KR20190026399A

KR20190026399A - 복합 열원 냉난방 시스템 및 그 제어방법

Info

Publication number: KR20190026399A
Application number: KR1020170113277A
Authority: KR
Inventors: 김금파; 민경천
Original assignee: 코텍엔지니어링주식회사
Priority date: 2017-09-05
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2019-03-13

Abstract

본 발명은 외부환경에 따라 지열 및 수열의 2가지 열원을 선택적으로 사용함으로써, 건물의 냉난방 부하에 효과적으로 대응하는 복합 열원 냉난방 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 복합 열원 냉난방 시스템은, 기계실 내에 설치되며, 유입라인들 및 배출라인들을 구비한 히트펌프; 지중에 설치되며, 상기 유입라인들과 연결되는 제1 유출관을 구비한 지열원 열교환기; 및 호수나, 강물 등의 수열원에 설치되며, 상기 유입라인들과 연결되는 제2 유출관을 구비한 수열원 열교환기; 를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 유출관 및 제2 유출관은 일정 지점에서 합쳐져서 하나의 혼합 유출관으로 통합되며, 상기 하나의 혼합 유출관은 일정 지점에서 다수의 복수의 유출 분기관들로 분기되어 상기 유입라인들과 연결된다.

Description

복합 열원 냉난방 시스템 및 그 제어방법{COOLING AND HEATING SYSTEM OF COMPLEX HEAT SOURCE AND CONTROL METHOD THEREOF}

본 발명은 지열 및 수열의 두 가지 열원을 사용하는 복합 열원 냉난방 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 외부환경에 따라 지열 및 수열의 2가지 열원을 선택적으로 사용함으로써, 건물의 냉난방 부하에 효과적으로 대응하는 복합 열원 냉난방 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

일반적으로 지열을 이용하여 건물의 냉난방을 실시하는 지열 시스템은 가장 효율이 높은 신재생에너지 중 하나로 꼽히고 있어서, 최근에는 다수의 건물에 적용되고 있다. 이러한 높은 효율을 갖는 지열시스템을 설치시에는 지중에 소정의 깊이로 열교환기를 필수적으로 설치해야하는데, 이때 필연적으로 토목공사가 수반된다. 이러한 토목 공사로 인해 기존의 냉난방 시스템에 비해 설치 공사기간이 길고, 초기에 높은 투자비가 발생한다.

그러나, 이러한 긴 공사 기간과 초기 투자비가 높음에도 불구하고, 지열을 이용한 냉난방 시스템은 기존의 냉난방 시스템보다 냉난방 비용이 저렴하여 장기적인 관점에서 볼 때 경제성은 지니고 있으나, 높은 설치 비용 때문에 보급에 한계를 갖고 있다.

이와같이, 지열을 이용하는 지열히트펌프시스템이, 등록특허 10-1155353에 개시되어 있다. 이러한 지열히트펌프시스템은 지중에 열교환 유닛(10)을 매입하고, 열교환 유닛의 유입관(13) 및 유출관(15)이 히트펌프(30)와 연결되어 있는 구성으로, 유입관 및 유출관 흐르는 지열수 및 히트펌프의 냉매의 열교환을 통해 실내의 냉난방이 이루어진다.

그러나 상기와 같이 지열 만을 이용하는 냉난방 시스템은 외부 환경, 특히 외기 온도에 따른 선택적인 냉난방이 어려워서, 건물의 냉난방 부하에 효과적으로 대응할 수 없는 문제가 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 본 발명과 지열 만을 이용하는 종래 기술과의 차이는 아래와 같다.

본 발명은 기존 지열 만을 이용한 지열시스템의 초기 투자비 과다 및 공기가 길어지는 점을 개선하기 위해, 건물 주위에 연못, 강 또는 호수가 있는 현장에서 지열 및 수열 에너지를 동시에 이용할 수 있는 복합 열원시스템을 구축함으로써, 초기 투자비 절감 및 공기의 단축을 달성할 수 있다.

또한, 본 발명의 복합 열원 냉난방 시스템은 전체 시스템 중 일부는 수열이 담당하여 기존의 지열 냉난방 시스템과 동일한 성능을 유지하면서도, 기존 지열 냉난방 시스템 대비 낮은 초기 투자 비용을 확보할 수 있다.

