KR101526821B1 - 지열을 이용한 냉ㆍ난방 시스템 및 그 운전제어방법 - Google Patents

지열을 이용한 냉ㆍ난방 시스템 및 그 운전제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지열원을 이용한 냉난방 시스템과 그 운전제어방법에 관한 것으로, 구체적으로 지열과 같은 청정열원 및 신재생 에너지원을 합리적으로 이용할 수 있도록 열 흐름을 고려하여 지중열교환기, 지열 공급 또는 환수 헤더, 지열원 히트펌프, 하나의 축열 탱크, 열교환기, 팬코일 유닛, 에어 배출 덕트, 순환펌프, 자동밸브 및 수동밸브등의 개별적 구성요소를 하나의 시스템으로 조합하여, 기후나 운전조건에 따라 전체 시스템을 효율적으로 축열 또는 축냉 모드, 지열 및 축열탱크 열교환 냉방 모드, 냉방 모드, 난방 모드등으로 제어 운전하도록 구성한 것으로서 특히 하루에 수 번 냉난방 모드를 절환하는 시스템에서 하나의 축열 탱크만을 이용하고, 열원의 흐름을 순환펌프로 하여금 특정 열원사이클을 이루도록 하여 합리적 냉난방 시스템을 구성할 수 있도록 하여 특히 일반 건물의 냉난방 환경 및 시설원예 하우스에 최상의 생육 환경을 제공하는 지열을 이용한 냉난방 시스템 및 그 운전 제어방법에 관한 것이다.

Description

지열을 이용한 냉ㆍ난방 시스템 및 그 운전제어방법{HeatingㆍCooling System that used geothermal And That Operation Control Method}
본 발명은 지열원을 이용하여 냉난방 시스템을 구성하고 그 운전제어방법에 관한 것으로, 구체적으로 지열과 같은 청정열원 및 신재생 에너지원을 합리적으로 이용할 수 있도록 열 흐름을 고려하여 개별 유닛을 결합하여 시스템을 구축하고, 기후나 운전조건에 따라 전체 시스템을 효율적으로 제어 운전하도록 구성한 것으로서 특히 냉난방을 하나의 축열 탱크만을 이용하고, 열원의 흐름을 순환펌프로 이동시켜 특정 열원사이클을 구성하도록 하여 합리적 냉난방 시스템을 구성할 수 있도록 한 지열을 이용한 냉난방 시스템 및 그 운전 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프란 냉동사이클 장치를 통해 냉매를 순환시킴으로써 주변과 열교환을 하는 장치를 의미한다. 히트펌프는 폐열을 이용하는 냉난방장치에 주로 사용하는데 폐열을 이용하는 냉난방장치는 지중에 매설된 다수개의 지하수 순환관을 이용하여 열교환함으로써 냉난방을 실시한다.
즉, 지열을 이용한 냉난방장치는 지열교환을 위한 파이프로부터 열을 흡수하여 히트펌프의 증발기 열원으로 사용하고, 응축기를 이용하여 열을 생산함으로써 온수를 공급하거나 응축기의 배출열을 지열교환을 위한 파이프를 통해 배출하도록 구성되어 있다.
지열을 이용한 냉난방장치의 통상의 축열기는 부하용 축열기로서 부하측에 축열기를 연결하여 부하가 없을 때 (심야전기 사용시는 야간에) 히트펌프를 가동하여 온수 또는 냉수를 저장해 두었다가 필요시 부하측에 공급하는 것이다.
그리고, 열원수(지열수) 축열기는 열원수를 지중에서 바로 축열기에 저장하였다가 일시적으로 냉방에 사용할 수 있고 축열기가 일정온도 이상되면 히트펌프를 가동하도록 구성된다.
또한, 부하용 축열기와 열원수 축열기를 동시에 사용할 수도 있다. 즉, 수축열기를 동시에 사용하는 것으로서, 각각의 축열기를 부하측과 열원측에 두어 사용하도록 구성된다.
그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에 의한 지열을 이용한 냉난방장치에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
종래의 지열을 이용한 냉난방장치는 부하용 축열기와 열원수 축열기가 각각 별개로 구성되어 설치비용이 증가하고 비효율적인 문제점이 있다.
그리고, 부하용 축열기와 열원수 축열기는 폐열이 서로 이동하도록 연결되지 않아 부하용 축열기 및 열원수 축열기의 여분의 열원이 사용되지 못하고 버려지게 되는 문제점이 있다.
또한 최근에는 지열 히트펌프를 이용한 하우스의 냉난방 장치 시스템이 점차 보급되고 있지만 다음과 같은 문제점이 지적되고 있다.
동절기 주간에 직사광선이 하우스 내부에 입사되어 하우스의 온도가 농작물의 성장에 적합하지 않은 온도 예를 들어 섭씨 30도 이상 상승할 때, 내부 온도를 낮추기 위해 하우스에 갖추어진 도어나 창문을 개방함으로써 실내외기의 열교환을 유도하여 하우스의 내부온도를 낮추는 방법을 주로 사용하고 있다.
그러나 도어나 창문을 개방하여 온도를 조절하는 방법은 계속적인 최적의 생육 온도를 유지하기 위해서는 임시적인 방편이 될 뿐이다.
또한 문개폐 제어 시스템은 설치 비용이 많이 필요하고 유지비용도 적지 않다는 문제점이 있다.
그렇다고 거대한 보조 냉방장치를 갖추자니 전기요금이 부담되어서 선뜻 이를 설치하기가 쉽지 않은 문제점이 있다.
시설원예 하우스 내부의 작물을 최적의 조건으로 생육시키기 위해서는 하루에도 몇번씩 냉방 장치 및 난방 장치가 각각 작동되어 최적의 생육조건을 구현해야 하는 특성을 가지고 있는데 따라서 매체의 지열원을 저장하는 축열 탱크를 각각 축냉용과 축열용으로 두개를 가지고 있어야 하고 이는 설치비 및 유지비 측면에서 농가 소득에 악영향을 끼치는 문제점이 있다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로서 지중열 열교환기, 지열원 히트펌프, 열교환기 및 팬코일 유닛등의 열교환 장치를 이용하여 건물의 최적의 냉난방 환경을 조성하고 특히 시설원예 하우스에 적용될 경우 작물의 최적 생육조건을 갖추도록 한다.
지중열이 가지고 있는 청정에너지원을 이용하여 화석연료를 사용함으로서 발생하는 환경 폐해 및 유지비 부담을 저감시킨다.
지중열이 가지고 있는 열에너지를 배관에 설치된 순환펌프만을 사용함으로써 최적의 열원 흐름 사이클을 이루게 하여 낭비 없는 효율적인 냉난방 시스템 운전을 가능하게 한다.
냉난방 시스템 구성시 하나의 축열 탱크만을 사용하여 시설비 및 유지비를 저감시키도록 한다.
냉방 및 난방이 필요 없는 경우에는 지중열을 히트펌프를 사용하여 축냉 및 축열 시켜 향후의 냉방 운전 및 난방 운전에 즉각적으로 대비할 수 있도록 한다.
냉방 운전 모드일 경우 지중열만을 이용하는 것이 유리한지 축열탱크에 저장되어 있는 열원을 이용하는 것이 유리한지를 판별하여 유리한 냉방모드를 활용하게 함으로써 효율적인 냉방 운전이 가능하도록 한다.
지중열이나 지중열을 축적한 축열탱크의 열량만으로 수요에 미치지 못할 경우를 대비하여 축열탱크에 비상용 경유 보일러를 연결하여 이에 대응할 수 있도록 한다.
