KR102434736B1 - Self-sufficient Heating and Cooling System and Method using New Renewable Energy - Google Patents

Self-sufficient Heating and Cooling System and Method using New Renewable Energy Download PDF

Info

Publication number
KR102434736B1
KR102434736B1 KR1020210150296A KR20210150296A KR102434736B1 KR 102434736 B1 KR102434736 B1 KR 102434736B1 KR 1020210150296 A KR1020210150296 A KR 1020210150296A KR 20210150296 A KR20210150296 A KR 20210150296A KR 102434736 B1 KR102434736 B1 KR 102434736B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
water
heat exchanger
cooling
geothermal
cold
Prior art date
Application number
KR1020210150296A
Other languages
Korean (ko)
Inventor
조예령
Original Assignee
(주)씨에스하이테크플러스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)씨에스하이테크플러스 filed Critical (주)씨에스하이테크플러스
Priority to KR1020210150296A priority Critical patent/KR102434736B1/en
Application granted granted Critical
Publication of KR102434736B1 publication Critical patent/KR102434736B1/en

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F24F5/0046—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater using natural energy, e.g. solar energy, energy from the ground
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C25B1/01—Products
    • C25B1/02—Hydrogen or oxygen
    • C25B1/04—Hydrogen or oxygen by electrolysis of water
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B15/00—Operating or servicing cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/60—Constructional parts of cells
    • C25B9/67—Heating or cooling means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B13/00—Compression machines, plants or systems, with reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B25/00—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00
    • F25B25/005—Machines, plants or systems, using a combination of modes of operation covered by two or more of the groups F25B1/00 - F25B23/00 using primary and secondary systems
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B30/00—Heat pumps
    • F25B30/06—Heat pumps characterised by the source of low potential heat
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F24F5/0046—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater using natural energy, e.g. solar energy, energy from the ground
    • F24F2005/0057—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater using natural energy, e.g. solar energy, energy from the ground receiving heat-exchange fluid from a closed circuit in the ground
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F5/00—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater
    • F24F5/0046—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater using natural energy, e.g. solar energy, energy from the ground
    • F24F2005/0064—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater using natural energy, e.g. solar energy, energy from the ground using solar energy
    • F24F2005/0067—Air-conditioning systems or apparatus not covered by F24F1/00 or F24F3/00, e.g. using solar heat or combined with household units such as an oven or water heater using natural energy, e.g. solar energy, energy from the ground using solar energy with photovoltaic panels
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24F—AIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F2203/00—Devices or apparatus used for air treatment
    • F24F2203/02—System or Device comprising a heat pump as a subsystem, e.g. combined with humidification/dehumidification, heating, natural energy or with hybrid system
    • F24F2203/021—Compression cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2313/00—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for
    • F25B2313/002—Compression machines, plants or systems with reversible cycle not otherwise provided for geothermal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)

Abstract

The present invention relates to a self-sufficient heating and cooling system using renewable energy including sunlight and ground heat, comprising: a water electrolysis stack (200), a coolant tank (400), an underground heat exchanger (800), a ground heat pump (70), a cold/hot water tank (600), a first heat exchanger (500), and a second heat exchanger (900). When cooling, the system operates the first heat exchanger (500) through which a pipe connected to the cold/hot water tank (600) passes, and when heating, the system operates the second heat exchanger (900) through which a pipe connected to the underground heat exchanger (800) passes. Since the system is able to cool the coolant in accordance with the operation temperature of the water electrolysis stack in all cases of heating and cooling, the system is capable of efficiently operating the water electrolysis stack in a stable manner.

Description

신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템 및 방법{Self-sufficient Heating and Cooling System and Method using New Renewable Energy}Self-sufficient Heating and Cooling System and Method using New Renewable Energy

본 발명은 신재생에너지 및 수소 연료전지를 이용한 에너지 자립형 냉난방 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수전해 스택의 냉각수를 지열을 이용한 냉난방 시스템으로 열교환하여 안정적인 냉각수 온도를 유지함으로써, 에너지 효율과 장비 수명을 향상시킬 수 있는 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to an energy-independent heating and cooling system using renewable energy and a hydrogen fuel cell, and more particularly, by heat-exchanging cooling water in a water electrolysis stack with a cooling system using geothermal heat to maintain a stable cooling water temperature, thereby improving energy efficiency and equipment lifespan It relates to an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy that can improve

산업화에 따른 에너지 수요가 증가하였으며, 최근에는 각종 전기전자 기기의 증가 및 전기자동차의 도입 등으로 인해 전력 수요가 점점 더 증가하고 있다. 종래 전력은 주로 화석연료에 의해 얻어왔으나, 최근 급격히 증가하는 환경문제로 사용을 줄여나가는 추세이다. The demand for energy has increased due to industrialization, and in recent years, the demand for electric power is increasing due to the increase of various electric and electronic devices and the introduction of electric vehicles. Conventionally, electricity has been mainly obtained from fossil fuels, but the use of electricity is being reduced due to environmental problems that are rapidly increasing in recent years.

종래의 화석에너지를 대체하기 위해 태양광, 지열, 풍력, 연료전지 등의 신재생 에너지가 각광받고 있다. 다만, 태양광 발전은 일사량이 많은 곳에서 날씨가 좋은 시간에만 가능하고, 연료전지는 수전해를 통한 수소의 공급이 필요하다. 이러한 신재생 에너지들을 복합적으로 결합하여 에너지 자립형 냉난방 시스템을 개발하는 연구가 진행되고 있다.In order to replace conventional fossil energy, renewable energy such as solar power, geothermal heat, wind power, and fuel cell is in the spotlight. However, solar power generation is possible only when the weather is good in places with a lot of insolation, and fuel cells require hydrogen supply through water electrolysis. Research on developing an energy-independent heating and cooling system by combining these new and renewable energies is ongoing.

한편, 연료전지 스택과 수전해 스택은 적정온도로 가동하여야 발전효율이 높고 장비의 수명도 증가한다. 따라서 연료전지 발전을 위해서 적정 온도의 냉각수 공급이 필요하다. 예를 들어, 저온형 연료전지인 고분자 전해질 연료전지(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell : PEMFC)의 경우 정상 작동온도가 50℃ ~ 100℃이고, 인산염 연료전지(Phosphoric Acid Fuel Cell : PAFC)는 정상 작동온도가 150℃ ~ 250℃이다, 수전해의 경우, 알카리 수전해(Alkaline Water Electrolysis : AWE)는 정상 작동온도가 60℃ ~ 90℃이고, 고분자 전해질막 수전해(Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell : PEMEC)의 경우 정상 작동온도가 50℃ ~ 80℃, 음이온교환막 수전해(Anion Exchange Membrane Electrolysis Cell : AEMEC)는 정상 작동온도가 40℃ ~ 60℃인 특징을 가진다. 따라서 각각의 연료전지와 수전해 스택에 맞는 냉각수 공급이 필요하다.On the other hand, when the fuel cell stack and the water electrolysis stack are operated at an appropriate temperature, the power generation efficiency is high and the lifespan of the equipment is increased. Therefore, it is necessary to supply cooling water at an appropriate temperature for fuel cell power generation. For example, in the case of a low-temperature fuel cell, a Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell (PEMFC), the normal operating temperature is 50°C to 100°C, and the Phosphoric Acid Fuel Cell (PAFC) has a normal operating temperature. is 150 ℃ ~ 250 ℃, in the case of water electrolysis, alkaline water electrolysis (AWE) has a normal operating temperature of 60 ℃ ~ 90 ℃, polymer electrolyte membrane water electrolysis (Polymer Electrolyte Membrane Electrolysis Cell: PEMEC) In this case, the normal operating temperature is 50°C to 80°C, and the Anion Exchange Membrane Electrolysis Cell (AEMEC) has a normal operating temperature of 40°C to 60°C. Therefore, it is necessary to supply coolant suitable for each fuel cell and water electrolysis stack.

등록특허공보 제10-1387908호 “연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템” (2014년 04월 16일 등록)에서는 연료전지에서 발생되는 열과 지열히트펌프의 열을 이용하여 난방을 수행하며, 필요에 따라 지열히트펌프를 사용하여 냉방을 수행할 수 있는 연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템을 개시하고 있다.In Registered Patent Publication No. 10-1387908 “Complex heating and cooling system using fuel cell and geothermal heat pump” (registered on April 16, 2014), heating is performed using the heat generated from the fuel cell and the heat from the geothermal heat pump. Disclosed is a complex heating and cooling system using a fuel cell and a geothermal heat pump capable of performing cooling using a geothermal heat pump as needed.

등록특허공보 제10-191873호 “수전해장치와 연료전지 발전장치 일체형 수소 에너지 전력공급 시스템” (2018년 10월 19일 등록)에서는 수소를 생산하는 수전해장치와 전력을 생산하는 연료전지발전장치의 냉각수 흐름제어를 통해 상기 장치들의 기동/정지 시간의 현격한 절감이 가능하게 하며, 이에 따른 충방전하여 사용하는 밧데리 대용품으로 사용할 수 있게 하며, 또한, 수전해장치와 연료전지발전장치를 일체화시켜 장치들에서 사용되는 물탱크, 열교환기, 컨버터 등의 구성 부품들의 간소화가 가능하게 하며, 이에 따른 기기 가격의 저가화가 가능하게 하면서도 전력수요 및 공급 시에 전력 사용 효율화의 최적화가 가능하게 하기 위한 수전해장치와 연료전지 발전장치 일체형 수소 에너지 전력공급 시스템이 개시되어 있다.In Registered Patent Publication No. 10-191873 “Hydrogen energy power supply system integrated with water electrolysis device and fuel cell power generation device” (registered on October 19, 2018), a water electrolysis device that produces hydrogen and a fuel cell power generation device that produces electricity Through the cooling water flow control of A number to enable the simplification of component parts such as water tanks, heat exchangers, and converters used in the devices, thereby enabling lowering of device prices, and optimizing the efficiency of power use during power demand and supply Disclosed is a hydrogen energy power supply system integrated with an electrolysis device and a fuel cell power generation device.

다만, 이러한 선행문헌들도 지열 시스템을 이용하여 수전해장치와 연료전지발전장치의 냉각수를 냉각하는 시스템과 방법에 관하여 개시하고 있지 않다.However, these prior documents also do not disclose a system and method for cooling the cooling water of a water electrolysis device and a fuel cell power generation device using a geothermal system.

등록특허공보 제10-1387908호 “연료전지와 지열히트펌프를 이용한 복합 냉난방 시스템” (2014년 04월 16일 등록)Registered Patent Publication No. 10-1387908 “Complex heating and cooling system using fuel cell and geothermal heat pump” (registered on April 16, 2014) 등록특허공보 제10-191873호 “수전해장치와 연료전지 발전장치 일체형 수소 에너지 전력공급 시스템” (2018년 10월 19일 등록)Registered Patent Publication No. 10-191873 “Hydrogen energy power supply system integrated with water electrolysis device and fuel cell power generation device” (registered on October 19, 2018)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 수전해 장치와 연료전지 발전장치의 냉각수 온도를 효과적으로 제어하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다.An object of the present invention is to provide an apparatus and method for effectively controlling the temperature of cooling water in a water electrolysis device and a fuel cell power generation device.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 수전해 장치와 연료전지 발전장치의 냉각수 온도 제어를 냉방 또는 온방 시스템에 일체화 하는 장치 및 방법을 제공하는 것이다. Another object of the present invention is to provide an apparatus and method for integrating cooling water temperature control of a water electrolysis device and a fuel cell power generation device into a cooling or heating system.

본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 과제는, 태양전지 발전장치와 연료전지 발전장치를 이용하여 자립형 냉난방 시스템을 제공하는 것이다. Another problem to be solved by the present invention is to provide a self-contained heating and cooling system using a solar cell power generation device and a fuel cell power generation device.

본 발명의 목적은 이상에서 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.Objects of the present invention are not limited to the objects mentioned above, and other objects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

상기 목적을 이루기 위한 하나의 양태에 따르면, 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에 있어서, 물을 전기분해하여 수소를 발생하는 수전해 스택(200); 상기 수전해 스택의 열을 흡수하는 냉각수가 순환하는 냉각수 배관(150); 상기 냉각수 배관의 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환펌프(360); 상기 수전해 스택을 통과하면서 가열된 냉각수가 저장되는 냉각수 탱크(400); 지열을 지열 냉매에 흡수시키는 지중 열교환기(800); 상기 지중 열교환기와 연결되어 지열 냉매가 순환하는 지열 냉매 배관(750); 상기 지열 냉매 배관의 지열 냉매를 순환시키는 지열 냉매 순환펌프(760); 냉방을 위한 냉수 또는 난방을 위한 온수를 보관하는 냉온수 탱크(600); 상기 냉온수 탱크의 물이 순환하는 냉온수 배관(650); 상기 냉온수 배관의 물을 순환시키는 냉온수 순환펌프(660); 상기 냉온수 배관에 연결되는 부하측 열교환기(690)와, 상기 지열 냉매 배관에 연결되는 열원측 열교환기(710)와, 사방변 밸브와, 압축기와, 팽창밸브와, 이들 사이를 연결하는 히트펌프 배관(700)을 구비하는 지열 히트펌프(70); 상기 냉각수 탱크(400)와 수전해 스택(200) 사이의 냉각수 배관(150)과 상기 냉온수 배관(650) 사이에 위치하여 냉각수와 냉수 사이에 열교환을 하는 제1 열교환기(500); 상기 제1 열교환기(500)와 수전해 스택(200) 사이의 냉각수 배관(150)과 상기 지열 냉매 배관(750) 사이에 위치하여 냉각수와 지열 냉매 사이에 열교환을 하는 제2 열교환기(900); 및 상기 수전해 스택과, 지열 히트펌프와, 제1 열교환기와, 제2 열교환기의 동작을 제어하는 제어부;를 포함한다.According to one aspect for achieving the above object, there is provided an energy-independent heating and cooling system using renewable energy, comprising: a water electrolysis stack 200 for generating hydrogen by electrolyzing water; a cooling water pipe 150 through which cooling water absorbing the heat of the water electrolysis stack circulates; a cooling water circulation pump 360 for circulating the cooling water of the cooling water pipe; a coolant tank 400 in which coolant heated while passing through the electrolysis stack is stored; a geothermal heat exchanger 800 for absorbing geothermal heat into the geothermal refrigerant; a geothermal refrigerant pipe 750 connected to the geothermal heat exchanger through which the geothermal refrigerant circulates; a geothermal refrigerant circulation pump 760 for circulating the geothermal refrigerant in the geothermal refrigerant pipe; Cold and hot water tank 600 for storing cold water for cooling or hot water for heating; a hot and cold water pipe 650 through which water in the cold and hot water tank circulates; a cold and hot water circulation pump 660 for circulating water in the cold and hot water pipe; A load side heat exchanger 690 connected to the cold and hot water pipe, a heat source side heat exchanger 710 connected to the geothermal refrigerant pipe, a four-way valve, a compressor, an expansion valve, and a heat pump pipe connecting them Geothermal heat pump 70 having a 700; a first heat exchanger 500 positioned between the cooling water pipe 150 and the cold/hot water pipe 650 between the cooling water tank 400 and the water electrolysis stack 200 to exchange heat between the cooling water and the cold water; The second heat exchanger 900 is located between the cooling water pipe 150 and the geothermal refrigerant pipe 750 between the first heat exchanger 500 and the water electrolysis stack 200 to exchange heat between the cooling water and the geothermal refrigerant. ; and a control unit for controlling operations of the water electrolysis stack, the geothermal heat pump, the first heat exchanger, and the second heat exchanger.

