KR102130120B1 - 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어 방법 - Google Patents

태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 국내 냉난방 부하 불균형으로 인한 지열원 열펌프 시스템의 소비동력을 저감할 수 있는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치 및 방법을 제공하기 위한 것으로서, 집열기, 축열조, 기존 지열원 열펌프 및 기타 열교환 및 반송설비로 구성된 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템의 제어장치에 있어서, 상기 축열조를 고온 축열조와 저온 축열조로 분할되고, 태양열 열매체(물과 부동액의 혼합액), 축열매체(물), 지중 열교환기 열매체(물과 부동액의 혼합액) 각각이 혼합되지 않도록 4조의 판형열교환기를 통해 분리되며, 일사가 있는 경우 옥상에 설치된 태양열 집열기를 통해 집열된 열은 1차적으로 고온 축열조에 저장되고, 2차적으로 저온 축열조에 저장되도록 제어하는데 있다.

Description

태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어 방법{Control Device and Method of the Geo-Solar Hybrid Heating and Cooling System}
본 발명은 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템에 관한 것으로, 특히 국내 냉난방 부하 불균형으로 인한 지열원 열펌프 시스템의 소비동력을 저감할 수 있는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 주택과 같은 주거공간 또는 사무실이나 공장과 같은 작업공간에서는 여름철의 냉방과 겨울철의 난방이 주된 생활환경의 요인으로 떠오르고 있으며, 최근에는 인구의 증가에 따른 주거공간의 확산과 산업개발에 따른 공장부지 및 사무실의 증가로 인하여 냉, 난방에 소요되는 에너지의 수요가 급격히 증가하고 있는 실정이다.
상기와 같은 에너지 수요의 증가에 비하여 에너지의 공급은 기름이나 천연가스와 같은 화석연료의 가격상승과, 화석연료의 연소과정에서 발생하는 매연 등에 의한 환경오염으로 인하여 그 수요를 충분히 따라가지 못하고 있으며, 특히 농, 축산업 및 수산업의 분야에서는 시설농가와 양식업의 경영자들이 화석연료의 가격상승에 따른 냉, 난방비의 상승으로 경영압박을 받고 있는 실정이고, 제조업의 분야에서도 마찬가지로 에너지의 조달에 소요되는 비용의 상승으로 제품의 생산원가가 상승되어 많은 어려움을 겪고 있다.
이러한 요인을 극복하기 위하여 최근에 와서는 공해를 발생시키지 않으면서도 화석연료의 연소에 의한 냉, 난방 효과와 거의 동등한 수준의 에너지를 얻을 수 있도록 냉매의 압축, 증발, 응축의 순환과정에서 발생 및 회수되는 열을 이용하여 냉, 난방을 수행하는 공기조화기기의 사용이 보편화 되어 있으며, 그 중에서도 냉, 난방과 냉, 온수 시스템을 혼용하여 사용할 수 있게 한 히트펌프가 대표적으로 보급되고 있다.
그러나 상기와 같은 히트펌프의 사용에 있어서도 겨울철과 같이 외부의 온도가 0℃ 이하로 매우 낮게 될 경우에는 히트펌프의 저온부(증발부)를 10 ~ 15℃의 온도로 유지시킬 수 있는 열원이 부족하게 됨으로써, 화석연료에 의한 별도의 가열을 통하여 히트펌프의 저온부 열원을 보충하지 않게 되면, 냉, 난방시스템과 냉, 온수 시스템으로 구성되는 히트펌프의 원활한 작동을 이루어 낼 수 없게 되며, 이로 인하여 화석연료의 사용에 따른 에너지 조달비용의 상승 및 환경오염과 같은 문제점을 완전히 해소하지는 못하였다.
상기와 같이 겨울철에 발생하는 히트펌프의 저온부 열원부족을 화석연료를 사용하지 않고 자연적인 태양열에 의하여 보충하도록 하기 위해, 도 1a, 도 1b 및 도 1c에서 도시하고 있는 것과 같이, 평판집열기를 사용하여 흡수한 태양열을 물과 같은 잠열축열재(축열조)에 저장하여 히트펌프의 저온부 열원으로 사용하도록 하는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템이 이용되고 있다.
