KR101843088B1 - 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템 및 이의 제어방법 Download PDF

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Abstract

이 발명은 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로서, 냉매가 순환하면서 지열순환수 및 부하순환수와 각각 열교환되도록 히트펌프(100)가 구비되고, 상기 히트펌프(100)에서 열교환된 지열순환수가 지열측 배관을 따라 순환되도록 지열펌프(200)가 구비되며, 상기 지열측 배관과 연결되면서 상기 지열순환수가 지중으로부터 열전달되도록 옥외 지중에 지중열 교환부(300)가 구비되고, 상기 히트펌프(100)에서 열교환된 부하순환수가 부하측 배관을 따라 순환되도록 부하순환펌프(400)가 구비되는 지열시스템의 제어방법으로서, 상기 부하순환수의 ELT, LLT, 유량 및 히트펌프 총용량 값에 근거하여 요구되는 부하량을 측정하는 단계와, 측정된 부하량이 0% 초과하고 100/n% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고(S1), 측정된 부하량이 100/n% 초과하고 200/n% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고, 이어서 제2 지열펌프 및 제2 히트펌프를 가동하며(S2), 측정된 부하량이 100(n-1)/n% 초과하고 100% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고, 이어서 제2 지열펌프 및 제2 히트펌프를 가동하며, 같은 방식으로 나머지 지열펌프 및 히트펌프를 이어서 가동하되, 마지막에는 제n 지열펌프 및 제n 히트펌프를 가동(Sn; n은 3 이상의 자연수)하는 단계를 포함하여, ELT, LLT 및 유량 등에 의해 산출된 부하량을 변수로 부하 변화에 능동적으로 대응함으로써, 거주자의 쾌적성이 증대되도록 공급 온도의 변위량을 최소화시킬 수 있는 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.

Description

부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템 및 이의 제어방법{GEOTHERMAL SYSTEM BASED ON ACTIVE CONTROL ACCORDING TO THE AMOUNT OF HEATING LOAD AND THE CONTROL METHOD THEREOF}
이 발명은 지열을 열원으로 이용하는 지열시스템과 그 제어방법에 관한 것으로, 특히 냉난방 수요 변화에 따라 히트펌프 가동대수를 증감시키는 지열시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 사용되고 있는 지열을 열원으로 이용하는 냉난방 시스템인 지열시스템은 냉난방을 요하는 건물의 AHU, FCU 등의 부하, 히트펌프, 지열펌프 및 지중에 매설되는 지중열 교환부 등으로 구성된다. 지중열을 전달받은 순환수가 지중열 교환부와 연결된 배관으로 이송되어 히트펌프에서 냉매와 열교환되고, 부하와 연결된 배관으로 이송되는 순환수 또한 히트펌프에서 냉매와 열교환되어 최종적으로 부하에 대해서 냉방 및 난방을 실행한다.
한편, 종래의 지열시스템을 제어하는 원리는 순차제어로서(도 1 참조), 부하순환수가 설정 온도(SV)에 도달할 때까지 일차원적으로 히트펌프 및 지열펌프를 가동시키는 제어방법이다. 이를 참조하면, 순차제어는 부하순환수의 현재 온도(PV)를 측정하여 설정 온도(SV)보다 작은 경우 제1 히트펌프 및 제1 지열펌프를 가동시키고, 약 5 내지 10분이 경과한 다음 부하순환수의 현재 온도(PV)를 측정하여 설정 온도(SV)와 비교한다. 측정된 부하순환수의 현재 온도(PV)가 설정 온도 설정 온도(SV)보다 작은 경우 제2 히트펌프 및 제2 지열펌프를 추가로 가동시키는 방식으로 부하순환수가 설정 온도(SV)에 도달할 때까지 순차적으로 히트펌프 및 지열펌프의 가동을 누적 실행한다(난방의 경우).
