KR101926642B1 - 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량과 효율의 계산 방법 - Google Patents

지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량과 효율의 계산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 히트펌프를 온시킨 시점부터 히트펌프를 오프시킨 시점까지 생산 열량을 계산함으로써, 보다 신속하게 정확하게 생산 열량을 계산할 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명은, 히트펌프를 오프시킨 후 상기 히트펌프로 유입되는 제1유체의 유입온도와 상기 히트펌프로부터 토출되는 제1유체의 토출온도의 차이를 고려하여 생산 열량의 적산을 중지함으로써, 상기 히트펌프를 오프시킨 후 생산 열량까지 고려하여 보다 정확한 생산 열량을 계산할 수 있다. 또한, 본 발명은, 히트펌프로 유입되는 제1유체의 온도에 따라 제1유체 중 일부를 히트펌프를 바이패스시킴으로써, 제1유체의 유입온도를 일정하게 유지하면서 생산 열량을 측정할 수 있으므로, 보다 신속하게 정확하게 생산 열량을 계산할 수 있는 이점이 있다.

Description

지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량과 효율의 계산 방법{Method for calculation of heating value and efficiency of heat pump system using geothermal heat energy}
본 발명은 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량과 효율의 계산 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 생산 열량과 효율을 보다 정확하게 계산할 수 있는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량과 효율의 계산 방법에 관한 것이다.
일반적으로 히트 펌프는 대기중에서 열을 얻거나 배출하는 공기열원방식, 냉각탑을 통해 열을 배출하는 수열원방식, 지중에서 열을 얻거나 지중으로 열을 배출하는 지열원 방식 등이 있다.
지중의 온도는 일정 깊이 이상의 경우 거의 일정하게 유지될 수 있으므로, 지열원 방식의 경우, 공기열원방식에 비해 에너지 효율이 높은 이점이 있다. 여름철 냉방의 경우, 공기열원 방식은 대기중의 온도가 30℃이상으로 매우 높은 상태이기 때문에 냉방열을 배출하기 위해 많은 전력이 소모되나, 지열원 방식은 지중의 온도가 10 내지 20℃로서 대기 중의 온도보다 매우 낮기 때문에 냉방열을 배출하는 것이 용이하여 효율이 높다. 겨울철 난방의 경우, 공기열원 방식은 대기중의 온도가 매우 낮기 때문에 난방에 필요한 열을 공급하기 어려운 반면, 지열원 방식은 지중의 온도가 10 내지 20℃로서 대기 중의 온도보다 높기 때문에 안정적으로 난방열을 히트펌프에 공급할 수 있다.
한편, 지열을 이용하는 히트펌프의 경우, 지열을 보다 효율적으로 이용하기 위해서는 냉,난방시 사용되는 지열 에너지를 보다 정확하게 측정하는 것이 필요하다.
한국등록특허 10-0496895
본 발명의 목적은, 생산 열량과 효율을 보다 정확하게 계산할 수 있는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량과 효율의 계산 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량 및 효율을 계산하는 방법은, 지중 열교환기로부터 열원을 제공받고 열수요처로 열원을 제공하는 히트펌프와, 상기 히트펌프와 상기 열수요처를 순환하는 제1유체를 펌핑하는 펌프를 포함하는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 펌프를 온시킨 후, 제1설정 시간이 지나면 상기 히트펌프를 온시키는 단계와; 상기 히트펌프를 온시킨 시점부터 상기 히트펌프로 유입되는 제1유체의 유입온도, 상기 히트펌프로부터 토출되는 상기 제1유체의 토출온도 및 상기 제1유체의 유량을 측정하여, 상기 히트펌프의 생산 열량을 실시간으로 계산하고 적산하는 단계와; 상기 히트펌프를 오프시키면, 상기 히트펌프의 생산 열량의 적산을 중지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 측면에 따른 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량 및 효율을 계산하는 방법은, 지중 열교환기로부터 열원을 제공받고 열수요처로 열원을 제공하는 히트펌프와, 상기 히트펌프와 상기 열수요처를 순환하는 유체를 펌핑하는 펌프를 포함하는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템에 있어서, 상기 펌프를 온시킨 후, 제1설정 시간이 지나면 상기 히트펌프를 온시키는 단계와; 상기 히트펌프를 온시킨 시점부터 상기 히트펌프로 유입되는 상기 제1유체의 유입온도, 상기 히트펌프로부터 토출되는 상기 제1유체의 토출온도 및 상기 제1유체의 유량을 측정하여, 상기 히트펌프의 생산 열량을 실시간으로 계산하고 적산하는 단계와; 상기 히트펌프를 오프시킨 후 상기 제1유체의 유입온도와 토출온도의 차가 미리 설정된 설정온도 미만이면, 상기 히트펌프의 생산 열량의 적산을 중지하는 단계를 포함한다.