그러나 도 1a 및 도 1b에서 도시하고 있는 것과 같이, 태양열원 시스템과 지열원 시스템을 단순히 서로 연계시킴으로써, 태양복사가 있을 때는 태양열을 집열하여 난방을 수행하고, 태양열이 부족할 때는 지열원 열펌프를 이용해 난방열을 공급하도록 동작하거나, 또는 도 1c에서 도시하고 있는 것과 같이, 냉방기가 끝난 이후부터 난방기까지 태양열을 지중에 축열하여 열펌프의 열원을 확보할 수 있도록 동작하는 등 태양열원 시스템과 지열원 시스템은 서로 독립적은 동작으로 이루어지고 있다.
따라서 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템의 경우에도 실질적으로 태양열은 여름철 지열 히트펌프 냉방에는 사용을 하지 못하고 급탕으로만 이용되는 등 태양열과 지열을 연동되는 시스템이 부족한 문제점이 있다.
등록특허공보 제10-1098949호 : 지열히트펌프의 효율 향상을 위한 하이브리드 시스템
등록특허공보 제10-1041745호 : 솔라 싱크 지열원 히트펌프 시스템과 그 제어방법
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 국내 냉난방 부하 불균형으로 인한 지열원 열펌프 시스템의 소비동력을 저감할 수 있는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치의 특징은 집열기, 축열조, 기존 지열원 열펌프 및 기타 열교환 및 반송설비로 구성된 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템의 제어장치에 있어서, 상기 축열조를 고온 축열조와 저온 축열조로 분할되고, 태양열 열매체(물과 부동액의 혼합액), 축열매체(물), 지중 열교환기 열매체(물과 부동액의 혼합액) 각각이 혼합되지 않도록 4조의 판형열교환기를 통해 분리되며, 일사가 있는 경우 옥상에 설치된 태양열 집열기를 통해 집열된 열은 1차적으로 고온 축열조에 저장되고, 2차적으로 저온 축열조에 저장되도록 제어하는데 있다.
바람직하게 상기 축열조는 직접 난방과 급탕을 위한 고온(1차) 축열조와 열펌프의 열원 또는 지중 열전달을 위한 저온(2차) 축열조로 구성되고, 상기 저온(2차) 축열조는 태양열원 이외의 미활용 에너지로부터 회수한 열을 저장하고, 수축열 이외에 건물의 구조체 축열도 가능한 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 저온(2차) 축열조와 지중열을 열원으로 하는 복합 열펌프 시스템은 열펌프에 의한 난방운전 기간에는 저온(2차) 축열장치 또는 지중 열교환기를 통해 운전되고, 열펌프가 정지된 시기에는 저온(2차) 축열장치로부터 지중 열교환기로 열저장 운전을 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어방법의 특징은 집열기, 축열조, 기존 지열원 열펌프 및 기타 열교환 및 반송설비로 구성된 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템의 제어방법에 있어서, (A) 집열이 가능한 기간에 고온(1차) 축열조 입구온도(
Figure 112013081661426-pat00001
)가 설정값보다 높은 경우, 태양열 축열운전을 수행하는 단계와, (B) 고온(1차) 축열조의 온도(
Figure 112013081661426-pat00002
)가 설정값(
Figure 112013081661426-pat00003
) 이상이고, 동시에 시간에 따른 고온(1차) 축열조의 온도변화가 양의 값을 가지는 경우, 태양열 시스템 단독운전을 수행하는 단계와, (C) 저온(2차) 축열조의 온도(
Figure 112013081661426-pat00004
)가 설정값(
Figure 112013081661426-pat00005
) 이상인 경우, 저온(2차) 열원 열펌프 난방운전을 수행하는 단계와, (D) 상기 (A) 단계부터 상기 (C) 단계까지의 조건을 모두 만족하지 못하는 경우, 지열원 열펌프 난방운전을 수행하는 단계와, (E) 고온(1차) 축열조의 온도(
