KR101806362B1 - 재난재해 제어 기능을 갖는 고효율 지열원 히트펌프 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 재난재해 제어 기능을 갖는 지열원 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지중 열교환기의 지중 유입관과 지중 유출관이 서로 비 접촉하도록 이격시키는 각진 모서리가 없는 라운드바 형태의 연질 공간극재를 통해 롤관 형태에서 수직 보어홀로 매설되는 지중 열교환기의 꼬임 현상에 의해 전열면적이 감속하여 열교환 성능이 저하되는 단점을 보완하여 최대의 전열면적을 유지시켜 열교환 성능을 높일 수 있고, 냉난방 전환 시 지열 측 열교환기와 냉온수 측 열교환기를 흐르는 냉매의 방향을 팽창변 통과 시 항상 정방향으로 제어하여 냉매의 흐름을 개선함으로써 냉난방 성능을 향상시킬 수 있으며, 지진, 화재, 수해, 온도, 습도를 감지하는 센서들로 구성된 방재센서 모듈을 구비한 컨트롤러를 통해, 지진, 수해, 화재 등의 재난재해에 의한 시스템의 오작동과 고압에서 운전되는 히트펌프의 폭발에 의한 인명피해, 고가의 시스템 파손에 의한 재산상의 피해를 예방하여 시스템 전체를 보호함은 물론 재난재해의 확대를 예방하여 보다 안정적으로 운전이 가능한, 고효율 지열원 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

Description

재난재해 제어 기능을 갖는 고효율 지열원 히트펌프 시스템{GROUND SOURCE HEAT PUMP SYSTEM WITH CONTROL FOR DISATER}

본 발명은 재난재해 제어 기능을 갖는 지열원 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지중 열교환기의 지중 유입관과 지중 유출관이 서로 비 접촉하도록 이격시키는 각진 모서리가 없는 라운드바 형태의 연질 공간극재를 통해 롤관 형태에서 수직 보어홀로 매설되는 지중 열교환기의 꼬임 현상에 의해 전열면적이 감속하여 열교환 성능이 저하되는 단점을 보완하여 최대의 전열면적을 유지시켜 열교환 성능을 높일 수 있고, 냉난방 전환 시 지열 측 열교환기와 냉온수 측 열교환기를 흐르는 냉매의 방향을 팽창변 통과 시 항상 정방향으로 제어하여 냉매의 흐름을 개선함으로써 냉난방 성능을 향상시킬 수 있으며, 지진, 화재, 수해, 온도, 습도를 감지하는 센서들로 구성된 방재센서 모듈을 구비한 컨트롤러를 통해, 지진, 수해, 화재 등의 재난재해에 의한 시스템의 오작동과 고압에서 운전되는 히트펌프의 폭발에 의한 인명피해, 고가의 시스템 파손에 의한 재산상의 피해를 예방하여 시스템 전체를 보호함은 물론 재난재해의 확대를 예방하여 보다 안정적으로 운전이 가능한, 고효율 지열원 히트펌프 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 지열 냉난방 히트펌프 시스템은, 지중에 매립된 지중 열교환기를 순환하는 지열수가 지중과 열교환(하절기에는 지중으로 열을 방출하고 동절기에는 지중으로부터 열을 흡수함.)을 통하여 열원을 공급하고, 이러한 열원을 이용해 냉온수를 생산 및 순환시켜 주거 건물 등의 냉난방 운전을 가능하도록 하는 것으로,

연중 10~20℃로 거의 일정한 온도를 유지하는 지열(지중열)을 열원(난방 시)과 히트싱크(냉방 시)로 사용하여 냉난방의 성능이 저하되지 않아 안정적인 운전이 가능하며,

일반적인 다른 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40~70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.

이러한 지열 냉난방 시스템은, 특히 에너지 자원의 수입 의존율이 매우 높은 우리나라의 현실을 감안할 때, 화석연료의 수입을 대체하여 에너지절감 효과가 매우 크며, 공해 및 이산화탄소 배출량을 줄여 친환경적이면서, 냉난방 시스템의 연간 유지비를 획기적으로 줄일 수 있음은 주지의 사실이며,

따라서 각종 건물의 사무실, 상업시설, 종교시설, 공공기관, 주상복합 또는 공동주택, 리조트(스파), 시설원예, 양식장, 공장 등 다양한 건물의 냉난방 시스템으로 각광을 받고 있다.

이에 따라 최근에는 지열 히트펌프의 효율적인 가동 및 냉난방 효율 향상을 위해, 등록특허 제10-1215014호, 등록특허 제10-923962호 등과 같이 다양한 기술이 개발되고 있다.

그러나 종래의 지열 냉난방 시스템은, 지중 열교환기 매설 시 롤관 형태의 지중 유입관과 지중 유출관이 꽈배기 형태의 꼬임 현상이 발생하여 유입관과 유출관의 접촉으로 인해 전열 면적이 감소함으로써 열교환 성능이 저하되는 문제점이 있다.

또한 종래의 지열 냉난방 시스템은, 냉난방 전환 시 냉매가 흐르는 단일 배관에 하나의 팽창밸브가 설치되어 있기 때문에 냉매가 역방향으로 흐를 때 냉매의 흐름성이 떨어져 냉난방 성능이 저하되는 문제점이 있다.

한편 2016년 경주 지진과 같이 더 이상 한반도가 지진 안전지대에 속하지 않고, 지진뿐만 아니라 화재나 수해 등 재난재해의 발생 위험성이 있는 만큼, 고압으로 운전되는 지열원 히트펌프 시스템은 재난재해 발생 시 이상 유무를 빨리 인지하고, 그에 맞는 후속 조치를 신속히 실시해야 더 큰 피해를 방지할 수 있다.

즉, 지열원 히트펌프 시스템은 지중 열교환기가 지중에 매립되어 히트펌프와 배관으로 연결되어 있기 때문에, 유로의 막힘 등과 같은 일반적인 고장뿐만 아니라 재난재해에 의한 설비의 파손 내지 손상 등을 쉽게 인지할 수 없는 구조이므로, 설비의 유지, 관리가 쉽지 않고, 설비의 이상 발생을 빨리 발견하지 못할 경우 설비의 고장이나 파손 내지 손상 범위가 더 커지면서 보수가 어려워지고, 경우에 따라 설비의 완파와 같은 안전사고 발생으로 인해 인명사고 등 2차 피해의 발생 또는 그 피해가 더 커질 수 있어, 이러한 문제점을 예방하기 위한 방재기능이 매우 중요하다.

그러나 종래의 지열원 히트펌프 시스템은 각 설비에 대한 방재기능이 미비하여 관리자나 사용자가 쉽게 발견하기 어려운 부위에 이상이 발생할 경우 이를 인지하지 못한 채로 지열원 히트펌프 시스템을 계속 사용하게 되어, 상기한 문제점을 심화시키는 결과를 초래하고,

이러한 방재기능의 미비는 지열원 히트펌프 시스템의 신뢰도를 하락시켜, 상기한 이점에도 불구하고, 지열원 히트펌프 시스템의 보급 및 저변을 확대시키지 못하는 걸림돌로 작용하고 있다.