이러한 제어방법에 따른 부하량의 변화 및 공급온도의 변화를 살펴보면(도 2 참조), 부하량이 완만하게 변동하는 시간대의 경우에는 1개의 히트펌프의 가동만으로 부하순환수 공급온도가 목표온도에 도달하는데 큰 무리가 없으나, 부하량이 급격하게 변동하는 시간대의 경우에는 다수의 히트펌프가 위 제어방법에 따라 순차적으로 가동되더라도 부하 대응 능력이 떨어져 결과적으로 부하순환수의 공급온도가 급강하게 된다. 결과적으로 부하량이 급격하게 변동하기 시작한 시점으로부터 상당한 시간이 지나서야 부하순환수의 공급온도가 목표온도에 도달하게 되므로, 실내거주자가 체감하는 실내온도는 적정온도에서 크게 벗어나게 되어 쾌적성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 부하량의 실시간 변화에 따른 히트펌프의 발생 열량을 살펴보면(도 3 참조), 결과적으로 시간대별 부하량과 종래의 순차제어에 의한 히트펌프 가동대수 증감 사이의 불일치가 현저해지고, 이에 부하 대응이 어려워짐으로써 공급 온도의 변위량이 급격하게 늘어날 수 밖에 없다.
나아가, 펌프의 가동대수에 따른 시간당 누적되는 소비동력을 살펴보면(도 3 참조), 급격히 줄어든 부하량에 대응하지 못한 상태로 히트펌프가 과운전됨으로써 에너지가 낭비되고 제어시스템의 운영비가 상승하는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서, 이 발명은 지열 공급에 최적화된 부하의 측정방법을 기초로 부하 변화에 능동적으로 대응함으로써, 공급 온도의 변위량을 최소화하여 냉난방 장치를 사용하는 거주자의 생활 환경을 개선시키기 위한 지열시스템 및 이의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 부하량의 실시간 변화와 거의 일치되는 열량이 발생되도록 제어함으로써 제어시스템의 운영비 등을 절감시키는 것에 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 이 발명인 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템 제어방법은 냉매가 순환하면서 지열순환수 및 부하순환수와 각각 열교환되도록 히트펌프(100)가 구비되고, 상기 히트펌프(100)에서 열교환된 지열순환수가 지열측 배관을 따라 순환되도록 지열펌프(200)가 구비되며, 상기 지열측 배관과 연결되면서 상기 지열순환수가 지중으로부터 열전달되도록 옥외 지중에 지중열 교환부(300)가 구비되고, 상기 히트펌프(100)에서 열교환된 부하순환수가 부하측 배관을 따라 순환되도록 부하순환펌프(400)가 구비되는 지열시스템의 제어방법으로서,상기 부하순환수의 ELT, LLT, 유량 및 히트펌프 총용량 값에 근거하여 요구되는 부하량을 측정하는 S100 단계; 측정된 부하량이 0% 초과하고 100/n% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고(S1), 측정된 부하량이 100/n% 초과하고 200/n% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고, 이어서 제2 지열펌프 및 제2 히트펌프를 가동하며(S2), 측정된 부하량이 100(n-1)/n% 초과하고 100% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고, 이어서 제2 지열펌프 및 제2 히트펌프를 가동하며, 같은 방식으로 나머지 지열펌프 및 히트펌프를 이어서 가동하되, 마지막에는 제n 지열펌프 및 제n 히트펌프를 가동(Sn; n은 3 이상의 자연수)하는 S200 단계; 상기 S200 단계를 경과한 뒤, 상기 부하측 배관에 설치된 온도센서부(510)(520) 및 유량센서부(530)에 의해 측정되는 부하순환수의 ELT, LLT, 유량 및 히트펌프 총용량 값에 근거하여 잔존하는 부하량을 측정하는 S300 단계; 및 잔존하는 부하량이 0%인 경우 히트펌프(100) 및 지열펌프(200)의 가동은 종료되고(S0), 잔존하는 부하량이 100(k-1)/n% 초과하고 100k/n% 이하이면서 동시에 S100 단계에서 측정 부하량보다 작거나 같은 경우(k≤n, k는 자연수), 제1 지열펌프 내지 제k 지열펌프와 제1 히트펌프 내지 제k 히트펌프를 제외한 나머지 히트펌프 및 지열펌프의 가동은 종료되고, 잔존하는 부하량이 100(k-1)/n% 초과하고 100k/n% 이하이면서 동시에 S100 단계에서 측정 부하량보다 큰 경우, 같은 방식으로 나머지 지열펌프 및 히트펌프를 이어서 가동하되, 마지막에는 제k 지열펌프 및 제k 히트펌프를 가동(Sk; k≤n, k는 자연수)하는 S400 단계;를 포함하며, 상기 부하량은 온도센서부(510)(520)에서 측정된 ELT 및 LLT의 차이값과 유량센서부(530)에서 측정된 유량을 곱한 값의 히트펌프 총용량 값에 대한 비율로 결정되고, 상기 S200 단계와 S400 단계에서, 임의의 히트펌프 및 지열펌프를 가동한 후 이어서 다음 히트펌프 및 지열펌프가 가동되기 전에는 2.5초 내지 3.5초의 딜레이 타임을 두는 것을 특징으로 한다.
