KR102252392B1 - 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법 - Google Patents

변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 지열 히트펌프 시스템의 운영방법의 제어부가 지열측 입출구 온도차를 계산하고, 계산된 입출구 온도차와 제어부에 설정된 최적 온도차를 상호 비교한 결과에 따라서 지열 히트펌프 시스템의 유량을 비례 제어하는 변유량 제어수순을 포함하는 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법에 관한 것이다.

Description

변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법{Managing methods for multi geothermal heat pump system using variable discharge control}
본 발명은 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법의 제어부가 지열측 입출구 온도차를 계산하고, 계산된 입출구 온도차와 제어부에 설정된 최적 온도차를 상호 비교한 결과에 따라서 지열 히트펌프 시스템의 유량을 비례 제어하는 변유량 제어수순을 포함하는 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법에 관한 것이다.
전세계의 에너지 소비는 1973년부터 2016년까지 30% 이상 증가했으며, 2050년까지 꾸준히 증가할 것으로 예상되며, 총 에너지 소비량 중 약 30%의 에너지를 주거 또는 비주거 건물에 사용하고 있다(주 1 및 주 2).
이러한 전세계적인 에너지 증가 추세에 따라 건물 부문에의 에너지 절감 및 효율적 사용에 대한 사회적 관심이 지속되고 있으며, 장기적인 에너지 절감을 위해 에너지 비용의 절감, 공급의 안정화 및 온실가스 저감을 유도하는 신재생에너지 기술이 주목받고 있다.
이러한 신재생에너지 기술중 겨울철 지상의 온도보다 따뜻하고 여름철 더 시원한 지중의 온도로 인해 연중 효율적인 운영이 가능하며 냉난방 성능이 우수한 지열 히트펌프 시스템의 설치 및 이용이 증가하고 있는 추세에 있다.
하지만, 지열 히트펌프 시스템은 초기 설치비용이 기존의 냉난방 시스템보다 높게 형성되기 때문에 지열 히트펌프 시스템의 설치비용 절감과 안정적인 성능 유지를 위한 설계가 필요하다.
또한, 지열 히트펌프 시스템의 설치 후 효율적인 운영을 통해 에너지 절감, 시스템 성능 확보 및 운전비용 절감이 필요하다.
이를 위하여, 종래 지열 히트펌프 시스템의 성능 향상과 관련된 다양한 연구가 진행되었다.
Hepbasli(주3)는 수직 밀폐형 지중 열교환기를 적용한 지열 히트펌프 시스템의 성능 특성에 관한 연구를 진행했으며, Zhao et al.(주4)은 대체 냉매를 활용한 지열 히트펌프 시스템의 성능에 관한 실험적 연구를 실시하였다.
또한, 지중 열교환기의 성능 향상 및 최적 설계를 통한 지열 히트펌프 시스템의 효율 향상에 관한 연구가 진행되었다.
Baek(주7)은 냉난방 운전 특성에 따른 열적 회복을 고려한 지중 열교환기 최적 설계 방법을 제안했다. Liu et al.(주8)는 지중열교환기의 열전달 성능에 영향을 주는 변수를 분석하고 지중열교환기의 열전달 효율을 향상시키고 불필요한 폐열낭비를 줄이기 위한 지중열교환기 설계 방법을 개발하였다.
나아가, 다른 열원 시스템과의 통합설계 및 복합운영을 통한 지열 히트펌프 시스템의 효율 향상에 대한 연구도 진행되었다.
Aymeric Girard(주5)는 태양열과 지열 히트펌프 시스템의 복합운영을 통한 지열 히트펌프 시스템의 성능 향상에 관련된 분석을 실시하였다. 또한, Yu et al. (주6)은 흡수식 냉온수기와 지열 시스템의 복합운영 방안을 제안하며 기존의 운영 방식과의 비교 분석을 실시하였다.
그러나, 지열 시스템의 성능 향상을 위한 설계 및 효율 향상을 위한 여러 연구가 진행되는 반면, 지열 히트펌프 시스템의 효율적인 운영을 통한 에너지 절감 및 효율 향상과 관련된 연구는 미흡한 실정이며, 실제 지열 히트펌프 시스템이 적용된 다수의 건물에서 설치 후 비효율적인 운영으로 인한 효율 저하의 문제점이 빈번하게 발생하였다.
종래 상술한 지열 시스템의 비효율적인 운영방법으로서, 지중 순환펌프의 정유량 제어를 통한 지열 히트펌프 시스템 운영방법이 있었다.
도 1 은 종래 정유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법의 순서도이다.
종래 멀티 지열 히트펌프 시스템은 부하의 변화와 상관없이 일정한 지중 순환수를 공급하는 정유량 제어 방식이며, 시스템의 설정 온도에 따라서 히트펌프를 몇대 제어할 것인지를 설정한다.
