KR101985847B1 - 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에 관한 것으로, 절기별 축냉열온도를 결정하는 a)단계와; 과거 10일간 일평균 외기온도 변화량과 일기예보로 축냉열온도를 보정하는 b)단계와; 히트펌프 가동대수를 결정하는 c)단계와; 심정펌프 가동대수를 결정하는 d)단계와; 열원수입출구와 냉온수입출구의 압력차로 히트펌프 가동순서를 결정하는 e)단계와; 지열공내 온도로 심정펌프 가동순서를 결정하는 f)단계와; 전력부하의 효율적 관리를 위해 심야(23시 ~ 8시)운전시간과 주간운전시간을 배분하는 g)단계와; 심정펌프를 순차 가동하는 h)단계와; 히트펌프를 순차 가동하는 i)단계와; 심정펌프 가동중 지중열교환기의 조건에 따라 가동순서를 재배열하는 j)단계와; 히트펌프 가동중 열원수입출구와 냉온수입출구의 온도차로 히트펌프 가동순서를 재배열하는 k)단계와; 축열온도에 도달하면 히트펌프를 순차 정지하는 l)단계와; 축열온도에 도달하면 심정펌프를 순차 정지하는 m)단계와; 축열운전조건이 발생하면 상기 a ~ m 단계를 반복 실행하는 n)단계를 포함하는 구성으로 냉온수 또는 열원수의 흐름을 원활하게 유지시켜 냉매의 과냉 및 과열을 적정하게 유지시킬 수 있는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에 관한 것이다.

Description

수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법{Operation control method of geothermal source heat pump heating / cooling system using vertical open type ground heat exchanger}
본 발명은 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 기후와 계절의 변화를 잘 반영하는 태양의 위치에 따라 1년을 24절기로 시기를 정한 절기를 기준으로 냉난방 부하에 따른 축열온도를 변온 축열하여 에너지의 효율적 이용이 가능하고, 지중열교환기의 사용 중 물넘침 방지 및 지중열교환기의 상태에 따라 최적의 조건을 유지하도록 제어함과 아울러 지중열교환기의 상태를 즉각 확인 가능하여 유지보수를 원활히 시행하도록 하여 히트펌프의 안정적 운전을 위한 조건을 충족할 수 있도록 하며, 냉온수 또는 열원수의 흐름을 원활하게 유지시켜 냉매의 과냉 및 과열을 적정하게 유지시킬 수 있는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로, 지열에너지는 지하 또는 지표를 구성하는 토양, 암반, 지하수 및 지표수가 가지고 있는 열에너지를 말한다. 지열은 땅속 얕은 곳의 토양온도차를 이용하는 천부지열과, 땅속 깊은 곳의 뜨거운 열을 이용하는 심부지열로 구분된다.
상기한 지열에너지는 지하로 깊어질수록 지열 온도의 진폭이 작아짐에 따라 그 진폭 주기가 지연되고, 일정 깊이에 도달하면, 지열은 일정한 온도를 유지하게 된다. 이때의 지열을 천부지열이라 한다. 천부지열을 이용한 지중 열교환기는 지중의 열을 부하측에 공급하여 부하측을 난방하거나, 부하측의 열을 지중에 방출하여 부하측을 냉방시킬 수 있는 히트펌프시스템을 제공하였다.
히트펌프 냉난방 시스템의 냉/난방부하의 관계식은 다음과 같다.
난방부하(응축열량(100%))= 압축열량(30%) + 증발열량(70%)
냉방부하(증발열량(70%))= 응축열량(100%) - 압축열량(30%)
이러한, 히트펌프시스템은 열원을 획득하는 지열교환기 형태에 따라 지하수가 가지고 있는 지열에 상수(Water) 혹은 부동액이 충전된 U자관을 이용하여 간접적으로 히트펌프와 열교환하는 밀폐형과 지하수를 직접 히트펌프와 열교환하는 개방형인 SCW(Standing Column well)로 구분된다.
상기한 히트펌프시스템 중 밀폐형은 지하 150 ~ 200m의 지하수 열원을 이용하는 방식으로, 개방형에 사용되는 열원보다 낮은 열원을 가지며, 많은 지열원을 필요로 하고, 상기 밀폐형의 지열원 한 개 당 용량은 2 ~ 3RT 수준으로 평균 2.8 RT의 열원이고, 이러한 밀폐형은 국내 지열냉난방 설비의 80% 이상 운용되고 있다.
반면에, 개방형은 지하 500m 정도에서 지하수를 끌어올려 열을 교환하는 방식으로, 밀폐형과 비교하여 많은 양의 열량을 확보할 수 있어서 하나의 지열원에서 통상 1000㎡ 규모의 냉난방을 위한 에너지를 얻을 수 있는데 하나의 천공된 지열원당 용량이 30RT 정도이다.
이때, 상기 개방형은 지하수 의존도가 높아 풍부한 지하수가 흐르는 대수층을 활용해야 한다.
종래에 개방형 지중열교환기를 사용하는 히트펌프 냉난방 시스템은 히트펌프와 냉온수 순환펌프와 2차측 순환펌프의 설치시에 상기 순환펌프 2개(1개 예비) 이상에 주배관을 통하여 분기관으로 각각의 히트펌프에 연결되는 구조를 가지고 있다.
그러나, 히트펌프 각각의 냉온수와 열원수의 유량 불균일(하나의 주배관에서 분기하기 때문에 히트펌프와의 설치 거리에 따라 압력 및 유로 저항이 크기 때문에 발생하는 현상) 발생하는 문제가 있어서, 이를 해소하기 위해 리버스배관으로 설치하지만 여전히 불균일이 발생하는 문제점을 보완하지 못하였다.
한편, 수동으로 밸브 개폐 정도를 조절하여 각각의 히트펌프로의 유량을 균일하게 조정하지만 판형열교환기 및 배관에 이물질 및 스케일이 끼임에 따라 불균일로 인한 재조정하는 것은 물론, 입/출구 압력차를 보고 수시로 조정해야 하는 불편함이 있다.
결국 이와 같은, 불균일로 인해 간혹 유량이 제일 적게 흐르는 히트펌프의 판형열교환기의 동파가 발생하는 치명적인 사고로 이어질 수 있다.
그리고, 도 1에 도시된 바, 종래 축열조를 포함한 히트펌프 냉난방 시스템의 온도제어의 경우 2, 3, 4월에는 난방구간으로 축열 온도를 50℃ 로 설정되며, 4월 중순 ~ 5월 중순경에는 운전휴식구간으로 간헐적인 난방과 외부로의 열손실로 축열조 온도 서서히 낮아지고, 5월 중순경에느 냉방준비운전구간으로 축열조 온도를 38℃ 내외에서 축냉온도 18℃ 내외로 축열조 온도 급격히 낮춰 가혹한 운전으로 인해 COP가 낮아진다.
그리고, 5월 중순 ~ 8월 말경에는 냉방운전구간으로 축냉온도를 18℃ 로 설정되며, 9월에는 운전휴식구간으로 간헐적인 냉방과 외부로부터의 열흡수로 축열조 온도 서서히 높아지고, 9월 말경에는 난방준비운전구간으로 축열조 온도를 25℃ 내외에서 축냉온도 50℃ 내외로 축열조 온도 급격히 높아져 가혹한 운전으로 인해 COP가 낮아진다.
한편, 9월 말 ~ 1월경에는 난방운전구간으로 축열온도를 50℃로 설정하고, 냉난방 전환 시 급격히 축열/축냉 온도를 목표 값까지의 가혹한 운전으로 COP가 낮아지므로, 지중열의 급격한 사용으로 COP 저하 및 히트펌프의 가혹한 운전으로 설비내구성, 열효율, 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
또한, 일반적으로 냉방이나 난방운전시 냉난방 축열온도를 일률적으로 정하기 때문에 축열을 위한 냉난방 운전이 과다하게 실행되어 에너지 관리 효율이 크게 저하되는 문제점이 있다.
이때 외기온에 의한 냉난방 부하 변동과 축열조의 손실열 및 자연적인 온도변위는 다음식에 따른다.
Figure 112018100517973-pat00001
그리고, 도 3을를 바탕으로 지열 냉난방 시스템의 지열교환을 살펴보면, 지중열교환기의 심정내의 온도가 과다하게 상승하거나 떨어지면 지열수의 순환을 멈추거나 히트펌프의 열교환기를 통과한 유출수의 일부분을 심정외부로 배출하여 온도를 조절하는 블리딩(Bleeding)을 하게 된다.
이러한 블리딩을 반복적으로 자주 실행하다 보면 열매체로 이용하는 지하수의 고갈이나 부족이 발생되어 히트펌프를 작동하지 못하는 치명적인 문제가 발생될 수 있다.
그리고, 종래에 경우 지열공 내 온도조건이 좋은 순으로 운전순서를 결정하여 마지막 정지 역순으로 심정펌프 구동을 제어하면 다양한 지중조건(양수량, 암반크랙, 심정공 내에 내부압력 등)과 운전시간에 지중열의 차이가 발생할 수 있어 지속적으로 최대 효율을 얻기 힘들다.