그리고, 본 발명은 지열과 수열을 동시에 이용함으로써, 서로 상반된 열원의 장점을 이용할 수 있어서 냉난방을 필요로 하는 계절(동절기 및 하절기) 이외의 간절기에도 유용할 수 있다.

본 발명은 상기의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 종래의 지열시스템과 동일한 냉난방 성능을 유지하면서도, 종래 지열 시스템의 한계인 초기 투자비와 공기가 단축되는, 지열과 수열을 동시에 사용하는 복합열원 냉난방 시스템을 제공하는데 있다.

상기의 문제를 해결하기 위해 본 발명에 따른 복합 열원 냉난방 시스템은, 기계실 내에 설치되며, 유입라인들(11) 및 배출라인들(12)을 구비한 히트펌프(10); 지중에 설치되며, 상기 유입라인들(11)과 연결되는 제1 유출관(21)을 구비한 지열원 열교환기(20); 및 호수나, 강물 등의 수열원에 설치되며, 상기 유입라인들(11)과 연결되는 제2 유출관(31)을 구비한 수열원 열교환기(30); 를 포함하며. 상기 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31)은 일정 지점에서 합쳐져서 하나의 혼합 유출관(40)으로 통합되며, 상기 하나의 혼합 유출관(40)은 일정 지점에서 복수의 유출 분기관들(41)로 분기되어 상기 유입라인들(11)과 연결되는 것을 특징으로 한다.

또한, 복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법은, 냉난방 시스템을 작동시키는 기동신호로써 시스템을 가동시키는 기동단계(100); 상기 냉난방 시스템이 가동되고나서 외기온도를 체크하는 외기온도 수집단계(200); 상기 수집된 외기온도에 따라 냉난방 운전조건을 선택하는 운전조건 선택단계(300); 선택된 운전조건에 따라 유체의 순환을 위해 순환펌프를 가동시키는 단계(400); 및 상기 순환펌프 가동 후에 히트펌프를 가동시키는 단계(500); 를 포함한다.

바람직하게는, 상기 운전조건 선택 단계는, 냉방 운전 선택(310) 및 난방 운전 선택(320) 단계를 더 포함는데, 상기 냉방 운전은 수집된 외기온도가 25℃ 이상일 때, 상기 난방 운전은 수집된 외기온도가 15℃ 이하일 때 이며, 상기 냉방 운전은, 수열원 EST가 25℃ 미만일 때, 수열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST가 25℃ 이상 30℃ 미만일 때, 지열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST가 30℃ 이상일 때 수열원 및 지열원을 함께 이용한다.

또한, 상기 난방 운전은, 수열원 EST가 5℃ 이상일 때, 수열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST가 5℃ 미만 0℃ 이상일 때, 지열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST가 0℃ 미만일 때, 수열원 및 지열원을 함께 이용한다. 그리고, 상기 히트펌프를 가동시켜서, 사용자의 목표 설정 온도에 도달하면, 히트펌프의 가동을 중단시키는 단계(600) 및, 이후 순환펌프의 가동도 중단시키는 단계(700)를 더 포함한다.

이상에서 설명한 것과 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 복합 열원 냉난방 시스템 및 그 제어방법은, 기존 지열만을 이용하는 지열 냉난방 시스템에 비해 초기 투자비가 절감되고 공기를 단축할 수 있으며, 수열원이 인접한 학교, 대단위 위락시설 및 대규모 농장 등 수열을 이용할 수 있는 현장에 적용할 수 있다. 복합 열원 냉난방 시스템의 상용화 및 설치 기술의 정립을 통해 국내 신재생 에너지의 보급을 활성화 할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 복합 열원 냉난방 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법을 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 외부환경에 따라 지열 및 수열의 2가지 열원을 선택적으로 사용함으로써, 건물의 냉난방 부하에 효과적으로 대응하는 복합 열원 냉난방 시스템 및 그 제어 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 복합 열원 냉난방 시스템은 지열 뿐만 아니라 수열을 이용하는 시스템으로, 기존 지열 시스템과 동일한 구성을 가지나, 추가적으로 수열원을 취득할 수 있는 열교환기가 설치되는 시스템이다. 수열원과의 열 교환을 위해서는 수열원 열교환기가 설치되야 하며, 이는 개방형과 밀폐형으로 분류될 수 있다. 주위 환경 및 설계 조건에 따라 수열원 열교환기가 고려되며, 수열원을 이용하기 위해서는 건물 주변에 연못, 강 또는 호수 등이 존재해야 한다.

