KR20180007226A

KR20180007226A - 구동 히트펌프에 대한 열부하 발휘성능 재평가를 이용한 지중열교환기의 히트펌프 구동 제어방법 및 히트펌프 구동 제어장치

Info

Publication number: KR20180007226A
Application number: KR1020160088196A
Authority: KR
Inventors: 김민기; 정민호; 배상환; 전태용
Original assignee: 대림산업 주식회사
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2018-01-22
Also published as: KR101865637B1

Abstract

본 발명은 지중열교환기에 연결되어 지중열교환기로부터의 유출수를 통해서 열에너지를 추출하여 원하는 실내에 열부하를 공급하는 히트펌프를 구동시킴에 있어서, 사용자가 필요로 하는 열부하에 맞추어서 히트펌프를 구동시키되, 히트펌프의 구동이 지속됨에 따라 히트펌프의 열부하 발휘성능이 저하되는 상황을 점검하여, 구동하고 있던 히트펌프의 열부하 발휘성능을 재평가하고 휴면 중인 히트펌프와의 대비를 통하여 히트펌프의 순위를 재부여한 후, 최상의 열부하 발휘성능을 가지는 히트펌프를 재선별하여 구동시킴으로써, 히트펌프를 통한 실내로의 열에너지공급 효율을 극대화시킬 수 있게 하는 새로운 구성의 "지중열교환기의 히트펌프 구동 제어방법 및 히트펌프 구동 제어장치"에 관한 것이다.

Description

구동 히트펌프에 대한 열부하 발휘성능 재평가를 이용한 지중열교환기의 히트펌프 구동 제어방법 및 히트펌프 구동 제어장치{Method and Apparatus for Operating Heat Pump of Geothermal Exchanger}

본 발명은 지중열교환기의 히트펌프에 대한 구동을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것으로서, 구체적으로는 지중열교환기에 연결되어 지중열교환기로부터의 유출수를 통해서 열에너지를 추출하여 원하는 실내에 열부하를 공급하는 히트펌프를 사용자가 필요로 하는 열부하에 맞추어서 구동시키되, 히트펌프의 구동이 지속됨에 따라 히트펌프의 열부하 발휘성능이 저하되는 상황을 점검하고, 구동하고 있던 히트펌프의 열부하 발휘성능을 재(再)평가하고 휴면(休眠) 중인 히트펌프와의 대비를 통하여 히트펌프의 순위를 재부여한 후, 최상의 열부하 발휘성능을 가지는 히트펌프를 재(再)선별하여 구동시킴으로써, 히트펌프를 통한 실내로의 열에너지공급 효율을 극대화시킬 수 있는 새로운 "지중열교환기의 히트펌프 구동 제어방법 및 히트펌프 구동 제어장치"에 관한 것이다.

지중에 지중열교환기를 매립하고, 지중열교환기를 히트펌프에 연결시켜서 히트펌프를 통해서 지중열교환기로 유입 및 유출되는 열매체로부터 열에너지를 추출하여 사용자가 원하는 실내에 열부하를 공급하는 기술이 대한민국 등록특허 제10-1124359호 등을 통해서 알려져 있다.

지중열교환기를 거쳐서 히트펌프로부터 유출되는 유출수의 온도와 히트펌프를 거쳐서 지중열교환기로 유입되는 유입수 간의 온도차는 지중열교환기에서의 열교환을 지속적으로 수행할수록 감소하게 되고, 그에 따라 히트펌프를 통해서 실내로 공급되는 열부하는 줄어들게 된다.

종래 기술의 경우, 복수개의 히트펌프가 구비되어 있더라도 그 중 일부의 히트펌프만을 구동시키게 되는데, 이 때 특정 히트펌프만이 지속적으로 구동되기 때문에 해당 히트펌프에서 제공하게 되는 열부하가 감소되는 현상이 발생한다. 이와 같이 특정 히트펌프만이 지속적으로 구동됨으로 인하여 해당 히트펌프가 가지는 열부하 발휘능력이 크게 저하되면, 결국 사용자가 희망하는 실내 온도에 쉽게 도달하지 못하게 되거나 또는 사용자가 희망하는 실내 온도에 도달하기까지 걸리는 시간이 오래 걸리게 되는 문제점이 발생하게 된다.

대한민국 등록특허 제10-1124359호(2012. 03. 15. 공고).

