KR101587553B1 - 유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법 - Google Patents

유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법 Download PDF

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박미란
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Abstract

본 발명은 열효율을 개선할 수 있는 지중 열교환기의 운전 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 지중에 매설되어 열매체의 이동에 의해 지열과 열교환이 이루어지는 지중 열교환기(110)와; 상기 지중 열교환기(110)를 순환하게 되는 열매체의 순환 흐름을 발생시키는 토출량 제어가 가능한 펌프(121)와; 지중 열교환기(110)를 흐르는 열매체의 온도, 취득열량 및 펌프(110)의 소비열량에 따라서 상기 펌프(121)의 운전 속도를 제어하는 콘트롤러(150);를 포함하는 지열 열교환기의 운전 제어방법에 있어서, 열매체의 출력단 온도를 검출하고 설정 온도값과 비교하여 설정 온도 범위가 되도록 상기 펌프의 운전 속도를 제어하는 제1단계(S10)와; 열매체의 출력단의 취득열량 변화를 산출하고 그 취득열량 변화를 설정 열량값과 비교하는 제2단계(S20)와; 제2단계(S30)에서 열매체의 출력단의 취득열량 변화가 설정 열량값 보다 큰 경우에 그 취득열량 변화에 따른 펌프의 소비열량 변화를 비교하여 펌프의 운전 속도를 제어하는 제3단계(S30);를 포함한다.

Description

유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법{Optimal operation control method of a underground heat exchanger according to control of flow velocity}
본 발명은 열효율을 개선할 수 있는 지중 열교환기의 최대열량 취득 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적인 에너지원은 석유나 천연가스와 같은 화석 연료 또는 핵연료 등을 사용하고 있으며, 이러한 에너지원은 환경오염의 원인이 될 뿐만 아니라, 매장량이 한계가 있기 때문에 근래에는 풍력, 태양열, 지열 등을 활용한 다양한 친환경적인 대체 에너지 활용이 증가하고 있다.
히트펌프 시스템은 외기, 저온수, 우물물 등의 저온 열원으로부터 열을 흡수하여 따뜻한 실내공기, 온수 등의 고온 열원을 만들어 열이 필요한 곳에서 열을 방출하는 장치로서, 이와 같이 저온부에서 고온부로 열을 이동시키기 위해서는 구동에너지가 필요하다. 구동 열원과 히트펌프에서 열을 방출하는 부분의 열 교환매체로는 공기 또는 유체가 일반적으로 사용된다.
구동에너지로 가장 많이 사용되고 있는 것은 전기 에너지로서 히트펌프 시스템의 작동 유체인 냉매를 압축하기 위한 압축기의 구동에 사용된다. 전기 에너지 이외에도 열에너지를 이용한 구동을 들 수 있는데 증기, 고온수, 연소가스 등을 이용하는 흡수식 히트펌프가 대표적인 예이다.
히트펌프 시스템의 가장 큰 특징은 구동에 필요한 에너지보다 더 많은 양의 에너지를 열에너지의 형태로 공급할 수 있다는 것이며, 이러한 점이 히트펌프를 사용할 때, 에너지를 합리적으로 이용하게 만드는 점이다.
도 1의 (a)(b)는 일반적인 공기열 히트펌프 시스템을 보여주는 도면으로, (a)는 하절기의 냉매 사이클을 보여주고 있으며, (b)는 동절기의 냉매 사이클을 보여주고 있다.
도 1을 참고하면, 히트펌프 시스템은 냉매의 팽창, 증발, 압축, 응축의 네 과정이 반복되면서 흡열 또는 방열이 이루어져 실내의 냉난방이 이루어지게 되며, 사방밸브가 마련되어 냉매 흐름의 전환을 통해 실내의 냉방 또는 난방이 이루어질 수 있다.
예를 들어, 하절기(실내 냉방용)에는 실내 측의 증발기에서 외부 열을 흡수하여 기화되며, 기화 냉매는 압축기를 경유하여 실외 측의 응축기에서 응축이 이루어져 팽창기로 전달되는 사이클을 반복하여 실내 냉방이 이루어진다(a).
동절기(실내 난방용)에는 실외기는 흡열이 이루어지는 증발기 역할을 수행하고 실내기로 기능하는 응축기에서 응축이 이루어지면서 실내 측의 난방이 이루어진다(b).
