KR101993627B1

KR101993627B1 - 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR101993627B1
Application number: KR1020180069588A
Authority: KR
Inventors: 노승엽
Original assignee: 노승엽; 주식회사 대명이앤지; 엘씨엔컨설턴트 주식회사
Priority date: 2018-06-18
Filing date: 2018-06-18
Publication date: 2019-06-27

Abstract

본 발명은 지열 냉난방 시스템에 관한 것으로, 지하에 구비되어 계절에 상관없이 12 ~ 18℃ 열을 갖는 지열원과; 상기 지열원부터 지열수를 공급 및 순환시켜 히트펌프의 지열열교환기로 열교환되도록 지열공급관 및 지열환수관으로 순환 연결되는 지열순환부와; 상기 지열순환부의 지열공급관 및 지열환수관에 각각 구비되어 유량, 온도, 수위를 측정 및 제어하는 지열제어유닛과; 상기 지열순환부를 통해 공급되는 지열수를 열교환하는 지열열교환기를 포함하여 실내부하 측에 교환된 열을 방출하는 히트펌프와; 상기 히트펌프의 순환매체를 순환시키도록 관로 연결되는 매체공급관 및 매체환수관을 갖는 매체순환부와; 상기 매체순환부의 매체공급관 및 매체환수관에 각각 구비되어 유량, 온도, 수위를 측정 및 제어하는 매체제어유닛과; 상기 지열제어유닛과 매체제어유닛을 통해 상기 지열원, 히트펌프, 실내부하 측의 각 측정값에 따라 온도차(△T)에 대응하여 지열제어유닛과 매체제어유닛을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템을 제공하고, 상기한 구성으로 이루어진 지열 냉난방 시스템을 제어방법에 있어서, 상기 제어부를 통해 측정된 실내부하 측 온도와 지열원의 온도를 비교하여 히트펌프의 최적 온도의 유지를 위해 지열원의 지열수 공급량을 설정하는 설정단계와; 상기 제어부의 제어에 따라 상기 지열제어유닛 및 매체제어유닛 통해 유량, 온도, 수위를 측정하여 해당 열량에 대응하여 히트펌프를 구동시키는 구동단계와; 상기 제어부의 제어를 통해 히트펌프의 열교환된 온도차와 순환매체에 따라 실내부하와 지열원의 측정값을 비교여 지열제어유닛 및 매체제어유닛의 펌프 및 밸브를 작동시켜 순환매체의 공급량을 조절하는 조절단계와; 지열열교환기에 의해 실내부하 측으로 열을 방출한 순환매체와 지열수의 열교환을 통해 지열순환부의 지열환수관을 따라 방출열이 환수되는 환수단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템 제어방법을 제공하여 실내부하 및 공급지열수의 온도에 따라 지열원으로부터 공급지열수를 선택적으로 사용하여 최적의 열교환 온도로 조정하고, 히트펌프의 온도차와 공급지열수의 량을 조절하여 효율적인 운전과 함께, 기존에 비해 정확한 COP 산출하여 냉난방 효율을 극대화 할 수 있다.

Description

히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템 및 그 제어방법{Geothermal heating and cooling system for optimization of heat pump And That control method}

본 발명은 지열 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 실내부하 및 공급지열수의 온도에 따라 지열원으로부터 공급지열수를 선택적으로 사용하여 최적의 열교환 온도로 조정하고, 히트펌프의 온도차와 공급지열수의 량을 조절하여 효율적인 운전과 함께, 기존에 비해 정확한 COP 산출하여 냉난방 효율을 극대화 할 수 있는 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 지열 냉난방 시스템은 기후조건이나 계절의 변화에 관계없이 냉난방용으로 일정하게 이용할 수 있는 땅속 열원을 이용하는 것으로, 열원을 가진 일정 깊이 이상의 땅속 지하수와 에너지 효율이 높은 히트펌프간의 열교환을 통한 건물의 냉난방 에너지로 사용하는 시스템이다.

이러한, 지열 냉난방 시스템은 열원을 획득하는 지열열교환기 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 지열 냉난방 시스템 중 밀폐형은 지하 150 ~ 200m의 지하수 열원을 이용하는 방식으로, 개방형에 사용되는 열원보다 낮은 열원을 가지며, 많은 지열원을 필요로 한다.

여기서, 상기 밀폐형의 지열원 한 개 당 용량은 2 ~ 3RT 수준으로 평균 2.8 RT의 열원이고, 이러한 밀폐형은 국내 지열냉난방 설비의 80% 이상 운용되고 있다.

한편, 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 하는데 지열원 천공 시에 대수층 오염이나 열교환에 따른 지하 생태계의 영향을 줄 수 있다.

따라서, 밀폐형에 경우 개방형에 비해 대규모 시설 등에 적용하기에는 많은 지열원의 천공이 필요한 반면에 수질오염의 위험성을 적은 편이고, 개방형에 경우 천공된 지열원의 개수가 적어 좁은 공간에도 설치가 용이하고, 대용량의 에너지를 공급할 수 있는 반면에, 수질오염의 위험성이 높으므로, 지역적 특성이나 기온 및 생활환경에 따라 밀폐형 또는 개방형을 선택 사용할 수 있다.

한편, 지열 냉난방 시스템에 사용되는 히트펌프는 냉난방 용량이 가장 더운 날과 추운 날의 실내부하에 대응할 수 있는 최대 용량으로 설계되지만, 실제 1년 중 이와 같은 최대용량이 필요한 실내부하가 발생하는 경우는 많지 않고, 대부분은 최대 용량 이하의 실내부하만 발생하게 된다.

이러한, 상황에서 실제 히트펌프의 운전방식을 보면 실내부하의 크기에 상관없이 지열원 내 수중모터가 항시 최대 양수량을 제공하도록 정격 운전됨으로써, 불필요한 에너지를 소모한다는 문제가 있었다.

이에 대하여 특허문헌 1의 지열 냉난방장치는 지열원에 저장된 지열수의 온도가 계절에 상관없이 항시 12 ~ 18℃ 정도를 유지하고 있는데, 이러한 온도 범위를 가진 지하수와 열교환하는 히트펌프는 보통 제어반에서 열교환시의 온도차를 보통 5℃ 정도의 고정값으로 설정하여 운전하게 되고, 이에 따라, 지열원에서 공급되는 지하수의 온도가 18℃ 이상일 경우 냉방운전 시에 지열열교환기에서 열교환 후 지열원으로 환수되는 70% 정도의 지하수는 보통 온도가 23℃ 정도로 상승된 상태로 환수되는 기술이 제안되었다.

