KR20190021798A - 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템 - Google Patents

수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템 Download PDF

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Abstract

수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템에 관한 것으로,
일측에 원수펌프가 설치된 원수 배관이 접속되고, 타측에 브라인 배관이 접속되는 열교환기; 일측에 브라인 펌프이 설치된 브라인 배관이 접속되고, 타측에 순환수 배관이 접속되는 히트펌프; 일측에 순환수펌프가 설치된 순환수 배관이 접속되는 축열조; 상기 원수펌프, 브라인펌프, 순환수펌프를 제어하는 PLC; PLC와 접속되어 원수 온도별 최적의 열교환량을 결정하는 워크스테이션;을 포함하는 기술 구성을 통하여
원수의 온도에 따라 시스템 효율이 최적이 되는 주파수로 각 펌프를 제어함으로써 열교환효율 및 히트펌프 시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있게 되는 것이다.

Description

수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템 {VARIABLE CONTROL HEAT EXCHANGE HEAT PUMP SYSTEM USING WATER SOURCE}
본 발명은 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템에 관한 것으로, 더 자세하게는 원수온도에 따른 최적의 열교환량을 분석하여 원수펌프, 브라인 펌프, 순환수 펌프를 제어함으로써 최적의 열교환량을 도출할 수 있도록 한 것에 관한 것이다.
일반적으로 히트펌프는 열원을 통해 열매체의 냉동사이클을 구성하고, 순환수를 열매체와 열교환시킴으로써 난방이나 냉방을 제공하는 장치로서, 구동방식에 따라 전기식과 엔진식 등으로 구분되고, 열원에 따라 공기열원식, 수열원식, 지열원식 등으로 분류된다.
본 발명은 특히 수열원 시트펌프 시스템에 관계하는 것으로, 수열원 히트펌프는 냉난방을 위해 열매체를 통해 열원으로부터 열을 방출/흡입을 하며, 지열의 경우는 지중, 지하수 및 지표수를 열원으로 이용하게 된다. 열매체로는 물 또는 부동액을 사용하게 되며 열매체는 순환펌프를 통해 히트펌프내의 열교환기로 이동하여 냉매와 열교환을 하게 된다.
현재 일반적으로 설치되고 있는 순환펌프는 대부분 정속순환펌프로서, 실시간으로 변하는 히트펌프의 열용량에 상관없이 고정된 유량을 히트펌프로 흘려보내어 히트펌프 시스템의 총괄 COP 하락 및 불필요한 전력사용량을 증가시키며, 또한 사용자로 하여금 구입 시 제시된 히트펌프 효율계수(COP : Coefficient Of Performance)와 실제 COP의 차이로 인한 불만을 가중시키고 있다.
하기의 특허문헌 1에는 히트펌프 시스템의 제어방법이 개시되어 있다.
특허문헌 1의 히트펌프 시스템의 제어방법은 제어부가 냉난방 운전 조건에 도달하는지 감지하는 단계, 냉난방 운전 조건에 도달하면, 제어부가 순환펌프를 가동시키는 단계, 순환펌프 가동 후 기 설정된 시간이 경과되면, 제어부가 히트펌프를 가동시키는 단계, 히트펌프가 가동되면, 제어부가 압축기의 회전수, 히트펌프나 히트펌프 시스템의 COP(Coefficient Of Performance), 및 2차유체 열량을 분석하여 냉난방 온도를 기 설정된 온도로 도달시키기 위해 2차유체 유량을 조정하는 단계, 및 냉난방 온도가 기 설정된 온도에 도달하면, 상기 제어부가 히트펌프의 가동을 종료시키는 단계를 포함하는 것이다.
하기의 특허문헌 2에는 순환수를 다중으로 열교환시킴으로써 순환수를 예열이나 예냉시키는 동시에 예열 또는 예냉된 중온수를 다시 리턴시켜 재순환시킴으로써 순환유량의 증가와 열교환 효율의 증대를 도모할 수 있는 순환수 가변유입형 다중 열교환 히트펌프 시스템이 개시되어 있다.
특허문헌 2의 순환수 가변유입형 다중 열교환 히트펌프 시스템는 제2 열교환기를 통해 순환수를 예열하여 중온수를 생성하는 동시에, 생성된 중온수를 중온수 리턴부를 통해 제2 열교환기로 재순환시켜 예열된 상태의 순환수를 제1 열교환기로 공급함에 따라 기존방식에 비해 열교환 효율이 증대될 수 있으므로 버퍼탱크가 없이도 순간가열의 급탕을 원활하게 제공할 수 있는 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 수열원 히트펌프 시스템의 구성도이다.
종래 기술에 따른 수열원 히트펌프 시스템은 열교환기에 원수 배관과 브라인 배관이 접속되고, 히트펌프에 브라인 배관과 순환수 배관이 접속되고, 축열조에 순환배관이 접속되고, 원수 배관에 원수를 공급하는 원수펌프가 설치되고, 브라인 배관에 브라인을 순환시키는 브라인펌프가 설치되고, 순환수 배관에 순환수를 순환시키는 순환수펌프가 설치되는 형태를 가진다.
대한민국 공개특허공보 제10-2017-0036487호 (2017년 04월 03일 공개) 대한민국 등록특허공보 제10-1543750호 (2015년 08월 05일 등록)
