른 위치에 배치된 다수개의 열원 수용처로 이루어진 열원 수용부; 및 상기 열원 저장부에 저장된 열원을 열원 수용처의 개별 부하 상태에 따라 상기 지중 열교환기 중의 어느 하나 또는 다수개의 지중 열교환기를 선택적으로 제어하여 상기 열원을 열원 수용처에 독립적으로 공급하는 열원 제어부를 포함하되, 상기 열원 제어부는 상기 다수개의 지중 열교환기 중 가장 저온 또는 고온의 열원 상태로 감지되는 어느 하나의 지중 열교환기를 선택하여 우선 작동시키고, 선택되지 않은 나머지 지중 열교환기는 오프 상태로 제어하며, 소정의 시간이 경과된 이후에는 상기 선택된 지중 열교환기를 통해 열원 저장부로 공급되는 열원 공급량을 일정하게 유지시킨 후에 기 선택된 지중 열교환기를 제외한 나머지 지중 열교환기 중에서 상대적으로 저온 또는 고온의 열원 상태로 감지되는 어느 하나의 지중 열교환기가 온(On) 상태로 작동되도록 제어하고 선택되지 않은 나머지 지중 열교환기는 열원 공급량과 온(On), 오프(Off) 제어를 실시하여 열원 저장부에 열원이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 열원 저장부는, 소정의 체적으로 이루어진 열원 저장탱크와; 상기 열원 저장탱크와 연결되고 상기 열원 저장탱크 내부에서의 부피 팽창에 의한 열원의 유입을 도모하는 팽창탱크(Expansion Tank)를 포함한다.

상기 열원 취득부는, 고용량의 열원이 취득되고 개방형 지중 열교환기로 이루어진 제1 열원 취득부와; 상기 제1 열원 취득부에 비해 상대적으로 낮은 열원이 취득되고 밀폐 수직형 지중 열교환기로 이루어진 제2 열원 취득부를 포함한다.

상기 열원 수용부는, 상업용 건물(commercial bulidings)로 이루어진 열원 수용처와; 레지덴셜 건물(residential buildings)로 이루어진 제2 열원 수용처로 이루어지고, 상기 제1 내지 제2 열원 수용처에는 냉난방을 위한 다수개의 히트펌프가 마련된다.

상기 열원 저장부와 열원 취득부 사이에 형성되고, 상기 열원 취득부와 열원 저장부에서 각각 독립적으로 열원이 이동되도록 구비된 제1 연결 관로와; 상기 열원 저장부와 열원 수용부 사이에 형성되고, 상기 열원 저장부와 열원 수용부에서 각각 독립적으로 열원이 이동되도록 구비된 제2 연결 관로를 포함한다.

상기 제1,2 연결 관로는, 열원의 이동에 따른 열교환을 위해 구비된 열교환기와; 열원의 이동을 도모하기 위해 구비된 순환펌프를 포함한다.

상기 지중 열교환 시스템은, 다수개의 열원 수용처에 구비된 히트펌프로 순환되는 열원의 온도와, 열원 저장부의 온도를 감지하기 위해 구비된 온도센서와; 상기 열원 수용처로 공급되는 열원의 유량을 감지하는 유량계와; 상기 열원의 흐름을 감지하는 플로우 센서를 더 포함한다.

상기 열원 제어부는, 열원 저장부에 저장된 열원이 소정의 온도로 유지되도록 설정 온도를 셋팅하고, 상기 열원 저장부가 설정 온도를 벗어날 경우에 순환펌프를 우선 가동한 후에 해당 열원 수용처의 히트펌프가 작동되도록 제어한다.

본 발명의 실시예들은 열원 수용부의 부하 상태에 따라 지중 열교환기를 선택적으로 제어하고, 상기 열원 수용부에 선택적으로 냉방 또는 난방을 실시할 수 있다.

본 발명의 실시예들은 열원 수용부의 부하 상태와 부하가 발생된 특정 열원 수용처에 열원을 분산 공급할 수 있다.

도 1은 종래의 지중 열교환 시스템을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 열교환 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 3 내지 도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 열교환 시스템의 구성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 열교환 시스템의 제어부 및 제어부와 연결된 구성을 도시한 블럭도.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 열교환 시스템의 작동 상태도.