이에 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

배관의 막힘 내지 동파와 같은 일반적인 고장뿐만 아니라, 지진, 화재, 수해 등의 재난재해로 인한 각 설비의 이상을 알려주어, 이상에 따른 후속 조치 및 히트펌프의 가동 중지를 신속히 실시하여 인명사고 및 피해의 확산, 2차 피해 내지 안전사고의 발생을 방지할 수 있도록, 지진, 화재, 수해, 온도, 습도를 감지하는 센서들로 구성된 방재센서 모듈이, 지중 열교환기와 히트펌프를 제어 및 관리하는 컨트롤러에 설치되어 있는, 고효율 지열원 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고 본 발명은 냉난방 전환 시 냉매의 흐름이 항상 정방향으로 이루어지도록 함으로써 냉난방 시 각각의 최적 팽창효율을 유지할 수 있도록, 지열 측 열교환기와 냉온수 측 열교환기 사이에 설치되는 팽창밸브를 이중으로 구성한, 고효율 지열원 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 롤관 형태에서 매설되는 지중 유입관과 지중 유출관의 꼬임 현상을 방지하여 전열면적을 최대로 유지시킬 수 있도록, 지중 유입관과 지중 유출관이 서로 비 접촉하도록 이격시키는 각진 모서리가 없는 라운드바 형태로 이루어진 연질의 공간극재를 갖는 지중 열교환기를 포함하는, 고효율 지열원 히트펌프 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고효율 지열원 히트펌프 시스템은,

지열수 순환을 위한 지중 유입관과 지중 유출관, 상기 지중 유입관과 상기 지중 유출관이 서로 비 접촉하도록 이격시키는 각진 모서리가 없는 라운드바 형태로 이루어진 연질의 공간극재를 포함하는 지중 열교환기;

상기 지중 열교환기와 연결된 지열 측 열교환기,

냉난방 설비와 연결된 냉온수 측 열교환기,

냉매가 상기 지열 측 열교환기에서 상기 냉온수 측 열교환기로 흐르는 배관에 구비된 제1 팽창밸브,

냉매가 상기 냉온수 측 열교환기에서 상기 지열 측 열교환기로 흐르는 배관에 구비된 제2 팽창밸브를 포함하는 히트펌프; 및

상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프를 제어 및 관리하며, 각 설비의 이상 유무를 감지하고 이상 발생 시 경보 신호를 발령하면서 운전을 중단시키도록, 지진, 화재, 수해, 온도, 습도를 감지하는 센서들로 구성된 방재센서 모듈을 포함하는 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 고효율 지열원 히트펌프 시스템에서,

상기 히트펌프는, 각 팽창밸브의 전방 또는 후방 또는 전후방으로, 개폐밸브가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 따른 고효율 지열원 히트펌프 시스템에서,

상기 히트펌프는, 상기 지열 측 열교환기와 상기 냉온수 측 열교환기 연결하며 냉매의 흐름 방향을 제어하는 사방밸브를 구비하여 순환하는 냉매를 압축하는 압축기를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

아울러 본 발명에 따른 고효율 지열원 히트펌프 시스템에서,

상기 히트펌프는, 상기 지열 측 열교환기, 상기 냉온수 측 열교환기, 상기 제1 팽창밸브, 상기 제2 팽창밸브, 상기 압축기를 각각 구비한 제1 열교환부와 제2 열교환부로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

나아가 본 발명에 따른 고효율 지열원 히트펌프 시스템에서,

상기 공간극재는, 상기 지중 유입관과 상기 지중 유출관이 공간극재와 접촉이 용이하도록 삽입홈이 오목한 구조로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고효율 지열원 히트펌프 시스템은, 컨트롤러에 포함된 방재센서 모듈을 통해 각 설비의 작동 이상 유무를 감지하고 이를 컨트롤러를 통해 경보를 발령함과 동시에 시스템 운전을 즉각적으로 정지시켜, 일반적인 설비 고장뿐만 아니라 지진, 화재, 수해 등의 재난재해 발생에 따른 설비의 상태 변화 내지 이상 작동에 신속히 대처하여 설비 이상에 따른 피해의 확산, 2차 피해 내지 안전사고의 발생을 방지하여 보다 효율적이면서 안전한 사용이 가능하고,

이중 팽창밸브 구조를 통해, 냉난방 전환 시 냉매가 팽창밸브에 대하여 항상 정방향으로 흘러 냉매의 흐름도를 향상시킴으로써, 냉매의 흐름 방향 전환에 따른 효율 및 냉난방 성능을 향상시킬 수 있으며,

라운드바 형태로 이루어진 연질의 공간극재를 통해, 롤관 형태에서 매설되는 지중 유입관과 지중 유출관의 꼬임 현장을 방지하여 전열 면적을 최대치로 유지시키고, 지중 유입관과 지중 유출관 상호관의 접촉에 의한 열손실을 방지함으로써, 지중 열교환기의 효율을 향상시키고, 지중 열교환기의 설치에 필요한 보어홀의 개수를 감소시켜 시공의 편의성 향상 및 시공비 절감 효과를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프의 개략적인 구성도.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 공간극재를 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 히트펌프의 함체의 개략적인 정면도.
도 7a 내지 도 7e는 본 발명의 시스템 제어 및 감시 동작을 개략적으로 도시한 흐름도.
도 8은 본 발명의 컨트롤러에 구비된 제어부의 회로도.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

각 도면에서 동일한 참조부호, 특히 십의 자리 및 일의 자리 수, 또는 십의 자리, 일의 자리 및 알파벳이 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 기능을 갖는 부재를 나타내고, 특별한 언급이 없을 경우 도면의 각 참조부호가 지칭하는 부재는 이러한 기준에 준하는 부재로 파악하면 된다.

또 각 도면에서 구성요소들은 이해의 편의 등을 고려하여 크기나 두께를 과장되게 크거나(또는 두껍게) 작게(또는 얇게) 표현하거나, 단순화하여 표현하고 있으나 이에 의하여 본 발명의 보호범위가 제한적으로 해석되어서는 안 된다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 명세서에서 기재한 ~제1~, ~제2~ 등은 서로 다른 구성 요소들임을 구분하기 위해서 지칭할 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 그 명칭이 일치하지 않을 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 재난재해 제어 기능을 갖는 고효율 지열원 히트펌프 시스템을 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고효율 지열 히트 펌프 시스템은, 크게, 본 발명에 따른 방재센서 모듈을 구비한 지열 히트펌프 시스템은, 크게 현장에 설치되는 현장유닛(10, 10A, 10B)과, 복수개의 현장유닛(10, 10A, 10B)을 실시간 모니터링, 제어 및 관리하는 중앙유닛(20)을 포함한다.

상기 현장유닛(10, 10A, 10B)은 지중 열교환기(11), 냉난방기기(13), 히트펌프(12), 컨트롤러(15) 및 냉난방조절기(17)를 포함한다.

상기 지중 열교환기(11)는 난방 시 지중열을 흡수하고 냉방 시 열을 지중으로 방출하여, 히트펌프(12)에서의 열 교환을 통해 열원을 냉난방기기(13)로 전달하는 것으로,

지중에 매설되어 지열수가 순환되도록, 지중 유입관(111)과 지중 유출관(112)이 'U'자 형으로 연결되어 이루어진다.

상기 지중 열교환기(11)는 지열순환펌프에 의해 지중 유입관(111)과 지중 유출관(112)을 순환하는 지열수가 지중열을 흡수 또는 지중으로 열을 방출하여, 지열수는 고온 또는 저온이 된다.

즉, 지중 열교환기(11)를 순환하는 지열수와 지중과의 열 교환(하절기에는 지중으로 열을 방출하고 동절기에는 지중으로부터 열을 흡수함.)을 통해, 냉난방에 필요한 열원을 공급하는 것을 의미한다.