일반적인 지열 시스템은 단일 열원인 지열만을 이용하나, 본 발명의 복합 열원 냉난방 시스템인 경우, 외기 조건에 따라 지열원이든 수열원이든 우수한 열원을 우선적으로 이용하도록 제어하여 최적의 냉난방 성능을 달성하기 위한 시스템이다.

시스템이 기동 신호를 받으면 외기 조건에 따라 냉방 또는 난방으로의 선택이 가능한데, 이때 지열원과 수열원의 온도를 측정하여 각 조건, 즉 동절기 및 하절기등의 기후, 기상 조건 및 주·야간 조건 등 에서 유리한 조건의 열원을 우선적으로 선택한다. 각 조건에 부합되게 선택된 열원이 우선적으로 이용되며, 열교환기 내의 유체를 통해 열원과의 열교환이 이루어지기에, 최적의 열원 조건에서 건물 냉난방이 실시되어 설정된 실내 온도 조건을 만족시킨다.

열원을 선택할 때는 열교환기의 통합 헷더에 설치된 밸브의 개폐를 통해 유체(열전달매체)의 흐름을 제어한다. 냉난방 부하 조건과 실내 온도 조건에 따라 타 열원을 선택적으로 이용하기 위해 추가적으로 밸브를 개폐하거나, 열원 모두를 이용할 수 있도록 밸브를 개방할 수 있다. 열원 모두를 이용하거나, 열원을 선택적으로 이용하기 위한, 밸브의 개폐 유무는 설정 온도 및 냉난방 부하에 따라 변경될 수 있다.

도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 복합 열원 냉난방 시스템 및 그 제어방법의 바람직한 실시예를 설명한다.

본 발명에 따른 복합 열원 냉난방 시스템은, 기계실 내에 설치되며, 유입라인들(11) 및 배출라인들(12)을 구비한 히트펌프(10); 지중에 설치되며, 상기 유입라인들(11)과 연결되는 제1 유출관(21)을 구비한 지열원 열교환기(20); 및 호수나, 강물 등의 수열원에 설치되며, 상기 유입라인들(11)과 연결되는 제2 유출관(31)을 구비한 수열원 열교환기(30); 를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31)은 일정 지점에서 합쳐져서 하나의 혼합 유출관(40)으로 통합되며, 상기 하나의 혼합 유출관(40)은 일정 지점에서 다수의 복수의 유출 분기관들(41)로 분기되어 상기 유입라인들(11)과 연결된다.

상기 히트펌프(10)는, 그 내부에 냉매가 순환하는 폐회로로써 구성되며, 상기 냉매는 지열원 열교환기(20) 및 수열원 열교환기(30)로부터의 유체와의 열교환을 통해 열을 얻거나 열을 빼앗겨 실내를 냉난방한다. 상기 히트펌프(10)는 지열원 및 수열원 열교환기(20,30)와 유입라인들(11) 및 배출라인들(12)을 통해 열교환기(20,30)와 연결된다. 상기 유입라인들(11)은 열교환기로부터 유체가 히트펌프 내로 유입되는 배관이며, 배출라인들(12)은 히트펌프 내에서 냉매와 열교환된 유체가 열교환기로 흘러 들어가는 배관이다.