본 발명의 일 실시예에 따른 분산형 지중 열교환 시스템의 구성에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 분산형 지중 열교환 시스템의 개념도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 분산형 지중 열교환 시스템의 구성을 도시한 도면이다.

첨부된 도 2 내지 도 3을 참조하면, 분산형 지중 열교환 시스템(1)은 크게 지중의 열원이 취득되는 열원 취득부(100)와, 상기 열원 취득부(100)에서 취득된 열원이 저장되는 저장탱크(200)와, 상기 저장탱크(200)에 저장된 열원을 공급받는 열원 수용부(300)와, 상기 열원 취득부(100)와 저장탱크(200) 및 열원 수용부(300)를 제어하는 열원 제어부(400)를 포함한다.

열원 취득부(100)는 고용량의 열원이 취득되고 개방형 지중 열교환기로 이루어진 제1 열원 취득부(110)와, 상기 제1 열원 취득부(110)에 비해 상대적으로 낮은 열원이 취득되고 밀폐형 지중 열교환기로 이루어진 제2 열원 취득부(120)를 포함한다.

제1 열원 취득부(110)는 지중 열교환기 중에서 효율이 우수한 개방형 지중 열교환기가 사용되므로 비용이 적게 소모되는 특징을 가지고 있으며 본 실시예에서는 제1 지중 열교환기(112)와 제2 지중 열교환기(114)로 이루어진다. 상기 제1 지중 열교환기(112)는 복수정(two-well type) 방식이 사용되고, 제2 지중 열교환기(114)는 직립정(standing column well) 방식이 사용된다.

제2 열원 취득부(120)는 제3 지중 열교환기(122)와 제4 지중 열교환기(124)로 이루어지고, 상기 제3 지중 열교환기(122)는 shallow vertical closed type이 사용되고, 제4 지중 열교환기(124)는 deep vertical closed type이 사용된다.

제1 내지 제2 열원 취득부(110,120)는 열원 취득이 가장 용이한 위치에 설치될 수 있으며 서로 다른 방식(type)의 지중 열교환기가 사용된다. 참고로 도 2에 도시된 열원 취득부(100)의 지중 열교환기 방식과 배치 관계 및 대수는 설명의 편의를 위해 일 예로 도시한 것이며 도 2에 도시한 상태로 한정하지 않으며 제1,2 열원 취득부(110,120)는 열원으로 물이 사용된다.

본 발명의 일 실시예에 의한 저장탱크(200)는 냉수 또는 온수가 저장될 수 있는 열원 저장의 기능과, 열원 수용처에 마련된 히트펌프의 냉방 또는 난방을 위해 저온 또는 고온의 물을 공급할 수 있는 공급 기능을 동시에 수행할 수 있다.

저장탱크(200)가 열원 저장의 기능으로 사용될 경우에는 상기 열원 수용부(300)에서 발생되는 초기 부하 발생량에 대해 제1 내지 제2 열원 취득부(110,120)를 작동시키지 않은 상태에서도 상기 저장탱크(200)에 저장된 저온 또는 고온의 물을 열원 수용부(300)에 공급하여 냉방 또는 난방을 실시할 수 있다.

저장탱크(200)는 물이 저장되는 용량에 따라 소정의 시간 동안 제1 내지 제2 열원 수용처(310,320)의 부하 발생에 따른 냉수 또는 온수를 공급하고, 상기 저장탱크(200)에 저장된 열원의 온도가 변동될 경우에 열원 취득부(100)에서 열원을 재공급 받는다.

열원 저장부(200)는 소정의 체적으로 이루어진 열원 저장탱크(210)가 마련되고, 상기 열원 저장탱크(210)는 후술할 열원 수용부(300)에 대한 설계 부하량을 참고로 크기가 산정될 수 있다. 예를 들어 상기 열원 수용부(300)의 전체 부하가 클 경우에는 저장탱크(200)가 탱크 형태로 이루어지지 않고 콘크리트 구조물로 이루어질 수 있다. 저장탱크(200)는 열손실을 최소화하기 위해 내부 또는 외부에 단열재가 시공되거나, 내부와 외부 모두 단열재가 시공된다. 일 예로 본 발명의 일 실시예에 의한 열원 저장탱크(210)는 외부에 우레탄 또는 유리섬유로 이루어진 단열재가 시공되고 상기 단열재의 고정을 위해 외측에 알루미늄으로 이루어진 커버가 설치될 수 있다. 또한 상기 저장탱크(200)는 지상 또는 지하 중의 어느 한 곳에 선택적으로 설치될 수 있으며 특별히 위치를 한정하지 않는다.