그리고, 지열공의 지반침하나 심정펌프의 모터 노후나 펌프 임펠러가 모래등의 잦은 유입으로 마모되면 환수되는 지하수량보다 펌핑되는 지하수량이 작으면 공넘침이 발생되고, 지중열교환기의 지열공의 심정펌프가 펌핑하는 유량보다 환수하는 유량이 커질 경우 공 넘침이 발생되며, 지중열교환기 설치 환경이 GL 높낮이가 발생할 경우 같은 대수층을 공유한 두세개의 지열공중 낮은 설치의 지열공의 공넘침이 심해지는 문제점이 있다.
또한, 지중열교환기의 장애발생시 지중열교환기의 상태를 인지할 수 없어 즉각적인 대응을 하기가 원활하지 않아 지중열교환기의 유지보수가 늦어져 지열 냉난방 시스템의 운전조건을 나쁘게 하는 문제점이 있다.
그리고, 지중열교환기의 가혹한 사용으로 난방시 열원수 온도가 급격히 하강되거나 냉방시 열원수 온도가 급격히 상승되어 히트펌프 운전 COP를 저하시키거나, 히트펌프 운전조건이 가혹하게 되어 압축기의 소손이나 판형열교환기의 동파를 발생시킬 수 있다.
일반적으로, 히트펌프는 냉매가 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기를 반복 순환하여 작동하는 구조로써, 팽창변 통과후의 냉매는 통상 90% 이상이 액체냉매인데 증발기를 통과하면서 열을 흡수하여 증발하면서 기체냉매로 변하여 액체냉매가 없는 상태로 압축기로의 유입시 증발기내에서의 포화응축온도와 압축기로 들어가는 과열냉매온도의 차를 냉매과열도라 말하며, 증발기 외부 온도변화(판형열교환기를 통과하는 냉온수 및 열원수의 온도변화)에 따라 포화액체냉매의 량의 차이에 의해 압축기 효율저하의 요인이 된다.
그리고, 응축기에서 압축된 기체냉매가 열을 방출하며 액화될 때의 온도를 포화 응축온도라 하며 플래시 가스가 발생하지 않을 정도의 응축기 입출구 온도차를 냉매 과냉도라 하고, 과냉도가 낮으면 COP(성능계수, Coefficient of performance; 성능 계수는 냉장고(refrigerator)나 에어컨(air conditioner), 열펌프(heat pump)등 온도를 낮추거나 올리는 기구의 효율을 나타내는 척도이다.)가 저하되는 문제점이 있다.
한편, 증기압축식 시스템 기타 기술 자료에서 과냉/과열에 대하여 살펴보면 다음과 같다.
이상적인 냉동사이클과 실제 냉동사이클의 p-h 선도에 차이가 있는 것으로 p-h 선도에 대한 해석에 따른다.
이상적 이론 냉동사이클에 경우, A → B 과정은 교축팽창/ 등엔탈피 과정이고, B → C 과정은 증발기의 정압(등온), 증발 흡열 과정에 해당하며, C → D 과정은 단열, 가역 압축 과정이고, D → A 과정은 응축기의 정압(등온), 응축 방열 과정을 아래 그림 1에서 확인된다.
반면에, 실제 열교환의 경우 비가역 냉동사이클로,
1 → 2 과정은 역카르노사이클에서 단열팽창과정인 등엔트로피 과정이나, 응축기출구 측은 건도가 100% 이상인 과열증기의 상태가 아니다.
따라서 냉매액의 압력 강하로부터 온도 강하를 만들기 위하여 교축밸브, 모세관 등의 팽창기구가 사용되어 교축 과정은 마찰에 의한 압력 강하 및 내적 비가역성으로 인하여 A -> B 등엔탈피 과정 유지가 어렵다.
즉, 건도 향상과, 증발기 냉동능력을 높이기 위하여 응축기 끝단 과냉각기인 수액기를 설치하여 건도증가 문제를 해결하여 증발기의 냉동능력을 향상시킨다.
2 → 3 과정은 증발기의 내부 관의 내경, 패스수 등과 관련되어 증발기 내부에서 직관부, 곡관부에서의 유체의 흐름에 의한 압력 손실과 온도 강하가 상시 발생한다.
따라서, 이상적 과정 대비 실제 증발기에서의 열교환 과정은 등압(등온) 과정 유지가 힘들게 되므로 작동유체가 포화상태인 동안은 등온과정이 자연스럽게 유지되나 필연적으로 과열/과냉 영역에서 등온 유지가 어렵다.
3 → 4 과정은 증발기 출구에서 압축기 입구까지의 저압배관에서의 압력 손실로 유속, 마찰 및 밀도에 관계되고, 단열 손실에 의한 열 취득과 관계된다.
4 → 5 과정은 압축기 흡입밸브의 교축에 의한 압력강하, 실린더 벽의 고온 흡열 과열 압력 강하된다.
5 → 6 과정에 경우 압축은 등엔트로피 과정이 아니며, 마찰과 손실로 인해 비효율적 폴리트로픽 압축 과정으로 흡열로 온도, 엔탈피 및 엔트로피가 증가된다.
6 → 7 과정은 압축기 토출 배출밸브 통과 과정으로 압력 강하가 발생된다.
7 → 8 과정은 응축기 정압 방열과정이 아니며 배관 저항으로 압력이 약간 감소되고, 냉매와 주변 유체를 포함한 계에서 보면 유체의 열전달 과정은 엔트로피가 증가되는 방향으로 진행된다.
8 → 1 과정은 응축기의 포화액 과냉 과정이고 배관 저항으로 압력 감소된다.
Figure 112018100517973-pat00002
[그림 1] 이상적 이론, 실질적(비가역성, 열전달) 과정
냉매상태와 성적계수 COP, EER은 다음과 같다.
증발 압력이 일정하다는 가정하에, 과열도가 0 이하이면 습 압축(습한 상태인 압축 과정)으로 토출가스온도 하락함과 아울러 액 압축 우려가 발생하고, 과열도가 0 이상이면 건 압축(과열 압축)으로 지나친 과열 압축되어 토출가스온도의 과열 및 성능하락이 될 수 있다.
Figure 112018100517973-pat00003
[그림 2] 과열도 및 과냉각도에 따른 성적계수
그리고, 냉각도 증가의 경우, 응축압력, 증발압력 동일, 과열도 0의 가정하에 증발기내 냉동능력이 없는 플래쉬가스가 감소하여 냉동능력이 증가함과 아울러 압축기 축동력이 일정하고, 이로 인해 냉동 성적계수 증가하는 현상을 갖는다.
Figure 112018100517973-pat00004
[그림 3] 과냉각도 증가에 따른 성적계수
증발온도(증발압력)의 저하의 경우, 응축압력 동일/ 과열도 0/ 과냉각도 0이라는 가정하에 플래쉬가스 증가로 냉동능력이 감소되고, 유입냉매 비체적 증가로 압축기 축동력이 증가되며, 냉동능력감소와 압축기 축동력 증가로 냉동 성적계수가 감소되고, 증발압력 저하로 압축기 유입냉매량이 감소하여 압축기과열을 초래하는 현상이 발생한다.
이와 같은 사례로 증발기측 펌프 유량저하 및 증발온도 저하와, 액관측 혹은 팽창밸브 막힘으로 유량감소에 의한 증발온도 저하와, 냉방시 실내 온도 및 습도 저하에 따른 증발압력 감소에 따른 증발온도 저하를 일으킨다.
Figure 112018100517973-pat00005
[그림 4] 증발온도 감소에 따른 성적계수
또한, 응축온도(응축압력)의 상승의 경우, 증발압력 동일/ 과냉각도 0/ 과열도 0이라는 가정하에 증발기내 상변화가 없어 냉동 능력이 없는 플래쉬가스 증가로 인해 냉동능력이 감소되고, 압축기 유입 냉매의 비체적 일정시, 압축일 증가로 인해 압축기 축동력이 증가되며, 증발기 냉동능력감소와 압축기 축동력 증가로 인해 냉동 성적계수가 감소되고, 응축압력 증가로 인해 압축기 유입냉매량이 증가하여 압축기 과열 초래하는 현상이 발생한다.
이러한 사례로 냉매 과충전시 응축기 내 액냉매 증가로 인한 기체 냉매의 응축 유효면적 감소로 인하여 응축온도는 상승되고, 펌프의 유량 감소시 응축 불량으로 인한 응축온도 상승이 발생한다.