매체의 누수등으로 배관의 수압이나 수량이 감소할 경우를 대비하여 팽창 탱크, 보충수 탱크를 추가적으로 구성하여 이에 대응한다.
열교환기가 고장날 경우 냉방 또는 난방 운전을 중지하지 않고 그대로 운전을 가동하면서 유지 보수 할 수 있도록 수동밸브가 설치된 우회하는 배관을 연결하여 이에 대응하도록 한다.
특히 시설원예 하우스 내부의 습도 조절의 경우 냉방 운전을 활용하여 이를 조절하도록 한다.
이러한 냉난방 시스템과 그 제어는 프로그램이 임베딩된 PLC 또는 MCU로 구성된 중앙제어기를 통해 일괄적으로 이루어지게 하되 그 제어신호 송출 및 수신을 유무선 통신 방법 모두 가능하게 하여 최적화된 제어가 가능하도록 한다.
본 발명인 지열을 이용한 냉난방 시스템은
지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 축열 탱크(400), 열교환기(500), 팬코일 유닛(600), 2차측 순환펌프(901), 냉온수 순환펌프(902), 부하측 1차 순환펌프(903), 복수의 자동밸브(A1~A12) 및 복수의 수동밸브(M1~M10)로 구성된다.
상기 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 팬코일 유닛(600) 및 지열 환수 헤더(202)는 각각 배관의 말단과 연결되도록 유입구와 유출구를 가진다.
상기 지열원 히트펌프(300), 축열 탱크(400) 및 열교환기(500)는 각각 1차측 유입구, 1차측 유출구, 2차측 유입구 및 2차측 유입구를 가진다.
상기 지중열 교환기(100)는 유출구를 통해 지열 공급 헤더(201)의 유입구와 배관 연결되며, 복수개의 유출구를 가진 지열 공급 헤더(201)는 유출구 중 어느 한 곳과 지열원 히트 펌프(300)의 1차측 입력구 사이를 지열 순환펌프(900)가 설치된 배관에 의해 연결된다.
지열 공급 헤더(201)의 다른 유출구 한 곳은 자동밸브(A2)가 설치된 배관에 의해 열교환기(500)와 팬코일 유닛(600)사이의 배관에 연결되되, 그 연결부는 냉온수 순환펌프(902)와 팬코일 유닛(600) 사이에 위치한다.
지열원 히트펌프(300)의 1차측 유출구는 지열 환수 헤더(202)의 복수의 유입구 중 어느 한곳과 배관 연결되며, 지열 환수 헤더(202)는 그 유출구를 통해 지중열 교환기(100)의 유입구와 배관 연결된다.
지열원 히트펌프(300)의 2차측 유출구는 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)가 설치된 배관에 의해 축열 탱크(400)의 1차측 유입구에 연결되며, 축열 탱크(400)의 1차측 유출구는 수동밸브(M3)와 자동밸브(A3)가 설치된 배관에 의해 지열원 히트펌프(300)의 2차측 유입구에 연결된다.
상기 지열원 히트펌프(300)와 축열 탱크(400) 사이의 배관에 있어서,
자동밸브(A3) 및 수동밸브(M3)가 설치된 배관의 자동밸브(A3)와 수동밸브(M3) 사이의 배관부와 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)가 설치된 배관의 2차측 순환펌프(901)와 자동밸브(A4) 사이의 배관부를 자동밸브(A5)가 설치된 배관에 의해 연결하며, 자동밸브(A3) 및 수동밸브(M3)가 설치된 배관의 자동밸브(A3)와 지열원 히트펌프(300) 사이의 배관부와 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)가 설치된 배관의 자동밸브(A4)와 수동밸브(M4) 사이의 배관부를 자동밸브(A6)가 설치된 배관에 의해 연결한다.
축열 탱크(400)의 2차측 유출구는 수동밸브(M7), 자동밸브 2개(A9, A10) 및 부하측 1차 순환펌프(903)가 순서대로 설치된 배관에 의해 열교환기(500)의 1차측 유입구에 연결되며, 열교환기(500)의 1차측 유출구는 자동밸브 2개(A7, A8) 및 수동밸브(M5)가 순서대로 설치된 배관에 의해 축열 탱크(400)의 2차측 유입구에 연결된다.
상기 축열 탱크(400)와 열교환기(500) 사이의 배관에 있어서,
자동밸브 2개(A7, A8) 및 수동밸브(M5)가 설치된 배관의 자동밸브(A7)와 자동밸브(A8) 사이의 배관부와 수동밸브(M7), 자동밸브(A9, A10) 2개가, 부하측 1차 순환펌프(903)가 설치된 배관의 수동밸브(M7), 자동밸브(A9) 사이의 배관부를 자동밸브(A11)가 설치된 배관에 의해 연결하며, 자동밸브 2개(A7, A8) 및 수동밸브(M5)가 설치된 배관의 자동밸브(A8)와 수동밸브(M5) 사이의 배관부와 수동밸브(M7), 자동밸브(A9, A10) 2개가, 부하측 1차 순환펌프(903)가 설치된 배관의 자동밸브(A9)와 자동밸브(A10) 사이의 배관부를 자동밸브(A12)가 설치된 배관에 의해 연결한다.
열교환기(500)의 2차측 유출구는 건물 내부에 설치되는 복수의 팬코일 유닛(600)의 유입구에 배관 연결되며, 복수의 팬코일 유닛(600)의 각 유출구는 자동밸브(A1)가 설치된 배관에 의해 지열 환수 헤더(202)의 유입구에 연결되며, 열교환기(500)의 2차측 유입구는 냉온수 순환펌프(902)가 설치된 배관에 의해 팬코일 유닛(600)의 유출구와 지열 환수 헤더(202) 사이의 배관에서 팬코일 유닛(600) 유출구와 자동밸브(A1)사이를 연결한다.
추가적으로 팬코일 유닛(600) 설치될 때에는 수동밸브(M1, M2)가 하나씩 각각 설치되어 있는 배관에 의해 병렬 추가 연결된다.
상기 냉·난방 시스템은 에어 배출 덕트(700)가 추가적으로 구성되어 시설원예하우스에 이용되는 것으로서, 상기 팬코일 유닛(600)은 시설원예 하우스 내부 상부와 하단부에 짝을 이루어 각각 복수개가 설치된다.
상기 팬코일 유닛(600)은 시설원예 하우스 내부의 온도 및 습도 조절을 위해 타공된 비닐재료의 에어 배출 덕트가 시설원예 하우스 내부의 중앙부를 향해 수직으로 연통 지지 되어 있다.
추가적으로 시설원예 하우스가 설치될 때에는 수동밸브(M1, M2)가 하나씩 각각 설치되어 있는 배관에 의해 병렬 추가 연결된다.
냉·난방 시스템은
배관 수압이 부족할 때를 대비하여 이를 보충하기 위한 팽창탱크(800); 배관이 누수에 의해 물이 부족 할 때를 대비하여 물을 채워넣는 보충수 탱크(810); 및축열 탱크(400)에 축적되어 있는 열량이 시설원예 하우스의 열량 수요에 부족할 때를 대비하여 비상용 경유 보일러(820)가 추가적으로 설치된다.
상기 팽창탱크(800)와 보충수 탱크(810)는 각각 지열 환수 헤더(202)의 유입구에 각각 배관 연결되며, 상기 비상용 경유 보일러(820)의 유입구는 보일러 순환펌프(904) 및 수동밸브(M8)가 설치된 배관으로 축열 탱크(400) 하부에 연결되며, 상기 비상용 경유 보일러(820)의 유출구는 수동밸브(M6)가 설치된 배관으로 축열 탱크(400) 상부에 연결된다.