열원 저장탱크(210)는 지면에 설치되지 않고 소정의 높이로 이루어진 받침판의 상부에 설치되며, 상기 열원 저장탱크(210)의 하측에 지지부재가 마련되어 상기 받침판에 수직으로 직립된 상태가 유지된다.

열원 저장탱크(210)는 내부에 저장된 물의 부피 팽창에 따른 파손을 방지하기 위해 팽창탱크(220)와 연결 설치되고, 열원 저장탱크(210) 내부의 부피 팽창에 따른 물의 유입을 도모한다. 열원 저장탱크(210)는 복수개로 이루어지지 않고 단일 저장탱크가 사용된다. 열원 저장탱크(210)의 내부 온도는 특정 온도로 조절되며 이에 대한 상세한 설명은 후술한다.

열원 수용부(300)는 상업용 건물(commercial bulidings)로 이루어진 제1 열원 수용처(310)와, 레지덴셜 건물(residential buildings)로 이루어진 제2 열원 수용처(320)로 이루어지고, 상기 제1 내지 제2 열원 수용처(310,320)에는 냉난방을 위한 다수개의 히트펌프(312,322)가 마련된다.

상업용 건물은 오피스 빌딩, 상가, 백화점 또는 마트 중의 어느 하나 또는 둘 이상이 복합적으로 입주된 건물이고, 레지덴셜 건물은 호텔, 아파트 또는 주택 중의 어느 하나가 입주된 건물이다.

상업용 건물인 백화점을 일 예로 들면 층별로 각각 다수개의 매장이 입점해 있고, 층마다 서로 다른 상품이 전시 및 판매가 이루어지면서 냉난방에 따른 부하 발생량이 높게 발생된다. 또한 백화점에는 스포츠 센터가 동시에 입주될 수 있으며 수영장 또는 사우나가 필수적으로 구비되고, 상기 수영장과 사우나는 다수의 사용자가 사용하면서 냉온수 사용량이 현저하게 증가되며 이에 따른 부하 발생량도 사용량에 따라 비례하여 증가될 수 있다.

레지덴셜 건물인 호텔은 앞서 설명한 상업용 건물에 비해 부하 사용량은 상대적으로 적거나 일정하게 유지되나 여름철 또는 겨울철과 같이 특정 계절 중 특정 시간대에 냉난방 또는 냉온수 사용에 따른 부하 발생량도 현저하게 증가되는 특징이 있다.

히트펌프(312,322)는 상업용 건물과 레지덴셜 건물의 지하 기계실에 다수대가 마련되고, 상기 제1,2 열원 수용처(310,320)의 부하 발생량에 따라 설치 대수가 변경될 수 있다. 상기 히트펌프(312,322)는 공지된 기술구성이므로 상세한 설명은 생략한다.

예를 들어 제1 열원 수용처(310)에 마련된 백화점 건물에는 다수개의 히트펌프(312)가 구비되고, 1대의 히트펌프당 50RT에 해당되는 부하량을 서포트 할 수 있다. 제2 열원 수용처(320)에 마련된 호텔은 백화점에 비해 상대적으로 적은 개수의 히트펌프(322)가 설치되며 상기 제1 내지 제2 열원 수용처(310,320) 모두 저장탱크(200)로부터 열원을 공급받는다.

첨부된 도 3 내지 도 4를 참조하면, 제1 연결 관로(230)는 저장탱크(200)와 열원 취득부(100) 사이에 작동 유체인 물의 이동을 위해 형성되고, 상기 열원 취득부(100)와 저장탱크(200)에서 각각 독립적으로 열원이 이동되도록 구비된다. 제1 연결 관로(230)는 제1 내지 제2 열원 취득부(110,120)와 저장탱크(200) 사이를 연결하는 파이프로서 제 1열원 취득부(110)와 저장탱크(200) 사이에 제1 공급관(232a)과 제1 환수관(234a)이 구비되고, 제2 열원 취득부(120)와 저장탱크(200) 사이에 제2 공급관(232b)와 제2 환수관(234b)이 구비된다.