Figure 112018100517973-pat00006
[그림 5] 응축온도 상승에 따른 성적계수
KR 10-0628986 B1 KR 10-0989992 B1 KR 10-1418884 B1
상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 태양의 위치에 따라 1년을 24절기로 시기를 정한 기후와 계절의 변화를 잘 반영하는 절기를 기준으로 냉난방 부하에 따른 축열온도를 변온 축열하여 에너지의 효율적 이용이 가능하도록 한 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 펌프 및 히트펌프의 고장 수리 및 장애가 발행되는 히트펌프만 선별적으로 가동정지 시켜 운전 가동에 따른 유지 관리가 우수하고, 심정펌프에 대응되는 상/하 소정의 위치에 각각 수위센서 설치하여 우물공의 공넘침을 방지할 수 있으며, 히트펌프를 제1열교환기, 보조제1열교환기, 제2열교환기, 보조제2열교환기, 솔레노이드 삼방변, 체크밸브를 포함한 순환구조를 구성하여 냉온수 또는 열원수의 흐름을 원활하게 유지시켜 냉매의 과냉 및 과열을 적정하게 유지할 수 있는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 절기별 축냉열온도를 결정하는 a)단계와; 과거 10일간 일평균 외기온도 변화량과 일기예보로 축냉열온도를 보정하는 b)단계와; 히트펌프 가동대수를 결정하는 c)단계와; 심정펌프 가동대수를 결정하는 d)단계와; 열원수입출구와 냉온수입출구의 압력차로 히트펌프 가동순서를 결정하는 e)단계와; 지열공내 온도로 심정펌프 가동순서를 결정하는 f)단계와; 전력부하의 효율적 관리를 위해 심야(23시 ~ 8시)운전시간과 주간운전시간을 배분하는 g)단계(S160)와; 심정펌프를 순차 가동하는 h)단계(S170)와; 히트펌프를 순차 가동하는 i)단계(S180)와; 심정펌프 가동중 지중열교환기의 조건에 따라 가동순서를 재배열하는 j)단계(S190)와; 히트펌프 가동중 열원수입출구와 냉온수입출구의 온도차로 히트펌프 가동순서를 재배열하는 k)단계(S200)와; 축열온도에 도달하면 히트펌프를 순차 정지하는 l)단계(S210)와; 축열온도에 도달하면 심정펌프를 순차 정지하는 m)단계(S220)와; 축열운전조건이 발생하면 상기 a ~ m 단계를 반복 실행하는 n)단계(S230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법을 제공한다.
상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 기후와 계절의 변화를 잘 반영하는 24절기를 기준으로 냉난방 부하에 따른 축냉열온도를 변온 축열하여 에너지의 효율적 이용이 가능하다.
또한, 지중열교환기의 물넘침 방지 및 지중열교환기의 상태에 따라 최적의 조건을 유지하도록 제어하여 히트펌프의 안정적 운전을 위한 조건을 충족할 수 있도록 한다.
또한, 냉온수 또는 열원수의 흐름을 원활하게 유지시켜 냉매의 과냉 및 과열을 적정하게 유지시킬 수 있고, COP 및 열효율 증대와 운전비용 절감과 더불어 안정적인 운전을 수행할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래 히트펌프 냉난방 시스템의 운전에 따른 월별 축냉열 온도그래프.
도 2는 종래 히트펌프 구성도.
도 3는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전의 열교환 설계 관계도.
도 4는 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템을 나타내는 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 축열조를 포함한 구성도.
도 6은 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에서 지열공을 나타내는 구성도.
도 7 내지 도 15는 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에서 히트펌프 구성 및 작동상태 예시도.
도 16 및 도 17은 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에서 각 구성의 제어를 위한 블록도.
도 18은 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법을 나타내는 순서도.
도 19는 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에서 메인 제어를 나타내는 흐름도.
도 20 및 도 21은 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에서 각 모드별로 지중열을 제어하는 흐름도.
도 22 및 도 23은 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에서 각 모드별로 히트펌프를 제어하는 흐름도.
도 24는 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법에서 히트펌프의 열원측/냉열측을 포함하여 제어하는 흐름도.
도 25는 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법을 통해 냉난방 시스템의 절기별 운전에 따른 축냉열 온도그래프.
도 26은 본 발명에 따른 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법을 통해 냉난방 시스템의 절기별 운전에 따른 축냉열 온도 및 종래 운전의 축냉열 온도 비교그래프.
이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명의 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법은 도 4 내지 도 26에 도시된 바와 같이, 지열원으로부터 지열을 공급받는 지중열교환기(100)와, 상기 지중열교환기(100)의 열원측의 지열을 받아 열교환을 통해 부하측에 순환열을 공급하는 히트펌프(200)와, 열원측의 지열을 순환시키는 열원측순환부(300)와, 부하측에 순환열을 순환시키는 부하측순환부(400)를 포함하는 구조이다.
이때, 상기 지중열교환기(100)는 지중의 지하수에 천공된 복수의 지열공(140)에 연결되어 그 지열을 공급/환수할 수 있도록 지열공급헤더(110) 및 지열환수헤더(120)를 포함하여 구성된다.
그리고, 상기 히트펌프(200)는 상기 지중열교환기(100)를 포함한 열원측의 지열을 공급받아 열교환을 통해 냉온수 및 냉난방이 소모되는 실내 부하측으로 순환열을 공급하는 복수개로 나열 구비된다.
한편, 상기 열원측순환부(300)는 상기 지중열교환기(100)로부터 상기 히트펌프(200)에 각각 연결되는 지열순환라인(310)과, 이 지열순환라인(310)에 구비되어 열매체에 열교환을 수행하는 판형열교환기(320) 및 상기 열매체를 히트펌프(200)로 공급/순환 시키는 2차순환펌프(330)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 부하측순환부(400)는 상기 히트펌프(200)의 후방에 연결되어 냉온수공급헤더(420) 및 냉온수환수헤더(410)를 갖는 실내 부하측에 히트펌프(200)의 순환열을 공급/순환 시킬 수 있도록 냉온수순환펌프(440)와 냉온수순환라인(430)을 갖는다.
더불어, 상기 히트펌프(200)의 각 전후방에 연결되는 열매체가 공급되는 각 라인에는 각 히트펌프(200)에 열매체의 유량을 균일하게 공급하고, 선택적으로 차단할 수 있도록 2차순환펌프(330)와 냉온수순환펌프(440)가 1:1로 설치되어 구비될 수 있다.
즉, 상기 히트펌프(200)에 직결되는 냉온수순환라인(430)과 지열순환라인(310)에 각각 2차순환펌프(330)와 냉온수순환펌프(440)를 구비함으로써, 상기 2차순환펌프(330)와 냉온수순환펌프(440)를 통해 각각의 히트펌프(200)의 유량을 개별적으로 공급할 수 있어 히트펌프(200)에 공급되는 유량을 균일하게 형성될 수 있다.
따라서, 상기 히트펌프(200)의 운전에 대해 안전성을 확보할 수 있다.
또한, 상기 히트펌프(200)의 고장수리시 장애 발생된 히트펌프(200)만 개별적으로 가동정지 시키고 나머지 히트펌프(200)로의 운용 및 유지 관리가 우수하다.
상기 2차순환펌프(330)와 냉온수순환펌프(440)를 히트펌프(200)와 1:2(1대는 예비펌프)로 설치하여 유지관리 효율성을 높일 수 있다.
본 발명은, 상기 히트펌프(200)와 부하측순환부(400) 사이에 축열조(600)를 구비하고, 축열조(600)와 히트펌프(200)를 축열순환라인(620)과 축열순환펌프(630)로 연결 설치하여 구성할 수 있다.
이와 같이, 상기 축열조(600)를 구성 설치하면 지열 냉난방 부하와 설비의 효율적 관리가 가능해지는 것으로 본 발명은 이와 같은 수축열 방식의 지열원 히트펌프 냉난방 시스템을 기준으로 설명한다.
한편, 상기 지중열교환기(100)의 지열공(140)은 지하 암반출현지점을 통과하여 지하 400 ~ 500m로 지하 관정되는 아웃케이싱(141)과; 상기 아웃케이싱(141)의 내부에 동심으로 소정의 길이를 가지며, 하단에 상기 아웃케이싱(141)의 지하수가 유입되는 유공관(145a)을 갖는 인케이싱(142)과; 상기 인케이싱(142)에 수직으로 관입되며, 상기 인케이싱(142) 내부의 지하수를 흡입할 수 있도록 단부에 심정펌프(145b)를 갖는 지하수토출관(145)과; 상기 아웃케이싱(141)의 상부에 구비되어 환수되는 지하수를 상기 아웃케이싱(141)의 내부로 공급하는 지하수환수관(144)과; 상기 아웃케이싱(141)의 상단에 설치되어 상기 지하수토출관(145) 및 지하수환수관(144)의 외부노출 및 지지 고정하는 상부보호정(143)와; 상기 지하수환수관(144)에 구비되어 상기 아웃케이싱(141)으로 지하수 환수를 개폐 작동하는 솔레노이드밸브(146)를 포함하는 것은 통상적으로 구성된다.
여기서, 상기 심정펌프(145b)를 기준으로 상부 20m 지점에는 지하수의 최소 안정수위를 감지할 수 있은 저수위센서(147)가 상기 인케이싱(142)의 내부에 구비에 구비된다.
그리고, 지면(GL)을 기준으로 하부 10m 지점에는 지하수 최대 위험수위를 감지할 수 있는 고수위센서(148)가 상기 아웃케이싱(141)의 내부에는 구비될 수 있다.
