KR20190141920A - 수직형 열교환 배관과 수평형 열교환 배관을 포함하는 지열 히트펌프 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

수직형 열교환 배관과 수평형 열교환 배관을 포함하는 지열 히트펌프 시스템 및 그 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 지중에 수직방향으로 매설된 제1 열교환 배관; 지표면 부근에 수평방향으로 매설된 제2 열교환 배관; 열교환 유체의 공급과 회수를 위하여 히트펌프에 각각 연결된 메인공급관 및 메인리턴관; 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제1 열교환 배관 또는 상기 제2 열교환 배관에 선택적으로 연결하는 경로전환부; 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제1 열교환 배관에 연결하는 수직형 동작모드에서 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제2 열교환 배관에 연결하는 수평형 동작모드로 전환하는 모드전환 여부를 결정하는 제어장치를 포함하는 지열 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명에 따르면, 난방모드에서 히트펌프의 유입온도가 과도하게 낮아지거나 냉방모드에서 히트펌프의 유입온도가 과도하게 높아지는 경우에 수직형 모드에서 수평형 모드로 시스템을 전환함으로써 장기적으로 지열에너지를 일정하게 유지할 수 있고, 이를 통해 지열 히트펌프 시스템을 보다 효율적이고 안정적으로 운용할 수 있게 된다.

Description

수직형 열교환 배관과 수평형 열교환 배관을 포함하는 지열 히트펌프 시스템 및 그 제어방법{Geothermal heat pump system comprising vertical type and horizontal type heat exchange pipe and control method thereof}
본 발명은 수직형 열교환 배관과 수평형 열교환 배관을 모두 포함하는 지열 히트펌프 시스템에 관한 것으로서, 기본적으로는 수직형 지열 히트펌프 시스템으로 동작하되 설정 조건에 따라 수평형 시스템으로 전환하여 동작함으로써 지열에너지를 장기간 안정적으로 유지하고 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, 일반적으로 펌프를 이용하여 지중에 매설된 열교환 배관의 내부로 열교환 유체를 강제 순환시키고 히트펌프를 이용하여 열교환 유체의 에너지를 회수하여 활용하는 냉난방 시스템이다.
이러한 지열 히트펌프 시스템은 열교환 배관을 매설하는 방식에 따라 수평형과 수직형 시스템으로 구분될 수 있다.
수평형 시스템은 지표면에서 대략 1.5 ~ 2m 정도의 깊이에 열교환 배관을 설치하므로 시공이 비교적 간단하고 비용이 저렴한 장점이 있는 반면, 지표면과의 거리가 가깝기 때문에 지중온도와 지상온도의 차이가 크지 않아서 수직형에 비하여 효율이 낮은 단점이 있다. 또한 넓은 부지를 확보해야 하므로 설치할 수 있는 장소가 제한적이라는 단점이 있다.
수직형 시스템은 약 150 내지 200 미터 깊이로 천공한 후 천공홀에 열교환 배관을 설치하고, 열교환 배관과 지상의 히트펌프를 연결하여 열교환 유체를 순환시키는 시스템이다. 이러한 수직형 시스템은 지중 온도가 매우 안정적이고 지상 온도와의 차이가 크기 때문에 효율이 높고 부지를 많이 필요로 하지 않는 장점이 있는 반면에, 수백 미터 깊이로 천공을 한 후 U형 배관을 삽입하고 그라우팅 작업까지 수행해야 하므로 공사가 복잡하고 비용이 많이 소요되는 단점이 있다.
한편, 수직형 시스템은 지중온도가 약 15-17℃를 항상 유지하는 것을 전제로 설계되어 있지만, 시스템이 동작하기 시작하면 지중의 온도가 변하는 문제가 있다. 예를 들어 난방시에는 지중의 에너지가 지상으로 계속 배출되므로 지중온도가 낮아지게 되고, 냉방시에는 지상의 에너지가 지중으로 계속 공급되므로 지중온도는 높아지게 된다.