본 발명은, 히트펌프를 온시킨 시점부터 히트펌프를 오프시킨 시점까지 생산 열량을 계산함으로써, 보다 신속하게 정확하게 생산 열량을 계산할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명은, 히트펌프를 오프시킨 후 상기 히트펌프로 유입되는 제1유체의 유입온도와 상기 히트펌프로부터 토출되는 제1유체의 토출온도의 차이를 고려하여 생산 열량의 적산을 중지함으로써, 상기 히트펌프를 오프시킨 후 생산 열량까지 고려하여 보다 정확한 생산 열량을 계산할 수 있다.
또한, 본 발명은, 히트펌프로 유입되는 제1유체의 온도에 따라 제1유체 중 일부를 히트펌프를 바이패스시킴으로써, 제1유체의 유입온도를 일정하게 유지하면서 생산 열량을 측정할 수 있으므로, 보다 신속하게 정확하게 생산 열량을 계산할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 시간에 따른 제1유체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 시간에 따른 생산 열량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 난방 운전시 시간에 따른 제1유체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 난방 운전시 시간에 따른 생산 열량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 시간에 따른 제1유체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 시간에 따른 생산 열량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 난방 운전시 시간에 따른 제1유체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 난방 운전시 시간에 따른 생산 열량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 개략적인 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템은, 지중 열교환기(10)로부터 열원을 제공받고 열수요처(40)로 열원을 제공하는 히트펌프(20)와, 상기 히트펌프(20)와 상기 열수요처(40)를 순환하는 제1유체를 펌핑하는 펌프(30)를 포함한다.
상기 지중 열교환기(10)는, 지중에 매설된 열교환기다. 상기 지중 열교환기(10)와 상기 히트펌프(20)는 제2유체가 순환하는 제2유로(11)로 연결된다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 제2유체는 브라인인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 제2유로(11)에는 상기 브라인의 유량을 측정하는 제2유량계(12)가 설치될 수 있다.
상기 히트펌프(20)는, 상기 지중 열교환기(10)로부터 열원을 제공받고 상기 열수요처(40)로 열원을 제공한다.
상기 히트펌프(20)는, 압축기(미도시), 실내 열교환기(미도시), 실외 열교환기(미도시) 및 팽창장치(미도시)로 구성되어, 제3유체가 상기 압축기, 실내 열교환기, 실외 열교환기 및 팽창장치를 차례로 순환한다. 상기 제3유체는 상기 제1유체와 다른 냉매인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 히트펌프(20)의 일측과 상기 지중 열교환기(10)는 상기 제2유로(11)로 연결된다. 여기서, 상기 히트펌프(20)의 일측은 상기 실외 열교환기(미도시)에 해당한다.
상기 히트펌프(20)의 타측과 상기 열수요처(40)는 상기 제1유로(21)(22)로 연결된다. 여기서, 상기 히트펌프(20)의 타측은 상기 실내 열교환기(미도시)에 해당한다.
상기 제1유로(21)(22)는, 상기 열수요처(40)로부터 나온 상기 제1유체를 상기 히트펌프(20)로 유입되도록 형성된 유입유로(21)와, 상기 히트펌프(20)에서 열교환된 제1유체를 토출하도록 형성된 토출유로(22)를 포함한다.
상기 유입유로(21)에는 상기 히트펌프(20)로 유입되는 제1유체의 유량을 측정하는 제1유량계(23)가 설치된다. 상기 유입유로(21)에는 상기 히트펌프(20)로 유입되는 제1유체의 온도를 측정하는 유입 온도센서(51)가 설치된다.
상기 토출유로(22)에는 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체를 펌핑하는 상기 펌프(30)가 설치된다. 상기 토출유로(22)에는 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 온도를 측정하는 토출 온도센서(52)가 설치된다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 지열을 이용한 히트펌프시스템의 작동을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 히트펌프(20)의 냉방 운전시에 대해 설명한다.
사용자의 조작에 의해 냉방 운전모드가 선택되면, 제어부(미도시)는 상기 펌프(30)를 온시킨다.
상기 펌프(30)를 온시킨 후 미리 설정된 제1설정시간(ΔT1)이 지나면, 상기 히트펌프(20)를 온시킨다. 즉, 상기 제어부는, 상기 펌프(30)와 상기 히트펌프(20)를 동시에 온시키지 않는다.
상기 히트펌프(20)의 냉방 운전시, 상기 실내 열교환기(미도시)는 증발기 역할을 수행하고, 상기 실외 열교환기(미도시)는 응축기 역할을 하게 된다.
상기 유입유로(21)를 통해 상기 히트펌프(20)로 유입된 제1유체는, 상기 히트펌프(20)에서 열교환을 통해 냉각된 후, 상기 토출유로(22)를 통해 상기 열수요처(40)로 토출된다. 따라서, 상기 열수요처(40)에 냉기를 제공할 수 있다.
상기 제2유로(11)를 통해 상기 히트펌프(20)로 유입된 브라인은, 상기 히트펌프(20)에서 열교환을 통해 가열된 후, 상기 지중 열교환기(10)로 토출된다.
상기 지중 열교환기(10)에서는 상기 브라인이 지중으로 열을 방출하게 된다.
이후, 사용자의 조작에 의해 냉방 운전모드의 중지가 선택되면, 상기 제어부는 상기 히트펌프(20)를 오프시킨다.