한편 본 발명의 지중 열교환기(11)가 매설되는 매설공은, 적게는 수십 미터에서 많게는 수백 미터의 심층까지 굴착이 이루어지는데, 특히 우리나라와 같이, 매설공의 천공 부지 면적이 좁으면 지중열 순환을 위한 지중 유입관(111) 및 지중 유출관(112)의 길이가 길어지면서 지중 유입관(111)과 지중 유출관(112) 사이의 간격이 좁아질 수밖에 없는데, 이 경우 지중 유입관(111) 및 지중 유출관(112)의 접촉이 발생하기 쉬워, 지중이 아닌 입출수 사이의 열교환이 발생하여 지중 열교환 효율이 더욱 저하되는 문제점이 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 각진 모서리가 없는 라운드바 형태로 연질 소재로 제작된 연질의 공간극재(200)를 도입하였다.

상기 연질의 공간극재(200)는, 지중 유입관(111)과 지중 유출관(112)이 서로 비(非)접촉하도록 이격시키는 것으로,

지중 유입관(111)과 지중 유출관(112)의 매설 시 롤관 형태로 인해 관의 꼬임 현상을 방지하여 전열면적으로 최대치로 유지시키고, 지열수의 입출수시 열간섭에 의한 열 교환이 발생하여 지중열 교환 효율이 저하되는 것을 방지한다.

이러한 공간극재(200)는, 상기 지중 유입관(111) 및 상기 지중 유출관(112)이 각각 수용되는 삽입홈(211)을 구비한 각진 모서리가 없는 라운드 바 형태의 몸체(210)와,

상기 지중 유입관(111) 및 상기 지중 유출관(112)을 삽입홈(211)에 고정하는 밴딩수단(230)을 포함한다.

상기 연질의 공간극재(200)를 구성하는 몸체(210)는 외측면 전체에 각진 모서리가 없는 라운드바 형태(또는 타원체)로 이루어져, 시공 시 연질의 공간극재(200)의 파손 내지 이탈을 방지하고, 지중 유입관(111)과 지중 유출관(112)의 상호 비접촉을 통해 열교환 효율이 저하되는 것을 방지한다.

상기 몸체(210)가 라운드바 형태(또는 타원체)로 이루어지는 것은, 상기 몸체(210)와 상기 지중 열교환기(11)의 지중 유입관(111) 및 지중 유출관(112)과의 접촉 면적을 확장하여 지지력을 보강함으로써 결합신뢰성을 보장하기 위함이다.

이러한 공간극재(200)의 몸체(210)는, 상기 지중 유입관(111)과 상기 지중 유출관(112)이 몸체(210)와 접촉이 용이하도록 삽입홈(211)이 오목한 구조로 구성되어 있다.

그리고 상기 연질의 공간극재(200)를 구성하는 몸체(210)에는 복수개의 절개부(220)가 형성된다.

상기 몸체(210)의 절개부(220)는, 상기 지중 열교환기(11)의 지중 유입관(111) 및 지중 유출관(112)의 외측 부를 감싸기 위해 상기 몸체(210)에 형성되고,

또 상기 절개부(220)는 상기 몸체(210)의 두 부분을 절개하여 상호 관통되도록 형성되어 상기 밴딩수단(230)이 삽입되며,

따라서 상기 절개부(220) 양측으로 밴딩수단(230)이 노출되어 상기 지중 열교환기(11)의 지중 유입관(111) 및 지중 유출관(112)을 각각 묶어 고정시킬 수 있게 된다.

더 나아가 연질의 공간극재(200)에 상기 삽입홈(211)이 형성된 경우에는 상기 절개부(220)가 상기 삽입홈(211) 양측 주변에 형성되는 것이 바람직한데,

이는 상기 절개부(220)가 상기 삽입홈(211)에 형성되는 경우에는 상기 지중 열교환기(11)가 상기 삽입홈(211)에 안착되는 경우 밴딩수단(230)과 지중 열교환기(11)가 상호 겹쳐져 공간이 형성될 수 있고,

이 상태에서 그라우팅 작업을 하는 경우 밴딩수단(230)과 지중 열교환기(11)가 상호 겹쳐지는 공간에서 공극이 커지거나 기공이 발생하는 것을 방지하기 위함이다.

아울러 본 발명에 따른 연질의 공간극재(200)에서 밴딩수단(230)은, 상기 절개부(220)에 관통 삽입되어 절개부(220) 양측으로 노출되어 상기 몸체(210)와 접촉 배열되어 있는 지중 열교환기(11)의 지중 유입관(111) 및 지중 유출관(112)을 감싸 묶음으로써 연질의 공간극재(200)와 지중 열교환기(11)를 고정시키게 된다.

이 경우 상기 밴딩수단(230)은 다양한 형태의 것으로 이루어질 수 있으나, 상기 연질의 공간극재(200)와 지중 열교환기(11)와의 신속한 결합 및 분리가 가능하도록 타이(또는 와이어)(231) 형태의 밴드를 사용하여 단번에 연질의 공간극재(200)와 지중 열교환기(11)를 결합시키고,

또 상호 분리 시에는 타이(또는 와이어)(231)를 절단하여 신속하게 분리 가능하도록 하는 것이 바람직하며,

이에 의하여 상기 연질의 공간극재(200)와 지중 열교환기(11) 간의 결합 및 분리가 신속하면서도 용이하여 작업성을 높일 수 있게 된다.

더 나아가 본 발명에 따른 연질의 공간극재(200)에서 상기 밴딩수단(230)은, 상기 지중 열교환기(11)의 지중 유입관(111) 및 지중 유출관(112)을 외측에서 감싸면서 상기 절개부(220)에 삽입되는 판형상의 탄성부재(233)로 이루어지는데,

상기 탄성부재(233)는 판형상의 부재를 만곡지게 구부려 형성된 클립 또는 클램프 형태로 일정한 탄성이 보장되어 상기 연질의 공간극재(200)와 지중 열교환기(11)를 탄성 지지하고,

동시에 연질의 공간극재(200)와 지중 열교환기(11)의 결합 및 분리가 원터치 방식에 의하여 이루어지도록 함으로써 연질의 공간극재(200)와 지중 열교환기(11) 간의 탈부착을 위한 작업이 신속하고도 간편하여 작업능률을 향상시킬 수 있게 된다.

이는 상기 몸체(210)에 지중 열교환기(11)의 지중 유입관(111) 및 지중 유출관(112)을 맞닿게 배열시킨 상태에 상기 탄성부재(233)가 탄성을 발휘하여 상기 지중 유입관(111) 및 지중 유출관(112)의 외주면을 감싸고,

동시에 상기 밴딩수단(230)의 양단부가 상기 절개부(220)에 삽입되어 지중 열교환기(11)를 가압하여 탄성 지지하게 된다.

이 경우 상기 밴딩수단(230) 양단부의 일정 부분이 상기 절개부(220)에 삽입되어 상기 몸체(210) 내부에서 연질의 공간극재(200)를 구성하는 몸체(210)와 지중 열교환기(11)를 상호 가압함으로써 밴딩수단(230)이 이탈하는 것이 방지될 수 있으며,

필요에 따라서는 상기 밴딩수단(230)의 양단부를 외측방향으로 구부려서 이탈방지편(233a)을 형성하여 상기 밴딩수단(230)이 절개부(220)에 삽입되어,

상기 몸체(210) 내부에 상기 이탈방지편(233a)이 걸려 연질의 공간극재(200)와 지중 열교환기(11)가 결합된 후 이탈을 방지함으로써 결합신뢰성을 보장할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또 상기 연질의 공간극재(200)는 지중 열교환기(11)의 길이방향을 따라 소정 간격(5m ~ 10m)을 두고 배열되어 있어 지중 열교환기(11) 전장을 통하여 연질의 공간극재(200)의 유효한 지지를 보장할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

상기 히트펌프(12)는 난방 시 지중 열교환기(11)에서 흡수한 지중열을 냉매를 이용해 상기 냉난방기기로 난방열을 공급하고, 냉방 시 냉매를 이용해 실내열을 지중 열교환기로 방출하여 상기 냉난방기기로 냉방열을 공급하는 것으로, 지중열이 실내의 냉난방에 사용되도록 한다.