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 특정 히트펌프의 지속적인 구동으로 인한 열부하 발휘능력 저하, 그리고 그로 인하여 희망 온도에 도달하지 못하게 되거나 또는 희망 온도에 도달하기까지 걸리는 시간의 지연이 발생하게 되는 것을 효과적으로 방지할 수 있도록 하는 지중열교환기의 히트펌프 구동 제어방법 및 히트펌프 구동 제어장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 지중에 매립되는 지중열교환기와, 지중열교환기가 연결되어 있는 복수개의 히트펌프를 포함하는 히트펌프 시스템에서의 히트펌프 구동 제어방법으로서, 열부하가 공급되기를 희망하는 실내공간에 대한 희망 온도가 설정되고, 상기 실내공간에 대한 현재 온도를 측정하는 단계(단계 S1); 희망 온도와 현재 온도 간의 차이에 따른 필요 열부하를 산출하는 단계(단계 S2); 현재 온도가 희망 온도에 이르도록 필요 열부하를 충족시킬 수 있는 개수의 히트펌프를 선정하여 구동시키는 단계(단계 S3); 중간점검 개시상황의 도래 여부를 판단하는 단계(단계 S4); 현재 온도가 희망 온도에 이르렀는지를 점검하는 단계(단계 S5); 필요 열부하를 재산정하고, 구동 중이던 기존 구동 히트펌프의 열부하 발휘능력을 재평가하여 열부하 발휘 능력이 저하된 기존 구동 히트펌프는 구동을 중단시키고, 구동되지 않고 휴면 상태에 있던 휴면 히트펌프 중 구동예정 히트펌프를 선별하여, 선별된 히트펌프를 열부하 발휘능력 크기에 따라 순위를 재부여한 후, 재산정된 필요 열부하에 맞추어서, 재부여된 순위 중 최상위 순위부터 순차적으로 구동 히트펌프를 선정하여 구동시키는 단계(단계 S6); 및 히트펌프 구동 종료 단계(단계 S7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 구동 제어방법이 제공된다.

상기한 본 발명에 있어서, 단계 S6은, 단계 S5에서 측정된 현재 온도와 희망 온도_t간의 차이를 구하여, 현재 온도와 희망 온도 간의 차이를 해소하기 위해 필요한 열부하를 재산출하는 단계(단계 S6-1); 기존 구동 히트펌프에 대해서 계속하여 구동시키는 것이 적합한지의 여부를 재평가하여 구동예정 히트펌프의 카테고리에 잔류시키거나 또는 휴면 히트펌프의 카테고리로 분류하는 단계(단계 S6-2); 기존 휴면 히트펌프들 중에서, 새로 구동시킬 신규 구동예정 히트펌프를 선정하는 단계(단계 S6-3); 기존의 구동 히트펌프에서 규동예정 히트펌프로 분류된 것과, 휴면 히트펌프로부터 새롭게 선택된 신규 구동예정 히트펌프를 각각에 대해 재측정한 유입수 온도와 유출수 온도의 차이를 구하여 각각의 히트펌프에서 발휘할 수 있는 열부하를 계산하고, 계산된 열부하의 크기에 맞추어 각각의 히트펌프의 순위를 재부여하는 단계(단계 S6-4); 및 히트펌프가 발휘할 수 있는 열부하의 총합이, 재산정된 필요 열부하 이상이 되도록, 단계 S6-4에서 재부여하였던 히트펌프의 순위에서 최상위 순위부터 차례로 필요 개수만큼 구동 히트펌프로 재선정하여 구동시키는 단계(단계 S6-5)를 포함할 수 있다.

더 나아가, 본 발명에서 단계 S6-2는, 기존 구동 히트펌프 각각에 대한 유입수 온도와 유출수 온도를 측정하고, 측정된 유입수 온도와 유출수 온도 간의 차이 를 산출하는 단계(단계 S6-2-1); 단계 S6-2-1에서 산출된 ΔT_t=t1를 사전에 정해둔 기준 값 d과 대비하는 (단계 S6-2-2); 및

단계 S6-2-2에서 산출된 유입수 온도와 유출수 온도 간의 차이가 사전에 정해둔 기준 값 보다 작은 것으로 판정되면, 해당 히트펌프는 휴면 히트펌프의 카테고리로 분류하고(단계 S6-2-3), 반대로 기준 값 이상인 것으로 판정되면, 해당 히트펌프를 구동예정 히트펌프의 카테고리로 분류하는 단계(S6-2-4)를 포함할 수 있고, 단계 S6-3은, 휴면 히트펌프 중 임의의 휴면 히트펌프를 선정하는 단계(단계 S6-3-1); 선정된 휴면 히트펌프에 대해 유입수 온도와 유출수 온도를 측정하고, 측정된 유입수 온도와 유출수 온도 간의 차이를 산출하는 단계(단계 S6-3-2); 단계 S6-3-2에서 산출된 온도 차이를 사전에 정해둔 기준 값과 대비하는 단계(단계 S6-3-3); 및 단계 S6-3-2에서 산출된 온도 차이가 사전에 정해둔 기준 값보다 작은 것으로 판정되면, 해당 히트펌프는 휴면 히트펌프의 카테고리에 잔류시키고(단계 S6-3-4), 반대로 기준 값 이상인 것으로 판정되면, 해당 히트펌프를 신규 구동예정 히트펌프로 간주하여 구동예정 히트펌프의 카테고리로 분류하는 단계(S6-3-5)를 포함할 수 있다.