Figure 112013081661426-pat00006
)가 설정값(
Figure 112013081661426-pat00007
) 이상인 경우, 태양열원 열펌프 난방운전을 수행하는 단계와, (F) 급탕을 위한 고온(1차) 축열조에 열을 저장하는 양 이외에는 바로 지중 열교환기를 통해 집열된 열을 지중에 저장하여 지중온도를 높여줌으로써 동절기 지열원 열펌프의 성능계수(COP) 향상을 도모하는 태양열원 계간 지중축열운전을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
바람직하게 상기 (A) 단계는 고온(1차) 축열조 입구온도가 설정값보다 낮은 경우에는 고온(1차) 축열조를 우회하여 저온(2차) 축열조 입구온도가 저온(2차) 축열조 온도와 같을 때까지 축열운전을 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (B) 단계는 열펌프 시스템이 운전되지 않는 기간에 저온(2차) 축열조와 이를 거쳐 지중에 열을 저장함으로써 태양으로부터 회수한 열을 이용하고, 동시에 집열기로 회수되는 순환매체의 온도를 낮춰 태양 집열효율 증대하며, 이때, 상기 지중 열저장 운전은 열펌프가 운전을 정지하고 있는 경우에만 수행되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게 상기 (C) 단계에서 저온(2차) 축열조의 온도(
Figure 112013081661426-pat00008
)는 현재의 지중열원 상태를 고려한 지열원 열펌프 시스템의 성능계수(Coefficient of Performance : COP) 및 저온(2차) 열원 열펌프 시스템 계통의 과거 운전이력 분석을 통해 산출되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어방법의 다른 특징은 집열기, 축열조, 기존 지열원 열펌프 및 기타 열교환 및 반송설비로 구성된 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템의 제어방법에 있어서, 집열기, 고온 축열조, 저온 축열조 및 지중열교환기 경유 제어를 수행하여 태양열 시스템 단독운전을 제어하는 모드 A 단계와, 집열기, 고온 축열조(및/또는 저온 축열조), 열펌프 증발기(및/또는 지중열교환기) 경우 제어를 수행하여 열펌프에서 냉각된 열매체가 지중 열교환기에 인입되기 전에 삼방밸브 및 저온 축열조 열교환기를 거치면서 온도가 상승되어 지중 열교환기를 거치면서 온도가 상승되어 지중 열교환기로 공급하는 태양열원 및 지열원 시스템 병렬운전 제어하는 모드 B 단계와, 저온 축열조와 열펌프 증발기 경우 제어를 수행하여 열펌프에서 냉각된 열매체가 저온 축열조 열교환기를 거치면서 온도가 상승하여 열펌프 입구온도를 거치면서 온도가 상승하여 열펌프 입구온도를 높이는 수열원 열펌프 시스템 단독운전 제어하는 모드 C 단계와, 지중 열교환기와 열펌프 증발기 경우 제어를 수행하여 고온 축열조를 이용하는 방법으로 고온 축열조의 온도가 난방이 가동한 온도에 도달하면, 열펌프의 가동을 정지하고, 고온 축열조의 열량으로 직접 난방을 하는 지열원 열펌프 시스템 단독운전 제어하는 모드 D 단계를 포함하여 이루어지는데 있다.
바람직하게 상기 모드 A 단계는 태양열 시스템이 단독으로 난방부하를 만족하는 경우, 또는 열펌프시스템이 운전되지 않는 기간동안 수행되며, 경우에 따라 순서 및 용량 제어를 수행하는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
국내의 기후조건에서는 겨울철 난방부하가 여름철 냉방부하보다 클 뿐만 아니라 난방기간도 냉방기간보다 훨씬 더 길어서 지열원을 이용하는 열펌프 시스템으로 냉난방을 교대 수행함에 따라 하절기 성능계수(COP)는 약간 증가하는 반면, 동절기의 성능계수는 해가 갈수록 크게 떨어지는 경향이 있다. 이러한 현상을 방지하고 난방부하와 냉방부하의 차이를 해소하기 위해 태양열을 난방을 위한 보조열원으로 사용함으로써 겨울철 난방 COP를 향상시킬 수 있다.