다시 말해, 상기 히트펌프(12)는 난방 시 지중으로부터 저온의 열원을 공급받고, 공급받은 저온의 열원은 압축기를 통해 난방유닛의 온수로 전달되어, 건물의 난방 또는 급탕을 가능하게 하고 냉방 시는 실내열을 열원으로 공급받고 실내에 낮은 냉방열을 공급함과 동시에 공급받은 열원은 압축기를 통해 고온으로 만들어져 지중 열교환기를 통해 열을 방출한다.

상기 히트펌프(12)는 상기 지중 열교환기(11)와 연결되는 지열 측 열교환기(121A)와, 상기 지열 측 열교환기(121A)와 연결되는 팽창밸브(122a, 122b)와, 상기 팽창밸브(32a)와 연결되는 냉온수 측 열교환기(121B)와, 상기 지열 측 열교환가(121A)와 상기 냉온수 측 열교환기(121B)를 연결하며 냉매의 흐름 방향을 제어하는 사방밸브(123)(사방변)를 구비하여 순환하는 냉매를 압축하는 압축기(124)를 포함한다.

그리고 상기 냉온수 측 열교환기(121B)는 냉난방기기(13), 즉 주택이나 사무실 등에 구비된 팬코일 유닛(미도시)이나, 또는 바닥 난방코일(미도시)에 열원(냉온수)을 공급하여 난방 및 냉방 운전을 가능하게 한다.

이러한 히트펌프(12)는, 난방 운전 시, 상기 냉온수 측 열교환기(121B)가 응축기 역할을 하게 되고, 상기 지열 측 열교환기(121A)가 증발기 역할을 하게 된다.

즉, 지중 열교환기(11)를 순환하여 지중열을 흡수한 지열수가 지열 측 열교환기(121A)로 유입되면, 지열수로부터 열을 흡수한 냉매가 사방밸브(123)를 통해 압축기(124)를 통과하면서 고온, 고압으로 압축된 냉매를 기화시켜 상기 사방밸브(123)를 통해 냉온수 측 열교환기(121B)로 공급된다.

따라서 상기 냉온수 측 열교환기(121B)에서는 기화된 냉매를 액화시켜 열에너지를 방출하고, 이렇게 방출된 열에너지를 흡수한 온수가 상기 난방기기(13)로 공급되어 난방이 이루어지게 된다.

그리고 난방기기(13)에서 냉온수 측 열교환기(121B)로 유입된 저온의 냉매는, 팽창밸브(123b)를 지나 지열 측 열교환기(121A)로 공급되어, 순환하는 지열수로부터 다시 열을 흡수하여, 난방을 위한 열원으로 이용된다.

아울러 상기 히트펌프(12)를 이용한 냉방 운전의 경우, 상기 냉온수 측 열교환기(121B)가 증발기 역할을 하게 되고, 상기 지열 측 열교환기(121A)가 응축기 역할을 하게 된다.

즉, 지중 열교환기(11)를 순환하여 열에너지를 방출한 저온의 지열수가 지열측 열교환기(121A)로 유입되면, 지열수로 열을 방출한 냉매가 팽창밸브(122a)를 지나 냉온수 측 열교환기(121B)로 공급된다.

따라서 상기 냉온수 측 열교환기(121B)에서는 액체 냉매가 기화되면서, 냉방기기(13)로부터 유입된 공기의 열에너지를 흡수하고, 이렇게 냉각된 공기는 냉방기기(13)로 공급되어 냉방이 이루어진다.

그리고 냉온수 측 열교환기(121B)에서 열에너지를 흡수한 냉매는 사방밸브(123)를 통해 압축기(124)를 통과하면서, 고온, 고압으로 압축되어 상기 사방밸브(123)를 통해 지열 측 열교환기(121B)로 공급된다.

이렇게 고온, 고압으로 압축된 냉매는 상기 지열 측 열교환기(121A)를 지나면서 기화된 냉매가 액화되면서 열에너지를 지열수로 다시 방출하고, 열을 흡수한 고온의 지열수는 지중 열교환기(11)를 순환하면서 지중으로 열을 방출하여, 냉방을 위한 열원으로 사용된다.

이때 본 발명은, 팽창밸브(122a, 122b)를 복수, 즉 2개소로 구비하여 냉방 또는 난방 시, 어느 하나의 팽창밸브가 개방되면, 나머지 하나의 팽창밸브는 폐쇄되도록 구성하여 난방 및 냉방 시 각각의 최적의 팽창효율을 유지함으로써 에너지 효율을 향상시킬 수 있게 된다.

이는 냉난방을 위해 열교환기를 순환하는 냉매는 냉방 및 난방가동 시 냉매는 반대방향으로 순환이 이루어지는데,

종래에는 하나의 팽창밸브가 냉방이나, 난방 시에 냉매의 순환방향에 따라 양방향으로의 순환을 허용하도록 구성된다.

이 경우 냉매의 정방향 흐름을 기준으로, 팽창밸브의 오리피스는 입구보다 출구가 크게 형성되어 있기 때문에 냉매가 역방향으로(즉 출구에서 입구 측으로) 흐르게 되면 입출구의 크기 차이로 팽창 효율이 일정하게 유지되지 않아, 냉방에서 난방 가동으로, 또는 난방에서 냉방 가동으로 전환 시, 특히 난방에서 냉방 가동으로 전환되는 경우 냉방가동 시의 팽창 효율이 20%정도 감소되는 것으로 나타나고 있다.

따라서 본 발명은 냉난방 가동 시, 냉매의 순환방향에 따라 냉매의 이동을 허용하는 팽창밸브를 특정함으로써, 냉방 운전 및 난방 운전 시 항상 냉매가 팽창밸브의 정방향으로(즉 입구에서 출구 측으로) 흘러 팽창효율의 감소 없이 항상 최적의 상태로 유지할 수 있게 된다.

즉, 냉방 시에는 제1 팽창밸브(122a)를 통해 냉매가 순환되고, 반대로 난방 시에는 제2 팽창밸브(122b)를 통해 냉매가 순환되도록 구성하여, 냉매가 팽창밸브의 역방향이 아닌 정방향으로만 흐르도록 한다.

이 경우 냉매 순환이 허용되지 않는 팽창밸브로 냉매가 유입되는 것을 방지하기 위해 각 팽창밸브(122a)(122b) 전후방향(또는 전방 또는 후방)으로 제1 및 제2 개폐밸브(129a)(129b)가 구비된다.

따라서 상기 제1 팽창밸브(122a)를 통하여 냉매가 순환하는 경우에는 상기 제1 개폐밸브(129a)는 개방되고, 제2 개폐밸브(129b)를 폐쇄되며,

반대로 상기 제2 팽창밸브(122b)를 통하여 냉매가 순환하는 경우에는 상기 제2 개폐밸브(129b)는 개방되고, 제1 개폐밸브(129a)는 폐쇄됨으로써 냉매의 순환방향에 따라 하나의 팽창밸브로만 냉매의 순환이 이루어질 수 있게 된다.

이러한 팽창밸브(122a)(122b)는 항상 역동작하면서 사방밸브(123)와 연동하여 냉매를 순환시킨다.