상기 유입라인들(11)은 지열원 및 수열원 열교환기(20,30)으로부터의 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31)과 연결되는데, 히트펌프로부터의 유입라인들(11)은 상기 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31)이 소정 지점에서 함께 통합된 혼합 유출관(40)과 연결됨으로써, 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31)과 연결되는 것이다. 보다 상세하게는 상기 혼합 유출관(40)이 분기되어 복수의 유출 분기관들(41)을 형성하는데, 상기 복수의 유출 분기관들(41)이 히트펌프로 부터의 유입라인들(11)과 연결된는 것이다. 즉, 지열원 및 수열원 열교환기로부터의 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31)이 소정 지점에서 합쳐진 하나의 혼합 유출관(40)을 형성하고, 또한 상기 혼합 유출관(40)이 소정 지점에서 복수의 유출관들(41)로 분기되며, 이 유출관들(41)이 히트 펌프(10)의 유입라인들(11)과 연결됨으로써, 지열원 및 수열원 열교환기와 히트펌프가 연통된다. 상기 배관 연결 구성은 지열원 및 수열원 열교환기로부터의 유체가 히트펌프로 흘러 들어가는 구성인 것이다.

그리고, 상기 히트펌프로 흘러 들어간 유체가 히트펌프의 냉매와 열교환 후에는 재차 지열원 및 수열원 열교환기(20,30)로 흘러 들어간다. 히트펌프(10)로부터의 배출라인들(12)이 구성되며, 상기 배출라인들(12)은 소정 지점에서 배출관(13)으로 하나로 합쳐지고. 상기 배출관(13)은 소정 지점에서 2개의 배출 분기관들(14)로 각각 분기되어 각각의 배출 분기관들(14)이 지열원 열교환기 및 수열원 열교환기(20,30)에 연결됨으로써, 지열원 및 수열원 열교환기와 히트펌프가 연통된다. 상기 배관 연결 구성은 히트펌프에서 열교환된 유체가 지열원 및 수열원 열교환기로 다시 흘러들어가는 구성인 것이다.

바람직하게는, 지열원은 주 열원으로 이용되며, 수열원은 보조 열원으로 이용된다. 또한 수열원 열교환기는 일반적으로 슬링키형 열교환기를 사용하나, 대안적으로 단일-튜브형, 평판형, 다관식, 스파이럴형, 플레이트 코일형 등을 사용할 수도 있다. 그리고, 지열원 열교환기는 수직 밀폐형을 주로 사용하나, 이 또한 스파이럴형, 판형, 수평형, 슬링키형, 판 코일형 등이 대안적으로 사용될 수도 있다.

또한, 상기 각각의 배출 분기관(14), 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31) 상에는 지열원 및 수열원 열교환기(20,30)와 근접한 순서로 이방 밸브(50) 및 온도 센서(51)가 설치되는데, 상기 이방 밸브는 지열원 열교환기 및 수열원 열교환기와, 히트펌프 사이에서 흘러 이동하는 유체의 흐름을 조절하기 위한 것이며, 온도센서(51)는 배관을 통해 흐르는 유체의 온도를 체크하기 위한 것이다.

보다 상세하게는 외기 온도에 따라 상기 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31) 상의 이방 밸브(50)는 개별적 또는 동시에 개방되거나 폐쇄되어 혼합 유출관(40)으로 지열원 열교환기 및 수열원 열교환기로부터 히트펌프로 흘러가는 유체 흐름 및 유량을 제어한다. 그리고, 이방 밸브(50) 및 온도센서(51) 사이의 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31) 상에 유량계(52)가 더 설치되는데, 상기 유량계는 제1 및 제2 유출관(21,31)을 통해 히트펌프로 흘러들어가는 유체의 양을 체크함으로써, 히트펌프로의 유체의 유량을 적절하게 조절하여 에너지 효율 및 운전관리를 가능하게 한다. 히트펌프로 흘러들어가는 유체의 양이 너무 많거나 너무 적을시에는 이방밸브(50)의 개폐를 통해 유량을 조절한다.

또한 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31) 상의 상기 온도센서(50)는 혼합 유출관(40)으로 흘러가는 유체의 온도를 체크하여 지열원 열교환기(20) 및 수열원 열교환기(30)로부터의 유체를 선택적으로 흐르게 할 것인지, 동시에 흐르게 할 것인지를 이방밸브(50)가 결정하게 한다. 상기 온도센서, 유량계 및 이방밸브는 제어장치(도면에 미도시됨)에 의한 자동제어를 통해 제어된다.