상기 히트펌프(20)를 오프시킨 후 미리 설정된 제2설정시간(ΔT2)이 지나면, 상기 펌프(20)를 오프시킨다. 즉, 상기 제어부는, 상기 히트펌프(20)와 상기 펌프(30)를 동시에 오프시키지 않는다. 상기 히트펌프(20)를 오프시킨 후에도 상기 유입유로(21)나 상기 토출유로(22)상에 제1유체가 남아있기 때문에, 잔류된 제1유체를 모두 빼내기 위해서 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안 상기 펌프(30)를 더 작동시켜야 한다. 상기 유입유로(21)나 상기 토출유로(22)상에 상기 제1유체가 남게 되면, 추후 상기 제1유체가 얼게 되어 유로나 상기 히트펌프(20)의 손상이 발생할 수 있다.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 시간에 따른 제1유체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 2를 참조하면, 상기 펌프(30)가 온되는 시점(T1)과 상기 히트펌프(20)가 온되는 시점(T2)은 상기 제1설정시간(ΔT1)만큼 시간차가 있다. 상기 제1설정시간(ΔT1)은 2분 내지 3분인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 펌프(30)만이 온된 이후 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안, 상기 히트펌프(20)로 유입되는 제1유체의 유입온도(tin)는 거의 일정하나, 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 서서히 감소하는 것을 알 수 있다.
이후, 상기 히트펌프(20)가 온되는 시점(T2)부터 오프되는 시점(T3)까지 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 소정의 온도까지 감소한 후 일정한 온도를 유지한다.
또한, 상기 히트펌프(20)가 오프되는 시점(T3)과 상기 펌프(30)가 오프되는 시점(T4)은 상기 제2설정시간(ΔT2)만큼 시간차가 있다. 상기 제2설정시간(ΔT2)은 2분 내지 3분인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1,2설정시간은 실험 등에 의해 미리 설정될 수 있다.
상기 히트펌프(20)가 오프된 이후 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안, 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 점차 증가하다가 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 비슷한 상태를 유지하고, 상기 제1유체의 유입온도(tin)는 거의 일정한 상태를 유지한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 시간에 따른 생산 열량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3을 참조하면, 상기 펌프(30)만이 온된 이후 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안, 상기 히트펌프(20)의 생산 열량(Q)은 서서히 증가하나 0보다 낮은 값인 것을 알 수 있다. 즉, 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안은 상기 히트펌프(20)가 구동되지 않기 때문에, 상기 생산 열량(Q)은 마이너스 값이다. 도 3에서 Q0은 상기 펌프(30)를 온시킨 시점의 열량을 나타내고, Q1은 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점의 열량을 나타낸다.
상기 제1설정시간(ΔT1)이 경과하여 상기 히트펌프(20)가 구동되면, 상기 히트펌프(20)에서 상기 제1유체가 열교환되어 냉각되므로 상기 제1유체의 토출온도(tout)가 낮아진다. 따라서, 상기 생산 열량(Q)은 일정값 이상으로 상승하는 것을 알 수 있다.
상기 히트펌프(20)가 오프된 이후 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안, 상기 히트펌프(20)의 생산 열량(Q)은 점차 감소하다가 일정값을 유지한다. 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안은 상기 히트펌프(20)가 구동되지 않으나 상기 펌프(30)는 구동되는 상태이기 때문에, 상기 생산 열량(Q)은 점차 감소한다.
상기 제2설정시간(ΔT2)이 경과하여 상기 펌프(30)까지 오프되면, 상기 생산 열량(Q)은 0이 된다.
따라서, 상기 히트펌프(20)의 냉방 운전시, 상기 히트펌프(20)의 생산 열량을 계산하는 방법은 다음과 같다.
생산 열량(Qreal)의 측정시간(ΔTreal)은, 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점(T2)부터 상기 히트펌프(20)를 오프시키는 시점(T3)까지로 설정된다. 상기 측정시간(ΔTreal)동안 상기 생산 열량(Qreal)을 측정하여 적산한다.
즉, 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점(T2)부터 상기 생산 열량을 측정하여 적산하고, 상기 히트펌프(20)를 오프시키면 상기 생산 열량의 적산을 중지한다. 상기 생산 열량의 측정은, 상기 펌프(30)의 작동시간과는 무관하다.
상기 측정시간(ΔTreal)동안 상기 생산 열량(Qreal)을 구하는 식은 수학식 1과 같다. 수학식 1에서
Figure 112018092137296-pat00001
는 상기 제1유량계(23)에서 측정한 유량이고, Δt는 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이를 나타내고, Cp는 제1유체의 정압비열을 나타낸다.
Figure 112016126051466-pat00002
상기 생산열량(Qreal)을 계산하면, 상기 지중 열교환기(10)의 생산 열량도 알 수 있다.
