KR20150138787A - 지능형 하이브리드 냉난방 시스템 - Google Patents

지능형 하이브리드 냉난방 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지중에 매립된 지중열교환기를 포함하여 건축물을 냉난방 기본부하를 충당하기 위한 지열 히트펌프 장치; 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈; 상기 태양전지 모듈에서 발전된 전기를 축전하며, 심야전력을 이용하여 추가 충전을 수행하는 에너지저장장치; 전력을 사용하여 건축물을 냉난방하는 전력 히트펌프 장치; 및 온도, 일조량을 포함하는 기상예보 정보를 입력받아 심야전력을 이용한 상기 에너지저장장치의 충전시간을 제어하고, 상기 전력 히트펌프 장치로 공급되는 전력을 제어하는 통합제어부;를 포함하는 지능형 하이브리드 냉난방 시스템을 제공한다.

Description

지능형 하이브리드 냉난방 시스템{INTELLIGENCE HYBRID HEATING AND COOLING SYSTEM}
본 발명은 건물이나 공장 등의 냉난방 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지열, 태양열, 심야 수축열을 이용하여 에너지 비용을 절감할 수 있는 지능형 하이브리드 냉난방 시스템에 관한 것이다.
화석연료의 고갈 및 지구온난화, 환경오염 등으로 친환경 에너지의 개발이 확대되고 있으며, 이에 편승하여 태양열 및 지열을 이용하여 냉방, 난방을 실현하는 기술이 많이 보급되고 있다.
그러나 지금까지 개발된 냉방 및 난방 시스템들은 그 효율이 떨어지고 설치 비용이 많으며, 그들만으로는 충분한 냉난방 성능을 확보할 수 없는 문제점을 가지고 있었다.
관련 선행기술로는 대한민국 공개특허 2012-0100105호 (공개일자 2012년 9월 12일) '하이브리드 흡수식 냉난방 시스템'이 있다.
본 발명의 목적은 지열과 태양에너지를 이용하여 냉난방과 온수 공급에 사용되는 에너지를 절감할 수 있는 하이브리드 냉난방 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 기상 정보를 통하여 익일의 전력 소모량을 예측하고 그를 통해 심야전기를 활용 비율을 높여 에너지 비용을 절감할 수 있는 하이브리드 냉난방 시스템을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 피크 시간대의 전력 소비를 감소시키고 심야 시간대의 전력을 사용하도도록 함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있는 하이브리드 냉난방 급탕 시스템을 제공함에 있다.
본 발명은 지중에 매립된 지중열교환기를 포함하여 건축물을 냉난방 기본부하를 충당하기 위한 지열 히트펌프 장치; 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈; 상기 태양전지 모듈에서 발전된 전기를 축전하며, 심야전력을 이용하여 추가 충전을 수행하는 에너지저장장치; 전력을 사용하여 건축물을 냉난방하는 전력 히트펌프 장치; 및 온도, 일조량을 포함하는 기상예보 정보를 입력받아 심야전력을 이용한 상기 에너지저장장치의 충전시간을 제어하고, 상기 전력 히트펌프 장치로 공급되는 전력을 제어하는 통합제어부;를 포함하는 지능형 하이브리드 냉난방 시스템을 제공한다.
풍력을 이용하여 전력을 생산하는 풍력발전 모듈을 더 포함하며, 상기 기상예보 정보에 풍속 정보를 포함할 수 있다.
또한, 전력을 사용하여 냉난방에 필요한 냉수 또는 온수를 저장하는 축열조를 구비하는 수축열장치를 더 포함할 수도 있다.
이 때, 상기 수축열장치의 축열조는 상기 지열 히트펌프 장치의 보조열원으로 사용될 수 있다.