또한 여름철 냉방기가 끝난 이후에는 열수요가 거의 없으므로 태양 집열기로부터 얻어지는 열을 지중온도를 올리는데 사용함으로써, 지열원의 품질을 향상시켜 지열원 열펌프의 겨울철 난방성능을 향상시킴은 물론, 태양열 시스템의 비수기(가을철) 가동율을 높여 경제성을 향상시킬 수 있다.
도 1a 내지 도 1c는 기존의 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템의 구조를 나타낸 구성도
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치를 나타낸 구성도
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어 방법을 나타낸 도면
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치에서 태양열 집열부분의 일간 운전현황을 나타낸 그래프
도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치에서 모드 A와 모드 D 운전시의 순간 난방 공급열량을 나타낸 그래프
도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치에서 일간 난방 운전현황을 보여주고 있는 그래프
도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치에서 모드 C → 모드 A → 모드 D로 난방운전 되고 있는 것을 나타낸 그래프
본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
본 발명에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치 및 방법의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록하며 통상의 지식을 가진자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치를 나타낸 구성도로서, 도 2a는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치의 개략도이고, 도 2b는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치의 구체도를 나타내고 있다.
도 2a 및 도 2b와 같이, 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치는 집열기, 축열조, 기존 지열원 열펌프 및 기타 열교환 및 반송설비로 구성된다.
이때, 상기 축열조는 고온 축열조(4㎥)와 저온 축열조(6㎥)로 분할되며, 태양열 열매체(물과 부동액의 혼합액), 축열매체(물), 지중 열교환기 열매체(물과 부동액의 혼합액) 각각이 혼합되지 않도록 4조의 판형열교환기를 통해 분리된다. 그리고 일사가 있는 경우 옥상에 설치된 태양열 집열기를 통해 집열된 열은 1차적으로 고온 축열조에 저장되고, 2차적으로 저온 축열조에 저장된다. 이처럼, 축열조를 2단으로 구성함으로써 열원을 다양하게 활용할 수 있고, 집열기의 입구온도를 가능한 낮춤으로써 집열기 효율을 증가시킬 수 있다.
이와 같이, 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치는 직접 난방과 급탕을 위한 고온(1차) 축열조와 열펌프의 열원 또는 지중 열전달을 위한 저온(2차) 축열조로 구성되어, 상기 저온(2차) 축열조는 태양열원 이외의 미활용 에너지로부터 회수한 열을 저장하는 장치가 될 수도 있고, 수축열 이외에도 건물 등의 구조체 축열도 가능하다.
또한 저온(2차) 축열조와 지중열을 열원으로 하는 복합 열펌프 시스템은 열펌프에 의한 난방운전 기간에는 저온(2차) 축열장치 또는 지중 열교환기를 통해 운전되고, 열펌프가 정지된 시기에는 저온(2차) 축열장치로부터 지중 열교환기로 열저장 운전을 수행한다.
이와 같이 구성되는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템은 경우에 따라서 다음 6가지의 운전으로 제어될 수 있다.
첫 번째는 태양열 축열운전으로, 다음 수학식 1에서 기재하고 있는 것과 같이, 집열이 가능한 기간에 고온(1차) 축열조 입구온도(
Figure 112013081661426-pat00009
)가 설정값보다 높은 경우에 이루어진다.
Figure 112013081661426-pat00010
그리고 고온(1차) 축열조 입구온도가 설정값보다 낮은 경우에는 고온(1차) 축열조를 우회하여 저온(2차) 축열조 입구온도가 저온(2차) 축열조 온도와 같을 때까지 축열운전을 수행한다.
두 번째는 태양열 시스템 단독운전으로, 이는 태양열 시스템이 단독으로 난방부하를 만족하는 경우로서, 다음 수학식 2에서 기재하고 있는 것과 같이, 고온(1차) 축열조의 온도(
Figure 112013081661426-pat00011
)가 설정값(
Figure 112013081661426-pat00012
) 이상이고, 동시에 시간에 따른 고온(1차) 축열조의 온도변화가 양의 값을 가지는 경우에 이루어진다.