제2 연결 관로(240)는 저장탱크(200)와 열원 수용부(300) 사이에 작동 유체인 물의 이동을 위해 형성되고, 상기 저장탱크(200)와 열원 수용부(300)에서 각각 독립적으로 열원이 이동되도록 구비된다. 제2 연결 관로(240) 또한 저장탱크(200)와 열원 수용부(300)사이에 연결된 제3 공급관(242)과 제3 환수관(244)을 포함한다.

제1 연결 관로(230)는 지중 열교환기에서 저장탱크(200) 또는 저장탱크(200)에서 지중 열교환기로 이동되는 저온의 열원 또는 고온의 열원과의 열교환을 도모하기 위해 열교환기(10)가 구비되고, 상기 열교환기(10)와 저장탱크(200) 사이에 열원의 이동을 도모하는 순환펌프(20)가 마련된다. 상기 순환펌프(20)에는 역류를 방지하는 체크밸브와, 이물질을 필터링하는 스트레이너가 함께 설치된다.

지중 열교환 시스템(1)은 다수개의 열원 수용처에 구비된 히트펌프(312,322)로 순환되는 열원의 온도와, 저장탱크(200)의 온도를 감지하기 위해 온도센서(30)가 구비된다. 본 실시예에 의한 온도센서(30)는 제1 공급관(232a)과 제1 환수관(234a)에 각각 설치되고, 열원 저장탱크(210)에 저장된 물의 온도를 감지하기 위해 마련된다. 미 설명된 232b는 제2 공급관이고, 234b는 제2 환수관이다.

열원 저장탱크(210)는 열원 취득부(100)에서 취득된 열원의 온도와, 열원 저장탱크(210)를 경유하여 열원 수용부(300)로 공급되는 열원의 온도를 감지하기 위해 상기 열원 저장탱크(210)의 주위의 다수개의 온도센서(30)가 설치된다. 또한 온도센서(30)는 히트펌프(312,322)의 환수관에 설치되어 환수 온도를 감지할 수 있다. 상기 온도센서(30)들은 감지된 온도정보를 열원 제어부(400)에 제공하고 상기 열원 제어부(400)는 이를 입력받아 제1,2 열원 취득부(110,120)의 작동 상태를 제어한다.

유량계(40)는 열원 수용처로 공급되는 열원의 유량을 감지하기 위해 히트펌프(312,322)와 연결된 제1 내지 제2 공급관(232a,232b)에 설치되며, 앞서 설명한 열원 저장탱크(210)에 설치된 온도센서(30)에서 감지된 온도 정보를 이용하여 열원 수용부(300)에서 필요한 열량을 계산할 수 있으며 이에 대한 설명은 후술하기로 한다. 본 실시예에서는 상기 유량계(40)와 함께 물의 흐름을 감지하는 플로우 센서(50)를 더 포함한다.

첨부된 도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 열원 제어부(400)는 저장탱크(200)에 저장된 열원을 열원 수용부(300)의 부하 상태에 따라 지중 열교환기 중의 어느 하나 또는 다수개의 지중 열교환기(112,114,122,124)를 선택적으로 제어하여 상기 열원을 제1,2 열원 수용처(310,320)에 독립적으로 공급하고 상기 제1,2 열원 수용처(310,320)의 다양한 부하 상태에 따른 개별 제어를 실시할 수 있다.