삭제
또한, 잔존하는 부하량이 0%가 될 때까지 상기 S300 내지 S400 단계가 순차적으로 반복되는 것을 특징으로 한다.
삭제
삭제
상기와 같은 목적을 달성하기 위해서, 이 발명인 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템은 냉매가 순환하면서 지열순환수 및 부하순환수와 각각 열교환되도록 히트펌프(100)가 구비되고, 상기 히트펌프(100)에서 열교환된 지열순환수가 지열측 배관을 따라 순환되도록 지열펌프(200)가 구비되며, 상기 지열측 배관과 연결되면서 상기 지열순환수가 지중으로부터 열전달되도록 옥외 지중에 지중열 교환부(300)가 다수 구비되고, 상기 히트펌프(100)에서 열교환된 부하순환수가 부하측 배관을 따라 순환되도록 부하순환펌프(400)가 구비되는 지열시스템으로서, 상기한 지열시스템 제어방법에 의해 제어되는 것을 특징으로 한다.
삭제
상기와 같은 해결수단에 의해, ELT, LLT 및 유량 등에 의해 산출된 부하량을 변수로 부하 변화에 능동적으로 대응함으로써, 거주자의 쾌적성이 증대되도록 공급 온도의 변위량을 최소화시킬 수 있다.
또한, 부하량의 실시간 변화와 거의 일치되는 열량이 발생되도록 능동적으로 히트펌프들을 가동시킴으로써, 과운전으로 인한 히트펌프의 에너지 및 운전비를 현저히 절감시키는 이점이 있다.
삭제
도 1은 종래의 지열시스템의 제어방법에 관한 개념도이다.
도 2는 종래의 지열시스템의 제어방법에 의한 부하순환수의 온도 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 종래의 지열시스템의 제어방법에 의해 시간에 따른 부하량, 공급온도 및 히트펌프 가동대수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 이 발명인 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 이 발명인 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템의 제어방법에 관한 개념도이다.
도 6은 이 발명인 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템의 제어방법에 의해 시간에 따른 부하량, 공급온도 및 히트펌프 가동대수의 변화를 나타낸 그래프이다.
이 발명에 따른 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템 및 이의 제어방법에 대한 예는 다양하게 적용할 수 있으며, 이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 가장 바람직한 실시 예에 대해 설명하기로 한다.
도 4는 이 발명인 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템을 나타낸 도면이고, 도 4는 이 발명인 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템의 제어방법을 순서도로 나타낸 도면이며, 도 5는 상기 제어방법에 의해 시간에 따른 부하량, 공급온도 및 히트펌프 가동대수의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 이 발명은 지열을 열원으로 하는 지열시스템으로 히트펌프(100), 지열펌프(200), 지중열 교환부(300), 부하순환펌프(400) 및 부하량 측정부(500) 등을 포함한다.