즉, 냉수 설정 온도를 기준으로 설정 온도의 상한치가 되면 히트펌프의 운전 대수를 증가시키는 제어를 실시하고, 설정 온도의 하한치에 도달하면 히트펌프의 운전 대수를 감소시키는 제어를 실시하는 운영방법이다.
구체적으로는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 현재 히트펌프 시스템이 작동중이지 않은 초기 상태(S1)에서, 히트펌프 시스템의 제어부가 히트펌프의 냉수 출구 온도를 검출하여(S2), 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 높은지를 판단하고(Tw>Tset.w)(S3), 높은 경우 지열 히트펌프 시스템을 작동시키는 제어를 실시하고(SH1=1)(S4), 순환펌프를 작동시킨다(Sp1=1)(S5).
그러나, 상기 S3 단계에서 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 낮으면(Tw<Tset.w), 히트펌프 시스템을 미작동시켜 현재 상태를 유지하는 제어를 실시한다(SH1=0)(S6).
상기 S5 단계 이후 지열 히트펌프 시스템이 작동중일 경우, 계속적으로 제어부가 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 높은지를 판단하고(Tw>Tset.w)(S7), 높은 경우 설정 온도를 맞추기 위하여 히트펌프를 하나 더 추가적으로 가동시키는 제어를 실시한다(SH2=1)(S8).
상기 S7 단계에서 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 낮으면(Tw<Tset.w), S6 단계로 리턴하여 히트펌프 시스템을 미작동시켜 현재 상태를 유지하는 제어를 실시한다.
그리고, 상기 S8 단계 이후에는 제어부가 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 높은지를 판단하다가(Tw>Tset.w)(S9), 높은 경우 설정 온도를 맞추기 위하여 히트펌프를 하나 더 추가적으로 가동시키고(S10), 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 낮아지면 작동시켰던 히트펌프의 작동을 순차적으로 중지하는 제어를 실시하게 된다(S11).
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 정류량 제어를 통한 지열 히트펌프 시스템의 지중 순환 펌프의 운영방법은, 부하와 상관없이 일정한 유량을 공급하는 제어를 수행하므로 부분 부하 운전시 에너지 낭비 및 효율 저하를 일으키는 문제점이 있었다.
따라서, 종래 Song(주9)은 지열 히트펌프 시스템의 가변 유량제어 방안을 제안하였고, Jung et al.(주10)은 지중 순환수 유량 변화에 따른 지열 히트펌프 시스템의 순환 펌프 소비동력과 히트펌프 유닛의 성능을 분석한 바 있으나, 종래 Song (주9)의 지열 히트펌프 시스템의 가변 유량제어 방안과, Jung et al.(주10)의 성능 평가 방법은 단일 갯수의 히트펌프 시스템에 국한된 것으로서, 다수개의 히트펌프를 가진 지열 히트펌프 시스템의 운영 방법이나 평가는 아니라는 점에서 제약이 있었다.
* 주
주1) International Energy Agency (IEA); Key World Energy Statistics 2018; 2018.
주2) Energy Information Administration (EIA); Annual Energy Outlook 2019; 2019.
주3) Hepbasli, A., 2002, Performance evaluation of a vertical ground-source heat pump system in Izmir, Turky, Int., Journal of Energy Res., Vol. 26, pp. 1121-1139.
주4) Zhao, P. C., Zhao, L., Ding, G. L. and Zhang, C. L., 2002, Experimental research on geothermal heat pump system with non-azeotropic working fluids, Applied Thermal Engineering, Vol. 22, No. 15, pp. 1749-1761.
주5) Aymeric Girard, Higher ground source heat pump COP in a residential building through the use of solar thermal collectors, Renewable Energy, 2015.
주6) Yu, S. W. et al. Astudy on the optimized control strategies of geothermal heat pump system and absorption chiller-heater, Int. J. Energy Res, 2013.
주7) Baek, S. H., A Simple Design Method for Ground Heat Exchanger Considering Heating and Cooling Operations of Building, Ph.D course, Graduate School of Seoul National University, Korea, 2017.
주8) Liu, Y., Zhang, Y., Gong, S., Wang, Z., & Zhang, H. (2015). Analysis on the Performance of Ground Heat Exchangers in Ground Source Heat Pump Systems based on Heat Transfer Enhancements, Procedia Engineering, 121, 19-26.
주9) Song, S. W., An Experimental Study on Variable-Speed Control of an Ground-Water Circulation Pump for a Ground Source Multi-Heat Pump System, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, 25(8), 443-449, 2013.
주10) Jung, Y. J et al. A Study on the Geothermal Heat Pump System Performance Analysis according to Water Flow Rate Control of the Geothermal Water Circulation Pump, Journal of the Korean Solar Energy Society, 34(6), 103-109, 2014.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 지열 히트펌프 시스템의 에너지 절감 및 효율적인 운영을 위하여, 지중 순환 펌프의 변유량 제어 방안을 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법을 제공한다.
