KR101641947B1 - 운전비가 절감된 냉난방장치 및 이의 축열운전 제어방법 - Google Patents

운전비가 절감된 냉난방장치 및 이의 축열운전 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 운전비가 절감된 냉난방장치 및 이의 축열운전 제어방법에 관한 것으로서,
압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 순차적 냉매 순환구조를 갖도록 배치된 히트펌프;
내부에 열매체가 저장되는 축열조;
상기 축열조에 설치되어 축열조에 저장된 열매체의 온도 및 수위를 측정하는 센싱유닛;
상기 응축기를 경유하여 순환하도록 상기 축열조에 연결된 축열순환배관;
냉난방목적지를 경유하여 순환하도록 상기 축열조에 연결된 방열순환배관;
상기 방열순환배관에 설치된 방열유량센서;
상기 방열순환배관에 설치되어 상기 축열조에서 상기 냉난방목적지 측으로 공급되는 열매체의 온도를 측정하는 제1방열온도센서;
상기 방열순환배관에 설치되어 상기 냉난방목적지에서 상기 축열조 측으로 회수되는 열매체의 온도를 측정하는 제2방열온도센서;
현재시간을 측정하는 타이머; 및
상기 센싱유닛, 상기 방열유량센서, 상기 제1방열온도센서 및 상기 제2방열온도센서로부터 각각 측정값을 수신하여 상기 축열조 내의 잔여축열량을 이용한 운전가능시간을 산출하고, 기 설정된 목표시간대와 현재시간을 비교하여 목표시간대까지의 잔여시간을 산출하며, 상기 운전가능시간과 상기 잔여시간을 비교하여 상기 히트펌프를 제어하는 컨트롤러;를 포함하여 이루어진 냉난방장치를 개시한다.
본 발명에 의하면, 축열조 내의 잔여축열량이 축열운전설정치 이하일 경우라도, 잔여축열량과 목표시간대(심야시간대)까지의 잔여시간을 고려하여 히트펌프를 제어함으로써, 주간시간대의 축열운전시간이 감소하게 되는 반면 전기요금이 저렴한 심야시간대의 축열운전시간이 증가하게 되어 장치의 운전비를 절감할 수 있는 효과가 있다.

Description

운전비가 절감된 냉난방장치 및 이의 축열운전 제어방법{Heating and cooling devices, and control method of heat storage operation thereof}
본 발명은 운전비가 절감된 냉난방장치 및 이의 축열운전 제어방법에 관한 것이다.
운전비가 절감된 냉난방장치에 관한 기술로는 [대한민국 등록특허공보 제10-0557460호(2006.03.07.공고, 이하 '선행기술'이라고 함) "지열 히트펌프 시스템"]이 제시되어 있다.
상기 선행기술은
"압축기, 응축기 및 증발기를 포함하는 냉매회로;
상기 냉매회로의 응축기와 그 일측이 열 교환 가능하게 연결되고 그 타측이 온실로 연장 배치되며, 이 응축기와 열 교환된 고온유체를 저장하는 유체탱크와, 이 유체탱크 내의 고온유체를 온실로 순환시키는 제1순환펌프와, 유체탱크와 온실 사이에 설치되어 온실로의 유체흐름을 단속하는 제1단속밸브가 구비된 제1유체배관;
상기 냉매회로의 증발기와 그 일측이 열 교환 가능하게 연결되고 그 타측이 지중으로 연장 배치되며, 일측에 제2순환펌프를 갖는 제2유체배관; 및
상기 제1, 2유체배관을 연결시키고, 이 제2유체배관과 보온터널 간의 유체흐름을 단속하는 제2단속밸브를 갖는 바이패스관;
을 포함하여 구성되는 지열 히트펌프 시스템에 있어서,
상기 유체탱크와 보온터널에는 각각 온도센서가 구비되고, 이 온도센서와 연결되어 압축기 및 제1, 2유체배관 상의 제1, 2순환펌프 작동을 제어하여 유체탱크 및 온실 내의 유체를 설정온도로 유지하도록 하는 온도컨트롤러가 구비된 것을 특징"으로 하는 것으로서,
온실 내의 온도를 작물의 생육에 적합하게 유지함으로써 연중 작물 재배가 가능하고, 쾌적하고 안전한 작업환경을 제공하도록 하며, 이로 인해 고품질 농산물의 생산량을 증대시키고 냉난방에너지를 효율적으로 절감할 수 있도록 한 기술이다.
한편, 상기 선행기술과 같은 종래의 냉난방장치는 전기요금이 저렴한 심야시간대에 히트펌프를 작동시킴으로써 유체탱크에 고온의 유체를 저장하는 축열운전을 실시하게 된다.
