KR101838797B1 - 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법 - Google Patents

단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법이 개시된다. 본 발명은 지열과 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지는 지중열교환기(110), 제1펌프(120) 및 열교환매체를 순환시키는 제1배관(130)이 구비된 지열부, 지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 지열히트펌프(210), 지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 축열조(220), 유체의 순환에 의해 냉난방되는 냉난방부하(230), 제2펌프(240a), 제3펌프(240b), 제1믹싱밸브(250a), 제2믹싱밸브(250b), 제1개폐밸브(260a), 제2개폐밸브(260b), 제3개폐밸브(260c), 제4개폐밸브(260d), 제1온도센서(270a), 제2온도센서(270b) 및 유체를 순환시키는 제2배관(280)이 구비된 1차냉난방부 및 제1변환밸브(310a), 제2변환밸브(310b), 제3변환밸브(310c) 및 제3배관(320)이 구비되어 열교환매체를 1차냉난방부로 순환시키는 2차냉난방부를 포함하여 구성되는 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면 보조의 축열조를 추가 구성하지 않고도 여름 장마철의 일시적 난방과 겨울철 일시적 냉방이 가능하여 추가 설치비용과 운영비용이 적게 드는 효과가 있고, 하나의 지열냉난방장치에서 다양한 운전이 가능하여 복잡한 냉난방부하 패턴에 탄력적으로 대응할 수 있고, 여러 종류의 냉난방부하에 범용적으로 적용하는 것이 가능한 효과가 있다.

Description

단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법{Geothermal heating and cooling devices using a single thermal storage tank to perform heating and cooling at the same time and its control method}
본 발명은 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 보조의 축열조를 추가 구성함이 없이 여름철 냉방 중에 일시적인 난방을 가능하게 하고 겨울철 난방 중에 일시적인 냉방이 가능하게 하는 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 냉난방을 위해서 사용되는 에너지원은 주로 석탄, 석유 또는 천연가스 등과 같은 화석 연료가 대부분이다. 그러나, 이러한 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해 물질로 인하여 환경 오염을 유발하고 있으며, 매장량도 한계가 있다.
이에, 최근에는 높은 에너지 효율 및 저탄소 정책으로의 일환에 따라 화석 연료를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있으며, 이러한 대체 에너지 중에서도 풍력, 태양열 및 지열 등과 같은 자연 에너지에 관한 연구가 오래전부터 진행되고 있다.
또한, 상기한 자연 에너지를 이용한 기술들 중에서 현재 지열을 열원으로 사용하여 냉난방을 행하는 지열냉난방장치에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있는데, 이러한 지열냉난방장치의 원리는 사계절의 변화가 뚜렷한 지역의 연중 대기 온도는 -20 내지 40℃까지 큰 폭으로 변화하는데 반해, 땅속의 흙, 암반 또는 지하수(이하 '지각'이라 한다)는 열전도도가 낮아 열이 쉽게 확산되지 않아 저장되는 성질이 있기 때문에 지중 온도가 내지 15-18℃로 거의 일정하게 유지되는 것을 이용한 것이다.
보다 상세히 설명하면, 지열냉난방장치는 온도가 15℃ 내지 18℃인 지중의 열을 회수하거나 지중으로 열을 배출할 수 있도록 지중에 열교환기를 설치하여 냉난방 열원으로 사용한다. 따라서, 여름철에 냉방을 하는 경우 공기 열원의 온도는 30℃ 이상으로 냉방을 통해 열을 배출하므로 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지열원은 15℃ 내지 18℃를 유지하여 원활하게 열을 배출하므로 높은 효율을 나타낼 수 있다. 반대로, 겨울철에 난방을 하는 경우 공기 열원은 최하 -20 ℃의 온도로 냉각되어 난방을 위해 많은 전력이 소모되는 반면, 지중열원은 15 ℃ 내지 18 ℃로 온도를 유지하여 안정적으로 난방열을 공급할 수 있다.
지열냉난방장치는 모든 냉난방 기술 중에서 에너지 효율이 가장 높은 것으로 알려져 있고, 에너지 자원이 부족하고 에너지 비용이 높은 상황에서 반드시 필요한 기술이라 할 수 있다. 최근에는, 사계절 원하는 시기에 작물을 재배하여 공급하기 위한 시설재배용 온실에서 작물 재배에 적합한 실내 온도를 유지하기 위하여 지열냉난방장치를 많이 활용하고 있다. 정부와 지방자치단체도 신재생에너지 보급을 위해 온실에 지열냉난방장치의 설치를 적극 장려하고 있다. 다만, 지열냉난방장치를 설치하는 경우 장비 이상이나 냉난방부하의 급격한 변동에 대비하여 축열조의 설치가 필요하다.
지열냉난방장치에 축열조를 사용하게 되면 건물의 냉난방시 값싼 심야전력을 이용하여 에너지를 효율적으로 사용할 수 있고 냉난방부하의 급격한 변동이나 장치 이상에 대처가 용이한 장점이 있으나, 축열조를 채운 유체, 특히 물을 온수에서 냉수로 또는 냉수에서 온수로 바꾸어 운전방식을 변경하려면 많은 시간과 에너지를 요하는 문제가 있다. 따라서 축열조를 이용한 지열냉난방장치는 여름에는 냉방운전만, 겨울에는 난방운전만이 가능한 사실상의 제한이 있다.
특히, 온실의 경우 여름철 중의 고온다습한 장마철에 온실 내의 습도를 적정하게 조절하기 위하여 제습을 할 필요가 있다. 하지만 적정한 습도를 유지하기 위한 제습으로 인해 온실 내부 온도가 일시적으로 적정 온도 이하로 떨어지는 경우가 발생할 가능성이 있다. 온실 내부 온도가 일시적으로 적정 온도 이하로 떨어지면, 여름에도 온실에 일시적으로 난방을 공급하여 적정 온도로 신속하게 회복할 필요가 있다. 또한 겨울철에도 주간 중의 태양 복사에너지로 인하여 온실 내부 온도가 일시적으로 적정 온도 이상으로 상승하는 경우가 발생할 가능성이 있다. 온실 내부 온도가 일시적으로 적정 온도 이상으로 상승하면, 겨울에도 온실에 일시적으로 냉방을 공급하여 적정 온도로 신속하게 회복할 필요가 있다. 즉, 온실의 경우 여름에도 일시적인 난방운전이 필요성이 크고, 겨울에도 일시적인 냉방운전이 필요성이 크다.