상기 제어부는, 상기 지열 히트펌프의 사방변 밸브를 조절하여 냉온수 탱크(600)에서 냉수를 공급하는 경우, 제1 열교환기(500)는 동작하고 제2 열교환기(900)는 동작하지 않도록 제어할 수 있고, 상기 지열 히트펌프의 사방변 밸브를 조절하여 냉온수 탱크(600)에서 온수를 공급하는 경우, 제1 열교환기(500)는 동작하지 않도록 하고 제2 열교환기(900)는 동작하도록 제어할 수 있다.The controller controls the four-way valve of the geothermal heat pump so that when cold water is supplied from the cold and hot water tank 600, the first heat exchanger 500 operates and the second heat exchanger 900 does not operate. In the case of supplying hot water from the cold and hot water tank 600 by adjusting the four-way valve of the geothermal heat pump, the first heat exchanger 500 is not operated and the second heat exchanger 900 is controlled to operate. can

상기 시스템은, 상기 냉온수 배관(650)에서, 히트펌프의 부하측 열교환기(690)와 제1 열교환기(500) 사이에 설치된 삼방변 밸브(670)와, 냉온수 탱크(600)와 제1 열교환기(500) 사이에 설치된 삼방변 밸브(570) 사이에 연결되어, 냉온수가 상기 제1 열교환기(500)를 우회하도록 하는 냉온수 바이패스 관(640); 및 상기 지열 냉매 배관(750)에서, 히트펌프의 열원측 열교환기(710)와 제2 열교환기(900) 사이에 설치된 삼방변 밸브(730)와, 지중 열교환기(800)와 제2 열교환기(900) 사이에 설치된 삼방변 밸브(770) 사이에 연결되어, 지열 냉매가 상기 제2 열교환기(900)를 우회하도록 하는 지열 냉매 바이패스 관(740);을 더 포함할 수 있다.The system includes a three-way valve 670 installed between the load side heat exchanger 690 of the heat pump and the first heat exchanger 500 in the cold/hot water pipe 650 , the cold/hot water tank 600 and the first heat exchanger a hot and cold water bypass pipe 640 connected between the three-way valves 570 installed between 500 and allowing hot and cold water to bypass the first heat exchanger 500; and a three-way valve 730 installed between the heat source side heat exchanger 710 and the second heat exchanger 900 of the heat pump in the geothermal refrigerant pipe 750 , the underground heat exchanger 800 and the second heat exchanger A geothermal refrigerant bypass pipe 740 connected between the three-way valves 770 installed between the 900 and allowing the geothermal refrigerant to bypass the second heat exchanger 900; may further include.

상기 시스템은, 상기 냉각수 배관의 제2 열교환기(900)와 수전해 스택(200) 사이에 위치하여 냉각수의 온도를 측정하는 제1 온도센서(110);를 더 포함할 수 있다.The system may further include a first temperature sensor 110 positioned between the second heat exchanger 900 of the cooling water pipe and the water electrolysis stack 200 to measure the temperature of the cooling water.

상기 제어부는, 상기 냉온수 탱크에서 냉수가 공급될 때, 상기 제1 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 수전해 설정온도보다 낮아지는 경우, 냉온수 바이패스 관(640)으로 흐르는 냉온수를 증가시키도록 삼방변 밸브(670)를 조절하고, 상기 냉온수 탱크에서 온수가 공급될 때, 상기 제1 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 수전해 설정온도보다 낮아지는 경우, 지열 냉매 바이패스 관(740)으로 흐르는 지열 냉매를 증가시키도록 삼방변 밸브(730)를 조절할 수 있다.When the cooling water temperature measured by the first temperature sensor is lower than the water electrolysis set temperature when the cold water is supplied from the cold/hot water tank, the control unit is configured to increase the hot/cold water flowing into the cold/hot water bypass pipe 640 in a three-way valve. When the valve 670 is adjusted, and when hot water is supplied from the cold and hot water tank, when the cooling water temperature measured by the first temperature sensor is lower than the set temperature by water electrolysis, the geothermal refrigerant flowing into the geothermal refrigerant bypass pipe 740 The three-way valve 730 may be adjusted to increase .

상기 시스템은, 상기 냉각수 배관에서 상기 수전해 스택과 냉각수 탱크 사이에 위치하는 연료전지 스택(300); 상기 수전해 스택과 연료전지 스택의 사이에 위치하여 냉각수의 온도를 측정하는 제2 온도센서(290); 및 상기 냉각수 배관(150)에서, 제1 온도센서(110)와 수전해 스택(200) 사이에 설치된 삼방변 밸브(130)와, 수전해 스택(200)과 제2 온도센서(290) 사이에 설치된 삼방변 밸브(270) 사이에 연결되어, 냉각수가 상기 수전해 스택(200)을 우회하도록 하는 냉각수 바이패스 관(140);을 더 포함할 수 있다. The system may include a fuel cell stack 300 positioned between the water electrolysis stack and a coolant tank in the coolant pipe; a second temperature sensor 290 positioned between the water electrolysis stack and the fuel cell stack to measure the temperature of the coolant; and in the cooling water pipe 150 , between the three-way valve 130 installed between the first temperature sensor 110 and the water electrolysis stack 200 , and the water electrolysis stack 200 and the second temperature sensor 290 . The cooling water bypass pipe 140 is connected between the installed three-way valves 270 so that the cooling water bypasses the water electrolysis stack 200; may further include.

상기 제어부는, 상기 연료전지가 가동할 때, 상기 제2 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 연료전지 설정온도보다 높아지는 경우, 냉각수 바이패스 관(140)으로 흐르는 냉각수를 증가시키도록 삼방변 밸브를 조절할 수 있다. The control unit may control the three-way valve to increase the coolant flowing into the coolant bypass pipe 140 when the coolant temperature measured by the second temperature sensor is higher than the fuel cell set temperature when the fuel cell is operating. can

상기 시스템은, 상기 냉각수 탱크(400)와 상기 냉온수 탱크(600) 사이를 연결하는 온수 배관(540); 및 상기 온수 배관(540) 내에 위치하여, 상기 냉각수 탱크에서 상기 냉온수 탱크로 이동하는 온수를 차단할 수 있는 온수 밸브(530);를 더 포함할 수 있다.The system includes: a hot water pipe 540 connecting the cooling water tank 400 and the cold/hot water tank 600; and a hot water valve 530 located in the hot water pipe 540 to block the hot water moving from the cooling water tank to the cold/hot water tank.

상기 시스템은, 태양광 발전장치;를 더 포함하여, 상기 태양광 발전장치에서 생산된 전력을 이용하여, 상기 수전해 스택과 상기 지열 히트펌프를 가동할 수 있다.The system may further include a photovoltaic device; using the power generated by the photovoltaic device, the electrolysis stack and the geothermal heat pump may be operated.

상기 시스템은, 상기 수전해 스택에서 생산된 수소를 저장하고, 연료전지 스택 가동시 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소저장 탱크; 및 상기 태양광 발전장치에서 생산된 전력을 저장하는 배터리;를 더 포함할 수 있다.The system may include: a hydrogen storage tank for storing hydrogen produced in the water electrolysis stack and supplying hydrogen to the fuel cell stack when the fuel cell stack is operated; and a battery for storing the power generated by the solar power generation device.

상기 목적을 이루기 위한 다른 양태에 따르면, 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 방법에 있어서, 지중 열교환기(800)를 이용하여 지열을 지열 냉매에 흡수시키는 단계; 지열 히트펌프(70)를 가동시켜 냉온수 탱크(600)에 냉수 또는 온수를 공급하는 단계; 수전해 스택(200)에서 물을 전기분해하여 수소를 발생하는 단계; 상기 수전해 스택을 통과하면서 가열된 냉각수를 냉각수 탱크(400)에 저장하는 단계; 및 상기 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 제1 열교환기와 제2 열교환기를 통과시켜 수전해 스택을 통과하는 냉각수를 냉각시키는 단계;를 포함한다.According to another aspect for achieving the above object, there is provided an energy-independent heating and cooling method using renewable energy, the method comprising: absorbing geothermal heat into a geothermal refrigerant using an underground heat exchanger (800); supplying cold or hot water to the cold and hot water tank 600 by operating the geothermal heat pump 70 ; electrolyzing water in the water electrolysis stack 200 to generate hydrogen; storing the coolant heated while passing through the water electrolysis stack in the coolant tank 400; and cooling the coolant passing through the water electrolysis stack by passing the coolant stored in the coolant tank through the first heat exchanger and the second heat exchanger.

상기 냉각수를 냉각시키는 단계는, 냉온수 탱크(600)에서 냉수를 공급하는 경우 제1 열교환기를 가동하고, 상기 냉온수 탱크(600)에서 온수를 공급하는 경우 제2 열교환기를 가동하여 냉각수를 냉각시킨다.In the cooling of the coolant, a first heat exchanger is operated when cold water is supplied from the cold and hot water tank 600 , and a second heat exchanger is operated when hot water is supplied from the cold and hot water tank 600 to cool the coolant.

상기 방법은, 제1 온도센서(110)에서 냉각수의 온도를 측정하는 단계; 냉온수 탱크에서 냉수가 공급될 때, 상기 제1 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 수전해 설정온도보다 낮아지는 경우, 냉온수 바이패스 관(640)으로 흐르는 냉온수를 증가시키도록 삼방변 밸브를 조절하는 단계; 및 상기 냉온수 탱크에서 온수가 공급될 때, 상기 제1 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 수전해 설정온도보다 낮아지는 경우, 지열 냉매 바이패스 관(740)으로 흐르는 지열 냉매를 증가시키도록 삼방변 밸브를 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method includes: measuring the temperature of the coolant in the first temperature sensor 110; When cold water is supplied from the cold and hot water tank, when the temperature of the coolant measured by the first temperature sensor is lower than the set temperature for water electrolysis, adjusting the three-way valve to increase the cold and hot water flowing to the cold and hot water bypass pipe 640 ; and a three-way valve to increase the geothermal refrigerant flowing into the geothermal refrigerant bypass pipe 740 when the cooling water temperature measured by the first temperature sensor is lower than the set temperature by water electrolysis when hot water is supplied from the cold/hot water tank It may further include; adjusting the.

상기 방법은, 태양광 발전장치에서 생산된 전력으로 지열 히트펌프(70)와 수전해 스택(200)을 가동하는 단계; 상기 수전해 스택(200)에서 발생시킨 수소를 수소저장 탱크에 저장하는 단계; 수소저장 탱크에서 연료전지 스택(300)으로 수소를 공급하는 단계; 연료전지 스택(300)에서 전기를 발생하는 단계; 및 연료전지 스택(300)에서 생산된 전력으로 지열 히트펌프(70)와 수전해 스택(200)을 가동하는 단계;를 더 포함할 수 있다.The method includes the steps of operating the geothermal heat pump 70 and the water electrolysis stack 200 with the power generated by the photovoltaic device; storing the hydrogen generated in the water electrolysis stack 200 in a hydrogen storage tank; supplying hydrogen from the hydrogen storage tank to the fuel cell stack 300 ; generating electricity in the fuel cell stack 300 ; and operating the geothermal heat pump 70 and the water electrolysis stack 200 with the power generated by the fuel cell stack 300 .

본 발명에 따르면, 수전해 장치와 연료전지 발전장치의 냉각수 온도를 효과적으로 제어하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide an apparatus and method for effectively controlling the temperature of cooling water of a water electrolysis device and a fuel cell power generation device.

본 발명에 따르면, 수전해 장치와 연료전지 발전장치의 냉각수 온도 제어를 냉방 또는 온방 시스템에 일체화하여, 추가적인 장비를 설치하지 않아도 되므로 냉각에 따른 추가 동력 및 공간과 비용을 줄일 수 있다.According to the present invention, since the cooling water temperature control of the water electrolysis device and the fuel cell power generation device is integrated into the cooling or heating system, it is not necessary to install additional equipment, so that additional power, space, and cost due to cooling can be reduced.

본 발명에 따르면, 수전해 장치와 연료전지 발전장치의 냉각수를 지중 열교환기 라인 및 지열에 의해 생성한 냉방 또는 난방 라인을 이용하여 에너지 효율이 높은 자립형 냉난방 시스템을 제공할 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a self-contained heating and cooling system with high energy efficiency by using a cooling or heating line generated by an underground heat exchanger line and geothermal heat for cooling water of a water electrolysis device and a fuel cell power generation device.

또한, 본 발명에 따르면, 신재생 에너지로 수소와 전력을 축적하였다가, 연료전지 발전에 사용하여 에너지 자립형 냉난방 시스템을 형성할 수 있다.In addition, according to the present invention, it is possible to form an energy-independent heating and cooling system by accumulating hydrogen and electric power as renewable energy and using it for fuel cell power generation.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉방시 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 난방시 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉방시 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 난방시 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉방시 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉방시 연료전지 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 난방시 연료전지 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉난방을 실시하지 않는 경우에 연료전지 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉난방을 실시하지 않는 경우에 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉난방을 실시하지 않는 경우에 수전해 스택 가동 중지시 연료전지 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 태양광 발전시 수소 생성과 냉난방하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 연료전지 발전시 수소 생성과 냉난방하는 방법을 나타내는 순서도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉난방과 수전해 과정에 따른 지열히트펌프와 제1 열교환기와 제2 열교환기의 동작을 제어하는 방법을 나타내는 순서도이다.1 is a thermal management system diagram showing a method of cooling water electrolysis stack cooling water during cooling in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.
2 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling water electrolysis stack cooling water during heating in an energy independent heating and cooling system using renewable energy according to an embodiment of the present invention.
3 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling water electrolysis stack cooling water during cooling in an energy independent heating and cooling system using renewable energy according to an embodiment of the present invention.
4 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling water electrolysis stack cooling water during heating in an energy independent heating and cooling system using renewable energy according to an embodiment of the present invention.
5 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling water electrolysis stack cooling water during cooling in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.
6 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling fuel cell stack coolant during cooling in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.
7 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling fuel cell stack coolant during heating in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.
8 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling a fuel cell stack coolant in a case in which heating and cooling is not performed in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.
9 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling water electrolysis stack cooling water when cooling is not performed in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.
10 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling the fuel cell stack coolant when the water electrolysis stack is stopped when cooling and heating is not performed in the energy independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.
11 is a flowchart illustrating a method of generating hydrogen and heating/cooling during solar power generation in an energy-independent heating/cooling system using renewable energy according to an embodiment of the present invention.
12 is a flowchart illustrating a method of generating hydrogen and heating/cooling during fuel cell power generation in an energy-independent heating/cooling system using renewable energy according to an embodiment of the present invention.
13 is a flowchart illustrating a method of controlling the operations of a geothermal heat pump, a first heat exchanger, and a second heat exchanger according to heating and cooling and water electrolysis processes in an energy independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention. .

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a preferred embodiment in which a person skilled in the art to which the present invention pertains can easily practice the present invention will be described in detail. However, these Examples are intended to illustrate the present invention in more detail, and it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby.