상기 히트펌프(100)는 냉매가 순환하면서 지열순환수 및 부하순환수와 각각 열교환되도록 구비된다. 구체적으로, 냉매를 압축시키는 미도시된 압축기와, 상기 압축기로부터 압축된 냉매를 순환시키는 미도시된 히트펌프배관, 상기 히트펌프배관에 의해 순환되는 냉매가 지중을 순환하는 지열순환수와 열교환을 행하는 지열측 열교환기 및 부하(L)를 순환하는 부하순환수와 열교환을 행하는 부하측 열교환기를 구비한다. 상기 히트펌프(100)는 n대가 구비될 수 있으며(n은 3 이상의 자연수), 이는 연간 냉난방 부하의 최대값 등을 고려하여 통상적으로 n은 5 내지 10이 바람직하다. 도 4에서는, 5대의 히트펌프(100)가 구비된 실시예를 도시한 것이다(n=5).
상기 지열펌프(200)는 상기 히트펌프(100)에서 열교환된 지열순환수가 지열측 배관(220)을 따라 순환되도록 구비된다. 구체적으로, 지열측 배관(220)의 경로상에 구비되며 이는 지열순환수를 순환시키기 위해 마련된다. 이는, 각 히트펌프(100)가 독립적으로 가동되면서도 각 히트펌프(100)에 선행하여 가동되도록 다수의 지열펌프(200)가 각 지열측 배관(220) 별로 구비될 수 있다. 또한, 상기 지열펌프(200)의 용량을 측정할 수 있도록 지열측 배관(220)에는 지열측 유량센서부(230)가 구비될 수 있고, 유입 및 유출 온도를 측정하기 위한 지열측 온도센서부(240)가 구비될 수 있다.
상기 지중열 교환부(300)는 상기 지열측 배관(220)과 연결되면서 지열순환수가 지중으로부터 열전달되도록 옥외 지중에 구비될 수 있다. 구체적으로, 상기 지중열 교환부(300)는 각 열교환 파이프(310)가 열전달이 효율적으로 일어날 수 있는 이격 거리 하에서 다수가 군집된 것으로, 하나의 열교환 파이프(310)에는 지열순환수가 공급되는 공급파이프(311)와, 지열순환수가 환수되는 배출파이프(312)로 구성되며 하단에서는 U자 형상으로 굽어지게 연결될 수 있다. 상기 열교환 파이프(310)들에서 열전달된 지중열은 다시 지열측 배관(220)에 의해 지열순환수로 이송된다.
상기 부하순환펌프(400)는 상기 히트펌프(100)에서 열교환된 부하순환수가 부하측 배관(420)을 따라 순환되도록 구비된다. 상기 부하측 배관(420)은 냉난방 부하(L)인 AHU 및 FCU 등에 열교환되도록 연결된다. 상기 부하순환펌프(400)는 사용자의 지열시스템 기동신호에 의해 바로 가동될 수 있다.
상기 부하측 배관(420)에는 후술할 부하량을 확인하기 위한 부하량 측정부(500)가 구비된다. 상기 부하량 측정부(500)는 구체적으로 제1 온도센서부(510), 제2 온도센서부(520), 유량센서부(530)로 구성될 수 있다. 상기 제1 온도센서부(510)는 부하유입온도(ELT; Entering Load Temperature)를 측정하는 것으로 부하측 배관(420)이 냉난방 부하(L)에 유입되는 경로상에 구비된다. 상기 제2 온도센서부(520)는 부하유출온도(LLT; Leaving Load Temperature)를 측정하는 것으로 부하측 배관(420)이 냉난방 부하(L)로부터 유출되는 경로상에 구비된다. 또한, 상기 부하측 배관(420)에는 유출입되는 유량을 정확히 측정할 수 있는 유량센서부(530)가 구비된다. 상기 부하량 측정부(500)에서 측정된 ELT, LLT 및 유량 값을 기초로 부하량을 산출하여 히트펌프(100)의 가동대수 제어를 위한 변수로 제공된다.
