KR20100108056A - 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법 및 이를 구현한평가기기 - Google Patents

지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법 및 이를 구현한평가기기 Download PDF

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KR20100108056A
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Abstract

본 발명은 열원측 2차 유체라인 중 열원측 열교환기의 입출구에서 측정된 열원측 2차 유체의 상태량 및 열원측 2차 유체라인을 순환하는 열원측 2차 유체의 유량에 근거하여 열원측 열교환기에서 열교환된 열량을 구하는 제1 단계, 상기 제1 단계에서 구해진 열원측 열교환기에서 열교환된 열량 및 냉매라인 중 열원측 열교환기의 입출구에서 측정된 냉매의 상태량에 근거하여 냉매 라인을 순환하는 냉매 유량을 구하는 제2 단계, 그리고 상기 제2 단계에서 구한 냉매 유량과 부하측 열교환기의 입출구에서 측정된 냉매의 상태량에 근거하여 부하측 열교환기에서 열교환된 열량을 구하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법을 제공한다. 본 발명에 따르면 지열 열펌프 시스템에서 단속 운전 및 용량가변 운전이 일어나더라도 실시간으로 정확하게 지열 열펌프 시스템의 성능을 측정할 수 있으며, 아울러 비용 측면에서도 유리한 효과를 가진다.
지열 열펌프 시스템, 성능평가방법, 실시간

Description

지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법 및 이를 구현한 평가기기{Real Time Performance Evaluation Method for Ground Source Heat Pump System and Evaluation Device Programming the same}
본 발명은 압축기, 응축기(열교환기), 팽창장치 및 증발기(열교환기), 사방밸브로 구성된 열펌프 시스템 중 지열을 열원으로서 이용하여 실내 공간을 냉난방 시키는 지열 열펌프 시스템의 성능을 실시간으로 측정할 수 있는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법 및 이를 구현한 평가기기에 관한 것이다. 보다 상세하게는 지열 열펌프 시스템에서 열펌프 유닛을 순환하는 냉매의 상태량을 측정하고 이를 근거하여 지열 열펌프 시스템의 성능을 실시간으로 평가할 수 있는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법 및 이를 구현한 평가기기에 관한 것이다.
일반적으로, 지열을 열원으로 이용하는 지열 열펌프 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 압축기(110), 지중의 열원과 열교환하는 열원측 열교환기(120), 팽창장치(130), 실내를 냉,난방시키기 위해서 실내공기와 열교환하는 부하측 열교환기(140) 및 냉매의 순환방향을 전환시키는 사방밸브(150)를 포함하는 열펌프 유닛(100)을 구비하고 있다. 상기 이러한 지열 열펌프 시스템은 부하측 열 교환기(140)와 열교환하는 부하측 2차 유체의 종류에 따라서 크게 "물대물"형태와 "물대공기" 형태로 나뉜다.
먼저, 도 1에 도시된 "물대물" 형태는, 냉매 라인(200)을 통해서 냉매가 순환하는 열펌프 유닛(100)이 실외에 배치되어 있으며, 열펌프 유닛(100)은 열원측 2차 유체라인(300)을 따라 지중을 순환하는 열원측 2차 유체(물 또는 부동액 등)와 열원측 열교환기(120)에서 열교환하며, 부하측 2차 유체라인(400)을 따라 실내에 설치된 냉난방 기기를 순환하는 부하측 2차 유체(물 또는 부동액 등)와 부하측 열교환기(140)에서 열교환한다.
또한 도 2에 도시된 "물대공기" 형태는 냉매가 순환하는 열펌프 유닛(100)은 실외에 설치되어 있으나 부하측 열교환기(140)는 실내에 설치되어 있으며, 부하측 2차 유체라인은 별도로 구비하고 있지 않다. 열펌프 유닛(100)은 열원측 2차 유체라인(300)을 따라 지중을 순환하는 열원측 2차 유체(물 또는 부동액 등)와 열원측 열교환기(120)에서 열교환하며, 부하측 열교환기(140)에서는 팬(500) 등을 통해서 실내로 공기를 불어넣거나 실내공기를 흡입함에 의해서 실내 공기와 직접 접촉하면서 열교환한다. 즉, "물대공기" 형태에서는 실내공기가 부하측 2차 유체가 된다.