본 발명에서 단계 S3은, 히트펌프의 각각에 대하여, 유입수 온도와 유출수 온도를 각각 측정하여 유입수 온도와 유출수 온도 간의 차이를 구하는 단계(단계 S3-1); 산출된 유입수 온도와 유출수 온도 간의 차이를 토대로 각각의 히트펌프에서 발휘할 수 있는 열부하를 계산하고, 계산된 열부하의 크기에 맞추어 각각의 히트펌프의 순위를 부여하는 단계(단계 S3-2); 및 히트펌프가 발휘할 수 있는 열부하의 총합이, 필요 열부하 이상이 되도록, 단계 S3-2에서 부여하였던 히트펌프의 순위에서 최상위 순위부터 차례로 필요 개수만큼 히트펌프를 선정하여 구동시키는 단계(단계 S3-3)를 포함할 수 있다.

또한 본 발명에서는 상기한 목적을 달성하기 위하여, 지중에 매립되는 지중열교환기와, 지중열교환기가 연결되어 있는 복수개의 히트펌프를 포함하는 히트펌프 시스템에 구비되어 히트펌프의 구동을 제어하는 히트펌프 구동 제어장치로서, 상기한 본 발명에 따른 히트펌프 구동 제어방법에 의해 히트펌프의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 구동 제어장치가 제공된다.

본 발명에서는 히트펌프의 구동이 지속되면서 히트펌프의 열부하 발휘능력이 저하되는 것을 감안하여, 필요한 상황이 도래하면 각 히트펌프의 열부하 발휘능력을 중간점검한 후, 상대적으로 큰 열부하 발휘능력을 가지는 히트펌프를 재선정하여 구동시킨다. 따라서 본 발명에 의하면, 종래 기술의 단점인 특정 히트펌프의 지속적인 구동으로 인한 열부하 발휘능력 저하, 그리고 그로 인하여 희망 온도에 도달하지 못하게 되거나 또는 희망 온도에 도달하기까지 걸리는 시간의 지연이 발생하게 되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.

도 1은 본 발명이 적용되는 히트펌프 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프 구동 제어방법의 전체적인 과정을 보여주는 개략적인 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 히트펌프 구동 제어방법에 포함되어 있는 히프펌프의 선정 및 구동 단계의 구체적인 과정을 보여주는 개략적인 흐름도이다.
도 4는 히트펌프 중간점검 후 재구동 단계의 구체적인 과정을 보여주는 개략적인 흐름도이다.
도 5는 기존 구동 히트펌프에 대한 구동 적합성 재평가 및 재분류 단계의 구체적인 과정을 보여주는 개략적인 흐름도이다.
도 6은 기존 휴면 히트펌프로부터 새로 구동시킬 신규 구동예정 히트펌프 선정하는 단계의 구체적인 과정을 보여주는 개략적인 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 1에는 본 발명에 따른 히트펌프 구동 제어장치가 구비되어 본 발명의 히트펌프 구동 제어방법이 적용되는 히트펌프 시스템의 개략적인 구성도가 도시되어 있다. 도면에 예시된 것처럼 본 발명이 적용되는 히트펌프 시스템은, 지중에 매립되는 지중열교환기(20)와, 지중열교환기(20)에 연결되어 있는 복수개의 히트펌프와, 각각의 히트펌프에 연결되어 본 발명의 히트펌프 구동 제어방법에 따라 히트펌프의 구동을 제어하는 본 발명에 따른 히트펌프 구동 제어장치(10)를 포함하고 있다.

본 발명에 따른 히트펌프 구동 제어장치(10)는, 위에서 설명한 것처럼 복수개의 히트펌프에 연결되어 각 히트펌프의 구동을 온/오프시키는 제어를 수행하게 되는데, 특히 다음에서 설명하는 본 발명에 따른 히트펌프 구동 제어방법의 각 단계(단계 S1부터 단계 S7)를 수행함으로써 히트펌프의 작동이 최적화되도록 한다. 이러한 본 발명의 히트펌프 구동 제어장치는 컴퓨터로 구현될 수도 있고, 기타 휴대통신 단말기의 형태로도 구현될 수 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 히트펌프 구동 제어방법의 기본적인 구성을 보여주는 개략적인 흐름도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼 본 발명에 따른 히트펌프 구동 제어방법은, 희망 온도의 설정 및 현재 온도의 측정 단계(단계 S1), 필요 열부하 산출 단계(단계 S2), 히프펌프의 선정 및 구동 단계(단계 S3), 중간점검 개시상황 여부 판단 단계(단계 S4), 현재 온도 중간점검 단계(단계 S5), 히트펌프 중간점검 후 재구동 단계(단계 S6), 및 히트펌프 구동 종료 단계(단계 S7)를 포함한다.

위와 같은 본 발명에 따른 히트펌프 구동 제어방법의 각 단계를 구체적으로 살펴보면, 우선 열부하가 공급되기를 희망하는 실내공간에 대하여 사용자가 희망하는 실내온도("희망 온도") T_set을 설정하며, 상기 실내공간에 대한 현재의 실내온도("현재 온도") T_{c, t=0}을 측정하게 된다(희망 온도의 설정 및 현재 온도의 측정 단계)(단계 S1). 이와 같이 사용자가 희망 온도를 설정할 때를 시간 t=0일 때라고 한다. 사용자는 본 발명의 히트펌프 구동 제어장치에 구비된 입력 수단을 통해서 위와 같은 희망 온도를 설정하여 입력할 수 있으며, 히트펌프 구동 제어장치는 온도센서를 통해서 현재 온도를 측정하게 된다.