또한, 주간시간대에도 유체탱크에 저장된 열이 일정온도 이하로 떨어지게 되면 축열운전을 실시하게 되는데, 이때 심야시간대까지의 잔여시간과 무관하게 축열운전을 즉시 실시하게 됨에 따라 장치의 운전비가 증가하게 되는 문제가 있다.
즉, 유체탱크에 저장된 잔여축열량과 심야시간대까지의 잔여시간을 고려하지 않고 축열운전을 실시함으로써 주간시간대의 축열운전시간이 증가하게 되고, 이에 따라 운전비용 상승하게 되는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서,
주간시간대의 축열운전시간이 최소화되도록 함으로써 운전비가 절감될 수 있도록 한 냉난방장치 및 이의 축열운전 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 냉난방장치는,
압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기가 순차적 냉매 순환구조를 갖도록 배치된 히트펌프;
내부에 열매체가 저장되는 축열조;
상기 축열조에 설치되어 축열조에 저장된 열매체의 온도 및 수위를 측정하는 센싱유닛;
상기 응축기를 경유하여 순환하도록 상기 축열조에 연결된 축열순환배관;
냉난방목적지를 경유하여 순환하도록 상기 축열조에 연결된 방열순환배관;
상기 방열순환배관에 설치된 방열유량센서;
상기 방열순환배관에 설치되어 상기 축열조에서 상기 냉난방목적지 측으로 공급되는 열매체의 온도를 측정하는 제1방열온도센서;
상기 방열순환배관에 설치되어 상기 냉난방목적지에서 상기 축열조 측으로 회수되는 열매체의 온도를 측정하는 제2방열온도센서;
현재시간을 측정하는 타이머; 및
상기 센싱유닛, 상기 방열유량센서, 상기 제1방열온도센서 및 상기 제2방열온도센서로부터 각각 측정값을 수신하여 상기 축열조 내의 잔여축열량을 이용한 운전가능시간을 산출하고, 기 설정된 목표시간대와 현재시간을 비교하여 목표시간대까지의 잔여시간을 산출하며, 상기 운전가능시간과 상기 잔여시간을 비교하여 상기 히트펌프를 제어하는 컨트롤러;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 냉난방장치의 축열운전 제어방법은,
상기 축열조 내의 잔여축열량이 축열운전설정치 이하일 경우, 기 설정된 목표시간대와 현재시간을 비교하는 단계;
현재시간이 목표시간대를 벗어난 경우, 목표시간대까지의 잔여시간을 산출하는 단계;
상기 축열조 내의 잔여축열량과 상기 방열순환배관의 방열량을 측정하여 잔여축열량을 이용한 운전가능시간을 산출하는 단계; 및
상기 운전가능시간과 상기 잔여시간을 비교하여 상기 히트펌프를 제어하는 단계;를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면,
축열조 내의 잔여축열량이 축열운전설정치 이하일 경우라도, 잔여축열량과 목표시간대(심야시간대)까지의 잔여시간을 고려하여 히트펌프를 제어함으로써, 주간시간대의 축열운전시간이 감소하게 되는 반면 전기요금이 저렴한 심야시간대의 축열운전시간이 증가하게 되어 장치의 운전비를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 운전비가 절감된 냉난방장치의 계통도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 운전비가 절감된 냉난방장치가 난방운전으로 작동한 상태를 도시한 계통도.
도 3은 본 발명의 실시예에 의한 운전비가 절감된 냉난방장치가 냉방운전으로 작동한 상태를 도시한 계통도.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 운전비가 절감된 냉난방장치의 축열운전 제어방법의 흐름도.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
'도 1'에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 운전비가 절감된 냉난방장치는 크게 히트펌프(100), 축열조(200), 센싱유닛(300), 축열순환배관(400), 방열순환배관(500), 타이머(미도시) 및 컨트롤러(미도시)로 이루어진다.
히트펌프(heat pump, 100)는 압축기(110), 응축기(120), 팽창밸브(130) 및 증발기(140)가 냉매순환배관(150)에 의해 순차적 냉매 순환구조를 갖도록 배치된다.
여기서 응축기(120)는 축열순환배관(400)에 의해 축열조(200)와 연결되며, 증발기(140)는 지열순환배관(600)에 의해 지중열교환기(700)와 연결된다.
냉매순환배관(150)에는 사방밸브(160)가 설치되며, 이 사방밸브(160)의 작동에 의해 히트펌프(100)는 '도 2' 및 '도 3'에 도시된 바와 같이 난방운전 및 냉방운전을 겸용하는 구조로 이루어진다.