최근 지열 열펌프 시스템의 보급이 활발해지면서 그 성능에 대한 관심이 집중되고 있으며, 아울러 현장에 설치된 지열 열펌프 시스템의 성능을 실시간으로 측정하는 것이 요구되고 있다. 지열 열펌프 시스템의 성능계수(COP)는 (식 1)에 의해서 계산된다.
Figure 112009018666033-PAT00001
(식 1)
여기서, Q는 운전모드에 따른 냉방 또는 난방 열량, W는 열펌프 유닛(100)에서 행한 일량이다.
지열 열펌프 시스템의 성능을 계산하기 위해서는 열량(Q), 일량(W) 및 성능계수(COP)를 계산하여야 한다. 하지만 종래 지열 열펌프 시스템에서 위 요소들을 실시간으로 측정함에 있어서 여러 가지 문제점이 있다.
먼저, 현장에 설치된 지열 열펌프 시스템에서 압축기(110)의 일량 즉, 소비전력을 측정하는 데에 있어서 다음과 같은 문제점이 있다.
구체적으로, 현장에 설치된 열펌프 유닛(100)은 냉난방에 요구되는 열량(즉, 부하)이 변화함에 따라서 단속운전 또는 용량가변 운전을 행하게 된다. 이에 따라서 압축기(110)에 대해서 정지 및 시동을 반복하거나, 부하의 변화에 따라 압축기 용량을 가변시켜 운전하게 된다. 한편, 열펌프 유닛(100)에서는 압축기(110)의 운전상태변화에 따라 소비전력이 곧바로 변화되는 것과 달리 부하측 열교환기(140)에서 이루어지는 열교환은 압축기(110)의 변화된 운전상태를 즉시 반영하지 못한다. 이는 압축기(110)로부터 도출된 냉매가 부하측 열교환기(140)와 열원측 열교환기(120)를 순환하면서 지열 열펌프 시스템의 고압과 저압 및 사이클 온도 등이 안정화된 뒤에 부하측 열교환기(140)의 열량이 안정화되기 때문이며, 지열 열펌프 시스템의 용량 및 구조에 따라 차이는 있지만, 압축기(110)의 운전 상태 변화 후 부하측 열교환기(140)의 열교환량이 안정되기까지 소정의 시간(약 3분 내지 5분) 이 상이 소요된다.
따라서, 압축기(110)에서 운전상태가 변화하더라도 약 3분 이내에 측정되는 부하측 열교환기(140)의 열량은 변화된 상태에서의 정확한 지열 열펌프 시스템의 성능이 될 수 없다. 예를 들어, 압축기(110)가 단속운전을 행하기 위해서, 정지해 있다가 다시 가동이 될 경우, 압축기(110)의 소비전력은 수초 이내 증가하여 안정되지만, 부하측 열교환기(140)에서 안정된 열교환이 이루어지기 위해서는 적어도 약 3분 내지 5분의 시간이 필요하기 때문에 이 이내에서는 열량(Q)의 변화가 작게 되므로, 성능계수(COP)가 매우 작게 나타나게 되어 정확한 성능을 실시간으로 평가할 수 없다는 문제점이 있다.
또한, 현장에 설치된 지열 열펌프 시스템에서 부하측 열교환기(140)의 열량(Q)을 측정하는데 있어서는 다음과 같은 문제점이 있다.
부하측 열교환기(140)의 열량은 (식 2)에 의해서 구해진다.
Figure 112009018666033-PAT00002
(식 2)
여기서,
Figure 112009018666033-PAT00003
은 단위시간당 유량,
Figure 112009018666033-PAT00004
은 부하측 열교환기의 입출구에서의 부하측 2차 유체의 엔탈피,
Figure 112009018666033-PAT00005
는 부하측 열교환기의 입출구에서의 부하측 2차 유체의 온도이다.
먼저, "물대물"형태의 지열 열펌프 시스템의 경우에는, 도 1에 도시된 것과 같이 부하측 2차 유체라인(400)을 통해서 부하측 열교환기(140)와 실내의 냉난방기를 순환하는 부하측 2차 유체에 대해서, 부하측 열교환기(140)의 입출구에서의 온 도 및 단위 시간당 유량을 측정하고 이를 이용하여 위 (식 2)로부터 부하측 열교환기(140)의 열량(Q)을 구할 수 있다. 이때 부하측 2차 유체는 물(액체)이기 때문에 온도센서를 부하측 2차 유체라인(400) 중 열교환기(140)의 입구(410) 및 출구(420)에 설치하고, 아울러 유량계(430)를 부하측 2차 유체라인(430)에 설치하면 된다.