따라서, 상기 저수위센서(147) 및 고수위센서(148)가 감지하는 신호를 통해 상기 상기 아웃케이싱(141)으로 지하수의 환수량을 조절할 수 있도록 솔레노이드밸브(146)의 개폐 작동 및 상기 심정펌프(145b)의 정지를 수행할 수 있도록 구성될 수 있다.
상기한 저수위센서(147) 및 고수위센서(148)를 구성함으로써, 상기 심정펌프(145b)의 운전시 고수위센서(148)가 감지되면 상기 솔레노이드밸브(146)를 닫아 지하수의 환수를 정지시켜 공넘침을 방지하고, 상기 심정펌프(145b)의 운전시 저수위센서(147)가 감지되면 솔레노이드밸브(146)를 열어 지하수의 환수를 실시할 수 있다.
더불어, 상기 심정펌프(145b)의 운전시 고수위센서(148)와 저수위센서(147)가 동시에 감지되면 상기 지열공(140)의 지하수 순환 장애가 발생한 것이므로, 상기 심정펌프(145b)의 정지와 함께 중앙관리의 관리자에게 알람과 함께 이력을 기록할 수 있게 한다.
또한, 상기 지열공(140)의 인케이싱(142)과 아웃케이싱(141) 내부의 심정펌프(145b) 설치 위치에는 지하수온도센서(149)를 더 구비하여 상기 지열공(140)의 순환 흐림이 불리할 경우 상기 인케이싱(142)과 아웃케이싱(141)의 온도차가 커지므로 중앙관리의 관리자에게 알람과 함께 이력을 기록할 수 있게 한다.
그리고, 상기 히트펌프(200)는 부하측에 연결되어 응축 또는 증발 기능으로 열교환하는 제1열교환기(210)와, 팽창밸브(220)와, 열원측에 연결되어 응축 또는 증발 기능으로 열교환하는 제2열교환기(230)와, 순환 방향을 조절하는 사방변(240)을 갖는 압축기(250)를 포함하여 순환 구조로 이루어진다.
이때, 상기 제1열교환기(210)와 부하측 사이에는 제1보조열교환기(211)가 더 구비되고, 상기 제1열교환기(210), 제1보조열교환기(211) 및 부하측 라인을 바이패스 연결하여 선택적으로 개폐 작동하는 제1삼방변(213)가 더 구비되고,
상기 제2열교환기(230)와 열원측 사이에는 제2보조열교환기(231)가 더 구비되고, 상기 제2열교환기(230), 제2보조열교환기(231) 및 열원측 라인을 바이패스 연결하여 선택적으로 개폐 작동하는 제2삼방변(233)을 더 포함한다.
한편, 상기 팽창밸브(260)의 전/후 및 각 열원측, 부하측 후단에 구비된 온도센서(270) 및 상기 압축기(250)의 전/후에 구비된 압력센서(280)의 감지 신호를 통해 상기 제1삼방변(213) 및 제2삼방변(233)을 제어하여 바이패스 작동시킬 수 있다.
그리고, 히트펌프 각각에 개별식별부호를부여하고, 히트펌프 상호간 통신으로 운전상태를 비교하여 최상의 조건을 충족하는 히트펌프를 우선적으로 운전하게 한다.
이리 하면, 히트펌프의 내구성은 총운전시간보다는 적정한 조건에서의 운전이 더 내구성을 가지는 것이므로 히트펌프의 유지관리 효율을 높일 수 있다.
상기 히트펌프는, 냉온수입출구와 열원수입출구의 온도값과 사용 냉매의 고/저압 압력값과 냉매의 온도값을 설정된 데이터와 비교하여 운전하게 된다.
상기에서 히트펌프의 최적의 냉매 과냉도/과열도를 유지시키기 위해 사용 냉매의 물성치의 압력값에 따른 온도값을 비교하여 삼방변을 동작시켜 제1, 2 보조열교환기에의 냉온수 및 열원수의 흐름을 조절하도록 한 것이다.
상기와 같이 구성된 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전을 제어하는 방법으로는 아래와 같은 단계를 통해 진행할 수 있다.
우선, 절기별 축냉열온도를 결정하는 a)단계(S100)를 제공한다.
이때, 각 지열공(140)에 구비된 지하수온도센서(149)를 통해 각 지열공(140)의 년간 절기별 온도 변화를 중앙관리센터(500)에서 저장 및 데이터화 하며, 추가적으로 일기예보, 외기온도, 과거 외기온도에 따라 중앙관리센터(500)에서 실내부하를 예측할 수 있다.
다음으로, 상기 중앙관리센터(500)를 통해 과거 10일간 일평균 외기온도 변화량과 일기예보를 비교하여 축냉열온도를 보정하는 b)단계(S110)를 포함한다.
이때, 메인제어부(510)의 히트펌프제어부(540)를 통해 각 히트펌프 가동대수를 결정하는 c)단계(S120)를 제공하고, 더불어, 메인제어부(510)의 지열제어부(530)를 통해 각 지열공(140)의 심정펌프(145b) 가동대수를 결정하는 d)단계(S130)로 구성될 수 있다.
또한, 압력센서를 통해 열원수 입출구와 냉온수 입출구열원수 입출구와 냉온수 입출구여 히트펌프 가동 순서를 결정하는 e)단계(S140)를 포함한다.
그리고, 지하수온도센서(149)를 통해 지열공 내 온도로 지열제어부(530)를 제어로 심정펌프 가동순서를 결정하는 f)단계(S150)를 포함한다.
이때, 심정펌프 및 히트펌프의 순차 운전에서 과도한 사용을 억제하고 전력피크부하에 대응하여 운전을 제어해야 한다.
따라서, 운전순서제어를 위해 우선 지중조건을 고려하며, 차선으로 운전시간이 같은 조건일 때 먼저 정지한 순으로 가동 순서를 결정하는 것이 바람직하다.
이는 지중열교환기(100)는 지하수온도센서(149)를 통한 입출구 측의 온도, 수위센서를 통한 수위를 비교하여 심정펌프의 가동 순서를 결정할 수 있고, 심정펌프의 운전가능조건(온도, 수위, 펌프의 전류치 등)이 좋은 순으로 운전 순서를 결정할 수 있으며, 상기 심정펌프 및 히트펌프의 최상조건운전을 통해 COP 증대와 열효율 증대를 얻을 수 있으며, 운전비용의 절감 효과와 안정적인 운전 및 유지보수를 용이하게 수행할 수 있다.
따라서, 실내부하에 따른 히트펌프의 운전시간을 추정하여 가장 효율을 극대화할 수 있는 지중열을 선택 운전 할 수 있다.
즉, 지중열이 최상순이라도 설정온도(여름 30도, 겨울 5도)이하에서는 운전을 정지하고 조건 좋은 다른 지열공을 사용함으로써 지중열을 복원하여 히트펌프의 최적화된 운전이 가능하다.
한편, 실내부하측 요인 중 전력부하의 효율적 관리를 위해 심야(23시 ~ 8시)운전시간과 주간운전시간을 배분하는 g)단계(S160)를 포함한다.
그리고, 지열제어부(530)의 제어를 통해 심정펌프를 순차 가동하는 h)단계(S170)와, 히트펌프제어부(540)의 제어를 통해 히트펌프를 순차 가동하는 i)단계(S180)를 포함한다.
이때, 중앙관리센터(500)의 신호로 심정펌프 가동중 지중열교환기의 조건에 따라 가동순서를 재배열하는 j)단계(S190)를 수행할 수 있다.
다음으로 히트펌프 가동중 열원수입출구와 냉온수입출구의 온도차로 히트펌프 가동순서를 재배열하는 k)단계(S200)를 포함한다.
그리고, 축열온도에 도달하면 히트펌프를 순차 정지하는 l)단계(S210)와, 축열온도에 도달하면 심정펌프를 순차 정지하는 m)단계(S220)를 수행할 수 있다.
마지막으로 축열운전조건이 발생하면 상기 a ~ m 단계를 반복 실행하는 n)단계(S230)를 수행하여 효율성을 극대화 할 수 있다.
이와 같이 각 단계의 수행을 통해 24절기 기반이 되는 외기온도에 따라 축냉열온도의 보정을 통해 외기온도 누적값을 5 ~ 10일 전후 데이터를 기초로 축열온도를 보정함으로 능동적 냉난방부하 운전을 수행할 수 있다.
따라서, 에너지효율의 향상과 안정적 운전, 원활한 유지보수를 수행할 수 있으며, 장비의 운전 제어 및 경보, 데이터 누적을 통해 통계화 할 수 있다.
그리고, 절기별 외기온도변화에 따른 공급온도의 용량을 가변 제어할 수 있으며, 절기별 과거 외기온도 변화량(10일간 누적 데이터)를 보정하여 지중열온도를 히트펌프의 가동유지조건으로 충족할 수 있도록 지중열 복원력을 감안하여 운전 조건을 보정할 수 있다.