희망 온도 T_set과 시간 t=0일 때의 현재 온도 T_{c, t=0}간의 차이에 따른 필요 열부하 Q_t=0를 산출한다(필요 열부하 산출 단계)(단계 S2). 즉, 현재 온도가 희망 온도로 되기 위하여 필요한 열부하를 산출하는 것이다. 이 때, 사용자가 위치하는 실내공간에 대해, 현재 온도 T_c와 희망 온도 T_set 간의 차이 및 이를 해소하는데 필요한 열부하 Q의 상관관계는 기지(旣知)의 정보이다. 예를 들어, 현재 온도 T_c와 희망 온도 T_set의 차이가 섭씨 1도 일 때는 이러한 차이를 해소하여 현재 온도 T_c와 희망 온도 T_set를 일치시키기 만들기 위해서는 히트펌프에 대하여 요구되는 필요 열부하 Q가 얼마인지를 알 수 있는 "현재 온도 T_c와 희망 온도 T_set 간의 차이 및 필요 열부하 Q의 상관관계"를, 사용자가 위치하는 실내공간에 대해 사전 조사 및 데이터 수집을 통해서 미리 사전 정보로서 확보하고 있는 것이다.

이와 같이 사전에 확보해둔 "현재 온도 T_c와 희망 온도 T_set 차이 및 이를 해소하는데 필요한 열부하 Q의 상관관계"의 정보를 이용하여 단계 S2를 통해서, 시간 t=0 일때의 현재 온도 T_c와 희망 온도 T_set 간의 차이를 해소하는데 요구되는 필요 열부하 Q_t=0를 산출한 후에는, 보유하고 있는 히트펌프 중에서 필요 열부하 Q_t=0를 충족시킬 수 있는 개수의 히트펌프를 선정하여 구동시킨다(히프펌프의 선정 및 구동 단계)(단계 S3). 그리고 히트펌프의 구동에 의해서 현재 온도 T_c가 희망 온도 T_set에 이르게 되면 히트펌프의 구동을 종료한다.

이와 같이 현재 온도 T_c가 희망 온도 T_set에 이르도록, 필요 열부하 Q_t=0를 충족시킬 수 있는 개수의 히트펌프를 선정하여 구동시킴에 있어서, 본 발명에서는 도 3 및 아래에서 설명하는 구체적인 단계를 포함하는 히프펌프의 선정 및 구동 단계(단계 S3)를 수행하게 된다.

필요 열부하 Q_t=0를 충족시킬 수 있는 히트펌프의 개수를 결정하기 위하여, 우선 보유하고 있는 히트펌프의 능력 즉, 보유하고 있는 각각의 히트펌프에서 시간 t=0일 때의 시점에서 발휘할 수 있는 열부하를 파악할 필요가 있다. 이를 위해서, 보유하고 있는 모든 히트펌프의 각각에 대하여, 시간 t=0일 때 히트펌프로 유입되는 유입수의 온도("유입수 온도") T_{in, t=0}와 히트펌프로부터 유출되는 유출수의 온도("유출수 온도") T_{out, t=0}를 각각 측정하여 유입수 온도 T_{in, t=0}와 유출수 온도 T_{out, t=0} 간의 차이 ΔT_t=0를 구한다(단계 S3-1). 이와 같이 각각의 히트펌프에 대해 유입수 온도 T_{in, t=0}와 유출수 온도 T_{out, t=0} 간의 차이 ΔT_t=0를 구하게 되면, 이를 토대로 각각의 히트펌프에서 발휘할 수 있는 열부하를 계산하고, 계산된 열부하의 크기에 맞추어 각각의 히트펌프의 순위를 부여한다(단계 S3-2). 즉, 계산된 열부하의 크기에 기초하여, 가장 큰 크기의 열부하를 발휘할 수 있는 히트펌프를 최상위 순위에 두고 가장 작은 크기의 열부하를 발휘할 수 있는 히트펌프를 최하위 순위에 두는 형태로, 각각의 히트펌프가 발휘할 수 있는 열부하의 크기에 맞추어 순위를 부여하는 것이다.

후속하여 히트펌프가 발휘할 수 있는 열부하의 총합이, 필요 열부하 Q_t=0 이상이 되도록, 위에서 사전에 부여하였던 히트펌프의 순위에서 최상위 순위부터 차례로 필요 개수만큼 히트펌프를 선정하여 구동시킨다(단계 S3-3). 즉, 선정된 히트펌프들의 열부하 발휘능력의 총합이 필요 열부하 이상이 되도록 최상위 순위에서부터 필요한 개수로 히트펌프를 선정하여 구동시키는 것이다. 여기서 구동하기로 선정된 히트펌프를 "구동 히트펌프"라고 하고, 선정되지 않아 구동되지 않게 되는 히트펌프는 "휴면(休眠) 히트펌프"라고 한다.