열원 제어부(400)는 앞서 설명한 온도센서(30)와, 유량계(40)와 플로우센서(50)로부터 각각 온도와, 유량과 물의 이동에 따른 감지 신호를 전송받아 순환펌프(20)의 온, 오프 작동 상태와 분당 회전수(rpm)를 제어하고, 히트펌프(312,322)의 온, 오프 작동 상태를 제어하며, 제1 내지 제2 지중 열교환기(112,114)에 마련된 수중펌프(110a)의 온, 오프 작동 상태를 제어한다. 또한 상기 온도센서(30)를 통해 열원 수용부(300)로 공급 및 환수되는 열원의 온도를 지속적으로 모니터링하여 지중 열교환기(112,114,122,124)의 작동 상태를 제어한다. 또한 유량계(40)에서 감지된 유량 정보를 입력받아 열원 수용부(300)에서 발생되는 부하 변동량에 따라 저장탱크(200)에서 열원 수용부(300)로 공급되는 냉온수량을 조절한다.

열원 제어부(400)는 저장탱크(200)에 저장된 열원이 소정의 온도로 유지되도록 설정 온도를 셋팅할 수 있으며, 상기 설정 온도에 따라서 제1,2 열원 취득부(110,120)에 구비된 지중 열교환기(112,114,122,124)의 작동 상태를 제어한다.

예를 들면, 저장탱크(200)는 지중 온도를 기준으로 설정 온도가 셋팅될 수 있으며 상기 지중 온도는 연중 15℃의 온도로 유지되므로 상기 지중 온도인 15℃를 기준으로 저장탱크(200)의 온도가 설정된다. 이에 대해 보다 상세하게 설명하면 열원 제어부(400)는 저장탱크(200)가 설정 온도를 벗어날 경우에 순환펌프(20)를 우선 작동시키고 해당 열원 수용처의 히트펌프가 작동되도록 제어하며, 상기 저장탱크(200)의 온도 상태에 따라 순환펌프(20)의 펌핑량도 동시에 제어할 수 있다.

이와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 의한 분산형 지열 시스템의 작동 상태를 도면을 참조하여 설명한다. 참고로 본 실시예에서는 분산형 지열 시스템이 여름일 경우에 작동되는 상태를 설명한다.

첨부된 도 6을 참조하면, 열원 제어부(400)는 대기온도와, 저장탱크(200)의 온도와 제3 환수관(244)을 통해 환수되는 물의 온도를 온도센서(30)(도 4 참조)를 통해 입력받아 현재의 작동 상태를 판단한다. 예를 들어 현재 대기 온도가 35℃이고 저장탱크(200)의 온도가 15℃일 경우에는 지중 온도인 15℃와 유사하게 저장탱크(200)의 온도가 유지되므로 제1 또는 제2 열원 취득부(110,120)를 작동시키지 않고 대기한다. 상업용 건물인 제1 열원 수용처(310)는 앞서 설명한 바와 같이 백화점 또는 스프츠 센터 및 상가 등이 입주해 있으며, 상기 제1 열원 수용처(310)에서 발생된 부하를 해소하기 위해 저장탱크(200)에 저장된 15℃ 상태의 물이 제2 공급관(232)을 통해 히트펌프(312)의 응축기(미도시)로 공급되고 소정의 온도로 하강되어 제1 열원 수용처(310)에 공급된다. 상기 제1 열원 수용처(310)에는 히트펌프(312)에서 공급된 저온의 물이 헷더(미도시)로 이동되고, 상기 헷더에서 각층마다 구비된 팬코일 유닛(미도시)에 공급되면서 냉방이 이루어진다. 소정의 시간이 경과된 후에 상기 팬코일과 헷더를 경유하여 히트펌프(312)로 20℃의 온도로 상승된 물이 재순환되고, 제3 환수관(244)을 경유하여 저장탱크(200)로 환수된다.

열원 제어부(400)는 히트펌프(312,322)로 입,출입 되는 물의 온도와 유량계(40)로 감지되는 유량을 이용하여 현재 열원 수용부(300)에서 필요한 열량을 계산할 수 있으며, 소정의 시간 경과 후에 저장탱크(200)에 설치된 온도센서(30)를 통해 감지된 온도가 17℃ 또는 그 이상으로 감지될 경우에는 고용량의 열원 취득이 가능한 제1 열원 취득부(110)를 통해 15℃ 로 유지되는 물이 저장탱크(200)로 공급되도록 수중펌프(110a)에 제어 신호를 전송하여 저온의 물을 공급한다.