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 연중난방부하와 연중냉방부하의 사이에 편차가 큰 경우에는 장기적으로 지중온도가 초기 설계값과 달라지므로 지열 히트펌프 시스템의 가동효율이 저하될 수밖에 없다.
일 예로서, 우리나라 대부분의 가정이나 산간지역에 설치된 지열 히트펌프 시스템의 경우에는 일반적으로 연중난방부하가 연중냉방부하보다 훨씬 크다.
이와 같이 연중난방부하가 연중냉방부하보다 큰 시스템에서는, 도 1(a)의 개념도에 나타낸 바와 같이, 냉방으로 인해 지중열원이 연간 흡수하는 열량(QC) 보다 난방으로 인해 지중열원이 연간 배출하는 열량(QH)이 크고, 이로 인해 지중열원의 에너지는 매년 ΔQ (= Qc - QH < 0) 만큼 감소하게 된다.
시스템 운용 초기에는 열교환 배관 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 1(b)에 나타낸 바와 같이 연평균 지중온도가 지속적으로 하강하게 된다.
이와 같이 연평균 지중온도가 지속적으로 하강하면 히트펌프로 유입되는 열교환용 유체의 평균온도도 하강하게 되고, 결국에는 지열 히트펌프 시스템의 난방효율이 크게 저하되고 심한 경우에는 히트펌프를 가동할 수 없는 경우가 발생하게 된다.
다른 예로서, 열대지방이나 대형상가 또는 업무용 빌딩의 냉난방시스템에서는 연중냉방부하가 연중난방부하보다 훨씬 큰 것으로 알려져 있다.
이와 같이 연중냉방부하가 연중난방부하보다 큰 시스템에서는, 도 2(a)의 개념도에 나타낸 바와 같이, 냉방으로 인해 지중열원이 연간 흡수하는 열량(QC)이 난방으로 인해 지중열원이 연간 배출하는 열량(QH) 보다 크고, 이로 인해 지중열원의 에너지는 매년 ΔQ (= Qc - QH > 0) 만큼 증가하게 된다.
시스템 운용 초기에는 열교환 배관 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 2(b)에 나타낸 바와 같이 지중온도가 지속적으로 상승하게 된다.
이와 같이 연평균 지중온도가 지속적으로 상승하면 히트펌프로 유입되는 열교환용 유체의 평균온도도 상승하게 되고, 결국에는 지열 히트펌프 시스템의 냉방효율이 크게 저하되고 심한 경우에는 히트펌프를 가동할 수 없는 경우가 발생하게 된다.
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 편차가 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, 지중에 수직방향으로 매설된 제1 열교환 배관; 지표면 부근에 수평방향으로 매설된 제2 열교환 배관; 열교환 유체의 공급과 회수를 위하여 히트펌프에 각각 연결된 메인공급관 및 메인리턴관; 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제1 열교환 배관 또는 상기 제2 열교환 배관에 선택적으로 연결하는 경로전환부; 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제1 열교환 배관에 연결하는 수직형 동작모드에서 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제2 열교환 배관에 연결하는 수평형 동작모드로 전환하는 모드전환 여부를 결정하는 제어장치를 포함하는 지열 히트펌프 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 양상에 따른 지열 히트펌프 시스템에서, 상기 제어장치는 상기 히트펌프로 유입되는 열교환 유체의 온도가 설정된 모드전환기준값에 도달하면 모드전환을 결정할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 지열 히트펌프 시스템에서, 상기 제어장치는, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 큰 설계부하의 동작 중에 상기 히트펌프를 통과하는 유체의 변동열량을 적산한 값이 설정된 모드전환기준값에 도달하면 모드전환을 결정할 수 있다. 이 경우 상기 모드전환기준값은 더 적은 설계부하의 값에 대해 소정 비율로 설정된 값일 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 지열 히트펌프 시스템에서, 상기 제1 열교환 배관의 일단과 타단에는 각각 제1 서브공급관과 제1 서브회수관이 연결되고, 상기 제2 열교환 배관의 일단과 타단에는 각각 제2 서브공급관과 제2 서브회수관이 연결되며, 상기 경로전환부는, 상기 메인공급관을 상기 제1 서브공급관과 상기 제2 서브공급관 중에서 하나에 연결하는 제1 밸브와, 상기 메인리턴관을 상기 제1 서브리턴관과 상기 제2 서브리턴관 중에서 하나에 연결하는 제2 밸브를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 제어장치는 모드전환이 결정되면 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브를 자동으로 제어하여 열교환 유체의 경로를 전환하는 동작모드전환부를 포함할 수 있다.