그러나, "물대공기" 형태의 지열 열펌프 시스템의 경우에는 도 2에 도시한 것과 같이 부하측 열교환기(140)가 개방된 상태에서 부하측 2차 유체인 실내공기와 열교환하기 때문에, 넓은 공기 유입부와 유출부를 갖는 부하측 열교환기(140)로 유출입되는 실내공기의 대표 온도를 측정하기 어렵다는 문제점이 있다. 아울러, "물대공기" 형태의 지열 열펌프 시스템의 경우, 실내공기의 엔탈피는 여기에 포함된 습도량에 따라서 변화하기 때문에 온도 이외에 습도를 측정해야 하며, 습도를 측정하기 위해서 고가의 센서를 장착해야 하며, 넓은 유입부와 유출부에 대한 대표 습도를 측정하기 어렵다는 문제점이 있다.
또한 "물대공기" 형태의 지열 열펌프 시스템의 경우, 부하측 열교환기(140)로 유출되는 실내공기의 유량을 측정하기 위해서 부하측 열교환기(140)로 유출입되는 실내공기의 속도 및 면적을 측정할 수 있는 장비를 설치해야 하나, 유출되는 실내공기가 전체 면적에 대해서 속도가 일정하지 않는 등으로 인해서 신뢰성이 높은 값을 얻지 못하는 문제점이 있다.
이러한 종래의 문제점을 해결하기 위해서 열펌프 유닛(100)의 냉매 라인(200) 중 부하측 열교환기(140)의 입출구에서의 냉매의 엔탈피 변화나 유량을 측정하고, 이를 기초로 냉매가 열교환된 열량을 계산하는 방법을 사용할 수 있다. 먼 저, 엔탈피 변화를 측정하기 위해서는 냉매 라인 중 부하측 열교환기(140)의 입출구에 온도 센서 및 압력센서를 설치하여, 온도 및 압력을 측정하고 이를 근거로 하여 각 측정지점에서 엔탈피를 구할 수 있다. 그리고 냉매라인(200)을 통과하는 냉매 유량을 측정하기 위해서는 냉매 유량계를 설치하여야 하는데, 냉매 유량계는 다소 부피가 커서 열펌프 유닛(100)의 크기가 증가하고, 고가라는 문제점이 있으며, 또한 정확한 측정을 위해서는 액상의 냉매라인에 설치하여 유량을 측정해야 하는데 열펌프 시스템은 냉방 및 난방 모두를 행하기 때문에 운전 형태에 따라서 액상의 냉매가 흐르는 위치가 변화하기 때문에 하나 이상의 냉매 유량계를 사용해야 하며 이로 인해서 비용이 크게 상승하는 문제점이 있다.
본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 실시간으로 정확한 성능을 측정할 수 있으며, 아울러 비용 측면에서도 유리한 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법 및 이를 구현한 평가기기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 압축기, 열원측 열교환기, 팽창장치 및 부하측 열교환기를 순환하는 냉매라인을 구비하는 열펌프 유닛, 열원측 2차 유체가 지중과 열원측 열교환기를 순환하도록 하는 열원측 2차 유체라인을 구비하는 지열 열펌프 시스템의 성능을 실시간으로 평가하는 지열 열펌프 시스템 실시 간 성능평가방법으로, 상기 열원측 2차 유체라인 중 열원측 열교환기의 입출구에서 측정된 열원측 2차 유체의 상태량 및 열원측 2차 유체라인을 순환하는 열원측 2차 유체의 유량에 근거하여 열원측 열교환기에서 열교환된 열량을 구하는 제1 단계, 상기 제1 단계에서 구한 열원측 열교환기에서 열교환된 열량 및 냉매라인 중 열원측 열교환기의 입출구에서 측정된 냉매의 상태량에 근거하여 냉매 라인을 순환하는 냉매 유량을 구하는 제2 단계, 그리고 상기 제2 단계에서 구한 냉매 유량과 부하측 열교환기의 입출구에서 측정된 냉매의 상태량에 근거하여 부하측 열교환기에서 열교환된 열량을 구하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성을 가지는 본 발명은 상기 제1 단계에서 측정된 열원측 2차 유체의 상태량 및 유량에 근거하여 구해진 열량을 근거로 하여 상기 제2 단계에서 냉매라인을 순환하는 냉매 유량을 구하기 때문에, 냉매 유량을 측정하기 위해서 별도의 냉매 유량계를 설치할 필요가 없다는 이점을 가진다. 열원측 2차 유체는 냉매와는 달리 항상 액체이기 때문에, 그 유량을 측정하기 위한 유량계를 설치함에 있어서 설치위치 및 설치개수를 고려할 필요가 없다. 따라서 종래에 냉매 라인의 위치에 따라서 기상 및 액상으로 변화하는 냉매를 측정하는 냉매 유량계를 설치해야 하는 문제점을 해결할 수 있다.