나아가, 본 발명의 운영방법을 적용한 시스템과 종래의 운영방법을 적용한 시스템을 비교하기 위하여, TRNSYS 등의 공지된 분석 프로그램을 활용하여 실내 열 환경, 지중 순환 펌프 소비동력, 지열 히트펌프 시스템 에너지 소비량, COP 분석을 실시하여 본 발명의 운영방법을 검증하였다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법은, 제어부가 지열측 입출구 온도차를 계산하고, 계산된 입출구 온도차와 제어부에 설정된 최적 온도차를 상호 비교한 결과에 따라서 지열 히트펌프 시스템의 유량을 비례 제어하는 변유량 제어수순을 포함하는 구성을 특징으로 한다.
또한, 상기 변유량 제어수순은 상기 제어부가 계산된 입출구 온도차가 최적 온도차보다 높은 경우 지열 히트펌프이 순차적으로 작동되도록 제어하는 구성을 특징으로 한다.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 현재 히트펌프 시스템이 작동중이지 않은 초기 상태일 경우, 상기 제어부가 실내온도를 검출하여, 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 높은지를 판단하고, 높은 경우 지열 히트펌프 시스템을 작동시키는 제어를 실시하고, 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 낮으면, 히트펌프 시스템을 미작동시켜 현재 상태를 유지하는 제어를 실시하는 구성을 특징으로 한다.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 상기 제어부가 한 대의 히트펌프의 지중 순환수 입출구 온도를 검출하고, 검출된 입구온도와 출구온도의 온도차이값를 계산하고, 계산된 입구온도와 출구온도의 온도차이값을 설정된 목표온도차이값과 비교하여 비례제어를 수행하고, 수행된 비례제어에 따른 순환펌프구동신호를 출력하는 구성을 특징으로 한다.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 상기 제어부는 출력된 비례제어에 따른 순환펌프의 구동신호에 따라서 펌프의 공급 유량을 결정하는 구성을 특징으로 한다.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 결정된 펌프의 공급 유량에 따라서 순환펌프를 작동시키는 구성을 특징으로 한다.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 상기 지열 히트펌프 시스템이 작동중일 경우, 상기 제어부가 지중 순환수의 입출구 온도차가 설정된 목표온도차보다 높은지를 판단하여, 높은 경우 히트 펌프를 하나 더 추가적으로 가동시키는 제어를 실시하는 구성을 특징으로 한다.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 지중 순환수의 입출구 온도차가 설정된 목표온도차보다 낮으면, 히트펌프의 작동을 중지하는 구성을 특징으로 한다.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법의 효과는, 종래의 지열 히트펌프 시스템은 순환펌프의 정유량 제어로 부하와 상관없이 동일한 유량을 공급함으로써 부분 부하시 순환펌프의 에너지가 낭비되며 전체 시스템의 성능 저하에 원인이 되었으나, 본 발명의 운영방법은 순환펌프의 변유량 제어 방안을 활용하여 최적 성능을 내는 유량에 따라 멀티 지열 히트펌프 시스템을 순차적으로 운영함으로써 실내 열 환경을 안정적으로 제어할 수 있으며, 기존의 운영방안 대비 순환수 공급 유량이 최대 약 29% 감소하였고, 지열 히트펌프는 약 23%, 순환펌프는 약 66%의 에너지 절감이 가능하며, 순환펌프의 소비동력을 포함한 시스템 COP가 향상되는 결과를 수득하게 되었다.
도 1 은 종래 정유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법의 순서도,
도 2 는 동일 조건에서 유량이 변화할 경우의 P-h 선도를 나타내는 그래프,
도 3 은 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법의 순서도,
도 4 는 컴퓨터의 디스플레이를 통하여 표시되는 멀티 지열 히트펌프 시스템의 제어 화면의 일례,
도 5 는 TRNBuild 프로그램을 이용하여 건물의 상세 정보를 입력하는 화면의 일례
도 6 은 시뮬레이션 스튜디오(Simulation Studio)의 프로그램의 화면의 일례,
도 7 은 종래 정류량 제어를 활용한 설정온도에 따른 대수제어방식의 시뮬레이션의 흐름도의 일례,
도 8 은 본 발명의 변유량 제어를 활용한 설정온도에 따른 대수제어방식의 시뮬레이션 흐름도의 일례,
도 9 는 실내 설정 온도 설정시 종래 실시예와 본 발명 실시예의 온도 변화의 그래프,
도 10 은 종래 실시예와 본 발명 실시예의 지열측 입출구 온도 분석 결과의 그래프,
도 11 은 종래 실시예와 본 발명 실시예의 지중 순환수 유량 변화의 그래프,
도 12 는 종래 실시예와 본 발명 실시예의 지열 히트펌프와 순환펌프의 소비동력을 나타내는 그래프,
도 13 은 종래 실시예와 본 발명 실시예의 부하에 따른 지열 히트펌프 시스템의 COP를 분석한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법을 수행하기 위한 이론을 설명한다.