또한 본 발명의 일 양상에 따른 지열 히트펌프 시스템에서, 상기 제어장치는 모드전환이 결정되면 동작모드 전환명령을 디스플레이를 통해 출력하거나 관리자단말로 전송할 수 있다.
본 발명의 다른 양상은, 지중에 수직방향으로 매설된 제1 열교환 배관과, 지표면 부근에 수평방향으로 매설된 제2 열교환 배관과, 열교환 유체의 공급과 회수를 위하여 히트펌프에 각각 연결된 메인공급관 및 메인리턴관과, 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제1 열교환 배관 또는 상기 제2 열교환 배관에 선택적으로 연결하는 경로전환부를 포함하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법에 있어서, 동작모드를 수직형 동작모드에서 수평형 동작모드로 전환하는 기준이 되는 모드전환기준값을 설정하는 단계; 상기 열교환 유체의 온도를 기초로 획득한 값이 상기 모드전환기준값에 도달하였는지 여부를 확인하는 단계; 상기 모드전환기준값에 도달한 것으로 판단되면, 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제1 열교환 배관에 연결하는 수직형 동작모드에서 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제2 열교환 배관에 연결하는 수평형 동작모드로 전환하는 단계를 포함하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법을 제공한다.
본 발명에 따른 제어방법에서, 상기 열교환 유체의 온도를 기초로 획득한 값은, 상기 히트펌프로 유입되는 열교환 유체의 온도일 수 있다.
또한 본 발명에 따른 제어방법에서, 상기 열교환 유체의 온도를 기초로 획득한 값은, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 큰 설계부하의 동작 중에 상기 히트펌프를 통과하는 유체의 변동열량을 적산한 값인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 난방모드에서 히트펌프의 유입온도가 과도하게 낮아지거나 냉방모드에서 히트펌프의 유입온도가 과도하게 높아지는 경우에 수직형 모드에서 수평형 모드로 시스템을 전환함으로써 장기적으로 지열에너지를 일정하게 유지할 수 있고, 이를 통해 지열 히트펌프 시스템을 보다 효율적이고 안정적으로 운용할 수 있게 된다.
또한 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.
도 1은 연중난방부하가 연중냉방부하 보다 클 때 지중온도변화를 나타낸 도면
도 2는 연중냉방부하가 연중난방부하 보다 클 때 지중온도변화를 나타낸 도면
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템의 개략 구성도
도 4는 수직형 시스템으로 동작하는 모습을 예시한 평면도
도 5는 수평형 시스템으로 동작하는 모습을 예시한 평면도
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템의 제어방법을 예시한 흐름도
도 7은 난방설계부하가 냉방설계부하보다 클 때 동작전환 기준값을 예시한 개념도
도 8은 냉방설계부하가 난방설계부하보다 클 때 동작전환 기준값을 예시한 개념도
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 3의 개략 구성도에 나타낸 바 같이, 지중에 형성되는 지중 열교환부(100), 지상의 기계실(200)에 설치되어 부하(220)와 열교환을 수행하는 히트펌프(210), 히트펌프(210)의 일측에 연결되어 지중 열교환부(100)를 통과한 열교환 유체를 히트험프(210)로 공급하는 메인공급관(310), 히트펌프(210)의 타측에 연결되어 열교환 유체를 지중 열교환부(100)로 회수하는 메인리턴관(320), 메인공급관(310)에 설치된 순환펌프(P)와 유입온도계(410), 메인리턴관(320)에 설치된 유출온도계(420), 메인리턴관(320) 또는 메인공급관(310)에 설치된 유량계(450), 지열 히트펌프 시스템의 전반적인 동작을 제어하는 제어장치(500)를 포함한다.