이 경우 승온된 환수가 이루어지면서 냉방운전이 지속되게 되면 오전에는 정상운전이 가능한 수준 18℃를 유지하다가 지속적으로 고온의 지하수 환수가 누적되면서 점차 지열 순환매체의 온도가 24 ~ 25℃ 정도로 올라가면서 열효율이 저하되기 시작하다가 오후 3 ~ 4시 정도가 되면 환수되는 지열 순환매체 온도가 최대 27℃까지 상승하게 되어 지열원과 히트펌프의 온도차가 역전되므로 지열 순환매체를 이용한 정상적인 열교환이 이루어지기 어렵게 되고, 이 때문에 일정시간 가동을 중지할 수밖에 없어서 히트펌프의 지속운전이 불가능하게 된다는 구조적 문제점이 지속적으로 발생되는 것을 알 수 있다.

이와 더불어, 실제 지열에서 얻을 수 있는 열량과 그에 따른 전기 대체량(전기 생산량) 및 COP 등의 정밀한 계산이 불가능하여, 히트펌프에서의 단순한 COP 계산으로 지열 냉난방 시스템을 운전함으로써, 비효율적인 운전이 이루어진다는 제어 방법상의 문제점을 가지고 있다.

이러한, 종래의 지열 냉난방 시스템은 적은 양의 실내의 냉난방도 항상 히트펌프를 가동시켜야 하므로 전력의 소비가 증대되며 이에 따라 지열 냉난방 시스템의 전체 효율을 크게 저하시키게 되며 냉난방 운전 초기 냉난방 공급이 원활치 않아 실내 쾌적함을 저하시킨다.

또한, 지열 냉난방 시스템의 문제점은 환수되는 지열과 공급되는 지열 사이에 열교환이 활발히 이루어지면서 열효율을 크게 저하시키는 점이다. 즉, 환수되어서 지열공으로 공급되는 지열과 열 복원되어서 외부로 공급되는 지열 사이에는 열교환이 최소화되도록 서로 확실하게 차단되어야 한다.

그런데 종래에는 지열이 지열공보호관의 내부로 환수된 후 하측으로 흐르면서 열 복원되는 동안 지열흡입관의 둘레를 따라 흐르게 된다. 따라서 열복 원이 이루어져야 할 환수된 지열과 열복 원이 이미 이루어져서 외부로 공급될 지열이 지열흡입관을 매개로 지속적으로 접촉되면서 열교환이 이루어지며 이에 따라 이미 열 복원된 지열수의 열효율을 크게 저하시키게 된다.

이를 극복하기 위해 특허문헌 2은 제1바이패스밸브 및 제2바이패스밸브가 열리면 제1밸브 및 제2밸브가 차단되면서 매체공급관으로부터 공급되는 순환매체 및 매체환수관으로 환수되는 순환매체가 히트펌프를 경유하지 않고 지열공 및 실내의 실내기를 순환하면서 냉난방 운전 초기 혹은 간절기 등 적은 부하 량을 요하는 경우 실내를 예열함에 따라 히트펌프의 작동 없이 지열열교환기의 지열만으로 실내를 예열시키는 구조를 제공하였다.

즉, 개방형 또는 밀폐형에 따라 열교환에 적용되는 열매체를 서로 달리 해야 하는 점에서 지열과 물-물 히트펌프에만 적용되는 방식에서 개방형과 밀폐형 모두에 적용 가능하게 구조적으로 설치할 수 있으나, 최는 물-물 히트펌프뿐 만 아니라 냉난방 설비의 대세로 떠오르는 물-공기 히트펌프까지 적용 가능한 구조가 요구되는 바이다.

즉, 건축물에 발생하는 대부분의 실내부하에 경우 항시 수용되는 고정인원(고정부하)과 수시로 출입되는 유동인원(가변부하)으로 구분되는데, 가변부하에 대한 정확성을 판단하기 어렵기 때문에 대부분 냉난방 부하 계산시 전체부하에 일정량 이상의 할증을 두어 설계하는 것이 통상적이지만, 최대가변부하에 대해 전체적으로 대응하지 못한 냉난방 운영으로 인해 에너지 효율성이 떨어지는 문제와 간절기 등 적은 부하 량을 요할 시에도 히트펌프가 운전됨에 따라 에너지 절감이 어려운 문제점이 있다.

KR 10-2012-0041374 U

상기한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 개방형, 밀폐형에 상관없이 계절에 따라 실내부하에 대응하여 지열원의 지열수를 적절히 운영하여 히트펌프의 운전을 효율적으로 개선하여, 기존에 비해 정확한 COP 산출, 냉난방 효율성 극대화 할 수 있는 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 지하에 구비되어 계절에 상관없이 12 ~ 18℃ 열을 갖는 지열원과; 상기 지열원부터 지열수를 공급 및 순환시켜 히트펌프의 지열열교환기로 열교환되도록 지열공급관 및 지열환수관으로 순환 연결되는 지열순환부와; 상기 지열순환부의 지열공급관 및 지열환수관에 각각 구비되어 유량, 온도, 수위를 측정 및 제어하는 지열제어유닛과; 상기 지열순환부를 통해 공급되는 지열수를 열교환하는 지열열교환기를 포함하여 실내부하 측에 교환된 열을 방출하는 히트펌프와; 상기 히트펌프의 순환매체를 순환시키도록 관로 연결되는 매체공급관 및 매체환수관을 갖는 매체순환부와; 상기 매체순환부의 매체공급관 및 매체환수관에 각각 구비되어 유량, 온도, 수위를 측정 및 제어하는 매체제어유닛과; 상기 지열제어유닛과 매체제어유닛을 통해 상기 지열원, 히트펌프, 실내부하 측의 각 측정값에 따라 온도차(△T)에 대응하여 지열제어유닛과 매체제어유닛을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템을 제공한다.

여기서, 상기 제어부는 상기 지열원에서 공급되는 지열이 지열열교환기를 거쳐 열교환 후 지열원으로 환수될 때, 지열제어유닛의 수위센서 및 온도센서의 측정을 통해 지열수의 수두차 및 온도차를 측정하여 지열제어유닛의 밸브를 개폐 작동시켜 선택적으로 제어하고, 순환매체의 순환 량을 조절할 때, 매체제어유닛의 수위센서 및 온도센서를 통해 수두차 및 온도차를 측정하여 매체제어유닛의 펌프를 작동시켜 실내부하 측에 필요로 하는 열량을 공급할 수 있도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 지열제어유닛 및 매체제어유닛은 지진발생을 모니터링 할 수 있게 유량, 온도, 수위 등의 데이터를 측정하는 온도센서, 유량계, 개폐밸브, 수위센서가 각각 지열순환부 및 매체순환부를 따라 구비되는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기한 구성으로 이루어진 지열 냉난방 시스템을 제어방법에 있어서, 상기 제어부를 통해 측정된 실내부하 측 온도와 지열원의 온도를 비교하여 히트펌프의 최적 온도의 유지를 위해 지열원의 지열 공급량을 설정하는 설정단계와; 상기 제어부의 제어에 따라 상기 지열제어유닛 및 매체제어유닛 통해 유량, 온도, 수위를 측정하여 해당 열량에 대응하여 히트펌프를 구동시키는 구동단계와; 상기 제어부의 제어를 통해 히트펌프의 열교환된 온도차와 순환매체에 따라 실내부하와 지열원의 측정값을 비교여 지열제어유닛 및 매체제어유닛의 펌프 및 밸브를 작동시켜 순환매체의 공급량을 조절하는 조절단계와; 지열열교환기에 의해 실내부하 측으로 열을 방출한 순환매체와 지열수의 열교환을 통해 지열순환부의 지열환수관을 따라 방출열이 환수되는 환수단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템 제어방법을 제공한다.