상기와 같이, 본 실시예에서는, 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점(T2)부터 상기 히트펌프(20)를 오프시키는 시점(T3)까지의 측정시간(ΔTreal)동안만 상기 생산 열량(Qreal)을 측정하여 적산하기 때문에, 보다 정확한 생산 열량을 측정할 수 있다. 즉, 상기 측정시간(ΔTreal)이외에 상기 제1설정시간(ΔT1)이나 상기 제2설정시간(ΔT2)동안에는 상기 생산 열량의 크기가 매우 작고, 실제 열교환에 따른 생산 열량에 영향이 매우 작기 때문에 무시할 수 있다. 따라서, 보다 신속하고 정확하게 생산 열량을 측정할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프 시스템의 효율(η)을 구하는 방법은 다음과 같다.
상기 펌프(30)를 온시킨 시점(T1)부터 상기 펌프(30)를 오프시키는 시점(T4)까지 소모된 동력(P)을 계산한다. 상기 동력(P)은, 상기 펌프(30)와 상기 히트펌프(20)를 구동하는데 소모된 동력을 포함한다.
상기에서 계산된 생산 열량(Qreal)을 상기 동력(P)으로 나누면, 상기 히트펌프 시스템의 효율(η)을 알 수 있다.
수학식 2는 상기 히트펌프 시스템의 효율(η)을 나타낸 식이다.
Figure 112016126051466-pat00003
한편, 상기 히트펌프(30)의 난방 운전시에 대해 설명한다.
사용자의 조작에 의해 난방 운전모드가 선택되면, 제어부(미도시)는 상기 펌프(30)를 온시킨다.
상기 펌프(30)를 온시킨 후 미리 설정된 제1설정시간(ΔT1)이 지나면, 상기 히트펌프(20)를 온시킨다. 즉, 상기 제어부는, 상기 펌프(30)와 상기 히트펌프(20)를 동시에 온시키지 않는다.
상기 히트펌프(20)의 난방 운전시, 상기 실내 열교환기(미도시)는 응축기 역할을 수행하고, 상기 실외 열교환기(미도시)는 증발기 역할을 하게 된다.
상기 유입유로(21)를 통해 상기 히트펌프(20)로 유입된 제1유체는, 상기 히트펌프(20)에서 열교환을 통해 가열된 후, 상기 토출유로(22)를 통해 상기 열수요처(40)로 토출된다. 따라서, 상기 열수요처(40)에 열기를 제공할 수 있다.
상기 제2유로(11)를 통해 상기 히트펌프(20)로 유입된 브라인은, 상기 히트펌프(20)에서 열교환을 통해 냉각된 후, 상기 지중 열교환기(10)로 토출된다.
상기 지중 열교환기(10)에서는 상기 브라인이 지중으로부터 열을 흡수한다.
이후, 사용자의 조작에 의해 난방 운전모드의 중지가 선택되면, 상기 제어부는 상기 히트펌프(20)를 오프시킨다.
상기 히트펌프(20)를 오프시킨 후 미리 설정된 제2설정시간(ΔT2)이 지나면, 상기 펌프(20)를 오프시킨다. 즉, 상기 제어부는, 상기 히트펌프(20)와 상기 펌프(30)를 동시에 오프시키지 않는다. 상기 히트펌프(20)를 오프시킨 후에도 상기 유입유로(21)나 상기 토출유로(22)상에 제1유체가 남아있기 때문에, 잔류된 제1유체를 모두 빼내기 위해서 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안 상기 펌프(30)를 더 작동시켜야 한다.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 난방 운전시 시간에 따른 제1유체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 상기 펌프(30)가 온되는 시점(T1)과 상기 히트펌프(20)가 온되는 시점(T2)은 상기 제1설정시간(ΔT1)만큼 시간차가 있다. 상기 제1설정시간(ΔT1)은 2분 내지 3분인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 펌프(30)만이 온된 이후 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안, 상기 히트펌프(20)로 유입되는 제1유체의 유입온도(tin)는 거의 일정하나, 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 서서히 증가하는 것을 알 수 있다.
이후, 상기 히트펌프(20)가 온되는 시점(T2)부터 오프되는 시점(T3)까지 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 소정의 온도까지 증가한 후 일정한 온도를 유지한다.
또한, 상기 히트펌프(20)가 오프되는 시점(T3)과 상기 펌프(30)가 오프되는 시점(T4)은 상기 제2설정시간(ΔT2)만큼 시간차가 있다. 상기 제2설정시간(ΔT2)은 2분 내지 3분인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1,2설정시간은 실험 등에 의해 미리 설정될 수 있다.
상기 히트펌프(20)가 오프된 이후 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안, 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 점차 감소하다가 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 비슷해지고, 상기 제1유체의 유입온도(tin)는 거의 일정한 상태를 유지한다.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 난방 운전시 시간에 따른 생산 열량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 상기 펌프(30)만이 온된 이후 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안, 상기 히트펌프(20)의 생산 열량(Q)은 서서히 증가하나 0보다 낮은 값인 것을 알 수 있다. 즉, 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안은 상기 히트펌프(20)가 구동되지 않기 때문에, 상기 생산 열량(Q)은 마이너스 값이다.
상기 제1설정시간(ΔT1)이 경과하여 상기 히트펌프(20)가 구동되면, 상기 히트펌프(20)에서 상기 제1유체가 열교환되어 가열되므로 상기 제1유체의 토출온도(tout)가 점차 증가한다. 따라서 상기 생산 열량(Q)은 일정값 이상으로 상승하는 것을 알 수 있다.