냉·난방 시스템은
수동밸브(M9, M10)가 설치된 배관이 열교환기(500)의 1차측 유입구와 2차측 유출구 사이와 1차측 유출구와 2차측 유입구 사이를 각각 추가적으로 연결하여, 냉·난방 시스템의 구성요소 중 열교환기(500)가 고장날 때를 대비하여 냉·난방 시스템을 가동하면서 유지보수를 할 수 있도록 한다.
지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
상기 방법은 축냉 운전 모드를 포함하고,
상기 축냉 운전 모드는
지중열 교환기(100), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 2차측 순환펌프(901)가 동시에 가동 되고, 동시에 복수의 자동밸브(A3, A4) 및 복수의 순환밸브(M3, M4)가 열리면서 작동된다.
축냉 운전 모드의 매체 열원의 흐름은,
열원을 함유하는 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900)을 거쳐 지열원 히트펌프(300)에서 더 열원을 축적하며, 지열원 히트펌프(300)를 거친 열원 매체는 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)를 거쳐 축열 탱크(400)에 공급되며, 축열 탱크(400)에서 배출되는 열원 매체는 수동밸브(M3), 자동밸브(A3), 지열원 히트펌프(300) 및 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)에 유입되어 축냉 사이클을 이루는 것을 특징으로 한다.
지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
상기 방법은 축열 운전 모드를 포함하고,
상기 축열 운전 모드는
지중열 교환기(100), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 2차측 순환펌프(901)가 동시에 가동되고, 동시에 복수의 자동밸브(A5, A6) 및 복수의 수동밸브(M3, M4)가 열리면서 작동된다.
축열 운전 모드의 매체 열원의 흐름은,
열원을 함유하는 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900)을 거쳐 지열원 히트펌프(300)에서 더 열원을 축적하며, 지열원 히트펌프(300)를 거친 열원 매체는 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A5) 및 수동밸브(M3)를 거쳐 축열 탱크(400)에 공급되며, 축열 탱크(400)에서 배출되는 열원 매체는 수동밸브(M4), 자동밸브(A6), 지열원 히트펌프(300) 및 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)에 유입되어 축열 사이클을 이룬다.
지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
상기 방법은 지열 및 축열 탱크 열교환 냉방 운전 모드를 포함하고,
상기 지열 및 축열 탱크 열교환 냉방 운전 모드는
상기 열교환기(500)에서 상대적으로 더 온도가 높은 지중열 교환기(100)를 흐르는 열 매체와 축열 탱크에 저장된 열 매체 사이에 열 교환하여 팬코일 유닛(600)에 공급하는 것으로서,
지중열교환기(100), 냉온수 순환펌프(902), 열교환기(500), 부하측 1차순환펌프(903), 팬코일 유닛(600)이 동시에 가동 되고, 동시에 자동밸브(A1, A2, A7, A8, A9, A10) 및 순환밸브(M5, M7)가 열리면서 작동된다.
지열 및 축열 탱크 열교환 냉방 운전 모드의 매체 열원의 흐름은,
열원을 함유하는 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 자동밸브(A2), 냉온수 순환펌프(902)를 거쳐 열교환기(500)에서 더 열원을 축적하며,
더 열원을 축적한 매체는 팬코일 유닛(600)을 통해 건물 또는 시설원예 하우스의 내부 온도를 낮추며, 열원을 빼앗긴 매체는 팬코일 유닛(600), 자동밸브(A1) 및 지열 환수 헤드(202)를 거쳐 다시 지중열 교환기(100)로 환수되며, 열교환기에 더 높은 열원의 매체를 공급하기 위해 축열 탱크에 저장된 매체 열원은 수동밸브(M7), 2개의 연속된 자동밸브(A9, A10), 부하측 1차 순환펌프(903)를 거쳐 열교환기(500)에 공급되며, 열교환기(500)에서 배출된 열원 매체는 자동밸브(A7, A8) 및 수동밸브(M5)를 거쳐 축열 탱크(400)로 환수된다.
지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
상기 방법은 난방 운전 모드를 포함하고,
상기 난방 운전 모드는
지중열 교환기(100), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 2차측 순환펌프(901), 부하측 1차 순환펌프(903), 열교환기(500), 냉온수 순환펌프(902), 및 팬코일 유닛(600)이 동시에 가동 되고, 동시에 자동밸브(A5, A6, A7, A10, A11, A12) 및 수동밸브(M3, M4, M5, M7)가 열리면서 작동된다.
난방 운전 모드의 매체 열원의 흐름은,
열원을 함유하는 매체는 지중열교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 자동밸브(A5), 수동밸브(M3)를 거쳐 축열탱크로 저장되며, 축열 탱크(400)에서 배출되는 열원 매체는 수동밸브(M4), 자동밸브(A6), 지열원 히트펌프(300), 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)로 환수되며, 축열 탱크(400)에 저장된 열원 매체는 수동밸브(M5), 자동밸브(A12), 자동밸브(A10), 부하측 1차 순환펌프(903)를 거쳐 열교환기(500)에서 열교환 되며, 열교환 된 매체는 자동밸브(A7), 자동밸브(A11), 수동밸브(M7)를 거쳐 축열 탱크(400)로 환수되며, 열교환기(500)에서 열교환에 의해 높은 열원을 함유한 매체는 팬코일 유닛(600)을 통해 난방을 하며,
팬코일 유닛(600)에서 배출된 매체는 냉온수 순환펌프(902)를 거쳐 열교환기(500)로 공급되어 다시 열교환하는 과정을 거친다.
지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
상기 방법은 냉방 운전 모드를 포함하고,
상기 냉방 운전 모드는
지중열 교환기(100), 냉온수 순환펌프(902), 팬코일 유닛(600)이 동시에 가동되며, 동시에 자동밸브(A1, A2)가 열리면서 작동된다.
상기 냉방 운전 모드의 매체 열원의 흐름은,
지중열의 열원 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 자동밸브(A2), 냉온수 순환펌프(902), 열교환기(500)를 거쳐 팬코일 유닛(600)으로 유입되어 냉방시키며, 팬코일 유닛(600)에서 배출되는 매체는 자동밸브(A1), 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)로 환수된다.
시설원예 하우스에서 생육되는 식물의 습도환경조성을 위한 제습 운전 모드는 냉방 운전 모드가 동작될 때에 동시에 운용하도록 함을 특징으로 한다.
상기 운전 모드의 제어신호는 제어 프로그램이 임베딩 된 PLC 유닛 또는 MCU에 의하여 송출되며, 각각의 송출된 제어신호는 유선 또는 무선 통신방법에 의해 전달되는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템의 전체 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 지열을 이용한 시설원예 하우스의 냉난방 시스템의 전체 개략도이다.
도 3는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 축냉운전모드의 열원흐름도이다.
도 4는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 축열운전모드의 열원흐름도이다.
도 5는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 지열 및 축냉탱크 열교환 냉방운전모드의 열원흐름도이다.
도 6은 본 발명에 따른 시설원예 하우스에 있어서 냉난방 시스템의 지열 및 축냉탱크 열교환 냉방운전모드의 열원흐름도이다.
도 7은 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 난방 운전모드의 열원흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 시설원예 하우스에 있어서 냉난방 시스템의 난방 운전모드의 열원흐름도이다.