본 발명의 지열 히트펌프 시스템의 지중 순환펌프 변유량 제어를 활용한 운영방법의 개발을 위하여 지열 히트펌프 시스템의 성능과 관련된 수학적 모델 분석을 실시하여야 한다.
특히, 변유량 제어를 통한 시스템 성능 분석을 위하여 COP(Coefficient of Performance) 관련 수식을 이용한다.
상기 COP 는 히트 펌프, 냉장고 또는 공조 시스템의 성능 지표로서, 시스템의 운용에 필요한 가열 또는 냉각 비율이다. COP 가 높을수록 운영비는 낮아지는 특성이 있다.
특히, 지열 히트펌프 시스템의 COP 는 히트펌프의 압축기와 순환펌프의 소비동력에 영향을 받는다.
이때, P-h 선도를 통해 지열 히트펌프 시스템의 변유량 제어를 활용한 운영방안의 에너지 절감 및 시스템 성능 향상 가능성을 확인할 수 있다.
한편, p-h 선도는 히트펌프 내부의 상태를 나타내는 선도로서, 선도 위의 각 지점의 엔탈피를 이용해 COP 산정이 가능하다.
도 2 는 동일 조건에서 유량이 변화할 경우의 P-h 선도를 나타내고 있다. 상기 도면에서 A-D 선도는 a-b 선도에서 유량을 감소시켰을 때를 나타낸다.
도면을 참조하면, 유량이 감소할 경우 압력이 감소하며 압축기의 소비동력이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 동일 조건에서 변유량 제어시 순환펌프의 소비동력을 고려하는 시스템의 전체 COP 향상이 가능하므로, 부분 부하시 정유량 제어로 인해 낭비되는 순환펌프의 에너지 사용량 감소와 지열 히트펌프 시스템 COP 향상이 가능함을 이론적으로 확인할 수 있다.
본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법은 에너지 절감 및 지열 히트펌프 시스템 성능 향상이 가능한 지중 순환수 변유량 제어 방법을 이용한 것으로서, 다수대의 히트펌프(멀티 히트펌프)를 효율적으로 운영하는 방법이다.
본 발명의 멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법의 개발에 활용된 변유량 제어 방법의 유량은 다음 식들을 통해 계산할 수 있다.
이때, 열전달률은 유량과 비열, 온도 차를 통해 계산되며 수학식 1 에 의하여 산출되고, 유량은 수학식 2 에 의하여 산출된다.
(수학식 1)
Figure 112019109145419-pat00001
(수학식 2)
Figure 112019109145419-pat00002
그리고, 부하가 동일할 때 정류량 제어와 변유량 제어 방안의 관계식은 수학식 3 과 같이 표시될 수 있다. 따라서, 변유량 제어를 위한 유량은 수학식 4 와 같이 구할 수 있다.
(수학식 3)
Figure 112019109145419-pat00003
(수학식 4)
Figure 112019109145419-pat00004
본 발명의 운영방법에 의하면, 유량의 변화와 COP 의 상관관계 분석에 따라서 유량이 감소하면 COP 가 향상되는 것을 확인할 수 있었다.
그러나, 일정한 유량보다 적은 유량으로 운전시 순환펌프의 에너지 소비량 감소보다 히트펌프의 에너지 소비량 증가가 더 증가하여 COP가 감소하는 구간이 발생되었다.
따라서, 유량과 온도차에 따른 COP 분석 결과에 따라 지열 히트펌프 시스템의 최대 성능을 발휘하기 위한 최적의 유량을 도출한 바, 지열측 온도차가 5℃ 일 때 유량이 최대 성능을 발휘하는 유량임을 알 수 있었으며, 이에 따라 본 발명의 운영방법은 최대 성능을 나타내는 유량을 유지할 수 있는 변유량 제어방식을 활용하였다.
본 발명의 지열 히트펌프 시스템의 제어부에 의하여 수행되는 운영방법은, 제어부가 지열측 입출구 온도차를 계산하고, 계산된 입출구 온도차와 제어부에 설정된 최적 온도차를 상호 비교한 결과에 따라서 지열 히트펌프 시스템의 유량을 비례 제어하는 변유량 제어수순을 포함하는 구성을 특징으로 한다.
또한, 상기 제어부는 계산된 입출구 온도차가 최적 온도차보다 높은 경우 지열 히트펌프이 순차적으로 작동되도록 제어한다.
도 3 은 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법인 변유량 제어수순을 나타내는 플로우챠트이다.