온실의 경우 종래의 축열조를 이용한 지열냉난방장치는 여름철에는 별개의 보일러를 추가 구성하여 난방하거나, 겨울철에는 개폐창을 개방하여 열기를 외부로 방출하여 상술한 문제를 해결하였으나, 보일러 추가 구성에 따른 설치비용과 운영비용이 증가하고 개폐창을 개방하는 경우 열기뿐만 아니라 식물생장에 필수적인 이산화탄소가 외부로 배출되어 지구온난화를 가속화하고 온실 내 이산화탄소 농도가 떨어지는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보(공개번호: 10-2010-0067156) "온실용 하이브리드 히트펌프식 열교환 시스템"에서는 종래의 축열조를 이용한 지열냉난방장치에서의 상술한 문제점을 해결하기 위하여 축열조를 하나 더 추가하였다. 2개의 축열조를 각각 난방용 축열조와 냉방용 축열조로 활용함으로써, 냉난방 효과를 동시에 얻으면서 보일러 추가 구성에 따른 설치비용과 운영비용이 증가 문제와 개폐창을 통해 이산화탄소가 외부로 배출되는 문제를 해결하였다. 하지만, 2개의 축열조를 이용하고, 이에 따른 추가의 배관과 밸브 등이 요구되어 시스템이 복잡해지고 설치공간이 증가되는 문제가 있었다. 또한 이러한 시스템의 복잡성으로 인해 초기의 투자비용이 단일의 축열조를 이용한 지열냉난방장치에 비해 약 1.5배 이상 증가하고, 설계와 시공이 어려울 뿐만 아니라 사용자가 설비를 운영함에 있어서도 장비의 고장 가능성이 커지는 문제가 있었다.
대한민국 공개특허공보 공개번호: 10-2010-0067156
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 보조 축열조를 추가 구성하지 않고 단일의 축열조를 이용하면서도 건물이나 온실의 복잡한 냉난방부하패턴에 적절히 대응할 수 있는 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 특히, 별도의 추가 설비 없이 여름 장마철에 일시적 난방을 건물이나 온실에 제공하고, 겨울에 일시적인 냉방을 건물이나 온실에 제공할 수 있는 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 지열과 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지는 지중열교환기(110), 제1펌프(120) 및 상기 열교환매체를 순환시키는 제1배관(130)이 구비된 지열부, 상기 지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 지열히트펌프(210), 상기 지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 축열조(220), 상기 유체의 순환에 의해 냉난방되는 냉난방부하(230), 제2펌프(240a), 제3펌프(240b), 제1믹싱밸브(250a), 제2믹싱밸브(250b), 제1개폐밸브(260a), 제2개폐밸브(260b), 제3개폐밸브(260c), 제4개폐밸브(260d), 제1온도센서(270a), 제2온도센서(270b) 및 상기 유체를 순환시키는 제2배관(280)이 구비된 1차냉난방부 및 제1변환밸브(310a), 제2변환밸브(310b), 제3변환밸브(310c) 및 제3배관(320)이 구비되어 상기 열교환매체를 상기 1차냉난방부로 순환시키는 2차냉난방부를 포함하여 구성되는 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법을 제공한다.
본 발명은 심야에 저렴한 심야 전력을 이용하여 축열조에 축냉 또는 축열하고 주간에 방냉 또는 방열함으로써 저렴한 비용으로 건물이나 온실의 효율적인 냉방 또는 난방을 수행하는 효과가 있다.
본 발명은 냉난방부하가 작은 경우에 축열조 단독의 방냉 또는 방열운전이 가능하고, 냉난방부하가 큰 경우 축열조 단독 방냉 또는 단독 방열운전에 더하여 지열히트펌프에서 추가적으로 유체를 냉각 또는 가열하여 냉난방부하에 제공하는 동시방냉 또는 동시방열운전이 가능하여 건물이나 온실의 복잡한 냉난방부하 패턴에 탄력적으로 대응할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 축열조 설치가 필요한 지열냉난방장치에서 보조의 축열조를 추가 구성하지 않고도 건물이나 온실에서 여름 장마철의 일시적 난방과 겨울철 일시적 냉방이 가능하여, 초기 설치비용과 운영비용이 증가를 억제하며 설계와 시공을 간이 하게 하고 장비의 고장 가능성을 낮추는 효과가 있다.
본 발명은 냉난방부하가 아주 작아 지열만으로 냉방이 가능한 경우에 지열히트펌프를 가동하지 않고 지중열교환기에서 열교환매체를 냉난방부하에 직접 공급하여 건물이나 온실을 냉방하는 것이 가능하여 재생에너지 이용을 극대화하고 화석에너지 이용을 억제하는 효과가 있다.
본 발명은 하나의 지열냉난방장치에서 다양한 운전이 가능하여 여러 종류의 냉난방부하에 범용적으로 적용하는 것이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 구성을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 축냉운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 축열조 단독방냉운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 동시방냉운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 일시방열운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 축열운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 축열조 단독방열운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 동시방열운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 일시방냉운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전제어방법을 보여주는 도면이다.
이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치 및 이의 제어방법에 대해 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 구성 및 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단될 경우에 그 상세한 설명은 생략하였다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 발명자, 사용자, 운영자의 의도 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것임은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 구성을 보이는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치는 지열부, 1차냉난방부, 2차냉난방부로 이루어진다.
지열부는 지열과 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지는 지중열교환기(110), 제1펌프(120) 및 열교환매체를 순환시키는 제1배관(130)으로 구성된다.
지중열교환기(110)는 지표면 아래의 일정한 깊이에 설치되어 지중열교환기(100)를 순환하는 열교환매체와 연중 약 15-18℃의 일정한 온도를 유지하는 지각 사이에 열교환이 이루어지게 된다. 지중열교환기(110)에서 지열을 활용하는 방식과 관련하여 열교환매체와 지각 사이의 열교환하는 방식에 한정되지는 않고, 지하수를 지상으로 끌어올려 열교환매체로 직접 활용하는 방식 등 다양한 방식이 사용될 수 있다. 지중열교환기(110)는 하절기 축냉운전, 하절기 동시방냉운전, 동절기 축열운전, 동절기 동시방열운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 가동되며, 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 일시방냉운전에서는 가동이 중지된다.
열교환매체로는 지각과 열교환 할 수 있는 어떠한 물질도 가능하며, 일반적으로 물이 이용된다.