그러나 종래 기술에 따른 수열원 히트펌프 시스템은 전술한 바와 같이 원수펌프와 브라인펌프, 순환수펌프가 열부하의 변동에 관계없이 설계점에서 정속운전을 하는 방식이므로 효율이 떨어지게 되는 문제가 있었다.
즉, 종래 기술에 따른 수열원 히트펌프 시스템은 열용량이 가변되는 상황에서도 순환펌프는 정속으로 열매체를 순환하기 때문에 적정한 열용량을 히트펌프로 공급하지 못함으로써, 히트펌프의 성능저하, 순환펌프의 불필요한 전력 소모 및 히트펌프 시스템의 성능 저하의 문제를 발생한다.
본 발명은 상기 종래 기술에 따른 수열원 히트펌프 시스템의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 원수, 브라인, 순환수의 온도, 유량, 그리고 원수펌프, 브라인펌프, 순환수펌프의 전력량 등의 데이터를 수집 및 분석하여 각 펌프의 주파수를 제어하는 것에 의해 최적의 열교환량 목적 제어를 수행할 수 있도록 하는 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템을 제공하는 데에 있는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 일측에 원수펌프가 설치된 원수 배관이 접속되고, 타측에 브라인 배관이 접속되는 열교환기; 일측에 브라인 펌프이 설치된 브라인 배관이 접속되고, 타측에 순환수 배관이 접속되는 히트펌프; 일측에 순환수펌프가 설치된 순환수 배관이 접속되는 축열조; 상기 원수펌프, 브라인펌프, 순환수펌프를 제어하는 PLC; PLC와 접속되어 원수 온도별 최적의 열교환량을 결정하는 워크스테이션;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 원수 배관에 원수의 유량을 감지하는 원수 유량계, 원수의 온도를 감지하는 원수 온도계가 설치되고, 브라인 배관에 브라인의 유량을 감지하는 브라인 유량계, 브라인의 온도를 감지하는 브라인 온도계가 설치되고, 순환수 배관에 순환수의 유량을 감지하는 순환수 유량계, 순환수의 온도를 감지하는 순환수 온도계가 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 PLC가 피드백 제어의 일종인 PID 제어를 통해 각 펌프의 주파수를 조절하는 PID 컨트롤러; 각 유량계 및 각 온도계의 감지값이 입력되고, 워크스테이션을 통해 분석 도출한 펌프 제어신호를 PID 컨트롤러로 출력하는 PLC 모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 워크스테이션에 PLC와 접속되고, PLC로부터 제공되는 감지신호를 통해 최적의 온도차 및 유량을 도출하는 시뮬레이션 프로그램; 측정 데이터를 실시간으로 모니터링하는 HMI프로그램이 탑재되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 워크스테이션이 시뮬레이션 프로그램을 통해 축열조의 유입/유출온도를 기준으로 열부하를 계산하고, 열부하, 원수온도 입력 후 모의해석을 수행하고, 현재 조건의 최적 원수, 브라인 열교환량을 결정하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 워크스테이션이 열교환기 현재 온도차가 열교환기 최적 온도차보다 크면 펌프 주파수를 하향 조정하고, 열교환기 현재 온도차가 열교환기 최적 온도차보다 작으면 펌프 주파수를 상향 조정함으로써 열교환기 현재 온도차가 열교환기 최적 온도차가 같도록 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템에 의하면, 원수의 온도에 따라 시스템 효율이 최적이 되는 주파수로 각 펌프를 제어함으로써 열교환효율 및 히트펌프 시스템의 효율을 크게 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템에 의하면, 열부하에 따라 각 원수펌프 및 브라인펌프, 순환수펌프를 제어함으로써 각 펌프의 과도한 운전을 방지할 수 있게 되고, 구성부품의 수명을 연장할 수 있게 되고, 시스템 운용에 소요되는 전기에너지를 절감할 수 있게 된다.
도 1은 종래 기술에 따른 수열원 히트펌프 시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템의 열교환기, 히트펌프, 축열조의 접속 구성도,
도 3은 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템의 원수펌프, 브라인펌프, 순환수펌프 제어 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템의 펌프 제어 흐름도,
도 5는 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템의 운전효율을 기존 수열원 히트펌프 시스템의 운전효율과 비교한 그래프.
이하 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.