위에서 설명한 단계 S3-1, 단계 S3-2 및 단계 S3-3을 포함하는 히프펌프의 선정 및 구동 단계(단계 S3)을 통하여 구동 히트펌프를 구동시키게 되면, 현재 온도 T_c는 점차 희망 온도 T_set에 근접해가게 되는데, 구동 히트펌프 각각은 구동이 지속됨에 따라 유입수 온도와 유출수 온도 간의 차이가 줄어들게 되어, 구동 히트펌프 각각으로부터 발휘되는 열부하도 점차 줄어들게 된다. 이와 같이 구동 히트펌프가 가지는 열부하 발휘능력이 점차 감소함에 따라 현재 온도 T_c가 희망 온도 T_set에 이르게 되어 히트펌프의 구동을 종료하게 되는 시점이 지연될 수 있다.

한편, 위와 같이 구동 히트펌프는 구동이 계속될수록 발휘할 수 있는 열부하가 줄어들지만 휴면 히트펌프는 구동되고 있지 않았으므로, 휴면 히트펌프가 가지는 열부하 발휘능력이 구동 히트펌프의 열부하 발휘능력보다 더 클 수 있다.

본 발명에서는 이러한 상황을 고려하여, 히프펌프의 선정 및 구동 단계(단계 S3)을 통하여 구동 히트펌프를 구동시킨 상태에서, 중간점검 개시상황이 도래했는지의 여부를 판단한다(중간점검 개시상황 여부 판단 단계)(단계 S4).

만일 중간점검을 개시해야 하는 상황이 도래한 것으로 판단되면 현재 온도 T_c가 희망 온도 T_set에 이르렀는지를 점검한다(현재 온도 중간점검 단계)(단계 S5). 단계 S5에서 현재 온도를 점검한 결과, 현재 온도 T_c가 희망 온도 T_set에 도달하였다면 히트펌프의 구동을 종료하게 되지만, 현재 온도 T_c가 희망 온도 T_set에 이르지 못한 경우에는, 히트펌프들의 상태를 재점검한 후, 지속적인 구동으로 인하여 열부하 발휘 능력이 저하된 기존 구동 히트펌프는 구동을 중단시키고 구동되지 않고 휴면 상태에 있던 휴면 히트펌프 중에서 열부하 발휘 능력이 우수한 것을 선별하여 구동시키는 단계(히트펌프 중간점검 후 재구동 단계)(단계 S6)을 수행함으로써, 현재 온도 T_c가 희망 온도 T_set에 이르게 되어 히트펌프의 구동을 종료하게 되는 시점이 지연되지 않고 오히려 앞당겨지게 만든다. 즉, 본 발명에서는 앞서 설명한 히프펌프의 선정 및 구동 단계(단계 S3)을 통하여 구동 히트펌프를 구동시킨 상태에서, 중간점검 개시 상황이 도래하게 되면, 그 때의 필요 열부하 Q를 재산정하고, 구동 중이던 기존 구동 히트펌프의 열부하 발휘능력을 재평가하여 열부하 발휘 능력이 저하된 기존 구동 히트펌프는 구동을 중단시켜서 휴면 히트펌프로 분류하고, 구동되지 않고 휴면 상태에 있던 휴면 히트펌프 중 구동예정 히트펌프를 선별하여, 선별된 구동예정 히트펌프와 기존 구동 히트펌프를 열부하 발휘능력 크기에 따라 순위를 재부여한 후, 재산정된 필요 열부하 Q에 맞추어서, 재부여된 순위 중 최상위 순위부터 순차적으로 구동 히트펌프를 선정하여 구동시키는 것이다(단계 S6).

도 4에는 히트펌프 중간점검 후 재구동 단계(단계 S6)의 구체적인 과정을 보여주는 개략적인 흐름도가 도시되어 있는데, 도면에 도시된 것처럼 히트펌프 중간점검 후 재구동 단계(단계 S6)에서는, 단계 S5의 현재 온도 중간점검 단계에서 재측정된 현재 온도 T_{c, t=t1}와 희망 온도 T_set간의 차이를 구하여, 이를 해소하기 위해 필요한 열부하 Q_t=t1를 재산출한다(필요 열부하 재산출 단계)(단계 S6-1). 현재 온도 중간점검 단계가 수행될 때의 시간을 t=t1이라고 표현하며, 그에 따라 현재 온도와 희망 온도에 각각 t=t1이라는 아래 첨자를 기재하여 표기하였다. 앞서 언급한 것처럼 현재 온도 T_c와 희망 온도 T_set 차이 및 이를 해소하는데 필요한 열부하 Q의 상관관계는 기지(旣知)의 정보이므로, 재측정된 현재 온도 T_{c, t=t1}를 알고 있으며, 기지의 정보를 통해서, 현재 온도 T_{c, t=t1}가 희망 온도 T_set에 이르는데 필요한 열부하를 재산출할 수 있게 된다.