한편, 지중열교환기의 제어에 있어서, 심정펌프는 인케이싱에 설치된 심정펌프의 상부 20M 지점에 저수위센서를 설치하고, 인케이싱과 아웃케이싱의 사이에는 지면으로부터 10M 지점에 고수위센서 설치하며, 지하수환수관에는 솔레노이드밸브 설치하는 것이 바람직하다.
따라서, 심정펌프의 운전시 고수위센서가 감지되면 솔레노이드밸브를 닫아 지하수 환수를 정지하여 공 넘침 방지하고, 심정펌프의 운전시 저수위센서가 감지되면 솔레노이드밸브를 열어 지하수 환수를 실시하여 적절한 수위를 유지할 수 있다.
즉, 심정펌프의 운전시 고수위센서와 저수위센서가 감지되면 지열공의 지하수 순환의 장애가 발생한 것으로 판단하여 심정펌프를 정지하고 중앙관리센터(500)를 통해 알람과 이력 기록할 수 있다.
한편, 지열공의 인케이싱과 아웃케이싱 내부의 심정펌프 설치 위치에 온도센서 설치하여 지열공의 순환흐름이 좋지 않으면 인케싱과 아웃케이싱의 온도차가 커지므로 중앙관리센터(500)를 통해 알람과 이력 기록할 수 있다.
결국, 종래에는 지열공 내에 온도를 기준으로 가동 순서 결정하였지만, 본 발명에 경우 입출구 측의 온도와 수위 비교 심정상태로 순서 결정하고, 심정펌프 운전가능조건(온도, 수위, 전류치)에 따른 상위 순으로 운전순서 결정하여 운전 성능을 향상시킬 수 있다.
더불어, 히트펌프 제어에 있어서, 제1열교환기, 제1보조열교환기, 제2열교환기, 제2보조열교환기, 솔레노이드 삼방변, 체크밸브를 설치하여 냉매 물성치의 압력값에 따른 온도를 비교하여 삼방변을 동작시켜 보조열교환기에의 냉온수 또는 열원수를 흐르게 하여 냉매 과냉 및 과열도 조절할 수 있다.
따라서, 히트펌프 상호간 운전상태를 비교하여 최상의 조건을 충족하는 히트펌프를 우선적으로 가동하는 총 운전시간보다 최상의 조건에서의 운전이 내구성을 높이므로 히트펌프 유지관리 효율증대 시킬 수 있다.
그리고, 히트펌프 사용냉매의 물성치에 따른 압력값의 포화온도를 비교하여 최적의 냉매 과열 과냉도를 유지할 수 있고, 비교데이터를 통해 열원수 입출구 측 온도, 냉온수 입출구 측 온도, 냉매 고/저압, 냉매 온도를 확보할 수 있고, 보조열교환기에 의해 전열면적 가변을 제어하여 안정적으로 컨트롤 할 수 있다.
또한, 본 발명을 통해 축열조 온도 제어에 있어서, 도 25에 도시된 바, 절기별로 구간을 가지고 다음과 같이 설명한다.
입춘에서 곡우 사이에 구간은 난방구간으로 축열온도를 50℃에서 절기별 설정온도에 맞춰 30℃까지 서서히 낮추어 난방운전 비용을 최소화 할 수 있다.
곡우에서 소만 사이에 구간은 운전휴식구간으로 간헐적인 난방과 외부로의 열손실로 축열조 온도 서서히 낮아지게 된다.
소만은 냉방준비운전으로 축열조의 온도를 28℃ 내외에서 축냉온도 18℃ 내외로 축열조 온도를 낮추어 안정적운전과 COP를 높인다.
소만에서 백로 사이에 구간은 냉방운전구간으로 축냉온도를 23℃에서 18℃로 서서히 낮추었다가 23℃로 서서히 높여 냉방운전 비용을 최소화 할 수 있다.
백로에서 추분 사이에 구간은 운전휴식구간으로 간헐적인 냉방과 외부로부터의 열흡수로 축열조 온도 서서히 높아지게 된다.
추분은 난방준비운전으로 축열조 온도를 25℃ 내외에서 축냉온도 30℃ 내외로 축열조 온도를 높여 안정적운전과 COP를 높인다.
추분에서 대한 사이에 구간은 난방운전구간으로 축열온도를 30℃에서 50℃로 서서히 높일 수 있다.
운전순서에 관하여 심야시간에는 주축열과 지중조건에 따라 정지할 수 있고, 주간시간에는 외기온에 따라 축열(부하)온도량 결정할 수 있다.
축냉열온도에 경우 겨울에는 40 ~ 50℃로 설정하고, 봄, 가을에 경우 30 ~ 40℃로 설정되며, 여름에는 20℃ 이하로 유지할 수 있다.
결국, 도 26에 도시된 바 종래에 절기별 운전구간과 본 발명의 운전구간을 비교하여 축열 효율을 극대화 하는 것을 확인할 수 있다.
한편, 절기는 1년을 24절기로 나뉘어 지며, 천구상의 황도(태양이 움직이는 궤적)를 15° 간격으로 24등분하여 태양이 각 등분점을 통과할 때를 24기(氣) 입기(立氣) 시각으로 정한 것이다.
따라서, 계절의 변화는 태양의 위치에 의해 결정되며 계절의 변화를 잘 반영하는 장점이 있는 것으로 최근 지구온난화에 따른 급격한 기후변화는 계절변화에 영향을 미치긴 하지만 24절기는 기후변화 특성을 잘 나타내므로 24절기는 태양의 운동에 근거한 것으로서 춘분점으로부터 황도를 따라 동쪽으로 15° 간격으로 나누어 24점을 정하였을 때, 태양이 각 점을 지나는 시기를 말한다.
지열을 이용한 냉난방 제어에 있어서, 봄, 여름, 가을, 겨울 4계절 기온변화에 따라 냉난방 부하가 결정되는 것으로 지열 제어의 부하량의 결정을 1일 단위로 하면 이상 기후로 변수가 너무 커 이를 이용하기에는 제어가 복잡해지고 예측부하량과 실제부하량과 차이가 크게 발생할 수 있어 효율성이 상당히 낮고 운용에 무리가 발생할 수 있다.
한편, 월 단위(봄 3, 4, 5월-여름 6, 7, 8월-가을 9, 10, 11월-겨울 12, 1, 2월)보다 더 세분화하여 24절기(일조량의 변화에 따른 기온변화 뚜렷) 따른 냉난방 부하량 결정 바람직하다.
따라서, 지열제어에 대하여 외기온도 18℃ 이하 난방과 28℃ 이상 냉방을 유지하기 위해 공조 시스템의 설정값, 운전조건, 외기조건 등을 검출 데이터화 하여 예측값과 실측값을 비교하여 예측모델의 성능평가를 실시함으로써, 모니터링시스템에서 수집한 공조기의 설정값 및 검출값, 기상 데이터, 에너지 사용량을 통합하여 시간별로 부하패턴을 분석 정리하고, 대상 건물에서 수집한 데이터의 예측 및 학습 성능을 향상시키기 위해 선처리 과정으로 데이터 필터링을 실시하여 건물형태별(주거, 업무, 단독, 집합) 데이터 관측자료 수집 필터링 후 빅데이터화를 통해 외기온도 센싱을 통해 축열조의 축냉열 기능을 선택적으로 조절하는 것을 특징으로하여 외기 온도 감응식 냉난방을 효율적으로 적용할 수 있다.
즉, 안정적으로 열원을 취득할 수 있도록 일기예보와 외기온도를 감응하여 일일 24시간 중 자연에너지 밀도가 가장 높을 때 열원을 확보하여 축열조에 축열 또는 축냉하여 부하 측의 목적 대상물에 냉방 또는 난방을 수행하고 심야시간에 축열하여 에너지 효율 증대할 수 있다.
따라서, 종래 시스템의 계절에 따라서 냉난방시 에너지의 효율이 외기 온도에 따라서 급격히 떨어지고 있는 문제점을 보완하여 과거 데이터, 외기온도변화를 필터링하여 냉난방전환시기를 적절히 결정할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 냉난방 운전 제어 방법을 19도 내지 도 24에 도시한 순서도를 중심으로 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 자동모드를 실행하면, 절기별 축열온도를 설정하고, 외기온도(To)를 확인하여 절기별 평균기온과 비교하여 상기 외기온도(To)에 따른 부하량에 해당하는 축열온도로 보정하며, 일기예보를 확인하여 상기 축열온도를 재보정하고, 상기 축열온도가 난방조건이면 난방운전으로 제어를 실행하며, 축열조온도를 확인하고 상기 축열온도와 비교하여 생산해야할 축열량에 맞는 히트펌프 운전대수(k)를 결정하고, 상기 히트펌프 운전대수(k)에 맞는 심정펌프 운전대수(i)를 결정하며, 지중열교환기의 지열공내 온도(Tgi1~Tgin)를 비교하여 높은 온도순으로 심정펌프 운전순서(SP1~SPi)를 결정하고, 상기 심정펌프 운전대수(i) 만큼 심정펌프를 심정펌프 운전순서(SP1~SPi)에 따라 순차 운전하며, 히트펌프의 열원수입출구와 냉온수입출구의 압력(Pi, Po)을 검출하여 입출구 압력차(Po-Pi)를 비교하여 압력차(Po-Pi)가 작은 순으로 히트펌프 운전순서(HP1~HPk)를 결정하고, 상기 히트펌프 운전대수(k)만큼 히트펌프를 히트펌프 운전순서(HP1~HPk)에 따라 순차운전하며, 축열기준 온도범위에 도달하면 상기 히트펌프를 압력차(Po-Pi)가 작은 역순으로 순차 정지하고, 그 다음, 상기 심정펌프를 낮은 온도순(SP1~SPi)으로 순차 정지한다.