제1펌프(120)는 열교환매체를 지열부 등에서 순환시키는 역할을 한다. 하절기 축냉운전, 하절기 동시방냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열운전, 동절기 동시방열운전, 동절기 일시방냉운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 가동되며, 하절기 축열조 단독방냉운전, 동절기 축열조 단독방열운전에서는 가동이 중지된다. 제1펌프(120)는 열교환매체가 원칙적으로 제1배관(130)을 통해 지중열교환기(110)로 순환하게 하는 기능을 수행하며, 예외적으로 하절기 일시방열운전, 동절기 일시방냉운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전의 경우 열교환매체를 냉난방부하(230)에 공급하기 위해 제3배관(320)을 통해 순환이 일어나게 하는 기능을 수행한다. 하절기 일시방열운전과 동절기 일시방냉운전의 경우 2차냉난방부의 제1변환밸브(310a), 제2변환밸브(310b), 제3변환밸브(310c)의 제어를 활용해 냉방 중에 지열히트펌프(210)의 열원으로 사용되어 가열된 열교환매체를 제3배관(320)을 통해 1차냉난방부로 제1펌프(120)를 이용해 일시적으로 순환시켜 냉난방부하(230)에 일시적 난방을 공급하거나, 난방 중에 지열히트펌프(210)의 열원으로 사용되어 냉각된 열교환매체를 제3배관(320)을 통해 1차냉난방부로 제1펌프(120)를 이용해 일시적으로 순환시켜 냉난방부하(230)에 일시적 냉방을 공급하게 된다. 또한 냉난방부하(230)가 아주 작아 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전을 하는 경우 지중열교환기(110)와 열교환한 냉각된 열교환매체를 2차냉난방부의 제1변환밸브(310a), 제2변환밸브(310b), 제3변환밸브(310c)의 제어를 활용해 제3배관(320)을 통해 1차냉난방부로 제1펌프(120)를 이용해 순환시켜 냉난방부하(230)에 직접 냉방을 공급하게 된다.
제1배관(120)은 제1a배관(130a), 제1b배관(130b), 제1c배관(130c), 제1d배관(130d)을 구성요소로 가지며, 제1배관(130)은 일단이 지열히트펌프(210)에 연결되고 타단이 제1변환밸브(310a)에 연결되는 제1a배관(130a), 일단이 제1변환밸브(310a)에 연결되고 타단이 지중열교환기(110)에 연결되는 제1b배관(130b), 일단이 지중열교환기(110)에 연결되고 타단이 제2변환밸브(310b)에 연결되는 제1c배관(130c), 일단이 제2변환밸브(310b)에 연결되고 타단이 제1펌프(120)를 구비하며 지열히트펌프(210)에 연결되는 제1d배관(130d)으로 구성된다.
하절기 축냉운전, 하절기 동시방냉운전, 동절기 축열운전, 동절기 동시방열운전의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제1b배관(130b)을 거쳐 지중열교환기(110)에 공급되어 지각과 열교환되게 된다. 지중열교환기(110)에서 지각과 열교환된 열교환매체는 제1c배관(130c), 제2변환밸브(310b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다.
하절기 축열조 단독방냉운전, 동절기 축열조 단독방열운전의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1b배관(130b), 제1c배관(130c), 제1d배관(130d)을 순환하지 않는다.
하절기 일시방열운전 또는 동절기 일시방냉운전의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제3a배관(320a), 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급되어 난방 또는 냉방을 수행한다. 냉난방부하(230)에서 난방 또는 냉방을 수행한 열교환매체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제3b배관(320b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다.
지열만을 이용하는 하절기 방냉운전의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제1b배관(130b)을 거쳐 지중열교환기(110)에 공급되어 지각과 열교환되게 된다. 지중열교환기(110)에서 지각과 열교환되어 냉각된 열교환매체는 제1c배관(130c), 제2변환밸브(310b), 제3c배관(320c), 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급되어 냉방을 수행한다. 냉난방부하(230)에서 냉방을 수행하여 가열된 열교환매체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제3b배관(320b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에서 순환된다.
1차냉난방부는 지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 지열히트펌프(210), 지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 축열조(220), 유체의 순환에 의해 냉난방되는 냉난방부하(230), 제2펌프(240a), 제3펌프(240b), 제1믹싱밸브(250a), 제2믹싱밸브(250b), 제1개폐밸브(260a), 제2개폐밸브(260b), 제3개폐밸브(260c), 제4개폐밸브(260d), 제1온도센서(270a), 제2온도센서(270b) 및 유체를 순환시키는 제2배관(280)으로 구성된다.
지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 지열히트펌프(210)는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성된다. 지열히트펌프(210)의 구성은 냉난방 분야에서 이미 공지된 기술로서 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다. 하절기 축냉운전, 하절기 동시방냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열운전, 동절기 동시방열운전, 동절기 일시방냉운전에서는 가동되며, 하절기 축열조 단독방냉운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 가동이 중지된다.
지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 축열조(220)는 냉각 또는 가열된 유체를 저장할 수 있는 저장 수단을 의미하고, 장시간 저장에도 유체의 온도를 일정하게 유지시킬 수 있도록 저장 수단 외부에 단열처리 하는 것이 바람직하다. 하절기 축냉운전, 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 동시방냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 동시방열운전, 동절기 일시방냉운전에서는 가동되며, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 가동이 중지된다.
유체로는 지열히트펌프(210)에서 열교환 할 수 있는 어떠한 물질도 가능하며, 일반적으로 물이 이용된다.
유체의 순환에 의해 냉난방되는 냉난방부하(230)는 본 발명인 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치에 의해 냉방 또는 난방 하고자하는 공간을 의미하고, 예를 들어 건물, 재배용 온실, 주거공간, 사무공간 등이 있다. 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 동시방냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 동시방열운전, 동절기 일시방냉운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 가동되며, 하절기 축냉운전, 동절기 축열운전에서는 가동이 중지된다.
제2펌프(240a), 제3펌프(240b)는 1차냉난방부에서 유체를 순환시키는 역할을 한다. 제2펌프(240a)는 하절기 축냉운전, 하절기 동시방냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열운전, 동절기 동시방열운전, 동절기 일시방냉운전에서는 가동되며, 하절기 축열조 단독방냉운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 가동이 중지된다. 제3펌프(240b)는 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 동시방냉운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 동시방열운전에서는 가동되며, 하절기 축냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열운전, 동절기 일시방냉운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 가동이 중지된다.