또한 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법은, 상기 제2 단계 및 제3 단계에서 측정된 열원측 열교환기의 입출구 및 부하측 열교환기의 입출구에서 측정된 냉매의 상태량에 근거하여 지열 열펌프 시스템의 성능계수(COP)를 구하는 제4 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 이렇게 본 발명의 지열 열 펌프 시스템의 실시간 성능평가방법은, 지열 열펌프 시스템의 성능계수(COP)를 냉매의 상태량에 근거하여 구하기 때문에 압축기의 소비전력을 측정할 필요가 없으며, 따라서 압축기의 단속운전이나 가변운전 시에 정확한 측정이 곤란하였던 성능계수(COP)를 정확하게 그리고 실시간으로 측정할 수 있다.
또한 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법은, 상기 제3 단계에서 구해진 부하측 열교환기의 열량 및 상기 제4 단계에서 구해진 지열 열펌프 시스템의 성능계수(COP)에 근거하여 소비전력을 구하는 제5 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 이러한 구성을 가지는 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법은 별도로 압축기의 소비전력을 측정할 필요가 없다.
또한 본 발명은 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법을 구현한 평가기기로서, 상기 열원측 2차 유체 라인에서 측정된 열원측 2차 유체의 유량 및 상태량, 그리고 상기 열펌프 유닛의 냉매라인에서 측정된 냉매의 상태량이 입력되는 입력부, 입력된 열원측 2차 유체의 유량 및 상태량, 그리고 냉매의 상태량을 이용하여 상기 제1 단계 내지 제5 단계에 기재된 연산을 수행하는 연산부, 그리고 상기 연산부에서 구해진 결과를 디스플레이 하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법 및 이를 구현한 평가기기는, 단속운전 및 용량가변운전이 일어나더라도 실시간으로 정확하게 지열 열펌프 시스템의 성능을 측정할 수 있으며, 아울러 비용 측면에서도 유리한 효 과를 가진다.
먼저, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법에 대해서 설명한다.
도 3은 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템을 나타내는 도면이다. 도 4는 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법을 구현한 평가기기의 개략도이다. 도 3에 도시된 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템은 "물대공기"형태인 것이나, 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템은 "물대공기"형태 뿐만 아니라 "물대물" 형태에도 적용할 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템은 기본적인 구성에 있어서는 종래의 지열 열펌프 시스템과 동일하지만 냉매의 상태량을 측정하는 센서들 및 이들 센서의 설치 위치에 있어서 차이를 가진다.
먼저, 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템은 압축기(110), 열원측 열교환기(120), 팽창장치(130), 부하측 열교환기(140) 및 냉난방 운전에 따라서 냉매의 순환방향을 전환시키는 사방밸브(150)를 연결하는 냉매 라인(200)을 구비하는 열펌프 유닛(100)을 포함한다.
또한, 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템은 열원측 2차 유체(물 또는 부동액 등)을 지중과 상기 열펌프 유닛(100)의 열원측 열교환기(120)를 순환하도록 하는 열원측 2차 라인(300)을 구비하고 있다. 따라서 열원측 열교환기(120)에서는 냉매와 열원측 2차 유체가 서로 열교환하게 된다.
상기 부하측 열교환기(140)는 실내에 설치되어 실내공기와 개방된 상태로 열교환하게 된다. 상기 부하측 열교환기(140)에는 열교환을 용이하게 하기 위해서 일반적으로 팬(500)이 부착되어 있다.