상기 히트펌프(20)가 오프된 이후 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안, 상기 히트펌프(20)의 생산 열량(Q)은 점차 감소하다가 일정값을 유지한다. 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안은 상기 히트펌프(20)가 구동되지 않으나 상기 펌프(30)는 구동되는 상태이기 때문에, 상기 생산 열량(Q)은 점차 감소한다.
상기 제2설정시간(ΔT2)이 경과하여 상기 펌프(30)까지 오프되면, 상기 생산 열량(Q)은 0이 된다.
따라서, 상기 히트펌프(20)의 난방 운전시, 상기 히트펌프(20)의 생산 열량을 계산하는 방법은 다음과 같다.
본 실시예에서는, 냉방 운전시와 마찬가지로 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점(T2)부터 상기 히트펌프(20)를 오프시키는 시점(T3)까지를 생산 열량(Qreal)의 측정시간(ΔTreal)으로 설정하고, 상기 측정시간(ΔTreal)동안 상기 생산 열량(Qreal)을 측정하여 적산한다.
즉, 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점(T2)부터 상기 생산 열량을 측정하여 적산하고, 상기 히트펌프(20)를 오프시키면 상기 생산 열량의 적산을 중지한다.
상기 측정시간(ΔTreal)동안 상기 생산 열량(Qreal)을 구하는 식은 수학식 1과 같다. 수학식 1에서 난방운전시 Δt는 상기 제1유체의 토출온도(tout)에서 유입온도(tin)를 뺀 값이다.
상기와 같이, 본 실시예에서는, 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점(T2)부터 상기 히트펌프(20)를 오프시키는 시점(T3)까지의 측정시간(ΔTreal)동안만 상기 생산 열량(Qreal)을 측정하여 적산하기 때문에, 보다 정확한 생산 열량을 측정할 수 있다. 즉, 상기 측정시간(ΔTreal)이외에 상기 제1설정시간(ΔT1)이나 상기 제2설정시간(ΔT2)동안에는 상기 생산 열량의 크기가 매우 작고, 실제 열교환에 따른 생산 열량에 영향이 매우 작기 때문에 무시할 수 있다. 따라서, 보다 신속하고 정확하게 생산 열량을 측정할 수 있다.
또한, 난방 운전시 상기 히트펌프 시스템의 효율(η)을 구하는 방법은 냉방 운전시와 동일하다.
즉, 상기 펌프(30)를 온시킨 시점(T1)부터 상기 펌프(30)를 오프시키는 시점(T4)까지 소모된 동력(P)을 계산한다. 상기 동력(P)은, 상기 펌프(30)와 상기 히트펌프(20)를 구동하는데 소모된 동력을 포함한다.
수학식 2를 참조하면, 상기에서 계산된 생산 열량(Qreal)을 상기 동력(P)으로 나누면, 상기 히트펌프 시스템의 효율(η)을 알 수 있다.
한편, 본 발명의 제2실시예에 따른 히트펌프 시스템의 생산 열량(Q') 및 효율을 계산하는 방법은, 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점부터 생산 열량(Q')을 실시간으로 계산하여 적산하되, 상기 생산 열량(Q')의 측정시간(ΔT'real)은 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점부터(T2)부터 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 미리 설정된 설정온도(Δtmin)이상인 시점(T5)까지로 설정하는 것이 상기 제1실시예와 상이하므로, 상이한 점을 중심으로 상세히 설명한다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 시간에 따른 제1유체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 상기 펌프(30)가 온되는 시점(T1)과 상기 히트펌프(20)가 온되는 시점(T2)은 상기 제1설정시간(ΔT1)만큼 시간차가 있다. 상기 제1설정시간(ΔT1)은 2분 내지 3분인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 펌프(30)만이 온된 이후 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안, 상기 히트펌프(20)로 유입되는 제1유체의 유입온도(tin)는 거의 일정하나, 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 서서히 감소하는 것을 알 수 있다.
이후, 상기 히트펌프(20)가 온되는 시점(T2)부터 오프되는 시점(T3)까지 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 소정의 온도까지 감소한 후 일정한 온도를 유지한다.
또한, 상기 히트펌프(20)가 오프되는 시점(T3)과 상기 펌프(30)가 오프되는 시점(T4)은 상기 제2설정시간(ΔT2)만큼 시간차가 있다. 상기 제2설정시간(ΔT2)은 2분 내지 3분인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1,2설정시간은 실험 등에 의해 미리 설정될 수 있다.
상기 히트펌프(20)가 오프된 이후 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안, 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 점차 증가하다가 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 비슷한 상태를 유지하고, 상기 제1유체의 유입온도(tin)는 거의 일정한 상태를 유지한다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 냉방 운전시 시간에 따른 생산 열량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 7을 참조하면, 상기 펌프(30)만이 온된 이후 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안, 상기 히트펌프(20)의 생산 열량(Q')는 서서히 증가하나 0보다 낮은 값인 것을 알 수 있다. 즉, 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안은 상기 히트펌프(20)가 구동되지 않기 때문에, 상기 생산 열량(Q')는 마이너스 값이다.