이하 위 구성을 가지는 이 발명에 따르는 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템의 제어방법에 대하여 설명한다. 도 5는 이 발명인 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템의 제어방법에 관한 개념도로서, 히트펌프(100)는 10대가 구비된 일 실시예를 나타낸 것이다(n=10).
먼저, 이 발명은 상기 부하량 측정부(500)에서 측정된 부하순환수의 ELT, LLT, 유량 및 히트펌프 총용량 값에 근거하여 요구되는 부하량을 측정한다(S100 단계). 여기서, 상기 부하량은 상기 제1 온도센서부(510)에서 측정된 부하유입온도(ELT) 및 상기 제2 온도센서부(520)에서 측정된 부하유출온도(LLT)의 차이값(C1)을 산출하고, 상기 차이값(C1)을 상기 유량센서부(530)에서 측정된 유량(C2)을 곱한 후, 이를 히트펌프 총용량 값(C3)에 대한 비율로 정의한다. 다시 말해, (C1×C2)/C3의 백분율값(%)을 부하량이라고 정의한다.
예를 들어, 10(단위 생략) 용량을 지닌 히트펌프(100)가 총 10대 구비되는 경우, 히트펌프 총용량 값(C3)는 100이 되고, ELT 및 LLT의 차이값(C1)이 5이며, 유량값(C2)이 10인 경우, 부하량은 50%가 확인된다.
이와 같이, 온도가 아닌 부하량을 히트펌프(100)의 가동대수 제어를 위한 변수로 제공됨으로써, 부하 대응이 신속하게 이루어져 히트펌프의 가동대수를 부하량과 거의 일치되도록 플렉시블하게 제어할 수 있게 된다. 또한, 상기 부하량은 상기 부하량 측정부(500)에 의해 실시간으로 측정되어, 후술할 잔존하는 부하량에 의한 히트펌프의 가동대수 제어를 즉각적이고 연속적으로 실행할 수 있게 된다.
다음으로, 측정된 부하량이 0% 초과하고 100/n% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고(S1), 측정된 부하량이 100/n% 초과하고 200/n% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고, 이어서 제2 지열펌프 및 제2 히트펌프를 가동하며(S2), 측정된 부하량이 100(n-1)/n% 초과하고 100% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고, 이어서 제2 지열펌프 및 제2 히트펌프를 가동하며, 같은 방식으로 나머지 지열펌프 및 히트펌프를 이어서 가동하되, 마지막에는 제n 지열펌프 및 제n 히트펌프를 가동(Sn; n은 3 이상의 자연수)한다(S200 단계).
도 5를 참조하여 히트펌프(100)가 10대 구비된 경우(n=10), 측정된 부하량이 0% 초과하고 10% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고(S1), 측정된 부하량이 10% 초과하고 20% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고, 이어서 제2 지열펌프 및 제2 히트펌프를 가동하며(S2), 측정된 부하량이 90% 초과하고 100% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고, 이어서 제2 지열펌프 및 제2 히트펌프를 가동하며, 같은 방식으로 나머지 지열펌프 및 히트펌프를 이어서 가동하되, 마지막에는 제10 지열펌프 및 제10 히트펌프를 가동한다. 여기서 S1 내지 S10은, 측정된 부하량에 따른 각각의 히트펌프 가동코스를 의미한다.
예를 들어, 측정된 부하량이 25%인 경우, 제1 지열펌프(201) 및 제1 히트펌프(101)를 가동하고, 상기 제1 지열펌프(201) 및 제1 히트펌프(101)의 가동과 동시에 제2 지열펌프(202) 및 제2 히트펌프(102)를 가동하며, 상기 제2 지열펌프(202) 및 제2 히트펌프(102)의 가동과 동시에 제3 지열펌프(203) 및 제3 히트펌프(103)를 가동한다. 다시 말해, 요구되는 부하량이 25%인 경우, 부하량에 따라 결정된 대의 히트펌프(100)가 연속적으로 동시에 가동되는 것으로, 이는 히트펌프 가동코스 S3을 따른다.