이러한 공기열 히트펌프는 실외기에서 외부열원을 이용하여 열교환이 이루어지게 되지만, 흡열이 요구되는 동절기에는 외부기온이 낮으며 방열이 요구되는 하절기에는 외부기온이 높기 때문에 효율이 떨어지는 문제점이 있으며, 특히 공기열 히트펌프는 외부 온도가 5℃ 이하가 되면 성능이 상당히 저하되고 작동이 원활하지 못한 단점이 있다.
이러한 열교환 효율을 개선하기 위하여 지열을 열원으로 하는 히트펌프 시스템이 제안되어 있으며, 지열을 열원으로 하는 히트펌프 시스템은 계절 변화에 따른 외기 온도 변화에 상관없이 일정한 열원을 확보할 수 있으므로 공기열원과 비교하여 에너지 효율이 매우 높은 장점이 있다.
예를 들어 등록특허 제10-1155353호(공고일자: 2012.06.19)에는 지중에 매설된 유입관과 유출관을 갖는 지중열 교환유닛이 마련되어 지열을 이용한 열교환을 통하여 냉난방 또는 냉온수를 공급할 수 있는 지열히트펌프 시스템을 제안하고 있으며, 지중열 교환유닛은 U자형상의 열교환 파이프로써 100m 내지 250m 정도까지 매설공을 굴착하여 지하에 매설된다.
이와 같이 냉매가 흐르는 도관을 지하에 매설하여 지중열의 교환이 이루어지는 폐쇄형 열 교환시스템(Closed Loop System) 이외에도 지열 교환방식은 지하수 또는 저수지의 물 자체를 냉매로 이용하는 방식으로 개방된 도관이 지하수를 빨아들여 이용하게 되는 개방형 열 교환시스템(Open Loop System)이 있다.
한편 밀폐형 열 교환시스템은 지하 천공방식에 따라서 수직형과 수평형으로 나뉜다.
수직방식은 지하 100~150m 깊이까지 수직으로 천공한 후 냉매도관을 U자 형으로 매설하여 지하열원과 교환이 이루어지는 방식으로 토지 가용면적이 좁은 경우에도 설치가 가능하여 일반적으로 이용되는 방식이다.
수평방식은 지하 수 m 깊이에 일정 면적으로 땅을 파낸 후에 냉매도관을 매설하여 열교환이 이루어지는 방식으로써, 시공비용이 수직방식과 비교하여 적게 드는 장점이 있다.
또한 지열에너지는 지표면으로부터의 깊이에 따라서 대략 10~20℃의 온도를 사용하는 천부지열과 40~150℃ 이상의 온도를 사용하는 심부지열로 구분되며, 한국의 대부분의 원예시설에서 사용하는 지열에너지는 천부지열을 이용하고 있는 실정이다.
천부지열은 지중 열 교환하기 위한 보어홀의 시공을 위한 천공 깊이가 깊지는 않지만 난방부하에 대응한 많은 수량의 보어홀이 요구되어 가용할 수 있는 토지면적이 넓어야 하며, 히트펌프설비의 시설에 따른 많은 전기에너지 사용과 고장에 대비한 섬세한 유지관리가 요구되는 단점이 있다.
반면에 지중내 온도가 적정하여 지열을 직접 이용하는 경우와 심부지열은 하나의 열교환기 보어홀에서 고온의 열을 취득하여 바로 이용할 수 있으므로 최소의 부지면적과 히트펌프설비가 없어도 되는 장점을 갖고 있으나, 지역적인 제한 또는 보어홀 공사에 많은 비용이 지출되는 단점이 있으며, 이를 극복하기 위한 방법으로는 시공방법의 개선과 함께 최소의 보어홀에서 가능한 최대의 에너지를 얻는 방법이 있을 수 있다.