상기 제1설정시간(ΔT1)이 경과하여 상기 히트펌프(20)가 구동되면, 상기 히트펌프(20)에서 상기 제1유체가 열교환되어 냉각되므로 상기 제1유체의 토출온도(tout)가 낮아진다. 따라서, 상기 생산 열량(Q')은 일정값 이상으로 상승하는 것을 알 수 있다.
상기 히트펌프(20)가 오프된 이후 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안, 상기 히트펌프(20)의 생산 열량(Q')는 점차 감소하다가 일정값을 유지한다. 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안은 상기 히트펌프(20)가 구동되지 않으나 상기 펌프(30)는 구동되는 상태이기 때문에, 상기 생산 열량(Q')는 점차 감소한다.
상기 제2설정시간(ΔT2)이 경과하여 상기 펌프(30)까지 오프되면, 상기 생산 열량(Q')는 0이 된다.
따라서, 냉방 운전시, 본 발명의 제2실시예에 따른 상기 히트펌프(20)의 생산 열량(Q')을 계산하는 방법은 다음과 같다.
상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점(T2)부터 상기 생산 열량(Q')을 측정하여 적산한다.
상기 히트펌프(20)를 오프시키면, 시간이 갈수록 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 점차 줄어들게 된다.
따라서, 상기 히트펌프(20)를 오프시킨 이후, 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 미리 설정된 설정온도(Δtmin)이상인 시점(T5)까지 상기 생산 열량(Q')을 측정하여 적산한다.
즉, 상기 생산 열량(Q')의 측정시간(ΔT'real)은, 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점부터(T2)부터 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 미리 설정된 설정온도(Δtmin)이상인 시점(T5)까지로 설정된다.
상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 미리 설정된 설정온도(Δtmin)미만이면, 생산열량의 적산을 중지한다. 여기서, 상기 설정온도(Δtmin)는 약 5도인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 히트펌프(20)를 오프시킨 이후에 상기 제1유체의 토출온도(tout)는 점차 감소하며, 상기 생산 열량(Q')도 감소하나 소정의 값 이상을 갖기 때문에, 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 상기 설정온도(Δtmin)일 때까지는 상기 생산 열량(Q')을 인정한다.
한편, 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 상기 설정온도(Δtmin)미만이면, 상기 생산 열량(Q')이 매우 작다고 판단하여 무시할 수 있다.
따라서, 상기 생산 열량(Q')을 계산하여 적산하는 시간을 상기 히트펌프(20)가 온되는 시점(T2)부터 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 미리 설정된 설정온도(Δtmin)이상인 시점(T5)까지로 설정함으로써, 생산 열량(Q')을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 난방 운전시 시간에 따른 제1유체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.
도 8을 참조하면, 상기 펌프(30)가 온되는 시점(T1)과 상기 히트펌프(20)가 온되는 시점(T2)은 상기 제1설정시간(ΔT1)만큼 시간차가 있다. 상기 제1설정시간(ΔT1)은 2분 내지 3분인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 펌프(30)만이 온된 이후 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안, 상기 히트펌프(20)로 유입되는 제1유체의 유입온도(tin)는 거의 일정하나, 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 서서히 증가하는 것을 알 수 있다.
이후, 상기 히트펌프(20)가 온되는 시점(T2)부터 오프되는 시점(T3)까지 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 소정의 온도까지 증가한 후 일정한 온도를 유지한다.
또한, 상기 히트펌프(20)가 오프되는 시점(T3)과 상기 펌프(30)가 오프되는 시점(T4)은 상기 제2설정시간(ΔT2)만큼 시간차가 있다. 상기 제2설정시간(ΔT2)은 2분 내지 3분인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 제1,2설정시간은 실험 등에 의해 미리 설정될 수 있다.
상기 히트펌프(20)가 오프된 이후 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안, 상기 히트펌프(20)에서 토출되는 제1유체의 토출온도(tout)는 점차 증가하다가 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 비슷한 상태를 유지하고, 상기 제1유체의 유입온도(tin)는 거의 일정한 상태를 유지한다.
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 난방 운전시 시간에 따른 생산 열량의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 9를 참조하면, 상기 펌프(30)만이 온된 이후 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안, 상기 히트펌프(20)의 생산 열량(Q')는 서서히 증가하나 0보다 낮은 값인 것을 알 수 있다. 즉, 상기 제1설정시간(ΔT1) 동안은 상기 히트펌프(20)가 구동되지 않기 때문에, 상기 생산 열량(Q')는 마이너스 값이다.
상기 제1설정시간(ΔT1)이 경과하여 상기 히트펌프(20)가 구동되면, 상기 히트펌프(20)에서 상기 제1유체가 열교환되어 가열되므로 상기 제1유체의 토출온도(tout)가 높아진다. 따라서, 상기 생산 열량(Q')은 일정값 이상으로 상승하는 것을 알 수 있다.