이와 같이, 부하량에 따라 히트펌프(100) 가동대수의 제어를 다각화시킴으로써, 부하 대응이 신속하게 이루어질 수 있게 된다.
상기 S200 단계에서, 임의의 히트펌프 및 지열펌프를 가동한 후 이어서 다음 히트펌프 및 지열펌프가 가동되기 전에는 딜레이 타임을 설정하여 다수의 히트펌프 및 지열펌프를 동시에 가동될 때 순간적으로 과부하가 발생하여 히트펌프 등의 회로가 영구적으로 파손되는 불이익을 방지할 수 있다.
상기 딜레이 타임은 2.5 내지 3.5초인 것이 바람직하다. 이는, 만약 딜레이 타임이 2.5초보다 짧아진다면 이전 히트펌프 및 지열펌프의 기동전력을 소거하여 다음 히트펌프 및 지열펌프를 기동시키는 순간 회로에 가해지는 전기적인 충격을 충분히 저감시킬 수 없고, 만약 딜레이 타임이 3.5초보다 길어진다면 요구되는 냉난방 부하에 신속하게 대응하여 체감적으로 동시에 히트펌프(100)가 가동되는 효과를 실현시킬 수 없게 된다.
예를 들어, 측정된 부하량이 65%인 경우, 제1 지열펌프(201) 및 제1 히트펌프(101)를 가동하고, 3초의 딜레이 타임이 경과된 후 이어서 제2 지열펌프(202) 및 제2 히트펌프(102)를 가동하며, 같은 방식으로 3초의 딜레이 타임과 지열펌프 및 히트펌프의 가동 과정이 순차적으로 반복되어 마지막에는 제7 지열펌프 및 제7 히트펌프를 가동하게 된다. 이는, 부하량에 따라 결정된 7대의 히트펌프(100)가 체감적으로 동시에 가동되는 것으로, 히트펌프 가동코스 S7을 따른다.
상기 S200 단계를 경과한 뒤, 상기 부하측 배관(420)에 설치된 온도센서부(510)(520) 및 유량센서부(530)에 의해 측정되는 부하순환수의 ELT, LLT, 유량 및 히트펌프 총용량 값에 근거하여 잔존하는 부하량을 측정한다(S300 단계). 물론, 잔존하는 부하량은 상기 부하량 측정부(500)에 의해 실시간으로 측정될 수 있다.
다음으로 S400 단계에서는, 잔존하는 부하량이 0%인 경우 히트펌프(100) 및 지열펌프(200)의 가동은 종료된다(S0). 즉 상기 히트펌프 가동코스 S0은, 요구되는 냉난방 부하량이 0%이므로 히트펌프(100) 및 지열펌프(200)의 가동을 모두 종료하여 지열시스템이 정지된 상태를 의미한다.
한편, 잔존하는 부하량이 100(k-1)/n% 초과하고 100k/n% 이하이면서 동시에 S100 단계에서 측정 부하량보다 작거나 같은 경우(k≤n, k는 자연수) S400 단계에서는, 제1 지열펌프 내지 제k 지열펌프와 제1 히트펌프 내지 제k 히트펌프를 제외한 나머지 히트펌프 및 지열펌프의 가동은 종료되고, 잔존하는 부하량이 100(k-1)/n% 초과하고 100k/n% 이하이면서 동시에 S100 단계에서 측정 부하량보다 큰 경우, 임의의 히트펌프 및 지열펌프를 가동한 후 이어서 다음 히트펌프 및 지열펌프가 가동되는 방식으로 나머지 지열펌프 및 히트펌프를 이어서 가동하되, 마지막에는 제k 지열펌프 및 제k 히트펌프를 가동(Sk; k≤n, k는 자연수)한다.
도 5를 참조하면(n=10), 예를 들어 S100 단계에서 측정된 부하량이 45%이고 잔존하는 부하량이 25%인 경우(k=3), 제1 지열펌프 내지 제3 지열펌프와 제1 히트펌프 내지 제3 히트펌프를 제외한 나머지 히트펌프 및 지열펌프의 가동은 종료된다. 다시 말해, S200 단계에서 가동되던 제4 지열펌프 내지 제5 지열펌프와 제4 히트펌프 내지 제5 히트펌프는 가동이 종료된다.