수중펌프(110a)에서 펌핑된 저온의 물은 제1 공급관(232a)을 통해 열교환기(10)로 이동되고, 상기 열교환기(10)에서 제1 환수관(234a)을 통해 환수되는 고온의 물과 열교환이 이루어진 후에 저장탱크(200)로 공급된다. 열원 제어부(400)는 열원 수용부(300)의 부하 상태에 따라 제2 열원 취득부(120)의 작동상태를 선택적으로 제어할 수 있으며 본 실시예에서는 상기 제1 열원 취득부(110)를 통해 저온의 열원이 취득되는 것으로 설명하나 반드시 한정하지 않는다.

열원 제어부(400)는 온도센서(30)를 통해 감지된 저장탱크(200)의 온도에 대한 모니터링을 통해 설정 온도인 15℃가 유지될 때까지 소정의 시간 동안 수중펌프(110a)를 가동시켜 저장탱크(200)에 저온의 물을 펌핑시켜 저장한다.

열원 제어부(400)는 수중펌프(110a)가 작동되는 동안에 t초 동안 순환펌프(20)와 히트펌프(312)를 오프 상태로 제어하고, t초가 경과된 이후에 순환펌프(20)와 히트펌프(312)를 작동시켜서 저온의 물을 제1 열원 수용처(310)의 히트펌프(312)로 공급시킨다. 히트펌프(312)는 제3 공급관(242)을 통해 저온의 물을 열원수용부(300)에 공급하여 냉방을 도모하고, 실내에서 열교환되어 온도가 상승된 물은 제2 환수관(244)를 통해 히트펌프(312)를 경유하여 저장탱크(200)로 재순환된다.

팽창탱크(220)는 열원 저장탱크(210)에 저장된 물의 부피 팽창에 따른 유입을 도모하여 상기 열원 저장탱크(210)의 안정적인 운영을 가능하게 하며, 상기 열원 저장탱크(210)에서 부피 팽창된 물이 팽창탱크(220)로 소정량 유입될 수 있다.

열원 제어부(400)는 저장탱크(200)의 부하가 부분적으로 발생될 경우에는 앞서 설명한 바와 같이 제1 열원 취득부(110) 또는 제2 열원 취득부(120) 중의 어느 하나를 선택적으로 가동시켜 저장탱크(200)에 열원을 공급할 수 있으며, 상기 제1 내지 제2 열원 취득부(110,120)에서 동시에 부하가 발생될 경우에는 다음과 같이 제어를 실시한다.

첨부된 도 7을 참조하면, 열원 제어부(400)는 제1 열원 수용처(310)와 제2 열원 수용처(320)를 경유하여 히트펌프(312,322)로 환수되는 물의 온도와 저장탱크(200)의 온도에 대해 온도센서(30)를 통해 입력받아 설정된 온도와 비교하고 환수된 물의 온도가 상대적으로 높은 온도로 감지될 경우에는 현재 열원 수용부(300)의 부하 상태가 높은 것으로 판단한다. 열원 제어부(400)는 제1 내지 제2 열원 취득부(110,120)에 마련된 다수개의 지중 열교환기(112,114,122,124)에서 모두 동시에 열원을 취득하지 않고, 제1 열원 취득부(110) 또는 제2 열원 취득부(120) 중에 어느 하나를 우선적으로 선택하여 작동시킬 수 있으며 본 실시예에서는 상기 제2 열원 취득부(120)를 통해 저온의 열원인 물이 공급되는 것으로 설명한다.

제2 열원 취득부(120)에서 공급된 저온의 물은 저장탱크(200)에 공급되고, 제3 공급관(242)을 통해 히트펌프(322)를 경유하여 제2 열원 수용처(320)로 공급된다. 상기 제2 열원 수용처(320)에는 히트펌프(322)에서 공급된 저온의 물이 헷더(미도시)로 이동되고, 상기 헷더에서 각층마다 구비된 팬코일 유닛(미도시)에 공급되면서 냉방이 이루어진다. 소정의 시간이 경과된 후에 상기 팬코일과 헷더를 경유하여 히트펌프(322)로 소정의 온도로 상승된 물이 재순환되고, 제3 환수관(244)을 경유하여 저장탱크(200)로 환수된다.

본 발명에 의한 분산형 지열 시스템의 또 다른 실시예에 의한 작동 상태를 도면을 참조하여 설명한다.