그리고, 상기 조절단계에서 상기 제어부는 지열원으로부터 공급되는 지열수를 지열제어유닛의 온도센서를 통해 설정된 범위 내에서 히트펌프가 상대적으로 온도차가 높을 경우 매체제어유닛의 펌프를 통해 순환매체의 공급량을 상대적으로 적게 조절하고, 지열원으로부터 공급되는 지열수를 지열제어유닛의 온도센서를 통해 설정된 범위 내에서 히트펌프가 상대적으로 온도차가 낮을 경우 매체제어유닛의 펌프를 통해 순환매체의 공급량을 상대적으로 많게 조절하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 히트펌프의 운전을 효율적으로 개선함에 따라 기존에 비해 정확한 COP 산출할 수 있고, 냉난방 효율성 극대화 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템을 나타내는 개념도.
도 3는 본 발명에 따른 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템이 적용되는 실시예도.
도 4는 본 발명에 따른 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템의 개념을 나타내는 블럭도.
도 5는 본 발명에 따른 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템의 제어방법을 나타내는 순서도.

이하, 본 발명에 대하여 동일한 기술분야에 속하는 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 첨부도면을 참조하여 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명의 지열 냉난방 시스템은 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 지열원(200)에서 제공되는 지열수를 지열공급관(111) 및 지열환수관(121)을 통해 지상으로 순환시키는 지열순환부(100)와, 상기 지열수와 열교환되는 순환매체를 갖는 매체순환부(600)와, 상기 순환매체를 이용하여 실내부하 측에 냉난방을 수행하는 히트펌프(300)와, 상기 지열순환부(100), 매체순환부(600), 히트펌프(300)를 제어하는 제어부(900)를 포함하여 구성할 수 있다.

여기서, 상기 실내부하라 함은 냉난방 열원의 사용처로 예컨대, 실내 공간, 수영장, 목욕탕, 대형 냉장창고, 욕실용 냉온수 탱크와 같이 생산된 냉난방 에너지를 소비하는 사용처를 말하는 것으로 실내부하에서 설정된 온도에 따라 지열원(200)에 연결된 지열공급관(111)에 설치된 공급펌프에 의해 제어될 수 있다.

상기 히트펌프(300)는 실내부하에 냉난방을 위해 순환되는 순환매체를 압축-응축-팽창-증발 과정을 통해 냉방을 수행하거나, 팽창-증발-압축-응축 과정을 통해 난방을 수행하는 장치로 순환매체를 압축시키는 압축기, 압축기로부터 압축된 순환매체의 방향을 전환시키는 전환밸브, 냉방 시는 응축기로 난방 시는 증발기로 작동하는 열교환기, 순환매체를 팽창시키는 팽창밸브, 냉방 시는 증발기로 난방 시는 응축기로 작동하는 열교환기로 구성될 수 있다.

따라서, 실내부하 측에 실내기는 건물의 내부에 설치되는 것으로 냉난방 운전 설정을 위한 컨트롤러가 장착되거나, 리모콘으로 제공될 수 있다.

또한, 매체순환부(600)의 순환매체 온도와 지열순환부(100)의 지열수의 온도을 측정하여 비교할 수 있도록 온도센서가 각각 구비되는 것이 바람직하다.

상기 매체순환부(600)는 지열순환부(100)에서 공급된 지열수와 순환매체 간에 열교환을 통해 순환매체를 상기 히트펌프(300)에 공급하여 순환매체를 열교환시키는 장치로서, 이와 같이, 여러 단계로 열교환되게 구성한 이유는 지열수가 각종 광물이 포함된 지하수일 경우, 직접 상기 히트펌프(300)의 부식을 예방할 수 있다.

또한, 여러 단계로 열교환 할 수 있도록 구성하면 상기 지열원(200)에 설치된 상기 공급펌프에 대한 제어와 함께 상기 매체순환부(600)의 저장탱크에 설치된 순환펌프에 의한 순환매체의 공급 유량 제어를 통해 상기 실내부하의 상태에 따라 지열수와 순환매체를 제어하여 지속적으로 일정한 효율로 냉난방 운전을 수행할 수 있다.

그리고 상기 매체순환부(600)는, 지열원(200)으로부터 지열수를 공급받아 지열열교환기(130)에 의해 열교환된 순환매체를 공급하는 매체공급라인과, 상기 매체공급라인 일 지점에 설치되어 열교환된 순환매체를 저장하고 있는 저장탱크와, 상기 저장탱크에 설치되어 내부에 저장된 순환매체를 상기 매체공급라인을 통해 상기 지열열교환기(130)로 이동시키는 순환펌프와, 상기 지열원(200)에 설치된 온도센서와 상기 저장탱크에 설치된 온도센서를 통해 지열수와 순환매체의 온도를 획득한 제어부(900)의 제어명령에 따라 상기 순환펌프의 세기를 제어하여 순환매체 유량을 조절하도록 설치된 유량조절밸브와, 상기 지열열교환기(130)로 사용된 순환매체를 환수시키는 매체환수라인을 포함하여 구성될 수 있다.

또한, 상기 유량조절밸브는 순환펌프에 의한 유량을 가변적으로 조절할 수 있는 수단으로 개폐밸브, 온도센서, 인버터 등이 구성될 수 있다.

즉, 도 1에 의하면, 지열원(200)에서 공급되는 지열수에 대해 지열열교환기(130)를 기준으로 전/후로 해서 1차측, 2차측으로 구분하자면, 1차측에는 여러 대의 펌프를 설치하거나 인버터펌프를 구성해 대용량으로 지열수를 공급할 수 있다.

그리고, 2차측에는 히트펌프(300)가 있는 기계실 측으로 정정 유량의 순환용으로 소용량의 펌프를 적용시켜 높은 열량으로 지열수를 공급할 수 있다.