만약, S100 단계에서 측정된 부하량이 동일하게 45%이고 잔존하는 부하량이 65%인 경우(k=7), S200 단계에서 가동되던 제1 지열펌프 내지 제5 지열펌프와 제1 히트펌프 내지 제5 히트펌프는 지속적으로 가동되면서, 제6 지열펌프 및 제6 히트펌프를 가동하고, 이어서 제7 지열펌프 및 제7 히트펌프를 가동된다.
물론, 상기 S400 단계에서도, 임의의 히트펌프 및 지열펌프를 가동한 후 이어서 다음 히트펌프 및 지열펌프가 가동되기 전에는 딜레이 타임을 설정하여 다수의 히트펌프 및 지열펌프를 동시에 가동될 때 순간적으로 발생하는 과부하를 방지할 수 있다.
이와 같이, 잔존하는 부하량이 0%가 될 때까지 상기 S300 내지 S400 단계가 순차적으로 반복될 수 있다(S500 단계).
이상 살펴본 바와 같이 이 발명에 따른 제어시스템의 제어방법은, ELT, LLT 및 유량 등에 의해 산출된 부하량을 확인하여 이와 일치되도록 히트펌프의 가동대수를 플렉시블하게 제어할 수 있게 된다. 이로써, 임의의 한 지점에 대한 순환수의 온도를 변수로 이용한 종래의 순차제어에 비하여 부하 대응이 신속하게 이루어지고, 공급 온도의 변위량을 최소화하여 결과적으로 거주자의 쾌적성을 극대화시킬 수 있게 된다.
도 6는 이 발명인 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템의 제어방법에 의해 시간에 따른 부하량, 공급온도 및 히트펌프 가동대수의 변화를 나타낸 그래프이다. 이를 참조하면, 부하량의 변동과 거의 일치되도록 히트펌프가 가동되어 공급 온도의 변위량을 ±1.5℃ 이내로 유지할 수 있게 되어, 난방 장치의 경우 실내 공기온도가 갑자기 떨어져 불쾌감을 초래하는 현상을 방지할 수 있다.
또한, 이 발명에 따른 제어시스템의 제어방법은 부하량의 실시간 변화와 거의 일치되는 열량이 발생되도록 능동적으로 히트펌프들을 가동시킴으로써, 적시에 필요량의 히트펌프만 가동되어 과운전으로 인한 히트펌프의 에너지 및 운전비를 절감시키는 이점이 있다.
구체적으로 히트펌프이 과운전으로 인한 히트펌프의 에너지 및 운전비를 적어도 20% 이상 절감시킬 수 있다. 도 6을 참조하면, 히트펌프에 의해 소비되는 전력은 히트펌프 가동대수 그래프의 시간에 대한 적분값(면적의 합)으로 계산할 수 있는데, 그 값을 종래의 제어시스템 제어방법에 의해 소비되는 전력(도 3 참조)과 대비하면 약 20% 이상이 감소된 것에서 이해할 수 있다.
한편, 상기의 제어방법이 이 발명인 제어시스템 상에서 구현되기 위한 제어기로서 PLC를 중심으로 제어판넬로 구성될 수 있으며, 부피를 절감시키기 위하여 제어기를 구성하는 부품인 전원장치, 온도 모듈, A/D 모듈, 디지털 입출력 모듈, 통신모듈, 릴레이, 브레이커 등이 집적된 형태로 별도의 PCB로 제작되어 구현되어질 수 있다.
또한, 상기의 제어방법이 구현되는 제어기에는 원격전송수단이 구비될 수 있으며, 이에 따라 원격으로 정확한 전문 엔지니어에 의한 모니터링이 실현되어 신속한 유지관리가 가능해진다.
이상에서 이 발명에 의한 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템 및 이의 제어방법에 대하여 설명하였다. 이러한 이 발명의 기술적 구성은 이 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 이 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다.