한편, 상기한 구성의 히트펌프(12)는, 상기 지열 측 열교환기(121A), 냉온수 측 열교환기(121B), 제1, 제2 팽창밸브(122a, 122b), 압축기(124)를 각각 구비한 제1 열교환부(120A)와 제2 열교환부(120B)로 구성된다.

이를 통해 흡사 2대의 히트펌프가 동시 가동되는 것과 효과를 주어 냉난방 시간의 단축 및 열교환 효율을 향상시킨다.

이러한 이중 열교환부(120A)(120B)는 히트펌프(12)를 구성하는 함체 내부에 2층 구조로 서로 구획화되어 상호간의 가동 간섭이 발생하지 않도록 하며, 필요에 따라 열교환부들 중 하나만 가동하거나 열교환부들을 동시 가동할 수 있고, 경우에 따라 각 열교환부를 교대로 연속 가동하는 것도 가능하다.

상기 냉난방기기(13)는 가정, 사무실, 농장 등에 냉온수를 순환 공급하여 이들 실내 환경의 냉방 또는 난방을 실시하는 것으로, 지열을 이용해 실내의 환경을 사용자가 설정한 조건에 부합하도록 하는 기기로써,

기본적으로 온도 감지 및 습도 감지 등, 실내 환경을 실시간으로 감지할 수 있는 각종 센서(미도시)를 포함한다.

상기 냉난방기기(13)는 실내 바닥에 매설된 순환파이프를 냉난방수가 순환하면서 열을 방출하여 실내를 냉난방하거나,

또는 냉온수를 이용한 열교환이 이루어지는 에어컨이나 온풍기로 구성되어 실내를 냉난방할 수 있다.

상기 컨트롤러(15)는 상기 지중 열교환기(11), 히트펌프(12)를 감시하고 제어하며, 중앙유닛(20)과 인터넷망을 이용해 데이터 통신을 하여 중앙유닛(20)이 현장유닛(10, 10A, 10B)을 감시하고 제어하며 관리할 수 있도록 한다.

상기 컨트롤러(15)는 지중 열교환기(11)의 지열수, 냉난방기기(13)의 냉온수, 히트펌프(12)의 열교환 냉매의 온도를 측정하고, 지열수, 냉온수 및 열교환 냉매의 공급여부를 제어하고, 이들의 부족여부를 분석하고, 상기 지중 열교환기(11), 냉난방기기(13) 및 히트펌프(12)를 구성하고 있는 응축기, 압축기, 사방밸브, 팽창밸브, 지열수 순환펌프, 냉난방 순환펌프 등의 온오프를 제어하고, 이들의 이상 유무를 감시하는 등으로 현장유닛(10, 10A, 10B)을 전반적으로 제어한다.

이러한 컨트롤러(15)는 후술하는 감지부(11a, 12a, 13a)들과 연결된 방재센서 모듈(15a), 히트펌프의 직접 제어를 위한 컨트롤 패널, 상기 컨트롤 패널의 온습도 감지 및 제어를 위한 각종 센서들이 모듈화 되어 하나의 장치로 통합되어 구성된다.

이어서 본 발명의 핵심 중 하나로, 상기 컨트롤러(15)는, 해당 설비의 작동 이상 유무를 감지하고, 이상 발생 시 경보 신호를 알려주는 방재센서 모듈(15a)이 설치된다.

상기 방재센서 모듈(15a)은, 각 설비의 지진, 화재, 수해, 온도, 습도를 감지하는 센서들로 구성되며,

각 설비에는 센서별 상태 정보를 감지하는 감지부(11a, 12a, 13a)가 설치되어, 각 설비의 실시간 상태 정보를 방재센서 모듈(15a)로 송신한다.

이러한 감지부(11a, 12a, 13a)들은, 각 설비의 정상 작동을 간섭 또는 저해하는 환경 변화, 즉 지진, 화재, 수해, 온도, 습도 변화 등을 실시간으로 감시할 수 있는 것으로, 컨트롤러(15)와 유/무선으로 연결되어, 각 설비의 비정상 작동, 배관 파손으로 인한 유량 저하 내지 누수, 배관 막힘으로 인한 고압, 비정상 열 교환으로 인한 온도 변화, 진동에 의한 부품 고장, 지진 등에 의한 설비의 기울기 변화, 화재 등으로 인한 연기발생 감지, 수해 등으로 인한 바닥으로부터의 수위상승, 황사, 미세먼지 등으로 인한 분진 증가 등, 설비의 실질적인 이상 발생 내지 이를 초래할 수 있는 환경 변화가 발생할 경우, 이를 즉각적으로 상기 방재센서 모듈(15a)로 전달하여, 관리자나 사용자가 이상 발생을 확인 후 각 설비의 비상 정지 및 후속 조치를 신속하게 실시함으로써 설비의 유지, 관리를 용이하게 한다.

특히 본 발명의 방재센서 모듈(15a)은 설비의 진동 감지, 설치 위치나 각도(기울기) 변화 감지, 수분 침습 감지 기능 등을 포함하여 이루어져, 각 설비의 일반적인 고장 발생뿐만 아니라, 지진, 화재, 수해 등 재난재해로 인한 설비의 이상 또는 위험 요인을 즉각적으로 감지하여, 컨트롤러(15)를 통해 경보 신호를 발령함으로써, 재난재해로 인한 피해의 확산, 2차 피해 내지 안전사고 등이 발생하는 것을 예방한다.

아울러 상기 방재센서 모듈(15a) 및/또는 컨트롤러(15)는, 지열 히트펌프 시스템이 설치된, 건물의 방재설비(예를 들어 화재감지기, 소화전, 배연기, 지진감지기, 과열감지기, 경보발령기 등)와 연동하여, 상황별 후속 조치가 관리자나 사용자의 제어 없이, 선행되도록 할 수 있다.

예를 들어, 지진 등으로 인해 지중 열교환기(11)의 배관 연결이 파손되어 유체의 누설, 배관의 막힘, 이로 인한 저압 내지 고압 등이 발생하거나, 히트펌프(12)의 화재 발생하면,

방재센서 모듈(15a)이 이를 감지하여 경보 신호를 컨트롤러(15) 및/또는 모바일기기(30)의 원격제어 어플리케이션(31)으로 전송하여 알려줌과 동시에 지중 열교환기(11)의 비상 정지 등을 자동으로 실시하거나, 소화 스프링클러의 작동, 건물 내 대피 경보 발령, 소방서로의 신고 등의 후속 조치를 실시하여, 2차 피해를 예방할 수 있다.

이를 위해, 컨트롤러(15)의 방재센서 모듈(15a)에는 각 설비의 지진, 화재, 수해, 온도, 습도에 관한 기준 값이 설정되어 입력되고,

감지부(11a, 12a, 13a)들에 의하여 감지된 각 설비의 지진, 화재, 수해, 온도, 습도의 현재 데이터 값이 순차적 또는 임의적으로 방재센서 모듈(15a)로 전달되어 입력되면,

방재센서 모듈(15a)은 각 설비의 현재 데이터 값과 기준 값을 순차적 또는 임의적으로 비교하여, 현재 데이터 값이 기준 값에 미달(기울기, 연기발생, 수위변화, 온도, 습도의 데이터 값은 기준 값의 허용 범위 오차 범위 내에 포함됨.)될 경우, 다음 실시간 데이터 값과 기준 값을 계속적으로 비교하게 된다.