등록특허공보 제10-1155353호(공고일자: 2012.06.19)
공개특허공보 제10-2010-0128729호(공개일자: 2010.12.08)
등록특허공보 제10-1514673호(공고일자: 2015.04.23)
본 발명은 지중 열교환기에 있어서 열효율을 개선하기 위하여 유속 제어를 통해 지중 열교환기를 최적으로 운전할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지중 열교환기의 운전 제어방법은, 지중에 매설되어 열매체의 이동에 의해 지열과 열교환이 이루어지는 지중 열교환기와; 상기 지중 열교환기를 순환하게 되는 열매체의 순환 흐름을 발생시키는 토출량 제어가 가능한 펌프와; 지중 열교환기를 흐르는 열매체의 온도, 취득열량 및 펌프의 소비열량에 따라서 상기 펌프의 운전 속도를 제어하는 콘트롤러;를 포함하는 지열 열교환기의 운전 제어방법에 있어서, 열매체의 출력단 온도를 검출하고 설정 온도값과 비교하여 설정 온도 범위가 되도록 상기 펌프의 운전 속도를 제어하는 제1단계와; 열매체의 출력단의 취득열량 변화를 산출하고 그 취득열량 변화를 설정 열량값과 비교하는 제2단계와; 제2단계에서 열매체의 출력단의 취득열량 변화가 설정 열량값보다 큰 경우에 그 취득열량 변화에 따른 펌프의 소비열량 변화를 비교하여 펌프의 운전 속도를 제어하는 제3단계;를 포함한다.
바람직하게는, 제1단계는 열매체의 초기 취득열량과 펌프의 소비열량을 산출하여 저장하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 제3단계는 취득열량 변화가 펌프의 소비열량 변화 보다 큰 경우에는 펌프의 운전 속도를 증속 제어하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 제2단계는, 열매체의 취득열량 변화를 제1설정 열량값과 비교하는 단계와; 열매체의 취득열량 변화가 제1설정 열량값(ΔQ1) 보다 작은 경우에 열매체의 취득열량 변화를 제2설정 열량값(ΔQ2)과 비교하는 단계와; 열매체의 취득열량 변화가 제2설정 열량값(ΔQ2) 보다 작은 경우에는 펌프를 감속 제어하는 단계;를 포함한다.
바람직하게는, 제3단계는, 제2단계에서 열매체의 취득열량 변화가 제1설정 열량값(ΔQ) 보다 큰 경우에 펌프의 소비열량 변화를 제2설정 열량값(Δq)과 비교하는 단계와; 펌프의 소비열량 변화가 제2설정 열량값(Δq) 보다 큰 경우에는 펌프를 감속 제어하는 단계;를 포함한다.
보다 바람직하게는, 펌프의 소비열량 변화가 제2설정 열량값(Δq) 보다 작은 경우에는 펌프의 소비열량 변화를 취득열량 변화와 비교하여 취득열량 변화가 펌프의 소비열량 변화 보다 큰 경우에는 펌프를 증속 제어하는 것을 특징으로 한다.
다음으로 유속 제어에 의한 지열 열교환기의 최적 운전 제어장치는, 지중에 매설되어 열매체의 이동에 의해 지열과 열교환이 이루어지는 지중 열교환기와; 상기 지중 열교환기를 순환하게 되는 열매체의 순환 흐름을 발생시키는 토출량 제어가 가능한 펌프와; 상기 펌프의 운전 속도에 따른 소비전력을 검출하는 전력검출부와; 상기 지중 열교환기의 출수단에 마련되어 열매체의 온도를 검출하는 온도검출부와; 상기 지중 열교환기를 따라 흐르는 열매체의 유량을 검출하는 유량검출부와; 상기 온도검출부, 상기 유량검출부 및 상기 전력검출부의 검출 신호를 수신하여 열매체의 취득열량을 산출하고 펌프 운전 시의 소비전력을 열량으로 변환하며, 열매체의 온도, 취득열량 및 펌프 소비열량에 따라서 상기 펌프의 운전 속도를 제어하는 콘트롤러;를 포함한다.
본 발명에 따른 유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어장치 및 그 방법은, 지중 열교환기를 따라서 흐르는 열매체의 열효율을 개선할 수 있는 효과가 있다.
도 1의 (a)(b)는 일반적인 공기열 히트펌프 시스템을 보여주는 도면,
도 2는 지중 배관을 예시하여 보여주는 도면,
도 3은 지중 배관(직경: 65mm)에서의 유속과 출수 온도(To)에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프,
도 4는 지중 배관(직경: 65mm)에서의 유속과 취득열량에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프,
도 5는 지중 배관(직경: 100mm)에서의 유속과 출수 온도(To)에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프,
도 6은 지중 배관(직경: 100mm)에서의 유속과 취득열량에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프,
도 7은 본 발명에 따른 지중 열교환기의 최대열량 취득 제어장치의 구성도,
도 8은 본 발명에 따른 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법을 보여주는 흐름도,
도 9는 본 발명에 따른 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법에서 유속과 취득열량과의 관계를 보여주는 그래프,
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법을 보여주는 흐름도.