제1믹싱밸브(250a), 제2믹싱밸브(250b)는 1차냉난방부의 제2배관에서 유체의 흐름과 양을 조절한다. 하절기 축냉운전, 하절기 동시방냉운전, 하절기 일시방열운전에서 제1믹싱밸브(250a)는 제1온도센서(270a)에서 설정온도 미만인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리도록 제어된다. 동절기 축열운전, 동절기 동시방열운전, 동절기 일시방냉운전에서 제1믹싱밸브(250a)는 제1온도센서(270a)에서 설정온도 미만인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이도록 제어된다. 하절기 축열조 단독방냉운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서 제1믹싱밸브(250a)는 폐쇄되도록 제어된다. 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 동시방냉운전에서 제2믹싱밸브(250b)는 제2온도센서(270b)에서 설정온도 미만인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이도록 제어된다. 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 동시방열운전에서 제2믹싱밸브(250b)는 제2온도센서(270b)에서 설정온도 미만인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리도록 제어된다. 하절기 축냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열운전, 동절기 일시방냉운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서 제2믹싱밸브(250b)는 폐쇄되도록 제어된다.
제1개폐밸브(260a), 제2개폐밸브(260b), 제3개폐밸브(260c), 제4개폐밸브(260d)는 1차냉난방부의 제2배관에서 유체의 흐름과 방향을 조절한다. 제1개폐밸브(260a)는 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 동시방열운전에서 개방되도록 제어되며, 하절기 축냉운전, 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 동시방냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열운전, 동절기 일시방냉운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 폐쇄되도록 제어된다. 제2개폐밸브(260b)는 하절기 축냉운전, 하절기 동시방냉운전, 하절기 일시방열운전에서 개방되도록 제어되며, 하절기 축열조 단독방냉운전, 동절기 축열운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 동시방열운전, 동절기 일시방냉운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 폐쇄되도록 제어된다. 제3개폐밸브(260c)는 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 동시방냉운전에서 개방되도록 제어되며, 하절기 축냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 동시방열운전, 동절기 일시방냉운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 폐쇄되도록 제어된다. 제4개폐밸브(260d)는 동절기 축열운전, 동절기 동시방열운전, 동절기 일시방냉운전에서 개방되도록 제어되며, 하절기 축냉운전, 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 동시방냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서는 폐쇄되도록 제어된다.
제1온도센서(270a), 제2온도센서(270b)는 유체의 온도를 측정하여 제1믹싱밸브(250a)와 제2믹싱밸브(250b)에서 혼합되는 유체의 흐름과 양을 조절한다. 하절기 축냉운전, 하절기 동시방냉운전, 하절기 일시방열운전의 경우 제1온도센서(270a)에서 설정온도 미만인 경우에 제1믹싱밸브(250a)는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리도록 제어된다. 동절기 축열운전, 동절기 동시방열운전, 동절기 일시방냉운전의 경우 제1온도센서(270a)에서 설정온도 미만인 경우에 제1믹싱밸브(250a)는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이도록 제어된다. 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 동시방냉운전의 경우 제2온도센서(270b)에서 설정온도 미만인 경우에 제2믹싱밸브(250b)는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이도록 제어된다. 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 동시방열운전의 경우 제2온도센서(270b)에서 설정온도 미만인 경우에 제2믹싱밸브(250b)는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리도록 제어된다.
유체를 순환시키는 제2배관(280)은 제2a배관(280a), 제2b배관(280b), 제2c배관(280c), 제2d배관(280d), 제2e배관(280e), 제2f배관(280f), 제2g배관(280g)을 구성요소로 가지며, 제2배관(280)은 일단이 축열조(220) 하부에 연결되고 타단은 1차분기하여 일측은 제1개폐밸브(260a)에 연결되고 타측은 2차 분기하여 제1말단은 제2믹싱밸브(250b)에 연결되고 제2말단은 3차 분기하여 제2개폐밸브(260b)와 제1믹싱밸브(250a)에 각각 연결되는 제2a배관(280a), 일단이 축열조(220) 상부에 연결되고 타단은 1차 분기하여 일측은 제3개폐밸브(260c)에 연결되고 타측은 2차 분기하여 제1말단은 제4개폐밸브(260d)에 연결되고 제2말단은 3차 분기하여 제1믹싱밸브(250a)와 제2믹싱밸브(250b)에 각각 연결되는 제2b배관(280b), 일단이 제1믹싱밸브(250a)에 연결되고 타단이 제2펌프(240a)를 구비하며 지열히트펌프(210)에 연결되는 제2c배관(280c), 일단이 제1온도센서(270a)를 구비하며 지열히트펌프(210)에 연결되고 타단은 분기하여 일측은 제2폐밸브(260b)에 연결되고 타측은 제4개폐밸브(260d)에 연결되는 제2d배관(280d), 일단이 제1개폐밸브(260a)에 연결되고 타단은 분기하여 일측은 제3개폐밸브(260c)에 연결되고 타측은 제3변환밸브(310c)에 연결되는 제2e배관(280e), 일단이 제3펌프(240b)를 구비하며 제2믹싱밸브(250b)에 연결되고 타단이 제2온도센서(270b)를 구비하며 냉난방부하(230)에 연결되는 제2f배관(280f), 일단이 냉난방부하(230)에 연결되고 타단이 제3변환밸브(310c)에 연결되는 제2g배관(280g)으로 구성된다.
하절기 축냉운전과 하절기 일시방열운전시 축열조(220) 상부의 고온 유체는 제2배관(280b), 제1믹싱밸브(250a), 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 지열히트펌프(210)에서 열교환된 저온 유체는 제1온도센서(270a)를 구비한 제2d배관(280d), 제2개폐밸브(260b), 제2a배관(280a)을 거쳐 일부는 축열조(220) 하부에 유입되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)에 재공급된다.
하절기 축열조 단독방냉운전시 축열조(220) 하부의 저온 유체는 제2a배관(280a), 제2믹싱밸브(250b), 제3펌프(240b)와 제2온도센서(270b)를 구비한 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급된다. 냉난방부하(230)에서 냉방을 공급한 고온 유체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제2e배관(280e), 제3개폐밸브(260c), 제2b배관(280b)을 거쳐 일부는 축열조(220) 상부에 유입되고 일부는 제2믹싱밸브(250b)에 재공급된다.
하절기 동시방냉운전시 축열조(220) 하부의 저온 유체는 제2a배관(280a), 제2믹싱밸브(250b), 제3펌프(240b)와 제2온도센서(270b)를 구비한 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급된다. 냉난방부하(230)에서 냉방을 공급한 고온 유체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제2e배관(280e), 제3개폐밸브(260c), 제2b배관(280b)을 거쳐 일부는 축열조(220) 상부에 유입되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)와 제2믹싱밸브(250b)에 나뉘어 공급된다. 제1믹싱밸브(250a)에 공급된 고온의 유체는 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 지열히트펌프(210)에서 열교환된 저온 유체는 제1온도센서(270a)를 구비한 제2d배관(280d), 제2개폐밸브(260b), 제2a배관(280a)을 거쳐 일부는 축열조(220) 하부의 저온 유체와 합쳐져 제2믹싱밸브(250b)에 공급되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)에 재공급된다.