또한, 상기 유출 분기관들(41) 상의 소정 위치에는 순환펌프(60)가 설치되며, 상기 혼합 유출관(40)의 소정 위치에는 분기관을 통해 팽창탱크(80)가 더 설치된다. 상기 순환펌프(60)는 각각의 유출 분기관들(41) 상에 설치되며, 배관을 통해 유체가 원할하게 흘러서 복합 열원 시스템의 배관들을 순환할 수 있도록 한다.

바람직하게는, 상기 순환펌프(60)의 전방인, 혼합 배출관(40) 및 순환펌프(60) 사이의 유출 분기관(41) 상에는 이방밸브(70)가 더 설치되는데, 상기 이방밸브(70)는 유출 분기관(41)을 통해 각각의 히트펌프로 흐르는 유체의 흐름 및 유체의 유량을 조절하는데 이용된다. 여기에서 상기 이방밸브(70)는 각각의 히트펌프에 요구되는 부하에 따라 개폐되어 유체 흐름 및 유량을 조절한다. 상기 팽창탱크(80)는 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31)에서 혼합 유출관(40)으로 유체가 혼합되어 흐를 때, 이때 발생하는 유체들의 온도차이로 인해 유체의 부피가 팽창하나 수축하는데, 이때의 팽창 및 수축 변화량을 흡수하고, 월류나 공기의 침입을 방지하는 역할을 한다. 즉 상기 배관을 따라 흐르는 유체는 동일량이 흐르더라도 온도에 따라, 예컨대, 동일량의 유체가 배관을 흐를 때, 유체의 온도가 0℃인 경우 부피가 작아지고, 35℃ 인 경우 부피가 커지기에, 유체가 팽창되거나 수축된다. 팽창탱크(80)는 이러한 유체의 팽창 수축의 차이를 보상해 주는 역할을 한다.

상기의 유체는 열전달매체로써, 물과 부동액(에틸렌 글리콜, 에탄올, 메탄올 등)의 혼합물이다. 도한 본 발명의 도면에서는 복수개의 히트펌프(10)가 설치되어 있지만, 건물의 냉난방 부하에 따라 그 수량은 변경될 수 있다.

상기와 같이 구성된 복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법에 대해 하기에서 설명한다. 도 2는 본 발명에 따른 복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법을 도시한다.

본 발명의 복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법, 냉난방 시스템을 작동시키는 기동신호로써 시스템을 가동시키는 기동단계(100); 상기 냉난방 시스템이 가동되고나서 외기온도를 체크하는 외기온도 수집단계(200); 상기 수집된 외기온도에 따라 냉난방 운전조건을 선택하는 운전조건 선택단계(300); 선택된 운전조건에 따라 유체의 순환을 위해 순환펌프를 가동시키는 단계(400); 및 상기 순환펌프 가동 후에 히트펌프를 가동시키는 단계(500); 를 포함한다.

상기 기동단계(100)는 제어장치(미도시됨)의 자동제어를 통해 복합 열원 냉난방 시스템을 가동시킨다. 이후 상기 냉난방 시스템이 가동되고 나서 외기온도를 체크하는 외기온도 수집단계(200)로 접어드는데, 온도 측정 장치(미도시됨)를 통해 외기온도를 측정하여 수집된 외기온도(외기온도 25℃ 이상, 15℃ 이하로 구분)를 기반하여, 냉방운전(310) 및 난방운전(320)을 선택하는 운전조건 선택단계(300)로 이어진다.

상기 운전조건 선택 단계(300)는, 체크된 외기온도에 따라 냉방 운전 선택(310) 및 난방 운전 선택(320) 단계를 더 포함하는데, 상기 냉방 운전은 수집된 외기온도가 25℃ 이상일 때 실시되며, 상기 난방 운전은 수집된 외기온도가 15℃ 이하일 때 실시된다.

보다 상세하게는, 하절기에 실시되는 상기 냉방운전은, 수열원 EST(entering source temperature,입출구 온도)가 25℃ 미만일 때, 수열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST가 25℃ 이상 30℃ 미만일 때, 지열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST가 30℃ 이상일 때 수열원 및 지열원을 함께 이용한다. 또한 동절기에 실시되는 난방 운전은, 수열원 EST가 5℃ 이상일 때, 수열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST가 5℃ 미만 0℃ 이상일 때, 지열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST가 0℃ 미만일 때, 수열원 및 지열원을 함께 이용한다.