첨부된 도 8을 참조하면, 열원 제어부(400)는 제1 내지 제2 열원 수용처(310,320)에서 모두 최대 부하상태인지를 판단한다. 예를 들어 저장탱크(200)에 설치된 온도센서(30)를 통해 20℃ 전후로 온도가 감지될 경우에는 제1 열원 취득부(110)와 제2 열원 취득부(120)를 모두 작동시켜 상기 저장탱크(200)에 저온의 물을 공급한다.

열원 제어부(400)는 온도센서(30)를 통해 감지된 저장탱크(200)의 온도가 설정 온도인 15℃가 유지될 때까지 연속으로 저온의 물이 저장탱크(200)에 공급되도록 제어하고, 상기 열원 저장탱크(210)에 저장된 저온의 물은 제3 공급관(242)을 경유하여 히트펌프(312,322)로 공급되도록 제어한다. 상기 히트펌프(312,322)에서는 제1 내지 제2 열원 수용처(310,320)에 공급하여 냉방을 도모한다.

본 발명의 일 실시예에 의한 분산형 지열 시스템은 다수개의 지중 열교환기(112,114,122,124)의 작동 상태를 다음과 같이 제어한다.

예를 들어 열원 제어부(400)는 다수개의 지중 열교환기를 무작위로 작동시키지 않고 다수개의 지중 열교환기 중에서 가장 저온 상태로 감지되는 어느 하나의 지중 열교환기를 선택하여 작동키고, 상기 선택된 지중 열교환기가 소정시간 동안 작동되면서 수온이 상승될 경우에는 나머지 지중 열교환기 중에서 가장 저온 상태로 감지되는 지중 열교환기를 선택하여 작동시킨다. 즉 지중 열교환기의 작동은 물의 온도가 가장 저온 상태로 감지되는 지중 열교환기를 선택하여 순서대로 작동시키며 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

열원 제어부(400)는 가장 저온 상태로 감지되는 제1 지중 열교환기(112)를 우선 작동시키고 나머지 제2 지중 열교환기(114) 및 제2 열원 취득부(120)는 모두 오프 상태로 제어한다. 상기 제1 지중 열교환기(112)가 작동되면서 열원 저장탱크(210)0)로 공급된 저온의 물은 제1 내지 제2 열원 수용처(310,320)에 공급되고, 소정 시간 경과 후에 제1 지중 열교환기(112)에 마련된 수중펌프(110a)의 분당회전수는 일정하게 유지시킨 상태에서 제2 지중 열교환기(114)를 작동시키고 제2 열원 취득부(120)는 모두 오프 상태로 유지한다. 그리고, 소정 시간 경과 후에 제1,2 지중 열교환기(112,114)에 마련된 수중펌프(110a)의 분당회전수는 일정하게 유지시키면서 제3 지중 열교환기(122)를 통해 저온이 물이 이동되도록 제어하고 제4 지중 열교환기(124)는 오프 상태로 유지시킨다. 그리고 소정 시간 경과 후에 상기 제1,2 지중 열교환기(112,114)와 제3 지중 열교환기(122)는 작동 상태를 유지하고 제4 지중 열교환기(124)를 통해서도 저온의 물이 열원 저장탱크(210)에 공급되도록 작동시킨다.

따라서, 열원 제어부(400)는 열원 저장탱크(210)에 유입된 물을 제1 내지 제2 열원 수용처(310) 또는 제2 수용처(320)로 분산 공급하여 급격한 부하 증가에 따른 냉방 또는 난방을 안정적으로 실시할 수 있다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

삭제

100 : 열원 취득부
110 : 제1 열원 취득부
120 : 제2 열원 취득부
200 : 열원 저장부
210 : 열원 저장탱크
220 : 팽창탱크
300 : 열원 수용부
310, 320 : 제1,2 열원 수용부
400 : 열원 제어부

Claims (8)