동절기 축열운전과 동절기 일시방냉운전시 축열조(220) 하부의 저온 유체는 제2a배관(280a), 제1믹싱밸브(250a), 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 지열히트펌프(210)에서 열교환된 고온 유체는 제1온도센서(270a)를 구비한 제2d배관(280d), 제4개폐밸브(260d), 제2b배관(280b)을 거쳐 일부는 축열조(220) 상부에 유입되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)에 재공급된다.
동절기 축열조 단독방열운전시 축열조(220) 상부의 고온 유체는 제2b배관(280b), 제2믹싱밸브(250b), 제3펌프(240b)와 제2온도센서(270b)를 구비한 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급된다. 냉난방부하(230)에서 난방을 공급한 저온 유체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제2e배관(280e), 제1개폐밸브(260a), 제2a배관(280a)을 거쳐 일부는 축열조(220) 하부에 유입되고 일부는 제2믹싱밸브(250b)에 재공급된다.
동절기 동시방열운전시 축열조(220) 상부의 고온 유체는 제2b배관(280b), 제2믹싱밸브(250b), 제3펌프(240b)와 제2온도센서(270b)를 구비한 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급된다. 냉난방부하(230)에서 난방을 공급한 저온 유체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제2e배관(280e), 제1개폐밸브(260a), 제2a배관(280a)을 거쳐 일부는 축열조(220) 하부에 유입되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)와 제2믹싱밸브(250b)에 나뉘어 공급된다. 제1믹싱밸브(250a)에 공급된 저온의 유체는 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 지열히트펌프(210)에서 열교환된 고온 유체는 제1온도센서(270a)를 구비한 제2d배관(280d), 제4개폐밸브(260d), 제2b배관(280b)을 거쳐 축열조(220) 상부의 고온 유체와 합쳐져 일부는 제2믹싱밸브(250b)에 공급되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)에 재공급된다.
지열만을 이용하는 하절기 방냉운전시 1차냉난방부의 유체는 제2배관을 순환하지 않는다.
2차냉난방부는 제1변환밸브(310a), 제2변환밸브(310b), 제3변환밸브(310c) 및 제3배관(320)으로 구성된다.
제1변환밸브(310a)는 하절기 축냉운전, 하절기 동시방냉운전, 동절기 축열운전, 동절기 동시방열운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서 제1a배관(130a)에서 제1b배관(130b) 방향으로만 개방되고 하절기 일시방열운전, 동절기 일시방냉운전에서 제1a배관(130a)에서 제3a배관(320a) 방향으로만 개방되며 하절기 축열조 단독방냉운전, 동절기 축열조 단독방열운전에서 폐쇄되도록 제어된다.
제2변환밸브(310b)는 하절기 축냉운전, 하절기 동시방냉운전, 동절기 축열운전, 동절기 동시방열운전에서 제1c배관(130c)에서 제1d배관(130d) 방향으로만 개방되고 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서 제1c배관(130c)에서 제3c배관(320c) 방향으로만 개방되며 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 일시방열운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 일시방냉운전에서 폐쇄되도록 제어된다.
제3변환밸브(310c)는 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 동시방냉운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 동시방열운전에서 제2g배관(280g)에서 제2e배관(280e) 방향으로만 개방되고 하절기 일시방열운전, 동절기 일시방냉운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전에서 제2g배관(280g)에서 제3b배관(320b) 방향으로만 개방되며 하절기 축냉운전, 동절기 축열운전에서 폐쇄되도록 제어된다.
제3배관(320)은 제3a배관(320a), 제3b배관(320b),제3c배관(320c)을 구성요소로 가지며, 제3배관(320)은 일단이 제1변환밸브(310a)에 연결되고 타단이 제2온도센서(270b)와 냉난방부하(230) 사이에 연결되는 제3a배관(320a), 일단이 제3변환밸브(310c)에 연결되고 타단이 제1펌프(120)와 제2변환밸브(310b) 사이에 연결되는 제3b배관(320b), 일단이 제2변환밸브(310b)에 연결되고 타단이 제2온도센서(270b)와 냉난방부하(230) 사이에 연결되는 제3c배관(320c)으로 구성된다.
하절기 일시방열운전, 동절기 일시방냉운전, 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전의 경우 열교환매체가 제3배관(320)을 순환하고 하절기 축냉운전, 하절기 축열조 단독방냉운전, 하절기 동시방냉운전, 동절기 축열운전, 동절기 축열조 단독방열운전, 동절기 동시방열운전의 경우 열교환매체가 제3배관(320)을 순환하지 않는다.
하절기 일시방열운전 또는 동절기 일시방냉운전의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제3a배관(320a), 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급되어 냉방 또는 난방을 수행한다. 냉난방부하(230)에서 냉방 또는 난방을 수행한 열교환매체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제3b배관(320b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다.
지열만을 이용하는 하절기 방냉운전의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제1b배관(130b)을 거쳐 지중열교환기(110)에 공급되어 지각과 열교환되게 된다. 지중열교환기(110)에서 지각과 열교환되어 냉각된 열교환매체는 제1c배관(130c), 제2변환밸브(310b), 제3c배관(320c), 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급되어 냉방을 수행한다. 냉난방부하(230)에서 냉방을 수행하여 가열된 열교환매체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제3b배관(320b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에서 순환된다.
도 2는 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 축냉운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 2를 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 축냉운전제어방법은 지열과 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지는 지중열교환기(110), 지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 지열히트펌프(210), 지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 축열조(220), 제1펌프(120), 제2펌프(240a)는 가동되고 제3펌프(240b)는 가동이 중지되도록 제어되는 단계, 제2개폐밸브(260b)는 개방되고 제1개폐밸브(260a), 제3개폐밸브(260c), 제4개폐밸브(260d)는 폐쇄되도록 제어되는 단계, 제1변환밸브(310a)는 제1a배관(130a)에서 제1b배관(130b) 방향으로만 개방되고 제2변환밸브(310b)는 제1c배관(130c)에서 제1d배관(130d) 방향으로만 개방되며 제3변환밸브(310c)는 폐쇄되도록 제어되는 단계 및 제1믹싱밸브(250a)는 제1온도센서(270a)에서 설정온도 미만인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리며 제2믹싱밸브(250b)는 폐쇄되도록 제어되는 단계를 포함한다.