지열의 경우 히트펌프의 성능은 EST 조건에 따라 나누어지게 된다. 본원발명의 시스템은 수열원의 조건을 반영하여 운전이 가동되는 시스템이기 때문에, 수열원의 조건이 좋을 경우에는 수열원을 사용하는 것을 우선으로 하는 시스템이다. 그렇기 때문에 수열원의 EST가 좋을 경우 수열원을 우선적으로 사용하기 하기 위해 운전기준을 수열원의 온도로 삼게 된다.

온도 구간의 경우 기본적으로 설계시 열원의 입출구 온도편차를 5℃로 보고 시스템을 설계한다. 만약 수열원을 먼저 사용하게 된 경우라고 할 때, 수열원의 EST 온도는 지열원의 설계온도에 근접한 온도 범위를 지니게 된다.

수열원 가동 이후 더 많은 냉방 또는 난방 부하가 발생할 때 수열원과 지열원의 단독운전을 선택하는 과정에서 각각의 열원의 온도 범위를 겹치지 않게 하기 위해서, 입출구 온도편차인 5℃가 EST 기준이 되게 된다.

온도 구간에 따라 열원을 선택 또는 혼합 사용시 최적의 조건에서 열원을 사용할 수 있으며, 각각의 EST를 반영하여 열원을 선택하기 때문에 최적의 상태에서 시스템을 가동할 수 있다. 열원의 조건이 가장 좋기 때문에 가장 적은 동력으로 시스템을 가동할 수 있어 효율이 가장 좋다. 또한, 설치비와 운전비 측면에서 지열원 단독 사용보다 절대적인 우위를 지닌다.

덧붙여 설명하면, 표준 온도조건에서의 지열은 보통 수열보다 열원성능이 우수하다. 외기에 영향을 많이 받는 수열에 비해, 지열의 경우 외기에 영향을 덜 받기 때문에 열원으로써의 안정성이 우수하기 때문이다. 하지만 외기에 의해 각각의 조건에서 수열이 우수한 경우가 있다. 이때 수열을 우선적으로 사용하기 위해 각각의 조건에서 5℃ 높거나 낮은 운전조건에서 수열이 우선적으로 사용된다. 이렇게 선정된 조건은, 수열이 우선적으로 가동하는 상황이 고려되어 선정된다. 수열의 열원조건이 우수하여 수열이 설정된 조건에서 사용되게 된다면, 시스템 가동 완료 이후 수열이 지열과 같은 범위의 온도 조건을 지니게 된다. 이때 가동 이후 수열을 연속 가동하게 되면 수열원의 성능은 하락하고 상대적으로 우수한 지열원은 사용하지 않을 수 있다. 예를 들면, 냉방 시 수열원이 운전하게 되려면 EST 온도가 25℃ 미만 이어야 한다. 수열원의 온도가 25℃ 미만인 24℃에 가동했다고 했을 때 수열원의 출구온도는 29℃가 된다. 수열원의 단독운전 이후 일반적으로 수열원의 온도를 확인해 보면 30℃에 가까워지는 것을 확인할 수 있다. 이는 지열 시스템의 입출구 설계온도가 5℃이기 때문이다. 이런 경우 수열을 연속적으로 사용하게 되면 열원의 성능이 제대로 나오지 않는다. 이때의 온도 범위는 일반적인 지열원 설계조건 범위에 부합되며, 열원의 성능이 지열보다 우수하다고 말할 수 없다. 그렇기 때문에 일반적인 조건에서는 지열이 우선 사용되고, 수열원이 지열보다 열원조건이 좋을 경우에는 수열원이 사용되며, 수열원의 작동 이후 온도 조건을 지열과 맞추기 위해, 수열원의 운전선택 조건을 표준설계 온도보다 5℃ 차이 나도록 한다.