특히 본 발명의 일 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템에서는, 지중 열교환부(100)가 약 150 내지 200 미터 깊이로 형성된 하나 이상의 천공에 각각 삽입된 U형의 제1 열교환 배관(110)과 지표면으로부터 약 1.5 내지 2 미터 정도의 깊이로 형성된 수평 트렌치에 매설된 제2 열교환 배관(120)을 포함한다.
제1 열교환 배관(110)은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템이 수직형 모드로 동작할 때 열교환 유체가 주변과 열교환을 하면서 유동하는 배관이며, 제1 열교환 배관(110)의 일단은 제1 서브공급관(111)에 연결되고 타단은 제1 서브리턴관(112)에 연결된다.
제2 열교환 배관(120)은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템이 수평형 모드로 동작할 때 열교환 유체가 주변과 열교환을 하면서 유동하는 배관이며, 제2 열교환 배관(120)의 일단은 제2 서브공급관(121)에 연결되고 타단은 제2 서브리턴관(122)에 연결된다.
제1 서브공급관(111)과 제2 서브공급관(121)은 제1 경로전환부(V1)에 의해 메인공급관(310)에 선택적으로 연결되며, 제1 서브리턴관(112)과 제2 서브리턴관(122)은 제2 경로전환부(V2)에 의해 메인리턴관(320)에 선택적으로 연결된다.
제1 및 제2 경로전환부(V1, V2)는 3방 밸브일수도 있고, 다수의 밸브로 이루어진 밸브 조립체일 수도 있다. 제1 및 제2 경로전환부(V1, V2)의 동작은 제어장치(500)에 의해 자동으로 제어되는 것이 바람직하지만, 경우에 따라서는 수동밸브가 사용될 수도 있다.
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.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치(500)는 지열 히트펌프 시스템의 난방설계부하가 냉방설계부하보다 큰 경우에 도 1에 나타낸 바와 같이 평균지중온도가 점차 하강하는 현상을 방지하는 역할을 한다.
예를 들어 제어장치(500)는 시스템이 수직형 모드로 동작하는 중에 메인공급관(310)을 통해 히트펌프(210)로 유입되는 열교환 유체의 온도가 미리 설정된 모드전환기준값(예, 8~10℃) 이하로 낮아지면 시스템의 동작모드를 수직형에서 수평형으로 전환하여 지중온도가 과도하게 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
모드전환기준값은 히트펌프(210)의 성적계수(COP)가 급격히 저하되기 시작하는 열교환 유체의 온도인 것이 바람직하며, 시스템의 특성을 고려하여 실험을 통해 정해질 수 있다.
한편, 비닐하우스 등과 같은 대규모 영농시설의 경우에는 연중난방부하가 대부분을 차지하므로 이로 인해 수직형 모드로만 동작할 경우 지중온도가 빠른 속도로 낮아져서 효율이 급격하게 저하될 수 있다.
그런데 비닐하우스 내부는 지표면은 물론이고 지중 1.5 ~ 2m 부근의 온도도 비닐하우스 내부와의 열교환으로 인해 매우 높게 나타난다. 따라서 비닐하우스 내부에 수평형의 제2 열교환 배관(120)을 설치하면, 상대적으로 고온의 열교환 유체가 히트펌프로 유입될 수 있으므로 수평형 모드로 동작하더라도 매우 높은 효율을 기대할 수 있다.