단계 S6-1에 후속하여 또는 단계 S6-1과 병행하여, 기존에 이미 구동 중이던 구동 히트펌프 즉 "기존 구동 히트펌프"에 대해서, 계속하여 구동시키는 것이 적합한지의 여부를 재평가한 후, 이를 토대로 기존 구동 히트펌프를 구동예정 히트펌프의 카테고리에 잔류시킬 것인지, 아니면 구동을 중지시켜서 휴면 히트펌프의 카테고리로 분류할 것인지를 결정하게 된다(기존 구동 히트펌프에 대한 구동 적합성 재평가 및 재분류 단계)(단계 S6-2). 이 때, 구동되던 히트펌프가 위와 같은 중간점검을 통해서 휴면 히트펌프로 분류되면, 구동되지 않고 휴면 상태를 통해서 다시 열부하 발휘능력을 회복할 수 있는 기회를 갖게 된다.

앞서 언급한 것처럼 구동 히트펌프들은 이미 구동되고 있었으므로 위 단계 S6-2의 재평가/재분류 단계를 거치면서 구동 히트펌프로서의 지위를 상실하고 휴면 히트펌프로 분류되는 히트펌프가 발생할 수밖에 없다. 따라서 기존에 휴면 히트펌프로 분류되어 있던 것들 즉, 기존 휴먼 히트펌프로부터 구동시킬 히트펌프를 추출해야만 한다. 이를 위하여 위 단계 S6-2에 후속하여, 기존 휴면 히트펌프들 중에서, 새로 구동시킬 "신규 구동예정 히트펌프"를 선정하는 단계를 수행한다(신규 구동예정 히트펌프 선정 단계)(단계 S6-3). 이 때, 신규 구동예정 히트펌프는, 앞서 단계 S6-2의 단계에 의해 구동 히트펌프로서의 지위를 상실한 기존 구동 히트펌프의 개수 이상이 되도록 선정한다.

새롭게 구동예정 히트펌프가 선정되면, 기존의 구동 히트펌프에서 "구동예정 히트펌프로 분류된 것"과, 휴면 히트펌프로부터 새롭게 선택된 "신규 구동예정 히트펌프"에 대해 재측정한 유입수 온도와 유출수 온도의 차이를 구하여 각각의 히트펌프에서 발휘할 수 있는 열부하를 계산하고, 계산된 각각의 열부하 크기에 맞추어 순위를 재부여한다(단계 S6-4). 후속하여 히트펌프가 발휘할 수 있는 열부하의 총합이, 재산정된 필요 열부하 Q_t=t1 이상이 되도록, 위에서 재부여하였던 히트펌프의 순위에서 최상위 순위부터 차례로 필요 개수만큼 구동 히트펌프로 재선정하여 구동시킨다(단계 S6-5).

이와 같은 히트펌프 중간점검 후 재구동 단계(단계 S6)가 수행된 후, 사전에 정해둔 상황이 도래하면 앞서 설명한 현재 온도 중간점검 단계(단계 S5)를 수행하게 되고, 이 때 현재 온도 T_c가 희망 온도 T_set에 도달한 것으로 판정되면, 히트펌프의 구동을 종료시키게 되지만(단계 S7), 그렇지 않은 경우에는 앞서 설명한 히트펌프 중간점검 후 재구동 단계(단계 S6)가 다시 수행되는 과정이 반복된다.

본 발명에서 기존 구동 히트펌프에 대한 구동 적합성 재평가 및 재분류 단계(단계 S6-2)는 도 5에 도시된 것과 같은 구체적인 단계에 의해 수행될 수 있다.

우선 기존에 구동 중이던 히트펌프 즉, 기존 구동 히트펌프 각각에 대한 유입수 온도와 유출수 온도를 측정하고, 측정된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이를 산출한다(단계 S6-2-1). 후속하여 단계 S6-2-1에서 산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이를 사전에 정해둔 기준 값과 대비한다(단계 S6-2-2).

만일 위 단계 S6-2-2에서 산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이가 사전에 정해둔 기준 값보다 작은 것으로 판정되면, 해당 히트펌프는 휴면 히트펌프의 카테고리로 분류하게 되고(단계 S6-2-3), 반대로 단계 S6-2-2에서 산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이가 사전에 정해둔 기준 값 이상인 것으로 판정되면, 해당 히트펌프는 "구동예정 히트펌프의 카테고리"로 분류한다(단계 S6-2-4).

한편, 본 발명에서 신규 구동예정 히트펌프 선정 단계(단계 S6-3)는 도 6에 도시된 것과 같은 구체적인 단계에 의해 수행될 수 있다.

우선 휴면 히트펌프 중 임의의 휴면 히트펌프를 선정한다(단계 S6-3-1). 선정된 휴면 히트펌프에 대해 유입수 온도와 유출수 온도를 측정하고, 측정된 유입수 온도와 유출수 온도 간의 차이를 산출한다(단계 S6-3-2). 후속하여 단계 S6-3-2에서 산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이를 사전에 정해둔 기준 값과 대비한다(단계 S6-3-3).