축열조(heat storage tank, 200)는 냉난방용 물, 즉 열매체를 저장하기 위한 것이다.
센싱유닛(300)은 축열조(200)에 설치되어 축열조(200)에 저장된 열매체의 온도 및 수위를 측정하는 것이다.
센싱유닛(300)은 축열조(200)의 내부에 상하 이격 배열되도록 설치된 다수의 온도센서(310)를 포함하여 이루어져 열매체의 온도 및 수위를 측정하게 되며, 이때 각 온도센서(310)는 열매체의 온도 및 수위의 오차를 줄일 수 있도록 상하로 촘촘하게 배열되는 것이 바람직하다.
축열순환배관(400)은 히트펌프(100)의 응축기(120)를 경유하여 순환하도록 축열조에 연결된 것으로서,
축열조(200)의 하부와 응축기(120)를 연결하는 제1축열배관(450);
축열조(200)의 상부와 응축기(120)를 연결하는 제2축열배관(460);
제1축열배관(450)과 제2축열배관(460)을 연결하는 제3축열배관(470); 그리고
응축기(120)와 제3축열배관(470)의 사이에 배치된 제1축열배관(450)의 일측과, 축열조(200)와 제3축열배관(470)의 사이에 배치된 제2축열배관(460)의 일측을 연결하는 제4축열배관(480);을 포함하여 이루어진다.
여기서 제2축열배관(460)과 제3축열배관(470)의 사이, 그리고 제1축열배관(450)과 제4축열배관(480)의 사이에는 각각 전동밸브(490)가 설치되어, '도 2' 및 '도 3'에 도시된 바와 같이 난방운전 및 냉방운전의 변환에 따라 축열순환배관(400)을 순환하는 열매체의 경로 및 유량을 제어하게 된다.
또한, 도시된 바와 같이 축열순환배관(400)에는, 축열펌프(440), 축열순환배관(400)을 순환하는 열매체의 유량을 측정하는 축열유량센서(410), 축열조(200)에서 응축기(120) 측으로 공급되는 열매체의 온도를 측정하는 제1축열온도센서(420), 그리고 응축기(120)에서 축열조(200) 측으로 회수되는 열매체의 온도를 측정하는 제2축열온도센서(430)가 설치된다.
방열순환배관(500)은 냉난방목적지(미도시)를 경유하여 순환하도록 축열조(200)에 연결된 것으로서,
축열조(200)의 상부와 냉난방목적지를 연결하는 제1방열배관(550);
축열조(200)의 하부와 냉난방목적지를 연결하는 제2방열배관(560);
제1방열배관(550)과 제2방열배관(560)을 연결하는 제3방열배관(570); 그리고
축열조(200)와 제3방열배관(570)의 사이에 배치된 제1방열배관(550)의 일측과, 냉난방목적지와 제3방열배관(570)의 사이에 배치된 제2방열배관(450)의 일측을 연결하는 제4방열배관(580);을 포함하여 이루어진다.
여기서 제2방열배관(560)과 제3방열배관(570)의 사이, 그리고 제1방열배관(550)과 제4방열배관(580)의 사이에는 각각 전동밸브(590)가 설치되어, '도 2' 및 '도 3'에 도시된 바와 같이 난방운전 및 냉방운전의 변환에 따라 방열순환배관(500)을 순환하는 열매체의 경로 및 유량을 제어하게 된다.
또한, 도시된 바와 같이 방열순환배관(500)에는, 방열펌프(540), 방열순환배관(500)을 순환하는 열매체의 유량을 측정하는 방열유량센서(510), 축열조(200)에서 냉난방목적지 측으로 공급되는 열매체의 온도를 측정하는 제1방열온도센서(520), 그리고 냉난방목적지에서 축열조(200) 측으로 회수되는 열매체의 온도를 측정하는 제2방열온도센서(530)가 설치된다.
한편, 상기한 냉난방목적지는 시설하우스를 비롯하여 축사(畜舍)나 양식장 등 냉난방을 요하는 다양한 시설 및 장소가 해당할 수 있다.
타이머(timer)는 컨트롤러와 연결되며, 현재시간을 측정하여 컨트롤러에 제공한다.
컨트롤러(controller)는 각 센서(310)(410)(420)(430)(510)(520)(530)로부터 각각 측정값을 수신하여 히트펌프(100) 및 각 펌프(440)(540)와 각 밸브(490)(590)를 제어한다.
이하, '도 4'를 참조하여 상기한 구성으로 이루어진 본 발명에 의한 냉난방장치의 축열운전 제어방법을 설명한다.