여기에서 EST(entering source temperature, 입출구 온도)는 열원에서 장치(히트펌프)로 흘러들어가는 유체(열전달매체)의 온도를 일컫는 것으로, 상기 EST에 따라 냉방 운전 및 난방 운전에서의 수열원 우선 사용, 지열원의 우선 사용 및 수열원 지열원 혼합 사용이 선택된다. 이와 같은 어떤 열원을 사용하느냐가 선택된 후에 순환 펌프(60)가 가동되며, 이후 소정 시간이 경과한 후에 히트펌프(10)가 가동되어 전체 복합 열원 냉난방 시스템의 운전이 시작된다. 상기 순환 펌프(60) 및 히트펌프(10)가 가동되면, 지열원 열교환기 및 수열원 열교환기로부터의 유체가 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31)을 통해 흘러서 혼합 유출관(40)에서 혼합되어 유출 분기관(41) 및 유입 라인들(11)을 통해서 히트펌프(10)로 유입되고, 히트펌프의 폐회로 내의 냉매와 열교환 된 후, 배출라인들(12), 배출관(13)및 배출 분기관들(14)을 통해서 지열원 열교환기 및 수열원 열교환기로 되돌아가는 유체의 연속적인 순환이 이루어진다. 이러한 지열원 및 수열원 열교환기(20,30)와, 히트펌프(10) 사이를 연결하는 배관을 순환하는 유체와 히트펌프의 냉매사이의 열교환으로 건물 내부의 냉난방이 실시된다. 이후, 건물 내부의 냉난방 실시로 사용자의 목표 설정 온도에 도달하면, 히트펌프(10)의 가동이 중단되며, 이후 순환펌프(60)의 가동 또한 중단된다.

이러한 냉난방을 위한 유체의 흐름, 유량 및 온도는, 상기에서 설명된 각각의 배관에 설치된 유량계 및 온도센서에 의해 체크되어, 체크된 정보가 제어장치(미도시됨)로 전송되는데, 이 정보를 기반으로 제어장치의 자동제어를 통해 이방밸브의 완전개폐 및 일부 개폐의 여부를 결정한다.

이러한 냉난방의 실시는 EST에 따라 상기에서와 같이 하절기 및 동절기에 이용되는 열원이 다를 수 있다. 수열원을 우선적으로 이용하는냐, 지열원을 우선적으로 이용하느냐, 지열원 및 수열원을 일정 비율로 혼합하여 함께 사용하는냐는 지열원 열교환기 및 수열원 열교환기의 설계 조건, 예컨대 외부 기후, 계절, 지열원 열교환기 설치 수량, 수열원 열교환기의 설치 수량, 수열원과 건물과의 거리 및 EST 등의 설계 조건에 따른다.

추가적으로, 지열원 열교환기 및 수열원 열교환기 설계시, 일반적으로 지열조건, 즉 지열원 조건이 수열원 조건보다 우수하기에 지열원 열교환기를 메인으로 설계하고, 수열원 열교환기는 서브로 설계하는 것이 바람직하다.

그러나 외부 기후 및 계절에 따라, 수열원 조건이 지열원 조건보다 좋은 경우에는 수열원을 주로 이용하기 위해 EST 조건을 수열원 기준으로 설정한 것이다. 상기 하절기 및 동절기의 냉난방 운전시의 EST 기준은 출원인의 수차례 실험으로써 확립된 것이다. 여기에서 수열원을 우선 사용한다는 것은 수열원 만을 이용하는 것이 아니라, 수열원 조건이 나빠질 경우, 지열원을 추가적으로 이용할 수도 있다.

냉반방 시스템 조건 및 상기 시스템이 설치된 건물 특성, 장소 특성에 따라 일정 비율로, 예컨대, 수열원 30% 지열원 70% 등의 비율로 수열원 및 지열원을 혼합하여 이용할 수 있다. 열원의 혼합비율은 정해진 수치가 아니며, 각 시스템의 특성, 현장조건과 부하조건 등에 따라 설계된다. 이렇게, 지열원 및 수열원을 혼합 이용함은 지열원을 단독으로 이용하는 것보다 냉난방에 더 효율적이다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 게시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10.히트펌프 11.유입라인들
12.배출라인들 13.배출관
14.배출 분기관들
20.지열원 열교환기 21.제1 유출관
30.수열원 열교환기 31.제2 유출관
40.혼합 유출관 41.유출 분기관들
50.이방밸브 51,온도센서
52.유량계 60.순환펌프
70.이방밸브