반대로 방재센서 모듈(15a)에서 현재 데이터 값들 중 어느 하나라도 기준 값을 초과(기울기, 연기발생, 수위, 온도, 습도 변화의 데이터 값은 기준 값의 허용 범위 오차 범위 내를 벗어남.)될 경우, 경보 신호를 발령하여 관리자나 사용자 또는 시스템 자체가 즉각적인 상황별 점검 및 비상 정지, 방재설비 가동 등의 후속 조치를 실시하도록 할 수 있다.

이를 통해 단순 고장에 의한 설비의 오작동이나, 재난재해로 인한 설비의 파손에 의한 피해를 신속하게 파악하고, 설비의 안전한 제어 및 비상 정지 시스템을 구축하여 시스템 전체를 안전하게 관리함은 물론, 이상 여부 미확인으로 인한 설비의 폭발이나 손상 등의 2차 피해 내지 안전사고로 인한 재난재해의 확대를 예방할 수 있게 된다.

특히 본 발명은 MEMS(자이로 센서) 기술을 이용한 지진 센서를 통해 흔들림에 대한 감지뿐만 아니라 현장 설치 여건에 따라 기울기에 따른 감지조건을 변경할 수 있어 지진과 같은 재해 발생 시에 고압가스설비인 지열원 히트펌프 시스템의 가동을 중지시켜 재해의 확대를 방지하고,

화재 센서는 화재 시 발생하는 연기의 농도 변화를 감지하도록 하여 온도 변화가 급격하게 이루어지지 않는 작은 화재도 즉각적으로 감지할 수 있도록 하였으며,

수해는 저항의 변화를 감지하는 방식의 센서를 사용하여 정밀도를 향상시켰다.

상기 중앙유닛(20)은 인터넷망을 통해 상기 컨트롤러(15)와 통신하여 현장유닛(10, 10A, 10B)들을 원격에서 감시, 제어 및 관리한다.

상기 중앙유닛(20)은 현장유닛(10, 10A, 10B)을 설치하고 하자보수 등을 하는 사업자가 운영 및 관리하고, 현장유닛(10, 10A, 10B)의 사용자는 회원가입과 로그인을 통해 중앙유닛(20)에 접속하여 자신의 현장유닛(10, 10A, 10B)을 감시하고 제어하며 관리한다.

상기 중앙유닛(20)은 현장유닛(10, 10A, 10B)의 작동상태와 이상 유무 등을 모니터링 하는 감시서버(21)와, 현장유닛(10, 10A, 10B)의 구동을 제어하는 제어서버(23)와, 현장유닛(10, 10A, 10B)과 사용자 등을 관리하는 관리서버(25)를 포함한다.

상기 모바일기기(30)는 지열 히트펌프 시스템을 IoT(Internet of Things) 기반 기술로 구현하기 위한 것으로, 상기 컨트롤러(15)와 냉난방조절기(17)에 접속하여, 시스템 전체를 실시간 모니터링하고 각 설비를 원격 제어 및 관리하는 원격제어 어플리케이션(31)이 탑재되고, 상기 중앙유닛(20)에 접속되어 현장유닛(10, 10A, 10B)을 원격 제어할 수 있는 중앙 어플리케이션(33)도 탑재될 수 있다. 참고로, 상기 원격제어 어플리케이션(31)과 중앙 어플리케이션(33)은 별개로 제공될 수도 있고, 하나로 통합되어 제공될 수도 있다.

상기 모바일기기(30)는 인터넷망에 연결될 수 있는 기기로서 스마트폰이 대표적인 모바일기기(30)가 될 것이고, 이외에도 태블릿과 노트북도 모바일기기(30)로 사용될 수 있다.

이러한 모바일기기(30)는 상기 어플리케이션(31, 33)이 상기 방재센서 모듈로부터 경보 신호를 수신하여 알려주거나, 또는 경보 신호를 문자로 수신하여 알려줄 수 있다.

지중 열교환기(11)를 순환하여 지중열을 흡수한 지열수가 지열 측 열교환기(121A)로 유입되면, 지열수로부터 열을 흡수한 냉매가 사방밸브(123)를 통해 압축기(124)를 통과하면서, 고온, 고압으로 압축된 냉매를 기화시켜 상기 사방밸브(123)를 통해 냉온수 측 열교환기(121B)로 공급된다.

그리고 난방기기(13)에서 냉온수 측 열교환기(121B)에서 유출된 저온의 냉매는, 팽창밸브(123a)를 지나 지열 측 열교환기(121A)로 공급되어, 순환하는 지열수로부터 다시 열을 흡수하여, 난방을 위한 열원으로 이용된다.

도 7a 내지 도 7d는 상기한 구성으로 이루어진 본 발명 전체의 제어 및 감시 동작을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

먼저 도 7a와 같이 전원 공급에 따라 시스템이 가동되면, 전체 프로그램의 초기화 후 오류 검출 작동이 실시된 다음, 오류가 검출되지 않으면 방재센서 모듈(15a)을 통한 시스템 전체의 제어 및 감시가 이루어진다.

도 7b는 각 센서들의 감시 동작을 도시한 것으로, 각 센서들이 방재센서 모듈에 모두 정상적으로 접속이 이루어지면, 각 센서들로부터, 온/습도, 기울기, 연기 농도에 대한 데이터값이 업데이트되어 각 설비의 현재 상태를 실시간으로 감시한다.

도 7c는 컨트롤러의 제어 준비 동작을 도시한 것으로, 타이머에 입력된 표준 시간이 경과되면, 지열수, 냉온수, 냉매의 온도 데이터값이 업데이트되면서, 전원 공급, 경보 발령, 등록 정보 등이 입력되어, 시스템의 제어 및 감시를 시작한다.

도 7d, 도 7e는 컨트롤러를 통한 시스템 제어 및 감시 동작이 도시되어 있다.

도 7d에 도시된 바와 같이, 시스템의 가동 준비가 완료되면, 컨트롤러는 먼저 알람 경보 발령 여부를 체크한다.

알람 경보가 발령되었을 경우, 압축기들과 펌프들의 전원을 모두 차단한 후 해당 로그 기록이 업데이트된 뒤 시스템 전체가 정지된다.

알람 경보가 발령되지 않았을 경우, 시스템 운전 여부를 확인 후 사용자가 냉방 모드나 난방 모드 중 어느 하나를 선택하여 가동이 시작된다.

냉방 모드 선택 시, 사방밸브와 냉방용 팽창밸브가 개방된 상태에서, 지열 펌프 및 냉온수 펌프의 가동 타이머가 작동한다.

반대로 난방 모드 선택 시, 사뱅밸브가 닫히면서 난방용 팬창밸브가 개방된 상태에서, 지열 펌프 및 냉온수 펌프의 가동 타이머가 작동한다.

각 펌프의 가동 타이머 작동 후 컨트롤러는 각 펌프의 타이머에 입력된 준비 시간 경과 여부를 체크하여, 지열 펌프 및 냉온수 펌프의 가동을 위한 전원 공급 여부를 제어한다.

각 펌프의 가동 준비 시간이 모두 경과하면, 즉 지열 펌프와 냉온수 펌프가 모두 가동되면, 지열수와 냉온수가 각 모드에 맞게 순환하기 시작한다.

지열수와 냉온수 순환이 시작되면, 도 7e에 도시된 바와 같이, 컨트롤러는 각 열교환부에 구비된 압축기의 가동 타이머를 스타트한다.

타이머 시작 후 컨트롤러는, 각 압축기에 대한 (최소) 가동 준비 시간 경과 여부를 먼저 판별하여, 타이머에 입력된 준비 시간이 끝나면, 각 압축기별로 냉매의 현 상태를 체크하여 냉매가 냉방 또는 난방 운전에 맞는 조건에 도달되었는지 확인 후 압축기의 가동을 제어한다.

