KR101881851B1 - 지열-수열 복합 냉난방 시스템 및 그 작동 방법 - Google Patents

지열-수열 복합 냉난방 시스템 및 그 작동 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지열-수열 복합 냉난방 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 외부 및 내부 환경에 따라 수열과 지열을 이용하여 부하측의 냉난방을 효율적으로 관리할 수 잇는 지열-수열 복합 냉난방 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.

Description

지열-수열 복합 냉난방 시스템 및 그 작동 방법{GEOTHERMY-HYDROTHERMAL MULTIPLE HEAT PUMP SYSTEM AND METHOD OF OPERATION THEREOF}
본 발명은 지열-수열 복합 냉난방 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 외부 및 내부 환경에 따라 수열과 지열을 이용하여 부하측의 냉난방을 효율적으로 관리할 수 있는 지열-수열 복합 냉난방 시스템 및 그 작동 방법에 관한 것이다.
일반적으로 통상 산업 설비 및 일반시설 내부의 쾌적한 환경을 제공하기 위한 냉난방 시스템은 외부에서 동력을 공급받아 주변의 열을 저온부에서 고온부로 이동시키는 고효율 냉난방 기기가 있다. 이는 공기열, 태양열, 지열, 하수, 오폐수 등 대기상태에서 저온 상태로 존재하는 재생열원을 이용해 온수, 난방 및 냉방 열원을 생성하는 방식이다. 이를 통해, 화석 연료가 아닌 자연 열원을 이용하기 때문에 친환경적일뿐 아니라 에너지 절감 효과도 크다.
여기서, 히트펌프는 동력원에 따라서 전기식(EHP)과 가스식(GHP)으로 구분되며, 히트펌프의 열원으로 공기열, 수열, 지열, 폐열 중 어느 하나를 이용하여 시설 내부의 쾌적한 환경을 제공한다.
그러나, 단일 열원을 이용하는 히트펌프는, 수직 또는 수평 밀폐형 열교환기를 설치 부지가 충분히 확보된 현장에 적용하게 된다. 이때, 도심에 대용량의 밀폐형 열교환기를 설치할 경우 공간 제약이 따르기 때문에 지열 시스템을 활용하지 못하는 일이 발생할 수 있으며, 열교환기 설치 부지가 부족할 경우, 냉난방 시스템은 대상 시설의 일부 냉난방 부하만을 감당하는 문제점이 있다.
이와 같은, 단일 열원을 이용하는 히트펌프로는, 등록특허 10-0930298호를 참조하면, 지열과 히트펌프 사이클을 이용한 냉난방 시스템으로, 압축기, 응축기, 팽창변 및 증발기로 이루어진 히트펌프 사이클과, 난방시 지하수 공급관과 회수관을 히트펌프 사이클의 증발기에 연결하고 냉난방수 공급관과 회수관을 응축기에 연결하고, 냉방시 지하수 공급관과 회수관을 히트펌프 사이클의 응축기에 연결하고 냉난방수 공급관과 회수관을 증발기에 연결하도록 유로를 전환하는 제1,2 유로전환수단과, 냉난방수 회수관과 공급관이 연결되며 냉난방수 회수관을 통해 공급되는 난방수 또는 냉방수와 실내 공기를 열교환하여 실내를 난방 또는 냉방하는 열교환기로 구성된다.
이러한, 등록특허 10-0930298호에 개시된 "지열과 히트펌프 사이클을 이용한 냉난방 시스템"은 단일 열원을 이용함에 따라 동절기에 난방시, 대상 시설의 냉난방 부하가 불균형이 이루어지고, 이에 따라 시간이 경과하면, 지중 온도가 지속적으로 상승(냉방부하>난방부하)하는 현상으로 인해 전체 시스템의 성능 저하가 발생하여 히트펌프 시스템 운영에 있어 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 전술된 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 종래의 "지열과 히트펌프 사이클을 이용한 냉난방 시스템"을 지열-수열 복합 냉난방 시스템으로 대체할 수 있는 기술적 구성 및 원리를 마련하는 것을 기본 과제로 한다.
또한, 수중 및 지중에 설치된 열교환기와 히트펌프 사이에 이방-밸브를 설치함으로써, 지열-수열(분산열원)을 실내외 환경에 따라 냉난방을 위해 가장 유리한 온도로 감지되는 열원에 대한 우선 작동을 개별적으로 실시하여, 불필요한 가동을 최소화할 수 있다.