Claims

건물 내의 냉난방 부하에 효과적으로 대응하는 복합 열원 냉난방 시스템에 있어서,
기계실 내에 설치되며, 유입라인들(11) 및 배출라인들(12)을 구비한 히트펌프(10);
지중에 설치되며, 상기 유입라인들(11)과 연결되는 제1 유출관(21)을 구비한 지열원 열교환기(20); 및
호수나, 강물 등의 수열원에 설치되며, 상기 유입라인들(11)과 연결되는 제2 유출관(31)을 구비한 수열원 열교환기(30); 를 포함하며.
상기 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31)은 일정 지점에서 합쳐져서 하나의 혼합 유출관(40)으로 통합되며, 상기 하나의 혼합 유출관(40)은 일정 지점에서 복수의 유출 분기관들(41)로 분기되어 상기 유입라인들(11)과 연결되는 것을 특징으로 하는 복합 열원 냉난방 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 히트펌프로부터의 배출라인(12)들은 일정지점에서 하나로 통합된 배출관(13)으로 지열원교환기(20) 및 수열원교환기(30)와 연결되는데, 상기 배출관(13)은 일정 지점에서 2개의 배출 분기관(14)으로 분기되어 각각의 배출 분기관(14)이 지열원 열교환기(20) 및 수열원 열교환기에 연결되는 것을 복합 열원 냉난방 시스템.
제 2항에 있어서,
상기 각각의 배출 분기관(14), 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31) 상에는 지열원 및 수열원 열교환기와 근접한 순서로 이방 밸브(50) 및 온도 센서(51)가 설치되는 것을 특징으로 하는 복합 열원 냉난방 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 이방 밸브 및 온도센서 사이의 제1 유출관(21) 및 제2 유출관(31) 상에 유량계(52)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 복합 열원 냉난방 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 유출 분기관들(41) 상의 소정 위치에는 순환펌프(60)가 설치되며, 상기 혼합 유출관(40)의 소정 위치에는 분기관을 통해 팽창탱크(70)가 더 설치되는 것을 특징으로 하는 복합 열원 냉난방 시스템.
복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법에 있어서,
냉난방 시스템을 작동시키는 기동신호로써 시스템을 가동시키는 기동단계(100);
상기 냉난방 시스템이 가동되고나서 외기온도를 체크하는 외기온도 수집단계(200);
상기 수집된 외기온도에 따라 냉난방 운전조건을 선택하는 운전조건 선택단계(300);
선택된 운전조건에 따라 유체의 순환을 위해 순환펌프를 가동시키는 단계(400); 및
상기 순환펌프 가동 후에 히트펌프를 가동시키는 단계(500);
를 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법.
제 6항에 있어서,
상기 운전조건 선택 단계는,
냉방 운전 선택(310) 및 난방 운전 선택(320) 단계를 더 포함하며,
상기 냉방 운전은 수집된 외기온도가 25℃ 이상일 때,
상기 난방 운전은 수집된 외기온도가 15℃ 이하일 때 인 것을 특징으로 하는 복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법.
제 7항에 있어서,
상기 냉방 운전은, 수열원 EST 가 25℃ 미만일 때, 수열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST 가 25℃ 이상 30℃ 미만일 때, 지열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST 가 30℃ 이상일 때 수열원 및 지열원을 함께 이용하는 것을 특징으로 하는 복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법.
제 7항에 있어서,
상기 난방 운전은, 수열원 EST 가 5℃ 이상일 때, 수열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST 가 5℃ 미만 0℃ 이상일 때, 지열원을 우선적으로 이용하며, 수열원 EST 가 0℃ 미만일 때, 수열원 및 지열원을 함께 이용하는 것을 특징으로 하는 복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법.
제 6항에 있어서,
상기 히트펌프를 가동시켜서, 사용자의 목표 설정 온도에 도달하면, 히트펌프의 가동을 중단시키는 단계(600) 및, 이후 순환펌프의 가동도 중단시키는 단계(700)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 열원 냉난방 시스템의 제어 방법.