또한 제어장치(500)는 부하가 적은 냉방설계부하를 기준으로 실제 난방부하의 동작을 조절하여 지중온도가 과도하게 낮아지는 것을 방지할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치(500)는 냉방설계부하가 난방설계부하보다 큰 경우에 도 2에 나타낸 바와 같이 평균지중온도가 점차 상승하는 현상을 방지하는 역할을 할 수도 있다.
예를 들어 제어장치(500)는 히트펌프(210)로 유입되는 열교환 유체의 온도가 미리 설정된 모드전환기준값(예, 22~25℃) 이상으로 높아지면 시스템의 동작모드를 수직형에서 수평형으로 전환하여 지중온도가 과도하게 높아지는 것을 방지할 수 있다.
이 경우에도 모드전환기준값은 히트펌프(210)의 성적계수(COP)가 급격히 저하되기 시작하는 열교환 유체의 온도인 것이 바람직하며, 시스템의 특성을 고려하여 실험을 통해 정해질 수 있다.
또한 제어장치(500)는 부하가 적은 난방설계부하를 기준으로 실제 냉방부하의 동작을 조절하여 지중온도가 과도하게 높아지는 것을 방지할 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 제어장치(500)는 온도검출부(510), 열량적산부(520), 경고발생부(530), 동작모드전환부(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.
온도검출부(510)는 유입온도계(410)와 유출온도계(420)를 이용하여 히트펌프(210)의 입력단과 출력단에서 각각 열교환 유체의 유입온도(Tin)와 유출온도(Tout)를 검출한다.
열량적산부(520)는 열교환 유체의 유입온도(Tin) 및 유출온도(Tout), 유량계(450)에서 검출한 열교환 유체의 유량(Q) 등을 이용하여 히트펌프(210)를 통과하는 유체의 열량변동량을 실시간으로 적산한다. 적산열량은 Q*(Tin- Tout) 의 함수이며, 시스템을 가동하는 동안 지속적으로 산출된다. 열량적산부(520)에는 일반적인 적산계가 사용될 수 있다.
경고발생부(530)는 온도검출부(510)에서 검출된 열교환 유체의 유입온도(Tin)가 경고기준값에 도달하면 소정의 경고를 1회 이상 발생시킬 수 있다. 유입온도(Tin)에 대한 경고기준값은 지열 히트펌프 시스템의 동작모드를 수직형 모드에서 수평형 모드로 전환하는 기준이 되는 모드전환 기준온도에 대해 소정의 비율(예, 70%, 80%, 90%, 100% 등)로 설정될 수 있다.
또한 경고발생부(530)는 열량적산부(520)에서 산출된 적산열량이 경고기준값에 도달하면 소정의 경고를 1회 이상 발생시킬 수 있다. 이때 적산열량에 대한 경고기준값은 지열 히트펌프 시스템의 동작모드를 수직형 모드에서 수평형 모드로 전환하는 기준이 되는 모드전환 기준열량에 대해 소정의 비율(예, 70%, 80%, 90%, 100% 등)로 설정될 수 있다.
경고발생부(530)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. 이러한 경고발생부(530)는 생략될 수도 있다.
동작모드전환부(540)는 온도검출부(510)에서 검출한 열교환 유체의 유입온도(Tin)가 설정된 모드전환기준값에 도달하면 지열 히트펌프 시스템의 동작모드를 수직형 모드에서 수평형 모드로 전환한다.
또한 동작모드전환부(540)는 열량적산부(520)에서 산출된 적산열량이 설정된 모드전환기준값에 도달하면 지열 히트펌프 시스템의 동작모드를 수직형 모드에서 수평형 모드로 전환할 수 있다.
도 4는 수직형 모드로 동작하고 있는 경우를 나타낸 평면도로서, 메인공급관(310)은 제1 경로전환부(V1)를 통해 제1 서브공급관(111)에 연결되고, 메인리턴관(320)은 제2 경로전환부(V2)를 통해 제2 서브리턴관(122)에 연결된다.