즉, 운전에 따라 소용량의 펌프를 통해 히트펌프(300)로 지열수를 공급하는 것을 기본 운전으로 하고, 공급되는 지열수의 온도를 일정하게 15 ~ 25℃ 설정으로 유지될 수 있도록 실내부하 측에 맞추어 2차측 대용량의 펌프를 제어 또는 인버터 운전으로 온도차를 해소할 수 있는 지열수를 공급할 수 있다.

즉, 본 발명의 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템은 지하에 구비되어 계절에 상관없이 12 ~ 18℃ 열을 갖는 지열원(200)과; 상기 지열원(200)부터 지열수를 공급 및 순환시켜 히트펌프(300)로 열교환되도록 지열공급관(111) 및 지열환수관(121)으로 순환 연결되는 지열순환부(100)와; 상기 지열순환부(100)의 지열공급관(111) 및 지열환수관(121)에 각각 구비되어 유량, 온도, 수위를 측정 및 제어하는 지열제어유닛(700)과; 상기 지열순환부(100)를 통해 공급되는 지열수를 열교환하는 열교환기를 포함하여 실내부하 측에 교환된 열을 방출하는 히트펌프(300)와; 상기 히트펌프(300)의 순환매체를 순환시키도록 관로 연결되는 매체공급관(610) 및 매체환수관(620)을 갖는 매체순환부(600)와; 상기 매체순환부(600)의 매체공급관(610) 및 매체환수관(620)에 각각 구비되어 유량, 온도, 수위를 측정 및 제어하는 매체제어유닛(800)과; 상기 지열제어유닛(700)과 매체제어유닛(800)을 통해 상기 지열원(200), 히트펌프(300), 실내부하 측의 각 측정값에 따라 온도차(△T)에 대응하여 지열제어유닛(700)과 매체제어유닛(800)을 제어하는 제어부(900)를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 제어부(900)는 상기 지열원(200)에서 공급되는 지열수가 지열열교환기(130)를 거쳐 열교환 후 지열원(200)으로 환수될 때, 지열제어유닛(700)의 수위센서 및 온도센서의 측정을 통해 지열수의 수두차 및 온도차를 측정하여 지열제어유닛(700)을 선택적으로 제어하고, 순환매체의 순환량을 조절할 때, 매체제어유닛(800)의 수위센서 및 온도센서를 통해 수두차 및 온도차를 측정하여 매체제어유닛(800)을 선택적으로 제어하여 실내부하 측에 필요로 하는 열량을 공급할 수 있도록 제어할 수 있다.

그리고, 상기 지열제어유닛(700) 및 매체제어유닛(800)은, 지진발생을 모니터링을 위한 유량, 온도, 수위 등의 데이터를 측정하는 유량계, 온도센서, 수위센서를 포함하며, 지열순환부(100) 및 매체순환부(600)에 각각 구비될 수 있다.

한편, 상기 유량조절밸브는 제어부(900)의 명령에 따라 순환펌프에 의한 순환매체의 유량 조절을 아래 실시예를 통해 살펴본다.

<제1실시예>

상기 제어부(900)는 순환매체의 온도는 열교환을 위한 지열수의 온도와 동일하거나, 비슷한 온도값을 가져야만 상기 제어부(900)가 히트펌프(300)를 제어 시, 열교환되는 온도차(△T)를 조절하여 오차를 최소화 하기 위해 냉방운전을 기준으로 지열원(200) 측 온도센서의 측정값이 상대적으로 낮은 16℃로 측정되면 상기 히트펌프(300)에서 사용되는 온도차(△T)가 5℃가 되도록 설정하여 상기 유량조절밸브가 순환펌프의 유량을 상대적으로 작게 줄여 상기 저장탱크로부터 이동되는 순환매체의 유량을 줄이게 되고, 반대로 상기 온도센서의 측정값이 높은 18℃로 측정되면 상기 히트펌프(300)에서 사용되는 온도차(△T)가 3℃가 되도록 설정하여 상기 유량조절밸브가 순환펌프의 세기를 상대적으로 크게 늘려 상기 저장탱크로부터 이동되는 순환매체의 유량을 늘리게 된다.

이와 같이, 상기 히트펌프(300)에 사용되는 지열수의 온도차(△T)에 따라 조절하여 순환매체의 유량을 조절하게 되면, 열교환 후 환수되는 순환매체가 일정한 온도를 유지하게 되어 이와 열교환되는 지열수 역시 환수되는 온도가 일정한 온도를 유지하게 되어 지열원(200) 측 지열수의 온도에 급격한 변화를 일으키지 않아 결과적으로 지열순환부(100)가 스트레스 없이 지속적으로 일정한 효율로 가동할 수 있게 된다.

상기 온도센서는 지열열교환기(130)에서 열교환 후 저장된 순환매체 온도를 지속적으로 모니터링을 통해 지속적인 효율로 운전하기 위해 사용된다.

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이는 밀폐형에 경우 지열순환부(100)에는 상기 지열원(200)마다 상기 공급펌프에 의한 유량을 실내부하 정보에 따라 조절하기 위해 상기 공급펌프마다 유 U조절밸브를 설치하여 상기 제어부(900)의 통제에 의해 각각의 공급펌프에 의한 유량을 조절하도록 구성되는 것이 바람직하다.

그리고, 개방형에 경우 상기 공급펌프는 제어부(900)의 제어명령에 따라 각각 선택적으로 on/off 동작하도록 구성될 수 있고, 상기 개폐밸브는 제어부(900)의 제어명령에 따라 매체순환부(600) 일 측의 통로를 개방 또는 밀폐시킬 수 있도록 구성될 수 있다.

즉, 상기 온도센서는 지열원(200)에 순환 전 지열수의 온도와 열교환 후 환수된 지열수에 따른 지열원(200) 내 지열수의 온도를 지속적으로 모니터링 하여 지열 냉난방 시스템을 지속적으로 일정한 효율로 운전하기 위해 사용된다.

이에 따라, 지열원(200)의 유량은 상기 유?조절밸브를 이용하여 제어되고, 상기 매체순환부(600)를 거친 다음 환수되는 지열수를 재주입시 지열원(200)의 상황에 맞게 주입되게 된다.

만약, 이와 같은 개폐밸브 조절에 의하지 않고 동일한 지열수의 양을 재주입하게 되면 상기 지열원(200) 측 지열수의 과도한 온도상승 또는 저하가 발생할 수 있고, 상기 지열순환부(100)가 개방형 구조일 경우에는, 상기 지열원(200) 외부로 넘침 등의 문제가 발생할 수 있게 된다.

하지만, 본 발명에 따른 상기 제어부(900)는 개폐밸브를 사용하여 상기 지열원(200)으로 환수되는 지열수의 주입 시간을 제어함으로써, 지열원(200)으로 흘러들어가는 지열수의 유량을 제어하여 지열수의 과도한 수위 상승 혹은 상기 지열원(200) 외부로 지열수가 넘침 등의 현상을 프로그램 상으로 제어하여 방지하게 된다.