또한, 상기 통합제어부는 기상예보 정보로부터 익일 냉난방에 필요한 예측부하를 산출하고, 상기 예측부하와 상기 지열 히트펌프 장치의 기본부하를 비교하여 차이값인 부족부하를 산출하고, 상기 에너지저장장치에 저장된 전력이 상기 부족부하를 충당하지 못하는 경우 심야전력을 이용하여 상기 에너지저장장치를 축전하는 것이 바람직하다.
아울러, 상기 심야전력을 이용한 축전량은 익일 상기 태양전지 모듈을 이용한 예상발전량을 고려하여 결정되는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 통합제어부는 익일 냉난방 가동시간 정보를 추가로 입력받아, 상기 냉난방 가동시간 정보로부터 예측부하를 산출하도록 하면 더욱 바람직하다.
본 발명에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템은 지열을 이용한 지열 히트펌프 장치와, 전력을 이용한 전력 히트펌프 장치를 이용하여 냉난방을 수행하되, 자연력에 의하여 발전된 전력을 에너지 저장장치에 저장하였다가 사용하는 방법으로 에너지 사용량을 절감하는 효과를 가져온다.
또한, 본 발명에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템은 익일의 부하를 예측하여 부족부하를 심야전력을 축전하여 사용함으로써 에너지 비용을 절감할 수 있는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템의 구성도,
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템의 구성도임.
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템은, 지중에 매립된 지중열교환기를 포함하여 건축물을 냉난방 기본부하를 충당하기 위한 지열 히트펌프 장치(110)와, 태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈(210)과, 상기 태양전지 모듈(210)에서 발전된 전기를 축전하며, 심야전력을 이용하여 추가 충전을 수행하는 에너지 저장장치(250)와, 전력을 사용하여 건축물을 냉난방하는 전력 히트펌프 장치(120)와, 온도, 일조량을 포함하는 기상예보 정보를 입력받아 심야전력을 이용한 상기 에너지저장장치의 충전시간을 제어하고, 상기 전력 히트펌프 장치로 공급되는 전력을 제어하는 통합제어부(200)를 포함한다.
여기서 전력 히트펌프 장치(120)는 전기를 이용하여 가동하는 지열, 공기열, 폐열 히트펌프, GHP(Gas engine-driven Heat Pump) 등의 히트펌프 장치일 수 있다.
본 발명에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템은 지열 히트펌프 장치(110)와, 전력 히트펌프 장치(120)를 이용하여 건물 또는 공장 등의 냉난방을 수행하는 것으로, 사용되는 전력을 에너지 저장장치(250)에 충전된 전력을 사용하거나 외부 전력(300)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 태양전지 모듈(210)을 구비하여 태양광으로부터 생산된 전력을 상기 에너지 저장장치(250)에 축전하거나, 히트펌프 장치들(110,120)의 운전에 사용하게 된다.
지열 히트펌프 장치(110)는 지중에 매립된 지중열교환기를 구비하여 냉방시에는 지열을 저온열원으로 사용하고 난방시에는 지열을 고온열원으로 사용함으로써 전력 사용량을 절감하는 냉난방 장치이다. 그런데 지열 히트펌프 장치의 냉방 부하 또는 난방 부하는 지중열교환기의 열교환량에 따라 결정된다.
사용되는 피크부하를 지열 히트펌프 장치(110)를 설치하기 위해서는 지중열교환기의 시설비가 과도하게 소모되므로, 일반적으로 지중열교환기는 평균부하 정도를 감당할 수 있는 수준으로 설치하게 된다. 이하에서는 지열 히트펌프 장치(110)의 냉난방 부하를 기본부하라 칭한다.
그리고, 지열 히트펌프 장치(110)의 용량만으로 부족한 냉난방 부하는 별도의 전력 히트펌프 장치(120)에 의하여 충당한다.
본 발명은 전력 히트펌프 장치(120)의 운전에 소모되는 전력을 에너지 저장장치(250) 또는 외부전력(300)을 통해서 공급하되, 가능하면 에너지 저장장치(250)에 축전된 전력을 사용하도록 함으로써 피크 타임의 전력 소모를 절감하여 에너지 비용을 절감하기 위한 것이다.