상기 히트펌프(20)가 오프된 이후 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안, 상기 히트펌프(20)의 생산 열량(Q')는 점차 감소하다가 일정값을 유지한다. 상기 제2설정시간(ΔT2) 동안은 상기 히트펌프(20)가 구동되지 않으나 상기 펌프(30)는 구동되는 상태이기 때문에, 상기 생산 열량(Q')는 점차 감소한다.
상기 제2설정시간(ΔT2)이 경과하여 상기 펌프(30)까지 오프되면, 상기 생산 열량(Q')는 0이 된다.
따라서, 난방 운전시, 본 발명의 제2실시예에 따른 상기 히트펌프(20)의 생산 열량(Q')을 계산하는 방법은 다음과 같다.
상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점(T2)부터 상기 생산 열량(Q')을 측정하여 적산한다.
상기 히트펌프(20)를 오프시키면, 시간이 갈수록 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 점차 줄어들게 된다.
따라서, 상기 히트펌프(20)를 오프시킨 이후, 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 미리 설정된 설정온도(Δtmin)이상인 시점(T5)까지 상기 생산 열량(Q')을 측정하여 적산한다.
즉, 상기 생산 열량(Q')의 측정시간(ΔT'real)은, 상기 히트펌프(20)를 온시킨 시점부터(T2)부터 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 미리 설정된 설정온도(Δtmin)이상인 시점(T5)까지로 설정된다.
상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 미리 설정된 설정온도(Δtmin)미만이면, 생산열량의 적산을 중지한다. 여기서, 상기 설정온도(Δtmin)는 약 5도인 것으로 예를 들어 설명한다.
상기 히트펌프(20)를 오프시킨 이후에 상기 제1유체의 토출온도(tout)는 점차 감소하며, 상기 생산 열량(Q')도 감소하나 소정의 값 이상을 갖기 때문에, 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 상기 설정온도(Δtmin)일 때까지는 상기 생산 열량(Q')을 인정한다.
한편, 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 상기 설정온도(Δtmin)미만이면, 상기 생산 열량(Q')이 매우 작다고 판단하여 무시할 수 있다.
따라서, 상기 생산 열량(Q')을 계산하여 적산하는 시간을 상기 히트펌프(20)가 온되는 시점(T2)부터 상기 제1유체의 유입온도(tin)와 토출온도(tout)의 차이가 미리 설정된 설정온도(Δtmin)이상인 시점(T5)까지로 설정함으로써, 생산 열량(Q')을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
한편, 상기 히트펌프 시스템의 효율(η)을 구하는 방법은 다음과 같다.
상기 펌프(30)를 온시킨 시점(T1)부터 상기 펌프(30)를 오프시키는 시점(T2)까지 소모된 동력(P)을 계산한다. 상기 동력(P)은, 상기 펌프(30)와 상기 히트펌프(20)를 구동하는데 소모된 동력을 포함한다.
상기에서 계산된 생산 열량(Qreal)을 상기 동력(P)으로 나누면, 상기 히트펌프 시스템의 효율(η)을 알 수 있다.
도 10은 본 발명의 제3실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 제3실시예에 따른 지열을 이용한 히트펌프 시스템은, 상기 히트펌프(20)로 유입되기 이전의 제1유체 중 일부를 상기 히트펌프(20)의 토출측으로 바이패스시키는 바이패스유로(60)와, 삼방밸브(61)를 더 포함하는 것이 상기 제1실시예와 상이하고 그 외 나머지 구성 및 작용은 유사하므로, 상이한 구성에 대해서 상세히 설명한다.
상기 바이패스유로(60)는, 상기 유입유로(21)에서 분기되어 상기 토출유로(22)로 연결된다.
상기 삼방밸브(61)는, 상기 유입유로(21)에서 상기 바이패스유로(60)가 분기되는 지점에 설치된다.
냉방 운전시, 상기 제어부(미도시)는, 상기 히트펌프(20)로 유입되기 이전의 제1유체의 유입온도를 미리 설정된 최저설정온도와 비교한다.
상기 제1유체의 유입온도가 상기 최저설정온도 미만이면, 상기 삼방밸브(61)가 상기 바이패스유로(60)를 개방하도록 제어한다. 상기 제1유체 중 일부를 상기 바이패스유로(60)로 유입시킨다.
상기 바이패스유로(60)로 유입된 제1유체는 상기 히트펌프(20)에서 냉각되지 않으므로, 상기 토출유로(22)상의 제1유체의 온도가 높아지게 된다.
상기 토출유로(22)의 제1유체의 온도가 높아지면, 상기 토출유로(22)를 통해 상기 열수요처(40)로 공급되었다가 다시 상기 유입유로(21)로 유입되는 제1유체의 온도가 상승하게 된다.
따라서, 상기 유입유로(21)로 유입되는 제1유체의 온도가 상기 최저설정온도 이상으로 상승하면, 상기 제어부는 상기 바이패스유로(60)를 다시 차폐시킨다.