도 9는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 지열 냉방 운전모드의 열원흐름도이다.
도 10은 본 발명에 따른 시설원예 하우스에 있어서 냉난방 시스템의 지열 냉방 운전모드의 열원흐름도이다.
먼저, 본 발명의 구체적인 설명에 들어가기에 앞서, 본 발명에 관련된 공지 기술 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라 질 수 있으므로, 그 정의는 본 발명에 따른 "지열을 이용한 시설원예 냉ㆍ난방 시스템 및 그 운전제어방법"을 설명하는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명에 따른 "지열을 이용한 냉ㆍ난방 시스템 및 그 운전제어방법"에 관한 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 다음의 실시예는 단지 본 발명을 설명하기 위하여 예시된 것에 불과하고, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 지열을 이용한 냉난방 시스템의 전체 개략도이며, 도 2는 본 발명에 따른 지열을 이용한 시설원예 하우스의 냉난방 시스템의 전체 개략도이고, 도 3은 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 축냉운전모드의 열원흐름도이며, 도 4는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 축열운전모드의 열원흐름도이고, 도 5는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 지열 및 축냉탱크 열교환 냉방운전모드의 열원흐름도이며, 도 6은 본 발명에 따른 시설원예 하우스에 있어서 냉난방 시스템의 지열 및 축냉탱크 열교환 냉방운전모드의 열원흐름도이고, 도 7은 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 난방 운전모드의 열원흐름도이며, 도 8은 본 발명에 따른 시설원예 하우스에 있어서 냉난방 시스템의 난방 운전모드의 열원흐름도이고, 도 9는 본 발명에 따른 냉난방 시스템의 지열 냉방 운전모드의 열원흐름도이며, 도 10은 본 발명에 따른 시설원예 하우스에 있어서 냉난방 시스템의 지열 냉방 운전모드의 열원흐름도이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 지열을 이용한 냉·난방 시스템은 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 축열 탱크(400), 열교환기(500), 팬코일 유닛(600), 2차측 순환펌프(901), 냉온수 순환펌프(902), 부하측 1차 순환펌프(903), 복수의 자동밸브(A1~A12) 및 복수의 수동밸브(M1~M10)로 구성된다.
도 1을 참조하면 상기 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 팬코일 유닛(600) 및 지열 환수 헤더(202)는 각각 배관의 말단과 연결되도록 유입구와 유출구를 가지고, 상기 지열원 히트펌프(300), 축열 탱크(400) 및 열교환기(500)는 각각 1차측 유입구, 1차측 유출구, 2차측 유입구 및 2차측 유입구를 가진다.
도 1을 참조하면 각 구성요소 사이에 열원 매체가 흐르기 위한 배관 연결도는 다음과 같다.
상기 지중열 교환기(100)는 유출구를 통해 지열 공급 헤더(201)의 유입구와 배관 연결되며, 복수개의 유출구를 가진 지열 공급 헤더(201)는 유출구 중 어느 한 곳과 지열원 히트 펌프(300)의 1차측 입력구 사이를 지열 순환펌프(900)가 설치된 배관에 의해 연결된다.
지열 공급 헤더(201)의 다른 유출구 한 곳은 자동밸브(A2)가 설치된 배관에 의해 열교환기(500)와 팬코일 유닛(600)사이의 배관에 연결되되, 그 연결부는 냉온수 순환펌프(902)와 팬코일 유닛(600) 사이에 위치한다.
지열원 히트펌프(300)의 1차측 유출구는 지열 환수 헤더(202)의 복수의 유입구 중 어느 한곳과 배관 연결되며, 지열 환수 헤더(202)는 그 유출구를 통해 지중열 교환기(100)의 유입구와 배관 연결된다.
지열원 히트펌프(300)의 2차측 유출구는 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)가 설치된 배관에 의해 축열 탱크(400)의 1차측 유입구에 연결되며, 축열 탱크(400)의 1차측 유출구는 수동밸브(M3)와 자동밸브(A3)가 설치된 배관에 의해 지열원 히트펌프(300)의 2차측 유입구에 연결된다.
상기 지열원 히트펌프(300)와 축열 탱크(400) 사이의 배관에 있어서,
자동밸브(A3) 및 수동밸브(M3)가 설치된 배관의 자동밸브(A3)와 수동밸브(M3) 사이의 배관부와 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)가 설치된 배관의 2차측 순환펌프(901)와 자동밸브(A4) 사이의 배관부를 자동밸브(A5)가 설치된 배관에 의해 연결된다.
자동밸브(A3) 및 수동밸브(M3)가 설치된 배관의 자동밸브(A3)와 지열원 히트펌프(300) 사이의 배관부와 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)가 설치된 배관의 자동밸브(A4)와 수동밸브(M4) 사이의 배관부를 자동밸브(A6)가 설치된 배관에 의해 연결한다.
축열 탱크(400)의 2차측 유출구는 수동밸브(M7), 자동밸브 2개(A9, A10) 및 부하측 1차 순환펌프(903)가 순서대로 설치된 배관에 의해 열교환기(500)의 1차측 유입구에 연결되며, 열교환기(500)의 1차측 유출구는 자동밸브 2개(A7, A8) 및 수동밸브(M5)가 순서대로 설치된 배관에 의해 축열 탱크(400)의 2차측 유입구에 연결된다.
상기 축열 탱크(400)와 열교환기(500) 사이의 배관에 있어서,
자동밸브 2개(A7, A8) 및 수동밸브(M5)가 설치된 배관의 자동밸브(A7)와 자동밸브(A8) 사이의 배관부와 수동밸브(M7), 자동밸브(A9, A10) 2개가, 부하측 1차 순환펌프(903)가 설치된 배관의 수동밸브(M7), 자동밸브(A9) 사이의 배관부를 자동밸브(A11)가 설치된 배관에 의해 연결하며, 자동밸브 2개(A7, A8) 및 수동밸브(M5)가 설치된 배관의 자동밸브(A8)와 수동밸브(M5) 사이의 배관부와 수동밸브(M7), 자동밸브(A9, A10) 2개가, 부하측 1차 순환펌프(903)가 설치된 배관의 자동밸브(A9)와 자동밸브(A10) 사이의 배관부를 자동밸브(A12)가 설치된 배관에 의해 연결한다.
열교환기(500)의 2차측 유출구는 시설원예 하우스에 설치되는 복수의 팬코일 유닛(600)의 유입구에 배관 연결되며, 복수의 팬코일 유닛(600)의 각 유출구는 자동밸브(A1)가 설치된 배관에 의해 지열 환수 헤더(202)의 유입구에 연결되며, 열교환기(500)의 2차측 유입구는 냉온수 순환펌프(902)가 설치된 배관에 의해 팬코일 유닛(600)의 유출구와 지열 환수 헤더(202) 사이의 배관에서 팬코일 유닛(600) 유출구와 자동밸브(A1)사이를 연결한다.
추가적으로 팬코일 유닛(600)이 설치될 때에는 수동밸브(M1, M2)가 하나씩 각각 설치되어 있는 배관에 의해 병렬 추가 연결된다.
또한 도 1을 참조하면 본 발명의 시설원예 냉·난방 시스템은 배관 수압이 부족할 때를 대비하여 이를 보충하기 위한 팽창탱크(800); 배관이 누수에 의해 물이 부족 할 때를 대비하여 물을 채워넣는 보충수 탱크(810); 및 축열 탱크(400)에 축적되어 있는 열량이 시설원예 하우스의 열량 수요에 부족할 때를 대비하여 비상용 경유 보일러(820)가 추가적으로 설치되어 구성된다.