상기 축열온도가 냉방조건이면 냉방운전으로 제어를 실행하며, 상기 축열조온도를 확인하고 축열온도와 비교하여 생산해야할 축열량에 맞는 히트펌프 운전대수(k)를 결정하고, 상기 히트펌프 운전대수(k)에 맞는 심정펌프 운전대수(i)를 결정하며, 상기 지중열교환기의 지열공내 온도(Tgi1~Tgin)를 비교하여 낮은 온도순으로 심정펌프 운전순서(SP1~SPi)를 결정하고, 상기 심정펌프 운전대수(i) 만큼 심정펌프를 심정펌프 운전순서(SP1~SPi)에 따라 순차 운전하며, 상기 히트펌프의 열원수입출구와 냉온수입출구의 압력(Pi, Po)을 검출하여 입출구 압력차(Po-Pi)를 비교하여 압력차(Po-Pi)가 작은 순으로 히트펌프 운전순서(HP1~HPk)를 결정하고, 상기 히트펌프 운전대수(k)만큼 히트펌프를 히트펌프 운전순서(HP1~HPk)에 따라 순차운전하며, 축열기준 온도범위에 도달하면 상기 히트펌프를 압력차(Po-Pi)가 작은 역순으로 순차 정지하고, 그 다음 상기 심정펌프를 높은 온도순(SP1~SPi)으로 순차 정지한다.
상기 히트펌프의 열원수펌프와 냉온수펌프의 입출구 압력차(Po-Pi)가 압력차 기준치(PS)보다 크면 "열교환기 이상"디스플레이와 함께 경보를 발생하고, 상기 히트펌프를 정지한 다음 열원수펌프와 냉온수펌프를 정지한다.
상기 압력차 기준치(PS)는 2 이하로 설정함이 바람직하다.
본 발명의 지중 열교환기를 제어함에 있어서, 냉난방 운전 모드가 난방모드인 경우, 지중열교환기의 인케이싱 내부 온도(Tgi)를 검출하고, 상기 인케이싱 내부 온도(Tgi)와 설정온도(Tgs)를 비교하며, 상기 인케이싱 내부 온도(Tgi)가 설정온도(Tgs)보다 같거나 크면 심정펌프(SP)를 운전하고, 상기 심정펌프(SP)의 운전과 동시에 솔레노이드밸브(SV)를 개방하며, 상기 심정펌프(SP)를 축열온도에 도달할 때까지 운전하고, 상기 심정펌프(SP)를 축열온도에 도달하면 정지하며, 상기 심정펌프(SP)의 운전중 인케이싱 내부 온도(Tgi)가 설정온도(Tgs)보다 작으면 지중열복원을 위해 상기 심정펌프를 정지하고, 저수위(Hu:안정수위)가 감지되면 솔레노이드밸브(SV)가 열린 상태에서 심정펌프(SP)를 정지한 다음 안정수위가 감지되지 않으면 일정 시간 후 다시 심정펌프(SP)를 가동하며, 고수위(Ho:오버플로우)가 감지되면 솔레노이드밸브(SV)를 닫아 환원수의 심정으로의 유입을 차단한다.
상기 지중열교환기의 제어에 있어서, 냉난방 운전 모드가 냉방모드인 경우, 상기 지중열교환기의 인케이싱 내부 온도(Tgi)를 검출하고, 상기 인케이싱 내부 온도(Tgi)와 설정온도(Tgs)를 비교하며, 상기 인케이싱 내부 온도(Tgi)가 설정온도(Tgs)보다 같거나 작으면 심정펌프(SP)를 운전하고, 상기 심정펌프(SP)의 운전과 동시에 솔레노이드밸브(SV)를 개방하며, 상기 심정펌프(SP)를 축열온도에 도달할 때까지 운전하고, 상기 심정펌프(SP)를 축열온도에 도달하면 정지하며, 상기 심정펌프(SP)의 운전중 인케이싱 내부 온도(Tgi)가 설정온도(Tgs)보다 크면 지중열복원을 위해 상기 심정펌프를 정지하고, 상기 저수위(Hu:안정수위)가 감지되면 솔레노이드밸브(SV)가 열린 상태에서 심정펌프(SP)를 정지한 다음 안정수위가 감지되지 않으면 일정 시간 후 다시 심정펌프(SP)를 가동하며, 상기 고수위(Ho:오버플로우)가 감지되면 솔레노이드밸브(SV)를 닫아 환원수의 심정으로의 유입을 차단한다.
그리고, 상기 저수위(Hu)와 고수위(Ho)가 동시에 감지되면 "공붕괴 또는 유공관 막힘" 이력 표시와 경보를 발생함과 동시에 심정펌프(SP)를 정지하고, 상기 고수위(Ho)가 짧은 시간에 주기적으로 자주 발생하면 "심정펌프 이상(임펠러 소손 또는 모터불량)" 이력표시와 표시와 경보를 발생함과 동시에 심정펌프를 정지하며, 상기 인케이싱 내부 온도와 아웃케이싱 내부 온도의 차(Tgi-Tgo)가 설정온도차(Tgx)보다 작으면 "인케이싱 중간 이탈 및 파손 의심으로 열교환 불량"이력표시와 표시와 경보를 발생함과 동시에 심정펌프(SP)를 정지한다.
상기 고수위(Ho)가 짧은 시간에 주기적으로 자주 발생한다 함은 1분에 2회 이상 발생하는 것으로 지중열교환기 설치 현장의 상황에 따라 설정주기와 시간을 조정할 수 있다.
상기 인케이싱 내부 온도와 아웃케이싱 내부 온도의 차(Tgi-Tgo)의 설정온도차(Tgx)는 2 이하로 설정함이 바람직하다.
지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전에 있어서, 히트펌프의 운전이 난방모드일 경우, 히트펌프의 운전가능 조건이 되면, 압축기에서 고온고압의 냉매를 토출하고, 냉매가 사방변을 거쳐 응축기로 작동하는 제1열교환기와 제1보조열교환기로 유입되고, 응축기에서 냉매의 열이 냉온수로 방열되면서 냉매가 응축되고, 팽창변에서 교축팽창되며, 증발기로 작동하는 제2열교환기와 제2보조열교환기에서 냉매가 지중열을 흡수하여 냉매가 증발되고, 증발된 냉매가 압축기로 유입되어 순환하며, 응축기(제1열교환기+제1보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T1-T2)가 설정온도차 (Ts)와 같거나 작으면 제1 삼방변(SV1)을 닫아 제1열교환기에만 냉온수가 흐르게 하여 냉매의 방열량을 작게 하고, 응축기(제1열교환기+제1보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T1-T2)가 설정온도차 (Ts)보다 크면 제1 삼방변(SV1)을 열어 제1열교환기와 제1보조열교환기에 냉온수가 흐르게 하여 냉매의 방열량을 크게 하여 냉매 과냉각도를 조정하고, 증발기(제2열교환기+제2보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T4-T3)가 설정온도차 (Ts)와 같거나 작으면 제2 삼방변(SV2)을 닫아 제2열교환기에만 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 작게 하고, 증발기(제2열교환기+제2보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T4-T3)가 설정온도차 (Ts)보다 크면 제2 삼방변(SV2)을 열어 제2열교환기와 제2보조열교환기에 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 크게 하여 냉매 과열도를 조정하고, 압축기 전, 후단의 냉매 고,저압 압력비(Ph/Pl)가 설정압력비(Ps)보다 크면 제2 삼방변(SV2)를 온시켜 제2열교환기와 제2보조열교환기에 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 크게 하여 압축비를 낮추고, 압축기 전, 후단의 냉매 고,저압 압력비(Ph/Pl)가 설정압력비(Ps)와 같거나 작으면 제2 삼방변(SV2)를 오프시켜 제2열교환기에만 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 보다 작게 하여 저압축비 운전으로 조정할 수 있다.