상기 히트펌프(20)로 유입되기 이전의 제1유체의 온도가 상기 최저설정온도 이상으로 확보될 수 있으므로, 상기 히트펌프(20)의 실내 열교환기의 열교환 효율이 향상될 수 있다. 즉, 상기 히트펌프(20)로 유입되기 이전의 제1유체의 온도가 상기 최저설정온도 미만이면, 상기 히트펌프(20)의 실내 열교환기의 열교환 효율이 떨어지므로, 이를 방지할 수 있다.
따라서, 상기 히트펌프(20)로 유입되기 이전의 제1유체의 온도가 상기 최저설정온도 이상으로 일정하게 유지시킨 후, 상기 제1실시예 또는 상기 제2실시예에 따른 방법을 이용하여 생산 열량과 효율을 구할 수 있다.
한편, 난방 운전시, 상기 제어부(미도시)는, 상기 히트펌프(20)로 유입되기 이전의 제1유체의 유입온도를 미리 설정된 최고설정온도와 비교한다.
상기 제1유체의 유입온도가 상기 최고설정온도를 초과하면, 상기 삼방밸브(61)가 상기 바이패스유로(60)를 개방하도록 제어한다. 따라서, 상기 제1유체 중 일부를 상기 바이패스유로(60)로 유입된다.
상기 바이패스유로(60)로 유입된 제1유체는 상기 히트펌프(20)에서 가열되지 않으므로, 상기 토출유로(22)상의 제1유체의 온도가 낮아지게 된다.
상기 토출유로(22)의 제1유체의 온도가 낮아지면, 상기 토출유로(22)를 통해 상기 열수요처(40)로 공급되었다가 다시 상기 유입유로(21)로 유입되는 제1유체의 온도가 감소하게 된다.
따라서, 상기 유입유로(21)로 유입되는 제1유체의 온도가 상기 최고설정온도 이하로 낮아지면, 상기 제어부는 상기 바이패스유로(60)를 다시 차폐시킨다.
상기 히트펌프(20)로 유입되기 이전의 제1유체의 온도가 상기 최고설정온도 이하로 확보될 수 있으므로, 상기 히트펌프(20)의 실내 열교환기의 열교환 효율이 향상될 수 있다. 즉, 상기 히트펌프(20)로 유입되기 이전의 제1유체의 온도가 상기 최고설정온도 이상이면, 상기 히트펌프(20)의 실내 열교환기의 열교환 효율이 떨어지므로, 이를 방지할 수 있다.
따라서, 상기 히트펌프(20)로 유입되기 이전의 제1유체의 온도가 상기 최고설정온도 미만으로 일정하게 유지시킨 후, 상기 제1실시예 또는 상기 제2실시예에 따른 방법을 이용하여 생산 열량과 효율을 구할 수 있다.
상기 제1유체의 유입온도를 일정하게 유지하면서 생산 열량을 측정할 수 있으므로, 보다 신속하게 정확하게 생산 열량을 계산할 수 있는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10: 지중 열교환기 20: 히트펌프
30: 펌프 40: 열수요처
60: 바이패스유로 61: 삼방밸브

Claims (10)

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  6. 지중 열교환기로부터 열원을 제공받고 열수요처로 열원을 제공하는 히트펌프와, 상기 히트펌프와 상기 열수요처를 순환하는 제1유체를 펌핑하는 펌프를 포함하는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템에 있어서,
    상기 펌프를 온시킨 후, 제1설정 시간이 지나면 상기 히트펌프를 온시키는 단계와;
    상기 히트펌프를 온시킨 시점부터 상기 히트펌프로 유입되는 상기 제1유체의 유입온도, 상기 히트펌프로부터 토출되는 상기 제1유체의 토출온도 및 상기 제1유체의 유량을 측정하여, 상기 히트펌프의 생산 열량을 실시간으로 계산하고 적산하는 단계와;
    상기 히트펌프를 오프시킨 후 상기 제1유체의 유입온도와 토출온도의 차가 미리 설정된 설정온도 미만이면, 상기 히트펌프의 생산 열량의 적산을 중지하는 단계를 포함하는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량 및 효율을 계산하는 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 히트펌프를 오프시킨 후 제2설정시간이 지나면, 상기 펌프를 오프시키는 단계를 더 포함하는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량 및 효율을 계산하는 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 펌프를 온시킨 시점으로부터 상기 펌프를 오프시키기 이전까지 상기 펌프와 상기 히트펌프를 작동시키는 데 소모된 동력을 계산하는 단계와;
    상기 계산된 히트펌프의 생산 열량과 상기 계산된 동력을 이용하여, 상기 히트펌프 시스템의 효율을 계산하는 단계를 포함하는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량 및 효율을 계산하는 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    냉방운전시 상기 제1유체의 유입온도가 미리 설정된 설정온도 미만이면, 상기 히트펌프로 유입되기 이전의 제1유체 중 일부를 상기 히트펌프의 토출측으로 바이패스시키는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량 및 효율을 계산하는 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    난방 운전시 상기 제1유체의 유입온도가 미리 설정된 최고설정온도를 초과하면, 상기 히트펌프로 유입되기 이전의 제1유체 중 일부를 상기 히트펌프의 토출측으로 바이패스시키는 지열을 이용하는 히트펌프 시스템의 생산 열량 및 효율을 계산하는 방법.
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