본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소들과 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다거나 "접속되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떠한 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다거나 또는 "직접 접촉되어"있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하기 위한 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 인접하는"과 "~에 직접 인접하는"등의 표현도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함한다" 또는 "가지다"등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
한반도의 지중 20m에서의 심도지온 평균값은 Kringing법의 산술평균을 이용하는 경우에 14.1℃이며, 지중심도 3000m에서의 온도 분포는 44.2℃~110.9℃로 조사되고 있다. 지중 3000m에서 90℃ 내외인 지역의 경우 땅속 깊이에 따른 온도는 1㎞당 25.1℃씩 높이진다는 것이 알려져 있다. 이를 근거로 하면 3,500m 깊이 수직으로 매설된 지중관로 주위의 지중온도를 100m 간격으로 분할하면 120m 깊이에서의 지온은 16.61℃, 220m에서는 19.12℃ 등으로 깊이에 따라서 증가하여 3,500m 지점에서는 101.05℃로 추정된다.
따라서 심부지열을 이용하기 위하여 수직으로 밀폐관을 매설하여 관내에 물을 주입하게 하면, 깊이에 따라서 지온의 영향으로 관 내부의 수온은 변화될 것이며, 또한 그에 따른 유속, 유량 등과 취득열량 등을 추정할 수 있다.
도 2는 지중 배관을 예시하여 보여주는 도면으로써, 지중 열교환기는 외부의 온도가 일정하다고 가정하였을 때, 도 2에서와 같이 지중배관에 흐르는 물의 온수유동에 대한 전열량(q)의 평형방정식은 다음의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure 112015099103585-pat00001
위 식에서, U는 지중의 열전달계수(coefficient of heat transfer)(w/mk)이며, A는 지중배관의 표면적이며, ρ는 물의 밀도이며, W는 플럭스(flux)(㎥/h)이며, Cp는 비열이며, Ti는 입수(inlet water) 온도이며, To은 출수(outlet water) 온도이며, Tao는 지중배관 주변의 토양 온도이다.
지중배관의 입구에 주입된 물은 지온의 영향과 더불어 관의 형상, 열전달 성능, 유속에 따라서 출구로 나오는 물의 온도(Ti)는 달라지며, [수학식 1]로부터 출수 온도(Ti)는 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112015099103585-pat00002
위 식에서, R은 배관의 반지름이며, V는 유속이며, L은 배관의 길이이다.
수직으로 매설된 배관은 땅속 깊이에 따라서 달라지는 지중온도의 영향을 받게 되므로, 배관 내부 임의의 지점에서 물의 온도(Txn)는 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112015099103585-pat00003
취득열량(q)은 물이 얻는 온도와 관을 통과한 물의 질량과 관계하므로 일반식은 다음의 [수학식 4]와 같다.
[수학식 4]
Figure 112015099103585-pat00004
위 식에서 G는 유체의 시간당 유량(Kg/h).
[수학식 4]에서 출수 온도(To)를 임의의 심부지열 배관 내부지점의 수온(Txn)으로 대체하고 지중 열교환기 및 지반 특성에 따른 보정상수 k를 적용하면, 지중 깊이에 따라서 출수 온도(To)와 취득할 수 있는 열량(qx)을 추정할 수 있으며, 이는 다음의 [수학식 5]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112015099103585-pat00005

관로내의 유속(V)과 취득되는 열량은 지중의 심도에 따른 온도와 열교환기 설치방식, 각 요소별 열전도도 등 여러 조건에 따라 다르게 나타나며, 본 발명자는 앞서 설명한 수학식과 다음의 [표 1]의 조건을 이용하여 유속 변화(V)에 대한 출수 온도(To)와 취득되는 열량을 시뮬레이션을 수행하였다. 본 시뮬레이션에서는 지하 3,500m까지 심도별 지온에 대하여 기존 연구에 근거하고, 보어홀 내부는 Closed U-Tube방식을 기준으로 하며, 회수되는 구간에서는 충분히 단열되었다는 조건과 함께 지중 열전달계수(U)는 시행된 현장의 조사 자료를 근거로 중간 값을 적용하였다.
[표 1]
Figure 112015099103585-pat00006

도 3은 지중 배관(직경: 65mm)에서의 유속과 출수 온도(To)에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이며, 도 4는 지중 배관(직경: 65mm)에서의 유속과 취득열량에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이다.