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상기 제어부(900)는 실내부하에서 측정된 상기 컨트롤러의 설정값과 실내부하 측 온도센서의 온도 값 그리고 온도센서, 유량계, 수위센서의 측정값에 따라 상기 히트펌프(300) 압축기, 전환밸브, 유량조절밸브, 개폐밸브 등의 작동에 따라 제어되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 제어부(900)는 사용자에 의한 제어 모니터링 및 직접적인 제어를 위해 사용자가 휴대하고 있는 테블릿 또는 스마트폰을 포함하는 모바일 단말기와 연결되어 원격모니터링 또는 제어가 가능하도록 무선원격 통신망 또는 인터넷과 연결되게 구성될 수 있다.

여기서, 상기 통신망과 연결되게 구성하기 위해서는 상기 제어부(900)에 독자적인 송신코드를 부여하여 설정된 시간별로 상기 제어부(900)가 사용자의 모바일 단말기에 필요정보를 전송하게 구성하거나, 반대로 사용자의 모바일 단말기에서 송신 시, 상기 제어부(900)가 응답하여 필요 정보가 전송되도록 구성하면 된다.

또한, 상기 인터넷을 통해 연결되도록 구성하기 위해서는 상기 제어부(900)에 공지의 인터넷 연결수단이 구비되어, 상기 제어부(900)의 모니터링 정보와 제어권한이 인터넷을 통해 사용자의 모바일 단말기에 전송되어 상기 모바일 단말기의 설치된 응용프로그램을 통해 해당 제어부(900) 정보가 표출되게 구성하면 된다. 이때, 상기 모바일 단말기에서 사용자의 입력이 있으면 제어 명령의 우선권을 가지게 된다.

본 발명의 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템의 제어방법을 설명한다.

상기와 같이 구성된 시스템을 이용하여 a) 상기 제어부(900)를 통해 측정된 실내부하 측 온도와 지열원(200)의 온도를 비교하여 히트펌프(300)의 최적 온도의 유지를 위해 지열원(200)의 지열수의 공급량을 설정하는 설정단계(S10)와; b) 상기 제어부(900)의 제어에 따라 상기 지열제어유닛(700) 및 매체제어유닛(800)을 통해 유량, 온도, 수위를 측정하여 해당 열량에 대응하여 히트펌프(300)를 구동시키는 구동단계(S20)와; c) 상기 제어부(900)의 제어를 통해 히트펌프(300)의 열교환된 온도차와 순환매체에 따라 실내부하와 지열원(200)의 측정값을 비교여 지열제어유닛(700) 및 매체제어유닛(800)의 펌프 및 밸브를 작동시켜 순환매체의 공급량을 조절하는 조절단계(S30)와; d) 지열열교환기(130)에 의해 실내부하 측으로 열을 방출한 순환매체와 지열수의 열교환을 통해 지열순환부(100)의 지열환수관(121)을 따라 방출열이 환수되는 환수단계(S40)를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 c)단계에서 상기 제어부(900)는 지열원(200)으로부터 공급되는 지열수의 온도를 지열제어유닛(700)의 온도센서를 통해 설정된 범위 내에서 히트펌프(300)가 상대적으로 온도차가 높을 경우 매체제어유닛(800)의 펌프를 통해 순환매체의 공급량을 상대적으로 적게 조절하고, 지열원(200)으로부터 공급되는 지열수의 온도를 지열제어유닛(700)의 온도센서를 통해 설정된 범위 내에서 히트펌프(300)가 상대적으로 온도차가 낮을 경우 매체제어유닛(800)의 펌프를 통해 순환매체의 공급량을 상대적으로 많게 조절할 수 있다.

먼저, 지열 냉난방 시스템의 실내부하에 대한 냉난방을 위해 실내부하 또는 상기 히트펌프(300)의 실내부하 측 지열열교환기(130)에 설치된 컨트롤러에 의해 전원이 On 되면서 냉난방 상황에 따라 사용자가 필요로 하는 온도가 설정되면, 상기 제어부(900)가 이러한 신호를 받아 상기 실내부하 측 온도센서에서 측정된 실제 온도 정보와 설정된 온도정보를 비교하여 상기 히트펌프(300) 내 압축기의 가동 시 필요한 용량을 계산해내면서 양수해야 할 지열원(200)을 선정하는 단계를 가진다.

이후 상기 제어부(900)에서 상기 계산을 통해 상호 혼합하기에 적합한 지열수의 온도를 갖고 있는 지열원(200)이 적어도 하나 선정되면, 상기 선정된 지열원(200)에 대응하는 공급펌프는 on 동작시켜 지열수가 양수되도록 하고, 나머지 공급펌프는 off시키는 단계를 가진다.

여기서, 상기 제어부(900)는 밀폐형 구조의 지열순환부(100)와 작용할 경우, 상기 선정된 지열원(200)에 대응하는 상기 유량조절밸브에 명령을 내리고, 그에 대응하는 상기 공급펌프의 양수량을 조절하여 필요로 하는 지열수가 상기 양수관을 통해 양수되도록 할 수도 있다.

이때, 지열수의 공급량 제어 시, 적용되는 이론적 원리는 Q= mct라는 공식에 의해서 제공되는 것이고, 지열 냉난방 시스템의 열원은 Q(칼로리)를 확보하는 것으로, 이를 이용하여 온도가 크게 되면 지열수의 양수량을 줄이고, 온도가 작게 되면 양수량을 늘리면 되므로, 실내부하 정도에 따라 필요한 열교환을 위한 지열수의 공급량을 상기 유량조절밸브를 사용하여 상기 공급펌프의 양수량을 변화시키면 된다.

지열원(200) 측에서 양수된 지열수는 각각 공급되거나 필요에 따라 선택적으로 설치된 공급헤더(110)에서 모인 후 일정한 유속 및 유량으로 상기 매체순환부(600)의 지열열교환기(130)에 공급되어 순환매체와 열교환되면서 지열수를 전달하게 된다.

이후 상기 제어부(900)에서 각각의 개폐밸브가 선택적으로 개폐되도록 제어하여 열교환된 지열수를 적어도 하나의 지열원(200)으로 환수시킴으로써, 서로 다른 온도를 갖는 지열원(200)의 온도편차를 줄이는 단계를 가진다.

여기서, 상기 제어부(900)는 밀폐형 구조의 지열순환부(100)와 작용할 경우, 상기 개폐밸브의 개폐량을 조절하여 상기 지열열교환기(130)와 열교환된 지열수가 환수되는 시간을 달리함으로써, 지열원(200) 측으로 주입(환수)되는 지열수의 양을 조절할 수도 있다.