에너지 저장장치(250)는 태양전지 모듈(210)에서 발전되는 전력을 축적하거나, 심야전력을 이용하여 전력을 축전한다.
이러한 에너지 저장장치(250)의 충전과 방전 외부 전력(300)의 사용등은 통합 제어부(200)를 통해 제어된다.
통합 제어부(200)는 기상 예보 정보를 입력받아 이로부터 부하를 예측하고, 에너지 저장장치(250)의 충전여부와 충전량을 결정한다.
통합 제어부(200)는 익일 냉난방에 필요한 부하를 예측하여 산출한다. 이하에서는 이를 예측부하라 칭한다. 부하의 예측은 익일의 온도 정보를 이용하여 이루어질 수 있다. 각 온도에 따른 냉난방 부하를 데이터 베이스화하여 저장하고 있다가 이를 사용할 수 있으며, 운전이력을 통한 학습을 통하여 예측부하를 산출할 수도 있다.
통합 제어부(200)는 예측부하를 지열 히트펌프 장치(110)의 기본부하와 비교한다. 예측부하가 기본부하보다 적은 경우에는 지열 히트펌프 장치(110)의 운전만으로 냉난방이 가능하므로, 심야전력을 이용한 에너지 저장장치(250)의 축전을 수행하지 않는다.
그러나 예측부하가 기본부하보다 큰 경우에는 예측부하와 기본부하의 차이값인 부족부하를 산출한다.
부족부하가 산출되면, 부족부하가 익일 태양전지 모듈을 이용한 발전량과 현재 에너지 저장장치(250)에 축전된 전력으로 충당 가능한 것인지 판단하게 된다.
익일 예상 발전량과 에너지 저장장치(250)에 축전된 전력으로 부족부하가 충당가능한 것으로 판단되면, 추가적인 에너지 저장장치(250)의 충전을 수행하지 않고, 예상 발전량과 에너지 저장장치(250)에 축전된 전력만으로 부족부하를 충당하지 못하게되면, 외부전력(300)을 이용하여 에너지 저장장치(250)에 부족한 전력량을 축전한다. 이 때 전력의 축전은 시간당의 전력요금을 고려하여 전력비용이 적게 소모되는 시간대를 활용하여 에너지 저장장치(250)의 충전이 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 통합 제어부(200)는 익일의 냉난방 운전정보를 입력받아 이를 이용하여 익일의 냉난방부하를 예측하도록 하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 공장의 경우 공장의 가동시간에 따라 예측 부하를 산출하도록 하는 것이다.
도 2는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템의 구성도이다.
본 발명의 제 2 실시예에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템은 풍력발전 모듈(220)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 통합 제어부(200)는 풍력발전 모듈(220)의 발전량을 예측할 수 있도록 기상 예보 정보에 풍속 정보를 함께 입력받는 것을 특징으로 한다.
풍력발전 모듈(220)은 태양전지 모듈(210)과 함께 자연력을 이용하여 전력을 생산하게 되며, 생산된 전력이 에너지 저장장치(250)에 충전되거나, 히트펌프 장치들(110,120)의 운전에 사용될 수 있다.
풍력발전 모듈(220)을 더 포함하게 되는 경우, 부족부하의 충단에 풍력발전 모듈(220)의 예상 발전량을 함께 고려한다.
도시한 실시예의 경우 풍력발전 모듈(220)이 추가된 형태를 나타낸 것이나, 태양광, 풍력외에 연료전지 마이크로 CHP(Comined Heat & Power plant) 등의 발전모듈이 추가될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템의 구성도이다.
본 발명의 제 3 실시예에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템은 전력을 사용하여 냉난방에 필요한 냉수 또는 온수를 저장하는 축열조를 구비하는 수축열 장치(130)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이 때, 수축열 장치(130)의 축열조는 지열 히트펌프 장치(110)의 보조 열원으로 사용되어 지열 히트펌프 장치의 냉난방 부하를 증가시키는 효과를 가져온다.