본 발명이 해결하고자 하는 과제의 해결 방안을 명확하게 하기 위한 발명의 구성을 본 발명의 바람직한 실시예에 근거하여 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명하되, 도면의 구성요소들에 참조번호를 부여함에 있어서 동일 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면상에 있더라도 동일 참조번호를 부여하였으며 당해 도면에 대한 설명시 필요한 경우 다른 도면의 구성요소를 인용할 수 있음을 미리 밝혀둔다. 아울러 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 본 발명과 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명 그리고 그 이외의 제반 사항이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 상세한 설명을 생략한다.The configuration of the invention for clarifying the solution of the problem to be solved by the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings based on a preferred embodiment of the present invention, but the same in assigning reference numbers to the components of the drawings For the components, even if they are on different drawings, the same reference numbers are given, and it is noted in advance that the components of other drawings can be cited when necessary in the description of the drawings. In addition, when it is determined that detailed descriptions of well-known functions or configurations related to the present invention and other matters may unnecessarily obscure the gist of the present invention in explaining the principle of operation of the preferred embodiment of the present invention in detail, A detailed description thereof will be omitted.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자 외에 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작, 또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In addition, throughout the specification, when a part is 'connected' with another part, it is not only 'directly connected' but also 'indirectly connected' with another element interposed therebetween. include In this specification, the singular also includes the plural, unless specifically stated otherwise in the phrase. As used herein, “comprises” or “comprising” excludes the presence or addition of one or more other components, steps, acts, or elements in addition to the stated elements, steps, acts, or elements. I never do that.

본 발명에서는 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템 및 방법을 제공한다. 이하 도면을 이용하여 본 발명의 실시예들을 설명한다. 이하의 실시예들을 설명하기 위해 연료전지로 작동온도가 50℃ ~ 80℃인 고분자 전해질 연료전지(PEMFC), 그리고 수전해 장치로 작동온도가 40℃ ~ 60℃인 음이온 교환막 수전해 장치(AEMEC)를 사용하였으나, 본 발명은 이러한 특정 연료전지 및 수전해 장치에 한정되는 것은 아니다. 이하의 실시예에 설명된 특정 온도들도 다양한 설비 중에서 선택된 연료전지와 수전해 장치에 맞추어 적합한 온도들로 바꾸어 사용할 수 있다.The present invention provides an energy-independent heating and cooling system and method using renewable energy. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. To explain the following embodiments, a polymer electrolyte fuel cell (PEMFC) having an operating temperature of 50°C to 80°C as a fuel cell, and an anion exchange membrane water electrolysis device (AEMEC) having an operating temperature of 40°C to 60°C as a water electrolysis device (AEMEC) However, the present invention is not limited to these specific fuel cells and water electrolysis devices. The specific temperatures described in the examples below may also be used by changing the temperatures suitable for the fuel cell and water electrolysis device selected from among various facilities.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉방시 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.1 is a thermal management system diagram showing a method of cooling water electrolysis stack cooling water during cooling in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템은, 수전해 순환부(10), 지열 순환부(90), 제1 열교환기(500), 제2 열교환기(900), 및 제어부를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, the energy-independent heating and cooling system using renewable energy includes a water electrolysis circulation unit 10 , a geothermal circulation unit 90 , a first heat exchanger 500 , and a second heat exchanger 900 . , and a control unit.

지열 순환부(90)는, 지열 냉난방부(60), 지열 히트펌프(70), 및 지중 열교환부(80)를 포함한다.The geothermal circulation unit 90 includes a geothermal heating/cooling unit 60 , a geothermal heat pump 70 , and an underground heat exchange unit 80 .

지중 열교환부(80)는 지중 열교환기(800), 지열 냉매 배관(750), 및 지열 냉매 순환펌프(760)를 포함한다. The underground heat exchanger 80 includes an underground heat exchanger 800 , a geothermal refrigerant pipe 750 , and a geothermal refrigerant circulation pump 760 .

지중 열교환기(800)는 지열을 지열 냉매에 흡수시킨다. 지열 냉매 배관(750)은 지중 열교환기(800)와 연결되어 지열 냉매가 순환한다. 지열 냉매 순환펌프(760)는 지열 냉매 배관의 지열 냉매를 순환시킨다. 도 1에서 지열 냉매 순환펌프(760)는 지열 냉매를 지열 냉매 배관(750)을 따라 반시계 방향으로 순환시키는 지중 열교환부(80)의 순환펌프이다.The underground heat exchanger 800 absorbs the geothermal heat into the geothermal refrigerant. The geothermal refrigerant pipe 750 is connected to the underground heat exchanger 800 to circulate the geothermal refrigerant. The geothermal refrigerant circulation pump 760 circulates the geothermal refrigerant in the geothermal refrigerant pipe. In FIG. 1 , the geothermal refrigerant circulation pump 760 is a circulation pump of the underground heat exchange unit 80 that circulates the geothermal refrigerant in a counterclockwise direction along the geothermal refrigerant pipe 750 .

지열 히트펌프(70)는 냉온수 배관에 연결되는 부하측 열교환기(690), 지열 냉매 배관에 연결되는 열원측 열교환기(710), 사방변 밸브, 압축기, 팽창밸브, 및 이들 사이를 연결하는 히트펌프 배관(700)을 포함한다. 도면에서는 지열 히트펌프(70)의 일부 구성을 생략하여 지열 히트펌프를 개략적으로 표현하였다. 도 1에서 히트펌프 냉매는 시계방향으로 이동하여 응축기에서 팽창밸브를 통해 증발기로 순환한다.The geothermal heat pump 70 includes a load side heat exchanger 690 connected to a cold and hot water pipe, a heat source side heat exchanger 710 connected to a geothermal refrigerant pipe, a four-way valve, a compressor, an expansion valve, and a heat pump connecting them. and piping 700 . In the drawings, a portion of the geothermal heat pump 70 is omitted to schematically represent the geothermal heat pump. 1 , the heat pump refrigerant moves clockwise and circulates from the condenser to the evaporator through the expansion valve.

제어부가 사방변 밸브를 조작하여, 도 1의 냉방시에는, 부하측 열교환기를 증발기(690a)로 동작시키고, 열원측 열교환기는 응축기(710a)로 동작하게 한다. 도 2와 같이 난방시에는 사방변밸브를 조작하여, 부하측 열교환기를 응축기(690b)로 동작시키고, 열원측 열교환기는 증발기(710b)로 동작하게 한다.The control unit operates the four-way valve to operate the load side heat exchanger as the evaporator 690a and the heat source side heat exchanger as the condenser 710a during cooling of FIG. 1 . As shown in FIG. 2 , the four-way valve is operated during heating to operate the load side heat exchanger as the condenser 690b and the heat source side heat exchanger as the evaporator 710b.

지열 냉난방부(60)는 냉온수 탱크(600), 냉온수 배관(650), 및 냉온수 순환펌프(660)를 포함한다. The geothermal heating and cooling unit 60 includes a cold and hot water tank 600 , a cold and hot water pipe 650 , and a cold and hot water circulation pump 660 .

냉온수 탱크(600)는 냉방을 위한 냉수 또는 난방을 위한 온수를 보관한다. 도 1은 냉방시이므로 냉수 탱크(600a)로 사용되고, 도 2는 난방시이므로 온수 탱크(600b)로 사용된다. 냉온수 배관(650)은 냉온수 탱크의 물이 순환한다. 냉온수 순환펌프(660)는 냉온수 배관의 물을 순환시킨다. 도 1에서 냉온수 순환펌프(660)는 냉수 또는 온수를 냉온수 배관(650)을 따라 시계 방향으로 순환시키는 지열 냉난방부(60)의 순환펌프이다.The cold and hot water tank 600 stores cold water for cooling or hot water for heating. Figure 1 is used as a cold water tank (600a) since it is cooling, and Figure 2 is used as a hot water tank (600b) since it is heating. The cold and hot water pipe 650 circulates water in the cold and hot water tank. The cold and hot water circulation pump 660 circulates water in the cold and hot water pipe. In FIG. 1 , the cold and hot water circulation pump 660 is a circulation pump of the geothermal heating and cooling unit 60 that circulates cold or hot water in a clockwise direction along the cold and hot water pipe 650 .

지열 순환부(90)에서 지중 열교환부(80)와 지열 냉난방부(60)는 지열 히트펌프(70)로 연결되어 있어, 지열 히트펌프와 각 배관의 순환 펌프가 가동되어 냉매들이 순환된 후 일정 시간이 지나면 각 배관을 순환하는 냉매들은 일정한 온도범위를 이루며 순환한다. In the geothermal circulation unit 90 , the underground heat exchange unit 80 and the geothermal heating and cooling unit 60 are connected by a geothermal heat pump 70 , so that the geothermal heat pump and the circulation pump of each pipe are operated and the refrigerants are circulated. As time passes, the refrigerants circulating through each pipe circulate within a certain temperature range.

도 1과 같이 여름에 냉방을 하는 경우, 지열 냉매 배관(750)에 흐르는 지열 냉매(지열순환수)의 온도는 약 30℃이다. 지열 냉매는 지열 히트펌프의 응축기(710a)를 통과하며 히트펌프 냉매의 온도를 낮추는 대신 지열 냉매는 약 34℃로 상승하는 열교환을 한다. 지열 냉매는 지중 열교환기(800)를 통해 온도가 낮은 땅속으로 열을 방출하여 지열 냉매 배관(750)에 흐르는 지열 냉매의 온도는 약 30℃로 낮아진 상태로 순환한다.In the case of cooling in summer as shown in FIG. 1 , the temperature of the geothermal refrigerant (geothermal circulating water) flowing through the geothermal refrigerant pipe 750 is about 30°C. The geothermal refrigerant passes through the condenser 710a of the geothermal heat pump, and instead of lowering the temperature of the heat pump refrigerant, the geothermal refrigerant performs heat exchange to rise to about 34°C. The geothermal refrigerant circulates in a state in which the temperature of the geothermal refrigerant flowing through the geothermal refrigerant pipe 750 is lowered to about 30° C. by discharging heat into the ground with a low temperature through the underground heat exchanger 800 .

히트펌프 배관(700)을 흐르는 히트펌프 냉매는 약 42℃의 온도이며, 열원측 열교환기인 응축기(710a)를 통과하면서 지열 냉매와 열을 교환하여 응축기에서 배출될 때 약 37℃로 낮아진다. 히트펌프 냉매는 팽창밸브를 통과하면서 온도가 낮아져 약 -1℃의 낮은 온도로 증발기(690a)에 투입된다. 냉수 탱크(600a)쪽 열교환기인 증발기(690a)를 통하는 히트펌프 냉매는 상대적으로 온도가 높은 냉수 탱크쪽 냉수와 열교환을 하므로, 증발기에서 배출시 약 4℃ 정도로 온도가 높아진다. 증발기를 통과한 히트펌프 냉매는 압축기를 통해 약 42℃로 온도가 높아진 생태로 히트펌프 배관(700)을 통해 응축기(710a)로 투입되며 순환한다.The heat pump refrigerant flowing through the heat pump pipe 700 has a temperature of about 42° C., and is lowered to about 37° C. when it is discharged from the condenser by exchanging heat with the geothermal refrigerant while passing through the condenser 710a, which is a heat source side heat exchanger. The heat pump refrigerant is introduced into the evaporator 690a at a low temperature of about -1°C as the temperature decreases while passing through the expansion valve. The heat pump refrigerant passing through the evaporator 690a, which is a heat exchanger on the cold water tank 600a side, exchanges heat with cold water in the cold water tank side having a relatively high temperature, so that when discharged from the evaporator, the temperature rises to about 4°C. The heat pump refrigerant that has passed through the evaporator is introduced into the condenser (710a) through the heat pump pipe (700) and circulates in an environment in which the temperature is raised to about 42°C through the compressor.

냉온수 배관(650)에 흐르는 냉수는 약 12℃의 온도를 가지고 지열 히트펌프의 증발기(690a)로 투입된다. 증발기에서 상대적으로 저온인 히트펌프의 냉매와 열교환하며 약 7℃정도로 낮아진 냉수는 냉수 탱크(600a)에 저장되어 별도의 열교환기 등을 사용하여 냉방에 사용된다. 냉방으로 가열된 냉수는 약 12℃의 온도로 냉온수 배관(650)으로 순환한다.The cold water flowing through the cold and hot water pipe 650 has a temperature of about 12° C. and is introduced into the evaporator 690a of the geothermal heat pump. Cold water lowered to about 7° C. while exchanging heat with the refrigerant of the heat pump, which is relatively low in the evaporator, is stored in the cold water tank 600a and used for cooling using a separate heat exchanger. The cold water heated by cooling is circulated to the cold and hot water pipe 650 at a temperature of about 12°C.

수전해 순환부(10)는 수전해 스택(200), 냉각수 배관(150), 냉각수 순환펌프(360), 및 냉각수 탱크(400)를 포함한다.The water electrolysis circulation unit 10 includes a water electrolysis stack 200 , a cooling water pipe 150 , a cooling water circulation pump 360 , and a cooling water tank 400 .

수전해 스택(200)은 물을 전기분해하는 수전해를 이용하여 수소 연료전지에 사용되는 수소를 발생시킨다. 냉각수 배관(150)은 수전해 스택의 열을 흡수하는 냉각수가 순환한다. 냉각수 순환펌프(360)는 냉각수 배관의 냉각수를 순환시킨다. 도 1에서 냉각수 순환펌프(360)는 냉각수를 냉각수 배관(150)을 따라 시계 방향으로 순환시키는 수전해 순환부(10)의 순환펌프이다. 냉각수 탱크(400)는, 수전해 스택을 통과하면서 가열된 냉각수가 저장된다.The water electrolysis stack 200 generates hydrogen used in a hydrogen fuel cell by using water electrolysis to electrolyze water. The cooling water pipe 150 circulates the cooling water that absorbs the heat of the water electrolysis stack. The cooling water circulation pump 360 circulates the cooling water in the cooling water pipe. 1 , the cooling water circulation pump 360 is a circulation pump of the water electrolysis circulation unit 10 that circulates cooling water in a clockwise direction along the cooling water pipe 150 . The cooling water tank 400 stores cooling water heated while passing through the water electrolysis stack.

일 실시예에 의하면, 수전해 스택으로 음이온 교환막 수전해 장치(AEMEC)를 사용할 수 있다. 이 경우, 수전해 스택이 안정적으로 작동할 수 있도록 수전해 스택의 온도를 약 40℃ ~ 60℃로 유지하는 것이 필요하고, 수전해 스택(200)에 흐르는 냉각수를 40℃ ~ 50℃ 온도로 낮추어 순환시킨다. According to an embodiment, an anion exchange membrane water electrolysis device (AEMEC) may be used as the water electrolysis stack. In this case, it is necessary to maintain the temperature of the water electrolysis stack at about 40°C to 60°C so that the water electrolysis stack can stably operate, and the cooling water flowing through the water electrolysis stack 200 is lowered to a temperature of 40°C to 50°C. circulate

수전해 스택에서 전기분해가 일어나면 발열 반응에 의해 냉각수가 가열되고, 수전해 스택에서 배출되는 냉각수는 약 60℃로 가열된다. 가열된 냉각수는 냉각수 탱크(400)에 저장되며, 외부의 급수부(450)로부터 물을 보충 받아서 냉각수 탱크(400)에서 배출되는 온도는 약 50℃ ~ 60℃가 된다. 냉각수 탱크(400)에 저장된 고온의 냉각수는 온수(급탕)에 사용할 수 있고, 냉각수 탱크의 냉각수를 온수에 사용한 경우에는 급수부(450)를 통해 외부에서 급수를 보충받아야 한다.When electrolysis occurs in the water electrolysis stack, the cooling water is heated by an exothermic reaction, and the cooling water discharged from the water electrolysis stack is heated to about 60°C. The heated cooling water is stored in the cooling water tank 400 , and the temperature discharged from the cooling water tank 400 after receiving water from the external water supply unit 450 is about 50° C. to 60° C. The high-temperature cooling water stored in the cooling water tank 400 can be used for hot water (hot water supply), and when the cooling water of the cooling water tank is used for hot water, water supply must be replenished from the outside through the water supply unit 450 .