지열수 및 냉온수와의 열교환을 통해 냉매가 각 운전에 맞는 조건에 도달되면 각 압축기의 가동을 시작하고, 조건 도달 전이면 각 압축기의 가동을 보류한 후 가동 준비 시간이 완전하게 지날 때 까지 조건 도달 여부를 반복 감시하여 제어한다. 즉, 가동 준비 시간 경과 전이라도 냉매가 각 운전 조건에 적합할 경우 해당 압축기가 가동되면서 냉매가 순환하여 냉/난방 운전을 실시하고, 냉매가 운전 조건에 미달될 경우 가동 준비 시간이 모두 경과할 때까지 압축기의 작동을 보류한다.

그리고 압축기의 가동 준비 시간이 모두 경과하면, 즉 각 압축기의 냉매가 냉/난방 운전 조건에 모두 도달하여 압축기들이 모두 가동되면, 컨트롤러는 각 압축기를 통해 순환하는 냉매의 현 상태를 실시간으로 체크하여 압축기의 운전 지속 여부를 판단하여 제어한다.

보다 구체적으로,

각 압축기별로 냉매가 정상 조건에 있을 경우, 즉, 냉매가 순환하면서 정상적인 열교환이 이루어질 경우, 이는 실내의 온도가 사용자가 설정한 냉/난방 온도에 도달하지 않은 것을 의미하므로, 압축기의 가동이 계속 on 상태로 유지되어, 냉/난방 운전이 계속 실시되고,

만약 각 압축기별로 냉매가 정상 조건에 미달될 경우, 즉, 즉 냉매가 순환하면서 정상적인 열교환이 이루어지지 않을 경우, 이는 실내의 온도가 사용자가 설정한 냉/난방 온도에 도달한 것을 의미하므로, 압축기의 가동을 순차적으로(또는 동시에) 정지(off)시켜, 냉/난방 운전을 멈추게 된다.

그리고 압축기들의 가동이 모두 정지되지 않았으면, 상기한 냉매의 상태 체크에 따른 압축기의 개별 on/off를 반복 실시하고,

압축기의 가동이 모두 정지된 경우, 즉, 실내의 온도가 설정한 냉/난방 온도에 완전 도달된 경우, 컨트롤러는, 각 압축기의 타이머를 재작동시켜 상기한 압축기의 가동 준비, 냉매의 상태 체크 및 압축기의 on/off 제어를 반복적으로 실시하여, 실내 온도를 사용자가 설정한 냉/난방 온도에 맞게 유지되도록 압축기의 작동을 제어하게 된다.

이러한 컨트롤러의 제어 상태에서는, 방재센서 모듈 및 각 센서를 이용한 각 설비의 실시간 감시가 계속되어 재난 재해 등에 따른 이상 여부를 실시간으로 감지하고, 재난 재해 발생에 따른 상태 환경이 변할 경우, 컨트롤러가 경보 알람을 발령함과 동시에 각 펌프 및 압축기의 전원을 차단하게 된다.

상기 컨트롤러는, 구동신호를 송신하여 펌프 및 압축기의 동작을 제어하는데, 이러한 구동신호에는 고주파에 의한 영향, 전원부의 강한 전계장에 의한 간섭, 외부 환경(온도, 습도, 먼지 등)에 의한 영향 등, 각종 외부 요인에 의한 노이즈가 유입될 가능성이 있다.

이에 본 발명은 노이즈를 차단하여 클린 상태의 구동신호를 생성할 수 있는 컨트롤러용 제어부를 도입하였다.

도 8에 도시된 회로도를 참조하면, 상기 컨트롤러의 제어부는, 다이오드(D5), 캐패시터(C35), 퓨즈(F1), 과전압차단기(D7), 캐패시터(C106, C107), 캐패시터(C42,43,44), 분배저항(R27, R29), 레귤레이터(U2), 캐패시터(C34), 코일(L2), 쇼트키다이오드(D8), 캐패시터(C36, C37), 피드백저항(R28, R30, R31)을 포함한다.

상기 다이오드(D5)는 입력전원을 정류하고, 상기 캐패시터(C35)는 입력전원을 평활하여 공급한다.

상기 퓨즈(F1)는 입력전원으로 과전류가 입력될 때 이를 차단하여 보호하고, 상기 과전압차단기(D7)는 입력전원으로 과전압이 입력될 때 이를 차단하여 보호한다.

상기 캐패시터(C106, C107)는 입력전원(24V)을 충전 후 방전하여 레귤레이터(U2)로 공급하고, 상기 캐패시터(C42, C43, C44)는 캐패시터(C106, C107)의 출력전원을 평활하여 레귤레이터(U2)에 공급한다.

상기 분배저항(R27, R29)은 레귤레이터(U2)에 공급되는 전압을 두 저항(R27, R29)으로 분배하여 감지한다.

상기 레귤레이터(U2)는 입력되는 전원의 전압(24V)을 구동신호에 필요한 직류 전압(5V)으로 변환시키며,

상기 캐패시터(C34)는 상기 레귤레이터에서 출력되는 전원을 평활한다.

상기 코일(L2)은 상기 캐패시터(C34)에서 출력되는 전원에서 노이즈를 제거한다.

상기 쇼트키다이오드(D8)는 출력 전원을 정류하고, 상기 캐패시터(C36, C37)는 출력 전원을 평활한다.

상기 피드백저항(R28, R30, R31)은 출력 전압을 전압 분배하여 감지하고, 이를 레귤레이터로 피드백시킨다.

따라서 본 발명의 컨트롤러는, 구동신호의 전압 레벨을 급증 또는 급감시켜 각 구성의 불안정한 동작을 야기하고 나아가 오작동 및 고장의 원인이 되는 노이즈를 제거하여 안정된 구동신호를 생성할 수 있다.

이러한 구성의 본 발명은, 종래의 지열원 히트펌프 시스템에 비해, 재난재해 발생 시 시스템 전체의 안전한 제어 및 대처가 즉각적으로 이루어져 인명이나 재산 상의 피해를 줄이고 2차 피해의 확대를 예방할 수 있으며, 히트펌프 효율 및 냉난방 능력이 최대 11.4% 향상되며, 지중 열교환기의 효율 역시 약 17% 향상될 수 있고, 지중 열교환기 효율 향상에 따라 필요한 보어홀의 수를 줄여 시공비용을 절감할 수 있다.

이상에서 본 발명을 설명함에 있어 첨부된 도면을 참조하여 특정 형상과 구조를 갖는 재난재해 제어 기능을 갖는 고효율 지열원 히트펌프 시스템을 위주로 설명하였으나 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능하고, 이러한 수정, 변경 및 치환은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 한다.