상기 지열열교환기(130)와 열교환되면서 냉난방 운전 조건에 따라 온도가 승온되거나 낮아진 지열수는 재차 열교환을 위해 상기 지열환수관(121)을 통해 지열원(200) 측으로 재주입되는 과정을 거치게 되는데, 이때, 동일한 양의 지열수가 환수되어 재주입되는 것이 아니라 상기 제어부(900)에 의해 개폐량이 조절되는 개폐밸브를 통과하면서 지열원(200) 측으로 주입되는 지열수의 양이 조절되게 된다.

상기 제어부(900)는 최초 지열수의 공급량 대비 적어도 70% 정도 환수되는 지열수의 양을 조절 시, 지열원(200) 측에 설치된 상기 온도센서와 유량밸브를 통해 얻어진 지열원(200) 측 지열공 간의 지열수 수두차와 온도차를 고려하여 개폐밸브를 조절하여 환수를 제어함으로써, 지열원(200) 측으로 흘러들어가는 지열수의 유량을 조절할 수 있게 되고, 이에 따라, 지열 축적으로 인한 과도한 열 상승 혹은 상기 지열원(200) 외부로 지열수가 넘치는 현상 등을 방지하게 된다.

한편, 상기 단계를 거치면서 실내부하에 따라 온도가 조절된 상태로 지열수가 공급되어 상기 매체순환부(600)에서 매체열교환기(410)와 열교환이 이루어지게 되면, 상기 제어부(900)는 온도센서의 측정값에 따라 상기 히트펌프(300)에서 사용되는 온도차(△T)를 설정된 범위 내에서 크게 또는 작게 조절하여 공급되는 순환매체의 유량을 제어하고, 상기 매체열교환기(410)에서 환수열과 순환매체를 열교환시켜 냉난방 운전 설정에 따라 상기 실내부하 측 냉방 또는 난방 할 수 있도록 제어하는 단계를 수행한다.

이와 같이, 온도차(△T)를 조절하여 순환매체의 유량을 조절하는 이유는 일반적인 지열 냉난방 시스템이 온도차(△T)로 히트펌프(300)가 운전되어 운전시간이 늘어나면 점차 지열원(200) 측으로 저장되는 지열수의 온도가 정상적인 열교환이 이루어질 수 없는 상태에 다다르는데 비해, 상기 제어부(900)에 의해 조절되는 온도차(△T)로 운전되게 되면 열교환된 순환매체의 온도가 급격하게 상승하거나 하강하지 않아 결과적으로 순환매체와 열교환 후 환수되는 지열수의 온도가 급격히 상승하거나 하강하지 않은 상태를 유지한 상태로 지열원(200) 측으로 환수됨으로써 일정한 COP가 유지되어 지열순환부(100)가 스트레스 없이 열교환이 지속될 수 있어서 안정적으로 지열 냉난방 시스템이 가동될 수 있기 때문이다.

<제2실시예>

상기 제어부(900)는 냉방운전을 기준으로 지열원(200) 측 온도센서의 측정값이 상대적으로 낮은 16℃로 측정되면 상기 히트펌프(300)에서 사용되는 온도차(△T)가 5℃가 되도록 설정하여 상기 유량조절밸브가 순환펌프의 양수량을 상대적으로 작게 줄여 상기 저장탱크로부터 양수되는 순환매체의 유량을 줄이도록 제어하는 단계를 가진다.

반대로, 상기 제어부(900)는 온도센서의 측정값이 높은 18℃로 측정되면 상기 히트펌프(300)에서 사용되는 온도차(△T)가 3℃가 되도록 설정하여 상기 유량조절밸브가 순환펌프의 양수량을 상대적으로 크게 늘려 상기 저장탱크로부터 양수되는 순환매체의 유량을 늘리도록 제어한다.

상기에서 온도차(△T)를 3 ~ 5℃로 한정하였지만 본 발명은 이러한 수치에만 한정되는 것은 아니고, 지열수의 온도에 따라 냉난방에 따른 상기 히트펌프(300)의 가동을 위한 온도차(△T)를 조절한다는 것과 이러한 온도차(△T)에 따라 순환매체의 유량을 상기 유량조절밸브를 통해 상기 순환펌프의 양수량을 조절한다는 것이 핵심이다.

즉, 상기 매체순환부(600)에 유량조절밸브를 설치하여 제어함으로써, 상기 히트펌프(300)에서 열교환 후 나오는 순환매체의 온도를 일정하게 유지코자 하는 것으로, 예컨대, 상기 히트펌프(300)에 들어가는 순환매체의 온도가 19℃일 때, 상기 히트펌프(300)가 통상적으로 온도차(△T)를 5℃로 설정 시, 23 ~ 24℃ 정도가 되는데, 이는 상기 지열순환부(100)가 스트레스를 받아 양수된 지열수의 온도가 올라가게 되면 그만큼 더 상승하게 되어 있고, 그렇게 되면 통상 27℃가 넘게 될 경우, 냉난방 열원으로써 사용할 수 없게 되므로, 이를 방지하기 위해 순환매체 공급량과 온도차(△T)를 제어함으로써, 결과적으론, 상기 히트펌프(300) 내에서 열교환 후 나오는 순환매체의 온도를 24℃ 정도로 낮추도록 제어하여 지열수를 열교환시키고자 하는 것이다.

상기에서 히트펌프(300) 내의 △T는 Q=mct라는 공식에 의해서 온도와 순환매체의 반비례 관계를 통하여 충분히 구현 가능하다.

상기한 실내부하에 따른 지열원(200) 선정단계와 지열수의 온도에 따른 상기 히트펌프(300) 내 온도차(△T) 조절과 순환매체 유량 조절 단계를 여러 단계로 거치게 되면, 열교환 후 지열수 및 순환매체의 온도를 일정하게 유지함으로써, 상기 지열순환부(100)의 스트레스를 저감 혹은 늦추게 되어, 상기 지열 냉난방 시스템이 오전에 운전을 시작한 후, 오후가 되어도 지속적인 사용이 가능하여 냉난방 효율 저하가 발생하지 않고, 일정한 COP(지열시스템 COP 4.5)를 달성하여 지속적으로 일정한 효율로 운전이 가능하게 된다.

한편, 상기 제어부(900)는 사용자가 편리하게 지열 냉난방 시스템의 운전 과정중의 제어과정 모니터링 또는 원격 제어를 할 수 있도록 핸드폰 또는 태블릿과 같은 모바일 단말기와 무선 연동 가능하게 구성될 수 있다.

이러한 자연재해 전조증상이 측정되면 이러한 수위 정보를 상기 제어부(900)가 자동으로 재난 당국에 알려주는 단계를 더 구비할 수도 있다.

한편, 상기 제어부(900)는 밀폐형 구조의 지열순환부(100)와 작용할 경우, 지열 냉난방 시스템의 운전 제어 중 정량적인 지열수 온도의 COP 계산 단계도 수행한다.