도 2를 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 축냉운전제어방법의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제1b배관(130b)을 거쳐 지중열교환기(110)에 공급되어 지각과 열교환되게 된다. 지중열교환기(110)에서 지각과 열교환되어 냉각된 열교환매체는 제1c배관(130c), 제2변환밸브(310b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 축열조(220) 상부의 고온 유체는 제2배관(280b), 제1믹싱밸브(250a), 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 지열히트펌프(210)에서 냉각된 열교환매체와 열교환된 저온 유체는 제1온도센서(270a)를 구비한 제2d배관(280d), 제2개폐밸브(260b), 제2a배관(280a)을 거쳐 일부는 축열조(220) 하부에 유입되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)에 재공급된다. 제1온도센서(270a)에서 설정온도(예를 들어 5℃) 미만인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 제1믹싱밸브(250a)에 재공급되는 저온 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 재공급되는 저온 유체의 양을 늘려 효율적이고 안정적인 하절기 축냉운전을 가능하게 한다.
도 3은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 축열조 단독방냉운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 3를 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 축열조 단독방냉운전제어방법은 지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 축열조(220)와 제3펌프(240b)는 가동되며 지열과 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지는 지중열교환기(110), 지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 지열히트펌프(210), 제1펌프(120), 제2펌프(240a)는 가동이 중지되도록 제어되는 단계, 제3개폐밸브(260c)는 개방되고 제1개폐밸브(260a), 제2개폐밸브(260b), 제4개폐밸브(260d)는 폐쇄되도록 제어되는 단계, 제3변환밸브(310c)는 제2g배관(280g)에서 제2e배관(280e) 방향으로만 개방되고 제1변환밸브(310a)와 제2변환밸브(310b)는 폐쇄되도록 제어되는 단계 및 제2믹싱밸브(250b)는 제2온도센서(270b)에서 설정온도 미만인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이며 제1믹싱밸브(250a)는 폐쇄되도록 제어되는 단계를 포함한다.
도 3을 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 축열조 단독방냉운전제어방법의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1b배관(130b), 제1c배관(130c), 제1d배관(130d)을 순환하지 않고, 축열조(220) 하부의 저온 유체는 제2a배관(280a), 제2믹싱밸브(250b), 제3펌프(240b)와 제2온도센서(270b)를 구비한 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급된다. 냉난방부하(230)에서 냉방을 공급한 고온 유체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제2e배관(280e), 제3개폐밸브(260c), 제2b배관(280b)을 거쳐 일부는 축열조(220) 상부에 유입되고 일부는 제2믹싱밸브(250b)에 재공급된다. 제2온도센서(270b)에서 설정온도(예를 들어 7℃) 미만인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 제2믹싱밸브(250b)에 재공급되는 고온 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 재공급되는 고온 유체의 양을 줄여 효율적이고 안정적인 하절기 축열조 단독방냉운전을 가능하게 한다.
도 4는 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 동시방냉운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 4를 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 동시방냉운전제어방법의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제1b배관(130b)을 거쳐 지중열교환기(110)에 공급되어 지각과 열교환되게 된다. 지중열교환기(110)에서 지각과 열교환되어 냉각된 열교환매체는 제1c배관(130c), 제2변환밸브(310b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 축열조(220) 하부의 저온 유체는 제2a배관(280a), 제2믹싱밸브(250b), 제3펌프(240b)와 제2온도센서(270b)를 구비한 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급된다. 냉난방부하(230)에서 냉방을 공급한 고온 유체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제2e배관(280e), 제3개폐밸브(260c), 제2b배관(280b)을 거쳐 일부는 축열조(220) 상부에 유입되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)와 제2믹싱밸브(250b)에 나뉘어 공급된다. 제1믹싱밸브(250a)에 공급된 고온의 유체는 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 지열히트펌프(210)에서 냉각된 열교환매체와 열교환된 저온 유체는 제1온도센서(270a)를 구비한 제2d배관(280d), 제2개폐밸브(260b), 제2a배관(280a)을 거쳐 일부는 축열조(220) 하부의 저온 유체와 합쳐져 제2믹싱밸브(250b)에 공급되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)에 재공급된다. 제1온도센서(270a)에서 설정온도(예를 들어 5℃) 미만인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 제1믹싱밸브(250a)에 재공급되는 저온 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 재공급되는 저온 유체의 양을 늘리며, 제2온도센서(270b)에서 설정온도(예를 들어 7℃) 미만인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 제2믹싱밸브(250b)에 재공급되는 고온 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 재공급되는 고온 유체의 양을 줄여 효율적이고 안정적인 하절기 동시방냉운전을 가능하게 한다.
도 5는 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 일시방열운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 하절기 일시방열운전제어방법의 경우 지열히트펌프(210)에서 축열조(220) 상부의 고온 유체와 열교환하여 가열된 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제3a배관(320a), 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급되어 난방을 수행한다. 냉난방부하(230)에서 난방을 수행하여 냉각된 열교환매체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제3b배관(320b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 축열조(220) 상부의 고온 유체는 제2배관(280b), 제1믹싱밸브(250a), 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 지열히트펌프(210)에서 냉각된 열교환매체와 열교환된 저온 유체는 제1온도센서(270a)를 구비한 제2d배관(280d), 제2개폐밸브(260b), 제2a배관(280a)을 거쳐 일부는 축열조(220) 하부에 유입되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)에 재공급된다. 제1온도센서(270a)에서 설정온도(예를 들어 5℃) 미만인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 제1믹싱밸브(250a)에 재공급되는 저온 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 재공급되는 저온 유체의 양을 늘려 효율적이고 안정적인 하절기 일시방열운전을 가능하게 한다.
도 6은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 축열운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 축열운전제어방법은 지열과 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지는 지중열교환기(110), 지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 지열히트펌프(210), 지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 축열조(220), 제1펌프(120), 제2펌프(240a)는 가동되고 제3펌프(240b)는 가동이 중지되도록 제어되는 단계, 제4개폐밸브(260d)는 개방되고 제1개폐밸브(260a), 제2개폐밸브(260b), 제3개폐밸브(260c)는 폐쇄되도록 제어되는 단계, 제1변환밸브(310a)는 제1a배관(130a)에서 제1b배관(130b) 방향으로만 개방되고 제2변환밸브(310b)는 제1c배관(130c)에서 제1d배관(130d) 방향으로만 개방되며 제3변환밸브(310c)는 폐쇄되도록 제어되는 단계 및 제1믹싱밸브(250a)는 제1온도센서(270a)에서 설정온도 미만인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이며 제2믹싱밸브(250b)는 폐쇄되도록 제어되는 단계를 포함한다.