그리고, 상기 히트펌프의 운전이 냉방모드일 경우,
상기 히트펌프의 운전가능 조건이 되면, 상기 압축기에서 고온고압의 냉매를 토출하고, 냉매가 사방변을 거쳐 응축기로 작동하는 제2열교환기와 제2보조열교환기로 유입되고, 상기 응축기에서 냉매의 열이 냉온수로 방열되면서 냉매가 응축되고, 팽창변에서 교축팽창되며, 상기 증발기로 작동하는 제1열교환기와 제1보조열교환기에서 냉매가 지중열을 흡수하여 냉매가 증발되고, 증발된 냉매가 압축기로 유입되어 순환하며, 상기 응축기(제2열교환기+제2보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T4-T3)가 설정온도차 (Ts)와 같거나 작으면 제2 삼방변(SV2)을 닫아 제2열교환기에만 냉온수가 흐르게 하여 냉매의 방열량을 작게 하고, 상기 응축기(제2열교환기+제2보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T4-T3)가 설정온도차 (Ts)보다 크면 제1 삼방변(SV2)을 열어 제2열교환기와 제2보조열교환기에 냉온수가 흐르게 하여 냉매의 방열량을 크게 하여 냉매 과냉각도를 조정하고, 상기 증발기(제1열교환기+제1보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T1-T2)가 설정온도차 (Ts)와 같거나 작으면 제1 삼방변(SV1)을 닫아 제1열교환기에만 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 작게 하고, 상기 증발기(제1열교환기+제1보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T1-T2)가 설정온도차 (Ts)보다 크면 제1 삼방변(SV1)을 열어 제1열교환기와 제1보조열교환기에 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 크게 하여 냉매 과열도를 조정하고, 상기 압축기 전, 후단의 냉매 고,저압 압력비(Ph/Pl)가 설정압력비(Ps)보다 크면 제1 삼방변(SV1)를 온시켜 제1열교환기와 제1보조열교환기에 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 크게 하여 압축비를 낮추고, 상기 압축기 전, 후단의 냉매 고,저압 압력비(Ph/Pl)가 설정압력비(Ps)와 같거나 작으면 제1 삼방변(SV1)를 오프시켜 제1열교환기에만 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 보다 작게 하여 저압축비 운전으로 조정할 수 있다.
상기 압축기 전, 후단의 냉매 고,저압 압력비(Ph/Pl)의 설정압력비(Ps)는 2 이하로 설정함이 바람직하다.
그리고, 상기 히트펌프의 열원수펌프와 냉온수펌프를 가동한 후 히트펌프를 가동하고,히트펌프 가동 중 열원수입출구와 냉온수입출구의온도(Ti, To)를 검출하며, 입출구온도차(To-Ti)를 비교하여 설정온도범위(Tsmin < |To-Ti| < Tsmax) 안에 속하는 히트펌프의 운전순서(HP1~HPk)를 운전조건이 좋은 순으로 재결정한다.
상기 열원수펌프와 냉온수펌프의 입출구온도차(To-Ti)가 설정온도범위(Tsmin < |To-Ti| < Tsmax)보다 작거나 크면 "히트펌프 기기 이상"이력과 함께 알람을 작동하고, 해당 히트펌프와 열원수 펌프와 냉온수 펌프를 정지한다.
이상에 설명한 본 명세서 및 청구범위에 사용되는 용어 및 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 본 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서, 본 명세서에 기재된 도면 및 실시 예에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것이 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
100: 지중열교환기
110: 지열공급헤더
120: 지열환수헤더
140: 지열공
141: 아웃케이싱
142: 인케이싱
143: 상부보호정
144: 지하수환수관
145: 지하수토출관
145a: 유공관
145b: 심정펌프
146: 솔레노이드밸브
147: 저수위센서
148: 고수위센서
149: 지하수온도센서
200: 히트펌프
210: 제1열교환기
211: 제1보조열교환기
213: 제1삼방변
220: 팽창밸브
230: 제2열교환기
231: 제2보조열교환기
233: 제2삼방변
240: 사방변
250: 압축기
270: 온도센서
280: 압력센서
300: 열원측순환부
310: 지열순환라인
320: 판형열교환기
330: 2차순환펌프
400: 부하측순환부
410: 냉온수환수헤더
420: 냉온수공급헤더
430: 냉온수순환라인
440: 냉온수순환펌프
500: 중앙관리센터
510: 메인제어부
520: MCC제어부
530: 지열제어부
540: 히트펌프제어부
600: 축열조
610: 축열측순환부
620: 축열순환라인
630: 축열순환펌프
GL: 지면

Claims (15)

  1. 절기별 축냉열온도를 결정하는 a)단계(S100)와;
    과거 10일간 일평균 외기온도 변화량과 일기예보로 축냉열온도를 보정하는 b)단계(S110)와;
    히트펌프 가동대수를 결정하는 c)단계(S120)와;
    심정펌프 가동대수를 결정하는 d)단계(S130)와;
    열원수입출구와 냉온수입출구의 압력차로 히트펌프 가동순서를 결정하는 e)단계(S140)와;
    지열공내 온도로 심정펌프 가동순서를 결정하는 f)단계(S150)와;
    전력부하의 효율적 관리를 위해 심야(23시 ~ 8시)운전시간과 주간운전시간을 배분하는 g)단계(S160)와;
    심정펌프를 순차 가동하는 h)단계(S170)와;
    히트펌프를 순차 가동하는 i)단계(S180)와;
    심정펌프 가동중 지중열교환기의 조건에 따라 가동순서를 재배열하는 j)단계(S190)와;
    히트펌프 가동중 열원수입출구와 냉온수입출구의 온도차로 히트펌프 가동순서를 재배열하는 k)단계(S200)와;
    축열온도에 도달하면 히트펌프를 순차 정지하는 l)단계(S210)와;
    축열온도에 도달하면 심정펌프를 순차 정지하는 m)단계(S220)와;
    축열운전조건이 발생하면 상기 a ~ m 단계를 반복 실행하는 n)단계(S230)를 포함하는 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 냉난방 운전이 자동모드인 경우,
    절기별 축열온도를 설정하고,
    외기온도(To)를 확인하여 절기별 평균기온과 비교하여 상기 외기온도(To)에 따른 부하량에 해당하는 축열온도로 보정하며,
    일기예보를 확인하여 상기 축열온도를 재보정하고,
    상기 축열온도가 난방조건이면 난방운전으로 제어를 실행하며,
    축열조온도를 확인하고 상기 축열온도와 비교하여 생산해야할 축열량에 맞는 히트펌프 운전대수(k)를 결정하고,
    상기 히트펌프 운전대수(k)에 맞는 심정펌프 운전대수(i)를 결정하며,
    지중열교환기(100)의 각각에 지열공(140)내 지하수온도센서(149)에 의해 검출된 온도(Tgi1~Tgin)를 비교하여 높은 온도순으로 심정펌프 운전순서(SP1~SPi)를 결정하고,
    상기 심정펌프 운전대수(i) 만큼 심정펌프(145b)를 심정펌프 운전순서(SP1~SPi)에 따라 순차 운전하며,
    히트펌프(200)의 열원수입출구와 냉온수입출구의 압력(Pi, Po)을 검출하여 입출구 압력차(Po-Pi)를 비교하여 압력차(Po-Pi)가 작은 순으로 히트펌프 운전순서(HP1~HPk)를 결정하고,
    상기 히트펌프 운전대수(k)만큼 히트펌프를 히트펌프 운전순서(HP1~HPk)에 따라 순차운전하며,
    축열기준 온도범위에 도달하면 상기 히트펌프를 압력차(Po-Pi)가 작은 역순으로 순차 정지하고,
    그 다음, 상기 심정펌프를 각 지열공의 낮은 온도순으로 심정펌프 운전순서(SP1~SPi)에 따라 순차 정지함을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 축열온도가 냉방조건이면 냉방운전으로 제어를 실행하며,
    상기 축열조온도를 확인하고 축열온도와 비교하여 생산해야할 축열량에 맞는 히트펌프 운전대수(k)를 결정하고,
    상기 히트펌프 운전대수(k)에 맞는 심정펌프 운전대수(i)를 결정하며,
    상기 지중열교환기의 지열공내 온도(Tgi1~Tgin)를 비교하여 낮은 온도순으로 심정펌프 운전순서(SP1~SPi)를 결정하고,
    상기 심정펌프 운전대수(i) 만큼 심정펌프를 심정펌프 운전순서(SP1~SPi)에 따라 순차 운전하며,
    상기 히트펌프의 열원수입출구와 냉온수입출구의 압력(Pi, Po)을 검출하여 입출구 압력차(Po-Pi)를 비교하여 압력차(Po-Pi)가 작은 순으로 히트펌프 운전순서(HP1~HPk)를 결정하고,
    상기 히트펌프 운전대수(k)만큼 히트펌프를 히트펌프 운전순서(HP1~HPk)에 따라 순차운전하며,
    축열기준 온도범위에 도달하면 상기 히트펌프를 압력차(Po-Pi)가 작은 역순으로 순차 정지하고,
    그 다음 상기 심정펌프를 각 지열공의 높은 온도순으로 심정펌프 운전순서(SP1~SPi)에 따라 순차 정지함을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 히트펌프의 열원수펌프와 냉온수펌프의 입출구 압력차(Po-Pi)가 압력차 기준치(PS)보다 크면 "열교환기 이상"디스플레이와 함께 경보를 발생하고,
    상기 히트펌프를 정지한 다음 열원수펌프와 냉온수펌프를 정지함을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 압력차 기준치(PS)는 2 이하인 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 냉난방 운전이 난방모드인 경우,
    지중열교환기의 인케이싱 내부 온도(Tgi)를 검출하고,