냉방 운전 및 난방 운전에 따라서 4방밸브(150)를 통해서 냉매의 순환방향이 A방향 및 B방향으로 전환되며, 이로 인해서 열원측 열교환기(120) 및 부하측 열교환기(140)에서의 열교환 형태에서 차이가 있으나, 지열 열펌프 시스템의 성능을 평가하는 열량(Q), 일량(W), 성능계수(COP)를 계산하는 과정은 동일하므로 여기서는 냉방운전을 중심으로 하여 설명한다.
냉방 운전시, 냉매는 A방향을 따라서 냉매가 냉매라인(200)을 순환하게 된다. 먼저 압축기(110)에서 고온고압으로 압축된 냉매는 사방밸브(150)를 거쳐 열원측 열교환기(120)로 유입되어, 열원측 2차 유체라인(300)을 통과하는 열원측 2차 유체와 열교환하여 저온으로 된다. 이후, 냉매는 팽창장치(130)를 거쳐 저압, 저온 상태로 된 후, 부하측 열교환기(140)로 유입되어 실내 공기와 열교환하여 실내 공기로부터 열을 빼앗게 된다. 이로 인해서 실내를 냉방시키게 된다.
본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템은 상기 열원측 2차 유체라인(300)에는 2차 유체의 유량을 측정하기 위한 유량계(310)가 설치되어 있으며, 또한 2차 유체의 온도를 측정하기 위해서 열원측 2차 유체라인(300) 중 열원측 열교환기(120)의 입출구에 온도센서(320, 330)가 설치되어 있다.
또한 상기 냉매 라인(200) 중 열원측 열교환기(120)의 입구에는 냉매의 압력을 측정하기 위한 압력센서(210) 및 온도를 측정하기 위한 온도센서(220)가 설치되 어 있으며, 열원측 열교환기(120)의 출구에는 냉매의 온도를 측정하기 위한 온도 센서(230)가 설치되어 있다.
그리고, 상기 냉매 라인(200) 중 부하측 열교환기(140)의 입구에는 냉매의 온도를 측정하기 위한 온도센서(240)가 설치되어 있으며, 부하측 열교환기(140)의 출구에는 냉매의 온도를 측정하기 위한 온도센서(250) 및 냉매의 압력을 측정하기 위한 압력센서(260)가 설치되어 있다.
본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템 성능평가방법은 도 4에 도시된 평가기기(400)에 의해서 구현될 수 있다. 상기 평가기기(400)는 연산능력 및 디스플레이를 갖춘 컴퓨터나, 휴대용 전자기기 등을 사용할 수 있다.
구체적으로 상기 평가기기(400)는 앞서 설명한 열원측 2차 유체의 유량계(310), 압력센서들(210, 260) 및 온도센서들(220, 230, 240, 250, 320, 330)을 통해서 측정된 2차 유체 및 냉매의 상태량에 대한 측정값을 입력받는 입력부(410), 이를 측정값을 근거하여 후술하는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법에서 요구되는 연산을 수행하는 연산부(420) 및 연산된 결과를 디스플레이하는 출력부(430)를 구비하고 있다. 상기 유량계(310), 압력센서들(210, 260) 및 온도센서들(220, 230, 240, 250, 320, 330)로부터 측정된 측정값은 도 4에 도시된 평가기기(400)의 입력부(410)로 입력되며, 연산부(420)는 이를 근거로 하여 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템 성능평가방법에 따라서 지열 열펌프 시스템의 성능을 실시간으로 구하여 출력부(430)를 통해서 디스플레이하게 된다.
이하 대해서는 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스 템의 실시간 성능평가방법에 대해서 보다 상세하게 설명한다. 도 5는 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법을 나타내는 도면이며, 도 6은 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 압력-엔탈피 선도를 나타내는 도면이다.
< 열원측 열교환기에 열교환된 열량을 구하는 단계(제1 단계) >
먼저, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법은 열원측 열교환기(120)에서 열교환되는 열량을 구하게 된다(제1 단계).
구체적으로, 도 3에 도시된 열원측 2차 유체라인(300)에 설치된 유량계(310)를 통해서 열원측 2차 유체라인(300)을 흐르는 열원측 2차 유체의 유량(
Figure 112009018666033-PAT00006
)을 측정하며, 열원측 2차 유체라인(300) 중 열원측 열교환기(120)의 입출구에 설치된 온도센서(320, 330)를 통해서 열원측 열교환기(120)의 입출구에서의 열원측 2차 유체의 온도(
Figure 112009018666033-PAT00007
)를 측정한다. 열원측 2차 유체는 물 등의 액체이므로, 측정된 유량 및 온도를 근거로 하여 (식 3)을 통해서 열원측 열교환기(120)에서 열원측 2차 유체가 냉매와 열교환되는 열량(
Figure 112009018666033-PAT00008
)을 구한다.