Figure 112013081661426-pat00013
이처럼 태양열만으로 난방을 수행하는 것은 기존과 동일하나, 열펌프 시스템이 운전되지 않는 기간에 저온(2차) 축열조와 이를 거쳐 지중에 열을 저장함으로써 태양으로부터 회수한 열 이용을 극대화함에 동시에 집열기로 회수되는 순환매체의 온도를 낮춰 태양 집열효율 증대하는데 차이가 있다. 단, 지중 열저장 운전은 열펌프가 운전을 정지하고 있는 경우에만 수행된다.
세 번째는 저온(2차) 열원 열펌프 난방운전으로, 이는 태양열원 시스템이 난방부하를 만족하지 못하는 경우로, 다음 수학식 3에서 기재하고 있는 것과 같이, 저온(2차) 축열조의 온도(
Figure 112013081661426-pat00014
)가 설정값(
Figure 112013081661426-pat00015
) 이상인 경우에 이루어진다.
Figure 112013081661426-pat00016
이때, 상기 저온(2차) 축열조의 온도(
Figure 112013081661426-pat00017
)는 현재의 지중열원 상태를 고려한 지열원 열펌프 시스템의 성능계수(Coefficient of Performance : COP) 및 저온(2차) 열원 열펌프 시스템 계통의 과거 운전이력 분석을 통해 산출된다.
네 번째는 지열원 열펌프 난방운전으로, 이는 첫 번째부터 세 번째까지의 조건을 모두 만족하지 못하는 경우로, 상기 첫 번째부터 세 번째까지의 만족 여부에 따라 다시 두 번째로부터 복귀 여부를 검토하여 이루어진다.
다섯 번째는 태양열원 열펌프 난방운전으로, 이는 급탕의 필요성이 없는 경우 고온(1차) 축열조와 저온(2차) 축열조를 모두 열펌프 시스템의 열원으로 활용하는 경우로, 다음 수학식 4에서 기재하고 있는 것과 같이, 고온(1차) 축열조의 온도(
Figure 112013081661426-pat00018
)가 설정값(
Figure 112013081661426-pat00019
) 이상인 경우에 이루어진다.
Figure 112013081661426-pat00020
여섯 번째는 태양열원 계간 지중축열운전으로, 이는 하절기 냉방운전이 끝난 후부터 동절기 난방운전이 시작되기 전까지 기간의 운전모드로, 급탕을 위한 고온(1차) 축열조에 열을 저장하는 양 이외에는 바로 지중 열교환기를 통해 집열된 열을 지중에 저장하여 지중온도를 높여줌으로써 동절기 지열원 열펌프의 성능계수(COP) 향상을 도모한다.
위에서 설명하고 있는 6가지의 운전을 적용 및 결합하여 본 발명에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치는 도 3에서 도시하고 있는 것과 같이 모드(mode) A 내지 모드(mode) D까지 총 4가지의 운전모드로 가동될 수 있도록 구성된다.
상기 모드 A는 기존의 지열원 열펌프 운전모드로서, 태양열 시스템 단독운전 제어모드이다. 이는 집열기, 고온 축열조, 저온 축열조 및 지중열교환기 경유 제어를 수행한다. 즉, 태양열 시스템이 단독으로 난방부하를 만족하는 경우, 또는 열펌프시스템이 운전되지 않는 기간동안 수행되며, 경우에 따라 순서 및 용량 제어를 수행한다.
상기 모드 B는 태양열원 및 지열원 시스템 병렬운전 제어모드로서, 이는 열펌프에서 냉각된 열매체가 지중 열교환기에 인입되기 전에 삼방밸브 및 저온 축열조 열교환기를 거치면서 온도가 상승되어 지중 열교환기를 거치면서 온도가 상승되어 지중 열교환기로 공급됨으로써, 지중열환경을 개선하고, 지중 열교환기 출구온도(즉, 열펌프 입구온도)를 상승시키는 효과가 있다. 즉, 집열기, 고온 축열조(및/또는 저온 축열조), 열펌프 증발기(및/또는 지중열교환기) 경우 제어를 수행한다. 이는 태양열 시스템이 단독으로 부하를 만족하지 못하는 경우에 수행되며, 경우에 따라 순서 및 용량 제어 수행을 결정한다.