이 상태에서 동작모드를 수직형 모드에서 수평형 모드로 전환하기 위해서는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 제1 경로전환부(V1)를 제어하여 메인공급관(310)에 제2 서브공급관(121)을 연결하고, 제2 경로전환부(V2)를 제어하여 메인리턴관(320)에 제2 서브리턴관(122)을 연결하면 된다.
한편 디스플레이(550)는 제어장치(500)의 동작상태를 표시할 수 있다. 디스플레이(550)는 입력부(560)가 일체화된 터치스크린일 수 있다.
입력부(560)는 관리자가 경고기준값, 모드전환기준값 등을 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 전반적인 동작을 제어한다.
한편 온도검출부(510), 열량적산부(520), 경고발생부(530), 동작모드전환부(540), 제어부(590) 등은 독립된 프로그램으로 구현될 수도 있고, 이 중에서 2 이상이 하나의 프로그램에 통합되어 구현될 수도 있다. 또한 온도검출부(510), 열량적산부(520), 경고발생부(530), 동작모드전환부(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 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템의 제어방법을 설명한다.
먼저 지열 히트펌프 시스템을 가동하기 전에 동작모드를 수직형에서 수평형으로 전환하는 기준이 되는 모드전환기준값을 설정한다. 모드전환기준값에 대해 소정비율로 산출된 경고기준값을 설정할 수도 있다.
모드전환기준값은 히트펌프(210)로 공급되는 열교환 유체의 유입온도(Tin)와 대비되는 기준온도를 포함할 수 있다. 또한 모드전환기준값은 히트펌프(210)를 통과하는 열교환 유체의 열량변동값을 실시간으로 적산하여 산출되는 적산열량과 대비되는 기준열량을 포함할 수도 있다. 적산열량과 대비되는 기준열량은 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 적은 부하의 값일 수도 있고, 더 적은 부하의 값에 대해 소정 비율로 설정된 값일 수도 있다.
이러한 설정을 마친 이후에 본 발명의 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템을 수직형 모드로 동작시키고, 유입온도(Tin) 및 유출온도(Tout), 유량(Q) 등을 검출한다.
수직형 모드로 동작을 시작하면, 순환펌프(P)가 동작함에 따라 제1 서브공급관(111)과 메인공급관(310)을 통해 유입된 열교환용 유체가 히트펌프(210)를 통과하면서 열교환을 한 후에 메인리턴관(320)과 제1 서브리턴관(112)을 통해 수직형의 제1 열교환 배관(110)으로 회수된다.
이 과정에서 제어장치(500)의 온도검출부(510)는 유입온도계(410)를 통해 유입온도(Tin)를 검출하고, 열량적산부(520)는 유입온도계(410), 유출온도계(420), 유량계(450)의 검출값을 이용하여 히트펌프(210)를 통과한 유체의 변동열량을 적산한다. (ST11)
이와 같이 시스템이 수직형 모드로 동작하는 중에 동작모드전환부(540)는 유입온도(Tin)가 모드전환기준값에 도달하는지 여부를 감시한다. (ST12)
만일 유입온도(Tin)가 모드전환기준값에 도달하면 동작모드전환부(540)는 제1 경로전환부(V1)를 제어하여 메인공급관(310)에 제2 서브공급관(121)을 연결하고, 제2 경로전환부(V2)를 제어하여 메인리턴관(320)에 제2 서브리턴관(122)을 연결함으로써 시스템의 동작모드를 수평형 모드로 전환한다. (ST13)
한편 유입온도(Tin)가 모드전환기준값에 도달하지 않았더라도, 동작모드전환부(540)는 열량적산부(520)에서 실시간으로 산출되는 적산열량이 모드전환기준값에 도달하는지 여부를 지속적으로 감시하고, 만일 적산열량이 모드전환기준값에 도달하면 시스템의 동작모드를 수평형 모드로 전환하는 것이 바람직하다. (ST14)
이하에서는 도 7과 도 8의 개념도를 참조하여 보다 구체적으로 설명한다.