도 6을 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 축열운전제어방법의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제1b배관(130b)을 거쳐 지중열교환기(110)에 공급되어 지각과 열교환되게 된다. 지중열교환기(110)에서 지각과 열교환되어 가열된 열교환매체는 제1c배관(130c), 제2변환밸브(310b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 축열조(220) 하부의 저온 유체는 제2a배관(280a), 제1믹싱밸브(250a), 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 지열히트펌프(210)에서 가열된 열교환매체와 열교환된 고온 유체는 제1온도센서(270a)를 구비한 제2d배관(280d), 제4개폐밸브(260d), 제2b배관(280b)을 거쳐 일부는 축열조(220) 상부에 유입되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)에 재공급된다. 제1온도센서(270a)에서 설정온도(예를 들어 25℃) 미만인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 제1믹싱밸브(250a)에 재공급되는 고온 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 고온 유체의 양을 줄여 효율적이고 안정적인 동절기 축열운전을 가능하게 한다.
도 7은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 축열조 단독방열운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 축열조 단독방열운전제어방법은 지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 축열조(220)와 제3펌프(240b)는 가동되며 지열과 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지는 지중열교환기(110), 지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 지열히트펌프(210), 제1펌프(120), 제2펌프(240a)는 가동이 중지되도록 제어되는 단계, 제1개폐밸브(260a)는 개방되며 제2개폐밸브(260b), 제3개폐밸브(260c), 제4개폐밸브(260d)는 폐쇄되도록 제어되는 단계, 제3변환밸브(310c)는 제2g배관(280g)에서 제2e배관(280e) 방향으로만 개방되며 제1변환밸브(310a)와 제2변환밸브(310b)는 폐쇄되도록 제어되는 단계 및 제2믹싱밸브(250b)는 제2온도센서(270b)에서 설정온도 미만인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 유체의 양을 늘리며 제1믹싱밸브(250a)는 폐쇄되도록 제어되는 단계를 포함한다.
도 7을 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 축열조 단독방열운전제어방법의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1b배관(130b), 제1c배관(130c), 제1d배관(130d)을 순환하지 않고 축열조(220) 상부의 고온 유체는 제2b배관(280b), 제2믹싱밸브(250b), 제3펌프(240b)와 제2온도센서(270b)를 구비한 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급된다. 냉난방부하(230)에서 난방을 공급한 저온 유체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제2e배관(280e), 제1개폐밸브(260a), 제2a배관(280a)을 거쳐 일부는 축열조(220) 하부에 유입되고 일부는 제2믹싱밸브(250b)에 재공급된다. 제2온도센서(270b)에서 설정온도(예를 들어 23℃) 미만인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 제2믹싱밸브(250b)에 재공급되는 저온 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 저온 유체의 양을 늘려 효율적이고 안정적인 동절기 축열조 단독방열운전을 가능하게 한다.
도 8은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 동시방열운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 동시방열운전제어방법의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제1b배관(130b)을 거쳐 지중열교환기(110)에 공급되어 지각과 열교환되게 된다. 지중열교환기(110)에서 지각과 열교환되어 가열된 열교환매체는 제1c배관(130c), 제2변환밸브(310b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 축열조(220) 상부의 고온 유체는 제2b배관(280b), 제2믹싱밸브(250b), 제3펌프(240b)와 제2온도센서(270b)를 구비한 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급된다. 냉난방부하(230)에서 난방을 공급한 저온 유체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제2e배관(280e), 제1개폐밸브(260a), 제2a배관(280a)을 거쳐 일부는 축열조(220) 하부에 유입되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)와 제2믹싱밸브(250b)에 나뉘어 공급된다. 제1믹싱밸브(250a)에 공급된 저온의 유체는 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 지열히트펌프(210)에서 가열된 열교환매체와 열교환된 고온 유체는 제1온도센서(270a)를 구비한 제2d배관(280d), 제4개폐밸브(260d), 제2b배관(280b)을 거쳐 축열조(220) 상부의 고온 유체와 합쳐져 일부는 제2믹싱밸브(250b)에 공급되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)에 재공급된다. 제1온도센서(270a)에서 설정온도(예를 들어 25℃) 미만인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 제1믹싱밸브(250a)에 재공급되는 고온 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 고온 유체의 양을 줄이며, 제2온도센서(270b)에서 설정온도(예를 들어 23℃) 미만인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 제2믹싱밸브(250b)에 재공급되는 저온 유체의 양을 줄이고 설정온도 이상인 경우에는 제2a배관(280a)으로부터 유입되는 저온 유체의 양을 늘려 효율적이고 안정적인 동절기 동시방열운전을 가능하게 한다.
도 9는 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 일시방냉운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 9를 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 동절기 일시방냉운전제어방법의 경우 지열히트펌프(210)에서 축열조(220) 하부의 저온 유체와 열교환하여 냉각된 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제3a배관(320a), 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급되어 냉방을 수행한다. 냉난방부하(230)에서 냉방을 수행하여 가열된 열교환매체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제3b배관(320b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 축열조(220) 하부의 저온 유체는 제2a배관(280a), 제1믹싱밸브(250a), 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급된다. 지열히트펌프(210)에서 가열된 열교환매체와 열교환된 고온 유체는 제1온도센서(270a)를 구비한 제2d배관(280d), 제4개폐밸브(260d), 제2b배관(280b)을 거쳐 일부는 축열조(220) 상부에 유입되고 일부는 제1믹싱밸브(250a)에 재공급된다. 제1온도센서(270a)에서 설정온도(예를 들어 25℃) 미만인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 제1믹싱밸브(250a)에 재공급되는 고온 유체의 양을 늘리고 설정온도 이상인 경우에는 제2b배관(280b)으로부터 유입되는 고온 유체의 양을 줄여 효율적이고 안정적인 동절기 일시방냉운전을 가능하게 한다.
도 10은 본 발명의 일실시 예에 따른 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전제어방법을 보여주는 도면이다.
도 10을 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전제어방법은 지열과 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지는 지중열교환기(110)와 제1펌프(120)는 가동되며 지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 지열히트펌프(210), 지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 축열조(220), 제2펌프(240a), 제3펌프(240b)는 가동이 중지되도록 제어되는 단계, 제1개폐밸브(260a), 제2개폐밸브(260b), 제3개폐밸브(260c), 제4개폐밸브(260d)는 폐쇄되도록 제어되는 단계, 제1변환밸브(310a)는 제1a배관(130a)에서 제1b배관(130b) 방향으로만 개방되고 제2변환밸브(310b)는 제1c배관(130c)에서 제3c배관(320c) 방향으로만 개방되며 제3변환밸브(310c)는 제2g배관(280g)에서 제3b배관(320b) 방향으로만 개방되도록 제어되는 단계 및 제1믹싱밸브(250a)와 제2믹싱밸브(250b)는 폐쇄되도록 제어되는 단계를 포함한다.