약 50℃ ~ 60℃의 냉각수를 냉각수 배관(150)을 통해 순환시켜 수전해 스택(200)으로 다시 투입하는 경우, 수전해 스택의 냉각 효율이 떨어져서 수전해 효율도 떨어질 뿐만 아니라 수전해 스택의 수명도 줄어든다. 따라서, 정상적인 수전해 동작을 위해서 별도의 냉동기 등을 가동시켜 수전해 스택에 투입되는 냉각수 온도를 약 40℃ ~ 50℃ 온도로 낮추어 순환시켜야 한다. When the cooling water at about 50° C. to 60° C. is circulated through the cooling water pipe 150 and put back into the water electrolysis stack 200, the cooling efficiency of the water electrolysis stack decreases and the water electrolysis efficiency decreases as well as the lifespan of the water electrolysis stack also decreases Therefore, for normal water electrolysis operation, a separate refrigerator or the like must be operated to reduce the temperature of the cooling water input to the water electrolysis stack to about 40° C. to 50° C. and circulate it.

제1 열교환기(500)는 상기 냉각수 탱크(400)와 수전해 스택(200) 사이의 냉각수 배관(150)과 냉온수 배관(650) 사이에 위치하여 냉각수와 냉수 또는 온수 사이에 열교환을 한다.The first heat exchanger 500 is located between the cooling water pipe 150 and the cold/hot water pipe 650 between the cooling water tank 400 and the water electrolysis stack 200 to exchange heat between the cooling water and the cold water or hot water.

제2 열교환기(900)는 상기 제1 열교환기(500)와 수전해 스택(200) 사이의 냉각수 배관(150)과 지열 냉매 배관(750) 사이에 위치하여 냉각수와 지열 냉매 사이에 열교환을 한다.The second heat exchanger 900 is located between the cooling water pipe 150 and the geothermal refrigerant pipe 750 between the first heat exchanger 500 and the water electrolysis stack 200 to exchange heat between the cooling water and the geothermal refrigerant. .

제어부는 수전해 스택과, 지열 히트펌프와, 제1 열교환기와, 제2 열교환기의 동작을 제어한다. The control unit controls operations of the water electrolysis stack, the geothermal heat pump, the first heat exchanger, and the second heat exchanger.

도 1과 같이 여름에 냉방을 하는 경우, 제어부는 지열 히트펌프의 사방변 밸브를 조절하여, 지열 순환부(90)가 냉방에 사용되도록 할 수 있다. 즉, 열원측 열교환기는 응축기(710a)로 동작하게 하고, 부하측 열교환기를 증발기(690a)로 동작시켜서, 냉온수 탱크(600)에서 냉수가 공급되도록 한다. In the case of cooling in summer as shown in FIG. 1 , the control unit may adjust the four-way valve of the geothermal heat pump so that the geothermal circulation unit 90 is used for cooling. That is, the heat source side heat exchanger operates as the condenser 710a and the load side heat exchanger operates as the evaporator 690a so that cold water is supplied from the cold/hot water tank 600 .

이때, 수전해 순환부(10)를 순환하는 냉각수의 온도를 낮추기 위해, 제어부는 제1 열교환기(500)는 동작하고 제2 열교환기(900)는 동작하지 않도록 제어한다. At this time, in order to lower the temperature of the coolant circulating in the water electrolysis circulation unit 10 , the controller controls the first heat exchanger 500 to operate and the second heat exchanger 900 not to operate.

제1 열교환기(500)를 작동시키면, 지열 냉난방부(60)에서 증발기(690a)에서 냉수 탱크쪽으로 순환하는 배관에는 약 7℃의 낮은 온도를 가진 냉수가 순환하고 있으므로, 냉각수 탱크(400)에서 배출되는 약 50℃ ~ 60℃의 상대적으로 고온인 냉각수를 수전해 스택(200)에 투입하기 적당한 약 40℃ ~ 50℃로 낮출 수 있다. 제1 열교환기(500)에서 열교환된 지열 냉난방부(60)의 냉수는 열교환전에 약 7℃에서 열교환후에 약 8℃ ~ 10℃로 온도가 상승하여 냉수 탱크(600a)로 순환한다.When the first heat exchanger 500 is operated, cold water having a low temperature of about 7° C. circulates in the pipe circulating from the evaporator 690a to the cold water tank in the geothermal heating and cooling unit 60, so that in the cooling water tank 400 The relatively high temperature cooling water of about 50° C. to 60° C. discharged may be lowered to about 40° C. to 50° C. suitable for input into the water electrolysis stack 200 . The cold water of the geothermal heating and cooling unit 60 heat-exchanged in the first heat exchanger 500 rises from about 7° C. before heat exchange to about 8° C. to about 10° C. after heat exchange, and circulates to the cold water tank 600a.

제2 열교환기(900)에 결합된 지중 열교환부(80)에 순환하는 지열 냉매는 약 34℃의 상대적으로 고온이므로, 수전해 순환부(10)를 순환하는 냉각수를 약 50~60℃에서 약 40℃ ~ 50℃까지 낮추는 데 사용하기 적합하지 않으므로 가동을 중지시킨다.Since the geothermal refrigerant circulating in the underground heat exchange unit 80 coupled to the second heat exchanger 900 has a relatively high temperature of about 34 ° C, the cooling water circulating in the water electrolysis circulation unit 10 is heated at about 50 to 60 ° C. Shut down as it is not suitable for use down to 40°C to 50°C.

수전해 순환부(10)에 흐르는 냉각수를 별도의 냉동기 등을 설치하지 않고, 지열 순환부(90) 중 지열 냉난방부(60)를 흐르는 냉온수를 이용하여 원하는 온도로 냉각할 수 있어서, 냉각시 필요한 별도의 동력을 없애고 공간을 절약할 수 있고 유지보수도 용이해진다.The cooling water flowing through the water electrolysis circulation unit 10 can be cooled to a desired temperature using cold and hot water flowing through the geothermal heating and cooling unit 60 of the geothermal circulation unit 90 without installing a separate refrigerator, It eliminates extra power, saves space, and makes maintenance easier.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 난방시 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.2 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling water electrolysis stack cooling water during heating in an energy independent heating and cooling system using renewable energy according to an embodiment of the present invention.

도 2와 같이 겨울에 난방을 하는 경우, 제어부는 지열 히트펌프의 사방변 밸브를 조절하여, 지열 순환부(90)가 난방에 사용되도록 할 수 있다. 즉, 열원측 열교환기는 증발기(710b)로 동작하게 하고, 부하측 열교환기를 응축기(690b)로 동작시켜서, 냉온수 탱크(600)에서 온수가 공급되도록 한다. When heating is performed in winter as shown in FIG. 2 , the control unit may adjust the four-way valve of the geothermal heat pump so that the geothermal circulation unit 90 is used for heating. That is, the heat source side heat exchanger operates as the evaporator 710b and the load side heat exchanger operates as the condenser 690b so that hot water is supplied from the cold/hot water tank 600 .

도 2에서 히트펌프 냉매는 반시계방향으로 이동하여 응축기에서 팽창밸브를 통해 증발기로 순환한다. 나머지 부분은 도 1의 냉방의 경우와 동일한 방향이다. 즉, 수전해 순환부(10)와 지열 냉난방부(60)는 시계방향, 지중 열교환부(80)는 반시계방향이다. 냉매의 순환 방향은 히트펌프의 배치 등을 고려하여 변경할 수 있다.In FIG. 2 , the heat pump refrigerant moves counterclockwise and circulates from the condenser to the evaporator through the expansion valve. The remaining parts are in the same direction as in the case of cooling in FIG. 1 . That is, the water electrolysis circulation unit 10 and the geothermal heating and cooling unit 60 are clockwise, and the underground heat exchange unit 80 is counterclockwise. The circulation direction of the refrigerant may be changed in consideration of the arrangement of the heat pump and the like.

도 2와 같이 겨울에 난방을 하는 경우, 지열 냉매 배관(750)에 흐르는 지열 냉매의 온도는 약 6℃이다. 지열 냉매는 지열 히트펌프의 증발기(710b)를 통과하며 히트펌프 냉매의 온도를 높이는 대신 지열 냉매는 약 0℃로 하강하는 열교환을 한다. 지열 냉매는 지중 열교환기(800)를 통해 상대적으로 온도가 높은 땅속에서 열을 흡수하여 지열 냉매 배관(750)에 흐르는 지열 냉매의 온도는 약 6℃로 높아진 상태로 순환한다.When heating is performed in winter as shown in FIG. 2 , the temperature of the geothermal refrigerant flowing through the geothermal refrigerant pipe 750 is about 6°C. The geothermal refrigerant passes through the evaporator 710b of the geothermal heat pump, and instead of increasing the temperature of the heat pump refrigerant, the geothermal refrigerant performs heat exchange by dropping to about 0°C. The geothermal refrigerant absorbs heat from the ground having a relatively high temperature through the underground heat exchanger 800 , and the temperature of the geothermal refrigerant flowing in the geothermal refrigerant pipe 750 is circulated in a state in which the temperature is increased to about 6°C.

히트펌프 배관(700)을 통해 압축기로 투입되는 히트펌프 냉매는 약 4℃의 온도이며, 압축기를 통과하여 약 60℃의 고온이 되고 온수 탱크(600b)쪽 열교환기인 응축기(690b)를 통과하면서 지열 냉난방부(60)의 온수와 열을 교환하여 응축기에서 배출될 때 약 55℃로 낮아진다. 히트펌프 냉매는 팽창밸브를 통과하면서 온도가 낮아져 약 -1℃의 낮은 온도로 증발기(710b)에 투입된다. 지중 열교환기(800)쪽 열교환기인 증발기(710b)를 통하는 히트펌프 냉매는 상대적으로 온도가 높은 지열 냉매와 열교환을 하므로, 증발기에서 배출시 약 4℃ 정도로 온도가 높아진다. 증발기를 통과한 히트펌프 냉매는 압축기를 통해 약 60℃로 온도가 높아진 생태로 히트펌프 배관(700)을 통해 다시 응축기(710a)로 투입되며 순환한다.The heat pump refrigerant injected into the compressor through the heat pump pipe 700 is at a temperature of about 4°C, passes through the compressor to a high temperature of about 60°C, and passes through the condenser (690b), which is a heat exchanger on the hot water tank (600b) side. When it is discharged from the condenser by exchanging heat with the hot water of the air conditioning unit 60, it is lowered to about 55°C. The heat pump refrigerant is introduced into the evaporator 710b at a low temperature of about -1°C as the temperature decreases while passing through the expansion valve. Since the heat pump refrigerant passing through the evaporator 710b, which is a heat exchanger on the side of the underground heat exchanger 800, exchanges heat with the geothermal refrigerant having a relatively high temperature, when discharged from the evaporator, the temperature rises to about 4°C. The heat pump refrigerant that has passed through the evaporator is introduced into the condenser 710a again through the heat pump pipe 700 and circulates in an ecology in which the temperature is raised to about 60° C. through the compressor.

냉온수 배관(650)에 흐르는 온수는 약 50℃의 온도를 가지고 지열 히트펌프의 응축기(690b)로 투입된다. 응축기에서 상대적으로 고온인 히트펌프의 냉매와 열교환하며 약 50℃ ~ 55℃정도로 높아진 온수는 온수 탱크(600b)에 저장되어 별도의 열교환기 등을 사용하여 난방에 사용된다. 난방으로 냉각된 온수는 약 50℃의 온도로 냉온수 배관(650)으로 순환한다.The hot water flowing through the cold and hot water pipe 650 has a temperature of about 50° C. and is introduced into the condenser 690b of the geothermal heat pump. The hot water heated to about 50° C. to 55° C. while exchanging heat with the refrigerant of the heat pump, which is relatively high in the condenser, is stored in the hot water tank 600b and used for heating by using a separate heat exchanger. The hot water cooled by heating is circulated to the cold/hot water pipe 650 at a temperature of about 50°C.

도 2와 같이 겨울에 난방을 하는 경우, 수전해 순환부(10)를 순환하는 냉각수의 온도를 낮추기 위해, 제어부는 제1 열교환기(500)는 동작하지 않고 제2 열교환기(900)는 동작하도록 제어한다. When heating is performed in winter as shown in FIG. 2 , in order to lower the temperature of the coolant circulating in the water electrolysis circulation unit 10 , the control unit does not operate the first heat exchanger 500 and operates the second heat exchanger 900 . control to do

제1 열교환기(500)에 결합된 지열 냉난방부(60)에 순환하는 온수는 약 50℃ ~ 55℃의 상대적으로 고온이므로, 수전해 순환부(10)를 순환하는 냉각수를 약 50℃ ~ 60℃에서 약 40℃ ~ 50℃까지 낮추는 데 사용하기 적합하지 않으므로 가동을 중지시킨다.Since the hot water circulating in the geothermal heating and cooling unit 60 coupled to the first heat exchanger 500 is a relatively high temperature of about 50 ° C. to 55 ° C. It is not suitable for use in lowering from ℃ to about 40℃ to 50℃, so shut down.

제2 열교환기(900)를 작동시키면, 지중 열교환부(80)에서 증발기(710b)쪽에서 지중 열교환기(800)로 순환하는 배관에는 약 0℃의 낮은 온도를 가진 지열 냉매가 순환하고 있으므로, 냉각수 탱크(400)에서 배출되는 약 50℃ ~ 60℃의 상대적으로 고온인 냉각수를 수전해 스택(200)에 투입하기 적당한 약 40℃ ~ 50℃로 낮출 수 있다. 제2 열교환기에서 열교환된 지중 열교환부(80)의 냉수는 약 0℃에서 약 1℃~3℃로 온도가 상승하여 지중 열교환기(800)로 순환한다.When the second heat exchanger 900 is operated, a geothermal refrigerant having a low temperature of about 0° C. is circulated in the pipe circulating from the underground heat exchanger 80 to the underground heat exchanger 800 from the evaporator 710b side. The relatively high-temperature cooling water of about 50° C. to 60° C. discharged from the tank 400 can be lowered to about 40° C. to 50° C. suitable for input into the water electrolysis stack 200 . The cold water of the underground heat exchanger 80 heat-exchanged in the second heat exchanger is circulated to the underground heat exchanger 800 as the temperature rises from about 0° C. to about 1° C. to 3° C.

수전해 순환부(10)에 흐르는 냉각수를 별도의 냉동기 등을 설치하지 않고, 도 1과 같이 지열 순환부(90)에서 냉방시에는 제1 열교환기(500)를 이용하여 지열 냉난방부(60)를 흐르는 냉온수를 이용하여 수전해 순환부(10)의 냉각수 배관(150)을 흐르는 냉각수를 원하는 온도로 냉각할 수 있고, 도 2와 같이 지열 순환부(90)에서 온방시에는 제2 열교환기(900)를 이용하여 지중 열교환부(80)를 흐르는 지열 냉매를 이용하여 수전해 순환부(10)의 냉각수 배관(150)을 흐르는 냉각수를 원하는 온도로 냉각할 수 있으므로, 지열 순환부(90)에서 냉온방 가동 여부에 무관하게 동일한 설비를 이용하여 수전해 순환부(10)를 흐르는 냉각수를 원하는 온도로 냉각할 수 있어서, 공간을 절약할 수 있고 유지보수도 용이해진다.When cooling the cooling water flowing through the water electrolysis circulation unit 10 in the geothermal circulation unit 90 without installing a separate refrigerator, as shown in FIG. Cooling water flowing through the cooling water pipe 150 of the water electrolysis circulation unit 10 can be cooled to a desired temperature by using the cold and hot water flowing through the second heat exchanger ( 900) using the geothermal refrigerant flowing through the underground heat exchange unit 80 to cool the cooling water flowing through the cooling water pipe 150 of the water electrolytic circulation unit 10 to a desired temperature, so that in the geothermal circulation unit 90 The cooling water flowing through the water electrolysis circulation unit 10 can be cooled to a desired temperature by using the same equipment regardless of whether the cooling or heating operation is performed, thereby saving space and facilitating maintenance.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉방시 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.3 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling water electrolysis stack cooling water during cooling in an energy independent heating and cooling system using renewable energy according to an embodiment of the present invention.