그리고 상기 모드 C는 수열원 열펌프 시스템 단독운전 제어모드로서, 이는 저온 축열조와 열펌프 증발기 경우 제어를 수행한다. 이에 열펌프에서 냉각된 열매체가 저온 축열조 열교환기를 거치면서 온도가 상승하여 열펌프 입구온도를 거치면서 온도가 상승하여 열펌프 입구온도를 높임으로써 효율을 높이는 방법이다.
마지막으로 상기 모드 D는 지열원 열펌프 시스템 단독운전 제어모드로서, 지중 열교환기와 열펌프 증발기 경우 제어를 수행한다. 이는 고온 축열조를 이용하는 방법으로 고온 축열조의 온도가 난방이 가동한 온도에 도달하면, 열펌프의 가동을 정지하고, 고온 축열조의 열량으로 직접 난방을 하는 방법이다.
위에서 설명하고 있는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어 방법을 통해 시스템의 성능평가를 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치에서 태양열 집열부분의 일간 운전현황을 나타낸 그래프이고, 도 5 는 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치에서 모드 A와 모드 D 운전시의 순간 난방 공급열량을 나타낸 그래프이다.
도 4에서 도시하고 있는 것과 같이, 총 일사량은 5,724 ㎉/㎡ㅇd이고, 집열량은 4,017 ㎉/㎡ㅇd로 집열효율은 70.2%인 것을 알 수 있다. 그리고 도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 이 날은 오전에 지열원 열펌프 시스템(Mode A)에 의하여 난방을 공급하였고, 오후에는 고온 축열조의 온도가 40℃ 이상에 도달(도 3 참조)함에 따라 태양열로 직접 난방을 수행하였다. 이에 따라, 일간 총 난방 공급열량의 50% 이상을 태양열로 충당하였음을 볼 수 있다.
또한 도 6 은 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치에서 일간 난방 운전현황을 보여주고 있는 그래프이다.
도 6에서 도시하고 있는 것과 같이, 06:30∼10:14에는 지열원 열펌프 운전(모드 A)을 하였고, 이때의 지중 열교환기 출구온도는 최고 11.9℃에서 시간이 경과함에 따라 11.3℃하강하였고, 열원의 온도가 낮아짐에 따라 반송동력을 포함한 열펌프 시스템의 순간 소비전력은 16.3 ㎾에서 최대 22.3 ㎾까지 증가하였다. 정오에는 난방을 정지하였다가 고온축열조의 온도가 60℃에 도달한 13시경에 태양열 직접난방(모드 D)을 수행하였다. 14:50∼16:10에는 저온 축열조를 이용한 모드 B와 C를 운전하였다. 모드 B에서 지중 열교환기의 입구온도가 8.6℃에서 최고 20℃까지 상승하는 것을 볼 수 있고, 저온 축열조의 열이 지중에 저장됨으로써, 열펌프 입구온도(또는 지중 열교환기 출구온도)가 상승되는 것을 볼 수 있다. 15:40부터는 모드 C로 운전되는 경우로, 저온 축열조를 통과한 온수가 지중 열교환기로 인입되지 않고, 열펌프 입구로 직접 인입됨으로써 지중 열교환기 순환펌프의 펌핑동력을 절감할 수 있고, 열펌프의 COP를 향상시킬 수 있다. 모드 A에서의 난방 COP는 1.8(반송동력 포함) 및 3.2를 기록하였고, 모드 C에서의 난방 COP는 2.2(반송동력 포함) 및 3.4를 달성하였다.
도 7 은 본 발명의 실시예에 따른 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어장치에서 모드 C → 모드 A → 모드 D로 난방운전 되고 있는 것을 나타낸 그래프이다.