도면을 참조하면, 상기 변유량 제어수순은, 현재 히트펌프 시스템이 작동중이지 않은 초기 상태(S20)에서, 히트펌프 시스템의 제어부가 실내온도를 검출하여(S21), 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 높은지를 판단하고(Troom>Tset.room)(S22), 높은 경우 지열 히트펌프 시스템을 작동시키는 제어를 실시한다(SH1=1)(S23).
반면, 상기 S22 단계에서 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 낮으면(Troom<Tset.room), 히트펌프 시스템을 미작동시켜 현재 상태를 유지하는 제어를 실시한다(SH1=0)(S24).
다음으로, 히트펌프 시스템의 제어부가 한 대의 히트펌프의 지중 순환수 입출구 온도(Tw.r)를 검출하고(S25), 검출된 입구온도와 출구온도의 온도차이값(Td)를 계산한다(S26).
그리고, 계산된 입구온도와 출구온도의 온도차이값(Td)을 설정된 목표온도차이값(Tr)과 비교하여 비례제어를 수행하여(S27), 수행된 비례제어에 따른 순환펌프구동신호를 출력한다(S28). 본 발명의 실시예의 운영방법은 상기 입구온도와 출구온도의 온도차이값은 5℃ 이다.
상기 비례제어는 제어 시스템에서 PI(Proportional-Integral) 제어를 가리키는 것으로서, 목표값과 측정값의 차이가 클수록 제어기의 출력을 크게 하여 오차를 줄이는 제어를 가리키는 공지의 제어방법이다.
그러면, 히트펌프 시스템의 제어부는 상기 S28 단계에서 출력된 비례제어에 따른 순환펌프의 구동신호에 따라서 펌프의 공급 유량을 결정하고(S29), 결정된 펌프의 공급 유량에 따라서 순환펌프를 작동시킨다(S30).
여기서, 종래의 운용방법에 따른 순환펌프의 구동신호의 크기가 항상 일정한 반면(Sp1=1)(도 2 의 S5 단계 참조), 본 발명의 운용방법에 따른 순환펌프의 구동신호는 비례제어를 수행함으로써 신호의 크기가 가변적이다(0≤Sp1≤1).
상기 S30 단계 이후 지열 히트펌프 시스템이 작동중일 경우, 제어부가 지중 순환수의 입출구 온도차(Td)가 설정된 목표온도차(Tr)보다 높은지를 판단하여(S31)(Td>Tr), 높은 경우는 한대의 히트 펌프의 입출구 온도차(Td)가 설정된 목표온도차(Tr)가 되어도 해당 실의 부하를 담당하지 못하는 경우이므로 히트 펌프를 하나 더 추가적으로 가동시키는 제어를 실시한다(SH2=1)(S32).
상기 S31 단계에서 지중 순환수의 입출구 온도차(Td)가 설정된 목표온도차(Tr)보다 낮으면(Td>Tr), 히트펌프의 작동을 중지하여(SH1=0)(S33) 최소 유량을 공급하게 된다.
한편, 본 발명은 상술한 바와 같은 변유량 제어수순을 포함하는 운영방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 기록매체의 태양으로 실시가능하다.
이하, 상술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법을 검증하고 효과를 설명한다.
본 발명의 실시예를 통한 검증 및 효과의 도출은, 대상건물의 종래의 히트펌프 시스템의 운영방법과 본 발명의 히트 펌프의 운영방법을 시뮬레이션을 통하여 비교 및 분석하였다.
이때, 공지의 구글 스켓치업(Google SketchUp)프로그램을 이용하여 대상건물의 모델링을 진행하였으며, 공지의 Trnbuild 프로그램와 Trnsys 17 프로그램을 사용하여 대상건물의 설비시스템 및 세부 데이터를 구현하였다.
본 발명의 실시예의 검증 및 효과 도출의 대상이 되는 대상건물은 지상 9층, 지하 2층의 연면적 49,667m2, 공조면적 33,744m2 규모의 건물을 사용하였으며, 하기 표 1 은 대상건물의 개요를 나타낸다.
대상건물 개요
구분
 내용
위치
 대구, 한국
규모
 지상 9층, 지하 2층
연면적
 49,667m2
용도
 복합용도
상기 대상건물은 보일러, 빙축열 시스템, 지열 히트펌프 시스템을 활용한다.
이때, 상기 대상건물의 지열 히트펌프 시스템은 다른 열원 시스템과 분리되어 전체 냉난방의 약 26%를 담당하며 히트펌프와 순환펌프의 개요는 표 2 와 같다.