'도 4'에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 냉난방장치의 제어방법은 크게 현재시간 측정단계(S10), 잔여시간 산출단계(S20), 운전가능시간 산출단계(S30) 및 히트펌프 제어단계(S40)로 이루어진다.
현재시간 측정단계(S10)는 축열조(200) 내의 잔여축열량이 축열운전설정치 이하일 경우, 기 설정된 목표시간대와 현재시간을 비교하는 단계(S10)이다.
여기서 "잔여축열량"이라 함은 축열조(200)에 저장된 열량을 의미하는 것으로서, 현재 냉난방목적지에서 소비하는 열량을 감안하여 상대적으로 산출될 수 있도록, 축열조(200)에 저장된 열매체의 잔량에, 축열조(200)에 저장된 열매체와 냉난방목적지에서 축열조(200) 측으로 회수되는 열매체의 온도차를 곱하여 산출한다.
즉, 컨트롤러는 축열조(200)의 넓이에 센싱유닛(300)의 각 온도센서(310)에 의해 감지된 열매체의 높이를 곱하여 열매체의 잔량을 산출하게 되고, 이렇게 산출된 열매체의 잔량에, 열매체의 높이를 감지한 각 온도센서(310)의 평균 측정값과 제2방열온도센서의 측정값의 차이값을 곱하여 잔여축열량을 산출하게 된다.
그리고 "축열운전설정치"라 함은 축열운전을 필요로 하는 잔여축열량을 의미하는 것으로서, 통상 축열조(200)의 축열용량의 50~75％ 범위 내에서 설정된다.
또한, "목표시간대"라 함은 심야시간대와 같이 전기요금 할인 등을 위하여 사용자가 설정한 시간대를 의미한다.
결국, 이 단계에서 컨트롤러는 축열조(200) 내의 잔여축열량이 축열운전설정치 이하로 떨어지면 목표시간대와 현재시간을 비교하여, 현재시간이 목표시간대에 해당하게 되면 축열운전을 위하여 히트펌프(100)를 작동시키게 되고, 현재시간이 목표시간대를 벗어나게 되면 잔여시간 산출단계(S20)로 넘어가게 된다.
잔여시간 산출단계(S20)는 상기 현재시간 측정단계(S10)에서 측정된 현재시간이 목표시간대를 벗어난 경우, 목표시간대까지의 잔여시간을 산출하는 단계이다.
운전가능시간 산출단계(S30)는 축열조(200) 내의 잔여축열량과 방열순환배관(500)의 방열량을 측정하여 잔여축열량을 이용한 운전가능시간을 산출하는 단계이다.
여기서 "방열량"이라 함은 냉난방목적지에서 소비하는 열량을 의미하는 것으로서, 냉난방목적지로 공급되는 열매체의 유량에, 축열조(200)에서 냉난방목적지 측으로 공급되는 열매체와 냉난방목적지에서 축열조(200) 측으로 회수되는 열매체의 온도차를 곱하여 산출한다.
결국, 이 단계에서 컨트롤러는 방열유량센서(510)의 측정값에, 제1방열온도센서(520)의 측정값과 제2방열온도센서(530)의 측정값의 차이값을 곱하여 방열량을 산출하게 되고, 이후 잔여축열량에 방열량을 나누어 운전가능시간을 산출하게 된다.
히트펌프 제어단계(S40)는 운전가능시간과 잔여시간을 비교하여 히트펌프(200)를 제어하는 단계이다.
이 단계에서 컨트롤러는 운전가능시간이 잔여시간보다 길 경우 잔여축열량을 소모하여 목표시간대까지 냉난방운전을 진행시키게 되고, 운전가능시간이 잔여시간보다 짧을 경우 히트펌프(100)를 가동하여 축열운전을 실시함으로써 목표시간대까지 부족한 잔여축열량을 보충시키게 된다.
결국, 상기한 바와 같은 구성 및 단계로 이루어진 본 발명의 냉난방장치 및 이의 축열운전 제어방법에 의하면, 축열조(200) 내의 잔여축열량이 축열운전설정치 이하일 경우라도, 잔여축열량과 목표시간대(심야시간대)까지의 잔여시간을 고려하여 축열운전의 실시 여부를 결정하게 됨으로써, 주간시간대의 축열운전시간이 감소하게 되는 반면 전기요금이 저렴한 심야시간대의 축열운전시간이 증가하게 되어 장치의 운전비를 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 "운전비가 절감된 냉난방장치 및 이의 축열운전 제어방법"을 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.