도 3을 참고하면, 출수 온도(To)를 시뮬레이션 분석하기 위하여 [수학식 3]을 MATLAB으로 작성하여 수행하였으며, 유속이 증가할수록 심부지열로부터 열을 취득하여 회수된 수온은 낮아졌으며, 13m/s 이상에서는 30℃에서 수렴하는 것으로 나타났다.
일반적으로 온실에서 온수 난방용으로 요구되는 수온은 대략 50℃이며, 이때 유속은 4.4 m/s에 해당하고 유속이 그 이하로 낮아지는 경우에 출수 온도(To)는 빠르게 상승하는 것을 알 수 있다.
도 4를 참고하면, 유속이 증가할수록 취득열량은 증가하는 경향을 보여주며, 유속이 14m/s 이상에서는 그 증가가 둔화됨을 알 수 있다. 한편, 유속이 3m/s 이하로 낮아지는 경우에는 취득열량이 가파르게 줄어드는 경향을 보여주는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 5는 지중 배관(직경: 100mm)에서의 유속과 출수 온도(To)에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프이며, 도 6은 지중 배관(직경: 100mm)에서의 유속과 취득열량에 대한 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프로써, 동일한 조건에 대해 지중 배관의 직경을 100mm로 하여 시뮬레이션을 수행하였다.
도 5 및 도 6을 참고하면, 직경이 100mm인 지중 배관에서는 직경이 65mm의 지중 배관과 비교하여 동일 유속 조건에서 출수 온도(To)는 낮아지는 것을 알 수 있으며, 취득열량은 증가하는 것을 알 수 있다.
본 발명은 이와 같이 지중 배관의 유속에 따른 출수 온도와 취득열량과의 관계를 이용하여 난방부하에 적합한 온도를 유지하면서 최대의 취득열량을 얻고자 하는 것이며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 7에 예시된 것과 같이, 본 발명은, 지중에 매설되어 열매체의 이동에 의해 지열과 열교환이 이루어지는 지중 열교환기(110)와; 지중 열교환기(110)를 순환하게 되는 열매체의 순환 흐름을 발생시키는 토출량 제어가 가능한 펌프(121)와; 상기 펌프(121)의 운전 속도에 따른 소비전력을 검출하는 전력검출부(123)(124)와; 지중 열교환기(110)의 출수단에 마련되어 열매체의 온도를 검출하는 온도검출부(131)와; 지중 열교환기(110)를 따라 흐르는 열매체의 유량을 검출하는 유량검출부(140)와; 온도검출부(131), 유량검출부(140) 및 전력검출부(123)(124)의 검출 신호를 수신하여 열매체의 취득열량을 산출하고 펌프 운전 시의 소비전력을 열량으로 변환하며, 열매체의 온도, 취득열량 및 펌프 소비열량에 따라서 펌프(121)의 운전 속도를 제어하는 콘트롤러(150);를 포함한다.
본 실시예에서 지중 열교환기(110)는 폐쇄열 열 교환시스템(closed loop system)으로 예시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니고 개방형 열 교환시스템(Open Loop System)이 적용될 수도 있다.
펌프(121)는 열매체의 순환 공급을 위한 것으로, 운전 상황에 따라서 유속의 가변 제어가 가능한 인버터펌프에 의해 제공될 수 있으며, 본 실시예에서는 도면부호 122는 인버터이다.
전력검출부(123)(124)는 펌프(121)의 구동에 의해 발생된 소비전력을 검출하기 위한 것으로써, 주지의 변류기(123)와 변성기(124)에 의해 제공되어 전압과 전류를 검출하여 소비전력의 검출이 이루어질 수 있다.
온도검출부(131)는 지중 열교환기(110)의 출수단에 마련되어 열매체의 온도 검출이 이루어질 수 있으며, 온도를 검출하여 전기적인 신호를 출력하는 주지의 온도센서에 의해 제공될 수 있다. 한편, 지중 열교환기의 입수단과 난방 수요시설에 별도의 온도센서(132)(133)가 추가로 마련되어 지열 열교환기의 운전 중의 지중 열교환기(110)의 입수단과 난방 수요시설에서의 열매체 온도는 콘트롤러(150)로 전달될 수 있으며, 콘트롤러(150)는 검출된 열매체의 수온 정보들을 표시부(154)로 출력하여 운전 상태에 대한 모니터링이 이루어질 수 있다.