일 실시예에서 지중 열교환부(80)는 지열 냉매 바이패스 관(740)을 더 포함한다. 지열 냉매 바이패스 관(740)은, 지중 열교환부(80)의 지열 냉매 배관(750)에서, 히트펌프의 열원측 열교환기(710)와 제2 열교환기(900) 사이에 설치된 삼방변 밸브(730)와, 지중 열교환기(800)와 제2 열교환기(900) 사이에 설치된 삼방변 밸브(770) 사이에 연결되어, 지열 냉매가 제2 열교환기(900)를 우회하도록 설치된다.In an embodiment, the underground heat exchange unit 80 further includes a geothermal refrigerant bypass tube 740 . The geothermal refrigerant bypass pipe 740 is a three-way valve ( It is connected between the 730 and the three-way valve 770 installed between the underground heat exchanger 800 and the second heat exchanger 900 , and is installed so that the geothermal refrigerant bypasses the second heat exchanger 900 .

지중 열교환부(80)의 삼방변 밸브들을 제어하여 지열 냉매 바이패스 관(740)으로 상대적으로 고온인 지열 냉매를 순환시키면, 제2 열교환기(900)를 흐르는 수전해 순환부(10)의 냉각수에 열교환이 되지 않아서, 냉각수 배관(150)을 흐르는 냉각수를 용이하게 원하는 냉각 온도로 낮출 수 있다.When a relatively high temperature geothermal refrigerant is circulated through the geothermal refrigerant bypass pipe 740 by controlling the three-way valves of the underground heat exchange unit 80 , the cooling water of the water electrolytic circulation unit 10 flowing through the second heat exchanger 900 is Since there is no heat exchange in the air, the cooling water flowing through the cooling water pipe 150 can be easily lowered to a desired cooling temperature.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 난방시 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.4 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling water electrolysis stack cooling water during heating in an energy independent heating and cooling system using renewable energy according to an embodiment of the present invention.

일 실시예에서 지중 열교환부(80)는 냉온수 바이패스 관(640)을 더 포함한다. 냉온수 바이패스 관(640)은, 지열 냉난방부(60)의 냉온수 배관(650)에서, 히트펌프의 부하측 열교환기(690)와 제1 열교환기(500) 사이에 설치된 삼방변 밸브(670)와, 냉온수 탱크(600)와 제1 열교환기(500) 사이에 설치된 삼방변 밸브(570) 사이에 연결되어, 냉온수가 제1 열교환기(500)를 우회하도록 설치된다.In an embodiment, the underground heat exchange unit 80 further includes a hot and cold water bypass pipe 640 . The cold and hot water bypass pipe 640 is a three-way valve 670 installed between the load side heat exchanger 690 of the heat pump and the first heat exchanger 500 in the cold and hot water pipe 650 of the geothermal heating and cooling unit 60 and , is connected between the three-way valve 570 installed between the cold and hot water tank 600 and the first heat exchanger 500 , so that the cold and hot water bypasses the first heat exchanger 500 .

지열 냉난방부(60)의 삼방변 밸브들을 제어하여 냉온수 바이패스 관(640)으로 상대적으로 고온인 온수를 순환시키면, 제1 열교환기(500)를 흐르는 수전해 순환부(10)의 냉각수에 열교환이 되지 않아서, 냉각수 배관(150)을 흐르는 냉각수를 용이하게 원하는 냉각 온도로 낮출 수 있다.When the three-way valves of the geothermal heating and cooling unit 60 are controlled to circulate relatively high-temperature hot water through the cold/hot water bypass pipe 640 , heat exchange with the cooling water of the electrolytic circulation unit 10 flowing through the first heat exchanger 500 . Since this is not done, the cooling water flowing through the cooling water pipe 150 can be easily lowered to a desired cooling temperature.

한편, 일 실시예의 에너지 자립형 냉난방 시스템은 온수 배관(540) 및 온수 밸브(530)를 더 포함한다. On the other hand, the energy-independent heating and cooling system according to an embodiment further includes a hot water pipe 540 and a hot water valve 530 .

온수 배관(540)은 수전해 순환부(10)의 냉각수 탱크(400)와 지열 냉난방부(60)의 냉온수 탱크(600) 사이를 연결한다. 수전해 순환부(10)에서 약 50℃ ~ 60℃로 가열된 냉각수를 난방에 의해 약 50℃로 낮아지는 지열 냉난방부(60)의 온수 탱크(600b)에 공급하여, 난방 효율을 높일 수 있다. 온수 배관(540)은 두 탱크 사이를 순환하도록 설치할 수도 있다.The hot water pipe 540 connects between the cooling water tank 400 of the water electrolysis circulation unit 10 and the cold/hot water tank 600 of the geothermal heating and cooling unit 60 . By supplying the cooling water heated to about 50° C. to 60° C. in the water electrolysis circulation unit 10 to the hot water tank 600b of the geothermal heating and cooling unit 60, which is lowered to about 50° C. by heating, heating efficiency can be increased. . The hot water pipe 540 may be installed to circulate between the two tanks.

온수 밸브(530)는 온수 배관(540) 내에 위치하여, 냉각수 탱크에서 냉온수 탱크로 이동하는 온수를 차단할 수 있다. 냉방시에는 냉각수 탱크의 온도가 냉수 탱크보다 높기 때문에 온수 밸브를 잠가서 냉수 탱크에 고온의 냉각수가 공급되는 것을 차단한다.The hot water valve 530 may be located in the hot water pipe 540 to block the hot water moving from the cooling water tank to the cold/hot water tank. During cooling, since the temperature of the cooling water tank is higher than that of the cold water tank, the hot water valve is closed to block the supply of high-temperature cooling water to the cold water tank.

온수 배관(540)에는 고온의 냉각수를 온수 탱크로 보내기 위해 펌프를 추가할 수 있다. 냉각수 탱크(400)를 냉온수 탱크(600)보다 높은 곳에 위치하도록 설치하는 경우에는 냉각수를 이동시키기 위한 에너지를 절약할 수 있다.A pump may be added to the hot water pipe 540 to send hot coolant to the hot water tank. When the cooling water tank 400 is installed to be positioned higher than the cold/hot water tank 600 , energy for moving the cooling water can be saved.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉방시 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.5 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling water electrolysis stack cooling water during cooling in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.

일 실시예에서, 수전해 순환부(10)는 제1 온도센서(110)를 더 포함한다. 제1 온도센서(110)는 냉각수 배관의 제2 열교환기(900)와 수전해 스택(200) 사이에 위치하여 냉각수의 온도를 측정한다.In an embodiment, the water electrolysis circulation unit 10 further includes a first temperature sensor 110 . The first temperature sensor 110 is positioned between the second heat exchanger 900 of the cooling water pipe and the water electrolysis stack 200 to measure the temperature of the cooling water.

도 5와 같이 지열 냉방으로 냉온수 탱크(600a)에서 냉수가 공급될 때, 제어부는, 제1 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 수전해 설정온도보다 낮아지는 경우, 냉온수 바이패스 관(640)으로 흐르는 냉온수를 증가시키도록 삼방변 밸브를 조절하여, 제1 열교환기(500)에서 냉각수로 전달되는 냉수의 양을 줄일 수 있다. 냉각수 온도를 낮추기 위해서는 펌프를 제어하여 냉수의 시간당 순환량을 증가시킬 수 있다.As shown in FIG. 5 , when cold water is supplied from the cold and hot water tank 600a for geothermal cooling, when the coolant temperature measured by the first temperature sensor is lower than the set temperature by water electrolysis, the cold and hot water flows into the bypass pipe 640 . By adjusting the three-way valve to increase the cold and hot water, the amount of cold water transferred from the first heat exchanger 500 to the cooling water may be reduced. In order to lower the cooling water temperature, the hourly circulation amount of the cooling water may be increased by controlling the pump.

도 5와 다르게 지열 난방으로 냉온수 탱크(600a)에서 온수가 공급될 때, 제어부는, 제1 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 수전해 설정온도보다 낮아지는 경우, 지열 냉매 바이패스 관(740)으로 흐르는 지열 냉매를 증가시키도록 삼방변 밸브를 조절하여, 제2 열교환기(900)에서 냉각수로 전달되는 냉수의 양을 줄일 수 있다. 냉각수 온도를 낮추기 위해서는 펌프를 제어하여 지열 냉매의 시간당 순환량을 증가시킬 수 있다.Unlike FIG. 5, when hot water is supplied from the cold and hot water tank 600a through geothermal heating, when the cooling water temperature measured by the first temperature sensor is lower than the set temperature by water electrolysis, the geothermal refrigerant bypass pipe 740 is By adjusting the three-way valve to increase the flow of geothermal refrigerant, the amount of cold water transferred from the second heat exchanger 900 to the cooling water may be reduced. In order to lower the coolant temperature, the hourly circulation amount of the geothermal refrigerant can be increased by controlling the pump.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉방시 연료전지 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.6 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling fuel cell stack coolant during cooling in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.

일 실시예에서, 수전해 순환부(10)는 연료전지 스택(300)을 더 포함할 수 있다. 수전해 스택(200)과 연료전지 스택(300)은 모두 발열반응이 일어나므로, 안정적인 동작을 위해서는 냉각 시스템을 이용하여 각 스택을 적당한 온도로 냉각할 필요가 있다. In an embodiment, the water electrolysis circulation unit 10 may further include a fuel cell stack 300 . Since both the water electrolysis stack 200 and the fuel cell stack 300 generate an exothermic reaction, it is necessary to cool each stack to an appropriate temperature using a cooling system for stable operation.

이때, 일 실시예와 같이 수전해 스택(200)과 연료전지 스택(300)의 온도 조건이 비슷한 경우, 순차적인 냉각 또는 각각의 냉각시스템을 이용하여 추가적인 동력의 손실을 줄이며 냉각시스템을 일원화 할 수 있다. 도 6에 나타난 실시예에서는, 수전해 순환부(10)에서 냉각수 순환방향을 기준으로, 제1 열교환기(500)와 제2 열교환기(900)를 통과한 냉각수가 작동온도가 상대적으로 낮은 수전해 스택(200)을 먼저 통과한 후, 작동온도가 상대적으로 높은 연료전지 스택(300)을 통과하며 순차적으로 냉각시키도록 구성하여, 냉각시스템을 보다 간단하게 구성할 수 있다. 반대로 연료전지 스택(300)의 작동 온도가 수전해 스택의 작동 온도보다 낮은 경우, 연료전지 스택을 통과한 냉각수가 수전해 스택을 통과하도록 구성할 수 있다.At this time, when the temperature conditions of the water electrolysis stack 200 and the fuel cell stack 300 are similar as in one embodiment, sequential cooling or each cooling system is used to reduce the loss of additional power and unify the cooling system. have. In the embodiment shown in FIG. 6 , the coolant that has passed through the first heat exchanger 500 and the second heat exchanger 900 has a relatively low operating temperature based on the coolant circulation direction in the water electrolysis circulation unit 10 . After passing through the stack 200 first, the cooling system can be configured more simply by sequentially cooling the fuel cell stack 300 having a relatively high operating temperature. Conversely, when the operating temperature of the fuel cell stack 300 is lower than the operating temperature of the water electrolysis stack, the coolant that has passed through the fuel cell stack may be configured to pass through the water electrolysis stack.

도 6을 참조하면, 수전해 스택의 작동온도가 연료전지 스택의 작동 온도보다 낮으므로, 연료전지 스택(300)은 냉각수 배관에서 수전해 스택(200)과 냉각수 탱크(400) 사이에 위치하도록 설치한다.Referring to FIG. 6 , since the operating temperature of the water electrolysis stack is lower than the operating temperature of the fuel cell stack, the fuel cell stack 300 is installed to be positioned between the water electrolysis stack 200 and the coolant tank 400 in the cooling water pipe. do.

일 실시예에서, 수전해 순환부(10)는 제2 온도센서(290)를 더 포함할 수 있다. 제2 온도센서(290)는 수전해 스택과 연료전지 스택의 사이에 위치하여 냉각수의 온도를 측정한다.In an embodiment, the water electrolysis circulation unit 10 may further include a second temperature sensor 290 . The second temperature sensor 290 is positioned between the water electrolysis stack and the fuel cell stack to measure the temperature of the coolant.

일 실시예에서, 수전해 순환부(10)는 냉각수 바이패스 관(140)을 더 포함할 수 있다. 냉각수 바이패스 관(140)은, 냉각수 배관(150)에서, 제1 온도센서(110)와 수전해 스택(200) 사이에 설치된 삼방변 밸브(130)와, 수전해 스택(200)과 제2 온도센서(290) 사이에 설치된 삼방변 밸브(270) 사이에 연결되어, 냉각수가 수전해 스택(200)을 우회하도록 설치한다.In an embodiment, the water electrolysis circulation unit 10 may further include a coolant bypass pipe 140 . The cooling water bypass pipe 140 includes a three-way valve 130 installed between the first temperature sensor 110 and the water electrolysis stack 200 in the cooling water pipe 150 , the water electrolysis stack 200 and the second It is connected between the three-way valves 270 installed between the temperature sensors 290 and installed so that the cooling water bypasses the electrolysis stack 200 .

도 6의 실시예에서, 제어부는 수전해 스택(200)과 연료전지 스택(300)을 동시에 가동한다. 수전해 스택(200)에서 수소를 생산하여 수소저장 탱크에 저장할 수도 있고, 연료전지로 직접 전달할 수도 있다. 연료전지 스택(300)은 수소저장 탱크에 저장된 수소 또는 수전해 스택에서 전달받은 수소를 이용하여 발전을 한다. In the embodiment of FIG. 6 , the control unit operates the water electrolysis stack 200 and the fuel cell stack 300 at the same time. Hydrogen may be produced in the water electrolysis stack 200 and stored in a hydrogen storage tank, or may be delivered directly to a fuel cell. The fuel cell stack 300 generates power using hydrogen stored in a hydrogen storage tank or hydrogen received from a water electrolysis stack.

연료전지 스택(300)에서 발전을 하는 경우 열이 발생하며, 이 열에 의해 연료전지의 발전효율이 감소할 뿐만 아니라, 연료전지의 수명도 감소하므로, 연료전지 스택(300)을 적당한 온도로 냉각할 필요가 있다. 연료전지 스택이 최적의 상태로 동작할 수 있도록 하기 위해, 투입되는 냉각수의 온도를 제2 온도센서(290)를 이용하여 체크하고, 냉각수 바이패스 관(140)으로 흐르는 냉각수의 량을 조절하여 연료전지 스택으로 투입되는 냉각수의 온도를 미리 설정한 연료전지 설정온도에 맞춘다.When power is generated in the fuel cell stack 300 , heat is generated, and by this heat, not only the power generation efficiency of the fuel cell decreases, but also the lifespan of the fuel cell decreases, so that the fuel cell stack 300 can be cooled to an appropriate temperature. There is a need. In order to allow the fuel cell stack to operate in an optimal state, the temperature of the input coolant is checked using the second temperature sensor 290 , and the amount of coolant flowing into the coolant bypass pipe 140 is adjusted. The temperature of the coolant injected into the cell stack is adjusted to the preset temperature of the fuel cell.

