KR101445619B1 - 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 지열 열교환기와 하이브리드 히트펌프의 열원을 온실에 공급함으로써, 냉·난방의 수행이 가능하여 외부조건에 따라 냉방과 난방 및 제습을 자동으로 수행할 수 있고, 온실 내의 과한 열원은 지열 열교환기를 통해 지중에 축열하여 에너지 효율이 우수한 히트펌프시스템을 제공하며, 그에 따라 온실 내 작물의 안전한 생육에도 유리한 특징이 있다.

Description

온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법{Hybrid heat pump system of air-source heat greenhouses and geothermal}

본 발명은 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 지열 열교환기와 하이브리드 히트펌프의 열원을 온실에 공급함으로써, 냉·난방의 수행이 가능하여 외부조건에 따라 냉방과 난방 및 제습을 자동으로 수행할 수 있고, 온실 내의 과한 열원은 지열 열교환기를 통해 지중에 축열하여 에너지 효율이 우수한 히트펌프시스템을 제공하며, 그에 따라 온실 내 작물의 안전한 생육에도 유리한 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법에 관한 것이다.

온실은 주로 농업 분야에서 계절에 관계없이 상품을 재배하여 농가의 수입을 증가시키는 수단으로 이용되고 있다. 이러한 온실은 경작물이 건강하고, 정상적으로 성장하기 위하여 필요로 하는 온도와 습도, 이산화탄소 농도 등을 적절하게 유지하여야 한다.

또한 일반 건물이나 열원을 많이 사용하는 건물도 4계절 냉ㆍ온열이 필요하며, 이러한 냉ㆍ온열을 동시에 사용하면서 수열원 히트펌프를 이용하여 냉ㆍ온열을 동시에 생산하며, 냉열과 온열 중 남는 열원을 지열을 이용하여 조절하므로 지열의 사용량을 줄여 에너지 총괄 이용효율을 높이며, 지열 열교환기의 공사비를 줄여 투자비 및 운전비를 줄이기 위한 기술이 모색되고 있다.

종래의 온실 시스템은 온실 내에 구비되는 이산화탄소센서, 온도센서, 습도센서 등과 개폐창, 그리고 보일러에서 연장된 배관을 포함하여 구성된다.

상기 시스템에서, 상기 온도센서 및 습도센서에 의하여 측정된 값이 기준치 이상으로 되면, 개폐창이 개방되어 온실 내의 습기와 온기를 외부로 방출함으로써 온도와 습도를 낮추게 된다. 그리고 온실 내의 온도가 기준치 이하로 떨어지면 보일러가 가동되어 배관을 가열함으로써 실내 온도를 높이게 된다. 이 때 온실 내의 이산화탄소가 개폐창을 통하여 배출되는데, 그리하여 실내 이산화탄소의 농도가 기준치 이하로 떨어지면 외부의 탱크로부터 이산화탄소가 실내로 공급된다.

이와 같이, 종래의 온실 시스템은 개폐창을 개방하여 온도와 습도를 낮추는 한편, 온도가 낮아지면 보일러를 가동하여 난방을 하는데, 이때 외부온도의 영향을 많이 받아 외기가 낮을수록 실내 난방부하가 많이 발생하여 에너지의 낭비가 초래되고 있다.

또한, 개폐창을 이용하여 온도와 습도를 낮추고 맞추는 것은 조절의 한계가 있으며 한편, 환절기 특히 주간에는 개폐창의 개방이 많아지는데 우리나라 기후 특성상 계절풍과 해충으로 인하여 작물 재배에 많은 어려움이 있다. 그리고 하절기에는 개폐창이 개방되어도 온도 및 습도가 너무 높은 상태로 있으며, 열대야를 동반하는 경우 작물의 생육에 지장이 초래되고 있다.

이에 다른 방법으로, 근래에는 다른 설비나 장치를 대체하여 냉·난방 설비로써 온실의 상부에 FCU(팬코일유닛)를 설치하여 사용하는 경우가 있다. 그러나 이 경우 냉방과 난방이 쉽고 빠르게 이루어지지 않으며, 제습의 문제가 심각하게 동반된다. 또한 상기 FCU를 사용하는 경우 작물 손상의 우려가 있기 때문에 강하고 빠르게 동작할 수 없으며, 온실 내의 상·하부 온도차가 크게 되고, 오히려 작물의 상측이 난방에 직접 접촉하게 됨으로써 온실의 온도조절 및 작물의 건강한 생육에 지장을 주게 된다.