도 2는 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템의 열교환기, 히트펌프, 축열조의 접속 구성도이고, 도 3은 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템의 원수펌프, 브라인펌프, 순환수펌프 제어 구성도이다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 열교환기(110), 히트펌프(120), 축열조(130), PLC(140), 워크스테이션(150)을 포함한다.
열교환기(110)는 원수와 브라인의 열교환이 이루어지는 것으로, 일측에 원수 배관이 접속되고, 타측에 브라인 배관이 접속된다.
히트펌프(120)는 냉매의 압축과 응축이 이루어지는 것으로, 열교환기(110)와 축열조(130)의 사이에 마련된다.
히트펌프(120)의 일측에는 브라인 배관이 접속되고, 타측에는 순환수 배관이 접속된다.
축열조(130)는 냉매를 저장하는 것으로, 일측에 순환수 배관이 접속된다.
원수 배관에는 원수를 공급하는 원수펌프(161), 그리고 원수의 유량을 감지하는 원수 유량계(162), 원수의 온도를 감지하는 원수 온도계(163)가 설치된다.
브라인 배관에는 브라인을 순환시키는 브라인펌프(171), 그리고 브라인의 유량을 감지하는 브라인 유량계(172), 브라인의 온도를 감지하는 브라인 온도계(173)가 설치된다.
순환수 배관에는 순환수를 순환시키는 순환수펌프(181), 그리고 순환수의 유량을 감지하는 순환수 유량계(182), 순환수의 온도를 감지하는 순환수 온도계(183)가 설치된다.
PLC(140; Programmable Logic Controller )는 각 펌프(161)(171)(181)를 제어하는 것으로, 전술한 각 배관의 각 유량계(162)(172)(182) 및 각 온도계(163)(173)(183)가 접속된다.
PLC(140)는 피드백 제어의 일종인 PID 제어를 통해 각 펌프(161)(171)(181)의 주파수를 조절하는 PID 컨트롤러(141); 각 유량계(162)(172)(182) 및 각 온도계(163)(173)(183)의 감지값이 입력되고, 워크스테이션(150)을 통해 분석 도출한 펌프 제어신호를 PID 컨트롤러(141)로 출력하는 PLC 모듈(142);을 포함한다.
워크스테이션(150)은 PLC(140)와 접속되고, PLC(140)로부터 제공되는 감지신호를 통해 최적의 온도차 및 유량을 도출하는 시뮬레이션 프로그램(151); 측정 데이터를 실시간으로 모니터링하는 HMI프로그램(152)이 탑재된다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 원수, 브라인, 순환수의 유량 데이터 및 온도 데이터, 각 펌프의 전력량 데이터를 통해 원수온도에 따른 최적의 열교환량을 도출하고, 각 펌프의 주파수를 제어함으로써 시스템 효율을 향상시킬 수 있게 되는 것이다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템에서 계측되는 데이터는 열교환기(110)의 입력온도 및 출력온도, 각 펌프(161)(171)(181)의 전력량, 유량, 그리고 축열조(130)의 입력온도 및 출력온도, 히트펌프(120)의 전력량, 입력온도, 출력온도 등이다.
상기 계측 데이터는 PLC(140)를 통해 워크스테이션(150)으로 전송되고, 워크스테이션(150)은 그에 탑재된 시뮬레이션 프로그램(151)을 통해 축열조(130)의 유입/유출온도를 기준으로 열부하를 계산한다.
그리고 열부하, 원수온도 입력 후 모의해석을 수행하고, 현재 조건의 최적 원수, 브라인 열교환량을 결정한다.
도 4는 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템의 펌프 제어 흐름도이다.
도 4에서 Td는 열교환기 현재 온도차이고, Ta는 열교환기 최적 온도차이다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 Td가 Ta보다 크면 펌프 주파수를 하향 조정하고, Td가 Ta보다 작으면 펌프 주파수를 상향 조정함으로써 Td와 Ta가 같도록 조절한다.
본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 원수온도에 따라 시스템 효율이 최적이 되는 원수, 브라인 열교환량이 존재함에 따라 사전 시뮬레이션 분석을 통해 원수온도별 최적 열교환량을 결정한 후 펌프 가변속 PID제어로 최적 운전을 한다.
도 5는 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템의 운전효율을 기존 수열원 히트펌프 시스템의 운전효율과 비교한 그래프이다.
도 5와 같이 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템의 운전효율은 열교환 정도에 관계없이 기존 수열원 히트펌프 시스템보다 현저하게 높다.
따라서 본 발명에 따른 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템은 각 펌프의 효율적인 운전을 통해 보다 안정적인 시스템 운영이 가능하게 되고, 구성부품의 수명을 연장할 수 있게 됨은 물론 에너지를 크게 절감할 수 있게 된다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.
110 : 열교환기
120 : 히트펌프
130 : 축열조
140 : PLC
150 : 워크스테이션