상기 추가적 요소인 팽창탱크(800)와 보충수 탱크(810)는 각각 지열 환수 헤더(202)의 유입구에 각각 배관 연결된다.
상기 비상용 경유 보일러(820)의 유입구는 보일러 순환펌프(904) 및 수동밸브(M8)가 설치된 배관으로 축열 탱크(400) 하부에 연결되며, 상기 비상용 경유 보일러(820)의 유출구는 수동밸브(M6)가 설치된 배관으로 축열 탱크(400) 상부에 연결되도록 한다.
도 2를 참조하면 상기 냉·난방시스템은 에어 배출 덕트(700)가 추가적으로 구성되어 시설원예하우스에 이용되는 것으로서, 상기 팬코일 유닛(600)은 시설원예 하우스 내부 상부와 하단부에 짝을 이루어 각각 복수개가 설치된다.
상기 팬코일 유닛(600)은 시설원예 하우스 내부의 온도 및 습도 조절을 위해 타공된 비닐재료의 에어 배출 덕트가 시설원예 하우스 내부의 중앙부를 향해 수직으로 연통 지지 되어 있다.
추가적으로 시설원예 하우스가 설치될 때에는 수동밸브(M1, M2)가 하나씩 각각 설치되어 있는 배관에 의해 병렬 추가 연결된다.
본 발명의 냉·난방 시스템은 수동밸브(M9, M10)가 설치된 배관이 열교환기(500)의 1차측 유입구와 2차측 유출구 사이와 1차측 유출구와 2차측 유입구 사이를 각각 추가적으로 연결되는데 이는 냉·난방 시스템의 구성요소 중 열교환기(500)가 고장날 때를 대비하여 냉·난방 시스템을 그대로 가동하면서 유지보수를 할 수 있도록 해준다.
도 3을 참조하면, 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서, 상기 방법은 축냉 운전 모드를 포함하고, 상기 축냉 운전 모드는 지중열 교환기(100), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 2차측 순환펌프(901)가 동시에 가동 되고, 동시에 복수의 자동밸브(A3, A4) 및 복수의 순환밸브(M3, M4)가 열리면서 작동된다.
도 3을 참조하면 매체 열원의 흐름은, 열원을 함유하는 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900)을 거쳐 지열원 히트펌프(300)에서 더 열원을 축적하며, 지열원 히트펌프(300)를 거친 열원 매체는 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)를 거쳐 축열 탱크(400)에 공급되며, 축열 탱크(400)에서 배출되는 열원 매체는 수동밸브(M3), 자동밸브(A3), 지열원 히트펌프(300) 및 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)에 유입되어 축냉 사이클을 이룬다.
도 4를 참조하면, 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서, 상기 방법은 축열 운전 모드를 포함하고, 상기 축열 운전 모드는 지중열 교환기(100), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 2차측 순환펌프(901)가 동시에 가동 되고, 동시에 복수의 자동밸브(A5, A6) 및 복수의 수동밸브(M3, M4)가 열리면서 작동된다.
도 4를 참조하면 매체 열원의 흐름은, 열원을 함유하는 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900)을 거쳐 지열원 히트펌프(300)에서 더 열원을 축적하며, 지열원 히트펌프(300)를 거친 열원 매체는 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A5) 및 수동밸브(M3)를 거쳐 축열 탱크(400)에 공급되며, 축열 탱크(400)에서 배출되는 열원 매체는 수동밸브(M4), 자동밸브(A6), 지열원 히트펌프(300) 및 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)에 유입되어 축열 사이클을 이룬다.
상기 축냉 운전 모드와 축열 운전 모드에서 축열 탱크의 열량 조절 혹은 제어 방법은 비례 제어 방법을 사용함이 적당한데 즉 지열원 히트펌프의 운전은 정속 운전을 함이 바람직하다.
지중열 잠재 에너지 규모를 고려하여 복수의 지열원 히트펌프를 구비할 수 있다. 이 때의 복수의 히트펌프는 지열원의 온도가 최적일 때에는 가능한 한 최대 개수의 히트펌프가 가동되고, 지열원의 온도가 시설원예에 불리한 쪽으로 움직이게 되면 가동되는 히트펌프의 개수를 줄여 나가게 된다.
예를 들면 4대의 히트펌프가 구비되어 있고, 현재 겨울이라고 가정할 때 난방 운전을 위해 축열을 해야 하는데 현재 지중열의 온도가 15도 이상이라면 히트펌프가 4대 모두 가동되고 지중열의 온도가 14도-15도 사이라면 히트펌프는 3대가 가동되고 지중열의 온도가 13도-14도 사이라면 히트펌프는 2대가 가동되고, 지중열의 온도가 12도-13도 사이라면 히트펌프는 1대가 가동되고, 지중열이 12도 미만이라면 모든 히트펌프의 가동을 중지시킨다는 것이다.
또한, 현재 여름이라고 가정할 때 냉방 운전을 위해 축냉을 해야 하는데 현재 지중열의 온도가 15도 이하라면 히트펌프가 4대 모두 가동되고 지중열의 온도가 15도-16도 사이라면 히트펌프는 3대가 가동되고 지중열의 온도가 16도-17도 사이라면 히트펌프는 2대가 가동되고, 지중열의 온도가 17도-18도 사이라면 히트펌프는 1대가 가동되고, 지중열이 18도 미만이라면 모든 히트펌프의 가동을 중지시킨다는 것이다.
상기와 같은 복수의 히트펌프의 부분 부하 운전 혹은 순차 운전은 에너지를 합리적으로 사용할 수 있도록 하고 유지비를 절감시킨다.
도 5를 참조하면 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서, 상기 방법은 지열 및 축열 탱크 열교환 냉방 운전 모드를 포함하고, 상기 지열 및 축열 탱크 열교환 냉방 운전 모드는 상기 열교환기(500)에서 상대적으로 더 온도가 높은 지중열 교환기(100)를 흐르는 열 매체와 축열 탱크에 저장된 열 매체 사이에 열 교환하여 부하에 공급하는 것으로서, 지중열교환기(100), 냉온수 순환펌프(902), 열교환기(500), 부하측 1차순환펌프(903), 팬코일 유닛(600)이 동시에 가동 되고, 동시에 자동밸브(A1, A2, A7, A8, A9, A10) 및 순환밸브(M5, M7)가 열리면서 작동된다.
도 5를 참조하면 매체 열원의 흐름은, 열원을 함유하는 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 자동밸브(A2), 냉온수 순환펌프(902)를 거쳐 열교환기(500)에서 더 열원을 축적하며, 더 열원을 축적한 매체는 팬코일 유닛(600)에 에 의해 건물 내부의 온도를 낮추며, 열원을 빼앗긴 매체는 팬코일 유닛(600), 자동밸브(A1) 및 지열 환수 헤드(202)를 거쳐 다시 지중열 교환기(100)로 환수되며, 열교환기에 더 높은 열원의 매체를 공급하기 위해 축열 탱크에 저장된 매체 열원은 수동밸브(M7), 2개의 연속된 자동밸브(A9, A10), 부하측 1차 순환펌프(903)를 거쳐 열교환기(500)에 공급되며, 열교환기(500)에서 배출된 열원 매체는 자동밸브(A7, A8) 및 수동밸브(M5)를 거쳐 축열 탱크(400)로 환수된다.