대한민국 등록특허공보 제10-1001736호 대한민국 등록특허공보 제10-0922821호

따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,

계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 지열 열교환기와 하이브리드 히트펌프의 열원을 온실에 공급함으로써, 냉·난방의 수행이 가능하여 외부조건에 따라 냉방과 난방 및 제습을 자동으로 수행할 수 있고, 온실 내의 과한 열원은 지열 열교환기를 통해 지중에 축열하여 에너지 효율이 우수한 히트펌프시스템을 제공하며, 그에 따라 온실 내 작물의 안전한 생육에도 유리한 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 온실에 열원을 공급하는 히트펌프시스템에 있어서,

지중에 매설되어 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 지중의 열원을 선택적으로 공급하거나 또는 열원을 지중에 축열하는 지열 열교환기와;

계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 상기 지열 열교환기를 통해 지열의 열원을 이용하여 냉,온열을 생성하거나 외부의 공기열을 이용하여 냉,온열을 생성하는 하이브리드 히트펌프와;

상기 하이브리드 히트펌프에서 생성된 냉,온열을 저장하고, 상기 저장된 냉,온열을 온실 내의 공급장치에 전달하는 축열조;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법에 관한 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법은 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 지열 열교환기와 하이브리드 히트펌프의 열원을 온실에 공급함으로써, 냉·난방의 수행이 가능하여 외부조건에 따라 냉방과 난방 및 제습을 자동으로 수행할 수 있고, 온실 내의 과한 열원은 지열 열교환기를 통해 지중에 축열하여 에너지 효율이 우수한 히트펌프시스템을 제공하며, 그에 따라 온실 내 작물의 안전한 생육에도 유리한 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 히트펌프시스템을 나타낸 개략도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 히트펌프시스템의 폐열을 나타낸 개략도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하절기의 하이브리드 히트펌프시스템 제어를 나타낸 순서도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 동절기의 하이브리드 히트펌프시스템 제어를 나타낸 순서도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 환절기의 하이브리드 히트펌프시스템 제어를 나타낸 순서도이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 온실에 열원을 공급하는 히트펌프시스템에 있어서,

지중에 매설되어 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 지중의 열원을 선택적으로 공급하거나 또는 열원을 지중에 축열하는 지열 열교환기와;

계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 상기 지열 열교환기를 통해 지열의 열원을 이용하여 냉,온열을 생성하거나 외부의 공기열을 이용하여 냉,온열을 생성하는 하이브리드 히트펌프와;

상기 하이브리드 히트펌프에서 생성된 냉,온열을 저장하고, 상기 저장된 냉,온열을 온실 내의 공급장치에 전달하는 축열조;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 히트펌프시스템을 나타낸 개략도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 하이브리드 히트펌프시스템의 폐열을 나타낸 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 하절기의 하이브리드 히트펌프시스템 제어를 나타낸 순서도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 동절기의 하이브리드 히트펌프시스템 제어를 나타낸 순서도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 환절기의 하이브리드 히트펌프시스템 제어를 나타낸 순서도이다.

도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법은 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 온실(부하측,40)에 열원을 공급하는 시스템으로써, 지열 열교환기(10)와, 하이브리드 히트펌프(20)와, 축열조(30)와, 다수개의 관으로 구성된다.

상기 지열 열교환기(10)는 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 지중에 매설되어 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 지중의 열원을 선택적으로 공급하거나 또는 열원을 지중에 축열하는 열교환기이다. 이때, 상기 계절별 주,야간의 설정된 조건은 이하에서 상세히 기술한다.

여기서, 상기 지열 열교환기(10)는 지중에 매설되는데, 다수개가 형성되어 많은 양을 열교환한 할 수 있고, 지면을 천공한 뒤, 열교환 파이프를 심어서 형성되며, 상기 열교환 파이프는 열교환된 열원을 이송하기 위한 관이 연결된다.

한편, 상기 지열 열교환기(10)는 관에 의해 연결되는데, 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 지중의 열원을 하이브리드 히트펌프(20)와 온실(40) 내의 공급장치(FCU)에 선택적으로 공급하도록 관이 분기되어 하이브리드 히트펌프(20)와 온실(40) 내의 공급장치에 각각 연결되고, 상기 분기된 관에는 제어부(미도시)에 의해 작동되는 쓰리웨이 밸브(11)가 설치되어 열원의 이송을 제어한다.