Claims (6)

  1. 일측에 원수펌프(161)가 설치된 원수 배관이 접속되고, 타측에 브라인 배관이 접속되는 열교환기(110);
    일측에 브라인 펌프(171)이 설치된 브라인 배관이 접속되고, 타측에 순환수 배관이 접속되는 히트펌프(120);
    일측에 순환수펌프(181)가 설치된 순환수 배관이 접속되는 축열조(130);
    상기 원수펌프(161), 브라인펌프(171), 순환수펌프(181)를 제어하는 PLC(140);
    PLC(140)와 접속되어 원수 온도별 최적의 열교환량을 결정하는 워크스테이션(150);을 포함하는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    원수 배관에 원수의 유량을 감지하는 원수 유량계(162), 원수의 온도를 감지하는 원수 온도계(163)가 설치되고,
    브라인 배관에 브라인의 유량을 감지하는 브라인 유량계(172), 브라인의 온도를 감지하는 브라인 온도계(173)가 설치되고,
    순환수 배관에 순환수의 유량을 감지하는 순환수 유량계(182), 순환수의 온도를 감지하는 순환수 온도계(183)가 설치된 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    PLC(140)는 피드백 제어의 일종인 PID 제어를 통해 각 펌프(161)(171)(181)의 주파수를 조절하는 PID 컨트롤러(141); 각 유량계(162)(172)(182) 및 각 온도계(163)(173)(183)의 감지값이 입력되고, 워크스테이션(150)을 통해 분석 도출한 펌프 제어신호를 PID 컨트롤러(141)로 출력하는 PLC 모듈(142);을 포함하는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템.
  4. 제2항에 있어서,
    워크스테이션(150)은 PLC(140)와 접속되고, PLC(140)로부터 제공되는 감지신호를 통해 최적의 온도차 및 유량을 도출하는 시뮬레이션 프로그램(151); 측정 데이터를 실시간으로 모니터링하는 HMI프로그램(152)이 탑재되는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    워크스테이션(150)은 시뮬레이션 프로그램(151)을 통해 축열조(130)의 유입/유출온도를 기준으로 열부하를 계산하고, 열부하, 원수온도 입력 후 모의해석을 수행하고, 현재 조건의 최적 원수, 브라인 열교환량을 결정하는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    워크스테이션(150)은 열교환기 현재 온도차가 열교환기 최적 온도차보다 크면 펌프 주파수를 하향 조정하고, 열교환기 현재 온도차가 열교환기 최적 온도차보다 작으면 펌프 주파수를 상향 조정함으로써 열교환기 현재 온도차가 열교환기 최적 온도차가 같도록 조절하는 것을 특징으로 하는 수열원을 이용한 열교환 가변 제어형 히트펌프 시스템.
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