도 6을 참조하면 도 5의 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서, 지열 및 축열 탱크 열교환 냉방 운전 모드를 시설원예 하우스에 적용하는 것을 표현한 것인데 구성요소로서 에어 배출 덕트(700)가 추가로 포함되어 있고 팬코일 유닛(600)은 시설원예하우스 내외에 모두 설치 가능하나 될 수 있으면 바깥쪽에 설치되는 것이 바람직하다.
도 7을 참조하면, 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서, 상기 방법은 난방 운전 모드를 포함하고, 상기 난방 운전 모드는 지중열 교환기(100), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 2차측 순환펌프(901), 부하측 1차 순환펌프(903), 열교환기(500), 냉온수 순환펌프(902), 및 팬코일 유닛(600)이 동시에 가동 되고, 동시에 자동밸브(A5, A6, A7, A10, A11, A12) 및 수동밸브(M3, M4, M5, M7)가 열리면서 작동된다.
도 7을 참조하면 매체 열원의 흐름은, 열원을 함유하는 매체는 지중열교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 자동밸브(A5), 수동밸브(M3)를 거쳐 축열탱크로 저장되며, 축열 탱크(400)에서 배출되는 열원 매체는 수동밸브(M4), 자동밸브(A6), 지열원 히트펌프(300), 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)로 환수되며, 축열 탱크(400)에 저장된 열원 매체는 수동밸브(M5), 자동밸브(A12), 자동밸브(A10), 부하측 1차 순환펌프(903)를 거쳐 열교환기(500)에서 열교환되며, 열교환 된 매체는 자동밸브(A7), 자동밸브(A11), 수동밸브(M7)를 거쳐 축열 탱크(400)로 환수되며, 열교환기(500)에서 열교환에 의해 높은 열원을 함유한 매체는 팬코일 유닛(600)에 유입되어 난방시키며, 팬코일 유닛(600)에서 배출된 매체는 냉온수 순환펌프(902)를 거쳐 열교환기(500)로 공급되어 다시 열교환하는 과정을 거친다.
도 8을 참조하면 도 7의 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서, 난방 운전 모드를 시설원예 하우스에 적용하는 것을 표현한 것인데 구성요소로서 에어 배출 덕트(700)가 추가로 포함되어 있고 팬코일 유닛(600)은 시설원예하우스 내외에 모두 설치 가능하나 될 수 있으면 바깥쪽에 설치되는 것이 바람직하다.
도 9를 참조하면 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서, 상기 방법은 냉방 운전 모드를 포함하고, 상기 냉방 운전 모드는 지중열 교환기(100), 냉온수 순환펌프(902), 팬코일 유닛(600)이 동시에 가동되며, 동시에 자동밸브(A1, A2)가 열리면서 작동된다.
도 9를 참조하면 매체 열원의 흐름은, 지중열의 열원 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 자동밸브(A2), 냉온수 순환펌프(902), 열교환기(500)를 거쳐 팬코일 유닛(600)으로 유입되어 공기의 냉방시키며, 팬코일 유닛(600)에서 배출되는 매체는 자동밸브(A1), 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)로 환수되는 것을 특징으로 한다.
도 10을 참조하면 도 9의 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서, 냉방 운전 모드를 시설원예 하우스에 적용하는 것을 표현한 것인데 구성요소로서 에어 배출 덕트(700)가 추가로 포함되어 있고 팬코일 유닛(600)은 시설원예하우스 내외에 모두 설치 가능하나 될 수 있으면 바깥쪽에 설치되는 것이 바람직하다.
시설원예 하우스에서 생육되는 식물의 습도환경조성을 위한 제습 운전 모드는 냉방 운전 모드가 동작될 때에만 운용된다.
상기 각각의 운전 제어 모드의 각 제어신호는 제어 프로그램이 임베딩 된 PLC 유닛 또는 MCU에 의하여 송출되며, 각각의 송출된 제어신호는 유선 또는 무선 통신방법에 의해 전달되는 것을 특징으로 한다.
유선 또는 무선 통신 프로토콜은 RS485 또는 RS232가 이용됨이 바람직하다.
무선통신방법으로는 지그비(zigbee) 통신을 이용함이 바람직하다.
상기의 각각의 운전 제어 모드를 시설원예 하우스 내에서 생육되는 식물의 생육환경 최적화를 위한 시스템으로 적용할 때 다음과 같은 실시예를 갖는다.
파프리카의 1일 생육 환경 최적화 온도를 다음의 표와 같이 정한다고 가정한다.
시간 (특징) 온실온도
0시-07시(조조가온) 15-17℃
07시-13시(광합성 촉진) 17-22℃
13시-18시(호홉억제) 22-20℃
18시-20시(전류촉진) 20-18℃
20시-22시(전류) 18-16℃
22시-24시(호홉억제) 16-15℃
1단계: 0시 - 07시 조조가온 단계
① 난방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 17℃가 될 때까지 지속한다.
② 하우스 내부 온도가 17℃에 도달하면 난방 운전 모드를 종료하고 축열 운전 모드를 개시한다.
③ 만약 하우스 내부 온도가 15℃ 미만이 되면 다시 난방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 17℃가 될 때까지 지속한다.
2단계: 07시 - 13시 광합성 촉진 단계
① 난방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 22℃가 될 때까지 지속한다.
② 오전 10시까지는 하우스 내부 온도가 22℃에 도달하면 난방 운전 모드를 종료하고 축열 운전 모드를 개시한다.
③ 오전 10시까지는 하우스 내부 온도가 17℃에 미만이면 난방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도를 22℃가 될 때까지 지속한다.
④ 오전 10시 이후부터는 하우스 내부 온도가 22℃에 도달하면 난방 운전 모드를 종료하고 축냉 운전 모드를 개시한다.
⑤ 오전 10시 이후부터는 하우스 내부 온도가 22℃를 초과하면 난방 운전 모드를 종료하고 냉방 운전 모드를 개시하여 17℃가 될 때까지 지속한다.
3단계: 13시 - 18시 호홉 억제 단계
① 냉방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 20℃가 될 때까지 지속한다.
② 하우스 내부 온도가 20℃에 도달하면 난방 운전 모드를 종료하고 축냉 운전 모드를 개시한다.
③ 만약 하우스 내부 온도가 22℃ 이상이 되면 냉방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 20℃가 될 때까지 지속한다.
4단계: 18시 - 20시 전류 촉진 단계
① 냉방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 18℃가 될 때까지 지속한다.
② 하우스 내부 온도가 18℃에 도달하면 난방 운전 모드를 종료하고 축냉 운전 모드를 개시한다.
③ 만약 하우스 내부 온도가 20℃ 이상이 되면 냉방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 18℃가 될 때까지 지속한다.
5단계: 20시 - 22시 전류 단계
① 냉방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 16℃가 될 때까지 지속한다.
② 하우스 내부 온도가 16℃에 도달하면 난방 운전 모드를 종료하고 축냉 운전 모드를 개시한다.
③ 만약 하우스 내부 온도가 18℃ 이상이 되면 냉방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 16℃가 될 때까지 지속한다.
6단계: 22시 - 24시 호홉 억제 단계
① 냉방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 15℃가 될 때까지 지속한다.
② 하우스 내부 온도가 15℃에 도달하면 난방 운전 모드를 종료하고 축열 운전 모드를 개시한다.
③ 만약 하우스 내부 온도가 15℃ 미만이 되면 난방 운전 모드를 개시하여 하우스 내부 온도가 16℃가 될 때까지 지속한다.