수축열 장치(130)는 심야 전력을 사용하여 냉수 또는 온수를 축열하는 것으로, 에너지 저장장치(250)와 유사한 기능을 수행한다.
에너지 저장장치(250)가 전력을 축전하는 반면에, 수축열 장치(130)는 열을 저장하는 개념이나, 익일 사용될 냉난방 부하를 미리 저장한다는 점에서 그 기능이 유사하다.
도 3의 실시예의 경우 외부전력(300)을 사용하지 않고 충당할 수 있는 최대 부하는 지열 히트펌프 장치(110)의 기본 부하와, 수축열 장치(130)의 축열 부하와, 에너지 저장장치(250)의 축전 부하의 합이 된다. 여기에 태양전지 모듈(210)의 예상 발전량과 풍력발전 모듈(220)의 예상 발전량까지 더해지게 된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 지능형 하이브리드 냉난방 시스템은 지열 히트펌프 장치와 전력 히트펌프 장치를 이용하여 건축물의 냉난방을 수행하되, 자연력을 이용한 발전을 이용하고 아울러 부하를 예측하여 심야전력을 축전 또는 축열하여 피크 타임에 사용할 수 있도록 함으로써, 에너지 사용량과 에너지 비용을 절감할 수 있는 효과를 가져온다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110 : 지열 히트펌프 장치
120 : 전력 히트펌프 장치
130 : 수축열 장치
200 : 통합 제어부
210 : 태양전지 모듈
220 : 풍력발전 모듈
250 : 에너지 저장장치
300 : 외부전력

Claims (7)

  1. 지중에 매립된 지중열교환기를 포함하여 건축물을 냉난방 기본부하를 충당하기 위한 지열 히트펌프 장치;
    태양광을 이용하여 전력을 생산하는 태양전지 모듈;
    상기 태양전지 모듈에서 발전된 전기를 축전하며, 심야전력을 이용하여 추가 충전을 수행하는 에너지저장장치;
    전력을 사용하여 건축물을 냉난방하는 전력 히트펌프 장치;
    온도, 일조량을 포함하는 기상예보 정보를 입력받아 심야전력을 이용한 상기 에너지저장장치의 충전시간을 제어하고, 상기 전력 히트펌프 장치로 공급되는 전력을 제어하는 통합제어부;를 포함하는 지능형 하이브리드 냉난방 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    풍력을 이용하여 전력을 생산하는 풍력발전 모듈을 더 포함하며,
    상기 기상예보 정보에 풍속 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 하이브리드 냉난방 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    전력을 사용하여 냉난방에 필요한 냉수 또는 온수를 저장하는 축열조를 구비하는 수축열장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 하이브리드 냉난방 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 수축열장치의 축열조는
    상기 지열 히트펌프 장치의 보조열원으로 사용되는 것을 특징으로 하는 지능형 하이브리드 냉난방 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 통합제어부는
    기상예보 정보로부터 익일 냉난방에 필요한 예측부하를 산출하고,
    상기 예측부하와 상기 지열 히트펌프 장치의 기본부하를 비교하여 차이값인 부족부하를 산출하고,
    상기 에너지저장장치에 저장된 전력이 상기 부족부하를 충당하지 못하는 경우 심야전력을 이용하여 상기 에너지저장장치를 축전하는 것을 특징으로 하는 지능형 하이브리드 냉난방 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 심야전력을 이용한 축전량은 익일 상기 태양전지 모듈을 이용한 예상발전량을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 지능형 하이브리드 냉난방 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 통합제어부는
    익일 냉난방 가동시간 정보를 추가로 입력받아,
    상기 냉난방 가동시간 정보로부터 예측부하를 산출하는 것을 특징으로 하는 지능형 하이브리드 냉난방 시스템.
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