    상기 인케이싱 내부 온도(Tgi)와 설정온도(Tgs)를 비교하며,
    상기 인케이싱 내부 온도(Tgi)가 설정온도(Tgs)보다 같거나 크면 심정펌프(SP)를 운전하고,
    상기 심정펌프(SP)의 운전과 동시에 솔레노이드밸브(SV)를 개방하며,
    상기 심정펌프(SP)를 축열온도에 도달할 때까지 운전하고,
    상기 심정펌프(SP)를 축열온도에 도달하면 정지하며,
    상기 심정펌프(SP)의 운전중 인케이싱 내부 온도(Tgi)가 설정온도(Tgs)보다 작으면 지중열복원을 위해 상기 심정펌프를 정지하고,
    저수위(Hu:안정수위)가 감지되면 솔레노이드밸브(SV)가 열린 상태에서 심정펌프(SP)를 정지한 다음 안정수위가 감지되지 않으면 일정 시간 후 다시 심정펌프(SP)를 가동하며,
    고수위(Ho:오버플로우)가 감지되면 솔레노이드밸브(SV)를 닫아 환원수의 심정으로의 유입을 차단하는 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 냉난방 운전이 냉방모드인 경우,
    상기 지중열교환기의 인케이싱 내부 온도(Tgi)를 검출하고,
    상기 인케이싱 내부 온도(Tgi)와 설정온도(Tgs)를 비교하며,
    상기 인케이싱 내부 온도(Tgi)가 설정온도(Tgs)보다 같거나 작으면 심정펌프(SP)를 운전하고,
    상기 심정펌프(SP)의 운전과 동시에 솔레노이드밸브(SV)를 개방하며,
    상기 심정펌프(SP)를 축열온도에 도달할 때까지 운전하고,
    상기 심정펌프(SP)를 축열온도에 도달하면 정지하며,
    상기 심정펌프(SP)의 운전중 인케이싱 내부 온도(Tgi)가 설정온도(Tgs)보다 크면 지중열복원을 위해 상기 심정펌프를 정지하고,
    저수위(Hu:안정수위)가 감지되면 솔레노이드밸브(SV)가 열린 상태에서 심정펌프(SP)를 정지한 다음 안정수위가 감지되지 않으면 일정 시간 후 다시 심정펌프(SP)를 가동하며,
    고수위(Ho:오버플로우)가 감지되면 솔레노이드밸브(SV)를 닫아 환원수의 심정으로의 유입을 차단하는 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 저수위(Hu)와 고수위(Ho)가 동시에 감지되면 "공붕괴 또는 유공관 막힘" 이력 표시와 경보를 발생함과 동시에 심정펌프(SP)를 정지하고,
    상기 고수위(Ho)가 짧은 시간에 주기적으로 자주 발생하면 "심정펌프 이상(임펠러 소손 또는 모터불량)" 이력표시와 표시와 경보를 발생함과 동시에 심정펌프를 정지하며,
    상기 인케이싱 내부 온도와 아웃케이싱 내부 온도의 차(Tgi-Tgo)가 설정온도차(Tgx)보다 작으면 "인케이싱 중간 이탈 및 파손 의심으로 열교환 불량"이력표시와 표시와 경보를 발생함과 동시에 심정펌프(SP)를 정지하는 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 고수위(Ho)가 짧은 시간에 주기적으로 자주 발생한다 함은 1분에 2회 이상 발생하는 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 설정온도차(Tgx)는 2 이하인 것을 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템에 히트펌프의 운전이 난방모드인 경우,
    히트펌프의 운전가능 조건이 되면,
    압축기에서 고온고압의 냉매를 토출하고,
    냉매가 사방변을 거쳐 응축기로 작동하는 제1열교환기와 제1보조열교환기로 유입되고,
    응축기에서 냉매의 열이 냉온수로 방열되면서 냉매가 응축되고,
    팽창변에서 교축팽창되며,
    증발기로 작동하는 제2열교환기와 제2보조열교환기에서 냉매가 지중열을 흡수하여 냉매가 증발되고,
    증발된 냉매가 압축기로 유입되어 순환하며,
    응축기(제1열교환기+제1보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T1-T2)가 설정온도차 (Ts)와 같거나 작으면 제1 삼방변(SV1)을 닫아 제1열교환기에만 냉온수가 흐르게 하여 냉매의 방열량을 작게 하고,
    응축기(제1열교환기+제1보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T1-T2)가 설정온도차 (Ts)보다 크면 제1 삼방변(SV1)을 열어 제1열교환기와 제1보조열교환기에 냉온수가 흐르게 하여 냉매의 방열량을 크게 하여 냉매 과냉각도를 조정하고,
    증발기(제2열교환기+제2보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T4-T3)가 설정온도차 (Ts)와 같거나 작으면 제2 삼방변(SV2)을 닫아 제2열교환기에만 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 작게 하고,
    증발기(제2열교환기+제2보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T4-T3)가 설정온도차 (Ts)보다 크면 제2 삼방변(SV2)을 열어 제2열교환기와 제2보조열교환기에 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 크게 하여 냉매 과열도를 조정하고,
    압축기 전, 후단의 냉매 고,저압 압력비(Ph/Pl)가 설정압력비(Ps)보다 크면 제2 삼방변(SV2)를 온시켜 제2열교환기와 제2보조열교환기에 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 크게 하여 압축비를 낮추고,
    압축기 전, 후단의 냉매 고,저압 압력비(Ph/Pl)가 설정압력비(Ps)와 같거나 작으면 제2 삼방변(SV2)를 오프시켜 제2열교환기에만 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 보다 작게 하여 저압축비 운전으로 조정하는 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템에 히트펌프의 운전이 냉방모드인 경우,
    상기 히트펌프의 운전가능 조건이 되면,
    압축기에서 고온고압의 냉매를 토출하고,
    냉매가 사방변을 거쳐 응축기로 작동하는 제2열교환기와 제2보조열교환기로 유입되고,
    응축기에서 냉매의 열이 냉온수로 방열되면서 냉매가 응축되고,
    팽창변에서 교축팽창되며,
    증발기로 작동하는 제1열교환기와 제1보조열교환기에서 냉매가 지중열을 흡수하여 냉매가 증발되고,
    증발된 냉매가 압축기로 유입되어 순환하며,
    응축기(제2열교환기+제2보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T4-T3)가 설정온도차 (Ts)와 같거나 작으면 제2 삼방변(SV2)을 닫아 제2열교환기에만 냉온수가 흐르게 하여 냉매의 방열량을 작게 하고,
    응축기(제2열교환기+제2보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T4-T3)가 설정온도차 (Ts)보다 크면 제1 삼방변(SV2)을 열어 제2열교환기와 제2보조열교환기에 냉온수가 흐르게 하여 냉매의 방열량을 크게 하여 냉매 과냉각도를 조정하고,
    증발기(제1열교환기+제1보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T1-T2)가 설정온도차 (Ts)와 같거나 작으면 제1 삼방변(SV1)을 닫아 제1열교환기에만 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 작게 하고,
    증발기(제1열교환기+제1보조열교환기) 전, 후단의 냉매 온도차(T1-T2)가 설정온도차 (Ts)보다 크면 제1 삼방변(SV1)을 열어 제1열교환기와 제1보조열교환기에 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 크게 하여 냉매 과열도를 조정하고,
    압축기 전, 후단의 냉매 고,저압 압력비(Ph/Pl)가 설정압력비(Ps)보다 크면 제1 삼방변(SV1)를 온시켜 제1열교환기와 제1보조열교환기에 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 크게 하여 압축비를 낮추고,
    압축기 전, 후단의 냉매 고,저압 압력비(Ph/Pl)가 설정압력비(Ps)와 같거나 작으면 제1 삼방변(SV1)를 오프시켜 제1열교환기에만 열원수가 흐르게 하여 냉매의 흡열량을 보다 작게 하여 저압축비 운전으로 조정하는 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  13. 제 11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 설정압력비(Ps)는 2 이하인 것을 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  14. 제 1항의 히트펌프를 제어함에 있어서,
    열원수펌프와 냉온수펌프를 가동한 후 히트펌프를 가동하고,
    히트펌프 가동 중 열원수입출구와 냉온수입출구의온도(Ti, To)를 검출하며,
    입출구온도차(To-Ti)를 비교하여 설정온도범위(Tsmin < |To-Ti| < Tsmax) 안에 속하는 히트펌프의 운전순서(HP1~HPk)를 운전조건이 좋은 순으로 재결정하는 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 열원수펌프와 냉온수펌프의 입출구온도차(To-Ti)가 설정온도범위(Tsmin < |To-Ti| < Tsmax)보다 작거나 크면 "히트펌프 기기 이상"이력과 함께 알람을 작동하고,
    해당 히트펌프와 열원수 펌프와 냉온수 펌프를 정지하는 것을 특징으로 하는 수직 개방형 지중 열교환기를 사용하는 지열원 히트펌프 냉난방 시스템의 운전 제어방법.
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