비고 : ① 상기 운전 모드 중 냉방 운전 모드는 지열 냉방 운전 모드와 지열 및 축열탱크 열교환 냉방운전모드로 나뉘는데, 축열 탱크에 충분한 축냉이 되지 않았을 때에는 일반적인 지열 냉방 운전 모드로 운전하고 충분하게 축냉이 되었다면 축열 탱크 열교환 냉방 운전 모드로 운전한다.
② 생육 최적 환경으로서 습도는 냉방 운전 모드 운전에 의해 조절한다.
100 : 지중열 교환기
201 : 지열 공급 헤더 202 : 지열 환수 헤더
300 : 지열원 히트펌프 400 : 축열 탱크
500 : 열교환기 600 : 팬코일 유닛
700 : 에어 배출 덕트 800 : 팽창 탱크
810 : 보충수 탱크 820 : 비상용 경유 보일러
900 : 지열 순환펌프 901 : 2차측 순환펌프
902 : 냉온수 순환펌프 903 : 부하측 1차 순환펌프
904 : 보일러 순환펌프
A1 ~ A12 : 자동밸브 M1 ~ M10 : 수동밸브

Claims (11)

  1. 지열을 이용한 냉난방 시스템에 있어서,
    상기 냉·난방 시스템은
    지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 축열 탱크(400), 열교환기(500), 팬코일 유닛(600), 2차측 순환펌프(901), 냉온수 순환펌프(902), 부하측 1차 순환펌프(903), 복수의 자동밸브(A1~A12) 및 복수의 수동밸브(M1~M10)로 구성되며,
    상기 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 팬코일 유닛(600) 및 지열 환수 헤더(202)는 각각 배관의 말단과 연결되도록 유입구와 유출구를 가지고,
    상기 지열원 히트펌프(300), 축열 탱크(400) 및 열교환기(500)는 각각 1차측 유입구, 1차측 유출구, 2차측 유입구 및 2차측 유입구를 가지며,
    상기 지중열 교환기(100)는 유출구를 통해 지열 공급 헤더(201)의 유입구와 배관 연결되며,
    복수개의 유출구를 가진 지열 공급 헤더(201)는 유출구 중 어느 한 곳과 지열원 히트 펌프(300)의 1차측 입력구 사이를 지열 순환펌프(900)가 설치된 배관에 의해 연결되며,
    지열 공급 헤더(201)의 다른 유출구 한 곳은 자동밸브(A2)가 설치된 배관에 의해 열교환기(500)와 팬코일 유닛(600)사이의 배관에 연결되되, 그 연결부는 냉온수 순환펌프(902)와 팬코일 유닛(600) 사이에 위치하며,
    지열원 히트펌프(300)의 1차측 유출구는 지열 환수 헤더(202)의 복수의 유입구 중 어느 한곳과 배관 연결되며,
    지열 환수 헤더(202)는 그 유출구를 통해 지중열 교환기(100)의 유입구와 배관 연결되며,
    지열원 히트펌프(300)의 2차측 유출구는 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)가 설치된 배관에 의해 축열 탱크(400)의 1차측 유입구에 연결되며,
    축열 탱크(400)의 1차측 유출구는 수동밸브(M3)와 자동밸브(A3)가 설치된 배관에 의해 지열원 히트펌프(300)의 2차측 유입구에 연결되며,
    상기 지열원 히트펌프(300)와 축열 탱크(400) 사이의 배관에 있어서,
    자동밸브(A3) 및 수동밸브(M3)가 설치된 배관의 자동밸브(A3)와 수동밸브(M3) 사이의 배관부와 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)가 설치된 배관의 2차측 순환펌프(901)와 자동밸브(A4) 사이의 배관부를 자동밸브(A5)가 설치된 배관에 의해 연결하며,
    자동밸브(A3) 및 수동밸브(M3)가 설치된 배관의 자동밸브(A3)와 지열원 히트펌프(300) 사이의 배관부와 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)가 설치된 배관의 자동밸브(A4)와 수동밸브(M4) 사이의 배관부를 자동밸브(A6)가 설치된 배관에 의해 연결하며,
    축열 탱크(400)의 2차측 유출구는 수동밸브(M7), 자동밸브 2개(A9, A10) 및 부하측 1차 순환펌프(903)가 순서대로 설치된 배관에 의해 열교환기(500)의 1차측 유입구에 연결되며,
    열교환기(500)의 1차측 유출구는 자동밸브 2개(A7, A8) 및 수동밸브(M5)가 순서대로 설치된 배관에 의해 축열 탱크(400)의 2차측 유입구에 연결되며,
    상기 축열 탱크(400)와 열교환기(500) 사이의 배관에 있어서,
    자동밸브 2개(A7, A8) 및 수동밸브(M5)가 설치된 배관의 자동밸브(A7)와 자동밸브(A8) 사이의 배관부와 수동밸브(M7), 자동밸브(A9, A10) 2개가, 부하측 1차 순환펌프(903)가 설치된 배관의 수동밸브(M7), 자동밸브(A9) 사이의 배관부를 자동밸브(A11)가 설치된 배관에 의해 연결하며,
    자동밸브 2개(A7, A8) 및 수동밸브(M5)가 설치된 배관의 자동밸브(A8)와 수동밸브(M5) 사이의 배관부와 수동밸브(M7), 자동밸브(A9, A10) 2개가, 부하측 1차 순환펌프(903)가 설치된 배관의 자동밸브(A9)와 자동밸브(A10) 사이의 배관부를 자동밸브(A12)가 설치된 배관에 의해 연결하며,
    열교환기(500)의 2차측 유출구는 건물 내부에 설치되는 복수의 팬코일 유닛(600)의 유입구에 배관 연결되며,
    복수의 팬코일 유닛(600)의 각 유출구는 자동밸브(A1)가 설치된 배관에 의해 지열 환수 헤더(202)의 유입구에 연결되며,
    열교환기(500)의 2차측 유입구는 냉온수 순환펌프(902)가 설치된 배관에 의해 팬코일 유닛(600)의 유출구와 지열 환수 헤더(202) 사이의 배관에서 팬코일 유닛(600) 유출구와 자동밸브(A1)사이를 연결하며,
    추가적으로 팬코일 유닛(600) 설치될 때에는 수동밸브(M1, M2)가 하나씩 각각 설치되어 있는 배관에 의해 병렬 추가 연결되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉·난방 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 냉·난방 시스템은 에어 배출 덕트(700)가 추가적으로 구성되어 시설원예하우스에 이용되는 것으로서,
    상기 팬코일 유닛(600)은 시설원예 하우스 내부 상부와 하단부에 짝을 이루어 각각 복수개가 설치되며,
    상기 팬코일 유닛(600)은 시설원예 하우스 내부의 온도 및 습도 조절을 위해 타공된 비닐재료의 에어 배출 덕트가 시설원예 하우스 내부의 중앙부를 향해 수직으로 연통 지지 되어 있으며,
    추가적으로 시설원예 하우스가 설치될 때에는 수동밸브(M1, M2)가 하나씩 각각 설치되어 있는 배관에 의해 병렬 추가 연결되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉·난방 시스템.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    냉·난방 시스템은
    배관 수압이 부족할 때를 대비하여 이를 보충하기 위한 팽창탱크(800);
    배관이 누수에 의해 물이 부족 할 때를 대비하여 물을 채워넣는 보충수 탱크(810); 및
    축열 탱크(400)에 축적되어 있는 열량이 시설원예 하우스의 열량 수요에 부족할 때를 대비하여 비상용 경유 보일러(820)가 추가적으로 설치되며,
    상기 팽창탱크(800)와 보충수 탱크(810)는 각각 지열 환수 헤더(202)의 유입구에 각각 배관 연결되며,
    상기 비상용 경유 보일러(820)의 유입구는 보일러 순환펌프(904) 및 수동밸브(M8)가 설치된 배관으로 축열 탱크(400) 하부에 연결되며,
    상기 비상용 경유 보일러(820)의 유출구는 수동밸브(M6)가 설치된 배관으로 축열 탱크(400) 상부에 연결되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉·난방 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    냉·난방 시스템은
    수동밸브(M9, M10)가 설치된 배관이 열교환기(500)의 1차측 유입구와 2차측 유출구 사이와 1차측 유출구와 2차측 유입구 사이를 각각 추가적으로 연결하여,
    냉·난방 시스템의 구성요소 중 열교환기(500)가 고장날 때를 대비하여 냉·난방 시스템을 가동하면서 유지보수를 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 냉·난방 시스템.