Figure 112009018666033-PAT00009
(식 3)
여기서,
Figure 112009018666033-PAT00010
는 열원측 2차 유체가 열교환한 열량,
Figure 112009018666033-PAT00011
는 열원측 2차 유체의 비열이다.
냉방운전시 상기 열원측 2차 유체가 열교환한 열량(
Figure 112009018666033-PAT00012
)은 냉매라인(200)을 순환하는 냉매가 열교환한 열량(
Figure 112009018666033-PAT00013
)과 동일하기 때문에, 위 (식 3)으로부터 냉매가 열원측 열교환기(120)에서 열교환한 열량(
Figure 112009018666033-PAT00014
)을 구한 것이 된다.
< 냉매라인을 순환하는 냉매 유량을 구하는 단계(제2 단계)>
다음으로, 냉매라인을 순환하는 냉매 유량은 상기 제1 단계에서 구한 열원측 열교환기(120)에서 열교환된 열량(
Figure 112009018666033-PAT00015
) 및 열원측 열교환기(120)의 입출구에서 측정된 냉매의 상태량에 근거하여 구하여진다.
참고로, 측정된 지점에서의 냉매의 상태량을 용이하게 설명하기 위해서 도 6에 도시된 것과 같이 부하측 열교환기(140)의 출구 및 압축기(110)의 입구를 1, 압축기(110)의 출구 및 열원측 열교환기(120)의 입구를 2, 열원측 열교환기(120)의 출구 및 팽창장치(130)의 입구를 3, 그리고 팽창장치(130)의 출구 및 부하측 열교환기(140)의 입구를 4로 표시한다.
구체적으로 제2 단계에서 열원측 열교환기(120)의 입구에 설치된 압력센서(210)에 의해서 압력(
Figure 112009018666033-PAT00016
)이 측정되고, 열원측 열교환기(120)의 입출구에 설치된 온도센서(220, 230)에 의해서 열원측 열교환기(120)의 입출구 온도(
Figure 112009018666033-PAT00017
,
Figure 112009018666033-PAT00018
)가 측정된다.
도 6에 도시된 것과 같이 열원측 열교환기(120)에서의 압력은 동일하므로 열원측 열교환기(120)의 출구의 압력(
Figure 112009018666033-PAT00019
)은 열원측 열교환기(120)의 입구에서의 압력(
Figure 112009018666033-PAT00020
)이 된다. 냉매의 상태량 중의 하나인 엔탈피는 온도와 압력의 함수이므로 측 정된 열원측 열교환기(120)의 입구 및 출구의 온도 및 압력을 근거로 하여 열역학 상태량 방정식이나 테이블을 통해서 열원측 열교환기(120)의 입구 및 출구에서의 냉매의 엔탈피(
Figure 112009018666033-PAT00021
,
Figure 112009018666033-PAT00022
)를 구할 수 있다. 이를 위해서 상기 설명한 평가기기(400)의 연산부(420)는 이들 열역학적 상태방정식이나 테이블을 통해서 온도와 압력으로부터 냉매의 상태량(엔탈피)을 구하는 알고리즘을 구비하고 있다. 이는 당업계에 알려진 것이므로 자세한 설명은 생략한다.
이렇게 구해진 냉매의 상태량인 엔탈피(
Figure 112009018666033-PAT00023
,
Figure 112009018666033-PAT00024
) 및 상기 제1 단계에서 구해진 열원측 열교환기(120)에서 열교환된 열량(
Figure 112009018666033-PAT00025
)을 (식 4)에 대입하여 냉매라인(200)을 순환하는 냉매 유량(
Figure 112009018666033-PAT00026
)을 계산한다.
Figure 112009018666033-PAT00027
(식 4)
< 부하측 열교환기에서 열교환된 열량을 구하는 단계(제3 단계)>
제3 단계는 부하측 열교환기(140)의 열량(
Figure 112009018666033-PAT00028
) 즉, 냉방(난방)에 필요한 열량을 구하는 것으로, 여기서는 상기 제2 단계에서 구한 냉매 유량(
Figure 112009018666033-PAT00029
)과 부하측 열교환기(140)의 입출구에서 측정한 냉매의 상태량을 이용한다.