100 : 히트펌프 200 : 지열펌프
220 : 지열측 배관 230 : 지열측 유량센서부
300 : 지중열 교환부 400 : 부하순환펌프
420 : 부하측 배관 500 : 부하량 측정부
510 : 제1 온도센서부 520 : 제2 온도센서부
530 : 유량센서부 L : 냉난방 부하

Claims (6)

  1. 냉매가 순환하면서 지열순환수 및 부하순환수와 각각 열교환되도록 히트펌프(100)가 구비되고, 상기 히트펌프(100)에서 열교환된 지열순환수가 지열측 배관을 따라 순환되도록 지열펌프(200)가 구비되며, 상기 지열측 배관과 연결되면서 상기 지열순환수가 지중으로부터 열전달되도록 옥외 지중에 지중열 교환부(300)가 구비되고, 상기 히트펌프(100)에서 열교환된 부하순환수가 부하측 배관을 따라 순환되도록 부하순환펌프(400)가 구비되는 지열시스템의 제어방법으로서,
    상기 부하순환수의 ELT, LLT, 유량 및 히트펌프 총용량 값에 근거하여 요구되는 부하량을 측정하는 S100 단계;
    측정된 부하량이 0% 초과하고 100/n% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고(S1), 측정된 부하량이 100/n% 초과하고 200/n% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고, 이어서 제2 지열펌프 및 제2 히트펌프를 가동하며(S2), 측정된 부하량이 100(n-1)/n% 초과하고 100% 이하일 때는 제1 지열펌프 및 제1 히트펌프를 가동하고, 이어서 제2 지열펌프 및 제2 히트펌프를 가동하며, 같은 방식으로 나머지 지열펌프 및 히트펌프를 이어서 가동하되, 마지막에는 제n 지열펌프 및 제n 히트펌프를 가동(Sn; n은 3 이상의 자연수)하는 S200 단계;
    상기 S200 단계를 경과한 뒤, 상기 부하측 배관에 설치된 온도센서부(510)(520) 및 유량센서부(530)에 의해 측정되는 부하순환수의 ELT, LLT, 유량 및 히트펌프 총용량 값에 근거하여 잔존하는 부하량을 측정하는 S300 단계; 및
    잔존하는 부하량이 0%인 경우 히트펌프(100) 및 지열펌프(200)의 가동은 종료되고(S0), 잔존하는 부하량이 100(k-1)/n% 초과하고 100k/n% 이하이면서 동시에 S100 단계에서 측정 부하량보다 작거나 같은 경우(k≤n, k는 자연수), 제1 지열펌프 내지 제k 지열펌프와 제1 히트펌프 내지 제k 히트펌프를 제외한 나머지 히트펌프 및 지열펌프의 가동은 종료되고, 잔존하는 부하량이 100(k-1)/n% 초과하고 100k/n% 이하이면서 동시에 S100 단계에서 측정 부하량보다 큰 경우, 같은 방식으로 나머지 지열펌프 및 히트펌프를 이어서 가동하되, 마지막에는 제k 지열펌프 및 제k 히트펌프를 가동(Sk; k≤n, k는 자연수)하는 S400 단계;를 포함하며,
    상기 부하량은 온도센서부(510)(520)에서 측정된 ELT 및 LLT의 차이값과 유량센서부(530)에서 측정된 유량을 곱한 값의 히트펌프 총용량 값에 대한 비율로 결정되고,
    상기 S200 단계와 S400 단계에서, 임의의 히트펌프 및 지열펌프를 가동한 후 이어서 다음 히트펌프 및 지열펌프가 가동되기 전에는 2.5초 내지 3.5초의 딜레이 타임을 두는 것을 특징으로 하는 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    잔존하는 부하량이 0%가 될 때까지 상기 S300 내지 S400 단계가 순차적으로 반복되는 것을 특징으로 하는 부하량에 따른 능동제어 기반의 지열시스템 제어방법.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
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