도 10을 참조하면, 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 지열만을 이용하는 하절기 방냉운전제어방법의 경우 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제1b배관(130b)을 거쳐 지중열교환기(110)에 공급되어 지각과 열교환되게 된다. 지중열교환기(110)에서 지각과 열교환되어 냉각된 열교환매체는 제1c배관(130c), 제2변환밸브(310b), 제3c배관(320c), 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 단독으로 공급되어 냉방을 수행한다. 냉난방부하(230)에서 냉방을 수행하여 가열된 열교환매체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제3b배관(320b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d), 지열히트펌프(210)을 거쳐 순환하게 된다. 다만, 1차냉난방부의 유체는 제2배관을 순환하지 않는다.
상기에서 본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시되고 설명되었지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 알 수 있을 것이다. 그렇지만 이러한 수정 및 변형 구조 들은 모두 본 발명의 권리범위 내에 포함되는 것임을 분명하게 밝혀두고자 한다.
100: 지열부
110: 지중열교환기 111: 열교환매체 120: 제1펌프
130: 제1배관
130a: 제1a배관 130b: 제1b배관 130c: 제1c배관 130d: 제1d배관
200: 1차냉난방부
210: 지열히트펌프 211: 유체
220: 축열조 230: 냉난방부하
240a: 제2펌프 240b: 제3펌프
250a: 제1믹싱밸브 250b: 제2믹싱밸브
260a: 제1개폐밸브 260b: 제2개폐밸브
260c: 제3개폐밸브 260d: 제4개폐밸브
270a: 제1온도센서 270b: 제2온도센서
280: 제2배관
280a: 제2a배관 280b: 제2b배관 280c: 제2c배관 280d: 제2d배관
280e: 제2e배관 280f: 제2f배관 280g: 제2g배관
300: 2차냉난방부
310a: 제1변환밸브 310b: 제2변환밸브 310c: 제3변환밸브
320: 제3배관
320a: 제3a배관 320b: 제3b배관 320c: 제3c배관

Claims (7)

  1. 지열과 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지는 지중열교환기(110), 제1펌프(120) 및 상기 열교환매체를 순환시키는 제1배관(130)이 구비된 지열부, 상기 지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 지열히트펌프(210), 상기 지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 축열조(220), 상기 유체의 순환에 의해 냉난방되는 냉난방부하(230), 제2펌프(240a), 제3펌프(240b), 제1믹싱밸브(250a), 제2믹싱밸브(250b), 제1개폐밸브(260a), 제2개폐밸브(260b), 제3개폐밸브(260c), 제4개폐밸브(260d), 제1온도센서(270a), 제2온도센서(270b) 및 상기 유체를 순환시키는 제2배관(280)이 구비된 1차냉난방부 및 제1변환밸브(310a), 제2변환밸브(310b), 제3변환밸브(310c) 및 제3배관(320)이 구비되어 상기 열교환매체를 상기 1차냉난방부로 순환시키는 2차냉난방부를 포함하여 구성되는 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치에 있어서,
    하절기에는 하절기 축냉운전, 하절기 축열조 단독방냉운전 및 하절기 동시방냉운전을 기본적으로 수행하고,
    하절기에 일시적인 난방부하가 발생하는 경우 축열조(220) 상부의 고온 유체는 제2배관(280b), 제1믹싱밸브(250a), 제2펌프(240a)를 구비한 제2c배관(280c)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급되고 지열히트펌프(210)에서 축열조(220) 상부의 고온 유체와 열교환하여 가열된 열교환매체는 제1a배관(130a), 제1변환밸브(310a), 제3a배관(320a), 제2f배관(280f)을 거쳐 냉난방부하(230)에 공급되어 난방을 수행하며 냉난방부하(230)에서 난방을 수행하여 냉각된 열교환매체는 제2g배관(280g), 제3변환밸브(310c), 제3b배관(320b), 제1펌프(120)를 구비한 제1d배관(130d)을 거쳐 지열히트펌프(210)에 공급되는 하절기 일시방열운전을 수행하며,
    동절기에는 동절기 축열운전, 동절기 축열조 단독방열운전 및 동절기 동시방열운전을 기본적으로 수행하고,
    동절기에 일시적인 냉방부하가 발생하는 경우와 하절기 및 동절기에 냉난방부하가 작은 경우, 상기 열교환매체를 상기 1차냉난방부로 순환시키는 과정 중에 상기 제1변환밸브(310a), 상기 제2변환밸브(310b), 상기 제3변환밸브(310c)의 제어를 통해 상기 지중열교환기(110)에서 열교환하여 냉각 또는 가열된 상기 열교환매체를 상기 제3배관(320)을 통해 상기 냉난방부하(230)에 직접 공급하여 상기 냉난방부하(230)에 일시적 냉방 또는 난방을 공급하는 것을 특징으로 하는 2차냉난방부를 포함하여 구성된 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치가,
    지열과 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지는 상기 지중열교환기(110)와 상기 제1펌프(120)는 가동되며 지열부의 열교환매체를 열원으로 하여 동작되는 상기 지열히트펌프(210), 지열히트펌프(210)에 의해 냉각 또는 가열된 유체가 저장되고 방출되는 상기 축열조(220), 상기 제2펌프(240a), 상기 제3펌프(240b)는 가동이 중지되도록 제어되는 단계;
    상기 제1개폐밸브(260a), 상기 제2개폐밸브(260b), 상기 제3개폐밸브(260c), 상기 제4개폐밸브(260d)는 폐쇄되도록 제어되는 단계;
    상기 제1변환밸브(310a)는 제1a배관(130a)에서 제1b배관(130b) 방향으로만 개방되고 상기 제2변환밸브(310b)는 제1c배관(130c)에서 제3c배관(320c) 방향으로만 개방되며 상기 제3변환밸브(310c)는 제2g배관(280g)에서 제3b배관(320b) 방향으로만 개방되도록 제어되는 단계; 및
    상기 제1믹싱밸브(250a)와 상기 제2믹싱밸브(250b)는 폐쇄되도록 제어되는 단계;
    를 포함하도록 제어되는 단일의 축열조를 이용하여 냉난방을 동시에 수행하는 지열냉난방장치의 제어방법.
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