콘트롤러(150)는 온도검출부(131)와 유량검출부(140) 및 전력검출부(123)(124)의 검출 신호를 수신하여 펌프(121)의 운전 속도를 가변 제어한다.
본 실시예에서 콘트롤러(150)는 검출 데이터를 이용하여 연산 처리 및 제어 신호를 발생시키는 제어부(151)와, 수신된 데이터를 저장하는 데이터로거(152)를 포함하며, 또한 각종 비교 판정에 필요한 설정값을 외부에서 입력할 수 있도록 설정부(153)와, 운전 상태와 검출 데이터를 출력할 수 있는 표시부(154)를 더 포함할 수 있다. 한편, 제어부는 입력된 정보를 저장하는 주지의 메모리를 포함한다.
도 8은 본 발명에 따른 유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법을 보여주는 흐름도이다.
도 8을 함께 참고하면, 본 발명의 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법은, 열매체의 출수단 온도(T)를 검출하고 설정 온도값(T0,T1)과 비교하여 설정 온도 범위가 되도록 펌프의 운전 속도를 제어하는 제1단계(S10)와; 열매체의 출력단의 취득열량 변화를 산출하고 그 취득열량 변화를 제1설정 열량값과 비교하는 제2단계(S20)와; 제2단계(S20)에서 열매체의 출력단의 취득열량 변화(Qn-Q0)가 설정 열량값(ΔQ) 보다 큰 경우에 그 취득열량 변화에 따른 펌프의 소비열량 변화(qn-q0)를 비교하여 펌프의 운전 속도를 제어하는 제3단계(S30);를 포함한다.
제1단계(S10)는 열매체의 출수단 온도(T)가 일정 온도(T0,T1) 범위가 되도록 펌프의 운전 속도를 제어하는 과정으로써, 열매체의 출수단 온도(T)를 검출하는 제1-1단계(S11)와, 검출된 출수단 온도(T)를 설정 온도값(T0,T1)과 비교 판정하는 비교단계(S12)(S14)와, 검출된 출수단 온도(T)와 설정 온도값(T0,T1)을 비교하여 펌프의 운전 속도를 제어하는 제어단계(S13)(S15)를 포함한다.
출수단 온도(T) 검출은 온도검출부(131)를 통해 이루어지며, 온도검출부(131)는 검출된 신호를 콘트롤러(150)를 전달하며, 콘트롤러(150)는 검출된 출수단 온도(T)와 설정값(T0,T1)을 비교하여 펌프(121)의 운전 속도를 감속 또는 증속 제어하게 된다.
온도 설정값(T0,T1)은 콘트롤러(150)의 설정부(153)를 통해 입력이 이루어진다.
본 실시예에서 열매체의 출수단 온도(T)의 검출이 이루어지는 제1-1단계(S11)는 열매체의 초기 취득열량(Q0)과 펌프의 소비열량(q0)을 산출하는 과정을 더 포함할 수 있다.
본 발명에서 펌프의 소비열량(q0)은 펌프 운전 시의 소비전력을 열량을 변환한 값을 의미하며, 콘트롤러(150)는 전력검출부(123)(124)에서 검출된 소비전력을 열량으로 변환하여 산출된 값을 펌프의 소비열량(q0)으로 저장하게 된다.
본 실시예에서 비교단계(S12)(S14)는 검출된 출수단 온도(T)를 하한 설정 온도값(T0)과 비교하는 제1-2단계(S12)와, 이후 출수단 온도(T)를 상한 설정 온도값(T1)과 비교 하는 제1-4단계(S14)를 포함하여 그에 따른 펌프의 운전 속도 제어가 이루어져 열매체의 온도를 설정 온도(T0,T1) 범위에서 유지할 수 있다.
제어단계(S13)(S15)는 제1-2단계(S12)에서 출수단 온도(T)가 하한 설정 온도(T0) 보다 작은 경우에는 펌프를 감속제어하게 되는 제1-3단계(S13)와, 제1-4단계(S14)에서 출수단 온도(T)가 상한 설정 온도(T1) 보다 큰 경우에는 펌프를 증속제어하는 제1-5단계(S15)로 구성될 수 있다.
제2단계(S20)는 열매체가 설정된 온도 범위 내에서 유지된 상태에서 열매체의 취득열량 변화를 비교하는 과정으로써, 일정 시간을 카운팅하는 제2-1단계(S21)와, 일정 시간이 경과된 후에 열매체의 취득열량(Qn)을 검출하는 제2-2단계(S22)와, 일정 시간이 경과된 후의 펌프 소비열량(qn)을 검출하는 제2-3단계(S23)와, 열매체의 취득열량 변화(Qn-Q0)를 설정 열량값(ΔQ)과 비교하는 제2-4단계(S24)를 포함한다.