상기 하이브리드 히트펌프(20)는 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 지열 열교환기(10)와 축열조(30)와 각각 연결되는데, 관에 의해 상호 연결되고, 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 상기 지열 열교환기(10)를 통해 지열의 열원을 이용하여 냉,온열을 생성하거나 또는 외부의 공기열을 이용하여 냉,온열을 생성하는 하이브리드형 히트펌프(20)이다.

여기서, 상기 하이브리드 히트펌프(20)의 구성은 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브 등으로 이루어진 통상적인 히트펌프와 유사하기에 별도의 구성관계는 설명하지 않는다. 다만, 본 발명의 하이브리드 히트펌프(20)는 지열 열교환기(10)의 열원이 히트펌프(20)의 증발기에 해당되는 열교환기에 전달되거나, 압축기가 배제된 상태에서 응축기에 열원이 전달될 수도 있다.

또한, 상기 하이브리드 히트펌프(20)는 외부의 공기열이 증발기에 해당되는 열교환기에 전달되거나, 압축기가 배제된 상태에서 응축기에 열원이 전달될 수도 있다.

상기 축열조(30)는 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 하이브리드 히트펌프(20)에서 생성된 냉,온열을 임시 저장하고, 상기 임시 저장된 냉,온열을 온실(40) 내의 공급장치에 전달된다. 이때, 상기 공급장치는 팬코일 유니트 등으로 냉열과 온열이 내부에 이송되고, 송풍팬에 의해 외부의 공기가 관통되면서 냉풍 또는 온풍으로 온실에 공급하는 장치이다.

이하에서는 상기에서 기술된 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법에 대한 계절별 주,야간의 설정된 조건에 따라 작동되는 제어방법을 도면을 참고하여 상세히 기술한다.

우선, 도 1 내지 도 5에서처럼, 계절은 여름철(하절기), 겨울철(동절기), 봄/가을(환절기)로 구분하여 기술하는데, 먼저, 하절기의 주간과 야간시에는 도 3에서처럼, 상기 지열 열교환기(10)를 통해 지중의 열원이 하이브리드 히트펌프(20)에 공급되고, 상기 하이브리드 히트펌프(20)에서는 지열 열교환기의 열원을 이용하여 생성된 냉열이 축열조에 전달되어 저장되며, 상기 축열조(30)에서 냉방용 열원이 온실(40)의 공급장치에 전달된다.

그리고, 동절기의 주간시에는 도 4에서처럼, 상기 지열 열교환기(10)를 통해 지중의 열원이 온실(40)의 공급장치에 직접 전달되어 난방이 이루어지고, 이때, 상기 하이브리드 히트펌프(20)는 작동되는데, 외부 공기열을 이용하여 생성된 온열을 축열조(30)에 전달하며, 상기 축열조(30)에서 난방용 열원이 온실(40)의 공급장치에 전달된다. 이때, 상기 지열 열교환기(10)를 통해 열원이 공급장치에 전달되는데, 계속적으로 지열 열교환기(10)의 열원을 사용하여 상기 온실(40) 내의 온도가 설정온도 이하로 떨어지면, 상기 축열조(30)에 저장된 난방용 열원이 온실(40)의 공급장치에 전달되는 것이다.

또한, 동절기의 야간시에는 도 4에서처럼, 상기 지열 열교환기(10)를 통해 지중의 열원이 하이브리드 히트펌프(20)에 공급되고, 상기 하이브리드 히트펌프(20)에서는 지열 열교환기(10)의 열원을 이용하여 생성된 온열이 축열조(30)에 전달되며, 상기 축열조(30)에서 난방용 열원이 온실(40)의 공급장치에 전달되는 것이다.

한편, 환절기의 주,야간시에는 도 5에서처럼, 상기 지열 열교환기(10)를 통해 지중의 열원이 온실(40)의 공급장치에 우선 전달되고, 동시에 상기 하이브리드 히트펌프(20)는 외부 공기열을 이용하여 생성된 냉,온열을 축열조(30)에 전달하며, 상기 지열 열교환기(10)를 통해 열원이 공급장치에 전달되는데, 계속적으로 지열 열교환기(10)의 열원을 사용하여 상기 온실(40) 내의 온도가 설정온도보다 낮을 때, 상기 축열조(30)의 난방용 열원이 온실(40)의 공급장치에 전달되는 것이다.