만일 위 단계 S6-3-3을 수행한 결과, 산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이가 기준 값보다 작은 것으로 판정되면, 해당 히트펌프는 휴면 히트펌프의 카테고리에 잔류시키고(단계 S6-3-4), 반대로 산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이가 기준 값 이상인 것으로 판정되면, 해당 히트펌프를 신규 구동예정 히트펌프로 간주하여 구동예정 히트펌프의 카테고리로 분류한다(단계 S6-3-5).

본 발명에 있어서, 현재 온도 중간점검 단계(단계 S5)에 앞서서 수행되는 중간점검 개시상황 여부 판단 단계(단계 S4)에서 "중간점검 개시상황이 도래한 것"으로 판단하게 되는 경우는, 사용자가 미리 설정해둔 일정 시간이 도래하였을 때가 될 수 있다. 즉, 히프펌프의 선정 및 구동 단계(단계 S3)을 통하여 구동 히트펌프가 구동되고 있는 상태에서, 중간점검 개시상황 여부 판단 단계(단계 S4)에서는 현재의 시간이 사용자가 미리 정해둔 시간에 이르렀는지를 판단하여, 미리 정해둔 시간에 도달했다고 판단되면 후속하는 현재 온도 중간점검 단계(단계 S5)가 수행되도록 할 수 있는 것이다. 이와 달리, 또는 이와 병행하여, 현재 온도를 지속적으로 측정하고 있다가 현재 온도가 사용자에 의해 사전에 정해둔 특정 온도에 이르게 되었을 때 위와 같은 "중간점검 개시상황"으로 판단될 수도 있다. 이 경우, 사실상 단계 S4가 수행됨과 동시에 현재 온도 중간점검 단계(단계 S5)도 수행된 것이 된다. 즉, 현재 온도를 지속적으로 측정하고 있다가 현재 온도가 사용자에 의해 사전에 정해둔 특정 온도에 이르게 되면, 곧 바로 히트펌프 중간점검 후 재구동 단계(단계 S6)이 수행되는 것이다.

더 나아가, 사용자가 임의의 시간에 중간점검을 희망한다는 신호를 발생시켰을 때가 "중간점검 개시상황"에 해당할 수도 있다. 즉, 사용자가 임의의 시간에 중간점검을 희망한다는 신호를 발생시키면 현재 온도 중간점검 단계(단계 S5)가 수행되도록 구성할 수도 있는 것이다. 물론 위에서 예시한 상황들 즉, 현재 온도가 중간점검 개시 온도에 이르게 되었을 때, 사용자가 미리 정해둔 시간이 되었을 때, 그리고 사용자가 중간점검을 희망한다는 신호를 발생시켰을 때를 적절히 선택하여 조합한 상황이 중간점검 개시상황이 되도록 할 수도 있다.

이와 같이, 본 발명에서는 히트펌프의 구동이 지속되면서 히트펌프의 열부하 발휘능력이 저하되는 것을 감안하여, 필요한 상황이 도래하면 각 히트펌프의 열부하 발휘능력을 중간점검한 후, 상대적으로 큰 열부하 발휘능력을 가지는 히트펌프를 선정하여 구동시킨다. 따라서 종래 기술의 단점인 특정 히트펌프의 지속적인 구동으로 인한 열부하 발휘능력 저하, 그리고 그로 인하여 희망 온도에 도달하지 못하게 되거나 또는 희망 온도에 도달하기까지 걸리는 시간의 지연이 발생하게 되는 것을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