또한, 본 발명의 예열기능이 구비된 가변부하에 대응 가능한 지열 냉난방 시스템은 지열수를 이용하여 건물 또는 지역에 냉난방을 수행하기 위한 구조로 이루어져 있으며, 냉난방 열원으로 지열수를 공급 후 환수되는 지열수를 이용하여 히트펌프의 가동을 최소화 할 수 있게 라인을 재구성하는 기술이다.

따라서, 지열 냉난방 시스템의 시동 시 또는 운영 시 지열원(200)의 불규칙한 지열수의 온도를 히트펌프(300)가 요구하는 실내부하에 개방형 또는 밀폐형에 상관없이 적절히 대응할 수 있다.

다시 말해, 개방형에 경우 각 지열공에서 나오는 지열수 량이 다르다는 건 지열수의 용량이 다름을 의미하므로 공급헤더(110)를 통해 적절한 열량을 축적하여 히트펌프(300)가 요구하는 열량에 대응해 지열제어유닛(700) 및 매체제어유닛(800)의 작동을 통해 히트펌프(300)가 요구하는 실내부하와 지열원(200)의 온도차 5℃에 맞게 운영됨에 따라 효율성을 개선할 수 있다.

그리고, 밀폐형에 경우 각 존에서 나오는 열량이 서로 다른 점에서 지열제어유닛(700)의 작동을 통하여 지열원(200)의 온도 상승 혹은 하강하는 열섬현상(heat island - 인구의 증가 · 각종 인공 시설물의 증가 · 콘크리트 피복의 증가 · 자동차 통행의 증가 · 인공열의 방출 · 온실 효과 등의 영향으로 도시 중심부의 기온이 주변 지역보다 현저하게 높게 나타나는 현상)이 발생하게 되는 것을 미리 방지하는 효율성 개선에 도움이 된다.

즉, 공급헤더(110)를 통하여 공급되는 다양한 온도의 지열수를 일정하게 유지하고 히트펌프(300)의 요구 실내부하에 대응하여 지열제어유닛(700) 및 매체제어유닛(800)의 작동을 통해 히트펌프(300)를 최적화로 운전할 가능성을 최대로 높일 수 있다.

특히, 히트펌프(300)의 요구 열원에 최적화된 열원 획득 및 운영에 따라 예열기능을 수행하는 온도제어기(TCD)가 예측 가능한 운영을 할 수 있게 하게 해줌으로써 기존보다 좀 더 효율성을 개선할 수 있다.

즉, 시시각각 혹은 날씨의 변화와 상황에 따라 잔존하는 열원을 파악하고 거기에 따른 온도제어를 통한 예열 및 가변부하 대응하던 기존에 온도제어기에 비해 잔존 열원 파악이 가능하게 됨에 따라 정확하게 예측하여 운영될 수 있다

따라서, 히트펌프(300) 최적화에 대해 아래 첨부한 표 1 및 표 2와 같이 입수 온도 (EWT, Entering Water Temperature)에 따라 각각의 생산열량 (kWh)가 달라지며, 이에 따른 COP 값이 상이한 것을 알 수 있다.

[표 1]

[표 2]

한편, 지열원(200)은 지열층, 지하 100~150m(밀폐형) 또는 지하 300mm ~ 500mm(개방형) 지점에 연락되도록 지반에 수직으로 하나 또는 다수의 지열공을 관정하고, 이 지열공에 지열공급관(111) 및 지열환수관(121)가 연결되며, 통상의 공급펌프를 이용하여 지상으로 유도해 공급 및 환수하는 순환방식의 구조로 이루어진다.

상기 개방형에 경우 지열수의 온도를 원천 공급원으로 사용하기 때문에, 미네랄 또는 각종 물질에 의해 순환계통에 관에 부식이 발생할 수 있고, 지하수 오염에 원인이 될 수 있으므로 지열순환부(100)에 어느 한 부분에서 매체의 변경을 위해 지열열교환기(130)가 구비되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 지열원(200)에 각각 연결되어 지열공급관(111)을 갖는 공급헤더(110)와, 지열환수관(121)을 갖는 환수헤더(120)를 통해 공급된 지열수를 지상 위치의 지열열교환기(130)까지 순환시켜 열교환을 수행하는 지열순환부(100)로 구성될 수 있다.

여기서, 상기 지열공급관(111)은 지열원(200)의 내부로 유입되어 양수펌프를 통해 열량를 갖는 지열수를 흡입하여 공급헤더(110)를 통해 지열열교환기(130)에 공급한다.

그리고, 상기 지열열교환기(130)를 통해 열교환 후 지열수를 다시 환수헤더(120)를 통해 지열환수관(121)을 따라 지열원(200)으로 보내 연속적으로 순환하는 구조이다.

다음으로, 상기 지열열교환기(130)를 통해 지열수와 순환매체를 열교환시키켜, 매체순환부(600)를 따라 공급 및 순환시켜 실내부하 측에 냉난방을 수행하는 히트펌프(300)가 구성된다.

상기에서 말하는 부하는 건물 또는 지역을 냉난방을 수행하는데 있어서, 상기 히트펌프(300)의 가동으로 냉난방하는 수용인원, 실내공간, 출입문 및 창문의 개폐 등 다양한 환경 및 외부요인을 모두 포함하는 것으로, 상주인원 및 일정공간에 대해서 건물의 신축 시 예상되는 요인을 고정부하라 하고, 관공서, 상가건축물 또는 공항과 같이 인원의 출입이 잦고 출입문이 개폐가 많아 예상하기 어려운 요인을 가변부하라고 한다.

그리고, 부하에 대하여 상기 고정부하와 가변부하를 합산하여 전체부하를 통해 냉난방의 효율성인 COP(coefficient of performance - 냉동 사이클에서의 냉동 능력과 소비된 압축기의 일량과의 비)를 유지하거나 더욱 증가시키고자 한다.

상기 지열순환부(100)의 환수헤더(120)와 상기 매체순환부(600) 사이에는 바이패스(400)가 연결되며, 실내부하 측의 가변부하에 대응하여 환수열을 공급받아 순환매체와 열교환을 수행하는 매체열교환기(410)를 포함한다.
여기서, 상기 바이패스(400)에 구비되어 상기 히트펌프(300)의 초기 가동 시 가변부하에 따라 냉난방 설정온도에 맞도록 환수열의 예열 및 가변부하에 대응하여 온도를 조절하는 온도제어기(500)를 더 포함할 수 있다.