1. 지중의 열원을 취득하기 위해 서로 다른 용량으로 이루어진 다수개의 지중 열교환기가 구비된 열원 취득부;
   상기 열원 취득부에서 취득된 열원이 저장되는 열원 저장부;
   상기 열원 저장부에 저장된 열원을 개별적으로 공급받고 서로 다른 위치에 배치된 다수개의 열원 수용처로 이루어진 열원 수용부; 및
   상기 열원 저장부에 저장된 열원을 열원 수용처의 개별 부하 상태에 따라 상기 지중 열교환기 중의 어느 하나 또는 다수개의 지중 열교환기를 선택적으로 제어하여 상기 열원을 열원 수용처에 독립적으로 공급하는 열원 제어부를 포함하되,
   상기 열원 제어부는,
   상기 다수개의 지중 열교환기 중 가장 저온 또는 고온의 열원 상태로 감지되는 어느 하나의 지중 열교환기를 선택하여 우선 작동시키고, 선택되지 않은 나머지 지중 열교환기는 오프 상태로 제어하며,
   소정의 시간이 경과된 이후에는 상기 선택된 지중 열교환기를 통해 열원 저장부로 공급되는 열원 공급량을 일정하게 유지시킨 후에 기 선택된 지중 열교환기를 제외한 나머지 지중 열교환기 중에서 상대적으로 저온 또는 고온의 열원 상태로 감지되는 어느 하나의 지중 열교환기가 온(On) 상태로 작동되도록 제어하고 선택되지 않은 나머지 지중 열교환기는 열원 공급량과 온(On), 오프(Off) 제어를 실시하여 열원 저장부에 열원이 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 분산형 지열 시스템.
2. 제1 항에 있어서,
   상기 열원 저장부는,
   소정의 체적으로 이루어진 열원 저장탱크;
   상기 열원 저장탱크와 연결되고 상기 열원 저장탱크 내부에서의 부피 팽창에 의한 열원의 유입을 도모하는 팽창탱크(Expansion Tank)를 포함하는 분산형 지열 시스템.
3. 제1 항에 있어서,
   상기 열원 취득부는,
   고용량의 열원이 취득되고 개방형 지중 열교환기로 이루어진 제1 열원 취득부;
   상기 제1 열원 취득부에 비해 상대적으로 낮은 열원이 취득되고 밀폐 수직형 지중 열교환기로 이루어진 제2 열원 취득부를 포함하는 분산형 지열 시스템.
4. 제1 항에 있어서,
   상기 열원 수용부는,
   상업용 건물(commercial bulidings)로 이루어진 제1 열원 수용처;
   레지덴셜 건물(residential buildings)로 이루어진 제2 열원 수용처로 이루어지고, 상기 제1 내지 제2 열원 수용처에는 냉난방을 위한 다수개의 히트펌프가 마련된 분산형 지열 시스템.
5. 제1 항에 있어서,
   상기 열원 저장부와 열원 취득부 사이에 형성되고, 상기 열원 취득부와 열원 저장부에서 각각 독립적으로 열원이 이동되도록 구비된 제1 연결 관로;
   상기 열원 저장부와 열원 수용부 사이에 형성되고, 상기 열원 저장부와 열원 수용부에서 각각 독립적으로 열원이 이동되도록 구비된 제2 연결 관로를 포함하는 분산형 지열 시스템.
6. 제5 항에 있어서,
   상기 제1,2 연결 관로는,
   열원의 이동에 따른 열교환을 위해 구비된 열교환기;
   열원의 이동을 도모하기 위해 구비된 순환펌프를 포함하는 분산형 지열 시스템.
7. 제1 항에 있어서,
   상기 지중 열교환 시스템은,
   다수개의 열원 수용처에 구비된 히트펌프로 순환되는 열원의 온도와, 열원 저장부의 온도를 감지하기 위해 구비된 온도센서;
   상기 열원 수용처로 공급되는 열원의 유량을 감지하는 유량계;
   상기 열원의 흐름을 감지하는 플로우 센서를 더 포함하는분산형 지열 시스템.
8. 제1 항에 있어서,
   상기 열원 제어부는,
   열원 저장부에 저장된 열원이 소정의 온도로 유지되도록 설정 온도를 셋팅하고, 상기 열원 저장부가 설정 온도를 벗어날 경우에 순환펌프를 우선 가동한 후에 해당 열원 수용처의 히트펌프가 작동되도록 제어하는 분산형 지열 시스템.

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