냉매 유량(
Figure 112009018666033-PAT00030
)은 냉매 라인(200)을 순환하는 것으로 냉매라인(200) 내에서 동일하다. 또한 부하측 열교환기(140)의 입출구에서의 상태량은 부하측 열교환기(140)의 입구 및 출구에 설치된 온도센서(240, 250)에서 측정한 부하측 열교환 기(140)의 입출구 온도(
Figure 112009018666033-PAT00031
,
Figure 112009018666033-PAT00032
), 부하측 열교환기의 출구에 설치된 압력센서(260)에 의해서 측정된 부하측 열교환기(140)의 출구 압력(
Figure 112009018666033-PAT00033
)에 의해서 구해진다.
도 6에 도시된 것과 같이 부하측 열교환기(140)의 입구 및 출구의 압력은 동일하므로, 부하측 열교환기(140)의 입구 압력(
Figure 112009018666033-PAT00034
)은 압력센서(260)에 의해서 측정된 부하측 열교환기(140)의 출구 압력(
Figure 112009018666033-PAT00035
)을 그대로 사용할 수 있다. 냉매의 상태량 중 하나인 엔탈피는 온도와 압력의 함수이므로, 측정된 부하측 열교환기(140)의 입구 및 출구의 온도 및 압력을 근거로 하여 열역학 상태량 방정식이나 테이블을 통해서 부하측 열교환기(140)의 입구 및 출구에서의 냉매의 엔탈피(
Figure 112009018666033-PAT00036
,
Figure 112009018666033-PAT00037
)를 구한다.
이렇게 구해진 부하측 열교환기(140)의 입구 및 출구에서의 냉매의 엔탈피(
Figure 112009018666033-PAT00038
,
Figure 112009018666033-PAT00039
) 및 냉매 유량(
Figure 112009018666033-PAT00040
)를 (식 5)에 대입하여 부하측 열교환기(140)에서 열교환된 열량(
Figure 112009018666033-PAT00041
)를 구할 수 있다.
Figure 112009018666033-PAT00042
(식 5)
이와 같이 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법은 부하측 열교환기(140)에서 열교환되는 열량(
Figure 112009018666033-PAT00043
)을 구함에 있어서, 종래와 같이 냉매 유량계를 사용하지 않고, 상기 제1 및 제2 단계에서 구해진 냉매 유량(
Figure 112009018666033-PAT00044
)을 사용하며, 아울러 냉매의 상태량(엔탈피)을 이용하기 때문에, "물대공기" 형태의 지열 열펌프 시스템에서도 간단하고도 용이하게 구할 수 있으며, 냉매 유량계 등의 사용으로 인한 추가적인 비용이나 부피의 증가를 방지할 수 있다.
< 지열 열펌프 시스템의 성능계수(COP)를 구하는 단계(제4 단계)>
제4 단계에서는 지열 열펌프 시스템의 성능계수(COP)를 구하는 단계로, 여기서는 제2 및 제3 단계에서 구한 냉매의 상태량(엔탈피)을 이용한다.
구체적으로 도 6에 도시한 것과 같이, 압축기(110)에서 소요되는 일량(W)은 압축기(110)의 입출구에서의 엔탈피(
Figure 112009018666033-PAT00045
,
Figure 112009018666033-PAT00046
)의 차로 구해질 수 있으며, 또한 부하측 열교환기(140)에서 열교환된 열량(
Figure 112009018666033-PAT00047
)은 (식 5)에서와 같이 부하측 열교환기(140)의 입출구에서의 엔탈피(
Figure 112009018666033-PAT00048
,
Figure 112009018666033-PAT00049
)의 차로 구해질 수 있다.
따라서 지열 열펌프 시스템의 성능계수(COP)는, 상기 제2 및 제3 단계에서 구해진 엔탈피를 (식 6)에 대입함으로써 구해진다.
Figure 112009018666033-PAT00050
(식 6)
이와 같이, 성능계수(COP)를 냉매의 상태량(엔탈피)을 통해서 구하게 되면 종래 압축기의 소비동력을 측정할 필요가 없기 때문에 단속 운전이나 용량가변 운전 시에도 실시간으로 성능계수(COP)를 측정할 수 있다. 그 결과 운전상태에 따라서 정확하고 신뢰성이 높은 성능계수(COP)를 구할 수 있다. 또한, 압축기 소비전력 측정을 위한 전력량계 등을 설치할 필요가 없으므로, 비용 및 설치 공간 측면에서 장점을 갖는다.