도 6과 같이 지열 냉방으로 냉온수 탱크(600a)에서 냉수가 공급될 때, 연료전지 스택(300)이 정상 운전하기 위해서는 약 50℃의 냉각수가 공급되는 것으로 설계할 수 있다. 그런데 수전해 스택(200)을 통과한 냉각수는 약 60℃로 가열된 상태이므로, 이를 낮추어 주기 위해서는 냉각수 바이패스 관(140)을 통해서 약 40℃ ~ 50℃의 냉각수를 연료전지 스택(300)에 추가로 공급해 줄 필요가 있다.As shown in FIG. 6 , when cold water is supplied from the cold/hot water tank 600a for geothermal cooling, the fuel cell stack 300 may be designed to supply cooling water at about 50° C. in order to operate normally. However, since the coolant that has passed through the water electrolysis stack 200 is heated to about 60° C., in order to lower it, coolant of about 40° C. to 50° C. is supplied to the fuel cell stack 300 through the coolant bypass pipe 140 . You need to supply more.

제어부는, 연료전지 스택(300)이 가동할 때, 제2 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 연료전지 설정온도인 50℃보다 높아지는 경우, 냉각수 바이패스 관(140)으로 흐르는 약 40℃ ~ 50℃의 냉각수를 증가시키도록 삼방변 밸브를 조절한다. 연료전지 스택(300)을 통과한 냉각수는 약 60℃ ~ 70℃로 가열되어 냉각수 탱크(400)로 공급된다. When the fuel cell stack 300 operates, when the coolant temperature measured by the second temperature sensor is higher than the fuel cell set temperature of 50° C., about 40° C. to 50° C. flowing into the coolant bypass pipe 140 . Adjust the three-way valve to increase the coolant level. The coolant that has passed through the fuel cell stack 300 is heated to about 60° C. to 70° C. and supplied to the coolant tank 400 .

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 난방시 연료전지 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.7 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling fuel cell stack coolant during heating in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.

제어부는, 도 7과 같이 지열 난방으로 냉온수 탱크(600b)에서 온수가 공급될 때에도, 도 6과 동일하게 냉각수 바이패스 관(140)을 제어할 수 있다. 도 7에는 온수 배관(540) 등이 추가로 도시되었으며, 히트 펌프 냉매의 순환 방향이 바뀌었다.The controller may control the cooling water bypass pipe 140 in the same manner as in FIG. 6 , even when hot water is supplied from the cold/hot water tank 600b through geothermal heating as shown in FIG. 7 . 7, a hot water pipe 540 and the like are additionally shown, and the circulation direction of the heat pump refrigerant is changed.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉난방을 실시하지 않는 경우에 연료전지 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.8 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling a fuel cell stack coolant in a case in which heating and cooling is not performed in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.

도 8과 같이 지열 히트펌프(70)를 가동하지 않아서 냉난방을 하지 않는 경우, 지열 냉난방부(60)에 냉온수가 순환되지 않는다. 제어부는 제1 열교환기(500)를 작동시키지 않고, 지중 열교환부(80)의 지열 냉매가 순환펌프에 의해 순환되고 결합된 제2 열교환기(900)만 가동한다. As shown in FIG. 8 , when cooling is not performed because the geothermal heat pump 70 is not operated, hot and cold water is not circulated in the geothermal heating and cooling unit 60 . The control unit does not operate the first heat exchanger 500, and only the second heat exchanger 900 in which the geothermal refrigerant of the underground heat exchange unit 80 is circulated by the circulation pump and coupled is operated.

지중 열교환부(80)에서 지열 냉매는 지열 냉매 배관(750)을 흐르는 지열 냉매는 약 15℃이다. 제2 열교환기(900)를 지나면 지열 냉매는 냉각수로부터 열을 전달받아 약 20℃가 된다. 지열 냉매는 지중 열교환기(800)를 통과하며, 땅 속으로 열을 방출하여 15℃가 되어 지열 냉매 배관(750)으로 순환한다.In the geothermal heat exchange unit 80 , the geothermal refrigerant flowing through the geothermal refrigerant pipe 750 is about 15° C. After passing through the second heat exchanger 900, the geothermal refrigerant receives heat from the cooling water and becomes about 20°C. The geothermal refrigerant passes through the underground heat exchanger 800 , releases heat into the ground, and circulates in the geothermal refrigerant pipe 750 at 15° C.

냉각수 탱크(400)에서 배출된 냉각수는 약 50℃ ~ 60℃인데, 제2 열교환기(900)를 통과하면서 지열 냉매로 열을 방출하여 약 40℃ ~ 50℃로 낮아진다. 이때, 제1 온도센서(110)를 확인하여, 냉각수의 온도가 낮은 경우 지열 냉매 바이패스 관(740)으로 흐르는 지열 냉매의 량을 늘려 열 방출량을 줄인다. 냉각수의 온도가 높은 경우 지열 냉매 순환펌프(760)의 단위시간당 순환하는 유량을 증가시켜 열교환량을 늘린다.The cooling water discharged from the cooling water tank 400 is about 50° C. to 60° C., and it is lowered to about 40° C. to 50° C. by discharging heat as a geothermal refrigerant while passing through the second heat exchanger 900 . At this time, by checking the first temperature sensor 110 , when the temperature of the cooling water is low, the amount of geothermal refrigerant flowing into the geothermal refrigerant bypass pipe 740 is increased to reduce the amount of heat emitted. When the temperature of the cooling water is high, the amount of heat exchange is increased by increasing the circulating flow rate per unit time of the geothermal refrigerant circulation pump 760 .

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉난방을 실시하지 않는 경우에 수전해 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.9 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling water electrolysis stack cooling water when cooling is not performed in an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.

냉난방을 하지 않는 경우 지중 열교환부(80)만 가동하므로, 제2 열교환기(900)만 가동한다. 연료전지 스택(300)을 가동하지 않는 경우, 수전해 스택(200)만 가동하므로 발생된 수소는 수소저장 탱크에 보관한다.Since only the underground heat exchanger 80 is operated when heating and cooling is not performed, only the second heat exchanger 900 is operated. When the fuel cell stack 300 is not operated, since only the water electrolysis stack 200 is operated, the generated hydrogen is stored in the hydrogen storage tank.

도 9의 경우 냉각수 탱크(400)로 투입되는 온도가 수전해 스택의 배출 온도인 약 50℃ ~ 60℃이고, 도 8의 경우 냉각수 탱크(400)로 투입되는 온도가 연료전지 스택의 배출 온도인 약 60℃ ~ 70℃이다. 나머지 구성에서는 도 9와 도 8은 동일한 원리로 동작할 수 있다.In the case of FIG. 9 , the temperature input to the coolant tank 400 is about 50° C. to 60° C. which is the discharge temperature of the water electrolysis stack, and in FIG. 8 , the temperature input into the coolant tank 400 is the discharge temperature of the fuel cell stack. about 60°C to 70°C. In the remaining configuration, FIGS. 9 and 8 may operate on the same principle.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉난방을 실시하지 않는 경우에 수전해 스택 가동 중지시 연료전지 스택 냉각수를 냉각하는 방법을 나타내는 열관리 계통도이다.10 is a thermal management system diagram illustrating a method of cooling the fuel cell stack coolant when the water electrolysis stack is stopped when heating and cooling is not performed in the energy independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention.

수전해 스택(200)이 동작하지 않는 경우, 연료전지 스택(300)은 수소저장 탱크로부터 수소를 전달받아 발전을 할 수 있다. 연료전지 스택으로부터 방출되는 냉각수는 약 60℃ ~ 70℃이나, 냉각수 탱크(400)에서 배출되는 냉각수의 온도는 급수부(450)로부터 공급되는 물과 자연냉각 등에 의하여 약 50℃ ~ 60℃가 된다. When the water electrolysis stack 200 does not operate, the fuel cell stack 300 may generate electricity by receiving hydrogen from the hydrogen storage tank. The coolant discharged from the fuel cell stack is about 60° C. to 70° C., but the temperature of the coolant discharged from the cooling water tank 400 is about 50° C. to 60° C. by the water supplied from the water supply unit 450 and natural cooling. .

연료전지 스택(300)에 공급되는 냉각수의 온도는 약 50℃ ~ 60℃가 필요하므로, 제어부는 제1 열교환기(500) 뿐만 아니라 제2 열교환기(900)도 가동할 필요가 없다. 따라서 지중 열교환부(80)의 순환을 중지시켜 가동을 멈추거나, 냉난방을 위해 지중 열교환부(80) 등을 가동시킬 필요가 있는 경우, 지열 냉매 바이패스 관(740)을 이용하여 지열 냉매를 우회시켜 냉각수의 열교환을 중지한다. Since the temperature of the coolant supplied to the fuel cell stack 300 needs to be about 50° C. to 60° C., the controller does not need to operate not only the first heat exchanger 500 but also the second heat exchanger 900 . Therefore, when it is necessary to stop the operation by stopping the circulation of the underground heat exchange unit 80 or operate the underground heat exchange unit 80 for cooling and heating, the geothermal refrigerant bypass pipe 740 is used to bypass the geothermal refrigerant. to stop the heat exchange of the coolant.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템은, 태양광 발전장치, 배터리 및 수소저장 탱크를 더 포함한다.On the other hand, according to an embodiment of the present invention, the energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy further includes a solar power generation device, a battery and a hydrogen storage tank.

태양광 발전장치는 태양광 발전으로 생산된 전력을 이용하여, 수전해 스택(200)과 지열 히트펌프(70)를 가동하고, 잉여 전력은 배터리에 저장한다.The photovoltaic power generation device operates the water electrolysis stack 200 and the geothermal heat pump 70 using the power generated by the photovoltaic power generation, and stores the surplus power in the battery.

수소저장 탱크는 수전해 스택(200)에서 생산된 수소를 저장하고, 연료전지 스택(300) 가동시 연료전지 스택에 수소를 공급한다.The hydrogen storage tank stores hydrogen produced in the water electrolysis stack 200 , and supplies hydrogen to the fuel cell stack when the fuel cell stack 300 is operated.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 신재생에너지인 지열에 의한 냉난방을 위해 신재생에너지인 태양광의 전력을 이용하여 지열 히트펌프(70)와 수전해 스택(200)을 구동하고, 수전해 스택에서 발생한 수소를 이용하여 연료전지 스택(300)에서 발전을 수행하여, 자립형 냉난방 시스템을 구성한다. According to an embodiment of the present invention, the geothermal heat pump 70 and the water electrolysis stack 200 are driven by using the power of sunlight which is a new renewable energy for cooling and heating by geothermal which is a new renewable energy, and in the water electrolysis stack The generated hydrogen is used to generate electricity in the fuel cell stack 300 to configure a self-contained heating and cooling system.

뿐만 아니라, 수전해 스택에서 발생한 수소를 수소저장 탱크에 저장하여 사용하고, 태양광 및 연료전지의 전력을 배터리에 저장하여 사용할 수 있고, 수전해 순환부(10)의 냉각수를 지열 순환부(90)와 열교환하여 에너지 효율을 높이고, 냉각수 온도를 안정적으로 제어할 수 있어서, 수전해 스택과 연료전지 스택의 가동 효율 및 수명을 늘릴 수 있고, 냉동기 등의 추가적인 동력소모를 줄이며, 장비를 설치하지 않아도 되어 공간 및 비용을 줄일 수 있다.In addition, hydrogen generated from the water electrolysis stack can be stored and used in a hydrogen storage tank, solar power and power of a fuel cell can be stored and used in a battery, and the cooling water of the water electrolysis circulation unit 10 is transferred to the geothermal circulation unit 90 ) to increase energy efficiency and stably control the coolant temperature, so it is possible to increase the operating efficiency and lifespan of the water electrolysis stack and fuel cell stack, reduce additional power consumption such as refrigerators, and do not install equipment This can save space and cost.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 태양광 발전시 수소 생성과 냉난방하는 방법을 나타내는 순서도이다. 11 is a flowchart illustrating a method of generating hydrogen and heating/cooling during solar power generation in an energy-independent heating/cooling system using renewable energy according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템의 제어방법은, 태양광 발전이 가능한지 판단하여(S110), 흐린 날씨이거나 저녁때와 같이 태양광 발전이 불가능한 경우에는 도 12의 B로 이동하여 연료전지 발전을 개시한다. The control method of the energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention determines whether solar power generation is possible (S110), and when solar power generation is impossible, such as in cloudy weather or in the evening, FIG. 12B to start fuel cell power generation.

태양광 발전이 가능한 경우에는, 태양광 발전을 실시한다(S120). 태양광 발전으로 생성된 전력은 수전해 스택(200)을 가동하고(S130), 지열 히트펌프(70)를 가동하여(S230) 냉난방에 활용하고, 잉여 전력은 배터리에 저장하거나(S210) 순환펌프 등 상시 전력이 필요한 곳에 공급할 수 있다. If solar power generation is possible, solar power generation is performed (S120). The power generated by solar power is used for heating and cooling by operating the water electrolysis stack 200 (S130) and the geothermal heat pump 70 (S230), and the surplus power is stored in the battery (S210) or the circulation pump It can supply power to places where constant power is needed.

수전해 스택이 작동하면, 수전해 스택(200)에서 물을 전기분해하여 수소를 발생하고(S140), 발생된 수소는 수소저장 탱크에 저장된다(S150). 수전해 스택을 냉각시키기 위해, 태양전지에 의한 태양광 발전 또는 배터리에 저장된 전력에 의해 냉각수 순환펌프를 가동시켜 수전해 순환부(10)의 냉각수를 순환시킨다(S160). 수전해 스택(200)을 통과하면서 가열된 냉각수는 냉각수 배관에서 순환하는 도중에 냉각수 탱크(400)에 저장된다.When the water electrolysis stack operates, water is electrolyzed in the water electrolysis stack 200 to generate hydrogen (S140), and the generated hydrogen is stored in a hydrogen storage tank (S150). In order to cool the water electrolysis stack, a cooling water circulation pump is operated by photovoltaic power generation by a solar cell or electric power stored in a battery to circulate the cooling water of the water electrolysis circulation unit 10 ( S160 ). The cooling water heated while passing through the water electrolysis stack 200 is stored in the cooling water tank 400 while circulating in the cooling water pipe.

지열 히트펌프를 가동하면(S230), 지중 열교환기(800)를 이용하여 지열을 지열 냉매에 흡수시킨다(S250). 지중 열교환부(80) 및 지열 냉난방부(60) 배관과 결합하는 지열 히트펌프(70)를 가동시키면, 지중 열교환부(80)에서 흡수된 지열은 지열 냉난방부(60)로 전달되고, 냉온수 탱크(600)에 냉수 또는 온수를 공급하여 저장한다. 냉온수 탱크(600)의 냉수 또는 온수는, 냉방 또는 난방에 사용된다(S270).When the geothermal heat pump is operated (S230), geothermal heat is absorbed into the geothermal refrigerant by using the underground heat exchanger 800 (S250). When the geothermal heat pump 70 coupled with the underground heat exchange unit 80 and the geothermal heating and cooling unit 60 piping is operated, the geothermal heat absorbed in the underground heat exchange unit 80 is transferred to the geothermal heating and cooling unit 60, and the hot and cold water tank Cold water or hot water is supplied to the 600 and stored. The cold water or hot water of the cold and hot water tank 600 is used for cooling or heating (S270).