지열 히트펌프 개요
구분
 GH-1
수량
 7
용량(USRT)
 냉방
 난방
48.3
 44.4
소비동력(kW)
 46.5
 45.6
순환수 공급온도(℃)
 25
 5
냉온수 공급온도(℃)
 12
 40
유량(LPM)
 600
 600
지열 순환펌프 개요
구분
 GP-1
수량
 8 (예비 1대)
형식
 인라인
유량(LPM)
 700
양정(M)
 35
동력(kW)
 7.5
그리고, 상기 대상 건물의 지열 시스템은 도 4 에 도시된 바와 같이 컴퓨터의 디스플레이를 통하여 표시되는 제어 화면의 일례와 같이, 컴퓨터를 이용하여 모니터링 및 운영되며 냉온수 공급온도를 기준으로 대수 제어가 이루어진다.
이하, 상술한 바와 같은 대상건물의 시뮬레이션 과정을 설명한다.
먼저, 구글 켓치업(Google Sketch Up) 프로그램을 활용하여 대상건물의 모델링을 수행한다.
다음으로, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 공지의 TRNBuild 프로그램을 활용하여 건물의 상세 정보를 입력한다. 그리고, 도 6 에 도시된 바와 같이 건물의 지열 히트펌프 시스템 및 HVAC 시스템은 공지의 시뮬레이션 스튜디오(Simulation Studio)의 프로그램을 이용하여 구현한다.
하기의 표 4 는 상술한 시뮬레이션에 활용된 실내 온습도 조건을 나타내고 있다.
실내 온습도 조건
실명
 여름
 겨울
온도(℃)
 습도(%)
 온도(℃)
 습도(%)
전시장, 회의실
 24
 50±5
 20
 40±5
사무실
 24
 50±5
 22
 40±5
수장고
 24
 40±5
 20
 40±5
이하, 종래 지열 히트펌프 시스템의 정류량 제어 방법에 의한 운영방법을 종래 실시예(Case 1)라 지칭하고, 본 발명의 변유량 제어를 수행하는 운영방법은 본 발명 실시예(Case 2)로 지칭하여 기재한다.
하기의 표 5 는 상술한 종래 실시예(Case 1)와 본 발명 실시예(Case 2) 내용을 정리한 표이다.
CASE
 운영방안
CASE 1
(종래실시예)		 종래 정유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프
시스템 운영방안
CASE 2
(본발명 실시예)		 본 발명 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프
시스템 운영방안
종래 실시예와 본 발명의 운영방법을 비교하기 위한 시뮬레이션시, 외기 조건 구현에는 Type 16 (radiation processor), Type 33(psychrometrics), Type 69 (sky temp. calculation)를 공통적으로 사용하였다.
또한, 종래 운영방법과 본 발명의 운영방법을 비교하기 위한 시뮬레이션시,히트펌프 및 HVAC 시스템 구현에는 Type 508a (Cooling Coil), Type 3c (Fan), Type 1669 (Coil Valve)를 사용하였다.
먼저, 종래 대상건물의 운영방법인 정류량 제어를 활용한 설정온도에 따른 대수제어방식의 시뮬레이션 흐름도는 도 7 과 같으며, 공지된 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하므로 상세한 설명은 생략한다.
이러한 종래 지열 히트펌프 시스템 구현을 위해 히트펌프는 물 대 물 방식의 Type927 을 사용하였으며, 지중열교환기는 수직형 열교환기 Type557a 를 사용하였다. 또한, 지중 순환 펌프 및 냉수 공급 펌프는 정유량 펌프인 Type3b 를 사용하였다.
그리고, 지열 히트펌프 각각의 설정온도를 제어하기 위해 히트펌프의 설정온도를 컨트롤러입력값으로 사용한다. 컨트롤러(Controller)는 Type 911 (On/Off Controller)를 사용하였다.
또한, 상기 온도차 산출 및 실내온도 반영을 위하여, 지열측 온도차에 의한 유량 제어를 위한 컨트롤러로서 Type 1669(Proportional Controller)를 사용하였다.
이때, 순환펌프의 경우 변유량 제어가 가능한 Type 110 (Variable Speed Pump)으로 구현하였다.
본 발명의 변유량 제어를 활용한 설정온도에 따른 대수제어방식의 시뮬레이션 흐름도는 도 8 에 도시된 바와 같으며, 공지된 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하므로 상세한 설명은 생략한다.
이어서, 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법과 종래 운영방법과의 비교 분석을 실시하였다.
상기 분석 대상 항목은 실내를 쾌적한 상태로 유지하는지를 파악하기 위한 실내 온도 및 변유량 제어를 통한 유량 변화이다.
또한, 본 발명의 운영방법의 에너지적 부문과 성능적 부문에서의 개선 여부를 파악하기 위하여 지열 히트펌프 시스템의 에너지 소비량 및 COP 분석을 실시하였다. 이하에서 상기의 비교 분석 결과를 개조식으로 설명하기로 한다.
1) 실내 열 환경 분석
종래 지열 히트펌프 시스템 운영방법과 본 발명의 변유량 제어를 활용한 운영방법 적용시 실내 열 환경 분석을 실시하였다.
도 9 는 실내 설정 온도를 24℃(±0.5℃)로 설정시 각 케이스별 온도 변화의 그래프로서, 대상건물의 모든 공간은 실내설정 온도에 따라 제어되는 대표적인 하나의 실(방)(이하, 대표 공간)의 온도 변화를 나타내고 있다.
도 9 를 참조하면, 대상건물은 종래 운영방법과 비교하여 본 발명의 운영방법이 온도 편차가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
따라서, 본 발명의 운영방법을 통하여 실내 열 환경을 안정적으로 제어할 수 있음을 확인하였다.
2) 지중 순환수 입출구 온도 분석
종래 지열 히트펌프 시스템 운영방법과 본 발명의 변유량 제어를 활용한 운영방법 적용시 지중 순환수 입출구 온도 분석을 실시하였다.
멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법에 따른 지열 측 입출구 온도 분석을 실시한 결과를 도 10 에 나타내었다.
도 10 을 참조하면, 지열 측 입출구 온도의 차는 순환펌프의 유량과 반비례하며 종래 실시예(CASE 1)는 부하와 관계없이 일정한 유량을 공급하므로 부하에 따라 온도 차의 변화가 크지 않으며, 종래 실시예(CASE 1)의 평균 공급온도는 25.2℃, 평균 환수온도는 23.5℃, 평균 온도차는 1.7℃ 를 나타내고 있다.
그러나, 본 발명의 운영방법이 적용된 본 발명 실시예(CASE 2)는 최고 효율을 발휘하는 유량에 따라 히트펌프를 운영하기 위하여 최적 온도차인 5℃(±0.5℃) 맞추어 유량을 제어한다.
본 발명 실시예는 평균 공급온도 27.1℃, 평균 환수온도 23.1℃, 평균 온도 차 4℃로 설정 온도차에 맞춰 유량이 제어되었다.
3) 지중 순환수 유량 및 에너지 소비량
종래 지열 히트펌프 시스템 운영방법과 본 발명의 변유량 제어를 활용한 운영방법 적용시 지중 순환수 유량과 히트펌프 시스템 및 순환펌프의 에너지 소비량을 비교하였다. 도 11 은 대표일의 실시예별 지중 순환수 유량 변화를 나타낸다.
도 11 을 참조하면, 종래의 정유량 운영방법을 적용한 종래 실시예(CASE 1)는 부하와 상관없이 일정한 유량을 공급하나, 본 발명의 실시예(CASE 2)는 부하에 따라 유량이 변화한다.
이때, 상기 본 발명 실시예(CASE 2)의 최대 지중 순환수 공급 유량은 3,488lpm으로 종래 실시예(CASE 1) 대비 29% 감소하였다.
도 12 는 각 실시예별 지열 히트펌프와 순환펌프의 소비동력을 나타내는 그래프로서, 종래 실시예(CASE 1)의 히트펌프 소비동력은 78.6GJ, 순환펌프 소비동력은 19.6GJ 를 나타내었고, 본 발명 실시예(CASE 2)의 히트펌프 소비동력은 60.9GJ, 순환펌프 소비동력은 6.7GJ로 CASE 1 대비 히트펌프는 23%, 순환펌프는 66%의 에너지 감소량을 보였다.
따라서, 종래 운영방법이 지속적으로 정유량의 순환수를 공급함으로써 불필요한 지열 순환펌프를 작동시키던 단점이 있었으나, 본 발명의 운영방법은 에너지 절감을 가능하게 하는 것을 확인할 수 있었다.
4) 지열 히트펌프 시스템 COP 분석
종래 지열 히트펌프 시스템 운영방법과 본 발명의 변유량 제어를 활용한 운영방법 적용시 부하에 따른 지열 히트펌프 시스템의 COP를 분석하였다. 도 13 은 부하에 따른 지열 히트펌프 시스템의 COP를 분석한 그래프다.
도 13 을 참조하면, 동일 부하일 경우, 지열 히트펌프 시스템의 COP는 종래 운영방법을 적용한 종래 실시예(CASE 1)보다 본 발명 실시예(CASE 2)의 히트펌프의 시스템 성능이 더 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
종래 실시예의 경우 평균 지열 히트펌프 시스템 COP가 3.07, 최대 시스템 COP가 3.39 로 나타나며 본 발명 실시예는 평균 시스템 COP가 4.13 이다.
그러나, 본 발명의 변유량 제어를 활용한 운영방법을 적용한 결과, 한 대의 히트펌프가 최적의 성능을 발휘한 후 순차적으로 다음 히트펌프가 운영되기 때문에 종래 실시예와 비교하여 본 발명의 실시예의 COP 가 더 높은 성능을 발휘하였다.
각 케이스별 지열 히트펌프 시스템 COP의 상세한 값을 표 6 으로 나타내었으며, 본 발명의 실시예(Case 2)의 경우 종래 실시예(Case 1)와 비교하여 최대 시스템 COP가 약 1.4정도 상승하였다.