설정 열량값(ΔQ)은 콘트롤러(150)의 설정부(153)를 통해 입력이 이루어진다.
도 9를 참고하면, 지중 열교환기의 취득열량(Q)은 유속(V)의 증가에 대하여 선형적으로 증가하지 않고 초기에는 유속(V)이 증가함에 따라서 열매체의 획득열량(Q)이 증가하나 유속(V)이 증가할수록 취득열량(Q)의 기울기는 완만해진다. 따라서 본 발명에서는 취득열량 변화를 산출하고 이를 설정 열량값과 비교하여 설정 열량값 보다 큰 경우에만 펌프의 증속 운전을 시행하여 최대 취득열량을 얻도록 한다.
다시 도 8을 참고하면, 제3단계(S30)는 제2단계(S20)에서 열매체의 취득열량 변화(Qn-Q0)가 설정 열량값(ΔQ) 보다 큰 경우에는 그 취득열량 변화에 따른 펌프의 소비열량 변화(qn-q0)를 비교하는 제3-1단계(S31)와, 취득열량 변화가 펌프의 소비열량 변화보다 큰 경우에 펌프를 증속제어하게 되는 제3-2단계(S32)를 포함한다.
본 실시예에서는 제2-4단계(S24)와 제3-1단계(S31)에서 조건이 만족하지 않는 경우에는 펌프의 운전 속도를 유지하는 것으로 예시하고 있으나, 조건이 만족하지 않는 경우에는 제1-1단계(S11)로 다시 진행하여 동일한 과정이 반복될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 열매체의 출수단 수온, 취득열량 및 펌프의 소비전력을 고려하여 펌프를 능동 제어하여 열매체의 출수단의 온도가 난방 수요시설에서 요구하는 온도 범위가 되도록 수온을 조절하고 펌프의 소비전력을 고려하여 최대의 최득열량을 얻을 수가 있다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법을 보여주는 흐름도로써, 앞서의 실시예(도 8 참고)와 중복되는 사항은 생략하고 차이점을 중심으로 설명하도록 한다.
도 10을 참고하면, 본 실시예에서는 열매체의 출수 온도를 검출하여 펌프의 운전속도를 제어하는 제1단계는 생략되어 있으며, 열매체의 온도 조절 이후에 이루어지는 취득열량과 펌프 소비열량 판정 제어모드를 특징으로 한다.
본 실시예에서 제2단계(S200)는 열매체의 취득열량 변화를 비교하는 과정으로써, 일정 시간을 카운팅하는 제2-1단계(S210)와, 일정 시간이 경과된 후에 열매체의 취득열량(Qn)을 검출하는 제2-2단계(S220)와, 일정 시간이 경과된 후의 펌프 소비열량(qn)을 검출하는 제2-3단계(S230)와, 열매체의 취득열량 변화(Qn-Q0)를 제1설정 열량값(ΔQ1)과 비교하는 제2-4단계(S240)와, 열매체의 취득열량 변화(Qn-Q0)가 제1설정 열량값(ΔQ1) 보다 작은 경우에 열매체의 취득열량 변화(Qn-Q0)를 제2설정 열량값(ΔQ2)과 비교하는 제2-5단계(S250)와, 열매체의 취득열량 변화(Qn-Q0)가 제2설정 열량값(ΔQ2) 보다 작은 경우에는 펌프를 감속 제어하는 제2-6단계(S260)를 포함한다.
즉, 본 실시예에서는 열매체의 취득열량 변화가 일정 수준 이하로 발생되는 경우에는 관로 내부에서 난류가 발생되어 현저한 유속의 감소로 판정하여 펌프를 감속시키게 되며, 감시계측이 이루어질 수 있다.