한편, 냉각수 탱크(400)에 저장후 배출되는 냉각수는 수전해 순환부(10)의 냉각수 배관을 순환한다. 냉각수는 지열 냉난방부(60)의 배관과 결합된 제1 열교환기(500) 또는 지중 열교환부(80)의 배관과 결합된 제2 열교환기(900)를 통과하면 온도가 낮아진다. 즉, 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 제1 열교환기와 제2 열교환기를 통과시켜 수전해 스택을 통과하는 냉각수를 냉각시킨다(S170).Meanwhile, the cooling water discharged after being stored in the cooling water tank 400 circulates through the cooling water pipe of the water electrolysis circulation unit 10 . When the cooling water passes through the first heat exchanger 500 coupled to the pipe of the geothermal heating/cooling unit 60 or the second heat exchanger 900 coupled to the pipe of the underground heat exchanger 80 , the temperature is lowered. That is, the cooling water stored in the cooling water tank passes through the first heat exchanger and the second heat exchanger to cool the cooling water passing through the water electrolysis stack ( S170 ).

이때, 냉온수 탱크(600)에서 냉수를 공급하는 경우에는 제1 열교환기를 가동하고, 냉온수 탱크(600)에서 온수를 공급하는 경우에는 제2 열교환기를 가동하여 냉각수를 냉각시킨다.At this time, when cold water is supplied from the cold and hot water tank 600 , the first heat exchanger is operated, and when hot water is supplied from the cold and hot water tank 600 , the second heat exchanger is operated to cool the cooling water.

한편, 제어부는 제1 온도센서(110)에서 냉각수의 온도를 측정하고, 제1 열교환기(500)와 제2 열교환기(900)으로 투입되는 냉온수와 지열 냉매의 유량을 조절하여, 냉각수의 온도를 제어한다.On the other hand, the control unit measures the temperature of the cooling water from the first temperature sensor 110 , and adjusts the flow rates of the cold and hot water and the geothermal refrigerant injected into the first heat exchanger 500 and the second heat exchanger 900 , and the temperature of the cooling water control

냉온수 탱크에서 냉수가 공급되는 냉방시에는, 제1 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 수전해 설정온도보다 낮아지는 경우, 냉온수 바이패스 관(640)으로 흐르는 냉수를 증가시키도록 삼방변 밸브(670)를 조절한다.During cooling in which cold water is supplied from the cold and hot water tank, when the coolant temperature measured by the first temperature sensor is lower than the set temperature by water electrolysis, the three-way valve 670 to increase the cold water flowing into the cold and hot water bypass pipe 640 . adjust the

냉온수 탱크에서 온수가 공급되는 난방시에는, 제1 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 수전해 설정온도보다 낮아지는 경우, 지열 냉매 바이패스 관(740)으로 흐르는 지열 냉매를 증가시키도록 삼방변 밸브(730)를 조절한다.During heating in which hot water is supplied from the cold/hot water tank, when the coolant temperature measured by the first temperature sensor is lower than the set temperature by water electrolysis, the three-way valve ( 730) is adjusted.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 연료전지 발전시 수소 생성과 냉난방하는 방법을 나타내는 순서도이다.12 is a flowchart illustrating a method of generating hydrogen and heating/cooling during fuel cell power generation in an energy-independent heating/cooling system using renewable energy according to an embodiment of the present invention.

흐린 날씨이거나 저녁때와 같이 태양광 발전이 불가능한 경우에는, 연료전지로 발전을 실시하여 에너지 자립형 냉난방을 구현할 수 있다. 태양광 발전이 불가능한 경우, 수소저장 탱크로부터 연료전지로 수소가 공급된다(S310). 공급된 수소를 이용하여 연료전지 스택에서 발전을 한다(S320). 연료전지 스택에서 발생된 전기는 수전해 스택(200)을 가동하고(S330), 지열 히트펌프(70)를 가동하여(S430) 냉난방에 활용하고, 잉여 전력은 배터리에 저장하거나 순환펌프 등 상시 전력이 필요한 곳에 공급할 수 있다(S410). When it is cloudy or when solar power generation is impossible, such as in the evening, it is possible to implement energy-independent heating and cooling by generating electricity using a fuel cell. When solar power generation is not possible, hydrogen is supplied from the hydrogen storage tank to the fuel cell (S310). Power is generated in the fuel cell stack using the supplied hydrogen (S320). Electricity generated from the fuel cell stack operates the water electrolysis stack 200 (S330), and operates the geothermal heat pump 70 (S430) to use it for heating and cooling, and the surplus power is stored in a battery or constant power such as a circulation pump This can be supplied to a necessary place (S410).

수전해 스택이 작동하면, 수전해 스택(200)에서 물을 전기분해하여 수소를 발생하고(S340), 발생된 수소는 연료전지 스택(300)으로 순환시킨다. 수전해 스택을 냉각시키기 위해, 연료전지 발전 또는 배터리에 저장된 전력에 의해 냉각수 순환펌프를 가동시켜 수전해 순환부의 냉각수를 순환시킨다(S360). 수전해 스택과 연료전지 스택을 통과하면서 가열된 냉각수는 냉각수 배관에서 순환하는 도중에 냉각수 탱크(400)에 저장된다.When the water electrolysis stack operates, water is electrolyzed in the water electrolysis stack 200 to generate hydrogen ( S340 ), and the generated hydrogen is circulated to the fuel cell stack 300 . In order to cool the water electrolysis stack, the cooling water circulation pump is operated by the power stored in the fuel cell power generation or the battery to circulate the cooling water of the water electrolysis circulation unit (S360). The coolant heated while passing through the water electrolysis stack and the fuel cell stack is stored in the coolant tank 400 while circulating in the coolant pipe.

지열 히트펌프를 가동하면(S430), 지중 열교환기(800)를 이용하여 지열을 지열 냉매에 흡수시킨다(S450). 지중 열교환부(80) 및 지열 냉난방부(60) 배관과 결합하는 지열 히트펌프(70)를 가동시키면, 지중 열교환부(80)에서 흡수된 지열은 지열 냉난방부(60)로 전달되고, 냉온수 탱크(600)에 냉수 또는 온수를 공급하여 저장한다. 냉온수 탱크(600)의 냉수 또는 온수는, 냉방 또는 난방에 사용된다(S470).When the geothermal heat pump is operated (S430), geothermal heat is absorbed into the geothermal refrigerant using the underground heat exchanger 800 (S450). When the geothermal heat pump 70 coupled to the underground heat exchange unit 80 and the geothermal heating and cooling unit 60 piping is operated, the geothermal heat absorbed in the underground heat exchange unit 80 is transferred to the geothermal heating and cooling unit 60, and the hot and cold water tank Cold water or hot water is supplied to the 600 and stored. The cold water or hot water in the cold/hot water tank 600 is used for cooling or heating (S470).

한편, 냉각수 탱크(400)에 저장후 배출되는 냉각수는 수전해 순환부(10)의 냉각수 배관을 순환한다. 냉각수는 지열 냉난방부(60)의 배관과 결합된 제1 열교환기(500) 또는 지중 열교환부(80)의 배관과 결합된 제2 열교환기(900)를 통과하면 온도가 낮아진다. 즉, 냉각수 탱크에 저장된 냉각수를 제1 열교환기와 제2 열교환기를 통과시켜 수전해 스택(200)을 통과하는 냉각수를 냉각시킨다(S370).Meanwhile, the cooling water discharged after being stored in the cooling water tank 400 circulates through the cooling water pipe of the water electrolysis circulation unit 10 . When the cooling water passes through the first heat exchanger 500 coupled to the pipe of the geothermal air conditioning unit 60 or the second heat exchanger 900 coupled to the pipe of the underground heat exchanger 80 , the temperature is lowered. That is, the cooling water stored in the cooling water tank passes through the first heat exchanger and the second heat exchanger to cool the cooling water passing through the water electrolysis stack 200 ( S370 ).

태양광 발전이 가능한지 판단하여(S390), 다시 태양광 발전이 가능하게 되는 경우에는 도 11의 A로 이동하여 연료전지 발전을 중단하고, 태양광 발전을 개시한다. It is determined whether solar power generation is possible ( S390 ), and when solar power generation is possible again, it moves to A of FIG. 11 , stops fuel cell power generation, and starts solar power generation.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템에서 냉난방과 수전해 과정에 따른 지열히트펌프와 제1 열교환기와 제2 열교환기의 동작을 제어하는 방법을 나타내는 순서도이다.13 is a flowchart illustrating a method of controlling the operations of a geothermal heat pump, a first heat exchanger, and a second heat exchanger according to heating and cooling and water electrolysis processes in an energy independent heating and cooling system using new and renewable energy according to an embodiment of the present invention. .

제어부는 입력장치로부터 시스템의 운전조건을 입력받을 수 있다. 시스템의 운전조건이 냉방운전인지 확인하고(S510), 냉방운전인 경우, 제어부는 지열 히트펌프(70)를 작동시키고(S530), 제1 열교환기(500)의 냉온수 배관에 냉수를 순환시켜 제1 열교환기를 작동시키고(S550), 지열 냉매 배관의 삼방변 밸브(730)를 조절하여 지열 냉매를 제2 열교환기(900)로부터 우회시켜(S570), 수전해 스택(200)에 투입되는 냉각수를 적정온도로 낮추어 수전해 스택(200)을 정상운전 시킬 수 있다.The control unit may receive an operating condition of the system from the input device. It is checked whether the operating condition of the system is a cooling operation (S510), and if it is a cooling operation, the control unit operates the geothermal heat pump 70 (S530) and circulates cold water in the cold and hot water pipe of the first heat exchanger 500 to remove 1 Operate the heat exchanger (S550), control the three-way valve 730 of the geothermal refrigerant pipe to divert the geothermal refrigerant from the second heat exchanger 900 (S570), and the cooling water input to the water electrolysis stack 200 By lowering the temperature to an appropriate temperature, the water electrolysis stack 200 may be operated normally.

제어부는 시스템의 운전조건이 난방운전인지 확인한다(S610). 난방운전인 경우, 제어부는 지열 히트펌프(70)를 작동시키고(S630), 냉온수 배관의 삼방변 밸브(670)를 조절하여 온수를 제1 열교환기(500)로부터 우회시키고(S650), 제2 열교환기(900)의 지열 냉매 배관에 지열 냉매를 순환시켜(S670), 수전해 스택(200)에 투입되는 냉각수를 적정온도로 낮추어 수전해 스택(200)을 정상운전 시킬 수 있다.The control unit checks whether the operating condition of the system is a heating operation (S610). In the case of heating operation, the control unit operates the geothermal heat pump 70 (S630) and controls the three-way valve 670 of the cold/hot water pipe to divert hot water from the first heat exchanger 500 (S650), and the second By circulating the geothermal refrigerant in the geothermal refrigerant pipe of the heat exchanger 900 ( S670 ), the cooling water input to the water electrolysis stack 200 is lowered to an appropriate temperature, so that the water electrolysis stack 200 can be operated normally.

제어부는 시스템의 운전조건이 냉난방 상태가 아닌 경우, 수전해 스택을 운전하는지 확인한다(S710). 수전해 스택(200)을 운전하는 경우, 제어부는 지열 히트펌프(70)가 작동하지 않도록 하고(S730), 냉온수 배관의 삼방변 밸브(670)를 조절하여 온수를 제1 열교환기(500)로부터 우회시키고(S650), 제2 열교환기(900)의 지열 냉매 배관에 지열 냉매를 순환시켜(S670), 수전해 스택(200)에 투입되는 냉각수를 적정온도로 낮추어 수전해 스택(200)을 정상운전 시킬 수 있다.When the operating condition of the system is not a cooling/heating state, the control unit checks whether the water electrolysis stack is operated (S710). When operating the water electrolysis stack 200, the control unit prevents the geothermal heat pump 70 from operating (S730), and controls the three-way valve 670 of the cold and hot water pipe to supply hot water from the first heat exchanger 500. By bypassing (S650), circulating the geothermal refrigerant in the geothermal refrigerant pipe of the second heat exchanger 900 (S670), and lowering the cooling water input to the water electrolysis stack 200 to an appropriate temperature to normalize the water electrolysis stack 200 can drive

제어부는 시스템의 운전조건이 냉난방 상태가 아닌 경우, 수전해 스택을 운전하지 않고 연료전지 스택만 가동하는지 확인한다(S810). 수전해 스택은 가동하지 않고 연료전지 스택(200)만 운전하는 경우, 제어부는 지열 히트펌프(70)가 작동하지 않도록 하고(S730), 냉온수 배관의 삼방변 밸브(670)를 조절하여 온수를 제1 열교환기(500)로부터 우회시키고(S650), 지열 냉매 배관의 삼방변 밸브(730)를 조절하여 지열 냉매를 제2 열교환기(900)로부터 우회시켜(S570), 연료전지 스택(300)을 정상운전 시킬 수 있다. When the operating condition of the system is not the heating/cooling state, the control unit checks whether only the fuel cell stack is operated without operating the water electrolysis stack (S810). When only the fuel cell stack 200 is operated without the water electrolysis stack being operated, the control unit prevents the geothermal heat pump 70 from operating (S730) and controls the three-way valve 670 of the cold and hot water pipe to control hot water. 1 Bypassing from the heat exchanger 500 (S650), by controlling the three-way valve 730 of the geothermal refrigerant pipe to bypass the geothermal refrigerant from the second heat exchanger 900 (S570), the fuel cell stack 300 can be operated normally.

이러한 제어 방법을 이용하여 두 개의 제1 열교환기(500)와 제2 열교환기(900)만으로 냉방시와 난방시뿐만 아니라, 수전해 장치의 동작 여부에 따라 독립적으로 수전해 순환부(10)의 냉각수를 적당한 온도로 냉각할 수 있다.By using this control method, only the two first heat exchangers 500 and the second heat exchanger 900 are used for cooling and heating, as well as independently of the water electrolysis circulation unit 10 depending on whether the water electrolysis device operates. Cooling water can be cooled to a suitable temperature.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. As described above, the present invention has been described with specific matters such as specific components and limited embodiments and drawings, but these are only provided to help a more general understanding of the present invention, and the present invention is not limited to the above embodiments. , various modifications and variations are possible from these descriptions by those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention should not be limited to the described embodiments, and not only the claims to be described later, but also all those with equivalent or equivalent modifications to the claims will be said to belong to the scope of the spirit of the present invention. .