CASE 별 지열 히트펌프 시스템 COP
CASE 1
 CASE 2
System COP
 Maximum
 3.39
 4.75
Minimum
 2.85
 3.74
Average
 3.07
 4.13
상술한 바와 같이 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법은, 종래의 지열 히트펌프 시스템은 순환펌프의 정유량 제어로 부하와 상관없이 동일한 유량을 공급함으로써 부분 부하시 순환펌프의 에너지가 낭비되며 전체 시스템의 성능 저하에 원인이 되었으나, 본 발명의 운영방법은 순환펌프의 변유량 제어 방안을 활용하여 최적 성능을 내는 유량에 따라 멀티 지열 히트펌프 시스템을 순차적으로 운영함으로써 실내 열 환경을 안정적으로 제어할 수 있으며, 기존의 운영방안 대비 순환수 공급 유량이 최대 약 29% 감소하였고, 지열 히트펌프는 약 23%, 순환펌프는 약 66%의 에너지 절감이 가능하며, 순환펌프의 소비동력을 포함한 시스템 COP가 향상되는 결과를 수득하게 되었다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 지열 히트펌프 시스템의 제어부에 의하여 수행되고 다수 대의 지열 히트펌프를 운영하는 운영방법에 있어서,
    상기 제어부가 지열측 입출구 온도차를 계산하고, 계산된 입출구 온도차와 상기 제어부에 설정된 최적 온도차를 상호 비교한 결과에 따라서 상기 지열 히트펌프 시스템의 유량을 비례 제어하는 변유량 제어수순;을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 계산된 입출구 온도차가 상기 설정된 최적 온도차보다 높은 경우 상기 다수 대의 지열 히트펌프가 순차적으로 작동되도록 제어하며,
    상기 지열 히트펌프 시스템이 작동 중이지 않은 초기 상태(S20)일 경우,
    상기 제어부가 실내온도를 검출하여(S21), 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 높은지를 판단하고(S22), 상기 검출된 실내온도가 상기 설정된 실내온도보다 높은 경우 상기 지열 히트펌프 시스템을 작동시키는 제어를 실시하고(S23),
    상기 S22 단계에서 상기 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 낮은 경우, 상기 지열 히트펌프 시스템을 미작동시켜 현재 상태를 유지하는 제어를 실시(S24)하며,
    상기 변유량 제어수순은,
    상기 제어부가 상기 다수 대의 지열 히트펌프 중 어느 한 대의 지열 히트펌프의 지중 순환수 입출구 온도를 검출하고(S25), 검출된 입구온도와 출구온도의 온도차이값를 계산하고(S26), 계산된 입구온도와 출구온도의 온도차이값을 설정된 목표온도차이값과 비교하여 비례제어를 수행하고(S27), 수행된 비례제어에 따른 순환펌프구동신호를 출력(S28)하며, 상기 제어부는 상기 S28 단계에서 출력된 비례제어에 따른 순환펌프의 가변적인 구동신호에 따라서 지열 히트펌프의 공급 유량을 결정(S29)하고, 상기 지열 히트펌프 시스템이 작동 중일 경우, 상기 제어부가 지중 순환수의 입출구 온도차가 설정된 목표온도차보다 높은지를 판단하여(S31), 상기 지중 순환수의 입출구 온도차가 상기 설정된 목표온도차보다 높은 경우 상기 다수 대의 지열 히트펌프 중 다른 한 대의 지열 히트펌프를 가동시키는 제어를 실시(S32)함에 따라 상기 다수 대의 지열 히트펌프 중 어느 한 대의 지열 히트펌프의 부하를 분담하며,
    부하가 동일할 때 정류량 제어와 변유량 제어의 관계식은,
    Figure 112021039069510-pat00020
    로 표시되고,
    변유량 제어를 위한 유량은,
    Figure 112021039069510-pat00021

    의 수학식에 의해 연산되며,
    상기 다수의 지열 히트펌프 중 어느 한 대의 지열 히트펌프가 최적의 성능을 발휘한 후 순차적으로 다음 지열 히트펌프인 상기 다수의 지열 히트펌프 중 다른 한 대의 지열 히트펌프가 운영됨에 따라 COP 성능을 향상시키는 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 변유량 제어수순은,
    상기 S29 단계에서 결정된 펌프의 공급 유량에 따라서 순환펌프를 작동시키는(S30) 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 변유량 제어수순은,
    상기 S31 단계에서 지중 순환수의 입출구 온도차가 설정된 목표온도차보다 낮으면, 히트펌프의 작동을 중지하는(S33) 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 설정된 목표온도 차이값은 5℃ 인 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
  10. 제 1 항, 제 6 항, 제 8 항 및 제 9 항 중 어느 한 항의 지열 히트펌프 시스템의 운영방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 기록매체.
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