  5. 제1 항 또는 제2항에 따른 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
    상기 방법은 축냉 운전 모드를 포함하고,
    상기 축냉 운전 모드는
    지중열 교환기(100), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 2차측 순환펌프(901)가 동시에 가동 되고, 동시에 복수의 자동밸브(A3, A4) 및 복수의 순환밸브(M3, M4)가 열리면서 작동되며,
    매체 열원의 흐름은,
    열원을 함유하는 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900)을 거쳐 지열원 히트펌프(300)에서 더 열원을 축적하며,
    지열원 히트펌프(300)를 거친 열원 매체는 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A4) 및 수동밸브(M4)를 거쳐 축열 탱크(400)에 공급되며,
    축열 탱크(400)에서 배출되는 열원 매체는 수동밸브(M3), 자동밸브(A3), 지열원 히트펌프(300) 및 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)에 유입되어 축냉 사이클을 이루는 것을 특징으로 하는 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법.
  6. 제1 항 또는 제2항에 따른 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
    상기 방법은 축열 운전 모드를 포함하고,
    상기 축열 운전 모드는
    지중열 교환기(100), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 2차측 순환펌프(901)가 동시에 가동되고, 동시에 복수의 자동밸브(A5, A6) 및 복수의 수동밸브(M3, M4)가 열리면서 작동되며,
    매체 열원의 흐름은,
    열원을 함유하는 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900)을 거쳐 지열원 히트펌프(300)에서 더 열원을 축적하며,
    지열원 히트펌프(300)를 거친 열원 매체는 2차측 순환펌프(901), 자동밸브(A5) 및 수동밸브(M3)를 거쳐 축열 탱크(400)에 공급되며,
    축열 탱크(400)에서 배출되는 열원 매체는 수동밸브(M4), 자동밸브(A6), 지열원 히트펌프(300) 및 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)에 유입되어 축열 사이클을 이루는 것을 특징으로 하는 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법.
  7. 제1 항 또는 제2항에 따른 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
    상기 방법은 지열 및 축열 탱크 열교환 냉방 운전 모드를 포함하고,
    상기 지열 및 축열 탱크 열교환 냉방 운전 모드는
    상기 열교환기(500)에서 상대적으로 더 온도가 높은 지중열 교환기(100)를 흐르는 열 매체와 축열 탱크에 저장된 열 매체 사이에 열 교환하여 팬코일 유닛(600)에 공급하는 것으로서,
    지중열교환기(100), 냉온수 순환펌프(902), 열교환기(500), 부하측 1차순환펌프(903), 팬코일 유닛(600)이 동시에 가동 되고, 동시에 자동밸브(A1, A2, A7, A8, A9, A10) 및 순환밸브(M5, M7)가 열리면서 작동되며,
    매체 열원의 흐름은,
    열원을 함유하는 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 자동밸브(A2), 냉온수 순환펌프(902)를 거쳐 열교환기(500)에서 더 열원을 축적하며,
    더 열원을 축적한 매체는 팬코일 유닛(600)을 통해 건물 또는 시설원예 하우스의 내부 온도를 낮추며,
    열원을 빼앗긴 매체는 팬코일 유닛(600), 자동밸브(A1) 및 지열 환수 헤드(202)를 거쳐 다시 지중열 교환기(100)로 환수되며,
    열교환기에 더 높은 열원의 매체를 공급하기 위해 축열 탱크에 저장된 매체 열원은 수동밸브(M7), 2개의 연속된 자동밸브(A9, A10), 부하측 1차 순환펌프(903)를 거쳐 열교환기(500)에 공급되며, 열교환기(500)에서 배출된 열원 매체는 자동밸브(A7, A8) 및 수동밸브(M5)를 거쳐 축열 탱크(400)로 환수되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법.
  8. 제1 항 또는 제2항에 따른 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
    상기 방법은 난방 운전 모드를 포함하고,
    상기 난방 운전 모드는
    지중열 교환기(100), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 2차측 순환펌프(901), 부하측 1차 순환펌프(903), 열교환기(500), 냉온수 순환펌프(902), 및 팬코일 유닛(600)이 동시에 가동 되고, 동시에 자동밸브(A5, A6, A7, A10, A11, A12) 및 수동밸브(M3, M4, M5, M7)가 열리면서 작동되며,
    매체 열원의 흐름은,
    열원을 함유하는 매체는 지중열교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 지열 순환펌프(900), 지열원 히트펌프(300), 자동밸브(A5), 수동밸브(M3)를 거쳐 축열탱크로 저장되며,
    축열 탱크(400)에서 배출되는 열원 매체는 수동밸브(M4), 자동밸브(A6), 지열원 히트펌프(300), 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)로 환수되며,
    축열 탱크(400)에 저장된 열원 매체는 수동밸브(M5), 자동밸브(A12), 자동밸브(A10), 부하측 1차 순환펌프(903)를 거쳐 열교환기(500)에서 열교환되며,
    열교환 된 매체는 자동밸브(A7), 자동밸브(A11), 수동밸브(M7)를 거쳐 축열 탱크(400)로 환수되며,
    열교환기(500)에서 열교환에 의해 높은 열원을 함유한 매체는 팬코일 유닛(600)을 통해 난방을 하며,
    팬코일 유닛(600)에서 배출된 매체는 냉온수 순환펌프(902)를 거쳐 열교환기(500)로 공급되어 다시 열교환하는 과정을 거치는 것을 특징으로 하는 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어방법.
  9. 제1 항 또는 제2항에 따른 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어 방법에 있어서,
    상기 방법은 냉방 운전 모드를 포함하고,
    상기 냉방 운전 모드는
    지중열 교환기(100), 냉온수 순환펌프(902), 팬코일 유닛(600)이 동시에 가동되며, 동시에 자동밸브(A1, A2)가 열리면서 작동되며,
    매체 열원의 흐름은,
    지중열의 열원 매체는 지중열 교환기(100), 지열 공급 헤더(201), 자동밸브(A2), 냉온수 순환펌프(902), 열교환기(500)를 거쳐 팬코일 유닛(600)으로 유입되어 냉방시키며,
    팬코일 유닛(600)에서 배출되는 매체는 자동밸브(A1), 지열 환수 헤더(202)를 거쳐 지중열 교환기(100)로 환수되는 것을 특징으로 하는 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    시설원예 하우스에서 생육되는 식물의 습도환경조성을 위한 제습 운전 모드는 냉방 운전 모드가 동작될 때에 동시에 운용하도록 함을 특징으로 하는 지열을 이용하는 냉·난방 시스템의 운전제어방법.
  11. 삭제
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