10: 히트펌프 구동 제어장치
20: 지중열교환기

Claims

지중에 매립되는 지중열교환기(20)와, 지중열교환기(20)가 연결되어 있는 복수개의 히트펌프를 포함하는 히트펌프 시스템에서의 히트펌프 구동 제어방법으로서,
열부하가 공급되기를 희망하는 실내공간에 대한 희망 온도 T_set가 설정되고, 상기 실내공간에 대한 현재 온도 T_{c, t=0}을 측정하는 단계(단계 S1);
희망 온도 T_set과 현재 온도 T_{c, t=0}간의 차이에 따른 필요 열부하 Q_t=0를 산출하는 단계(단계 S2);
현재 온도 T_c가 희망 온도 T_set에 이르도록 필요 열부하 Q_t=0를 충족시킬 수 있는 개수의 히트펌프를 선정하여 구동시키는 단계(단계 S3);
중간점검 개시상황의 도래 여부를 판단하는 단계(단계 S4);
현재 온도 T_c가 희망 온도 T_set에 이르렀는지를 점검하는 단계(단계 S5);
필요 열부하 Q를 재산정하며, 구동 중이던 기존 구동 히트펌프의 열부하 발휘능력을 재평가하여 열부하 발휘 능력이 저하된 기존 구동 히트펌프는 구동을 중단시켜서 휴면 히트펌프로 분류하고, 구동되지 않고 휴면 상태에 있던 휴면 히트펌프 중 구동예정 히트펌프를 선별하여, 선별된 구동예정 히트펌프와 기존 구동 히트펌프를 열부하 발휘능력 크기에 따라 순위를 재부여한 후, 재산정된 필요 열부하 Q에 맞추어서, 재부여된 순위 중 최상위 순위부터 순차적으로 구동 히트펌프를 선정하여 구동시키는 단계(단계 S6); 및
히트펌프 구동 종료 단계(단계 S7)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 구동 제어방법.
제1항에 있어서,
단계 S6은,
단계 S5에서 측정된 현재 온도 T_{c, t=t1}와 희망 온도 T_set간의 차이를 구하여, 현재 온도와 희망 온도 간의 차이를 해소하기 위해 필요한 열부하 Q_t=t1를 재산출하는 단계(단계 S6-1);
기존 구동 히트펌프에 대해서 계속하여 구동시키는 것이 적합한지의 여부를 재평가하여 구동예정 히트펌프의 카테고리에 잔류시키거나 또는 휴면 히트펌프의 카테고리로 분류하는 단계(단계 S6-2);
기존 휴면 히트펌프들 중에서, 새로 구동시킬 신규 구동예정 히트펌프를 선정하는 단계(단계 S6-3);
기존의 구동 히트펌프에서 규동예정 히트펌프로 분류된 것과, 휴면 히트펌프로부터 새롭게 선택된 신규 구동예정 히트펌프 각각에 대해 재측정한 유입수 온도와 유출수 온도의 차이를 구하여 각각의 히트펌프에서 발휘할 수 있는 열부하를 계산하고, 계산된 열부하의 크기에 맞추어 각각의 히트펌프의 순위를 재부여하는 단계(단계 S6-4); 및
히트펌프가 발휘할 수 있는 열부하의 총합이, 재산정된 필요 열부하 Q_t=t1 이상이 되도록, 단계 S6-4에서 재부여하였던 히트펌프의 순위에서 최상위 순위부터 차례로 필요 개수만큼 구동 히트펌프로 재선정하여 구동시키는 단계(단계 S6-5)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 구동 제어방법.
제2항에 있어서,
단계 S6-2는,
기존 구동 히트펌프 각각에 대한 유입수 온도와 유출수 온도를 측정하고, 측정된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이를 산출하는 단계(단계 S6-2-1);
단계 S6-2-1에서 산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이를 사전에 정해둔 기준 값과 대비하는 (단계 S6-2-2); 및
산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이가 기준 값보다 작은 것으로 판정되면, 해당 히트펌프는 휴면 히트펌프의 카테고리로 분류하고(단계 S6-2-3), 반대로 산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이가 기준 값 이상인 것으로 판정되면, 해당 히트펌프를 구동예정 히트펌프의 카테고리로 분류(단계 S6-2-4)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 구동 제어방법.
제2항 또는 제3항에 있어서,
단계 S6-3은,
휴면 히트펌프 중 임의의 휴면 히트펌프를 선정하는 단계(단계 S6-3-1);
선정된 휴면 히트펌프에 대해 유입수 온도와 유출수 온도를 측정하고, 측정된 유입수 온도와 유출수 온도 간의 차이를 산출하는 단계(단계 S6-3-2);
단계 S6-3-2에서 산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이를 사전에 정해둔 기준 값과 대비하는 단계(단계 S6-3-3); 및
산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이가 기준 값보다 작은 것으로 판정되면, 해당 히트펌프는 휴면 히트펌프의 카테고리에 잔류시키고(단계 S6-3-4), 반대로 산출된 유입수 온도와 유출수 온도간의 차이가 기준 값 이상인 것으로 판정되면, 해당 히트펌프를 신규 구동예정 히트펌프로 간주하여 구동예정 히트펌프의 카테고리로 분류(S6-3-5)하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 구동 제어방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
단계 S3은,
히트펌프의 각각에 대하여, 유입수 온도 T_{in, t=0}와 유출수 온도 T_{out, t=0}를 각각 측정하여 유입수 온도 T_{in, t=0}와 유출수 온도 T_{out, t=0} 간의 차이 ΔT_t=0를 구하는 단계(단계 S3-1);
산출된 ΔT_t=0를 토대로 각각의 히트펌프에서 발휘할 수 있는 열부하를 계산하고, 계산된 열부하의 크기에 맞추어 각각의 히트펌프의 순위를 부여하는 단계(단계 S3-2); 및
히트펌프가 발휘할 수 있는 열부하의 총합이, 필요 열부하 Q_t=0 이상이 되도록, 단계 S3-2에서 부여하였던 히트펌프의 순위에서 최상위 순위부터 차례로 필요 개수만큼 히트펌프를 선정하여 구동시키는 단계(단계 S3-3)를 포함하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 구동 제어방법.
지중에 매립되는 지중열교환기(20)와, 지중열교환기(20)가 연결되어 있는 복수개의 히트펌프를 포함하는 히트펌프 시스템에 구비되어 히트펌프의 구동을 제어하는 히트펌프 구동 제어장치로서,
청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 따른 히트펌프 구동 제어방법에 의해 히트펌프의 구동을 제어하는 것을 특징으로 하는 히트펌프 구동 제어장치.