10 : 현장유닛 11 : 지중 열교환기
12 : 히트펌프 13 : 냉난방기기
15 : 컨트롤러 15a : 방재센서 모듈
17 : 냉난방조절기 11a, 12a, 13a : 감지부
20 : 중앙유닛 21 : 감시서버
23 : 제어서버 25 : 관리서버
30 : 모바일기기 31 : 냉난방 어플리케이션
33 : 중앙 어플리케이션
111 : 지중 유입관 112 : 지중 유출관
120A, 120B : 열교환부 121A : 지열 측 열교환기
121B : 냉온수 측 열교환기 122a, 122b : 팽창밸브
123 : 사방밸브 124 : 압축기
129a, 129b : 개폐밸브
200 : 공간극재

Claims (5)

1. 지열수 순환을 위한 지중 유입관과 지중 유출관, 상기 지중 유입관과 상기 지중 유출관이 서로 비접촉하도록 이격시키는 각진 모서리가 없는 라운드바 형태로 이루어진 연질의 공간극재를 포함하는 지중 열교환기;
   
   상기 지중 열교환기와 연결된 지열 측 열교환기,
   냉난방 설비와 연결된 냉온수 측 열교환기,
   냉매가 상기 지열 측 열교환기에서 상기 냉온수 측 열교환기로 흐르는 배관에 구비된 제1 팽창밸브,
   냉매가 상기 냉온수 측 열교환기에서 상기 지열 측 열교환기로 흐르는 배관에 구비된 제2 팽창밸브를 포함하는 히트펌프; 및
   
   상기 지중 열교환기와 상기 히트펌프를 제어 및 관리하며, 각 설비의 이상 유무를 감지하고 이상 발생 시 경보 신호를 발령하면서 운전을 중단시키도록, 지진, 화재, 수해, 온도, 습도를 감지하는 센서들로 구성된 방재센서 모듈을 포함하는 컨트롤러;를 포함하여 이루어지되,
   
   상기 히트펌프는,
   각 팽창밸브의 전방 또는 후방 또는 전후방으로 구비된 개폐밸브와,
   상기 지열 측 열교환기와 상기 냉온수 측 열교환기 연결하며 냉매의 흐름 방향을 제어하는 사방밸브를 구비하여 순환하는 냉매를 압축하는 압축기를 포함하여 이루어지고,
   
   상기 컨트롤러의 제어부는, 다이오드(D5), 캐패시터(C35), 퓨즈(F1), 과전압차단기(D7), 캐패시터(C106, C107), 캐패시터(C42,43,44), 분배저항(R27, R29), 레귤레이터(U2), 캐패시터(C34), 코일(L2), 쇼트키다이오드(D8), 캐패시터(C36, C37), 피드백저항(R28, R30, R31)을 포함하되,
   상기 다이오드(D5)는 입력전원을 정류하고, 상기 캐패시터(C35)는 입력전원을 평활하여 공급하고,
   상기 퓨즈(F1)는 입력전원으로 과전류가 입력될 때 이를 차단하여 보호하고, 상기 과전압차단기(D7)는 입력전원으로 과전압이 입력될 때 이를 차단하여 보호하고,
   상기 캐패시터(C106, C107)는 입력전원(24V)을 충전 후 방전하여 레귤레이터(U2)로 공급하고, 상기 캐패시터(C42, C43, C44)는 캐패시터(C106, C107)의 출력전원을 평활하여 레귤레이터(U2)에 공급하고,
   상기 분배저항(R27, R29)은 레귤레이터(U2)에 공급되는 전압을 두 저항(R27, R29)으로 분배하여 감지하고,
   상기 레귤레이터(U2)는 입력되는 전원의 전압(24V)을 구동신호에 필요한 직류 전압(5V)으로 변환시키고,
   상기 캐패시터(C34)는 상기 레귤레이터에서 출력되는 전원을 평활하고,
   상기 코일(L2)은 상기 캐패시터(C34)에서 출력되는 전원에서 노이즈를 제거하고,
   상기 쇼트키다이오드(D8)는 출력 전원을 정류하고, 상기 캐패시터(C36, C37)는 출력 전원을 평활하고,
   상기 피드백저항(R28, R30, R31)은 출력 전압을 전압 분배하여 감지하고, 이를 레귤레이터로 피드백시켜,
   상기 컨트롤러는, 노이즈를 제거하여 안정된 구동신호를 생성할 수 있으며,
   
   시스템의 가동 준비가 완료되면, 상기 컨트롤러는 먼저 알람 경보 발령 여부를 체크하고,
   알람 경보가 발령되었을 경우, 압축기들과 펌프들의 전원을 모두 차단한 후 해당 로그 기록이 업데이트된 뒤 시스템 전체가 정지되며,
   알람 경보가 발령되지 않았을 경우, 시스템 운전 여부를 확인 후 사용자가 냉방 모드나 난방 모드 중 어느 하나를 선택하여 가동이 시작되고,
   
   냉방 모드 선택 시, 사방밸브와 냉방용 팽창밸브가 개방된 상태에서, 지열 펌프 및 냉온수 펌프의 가동 타이머가 작동하고,
   난방 모드 선택 시, 사뱅밸브가 닫히면서 난방용 팬창밸브가 개방된 상태에서, 지열 펌프 및 냉온수 펌프의 가동 타이머가 작동하며,
   각 펌프의 가동 타이머 작동 후 컨트롤러는 각 펌프의 타이머에 입력된 준비 시간 경과 여부를 체크하여, 지열 펌프 및 냉온수 펌프의 가동을 위한 전원 공급 여부를 제어한 후,
   각 펌프의 가동 준비 시간이 모두 경과하면, 지열수와 냉온수가 각 모드에 맞게 순환하기 시작하고,
   
   지열수와 냉온수 순환이 시작되면, 컨트롤러는 각 열교환부에 구비된 압축기의 가동 타이머를 스타트하며,
   타이머 시작 후 컨트롤러는, 각 압축기에 대한 가동 준비 시간 경과 여부를 먼저 판별하여, 타이머에 입력된 준비 시간이 끝나면, 각 압축기별로 냉매의 현 상태를 체크하여 냉매가 냉방 또는 난방 운전에 맞는 조건에 도달되었는지 확인 후 압축기의 가동을 제어하고,
   지열수 및 냉온수와의 열교환을 통해 냉매가 각 운전에 맞는 조건에 도달되면 각 압축기의 가동을 시작하고, 조건 도달 전이면 각 압축기의 가동을 보류한 후 가동 준비 시간이 완전하게 지날 때 까지 조건 도달 여부를 반복 감시하여 제어하고,
   압축기의 가동 준비 시간이 모두 경과하면, 컨트롤러는 각 압축기를 통해 순환하는 냉매의 현 상태를 실시간으로 체크하여 압축기의 운전 지속 여부를 판단하여 제어하되,
   
   각 압축기별로 냉매가 정상 조건으로 순환하면서 정상적인 열교환이 이루어질 경우, 압축기의 가동이 계속 on 상태로 유지되어, 냉/난방 운전이 계속 실시되고,
   각 압축기별로 냉매가 정상 조건에 미달된 상태로 순환하면서 정상적인 열교환이 이루어지지 않을 경우, 압축기의 가동을 순차적으로 또는 동시에 정지(off)시켜, 냉/난방 운전을 멈추게 되며,
   압축기들의 가동이 모두 정지되지 않았으면, 상기한 냉매의 상태 체크에 따른 압축기의 개별 on/off를 반복 실시하고,
   실내의 온도가 설정한 냉/난방 온도에 완전 도달하여 압축기의 가동이 모두 정지된 경우, 컨트롤러는, 각 압축기의 타이머를 재작동시켜 상기한 압축기의 가동 준비, 냉매의 상태 체크 및 압축기의 on/off 제어를 반복적으로 실시하여, 실내 온도를 사용자가 설정한 냉/난방 온도에 맞게 유지되도록 압축기의 작동을 제어하는 것을 특징으로 하는, 고효율 지열원 히트펌프 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 히트펌프는, 상기 지열 측 열교환기, 상기 냉온수 측 열교환기, 상기 제1 팽창밸브, 상기 제2 팽창밸브, 상기 압축기를 각각 구비한 제1 열교환부와 제2 열교환부로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 고효율 지열원 히트펌프 시스템.
   
5. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,
   상기 공간극재는, 상기 지중 유입관과 상기 지중 유출관이 공간극재와 접촉이 용이하도록 삽입홈이 오목한 구조로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는, 고효율 지열원 히트펌프 시스템.

Images