제3단계(S300)는 제2단계(S200)에서 열매체의 취득열량 변화(Qn-Q0)가 제1설정 열량값(ΔQ2) 보다 큰 경우에 펌프의 소비열량 변화(qn-q0)를 제3설정 열량값(Δq)과 비교하는 제3-1단계(S310)와, 펌프의 소비열량 변화(qn-q0)가 제3설정 열량값(Δq) 보다 큰 경우에는 펌프를 감속 제어하는 제3-2단계(S320)와, 펌프의 소비열량 변화(qn-q0)가 제3설정 열량값(Δq) 보다 작은 경우에는 펌프의 소비열량 변화(qn-q0)를 취득열량 변화(Qn-Q0)와 비교하는 제3-3단계(S330)와, 취득열량 변화(Qn-Q0)가 펌프의 소비열량 변화(qn-q0) 보다 큰 경우에는 펌프를 증속 제어하는 제3-4단계(S340)를 포함한다.
즉, 본 실시예에서는 펌프의 소비전력 변화가 현저히 증가하는 경우에는 관로 내부에서 난류가 발생되어 펌프의 소비전력 변화가 현저한 증가하는 것으로 판정하여 펌프를 감속시키게 되며, 감시계측이 이루어질 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 관로 내부에서 열매체의 난류 발생 여부를 취득열량 변화와 펌프 소비열량 변화를 각각 검출하여 펌프를 감속 제어하도록 하고 있으나, 취득열량 변화와 펌프 소비열량 변화 중의 어느 하나만을 판정하여 펌프의 감속 제어가 이루어질 수 있음은 자명하게 이해될 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.
110 : 지중 열교환기 121 : 펌프
122 : 인버터 123 : 변류기
124 : 변성기 131 : 제1온도센서
132 : 제2온도센서 133 : 제3온도센서
140 : 유량검출부 150 : 콘트롤러
151 : 제어부 152 : 데이터로거
153 : 설정부 154 : 표시부

Claims (7)

  1. 지중에 매설되어 열매체의 이동에 의해 지열과 열교환이 이루어지는 지중 열교환기와; 상기 지중 열교환기를 순환하게 되는 열매체의 순환 흐름을 발생시키는 토출량 제어가 가능한 펌프와; 지중 열교환기를 흐르는 열매체의 온도, 취득열량 및 펌프의 소비열량에 따라서 상기 펌프의 운전 속도를 제어하는 콘트롤러;를 포함하는 지열 열교환기의 운전 제어방법에 있어서,
    열매체의 출력단 온도를 검출하고 설정 온도값과 비교하여 설정 온도 범위가 되도록 상기 펌프의 운전 속도를 제어하는 제1단계와;
    열매체의 출력단의 취득열량 변화를 산출하고 그 취득열량 변화를 설정 열량값과 비교하는 제2단계와;
    제2단계에서 열매체의 출력단의 취득열량 변화가 설정 열량값보다 큰 경우에 그 취득열량 변화에 따른 펌프의 소비열량 변화를 비교하여 펌프의 운전 속도를 제어하는 제3단계;를 포함하는 유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 제1단계는 열매체의 초기 취득열량과 펌프의 소비열량을 산출하여 저장하는 것을 특징으로 하는 유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 제3단계는 취득열량 변화가 펌프의 소비열량 변화 보다 큰 경우에는 펌프의 운전 속도를 증속 제어하는 것을 특징으로 하는 유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법.
  4. 제1항에 있어서, 제2단계는,
    열매체의 취득열량 변화를 제1설정 열량값과 비교하는 단계와;
    열매체의 취득열량 변화가 제1설정 열량값(ΔQ1) 보다 작은 경우에 열매체의 취득열량 변화를 제2설정 열량값(ΔQ2)과 비교하는 단계와;
    열매체의 취득열량 변화가 제2설정 열량값(ΔQ2) 보다 작은 경우에는 펌프를 감속 제어하는 단계;를 포함하는 유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법.
  5. 제1항에 있어서, 제3단계는,
    제2단계에서 열매체의 취득열량 변화가 제1설정 열량값(ΔQ) 보다 큰 경우에 펌프의 소비열량 변화를 제2설정 열량값(Δq)과 비교하는 단계와;
    펌프의 소비열량 변화가 제2설정 열량값(Δq) 보다 큰 경우에는 펌프를 감속 제어하는 단계;를 포함하는 유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법.
  6. 제5항에 있어서, 펌프의 소비열량 변화가 제2설정 열량값(Δq) 보다 작은 경우에는 펌프의 소비열량 변화를 취득열량 변화와 비교하여 취득열량 변화가 펌프의 소비열량 변화 보다 큰 경우에는 펌프를 증속 제어하는 것을 특징으로 하는 유속 제어에 의한 지중 열교환기의 최적 운전 제어방법.
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