여기서, 상기에서처럼, 온실(40) 내의 냉,난방에 필요한 열원을 공급하는데, 도 2에서처럼, 상기 온실(40) 내의 온도가 설정온도보다 과냉 또는 과열시, 별도로 온실(40)의 창문이나 문을 개방하여 온도를 조절하지 않고, 온실(40) 내의 열원을 공급장치를 통해 열교환하여 열원을 지열 열교환기(10)에 전달하여 지중에 축열하거나 하이브리드 히트펌프(20)에 전달한 뒤, 상기 하이브리드 히트펌프(20)에서 생성된 열원이 축열조(30)에 저장된다.

10 : 지열 열교환기 11 : 쓰리웨이 밸브
20 : 하이브리드 열교환기 30 : 축열조
40 : 온실

Claims (4)

1. 지중에 매설되어 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 지중의 열원을 선택적으로 공급하거나 또는 열원을 지중에 축열하는 지열 열교환기(10)와; 계절별 주,야간의 설정된 조건에 맞춰 상기 지열 열교환기(10)를 통해 지열의 열원을 이용하여 냉,온열을 생성하거나 외부의 공기열을 이용하여 냉,온열을 생성하는 하이브리드 히트펌프(20)와; 상기 하이브리드 히트펌프(20)에서 생성된 냉,온열을 저장하고, 상기 저장된 냉,온열을 온실(40) 내의 공급장치에 전달하는 축열조(30);를 포함하여 구성되는 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법에 있어서,
   하절기의 주,야간시,
   상기 지열 열교환기(10)를 통해 지중의 열원이 하이브리드 히트펌프(20)에 공급되고, 상기 하이브리드 히트펌프(20)에서 생성된 냉열이 축열조(30)에 전달되며, 상기 축열조(30)에서 냉방용 열원이 온실(40)의 공급장치에 전달되는 것이고,
   동절기의 주간시,
   상기 지열 열교환기(10)를 통해 지중의 열원이 온실(40)의 공급장치에 직접 전달되어 난방이 이루어지고, 상기 하이브리드 히트펌프(20)는 작동되는데, 외부 공기열을 이용하여 생성된 온열을 축열조(30)에 전달하며, 상기 축열조(30)에서 난방용 열원이 온실(40)의 공급장치에 전달되고, 상기 지열 열교환기(10)를 통해 열원이 공급장치에 전달되는데, 상기 지열 열교환기(10)의 열원을 계속적으로 사용하여 상기 온실(40) 내의 온도가 설정온도 이하로 떨어지면, 상기 축열조(30)에 저장된 난방용 열원이 온실(40)의 공급장치에 전달되는 것이고,
   동절기의 야간시,
   상기 지열 열교환기(10)를 통해 지중의 열원이 하이브리드 히트펌프(20)에 공급되고, 상기 하이브리드 히트펌프(20)에서 생성된 온열이 축열조(30)에 전달되며, 상기 축열조(30)에서 난방용 열원이 온실(40)의 공급장치에 전달되는 것이고,
   환절기(봄/가을)의 주,야간시,
   상기 지열 열교환기(10)를 통해 지중의 열원이 온실(40)의 공급장치에 우선 전달되고, 동시에 상기 하이브리드 히트펌프(20)는 외부 공기열을 이용하여 생성된 냉,온열을 축열조(30)에 전달하며, 상기 지열 열교환기(10)를 통해 열원이 공급장치에 전달되는데, 상기 지열 열교환기(10)의 열원을 계속적으로 사용하여 상기 온실(40) 내의 온도가 설정온도보다 낮을 때, 상기 축열조(30)의 난방용 열원이 온실(40)의 공급장치에 전달되는 것이고,
   상기 온실(40) 내의 냉,난방에 설정온도보다 과냉 또는 과열시, 온실(40) 내 열원을 지열 열교환기(10)에 전달하여 지중에 축열하거나 또는 하이브리드 히트펌프(20)에 전달하는 것을 특징으로 하는 온실용 지열 및 공기열원의 하이브리드 히트펌프시스템의 제어방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제

Images