도 7에서 도시하고 있는 것과 같이, 모드 C → 모드 A → 모드 D로 난방운전 되고 있는 것을 볼 수 있는데, 모드 C가 종료되는 시점인 오전 06:44에서의 열펌프 시스템의 순간 소비전력은 10.7㎾, 반송동력을 포함할 경우의 순간 소비전력은 16.5㎾이고, Mode A가 종료되는 시점인 오전 10:00에서의 열펌프 시스템의 순간 소비전력은 14.8㎾, 반송동력을 포함할 경우의 순간 소비전력은 23.2 ㎾이다.
따라서 태양열을 열펌프의 열원으로 활용하는 Mode C의 경우 지열을 열펌프의 열원으로 활용하는 Mode A에 비하여 순간 소비전력을 28.9% 절감하는 것으로 산출되었다.
한편, 전반적으로 지열원 난방 COP가 낮게 산출되는 이유는 난방부하에 비하여 지중 열교환기의 규모가 크기 때문인 것으로 판단되며, 참고적으로 실험을 수행한 실증현장에서는 총 4대의 열펌프가 있으며, 이중 1대의 열펌프만을 가동한 실험결과임을 밝혀 둔다.
상기에서 설명한 본 발명의 기술적 사상은 바람직한 실시예에서 구체적으로 기술되었으나, 상기한 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술적 분야의 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 실시예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 집열기, 축열조, 기존 지열원 열펌프 및 기타 열교환 및 반송설비로 구성된 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템의 제어방법에 있어서,
    (A) 집열이 가능한 기간에 고온(1차) 축열조 입구온도(
    Figure 112013081661426-pat00021
    )가 설정값보다 높은 경우, 태양열 축열운전을 수행하는 단계와,
    (B) 고온(1차) 축열조의 온도(
    Figure 112013081661426-pat00022
    )가 설정값(
    Figure 112013081661426-pat00023
    ) 이상이고, 동시에 시간에 따른 고온(1차) 축열조의 온도변화가 양의 값을 가지는 경우, 태양열 시스템 단독운전을 수행하는 단계와,
    (C) 저온(2차) 축열조의 온도(
    Figure 112013081661426-pat00024
    )가 설정값(
    Figure 112013081661426-pat00025
    ) 이상인 경우, 저온(2차) 열원 열펌프 난방운전을 수행하는 단계와,
    (D) 상기 (A) 단계부터 상기 (C) 단계까지의 조건을 모두 만족하지 못하는 경우, 지열원 열펌프 난방운전을 수행하는 단계와,
    (E) 고온(1차) 축열조의 온도(
    Figure 112013081661426-pat00026
    )가 설정값(
    Figure 112013081661426-pat00027
    ) 이상인 경우, 태양열원 열펌프 난방운전을 수행하는 단계와,
    (F) 급탕을 위한 고온(1차) 축열조에 열을 저장하는 양 이외에는 바로 지중 열교환기를 통해 집열된 열을 지중에 저장하여 지중온도를 높여줌으로써 동절기 지열원 열펌프의 성능계수(COP) 향상을 도모하는 태양열원 계간 지중축열운전을 수행하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 (A) 단계는
    고온(1차) 축열조 입구온도가 설정값보다 낮은 경우에는 고온(1차) 축열조를 우회하여 저온(2차) 축열조 입구온도가 저온(2차) 축열조 온도와 같을 때까지 축열운전을 수행하는 것을 특징으로 하는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어방법.
  6. 제 4 항에 있어서, 상기 (B) 단계는
    열펌프 시스템이 운전되지 않는 기간에 저온(2차) 축열조와 이를 거쳐 지중에 열을 저장함으로써 태양으로부터 회수한 열을 이용하고, 동시에 집열기로 회수되는 순환매체의 온도를 낮춰 태양 집열효율 증대하며,
    이때, 상기 지중 열저장 운전은 열펌프가 운전을 정지하고 있는 경우에만 수행되는 것을 특징으로 하는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어방법.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 (C) 단계에서 저온(2차) 축열조의 온도(
    Figure 112013081661426-pat00028
    )는 현재의 지중열원 상태를 고려한 지열원 열펌프 시스템의 성능계수(Coefficient of Performance : COP) 및 저온(2차) 열원 열펌프 시스템 계통의 과거 운전이력 분석을 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 태양열원 및 지열원 복합 냉난방 시스템 제어방법.
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