10 : 수전해 순환부(10) 60 : 지열 냉난방부(60)
70 : 지열 히트펌프(70) 80 : 지중 열교환부(80)
90 : 지열 순환부(90)
110 : 제1 온도센서(110) 130 : 삼방변 밸브(130)
140 : 냉각수 바이패스 관(140) 150 : 냉각수 배관(150)
200 : 수전해 스택(200) 290 : 제2 온도센서
300 : 연료전지 스택(300) 360 : 냉각수 순환펌프(360)
400 : 냉각수 탱크(400) 500 : 제1 열교환기(500)
530 : 온수 밸브(530) 540 : 온수 배관(540)
600 : 냉온수 탱크(600) 640 : 냉온수 바이패스 관(640)
650 : 냉온수 배관(650) 660 : 냉온수 순환펌프(660)
690 : 부하측 열교환기(690) 700 : 히트펌프 배관(700)
710 : 열원측 열교환기(710) 740 : 지열 냉매 바이패스 관(740)
750 : 지열 냉매 배관(750) 760 : 지열 냉매 순환펌프(760)
800 : 지중 열교환기(800) 900 : 제2 열교환기(900) 10: water electrolysis circulation unit (10) 60: geothermal heating and cooling unit (60)
70: geothermal heat pump (70) 80: underground heat exchange unit (80)
90: geothermal circulation unit (90)
110: first temperature sensor 110 130: three-way valve 130
140: coolant bypass pipe (140) 150: coolant pipe (150)
200: water electrolysis stack 200 290: second temperature sensor
300: fuel cell stack (300) 360: coolant circulation pump (360)
400: cooling water tank (400) 500: first heat exchanger (500)
530: hot water valve (530) 540: hot water pipe (540)
600: cold and hot water tank (600) 640: cold and hot water bypass pipe (640)
650: cold and hot water pipe (650) 660: cold and hot water circulation pump (660)
690: load side heat exchanger (690) 700: heat pump pipe (700)
710: heat source side heat exchanger (710) 740: geothermal refrigerant bypass tube (740)
750: geothermal refrigerant pipe (750) 760: geothermal refrigerant circulation pump (760)
800: underground heat exchanger (800) 900: second heat exchanger (900)

Claims (11)

물을 전기분해하여 수소를 발생하는 수전해 스택(200); 수전해 스택의 열을 흡수하는 냉각수가 순환하는 냉각수 배관(150); 냉각수 배관의 냉각수를 순환시키는 냉각수 순환펌프(360); 수전해 스택을 통과하면서 가열된 냉각수가 저장되는 냉각수 탱크(400); 지열을 지열 냉매에 흡수시키는 지중 열교환기(800); 지중 열교환기와 연결되어 지열 냉매가 순환하는 지열 냉매 배관(750); 지열 냉매 배관의 지열 냉매를 순환시키는 지열 냉매 순환펌프(760); 냉방을 위한 냉수 또는 난방을 위한 온수를 보관하는 냉온수 탱크(600); 냉온수 탱크의 물이 순환하는 냉온수 배관(650); 냉온수 배관의 물을 순환시키는 냉온수 순환펌프(660); 냉온수 배관에 연결되는 부하측 열교환기(690)와, 지열 냉매 배관에 연결되는 열원측 열교환기(710)와, 사방변 밸브와, 압축기와, 팽창밸브와, 이들 사이를 연결하는 히트펌프 배관(700)을 구비하는 지열 히트펌프(70); 냉각수 탱크(400)와 수전해 스택(200) 사이의 냉각수 배관(150)과 냉온수 배관(650) 사이에 위치하여 냉각수와 냉수 사이에 열교환을 하는 제1 열교환기(500); 제1 열교환기(500)와 수전해 스택(200) 사이의 냉각수 배관(150)과 지열 냉매 배관(750) 사이에 위치하여 냉각수와 지열 냉매 사이에 열교환을 하는 제2 열교환기(900); 및 수전해 스택과, 지열 히트펌프와, 제1 열교환기와, 제2 열교환기의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템.a water electrolysis stack 200 for generating hydrogen by electrolyzing water; a cooling water pipe 150 through which cooling water absorbing the heat of the water electrolysis stack circulates; a cooling water circulation pump 360 for circulating the cooling water in the cooling water pipe; a coolant tank 400 in which coolant heated while passing through the water electrolysis stack is stored; a geothermal heat exchanger 800 for absorbing geothermal heat into the geothermal refrigerant; a geothermal refrigerant pipe 750 connected to the geothermal heat exchanger through which the geothermal refrigerant circulates; a geothermal refrigerant circulation pump 760 for circulating the geothermal refrigerant in the geothermal refrigerant pipe; Cold and hot water tank 600 for storing cold water for cooling or hot water for heating; Cold and hot water pipe 650 through which water in the cold and hot water tank circulates; Cold and hot water circulation pump 660 for circulating water in the cold and hot water pipe; The load side heat exchanger 690 connected to the cold and hot water pipe, the heat source side heat exchanger 710 connected to the geothermal refrigerant pipe, the four-way valve, the compressor, the expansion valve, and the heat pump pipe 700 connecting them ) having a geothermal heat pump 70; a first heat exchanger 500 positioned between the cooling water pipe 150 and the cold/hot water pipe 650 between the cooling water tank 400 and the water electrolysis stack 200 to exchange heat between the cooling water and the cold water; a second heat exchanger 900 positioned between the cooling water pipe 150 and the geothermal refrigerant pipe 750 between the first heat exchanger 500 and the water electrolysis stack 200 to exchange heat between the cooling water and the geothermal refrigerant; and a water electrolysis stack, a geothermal heat pump, and a control unit for controlling operations of the first heat exchanger and the second heat exchanger. 제 1 항에 있어서,
상기 제어부는 지열 히트펌프의 사방변 밸브를 조절하여 냉온수 탱크(600)에서 냉수를 공급하는 경우, 제1 열교환기(500)는 동작하고 제2 열교환기(900)는 동작하지 않도록 제어하며; 지열 히트펌프의 사방변 밸브를 조절하여 냉온수 탱크(600)에서 온수를 공급하는 경우, 제1 열교환기(500)는 동작하지 않도록 하고 제2 열교환기(900)는 동작하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템.The method of claim 1,
the control unit controls the four-way valve of the geothermal heat pump to control the first heat exchanger 500 to operate and the second heat exchanger 900 not to operate when cold water is supplied from the cold/hot water tank 600; When hot water is supplied from the cold and hot water tank 600 by adjusting the four-way valve of the geothermal heat pump, the first heat exchanger 500 is not operated and the second heat exchanger 900 is controlled to operate. Energy independent heating and cooling system using renewable energy. 제 1 항에 있어서,
상기 냉온수 배관(650)에서, 제1 열교환기(500)와 히트펌프의 부하측 열교환기(690)의 사이에 설치된 삼방변 밸브(670)와, 제1 열교환기(500)와 냉온수 탱크(600)의 사이에 연결되어, 냉온수가 제1 열교환기(500)를 우회하도록 하는 냉온수 바이패스 관(640); 및
상기 지열 냉매 배관(750)에서, 제2 열교환기(900)와 히트펌프의 열원측 열교환기(710)의 사이에 설치된 삼방변 밸브(730)와, 제2 열교환기(900)와 지중 열교환기(800)의 사이에 연결되어, 지열 냉매가 제2 열교환기(900)를 우회하도록 하는 지열 냉매 바이패스 관(740);을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템.The method of claim 1,
In the cold and hot water pipe (650), a three-way valve (670) installed between the first heat exchanger (500) and the load side heat exchanger (690) of the heat pump, the first heat exchanger (500) and the cold/hot water tank (600) It is connected between the cold and hot water bypass pipe 640 to bypass the first heat exchanger 500; and
In the geothermal refrigerant pipe 750 , a three-way valve 730 installed between the second heat exchanger 900 and the heat source side heat exchanger 710 of the heat pump, the second heat exchanger 900 and the underground heat exchanger It is connected between (800), the geothermal refrigerant bypass pipe 740 to allow the geothermal refrigerant to bypass the second heat exchanger (900); 제 3 항에 있어서,
상기 냉각수 배관의 제2 열교환기(900)와 수전해 스택(200) 사이에 위치하여 냉각수의 온도를 측정하는 제1 온도센서(110);를 더 포함하고,
상기 제어부는, 냉온수 탱크에서 냉수가 공급될 때, 제1 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 수전해 설정온도보다 낮아지는 경우, 냉온수 바이패스 관(640)으로 흐르는 냉온수를 증가시키도록 삼방변 밸브(670)를 조절하고,
상기 냉온수 탱크에서 온수가 공급될 때, 제1 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 수전해 설정온도보다 낮아지는 경우, 지열 냉매 바이패스 관(740)으로 흐르는 지열 냉매를 증가시키도록 삼방변 밸브(730)를 조절하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템.4. The method of claim 3,
A first temperature sensor 110 positioned between the second heat exchanger 900 of the cooling water pipe and the water electrolysis stack 200 to measure the temperature of the cooling water; further comprising,
The control unit may include a three-way valve ( 670),
When hot water is supplied from the cold/hot water tank, when the coolant temperature measured by the first temperature sensor is lower than the set temperature by water electrolysis, the three-way valve 730 to increase the geothermal refrigerant flowing into the geothermal refrigerant bypass pipe 740 ), an energy-independent heating and cooling system using new and renewable energy, characterized in that it controls. 제 4 항에 있어서,
상기 냉각수 배관에서 수전해 스택과 냉각수 탱크 사이에 위치하는 연료전지 스택(300); 수전해 스택과 연료전지 스택의 사이에 위치하여 냉각수의 온도를 측정하는 제2 온도센서(290); 및 냉각수 배관(150)에서, 수전해 스택(200)과 제1 온도센서(110) 사이에 설치된 삼방변 밸브(130)와, 수전해 스택(200)과 제2 온도센서(290) 사이에 연결되어, 냉각수가 수전해 스택(200)을 우회하도록 하는 냉각수 바이패스 관(140);을 더 포함하고,
상기 제어부는, 연료전지가 가동할 때, 제2 온도센서에서 측정된 냉각수 온도가 연료전지 설정온도보다 높아지는 경우, 냉각수 바이패스 관(140)으로 흐르는 냉각수를 증가시키도록 삼방변 밸브(130)를 조절하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템.5. The method of claim 4,
a fuel cell stack 300 positioned between the water electrolysis stack and the coolant tank in the coolant pipe; a second temperature sensor 290 positioned between the water electrolysis stack and the fuel cell stack to measure the temperature of the coolant; and a three-way valve 130 installed between the water electrolysis stack 200 and the first temperature sensor 110 in the cooling water pipe 150 , and the water electrolysis stack 200 and the second temperature sensor 290 . It further includes a; cooling water bypass pipe 140 to bypass the water electrolysis stack 200 of the cooling water;
The control unit operates the three-way valve 130 to increase the coolant flowing into the coolant bypass pipe 140 when the coolant temperature measured by the second temperature sensor is higher than the fuel cell set temperature when the fuel cell is operating. An energy-independent heating and cooling system using renewable energy, characterized in that it controls. 제 1 항에 있어서,
상기 냉각수 탱크(400)와 냉온수 탱크(600) 사이를 연결하는 온수 배관(540); 및 온수 배관(540) 내에 위치하여, 냉각수 탱크에서 냉온수 탱크로 이동하는 온수를 차단할 수 있는 온수 밸브(530);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템.The method of claim 1,
a hot water pipe 540 connecting the cooling water tank 400 and the cold and hot water tank 600; and a hot water valve 530 located in the hot water pipe 540 to block the hot water moving from the cooling water tank to the cold/hot water tank. 제 1 항에 있어서,
태양광 발전장치를 더 포함하며, 상기 태양광 발전장치에서 생산된 전력을 이용하여, 수전해 스택(200)과 지열 히트펌프(70)를 가동하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템.The method of claim 1,
Energy independent heating and cooling using new and renewable energy, characterized in that it further comprises a solar power generator, and operates the water electrolysis stack 200 and the geothermal heat pump 70 using the power produced by the solar power generator system. 제 7 항에 있어서,
상기 수전해 스택(200)에서 생산된 수소를 저장하고, 연료전지 스택(300) 가동시 연료전지 스택에 수소를 공급하는 수소저장 탱크; 및 태양광 발전장치에서 생산된 전력을 저장하는 배터리;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 신재생에너지를 이용한 에너지자립형 냉난방 시스템.8. The method of claim 7,
a hydrogen storage tank for storing hydrogen produced in the water electrolysis stack 200 and supplying hydrogen to the fuel cell stack when the fuel cell stack 300 is operated; and a battery for storing the power generated by the solar power generator. 삭제delete 삭제delete 삭제delete
KR1020210150296A 2021-11-04 2021-11-04 Self-sufficient Heating and Cooling System and Method using New Renewable Energy KR102434736B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210150296A KR102434736B1 (en) 2021-11-04 2021-11-04 Self-sufficient Heating and Cooling System and Method using New Renewable Energy

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020210150296A KR102434736B1 (en) 2021-11-04 2021-11-04 Self-sufficient Heating and Cooling System and Method using New Renewable Energy

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102434736B1 true KR102434736B1 (en) 2022-08-23

Family

ID=83093048

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020210150296A KR102434736B1 (en) 2021-11-04 2021-11-04 Self-sufficient Heating and Cooling System and Method using New Renewable Energy

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102434736B1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114739062A (en) * 2022-04-08 2022-07-12 平高集团有限公司 Air source heat pump defrosting method and system
CN117936839A (en) * 2024-03-22 2024-04-26 武汉海亿新能源科技有限公司 Multi-path circulating cooling device for fuel cell and control method thereof

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100191873B1 (en) 1991-07-16 1999-06-15 그린 마틴, 브라이언 쥐 테슬리 Stabilized pvp-1 solutions
JP2004210597A (en) * 2003-01-06 2004-07-29 Toshiba Corp Waste-heat-using hydrogen/oxygen system and method for producing liquid hydrogen
KR101387908B1 (en) 2012-02-16 2014-04-24 한국에너지기술연구원 Hybrid air conditioning system with fuel cell and geothermal heat pump
KR20140055709A (en) * 2012-11-01 2014-05-09 주식회사 티이애플리케이션 Heat pump system using ground heat source
JP2017008382A (en) * 2015-06-24 2017-01-12 株式会社辰巳菱機 Hydrogen generation system
JP2018031483A (en) * 2016-08-22 2018-03-01 オリオン機械株式会社 Hydrogen gas cooling device

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100191873B1 (en) 1991-07-16 1999-06-15 그린 마틴, 브라이언 쥐 테슬리 Stabilized pvp-1 solutions
JP2004210597A (en) * 2003-01-06 2004-07-29 Toshiba Corp Waste-heat-using hydrogen/oxygen system and method for producing liquid hydrogen
KR101387908B1 (en) 2012-02-16 2014-04-24 한국에너지기술연구원 Hybrid air conditioning system with fuel cell and geothermal heat pump
KR20140055709A (en) * 2012-11-01 2014-05-09 주식회사 티이애플리케이션 Heat pump system using ground heat source
JP2017008382A (en) * 2015-06-24 2017-01-12 株式会社辰巳菱機 Hydrogen generation system
JP2018031483A (en) * 2016-08-22 2018-03-01 オリオン機械株式会社 Hydrogen gas cooling device

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114739062A (en) * 2022-04-08 2022-07-12 平高集团有限公司 Air source heat pump defrosting method and system
CN117936839A (en) * 2024-03-22 2024-04-26 武汉海亿新能源科技有限公司 Multi-path circulating cooling device for fuel cell and control method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5306621B2 (en) Power supply system
KR100923962B1 (en) A heat pump system using earth heat
US20060150652A1 (en) Cooling/heating apparatus using waste heat from fuel cell
JP4981589B2 (en) Solar power generation / heat collection combined use device
US10954852B2 (en) Compressed air energy storage power generation device
KR101162747B1 (en) Field-installed photovoltaic-thermal heatpump heating and cooling experiment apparatus for education
CN103890499A (en) System using solar energy
US10794279B2 (en) Compressed air energy storage power generation device
CN207637905U (en) All-vanadium redox flow battery system
KR20170094847A (en) A hybrid heat exchanger system using geothermal and solar thermal and Control method for this
CN113930804B (en) Hydrogen production device with alkali temperature keeping function
US20210071310A1 (en) Hydrogen system
KR102434736B1 (en) Self-sufficient Heating and Cooling System and Method using New Renewable Energy
KR101587268B1 (en) Cooling/heating and hot water suppling system using geothermy heat pump
JP2011217590A (en) Air conditioning system
KR20140031347A (en) Hybrid air conditioning system with fuel cell and geothermal heat pump
KR20130094513A (en) Hybrid air conditioning system with fuel cell and geothermal heat pump
KR101734996B1 (en) Heat pump system driven by gas engine
CN112665004A (en) Heat supply control method and special device of solar heat supply system
CN114017860B (en) Cooling control method and system for comprehensive utilization of solar energy and geothermal energy
KR101215102B1 (en) Hybrid heating and cooling system with hot water supply
JP2012221645A (en) Electricity storage system
CN115986603B (en) Photovoltaic power supply cabinet and pipeline control method thereof
CN220852609U (en) Multi-mode solar intelligent temperature control device
CN220818123U (en) Transcritical carbon dioxide heat pump system

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant