KR20190115854A - 지열에너지를 장기간 안정적으로 유지할 수 있는 지열 히트펌프 시스템 및 이를 위한 제어방법 - Google Patents

지열에너지를 장기간 안정적으로 유지할 수 있는 지열 히트펌프 시스템 및 이를 위한 제어방법

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KR20190115854A
KR20190115854A KR1020180039065A KR20180039065A KR20190115854A KR 20190115854 A KR20190115854 A KR 20190115854A KR 1020180039065 A KR1020180039065 A KR 1020180039065A KR 20180039065 A KR20180039065 A KR 20180039065A KR 20190115854 A KR20190115854 A KR 20190115854A
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Abstract

본 발명은, 지중열원과 열교환을 수행하는 지중 열교환부; 지중 열교환부의 일측과 기계실의 히트펌프를 연결하는 지열공급관; 지중 열교환부의 타측과 히트펌프를 연결하는 지열리턴관; 히트펌프를 통과한 유체의 변동열량을 적산하는 열량적산부와, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 적은 설계부하의 값을 경고기준값으로 설정하고 더 큰 설계부하의 동작으로 인해 적산된 열량이 경고기준값에 대해 설정된 비율에 도달하면 경고를 발생시키는 경고발생부를 구비하는 제어장치를 포함하는 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 연중냉방부하와 연중난방부하간 격차가 있는 경우에 부하가 적은 쪽을 기준으로 큰 쪽의 부하를 적절히 조절하면서 가동할 수 있으므로 장기적으로 지열에너지를 일정하게 유지할 수 있고, 이를 통해 지열 히트펌프 시스템을 보다 효율적이고 안정적으로 운용할 수 있게 된다.

Description

지열에너지를 장기간 안정적으로 유지할 수 있는 지열 히트펌프 시스템 및 이를 위한 제어방법{Geothermal heat pump system which can keep geothermal energy stable for long time and control method thereof}
본 발명은 지열 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 구체적으로는 계절적, 지역적인 이유로 인해 연중냉방부하와 연중난방부하 간에 편차가 큰 경우에 지열에너지를 장기간 안정적으로 유지함으로써 보다 효율적인 운용이 가능한 지열 히트펌프 시스템에 관한 것이다.
지열 히트펌프 시스템은 연중 일정한 온도를 유지하는 지중열원(토양, 지하수 등)을 이용하여 건물의 냉난방을 수행하는 시스템으로서, 크게 밀폐형 시스템과 개방형(또는 우물관정형) 시스템으로 구분될 수 있다.
밀폐형 시스템은 지중에 약 150 내지 200 미터 깊이로 천공한 후 천공홀에 열교환용 배관을 설치하고, 열교환용 배관과 지상에 설치된 히트펌프를 연결하여 열교환용 유체를 순환시킴으로써 지열을 이용하는 시스템이다.
개방형 시스템은 수백 미터 깊이의 지하수 관정을 굴착하고 수중펌프를 이용하여 지상의 히트펌프로 지하수를 이동시켜 열교환을 수행하는 시스템이다.
예를 들어 밀폐형 지열 히트펌프 시스템은, 도 1의 개략 구성도에 나타낸 바 같이, 지중에 형성되는 지중 열교환부(100), 지상의 기계실(200)에 설치되는 히트펌프(210), 히트펌프(210)와 지중 열교환부(100)의 일측을 연결하는 지열공급관(310), 히트펌프(210)와 지중 열교환부(100)의 타측을 연결하는 지열리턴관(320), 지열공급관(310)에 설치된 순환펌프(230), 히트펌프(210)와 열교환을 하는 부하(220) 등을 포함한다.
지중 열교환부(100)는 지중에 형성된 다수의 수직홀마다 설치된 U형의 열교환용 배관(110)과, 각 열교환용 배관(110)의 제1 상단부를 지열공급관(310)에 연결하는 제1 연결관(111)과, 각 열교환용 배관(110)의 제2 상단부를 지열리턴관(320)에 연결하는 제2 연결관(112)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 연결관(111,112)은 열교환용 유체의 안정적인 유동을 위하여 각 열교환용 배관(110)을 리버스 리턴(reverse return) 방식으로 연결한다.
한편 히트펌프(210)는 지열공급관(310)을 통해 유입된 열교환용 유체의 열을 부하(220)로 전달하거나 부하(220)의 열을 열교환용 유체로 전달한다.
예를 들어, 히트펌프(210)는 난방시에 지열공급관(310)의 열교환용 유체로부터 열을 빼앗아서 부하(220)측으로 전달하며, 이로 인해 열교환용 유체는 히트펌프(210)를 통과한 이후에 온도가 크게 하강한 상태에서 열교환용 배관(110)으로 회수된다.
또한 히트펌프(210)는 냉방시에 부하(220)측으로부터 전달된 열을 지열공급관(310)의 열교환용 유체로 전달하며, 이로 인해 열교환용 유체는 히트펌프(210)를 통과한 이후에 온도가 크게 상승한 상태에서 열교환용 배관(110)으로 회수된다.
이와 같이 열교환용 유체가 히트펌프(210)를 통과하면서 온도가 변하게 되면 지중 열교환부(100)와 인접한 지중의 온도도 변하게 된다. 예를 들어 난방시에는 지중열원의 에너지가 지상으로 계속 배출되므로 지중온도가 낮아지게 되고, 냉방시에는 지상의 에너지가 지중으로 계속 공급되므로 지중온도는 높아지게 된다.
그런데 지열 히트펌프 시스템은 지중온도가 약 15-17℃를 항상 유지하는 것을 전제로 설계되므로 이와 같이 지중온도가 변하게 되면 지열 히트펌프 시스템의 가동효율이 저하되는 문제가 있다.
만일 시스템의 연중난방부하와 연중냉방부하가 동일하면 난방기간에 지중에서 배출된 열량과 냉방기간에 지중으로 공급된 열량이 동일하며, 따라서 장기적인 관점에서는 지열에너지가 일정하게 유지되므로 지열 히트펌프 시스템의 안정적인 운용이 가능하다.
그러나 실제로는 지열 히트펌프 시스템의 연중난방부하와 연중냉방부하가 동일한 경우는 매우 드물다.
일 예로서, 우리나라 대부분의 가정이나 산간지역에 설치된 지열 히트펌프 시스템의 경우에는 연중난방부하가 연중냉방부하보다 훨씬 큰 것이 일반적이다.
이와 같이 연중난방부하가 연중냉방부하보다 큰 시스템에서는, 도 2(a)의 개념도에 나타낸 바와 같이, 냉방시 지중열원이 연간 흡수한 열량(QC) 보다 난방시 지중열원이 연간 배출한 열량(QH)이 크고, 이로 인해 지중열원의 에너지는 매년 ΔQ (= Qc - QH < 0) 만큼 감소하게 된다.
시스템 운용 초기에는 열교환용 배관(110) 주변의 지중에너지가 감소하더라도 비교적 빠른 시간 내에 주변 지중으로부터 열을 공급받아 본래의 지중온도를 회복할 수 있으나, 장기간 가동할수록 본래의 지중온도를 회복하는데 많은 시간이 소요되고 결국에는 도 2(b)에 나타낸 바와 같이 연평균 지중온도가 지속적으로 하강하게 된다.
이와 같이 연평균 지중온도가 지속적으로 하강하면 지열공급관(310)을 통해 공급되는 열교환용 유체의 평균온도도 하강하게 되고, 결국에는 지열 히트펌프 시스템의 난방효율이 크게 저하되는 결과가 초래된다.
다른 예로서, 열대지방이나 대형상가 또는 업무용 빌딩의 냉난방시스템에서는 연중냉방부하가 연중난방부하보다 훨씬 큰 것으로 알려져 있다.
이와 같이 연중냉방부하가 연중난방부하보다 큰 시스템에서는, 도 3(a)의 개념도에 나타낸 바와 같이, 냉방시 지중열원이 연간 흡수한 열량(QC)이 난방시 지중열원이 연간 배출한 열량(QH) 보다 크고, 이로 인해 지중열원의 에너지는 매년 ΔQ (= Qc - QH > 0) 만큼 증가하게 된다.
시스템 운용 초기에는 열교환용 배관(110) 주변의 지중에너지가 증가하더라도 비교적 빠른 시간 내에 주변 지중으로 열을 전달하여 본래의 지중온도를 회복할 수 있으나, 장기간 가동할수록 본래의 지중온도를 회복하는데 많은 시간이 소요되고 결국에는 도 3(b)에 나타낸 바와 같이 지중온도가 지속적으로 상승하게 된다.
이와 같이 연평균 지중온도가 지속적으로 상승하면 지열공급관(310)을 통해 공급되는 열교환용 유체의 평균온도도 상승하게 되고, 결국에는 지열 히트펌프 시스템의 냉방효율이 크게 저하되는 결과가 초래된다.
연중난방부하와 연중냉방부하의 차이가 클수록 지중온도의 변화속도가 빨라지므로 시스템의 효율은 더욱 급격하게 저하될 수 있다. 또한 지열 히트펌프 시스템의 규모가 클수록 지중열원이 주변토양과 열평형을 이루는데 더 많은 시간이 소요되므로 이러한 문제는 더욱 심각하게 나타날 수 있다.
등록특허 제10-1721888호(2017.03.31. 공고)
본 발명은 이러한 배경에서 안출된 것으로서, 지열 히트펌프 시스템에서 연중냉방부하와 연중난방부하의 차이가 있는 경우에 지중열원의 에너지를 장기간 안정적으로 유지함으로써 지열 히트펌프 시스템을 보다 효율적이고 안정적으로 운용할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양상은, 지중열원과 열교환을 수행하는 지중 열교환부; 지중 열교환부의 일측과 기계실의 히트펌프를 연결하는 지열공급관; 지중 열교환부의 타측과 히트펌프를 연결하는 지열리턴관; 히트펌프를 통과한 유체의 변동열량을 적산하는 열량적산부와, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 적은 설계부하의 값을 경고기준값으로 설정하고 더 큰 설계부하의 동작 중에 적산된 열량이 경고기준값 대비 설정비율에 도달하면 경고를 발생시키는 경고발생부를 구비하는 제어장치를 포함하는 지열 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따른 지열 히트펌프 시스템에서, 상기 제어장치는, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 작은 설계부하의 동작으로 인해 제1주기 동안 적산된 실제부하를 제1주기와 연속하는 제2주기에 적용할 경고기준값으로 설정하는 기준값보정부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 지열 히트펌프 시스템에서, 상기 제어장치는, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 큰 설계부하의 동작 중에 적산된 열량이 경고기준값 대비 설정비율에 도달하면, 히트펌프의 동작을 중단시키거나 히트펌프를 대체하는 보조시스템을 부하에 연결시키는 동작조절부를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은, 지중열원과 열교환을 수행하는 지중 열교환부와, 지중 열교환부의 일측과 기계실의 히트펌프를 연결하는 지열공급관과, 지중 열교환부의 타측과 히트펌프를 연결하는 지열리턴관을 포함하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법에 있어서, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 적은 설계부하의 값을 경고기준값으로 설정하는 단계; 열량적산부에서 히트펌프를 통과한 유체의 변동열량을 적산하는 단계; 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 큰 설계부하가 동작 중이면, 열량적산부에서 실시간으로 산출한 적산열량이 경고기준값 대비 설정비율에 도달하면 경고를 발생시키는 단계를 포함하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 연중냉방부하와 연중난방부하간 격차가 있는 경우에 부하가 적은 쪽을 기준으로 부하가 큰 쪽의 동작을 적절히 조절할 수 있으므로 장기적으로 지열에너지를 일정하게 유지할 수 있고, 이를 통해 지열 히트펌프 시스템을 보다 효율적이고 안정적으로 운용할 수 있게 된다.
도 1은 종래 지열 히트펌프 시스템의 개략 구성도
도 2는 연중난방부하가 연중냉방부하 보다 클 때 지중온도변화를 나타낸 도면
도 3은 연중냉방부하가 연중난방부하 보다 클 때 지중온도변화를 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템의 개략 구성도
도 5는 난방설계부하가 냉방설계부하보다 클 때 경고기준값을 예시한 개념도
도 6은 냉방설계부하가 난방설계부하보다 클 때 경고기준값을 예시한 개념도
도 7은 난방설계부하가 냉방설계부하보다 크고 초과냉방이 이루어졌을 때 경고기준값을 증가시키는 모습을 나타낸 도면
도 8은 난방설계부하가 냉방설계부하보다 크고 부족냉방이 이루어졌을 때 경고기준값을 감소시키는 모습을 나타낸 도면
도 9는 냉방설계부하가 난방설계부하보다 크고 초과난방이 이루어졌을 때 경고기준값을 증가시키는 모습을 나타낸 도면
도 10은 냉방설계부하가 난방설계부하보다 크고 부족난방이 이루어졌을 때 경고기준값을 감소시키는 모습을 나타낸 도면
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템의 제어방법을 예시한 흐름도
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템의 개략 구성도
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
참고로 본 명세서에서 하나의 구성요소(element)가 다른 구성요소와 연결 또는 결합하는 경우는, 다른 구성요소와 직접적으로 연결 또는 결합하는 경우뿐만 아니라 중간에 다른 요소를 사이에 두고 간접적으로 연결 또는 결합하는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함 또는 구비하는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다. 또한 본 명세서에 첨부된 도면은 발명의 요지를 이해하기 쉽도록 예시한 것에 불과하므로 이로 인해 본 발명의 권리범위가 제한적으로 해석되어서는 아니 됨을 미리 밝혀 둔다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템은, 도 4의 개략 구성도에 나타낸 바 같이, 지중에 형성되는 지중 열교환부(100), 지상의 기계실(200)에 설치되는 히트펌프(210), 히트펌프(210)와 지중 열교환부(100)의 일측을 연결하는 지열공급관(310), 히트펌프(210)와 지중 열교환부(100)의 타측을 연결하는 지열리턴관(320), 지열공급관(310)에 설치된 순환펌프(230), 히트펌프(210)와 열교환을 하는 부하(220), 지열공급관(310)에 설치된 유입온도계(410), 지열리턴관(320)에 설치된 유출온도계(420), 지열리턴관(320) 또는 지열공급관(310)에 설치된 유량계(450), 유입온도계(410), 유출온도계(420) 및 유량계(450)의 검출결과를 이용하여 소정의 제어동작을 수행하는 제어장치(500)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치(500)는 지열 히트펌프 시스템의 난방설계부하와 냉방설계부하의 편차가 있는 경우에 시스템의 동작을 적절히 조절함으로써 장기적인 관점에서 지열에너지를 안정적으로 유지시키는 역할을 한다. 본 명세서에서 난방설계부하와 냉방설계부하는 각각 지열 히트펌프 시스템을 설계할 때 목표로 설정한 연중난방부하와 연중냉방부하를 의미하는 것으로 정의한다.
지열 히트펌프 시스템의 난방설계부하가 냉방설계부하보다 큰 경우에 도 2에 나타낸 바와 같이 평균지중온도가 점차 하강하는 현상을 방지하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치(500)는 부하가 적은 냉방설계부하를 기준으로 실제 난방부하를 조절함으로써 실제 난방부하와 실제 냉방부하의 균형을 유도한다.
마찬가지로 냉방설계부하가 난방설계부하보다 큰 경우에 도 3에 나타낸 바와 같이 평균지중온도가 점차 상승하는 현상을 방지하기 위하여 본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치(500)는 부하가 적은 난방설계부하를 기준으로 실제 냉방부하를 조절함으로써 실제 난방부하와 실제 냉방부하의 균형을 유도한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치(500)는, 열량적산부(510), 경고발생부(520), 기준값보정부(530), 동작조절부(540), 디스플레이(550), 입력부(560), 저장부(570), 통신부(580), 제어부(590) 등을 포함할 수 있다. 또한 제어장치(500)는 관리자단말(600)과 통신부(580)를 통해 연결될 수도 있다.
열량적산부(510)는 유입온도계(410)에서 검출한 열교환용 유체의 유입온도(Tin), 유출온도계(420)에서 검출한 열교환용 유체의 유출온도(Tout), 유량계(450)에서 검출한 열교환용 유체의 유량(Q) 등을 이용하여 히트펌프(210)를 통과하는 유체의 변동열량을 실시간으로 적산한다. 적산열량은 Q*(Tin- Tout) 의 함수이며, 시스템을 가동하는 동안 지속적으로 산출된다. 열량적산부(510)에는 일반적인 적산계가 사용될 수 있다.
열량적산부(510)는 난방부하가 동작중일 때의 열량적산과 냉방부하가 동작중일 때의 열량적산을 구분하여 수행할 수도 있다.
경고발생부(520)는 열량적산부(510)에서 산출된 적산열량과 설정된 경고기준값을 비교하고, 적산열량이 경고기준값에 대해 설정된 비율(예, 70%, 80%, 90%, 100% 등)에 도달한 경우에는 소정의 경고를 적어도 1회 발생시킨다.
경고발생부(520)의 경고방식은 한정되지 않는다. 따라서 예를 들어"과부하가 예상되므로 가동율을 줄이기 바랍니다"라는 경고메시지를 디스플레이(550)에 표시하거나, 경고메시지를 관리자단말(600)로 전송하거나, 경광등을 켜거나, 경고음을 출력할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 적은 부하의 값을 더 큰 부하에 대한 경고기준값으로 설정하고 설정된 경고기준값을 기준으로 더 큰 부하의 동작을 조절하거나 소정의 경고를 발생시킨다.
즉, 난방설계부하가 더 큰 경우에는 냉방설계부하를 난방부하의 경고기준값으로 설정하고 이를 기준으로 실제 난방부하를 조절하거나 난방부하에 대한 경고를 발생시킨다.
예를 들어 도 5에 나타낸 바와 같이, 지열 히트펌프 시스템이 1주기(예, 1년) 동안 난방부하와 냉방부하를 교대로 1번씩 동작시키고, 난방설계부하와 냉방설계부하가 각각 1,500 및 1,000 이라고 가정하면, 냉방설계부하의 값인 1,000 이 난방부하에 대한 경고기준값으로 설정된다. 그리고 열량적산부(510)에서 실시간으로 산출한 실제 난방부하의 적산열량이 경고기준값(1,000)에 대해 설정된 비율(예, 70%, 80%, 90%, 100% 등)에 도달하면 경고를 발생시킨다.
난방설계부하가 더 큰 경우에 실제 난방부하가 경고기준값(1,000)을 초과하면 시스템의 동작을 중단시킬 수도 있고, 경고만 발생시킬 수도 있고, 보조시스템(도 12의 700)을 부하(220)에 대신 연결하여 대체난방을 수행할 수도 있다.
이렇게 하면 난방설계부하가 냉방설계부하보다 더 큰 시스템을 장기간 가동하더라도 지중열원의 에너지가 과도하게 배출되는 것을 방지할 수 있다.
이와 반대로 냉방설계부하가 더 큰 경우에는 난방설계부하를 냉방부하의 경고기준값으로 설정하고 이를 기준으로 실제 냉방부하를 조절하거나 냉방부하에 대한 경고를 발생시킨다.
예를 들어 도 6에 나타낸 바와 같이, 지열 히트펌프 시스템이 1주기(예, 1년) 동안 난방부하와 냉방부하를 교대로 1번씩 동작시키고, 난방설계부하와 냉방설계부하가 각각 1,000 및 1,500 이라고 가정하면, 난방설계부하의 값인 1,000 이 냉방부하에 대한 경고기준값으로 설정된다. 그리고 열량적산부(510)에서 실시간으로 산출한 실제 냉방부하의 적산열량이 경고기준값(1,000)에 대해 설정된 비율(예, 70%, 80%, 90%, 100% 등)에 도달하면 경고를 발생시킨다.
냉방설계부하가 더 큰 경우에 실제 냉방부하가 경고기준값(1,000)을 초과하면, 시스템의 동작을 중단시킬 수도 있고, 경고만 발생시킬 수도 있고, 보조시스템(도 12의 700)을 부하(220)에 대신 연결하여 대체냉방을 수행할 수도 있다.
이렇게 하면 냉방설계부하가 난방설계부하보다 더 큰 시스템을 장기간 가동하더라도 지중열원으로 에너지가 과도하게 투입되는 것을 방지할 수 있다.
기준값보정부(530)는 열량적산부(510)에서 실시간으로 산출되는 실제부하(적산열량)와 설계부하를 대비하여 차이가 있는 경우에 기존에 설정된 경고기준값을 보정하는 역할을 한다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에서는 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 적은 쪽이 경고기준값으로 설정되며, 경고기준값의 보정은 설계부하가 적은 쪽의 실제부하를 기준으로 이루어진다.
즉, 난방설계부하가 더 큰 경우에는 냉방설계부하가 경고기준값으로 설정되므로 연중 실제냉방부하를 기준으로 경고기준값을 보정한다.
먼저 난방설계부하와 냉방설계부하가 각각 1,500 및 1,000 이라고 가정하면, 냉방설계부하의 값인 1,000 을 난방부하에 대한 제1주기의 경고기준값으로 설정하는 것은 전술한 바와 같다.
이때 도 7에 나타낸 바와 같이, 제1주기의 실제 냉방부하의 적산열량이 예를 들어 1,300 이면, 초과냉방으로 인해 냉방설계부하보다 더 많은 에너지가 지중으로 투입된 것을 의미하므로 다음 주기의 난방시에는 지중으로부터 더 많은 에너지를 빼내는 것이 바람직하다.
이와 반대로 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1주기의 실제 냉방부하의 적산열량이 예를 들어 800 이면, 부족냉방으로 인해 냉방설계부하보다 더 적은 에너지가 지중으로 투입된 것을 의미하므로 다음 주기의 난방시에는 지중으로부터 더 적은 에너지를 빼내는 것이 바람직하다.
이를 위하여 본 발명의 실시예에서는 제1주기에서의 실제 냉방부하를 이용하여 제2 주기의 난방부하에 대한 경고기준값을 설정한다.
즉, 제1 주기에 초과냉방이 이루어진 경우에는 도 7에 나타낸 바와 같이, 제1 주기의 실제 냉방부하인 1,300 을 제2 주기 난방부하에 대한 경고기준값으로 설정한다. 이렇게 하면 제1 주기 중의 난방기간에는 경고기준값이 1,000 으로 설정되었으나, 제2 주기 중의 난방기간에는 경고기준값이 1,300 으로 설정되므로 지중으로부터 더 많은 에너지를 빼낼 수 있게 된다.
또한 제1 주기에 부족냉방이 이루어진 경우에는 도 8에 나타낸 바와 같이, 제1 주기의 실제 냉방부하인 800 을 제2 주기 난방부하에 대한 경고기준값으로 설정한다. 이렇게 하면 제1 주기 중의 난방기간에는 경고기준값이 1,000 으로 설정되었으나, 제2 주기 중의 난방기간에는 경고기준값이 800 으로 설정되므로 지중으로부터 더 적은 에너지를 빼낼 수 있게 된다.
다음으로 냉방설계부하가 난방설계부하 보다 더 큰 경우를 설명한다. 예를 들어 냉방설계부하와 난방설계부하가 각각 1,500 및 1,000 이라고 가정하면, 난방설계부하의 값인 1,000 을 냉방부하에 대한 제1주기의 경고기준값으로 설정하는 것은 전술한 바와 같다.
이때 도 9에 나타낸 바와 같이, 제1주기의 실제 난방부하의 적산열량이 예를 들어 1,300 이면, 초과난방으로 인해 난방설계부하보다 더 많은 에너지가 지중으로부터 배출된 것을 의미하므로 다음 주기의 냉방시에는 지중으로 더 많은 에너지를 투입하도록 하는 것이 바람직하다.
이와 반대로 도 10에 나타낸 바와 같이, 제1주기의 실제 난방부하의 적산열량이 예를 들어 800 이면, 부족난방으로 인해 난방설계부하보다 더 적은 에너지가 지중으로부터 배출된 것을 의미하므로 다음 주기의 냉방시에는 지중으로 더 적은 에너지를 투입하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 본 발명의 실시예에서는 제1주기에서의 실제 난방부하를 이용하여 제2 주기의 냉방부하에 대한 경고기준값을 설정한다.
즉, 제1 주기에 초과난방이 이루어진 경우에는 도 9에 나타낸 바와 같이, 제1 주기의 실제 난방부하인 1,300 을 제2 주기 냉방부하에 대한 경고기준값으로 설정한다. 이렇게 하면 제1 주기 중의 냉방기간에는 경고기준값이 1,000 으로 설정되었으나, 제2 주기 중의 냉방기간에는 경고기준값이 1,300 으로 설정되므로 지중으로 더 많은 에너지를 투입할 수 있게 된다.
또한 제1 주기에 부족냉방이 이루어진 경우에는 도 10에 나타낸 바와 같이, 제1 주기의 실제 난방부하인 800 을 제2 주기 냉방부하에 대한 경고기준값으로 설정한다. 이렇게 하면 제1 주기 중의 냉방기간에는 경고기준값이 1,000 으로 설정되었으나, 제2 주기 중의 냉방기간에는 경고기준값이 800 으로 설정되므로 지중으로 투입되는 에너지를 줄일 수 있게 된다.
동작조절부(540)는 열량적산부(510)에서 산출된 적산열량과 설정된 경고기준값을 대비하여, 필요한 경우에는 히트펌프 시스템의 동작을 조절한다. 예를 들어 지열 히트펌프 시스템의 가동을 전면적으로 중단시키거나, 가동시간을 조절하거나, 지열 히트펌프 시스템의 가동을 중단하는 대신 보조시스템(도 12의 700)을 부하(220)에 연결할 수 있다.
디스플레이(550)는 제어장치(500)의 동작상태를 표시할 수 있다. 디스플레이(550)는 입력부(560)가 일체화된 터치스크린일 수 있다.
입력부(560)는 관리자가 경고기준값을 설정하거나, 난방설계부하와 냉방설계부하에 대한 정보를 입력하는 용도로 제공될 수 있다.
저장부(570)는 제어장치(500)의 동작에 필요한 제어프로그램, 제어프로그램의 동작에 필요한 파라미터, 관련 데이터 등을 저장하는 것으로서 그 종류는 특별히 제한되지 않는다. 예를 들어 롬(ROM), 램(RAM) 등의 선택 또는 조합을 통해 구성될 수 있다.
통신부(580)는 관리자단말(600)과의 통신인터페이스를 포함할 수 있다. 또한 통신부(580)는 지열 히트펌프 시스템에 설치된 각종 센서와 연결하는 통신인터페이스를 포함할 수 있다.
제어부(590)는 제어장치(500)를 구성하는 상기 각 구성요소의 동작전반을 제어한다.
한편 경고발생부(520), 기준값보정부(530), 동작조절부(540), 제어부(590) 등은 서로 독립된 프로그램으로 구현될 수도 있고, 이 중에서 2 이상이 하나의 프로그램에 포함되어 구현될 수도 있다. 또한 경고발생부(520), 기준값보정부(530), 동작조절부(540), 제어부(590) 중에서 적어도 하나는 하드웨어로 대체되거나 하드웨어와 결합하여 제공될 수도 있다.
관리자단말(600)은 관리자가 사용하는 컴퓨터 단말 또는 휴대용 단말일 수 있다. 관리자는 관리자단말(600)을 통해 제어장치(500)로부터 정보를 수신하거나, 제어장치(500)로 소정의 명령을 전송하거나 필요한 파라미터 또는 명령을 입력할 수 있다.
이하에서는 도 11을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템의 제어방법을 설명한다.
먼저 지열 히트펌프 시스템의 난방설계부하와 냉방설계부하를 대비하여 더 적은 부하의 값을 더 큰 부하의 동작제어를 위한 경고기준값으로 설정한다. (ST11)
이어서 시스템을 가동하면, 순환펌프(230)가 동작함에 따라 지열공급관(310)을 통해 유입된 열교환용 유체가 히트펌프(210)를 통과하면서 열교환을 한 후에 지열리턴관(320)을 통해 열교환용 배관(110)으로 회수된다.
이 과정에서 제어장치(500)의 열량적산부(510)는 유입온도계(410), 유출온도계(420), 유량계(450)의 검출값을 이용하여 히트펌프(210)를 통과한 유체의 변동열량을 적산한다. (ST12)
그리고 제어장치(500)는 현재 설계부하가 더 큰 쪽이 가동 중인지 여부를 확인한다. 즉, 난방설계부하가 더 큰 경우에는 현재 난방시스템 가동 중인지 여부를 확인하고, 냉방설계부하가 더 큰 경우에는 현재 냉방시스템 가동 중인지 여부를 확인한다.
확인방법은 한정되지 않으며, 관리자가 입력부(560) 또는 관리자단말(600)을 통해 입력할 수도 있고, 지열 히트펌프 시스템에 구비된 별도의 제어장치로부터 해당 정보를 수신하여 확인할 수도 있다. (ST13)
위 단계에서 현재 설계부하가 더 큰 쪽이 가동 중인 것으로 확인되면, 열량적산부(510)에서 실시간으로 산출되는 적산열량이 경고기준값 대비 설정비율에 도달하였는지 여부를 실시간으로 또는 주기적으로 감시하고, 설정비율에 도달한 것으로 확인되면 소정의 경고를 발생시킨다. 전술한 바와 같이 경고방식은 특별히 한정되지 않는다. (ST14, ST15)
한편 위 ST13 단계에서, 현재 설계부하가 더 작은 쪽이 가동 중인 것으로 확인되면, 현재 가동중인 부하의 실제부하를 적산하고 현재의 가동주기가 종료되면 적산된 실제부하를 더 큰 부하의 동작제어를 위한 다음 주기의 경고기준값으로 설정한다. 구체적인 방법은 기준값보정부(530)와 관련하여 전술한 바와 같다. (ST16, ST17)
이와 같이 경고기준값이 보정되면, 제어장치(500)는 보정된 경고기준값을 적용하여 지열 히트펌프 시스템의 다음 주기 동작을 제어한다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 구체적인 적용 과정에서 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다.
일 예로서, 도 12에 나타낸 바와 같이, 지열 히트펌프 시스템을 대신하여 부하(220)와 열교환을 수행하는 보조시스템(700)을 설치할 수 있다. 이 경우 제어장치(500)의 동작조절부(540)는 지열 히트펌프 시스템 또는 보조시스템(700)을 선택적으로 부하(220)에 연결할 수 있다. 보조시스템(700)은 전기, 가스, 석유 등을 이용하는 냉난방장치일 수 있다.
다른 예로서, 전술한 실시예에서는 지열 히트펌프 시스템이 1년 중 각 한번 씩의 난방주기와 냉방주기로 동작하는 것으로 가정하였으나, 급작스런 기온변화가 발생하는 등 특수한 경우에는 난방주기로 설정된 기간에 잠시 냉방을 가동해야 하는 경우도 있고, 냉방주기로 설정된 기간에 잠시 난방을 가동해야 하는 경우도 있고, 비가동주기에 잠시 냉방 또는 난방을 가동해야 하는 경우도 있다.
이러한 점을 감안하면, 예를 들어 난방설계부하가 냉방설계부하 보다 큰 경우에는설정된 냉방주기뿐만 아니라 난방주기 및 비가동주기에도 경고기준값 보정을 위한 냉방부하 적산을 계속 수행하는 것이 바람직하다. 마찬가지로 냉방설계부하가 난방설계부하 보다 큰 경우에는 설정된 난방주기뿐만 아니라 냉방주기 및 비가동주기에도 경고기준값 보정을 위한 난방부하 적산을 계속 수행하는 것이 바람직하다.
결국 경고기준값 보정을 위하여 더 적은 설계부하의 실제부하를 적산하는 것은 난방주기, 비가동주기 및 냉방주기를 포함하는 전체 주기(예, 1년) 동안 계속 수행하는 것이 바람직하다.
또 다른 예로서, 본 명세서에서는 밀폐형 지열 히트펌프 시스템을 중심으로 본 발명을 설명하였으나 본 발명의 범위가 밀폐형에 한정되는 것은 아니므로 지중의 지하수를 이용하는 개방형 지열 히트펌프 시스템에도 본 발명이 적용될 수 있다.
이와 같이 본 발명은 구체적인 적용에 있어서 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있으며, 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 물론이다.
100: 지중 열교환부 110: 열교환용 배관 111: 제1 연결관
112: 제2 연결관 200: 기계실 210: 히트펌프
220: 부하 230: 순환펌프 310: 지열공급관
320: 지열리턴관 410: 유입온도계 420: 유출온도계
450: 유량계 500: 제어장치 502: 제어부
510: 열량적산부 520: 판단부 530: 기준값보정부
540: 동작조절부 550: 디스플레이 560: 경고발생부
570; 입력부 580: 저장부 590: 통신부
600: 관리자단말 700: 보조시스템

Claims (6)

  1. 지중열원과 열교환을 수행하는 지중 열교환부;
    지중 열교환부의 일측과 기계실의 히트펌프를 연결하는 지열공급관;
    지중 열교환부의 타측과 히트펌프를 연결하는 지열리턴관;
    히트펌프를 통과한 유체의 변동열량을 적산하는 열량적산부와, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 적은 설계부하의 값을 경고기준값으로 설정하고 더 큰 설계부하의 동작 중에 적산된 열량이 경고기준값 대비 설정비율에 도달하면 경고를 발생시키는 경고발생부를 구비하는 제어장치
    를 포함하는 지열 히트펌프 시스템
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 적은 설계부하의 동작으로 인해 제1주기 동안 적산된 실제부하를 제1주기와 연속하는 제2주기에 적용할 경고기준값으로 설정하는 기준값보정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 큰 설계부하의 동작 중에 적산된 열량이 경고기준값 대비 설정비율에 도달하면, 히트펌프의 동작을 중단시키거나 히트펌프를 대체하는 보조시스템을 부하에 연결시키는 동작조절부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템
  4. 지중열원과 열교환을 수행하는 지중 열교환부와, 지중 열교환부의 일측과 기계실의 히트펌프를 연결하는 지열공급관과, 지중 열교환부의 타측과 히트펌프를 연결하는 지열리턴관을 포함하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법에 있어서,
    난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 적은 설계부하의 값을 경고기준값으로 설정하는 단계;
    열량적산부에서 히트펌프를 통과한 유체의 변동열량을 적산하는 단계;
    난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 큰 설계부하가 동작 중이면, 열량적산부에서 실시간으로 산출한 적산열량이 경고기준값 대비 설정비율에 도달하면 경고를 발생시키는 단계
    를 포함하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법
  5. 제4항에 있어서,
    난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 적은 설계부하가 동작 중이면, 더 적은 설계부하의 동작으로 인해 제1주기 동안 적산된 실제부하를 제1 주기와 연속하는 제2주기에 적용할 경고기준값으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법
  6. 제4항에 있어서,
    난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 큰 설계부하의 동작으로 인해 적산된 열량이 경고기준값 대비 설정비율에 도달하면, 히트펌프의 동작을 중단시키거나 히트펌프를 대체하는 보조시스템을 부하에 연결시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법
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