< 지열 열펌프 시스템의 소비전력을 구하는 단계(제5 단계)>
제5 단계는 지열 열펌프 시스템의 소비전력을 구하는 단계로 위 (식 6)에서 성능계수(COP)와 부하측 열교환기(140)에서 열교환된 열량(
Figure 112009018666033-PAT00051
)의 곱을 통해서 계산하게 된다.
위에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법은 "물대공기" 형태의 지열 열펌프 시스템뿐만 아니라 "물대물" 형태의 지열 열펌프 시스템에도 적용할 수 있다.
도 1은 종래의 물대물 형태의 지열 열펌프 시스템을 나타내는 도면.
도 2는 종래의 물대공기 형태의 지열 열펌프 시스템을 나타내는 도면.
도 3은 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법을 구현한 평가기기의 개략도.
도 5는 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법을 나타내는 도면.
도 6은 본 발명에 따르는 지열 열펌프 시스템의 압력-엔탈피 선도를 나타내는 도면.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
100 : 열펌프 유닛 110 : 압축기
120 : 열원측 열교환기 130 : 팽창장치
140 : 부하측 열교환기 150 : 4방 밸브
200 : 냉매라인 210, 260 : 압력센서
220, 230, 240, 250 : 온도센서 300 : 열원측 2차 유체라인
310 : 유량계 320, 330 : 온도센서
400 : 평가기기 410 : 입력부
420 : 연산부 430 : 출력부

Claims (4)

  1. 압축기, 열원측 열교환기, 팽창장치 및 부하측 열교환기를 순환하는 냉매라인을 구비하는 열펌프 유닛, 열원측 2차 유체가 지중과 열원측 열교환기를 순환하도록 하는 열원측 2차 유체라인을 구비하는 지열 열펌프 시스템의 성능을 실시간으로 평가하는 지열 열펌프 시스템 실시간 성능평가방법으로,
    상기 열원측 2차 유체라인 중 열원측 열교환기의 입출구에서 측정된 열원측 2차 유체의 상태량 및 열원측 2차 유체라인을 순환하는 열원측 2차 유체의 유량에 근거하여 열원측 열교환기에서 열교환된 열량을 구하는 제1 단계,
    상기 제1 단계에서 구한 열원측 열교환기에서 열교환된 열량 및 냉매라인 중 열원측 열교환기의 입출구에서 측정된 냉매의 상태량에 근거하여 냉매 라인을 순환하는 냉매 유량을 구하는 제2 단계, 그리고
    상기 제2 단계에서 구한 냉매 유량과 부하측 열교환기의 입출구에서 측정된 냉매의 상태량에 근거하여 부하측 열교환기에서 열교환된 열량을 구하는 제3 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 단계 및 제3 단계에서 측정된 열원측 열교환기의 입출구 및 부하측 열교환기의 입출구에서 측정된 냉매의 상태량에 근거하여 지열 열펌프 시스템의 성능계수(COP)를 구하는 제4 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시 스템의 실시간 성능평가방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제3 단계에서 구해진 부하측 열교환기의 열량 및 상기 제4 단계에서 구해진 지열 열펌프 시스템의 성능계수(COP)에 근거하여 소비전력을 구하는 제5 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법.
  4. 청구항 3에 기재된 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법을 구현한 평가기기로서,
    상기 열원측 2차 유체 라인에서 측정된 열원측 2차 유체의 유량 및 상태량, 그리고 상기 열펌프 유닛의 냉매라인에서 측정된 냉매의 상태량이 입력되는 입력부,
    입력된 열원측 2차 유체의 유량 및 상태량, 그리고 냉매의 상태량을 이용하여 상기 제1 단계 내지 제5 단계에 기재된 연산을 수행하는 연산부, 그리고
    상기 연산부에서 구해진 결과를 디스플레이 하는 출력부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 열펌프 시스템의 실시간 성능평가방법을 구현한 평가기기.
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Cited By (6)

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Cited By (8)

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KR101420615B1 (ko) * 2013-02-22 2014-07-17 한국과학기술원 지중 열성능 및 열전도도 측정시스템 및 이의 측정방법
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