또한, 지열-수열(분산열원)을 히트펌프에 동시에 제공하여 부하측에 필요한 냉난방을 위한 열전달매체를 효율적으로 혼입하여 제공할 수 있기 때문에 에너지 효율을 최적화시키고, 경제성이 향상된 운영이 가능하도록 하는 것을 또 다른 과제로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 수열 및 지열의 열원을 히트펌프와 연계함으로써, 냉난방 시스템의 효율을 최적화할 수 있는 지열-수열 복합 냉난방 시스템에 있어서, 기계실 내부에 설치되며, 혼입라인과 배출라인을 갖는 히트펌프, 강물 저수지 등의 수중에 설치되며, 제1 유입라인과 제1 유출라인을 갖는 수열원열교환기, 지중에 설치되며, 제2 유입라인과 제2 유출라인을 갖는 지중열교환기, 제1 유입라인과 제2 유입라인은 혼입라인과 연결되며, 제1 유출라인과 제2 유출라인은 배출라인으로 연결되어 열전달매체가 수열원열교환기 및 지중열교환기와 히트펌프 사이를 통해 순환한다.
바람직하게는, 수열 및 지열의 열원을 히트펌프와 연계함으로써 냉난방 시스템의 효율을 최적화할 수 있는 지열-수열 복합 냉난방 시스템의 작동 방법에 있어서, 냉방 또는 난방 시스템을 작동시키는 가동단계; 냉방 및 난방을 위한 외기온도 수집단계; 냉난방 시스템의 압력을 일정하게 유지하는 버퍼탱크 온도 설정 단계; 냉난방 시스템의 열전달매체를 순환시키는 순환펌프 가동단계; 지열 및 수열의 열원을 개별적 또는 동시에 부하측에 전달하는 히트펌프 가동 단계; 냉방 및 난방시 지열과 수열의 온도를 비교하는 비교단계; 냉난방 시스템의 압력 또는 공급을 일정하게 유지하는 버퍼탱크 온도 설정 단계; 히트펌프 가동 중단 단계; 순환펌프 중단 단계; 를 포함한다.
또한, 히트펌프와 수열원열교환기 및 지중열교환기 사이에 설치되어, 제1 유입라인과 제2 유입라인을 혼입라인과 연결시키는 제1 이방-밸브를 포함하며, 히트펌프와 수열원열교환기 및 지중열교환기 사이에 설치되어, 제1 유출라인과 제2 유출라인을 배출라인과 연결시키는 제2 이방-밸브를 포함한다.
또한, 제1 이방-밸브와 수열원열교환기 및 지중열교환기 사이의 제1 유입라인 및 제2 유입라인 상에 설치되는 제1 및 제2 유입밸브를 포함하며, 제1 이방-밸브와 제1 및 제2 유입밸브 사이의 제1 유입라인 및 제2 유입라인 상에 설치되는 제1 및 제2 유량계를 포함한다.
또한, 제1 이방-밸브와 제1 및 제2 유량계 사이의 제1 유입라인 및 제2 유입라인 상에 설치되는 제1 및 제2 유입온도센서를 포함한다.
그리고, 제2 이방-밸브와 수열원열교환기 및 지중열교환기 사이의 제1 유출라인 및 제2 유출라인 상에 설치되는 제1 및 제2 유출밸브를 포함하며, 제2 이방-밸브와 제1 및 제2 유출밸브 사이의 제1 유출라인 및 제2 유출라인 상에 설치되는 제1 및 제2 유출온도센서를 포함한다.
또한, 히트펌프와 제1 이방-밸브를 연결하는 혼입라인 상에 혼입온도센서가 설치되며, 혼입온도센서와 히트펌프 사이의 혼입라인 상에 팽창탱크가 설치되고, 팽창탱크와 히트펌프 사이의 혼입라인 상에 제1 및 제2 열원순환펌프가 병렬로 설치되며, 히트펌프와 제2 이방-밸브를 연결하는 배출라인 상에 배출온도센서가 설치되며, 배출온도센서와 히트펌프 사이의 배출라인 상에 에어벤트가 더 설치된다.
전술한 바와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 지열-수열 복합 냉난방 시스템 및 그 작동 방법은, 지열과 수열을 혼용할 경우 냉난방 시스템 설치의 초기 투자비용이 감소하는 동시에 히트펌프와 수열원열교환기 및 지중열교환기 사이에 혼입 라인 및 배출라인을 연결하는 이방-밸브를 설치함으로써, 실내외 환경에 따라 열교환기의 열원을 개별적 또는 동시에 제어하여 냉난방 시스템의 에너지 효율을 최적화할 수 있다.
또한, 히트펌프와 수열원열교환기 및 지중열교환기 사이에 혼입라인 및 배출라인을 설치함으로써, 지열-수열(분산 열원)의 혼입과 혼출을 가능하게 하여 냉난방 부하의 균형을 최적화할 수 있다.
도 1은, 본 발명에 따른 지열-수열 복합 냉난방 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다.
도 2는, 본 발명에 따른 지열-수열 복합 냉난방 시스템의 작동 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명한다. 도 1은, 본 발명에 따른 지열-수열 복합 냉난방 시스템을 개략적으로 나타내는 구성도이다. 도 2는, 본 발명에 따른 지열-수열 복합 냉난방 시스템의 작동 방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명에 따르는 지열-수열 복합 냉난방 시스템은, 도 1을 참조하면, 히트펌프(100), 수열원열교환기(200), 지중열교환기(300)를 포함하는데, 히트펌프(100)는 기계실 내부에 설치되어 혼입라인(110)과 배출라인(120)을 가지며, 수열원열교환기(200)는 강물, 저수지 등의 수중에 설치되어 제1 유입라인(210)과 제1 유출라인(220)을 가지고, 지중열교환기(300)는 지중에 설치되어 제2 유입라인(310)과 제2 유출라인(320)을 갖는다.
여기서, 제1 유입라인(210)과 제2 유입라인(310)은 혼입라인(110)과 연결되며, 제1 유출라인(220)과 제2 유출라인(320)은 배출라인(120)으로 연결되어 열전달매체가 상술한 라인들(210, 310, 220, 320, 110, 120)을 거쳐 수열원열교환기(200) 및 지중열교환기(300)와 히트펌프(100) 사이를 순환한다.
그리고, 수열원열교환기(200)는, 슬링키형 열교환기를 사용하는데, 이에 제한 없이, 예컨대, 단일-튜브, 평판형, 다관식, 스파이럴, 프레이트 코일 형식 등으로 대체될 수 있다.
또한, 수열원열교환기(200)는, 통상적인 기술자들에 의해 수열원열교환기(200)의 규격과 형식 등을 용이하게 변경할 수 있다는 것을 이해해야만 할 것이다.
여기서, 지중열교환기(300)는, 수직밀폐형 열교환기를 사용하는데, 이에 제한 없이, 예컨대, 스파이럴형, 판형, 수평형, 슬링키형, 판코일 형식 등으로 대체될 수 있다.
또한, 지중열교환기(300)는, 통상적인 기술자들에 의해 지중열교환기(300)의 규격과 형식 등을 용이하게 변경할 수 있다는 것을 이해해야만 할 것이다.
더 나아가, 본 발명은 히트펌프(100)와 수열원열교환기 및 지중열교환기(200, 300) 사이에 설치되어 제1 유입라인(210)과 제2 유입라인(310)을 혼입라인(110)과 연결시키는 제1 이방-밸브(400)가 더 구성된다.
더 상세하게는, 제1 이방-밸브(400)는, 수열원열교환기(200)로부터 연결된 제1 유입라인(210)과 지중열교환기(300)로부터 연결된 제2 유입라인(310)을 통해 유입되는 열전달매체(물과 부동액, 예컨대 알코올, 에틸렌 글리콜, 메탄올 또는 에탄올의 혼합물)를 외기온도에 따라 개별적 또는 동시에 혼입라인(110)으로 유입될 수 있도록 한다.
여기서, 외기온도는 수열원열교환기 및 지중열교환기(200, 300)가 설치된 수중과 지중의 소정의 깊이에 등간격으로 온도센서(미도시)를 배치하여 측정할 수 있는데, 이는 통상적인 기술자들이 이해하는바 상세한 설명은 생략하도록 한다.
더 나아가, 제1 이방-밸브(400)와 수열원열교환기 및 지중열교환기(200, 300) 사이의 제1 유입라인(210) 및 제2 유입라인(310) 상에 제1 및 제2 유입밸브(410, 420)가 설치된다.
더 상세하게는, 제1 및 제2 유입밸브(410, 420)는 제1 유입라인(210)과 제2 유입라인(310) 상에 각각 설치되어 수열원열교환기(200) 및 지중열교환기(300)의 열전달매체가 제1 이방-밸브(400)로 흐를 수 있도록 한다.
더 나아가, 제1 이방-밸브(400)와 제1 및 제2 유입밸브(410, 420) 사이의 제1 유입라인(210) 및 제2 유입라인(310) 상에 제1 및 제2 유량계(430, 440)가 더 설치된다.
더 상세하게는, 제1 및 제2 유량계(430, 440)는 제1 유입라인(210)과 제2 유입라인(310) 상에 각각 설치되어 제1 및 제2 유입밸브(410, 420)를 통과하는 열전달매체의 유량을 측정하여 에너지 효율 및 운전 관리를 가능하게 한다.
더 나아가, 제1 이방-밸브(400)와 유량계(430, 440) 사이에 설치되어, 제1 유입라인(210) 및 제2 유입라인(310) 상에 제1 및 제2 유입온도센서(450, 460)가 설치된다.
더 상세하게는, 제1 및 제2 유입온도센서(450, 460)는 제1 및 제2 유량계(430, 440)를 통해서 유입되는 각각의 열전달매체의 온도를 측정하여 수열원열교환기(200)와 지중열교환기(300)의 열전달매체를 개별유입 또는 동시유입 할 것인지 제1 이방-밸브(400)가 결정하게 한다.
더 나아가, 히트펌프(100)와 제1 이방-밸브(400)를 연결하는 혼입라인(110) 상에 혼입온도센서(470)가 설치되며, 혼입온도센서(470)와 히트펌프(100) 사이의 혼입라인(110) 상에 팽창탱크(600)가 설치되고, 팽창탱크(600)와 히트펌프(100) 사이의 혼입라인(110) 상에 제1 및 제2 열원순환펌프(700, 800)가 병렬로 설치된다.
더 상세하게는, 혼입온도센서(470)는 제1 이방-밸브(400)의 후방에 위치됨으로써, 수열원열교환기(200)와 지중열교환기(300)으로부터 유입 또는 혼입된 열전달매체의 온도를 측정한다.
이후, 팽창탱크(600)는 제1 유입라인(210) 및 제2 유입라인(310)으로부터 혼입라인(110)으로 열전달매체가 유입, 혼입되면, 이때 발생하는 온도차이로 인한 체적의 팽창 또는 수축에 따른 변화량을 흡수하고 월류나 공기의 침입을 방지하는 기능을 한다.
그리고, 제1 및 제2 열원순환펌프(700, 800)는 바이패스 관수로(by-pass pipe line)를 형성하여 병렬로 설치하는데, 이는 순환펌프(700, 800)가 팽창탱크(600)에서 변환된 열전달매체의 온도차이, 압력 또는 체적의 변화(팽창, 수축)에 영향을 받지 않고 열전달매체가 원활히 히트펌프(100)에 공급될 수 있도록 한다.
더 나아가, 히트펌프(100)와 수열원열교환기 및 지중열교환기(200, 300) 사이의 제1 유출라인(220)과 제2 유출라인(320)을 배출라인(120)과 연결시키는 제2 이방-밸브(500)를 포함한다.
더 상세하게는, 제2 이방-밸브(500)는, 제1 이방-밸브(400)로부터 유입된 열전달매체가 히트펌프를 통과하여 부하측(미부호)에 사용된 후에, 다시 배출라인(120)을 통해 외기 온도에 따라 개별적 또는 동시에 제1 유출라인(220)과 제2 유출라인(320)으로 배출될 수 있도록 한다.
더 나아가, 제2 이방-밸브(500)와 수열원열교환기 및 지중열교환기(200, 300) 사이의 제1 유출라인(220) 및 제2 유출라인(320) 상에 제1 및 제2 유출밸브(510, 520)가 설치된다.
더 상세하게는, 제1 및 제2 유출밸브(510, 520)는 수열원열교환기 및 지중열교환기(200, 300)로부터 히트펌프(100)를 통과한 열전달매체가 부하측(미부호)에 사용된 후, 후술되는 배출온도센서(550)의 온도 값과 외기온도를 자동제어반(미부호)을 통해 비교분석하여 제2 이방-밸브(500)를 개별적 또는 동시에 개폐할 것인지 결정하게 한다.
더 나아가, 제2 이방-밸브(500)와 제1 및 제2 유출밸브(510, 520) 사이에 설치되는 한편 제1 유출라인(220)과 제2 유출라인(320) 상에 설치되는 제1 및 제2 유출온도센서(530, 540)를 포함한다.
더 상세하게는, 제1 및 제2 유출온도센서(530, 540)는 제2 이방-밸브(500)를 통해 열전달매체가 개별적 또는 동시에 배출될 때에 제1 및 제2 유출온도센서(530, 540)의 온도 값과 외기온도(수열원열교환기 및 지중열교환기의 온도)를 비교분석하여 배출하기 때문에 분산 열원의 냉난방 시스템의 최적의 에너지 효율을 유지할 수 있다.
더 나아가, 히트펌프(100)와 제2 이방-밸브(500)를 연결하는 배출라인(120) 상에 배출온도센서(550)가 설치되며, 배출온도센서(550)와 히트펌프(100) 사이의 배출라인(120) 상에 에어벤트(560)가 더 설치된다.
더 상세하게는, 배출온도센서(550)는 수열원열교환기 및 지중열교환기(200, 300)로부터 유입, 혼입된 열전달매체가 부하측(미부호)에서 사용된 후에, 배출라인(120)을 통해 지나가는 열전달매체의 온도값을 측정하여 제2 이방-밸브(500)를 개별적 또는 동시에 개폐할 것인지를 결정하게 한다.
그리고, 에어벤트(560)는 히트펌프(100)를 통과한 열전달매체의 과압을 방지하도록 압력을 제거한 후에, 제2 이방-밸브(500)가 수열원열교환기 및 지중열교환기(200, 300)로 개별배출 또는 동시배출을 할 수 있도록 한다.
여기서, 에어벤트(560)는 산업현장에서 통상적으로 이용되는 액체용 또는 증기용 형식으로써, 본 발명에서는 액체용 형식을 이용하지만, 이에 한정 없이 열전달매체에 따라 용이하게 변경이 가능하다.
이하에서, 전술된 구성에 대한 작동방법을 설명하면, 도 4를 참조하여, 냉방 또는 난방 시스템을 작동시키는 가동단계(S100), 냉방 및 난방을 위한 외기온도 수집단계(S200), 냉난방 시스템의 압력을 일정하게 유지하는 버퍼탱크 온도 설정 단계(S300), 냉난방 시스템의 열전달매체를 순환시키는 순환펌프 가동단계(S400), 지열 및 수열의 열원을 개별적 또는 동시에 부하측(미부호)에 전달하는 히트펌프 가동 단계(S500), 냉방 및 난방시 지열과 수열의 온도를 비교하는 비교단계(S600), 냉난방 시스템의 압력 또는 공급을 일정하게 유지하는 버퍼탱크 온도 설정 단계(S700), 히트펌프 가동 중단 단계(S800), 순환펌프 중단 단계(S900)를 포함한다.
가동단계(S100)는, 먼저 자동제어반(미부호)을 통해 냉난방 시스템(S1000)을 작동시킨다. 이후, 외기온도 수집단계(S200)는 난방 또는 냉방시, 난방과 냉방을 위한 설정온도에 따라 외기 온도(수열원열교환기 및 지중열교환기)를 측정하여 지열과 수열의 개별사용 또는 동시사용에 대한 여부를 결정한다.
여기서, 지열과 수열을 개별사용 또는 동시사용 할 때, 일반적으로 수열은 냉방효율이 높고 지열은 난방효율이 높은 한편 냉방부하가 난방부하보다 30 내지 40% 정도 큰 것을 당업자들에 의해 이해되는바, 이를 기준으로 수집단계(S200)의 조건을 아래에서 설명한다.
첫째, 냉난방 시스템(1000)의 설정온도 조건으로 난방시 외기온도 영상 10도 이상, 냉방시 외기온도 영상 20도 이하일 때, 지열 개도를 0%로 하여 폐쇄하고 수열만을 100% 개도하여 사용한다.
둘째, 냉난방 시스템(1000)의 설정온도 조건으로 난방시 외기온도 영상 5도, 냉방시 외기온도 영상 25도일 때, 지열을 25%, 수열을 75% 개도하여 사용한다.
셋째, 냉난방 시스템(1000)의 설정온도 조건으로 난방시 외기온도 영상 0도, 냉방시 외기온도 영상 30도일 때, 지열 50%, 수열 50%를 개도하여 사용한다.
넷째, 냉난방 시스템(S1000)의 설정온도 조건으로 난방시 외기온도 영상 0도 이하, 냉방시 영상 30도 이상일 때, 수열 개도를 0%로 하여 폐쇄하고 지열만을 100% 개도하여 사용한다. 이는, 단일 열원을 이용했을 때, 수열원열교환기 및 지중열교환기(200, 300)의 열손실을 최대한 감소시킴으로써, 냉난방 시스템(1000)의 에너지 효율을 향상시켜 가스식 또는 전기식 동력의 비용을 절감할 수 있다.
여기서, 외기온도는 상술한 수열원열교환기(200) 및 지중열교환기(300)에 설치된 온도센서(미도시)를 통해 측정된 값을 자동제어반(미부호)에서 판단하는 것으로서, 이하 상세한 설명은 생략하도록 한다.
다음에, 버퍼탱크 온도설정 단계(S300)는, 냉난방 시스템(1000)의 난방시 버퍼탱크의 온도가 설정온도보다 크거나 같지 않을 경우, 또는 냉방시 버퍼탱크의 온도가 설정온도보다 작거나 같지 않을 경우 다음 단계로 진행된다. 여기서, 버퍼탱크(미도시)는 부하측(미도시)에 설치된다.
이때, 난방시 버퍼탱크의 온도가 설정온도보다 크거나 같을 경우, 또는 냉방시 버퍼탱크의 온도가 설정온도보다 작거나 같을 경우에는 작동이 중단되어 부하측(미부호)의 온도 조건에 적합한 것으로 간주한다.
다음에, 순환펌프 가동단계(S400)는, 수열원열교환기(200)로부터 유입되는 수열원과 지중열교환기(300)로부터 유입되는 지열원이 개별사용 또는 동시사용되어 혼입라인(110)을 통과할 때에 팽창탱크(600)에서 변환된 열전달매체의 온도차이, 압력 또는 체적의 변화(팽창, 수축)에 영향을 받지 않고 열전달매체가 원활히 히트펌프(100)에 공급된 후에, 다시 수열원열교환기(200) 및 지중열교환기(300)로 개별배출 또는 동시배출이 되도록 한다.
이때, 순환펌프 가동단계(S400)에서, 열전달매체가 원활히 유입 또는 배출되지 않거나, 이 때문에 작동이 멈추게 되면 알람이 작동될 수 있도록 하여, 전체적인 냉난방 시스템(1000)의 오작동 및 고장을 미연에 방지할 수 있도록 한다.
다음에, 순환펌프 가동단계(S400)의 일정시간 후에, 히트펌프 가동단계(S500)는, 지열 및 수열의 열원을 개별적 또는 동시에 부하측(미부호)에 전달한다. 더 상세하게는, 히트펌프 가동단계(S500)는, 난방시 압축기에서 고온, 고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥쪽으로 내뿜는 원리를 반복한다.
이때, 만일 히트펌프(100)가 가동을 중단하게 되면, 알람이 발생할 수 있도록 하여 히트펌프(100)의 상태를 점검할 수 있도록 한다.
또한, 냉방시 위와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 하여 응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환됨으로써 냉방을 하는 대상 지점을 차갑게 만들도록 구성된다.
다음에, 냉방 또는 난방시 지열과 수열의 온도를 비교하는 비교단계(S600)는, 난방시 지열을 수열보다 더 많이 또는 같게 사용하거나 냉방시 수열을 지열보다 더 많이 또는 같게 사용하는데, 이때, 수집단계(S200)의 개도에 따라 지열과 수열의 개도량을 조절한다.
이때, 지열과 수열을 개별사용 또는 동시사용 하는 조건은 상술한 수집단계(S200)의 조건과 같으며, 이하 내용은 생략한다.
다음에, 냉난방 시스템(1000)의 압력 또는 공급을 일정하게 유지하는 버퍼탱크 온도설정 단계(S700)는, 냉난방 시스템(1000)의 가동 중에, 난방시 버퍼탱크의 온도가 설정온도보다 크거나 같지 않을 경우, 또는 냉방시 버퍼탱크의 온도가 설정온도보다 작거나 같지 않은 경우, 부하측(미부호)의 온도 필요조건이 충족되지 않으므로 히트펌프 작동단계(S500)로 돌아가 반복적으로 작동하게 된다.
반면에, 냉난방 시스템(1000)의 가동 중에, 난방시 버퍼탱크의 온도가 설정온도보다 크거나 같은 경우, 또는 냉방시 버퍼탱크의 온도가 설정온도보다 작거나 같은 경우, 부하측(미부호)의 온도 필요조건이 충족되므로 다음단계로 이동한다.
다음에, 히트펌프 가동중단 단계(S800)는, 온도설정 단계(S700)에서 부하측(미부호)의 온도 필요조건이 충족됨에 따라 자동적으로 히트펌프(100)가 중단하게 된다.
다음에, 순환펌프 중단 단계(S900)는, 히트펌프 가동중단 단계(S800)에서 히트펌프(100)가 가동을 중단하게 되면, 일정시간 후에 순환펌프(700, 800)가 중단하게 된다.
이는, 히트펌프 가동중단 단계(S800)와 마찬가지로 부하측(미부호)의 온도 필요조건이 충족됨에 따라 자동적으로 순환펌프(700, 800)가 중단하게 된다.
더불어, 순환펌프 중단 단계(S900)에서, 일정시간 후에 부하측(미부호)의 온도 필요조건에 따라 버퍼탱크 온도설정 단계(S300)로 돌아가 버퍼탱크 온도설정 단계(S300)로부터 순환펌프 중단 단계(S900)까지 반복적으로 작동하게 되어 부하측(미부호)의 온도 필요조건을 지속적으로 충족시킬 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 지열-수열 복합 냉난방 시스템 및 그 작동 방법은, 지열과 수열을 혼용할 경우 냉난방 시스템(1000) 설치의 초기 투자비용이 감소할 뿐만 아니라, 히트펌프(100)와 수열원열교환기(200) 및 지중열교환기(300) 사이에 혼입라인(110) 및 배출라인(120)을 연결하는 제1 및 제2 이방-밸브(400, 500)를 설치함으로써, 실내외 환경에 따라 수열원열교환기 및 지중열교환기(200, 300)의 열원을 개별적 또는 동시에 제어하여 냉난방 시스템(1000)의 에너지 효율을 최적화할 수 있다. 더불어, 히트펌프(100)와 수열원열교환기(200) 및 지중열교환기(300) 사이에 혼입라인(110) 및 배출라인(120)을 설치함으로써, 지열-수열(분산 열원)의 혼입과 혼출을 가능하게 하여 냉난방 부하의 균형을 최적화할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것이고, 명세서에 게시된 실시예는 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경 및 변형이 가능할 것이다. 그러므로 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의해 해석되고, 그와 균등한 범위 내에 있는 기술적 사항도 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000 : 냉난방 시스템 100 : 히트펌프
200 : 수열원열교환기 300 : 지중열교환기
110 : 혼입라인 120 : 배출라인
210 : 제1 유입라인 220 : 제1 유출라인
310 : 제2 유입라인 320 : 제2 유출라인
400 : 제1 이방-밸브 500 : 제2 이방-밸브
410 : 제1 유입밸브 420 : 제2 유입밸브
430 : 제1 유량계 440 : 제2 유량계
450 : 제1 유입온도센서 460 : 제2 유입온도센서
510 : 제1 유출밸브 520 : 제2 유출밸브
530 : 제1 유출온도센서 540 : 제2 유출온도센서
550 : 배출온도센서 560 : 에어벤트
600 : 팽창 탱크 700 : 제1 열원순환펌프
800 : 제2 열원순환펌프
S1000 : 작동 방법 S100 : 가동단계
S200 : 수집단계 S300 : 온도설정 단계
S400 : 순환펌프 가동단계 S500 : 히트펌프 가동단계
S600 : 비교단계 S700 : 온도설정 단계
S800 : 히트펌프 가동 중단단계 S900 : 순환펌프 중단 단계

Claims (15)

  1. 수열 및 지열의 열원을 히트펌프와 연계함으로써 냉난방 시스템의 효율을 최적화할 수 있는 지열-수열 복합 냉난방 시스템에 있어서,
    기계실 내부에 설치되며, 혼입라인과 배출라인을 갖는 히트펌프;
    강물, 저수지 등의 수중에 설치되며, 제1 유입라인과 제1 유출라인을 갖는 수평형 구조의 수열원열교환기; 및
    지중에 설치되며, 제2 유입라인과 제2 유출라인을 갖는 지중열교환기를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 유입라인은 상기 혼입라인과 연결되고, 상기 제1 및 제2 유출라인은 상기 배출라인으로 연결되어, 열전달매체가 히트펌프와, 수열원열교환기 및 지중열교환기 사이를 통해 순환하며,
    상기 제1 유입라인에는 제1 유입밸브와, 제1 유량계, 및 제1 유입온도센서가 상기 히트펌프를 향해 순차적으로 설치되고, 상기 제2 유입라인에는 제2 유입밸브와, 제2 유량계, 및 제2 유입온도센서가 상기 히트펌프를 향해 순차적으로 설치되며,
    상기 제1 및 제2 유량계와 제1 및 제2 유입온도센서에 의해, 제1 및 제2 유입라인을 통해 유입되는 열전달매체의 유량과 온도를 측정하고 열원의 양을 계산함에 따라, 제1 및 제2 유입밸브를 선택적으로 개방 또는 폐쇄함으로써, 외기온도에 따라 열전달매체를 개별적 또는 동시에 혼입라인으로 유입하는 것을 특징으로 하는 지열-수열 복합 냉난방 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트펌프와 수열원열교환기 및 지중열교환기 사이에 설치되어, 제1 유입라인과 제2 유입라인을 혼입라인과 연결시키는 제1 이방-밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열-수열 복합 냉난방 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트펌프와 수열원열교환기 및 지중열교환기 사이의 제1 유출라인과 제2 유출라인을 배출라인과 연결시키는 제2 이방-밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열-수열 복합 냉난방 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 제2 이방-밸브와 수열원열교환기 및 지중열교환기 사이의 제1 유출라인 및 제2 유출라인 상에 설치되는 제1 및 제2 유출밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열-수열 복합 냉난방 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2 이방-밸브와 제1 및 제2 유출밸브 사이의 제1 유출라인 및 제2 유출라인 상에 설치되는 제1 및 제2 유출온도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열-수열 복합 냉난방 시스템.
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 히트펌프와 제1 이방-밸브를 연결하는 혼입라인 상에 혼입온도센서가 설치되며, 상기 혼입온도센서와 히트펌프 사이의 혼입라인 상에 팽창탱크가 설치되고, 상기 팽창탱크와 히트펌프 사이의 혼입라인 상에 제1 및 제2 열원순환펌프가 병렬로 설치되는 것을 특징으로 하는 지열-수열 복합 냉난방 시스템.
  10. 제 3 항에 있어서,
    상기 히트펌프와 제2 이방-밸브를 연결하는 배출라인 상에 배출온도센서가 설치되며, 상기 배출온도센서와 히트펌프 사이의 배출라인 상에 에어벤트가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 지열-수열 복합 냉난방 시스템.
  11. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 지열-수열 복합 냉난방 시스템을 사용하여, 수열 및 지열의 열원을 히트펌프와 연계함으로써 냉난방 시스템의 효율을 최적화할 수 있는 분산 열원을 이용한 냉난방 시스템의 작동 방법에 있어서,
    냉방 또는 난방 시스템을 작동시키는 가동단계;
    냉방 및 난방을 위한 외기온도 수집단계;
    냉난방 시스템의 압력을 일정하게 유지하는 버퍼탱크 온도 설정 단계;
    냉난방 시스템의 열전달매체를 순환시키는 순환펌프 가동단계;
    지열 및 수열의 열원을 개별적 또는 동시에 부하측에 전달하는 히트펌프 가동 단계;
    냉방 및 난방시 지열과 수열의 온도를 비교하는 비교단계;
    냉난방 시스템의 압력 또는 공급을 일정하게 유지하는 버퍼탱크 온도 설정 단계;
    히트펌프 가동 중단 단계;
    순환펌프 중단 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템의 작동 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 수집단계는, 냉난방 시스템의 설정온도 조건으로 난방시 외기온도 영상 10도 이상, 냉방시 외기온도 25도 이하일 때, 지열 개도를 0%로 하고 수열만을 100% 개도하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템의 작동 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 수집단계는, 냉난방 시스템의 설정온도 조건으로 난방시 외기온도 영상 5도, 냉방시 외기온도 영상 25도일 때, 지열을 25%, 수열을 75% 개도하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템의 작동 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 수집단계는, 냉난방 시스템의 설정온도 조건으로 난방시 외기온도 영상 0도, 냉방시 외기온도 영상 30도일 때, 지열 50%, 수열 50%를 개도하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템의 작동 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 수집단계는, 냉난방 시스템의 설정온도 조건으로 난방시 외기 온도 영상 0도 이하, 냉방시 영상 30도 이상일 때, 수열 개도를 0%로 하고 지열만을 100% 개도하는 것을 특징으로 하는 냉난방 시스템의 작동 방법.
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