다시 말해, 상기 히트펌프(300)로 고정부하에 대해서는 건물의 신축 전에 예상하여 극복 가능하게 설계할 수 있지만, 가변부하에 대하여 대응 범위를 너무 넓게 설계하면 히트펌프(300)의 가동 효율성인 COP가 현저하게 낮질 수 있으므로, 건물의 중앙제어 또는 통제실에서 가변적으로 지열수를 매체순환부(600)에 직접 제공하여 급격한 온도차(△T)를 극복하여 히트펌프(300)의 가동 효율을 극대화 시킬 수 있다.

이때, 상기 온도제어기(500)는 바이패스(400)에 직접 연결되어 지열수의 온도를 조절할 수 있다.

따라서, 양단부에 각각 입구 및 출구가 형성되어 상기 바이패스(400)에 이음 연결되는 제어기몸체가 제공된다.

상기 제어기몸체의 양측으로 통기 형성되어 상기 제어기몸체를 통과하는 지열수를 냉각하는 냉각부가 형성된다.

상기 제어기몸체의 내측 상하면에 내장되어 상기 제어기몸체를 통과하는 지열수를 가열하는 가열부를 포함한다.

그리고, 상기 제어기몸체의 입구에 결합되는 바이패스(400)의 제1직경은 상기 출구에 결합되는 바이패스(400)의 제2직경 보다 상대적으로 직경이 더 크게 형성되는 것이 바람직하다.

즉, 상기 제1직경과 제2직경의 차이를 통해 베르누이효과(Bernoulli effect - 관의 단면이 좁을수록 유체의 속력이 빠르고, 단면이 넓을수록 속력이 느려지는 효과)가 발생하여 매체순환부(600)에 지열수가 빠르게 진입하여 열교환 시간을 단출할 수 있다.

한편, 상기 히트펌프(300)를 물에서 공기(순환매체)로 열교환하는 물-공기(순환매체) 히트펌프(300)로 적용할 경우 상기 온도제어기(500)와 매체순환부(600) 사이 바이패스(400)에는 상기 히트펌프(300)의 초기 가동 시 가변부하에 따라 신속한 냉난방을 수행할 수 있으며, 선택적으로 지열수를 매체순환부(600)의 순환매체에 열교환시켜 예열기능과 가변부하에 대응하여 COP 보상하는 매체열교환기(410)를 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 매체열교환기(410)는 핀 또는 판형으로 형성되어 공냉식으로 라디에이터(radiator)와 같은 구조로 상기 지열열교환기(130)와 유사한 장치로 사용되는 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명을 제공함으로써, 환수되는 지열수를 직접적으로 매체순환부(600)에 열교환하여 매체순환부(600)를 순환하는 순환매체를 예열시켜 가변부하에 적절히 대응함에 따라 냉난방 효율을 극대화 할 수 있고, 온도제어기(500)를 통해 냉난방 시작 전후에 예열을 통해 가변부하에 선제적으로 대응하여 COP를 증가시키는 효과가 있다.

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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: 지열순환부
110: 공급헤더
111: 지열공급관
120: 환수헤더
121: 지열환수관
130: 지열열교환기
410: 매체열교환기
200: 지열원
300: 히트펌프
400: 바이패스
500: 온도제어기
600: 매체순환부
610: 매체공급관
620: 매체환수관
700: 지열제어유닛
800: 매체제어유닛
900: 제어부
S10: 설정단계
S20: 구동단계
S30: 조절단계
S40: 환수단계
△T: 온도차

Claims

지하에 구비되어 계절에 상관없이 12 ~ 18℃ 열을 갖는 지열원(200)과;
상기 지열원(200)부터 지열수를 공급 및 순환시켜 히트펌프(300)로 열교환되도록 공급헤더(110)를 갖는 지열공급관(111) 및 환수헤더(120)를 갖는 지열환수관(121)으로 순환 연결되는 지열순환부(100)와;
상기 지열순환부(100)의 지열공급관(111) 및 지열환수관(121)에 각각 구비되어 유량, 온도, 수위를 측정 및 제어하는 지열제어유닛(700)과;
상기 지열순환부(100)를 통해 공급되는 지열수를 열교환하여 실내부하 측에 열을 방출하는 열교환기를 포함하는 히트펌프(300)와;
상기 히트펌프(300)의 순환매체를 순환시키도록 관로 연결되는 매체공급관(610) 및 매체환수관(620)을 갖는 매체순환부(600)와;
상기 지열순환부(100)와 매체순환부(600) 사이에 연결 구비되어 지열순환부(100)의 지열수와 매체순환부(600)의 순환매체를 상호 열교환 시키는 지열열교환기(130)와;
상기 매체순환부(600)의 매체공급관(610) 및 매체환수관(620)에 각각 구비되어 유량, 온도, 수위를 측정 및 제어하는 매체제어유닛(800)과;
상기 지열제어유닛(700)과 매체제어유닛(800)을 통해 상기 지열원(200), 히트펌프(300), 실내부하 측의 각 측정값에 따라 온도차(△T)에 대응하여 지열제어유닛(700)과 매체제어유닛(800)을 제어하는 제어부(900)를 포함하여 구성되며,
상기 지열순환부(100)의 환수헤더(120)와 상기 매체순환부(600)을 연결하여 실내부하 측의 가변부하에 대응하여 환수열을 공급받아 순환매체와 열교환을 수행하는 매체열교환기(410)를 포함하는 바이패스(400)와;
상기 바이패스(400)에 연결되어 상기 히트펌프(300)의 초기 가동 시 가변부하에 따라 냉난방 설정온도에 맞도록 환수열을 예열하여 온도를 조절하는 온도제어기(500)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템.
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청구항 1에 의해 구성된 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템을 이용하여 히트펌프를 최적화하는 제어방법에 있어서,
a) 상기 제어부(900)를 통해 측정된 실내부하 측 온도와 지열원(200)의 온도를 비교하여 히트펌프(300)의 최적 온도의 유지를 위해 양수해야 할 지열원(200)을 선정하는 설정단계(S10)와;
b) 상기 제어부(900)의 제어에 따라 상기 지열제어유닛(700) 및 매체제어유닛(800)을 통해 유량, 온도, 수위를 측정하여 해당 열량에 대응하여 히트펌프(300)를 구동시키는 구동단계(S20)와;
c) 상기 제어부(900)의 제어를 통해 히트펌프(300)의 열교환된 온도차와 순환매체에 따라 실내부하와 지열원(200)의 측정값을 비교여 지열제어유닛(700) 및 매체제어유닛(800)의 펌프 및 밸브를 작동시켜 순환매체의 공급량을 조절하는 조절단계(S30)와;
d) 지열열교환기(130)에 의해 실내부하 측으로 열을 방출한 순환매체와 지열수의 열교환을 통해 지열순환부(100)의 지열환수관(121)을 따라 방출열이 환수되는 환수단계(S40)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프의 최적화를 위한 지열 냉난방 시스템 제어방법.
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