100 ; 히트펌프
110 ; 압축기 120 ; 응축기
130 ; 팽창밸브 140 ; 증발기
150 ; 냉매순환배관 160 ; 사방밸브
200 ; 축열조
300 ; 센싱유닛
310 ; 온도센서
400 ; 축열순환배관
410 ; 축열유량센서 420 ; 제1축열온도센서
430 ; 제2축열온도센서 440 ; 축열펌프
450 ; 제1축열배관 460 ; 제2축열배관
470 ; 제3축열배관 480 ; 제4축열배관
490 ; 전동밸브
500 ; 방열순환배관
510 ; 방열유량센서 520 ; 제1방열온도센서
530 ; 제2방열온도센서 540 ; 방열펌프
550 ; 제1방열배관 560 ; 제2방열배관
570 ; 제3방열배관 580 ; 제4방열배관
590 ; 전동밸브
600 ; 지열순환배관
700 ; 지중열교환기

Claims (5)

  1. 압축기(110), 응축기(120), 팽창밸브(130) 및 증발기(140)가 순차적 냉매 순환구조를 갖도록 배치된 히트펌프(100);
    내부에 열매체가 저장되는 축열조(200);
    상기 축열조(200)에 설치되어 축열조(200)에 저장된 열매체의 온도 및 수위를 측정하는 센싱유닛(300);
    상기 응축기(120)를 경유하여 순환하도록 상기 축열조(200)에 연결된 축열순환배관(400);
    냉난방목적지를 경유하여 순환하도록 상기 축열조(200)에 연결된 방열순환배관(500);
    상기 방열순환배관(500)에 설치된 방열유량센서(510);
    상기 방열순환배관(500)에 설치되어 상기 축열조(200)에서 상기 냉난방목적지 측으로 공급되는 열매체의 온도를 측정하는 제1방열온도센서(520);
    상기 방열순환배관(500)에 설치되어 상기 냉난방목적지에서 상기 축열조(200) 측으로 회수되는 열매체의 온도를 측정하는 제2방열온도센서(530);
    현재시간을 측정하는 타이머; 및
    상기 센싱유닛(300), 상기 방열유량센서(510), 상기 제1방열온도센서(520) 및 상기 제2방열온도센서(530)로부터 각각 측정값을 수신하여 상기 축열조(200) 내의 잔여축열량을 이용한 운전가능시간을 산출하고, 기 설정된 목표시간대와 현재시간을 비교하여 목표시간대까지의 잔여시간을 산출하며, 상기 운전가능시간과 상기 잔여시간을 비교하여 상기 히트펌프(100)를 제어하는 컨트롤러;를 포함하여 이루어진 냉난방장치를 제어하는 방법으로서,
    상기 축열조(200) 내의 잔여축열량이 축열운전설정치 이하일 경우, 기 설정된 목표시간대와 현재시간을 비교하는 단계(S10);
    현재시간이 목표시간대를 벗어난 경우, 목표시간대까지의 잔여시간을 산출하는 단계(S20);
    상기 축열조(200) 내의 잔여축열량과 상기 방열순환배관(500)의 방열량을 측정하여 잔여축열량을 이용한 운전가능시간을 산출하는 단계(S30); 및
    상기 운전가능시간과 상기 잔여시간을 비교하여 상기 히트펌프(100)를 제어하는 단계(S40);를 포함하여 이루어져,
    상기 운전가능시간이 상기 잔여시간보다 길 경우 잔여축열량을 소모하여 목표시간대까지 냉난방운전을 진행시키게 되고, 상기 운전가능시간이 상기 잔여시간보다 짧을 경우 상기 히트펌프(100)를 가동하여 축열운전을 실시함으로써 목표시간대까지 부족한 잔여축열량을 보충시키게 되는 것을 특징으로 하는 운전비가 절감된 냉난방장치의 축열운전 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 운전가능시간은 상기 잔여축열량에 상기 방열량을 나누어 산출하는 것을 특징으로 하는 운전비가 절감된 냉난방장치의 축열운전 제어방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 잔여축열량은 상기 축열조(200)에 저장된 열매체의 잔량에, 상기 축열조(200)에 저장된 열매체와 상기 냉난방목적지에서 상기 축열조(200) 측으로 회수되는 열매체의 온도차를 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 운전비가 절감된 냉난방장치의 축열운전 제어방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 방열량은 상기 냉난방목적지로 공급되는 열매체의 유량에, 상기 축열조(200)에서 상기 냉난방목적지 측으로 공급되는 열매체와 상기 냉난방목적지에서 상기 축열조(200) 측으로 회수되는 열매체의 온도차를 곱하여 산출하는 것을 특징으로 하는 운전비가 절감된 냉난방장치의 축열운전 제어방법.
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