먼저 설명의 편의를 위해 본 발명의 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템은 1주기(예, 1년) 동안 난방부하와 냉방부하를 교대로 1번씩 동작시킨다고 가정한다.
그리고 본 발명의 실시예에 따른 지열 히트펌프 시스템은 난방이든 냉방이든 기본적으로 수직형 모드에서 동작을 개시하며, 히트펌프(210)로 유입되는 열교환 유체의 유입온도(Tin)가 제1 모드전환기준값으로 설정되고, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 적은 부하의 값이 더 큰 부하에 대한 제2 모드전환기준값으로 설정된다고 가정한다.
만일 도 7에 예시한 바와 같이, 난방설계부하와 냉방설계부하가 각각 1,500 및 1,000 이라고 가정하면, 난방모드로 동작할 때 열교환 유체의 유입온도(Tin)에 대한 기준온도(예, 8~10℃)를 제1 모드전환기준값으로 설정하고, 냉방설계부하의 값인 1,000 또는 이에 대해 소정 비율로 설정된 값을 난방부하에 대한 제2 모드전환기준값으로 설정할 수 있다.
따라서 수직형 모드로 난방을 수행하다가 온도검출부(510)에서 검출한 유입온도(Tin)가 기준온도에 도달하거나, 비록 기준온도에 도달하지 않았더라도 열량적산부(5201)에서 산출되는 실제 난방부하의 적산열량이 예를 들어 냉방설계부하의 값인 기준열량(예, 1,000) 또는 이에 대해 소정 비율로 설정된 값에 도달하면 시스템의 동작모드를 수평형 모드로 전환한다.
이렇게 하면 난방설계부하가 냉방설계부하보다 큰 시스템을 장기간 가동하더라도 지중열원의 에너지가 과도하게 배출되어 지중평균온도가 낮아지는 것을 방지할 수 있다.
이와 반대로 도 8에 예시한 바와 같이, 난방설계부하와 냉방설계부하가 각각 1,000 및 1,500 으로서 냉방설계부하가 더 크다고 가정하면, 냉방모드로 동작할 때 열교환 유체의 유입온도(Tin)에 대한 기준온도를 제1 모드전환기준값으로 설정하고, 난방설계부하의 값인 1,000 또는 이에 대해 소정 비율로 설정된 값을 냉방부하에 대한 제2 모드전환기준값으로 설정할 수 있다.
따라서 수직형 모드로 냉방을 수행하다가 온도검출부(510)에서 검출한 유입온도(Tin)가 기준온도(예, 22~25℃)에 도달하거나, 비록 기준온도에 도달하지 않았더라도 열량적산부(5201)에서 산출되는 실제 냉방부하의 적산열량이 예를 들어 난방설계부하의 값인 기준열량(예, 1,000) 또는 이에 대해 소정 비율로 설정된 값에 도달하면 시스템의 동작모드를 수평형 모드로 전환한다.
이렇게 하면 냉방설계부하가 난방설계부하보다 큰 시스템을 장기간 가동하더라도 지중열원으로 에너지가 과도하게 투입되어 지중평균온도가 높아지는 것을 방지할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 구체적인 적용 과정에서 다양한 형태로 변형 또는 수정되어 실시될 수 있다.
일 예로서, 전술한 실시예에서는 히트펌프의 유입온도뿐만 아니라 적산열량을 기준으로 동작모드를 수직형에서 수평형으로 전환하는 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니므로 히트펌프의 유입온도와 적산열량 중에서 어느 하나만을 기준으로 동작모드를 전환할 수도 있다.
다른 예로서, 전술한 실시예에서는 제1 밸브(V1) 및 제2 밸브(V2)가 제어장치(500)의 동작모드전환부(540)에 의해 자동 제어되는 것으로 설명하였으나, 경우에 따라서는 동작모드전환부(540)는 동작모드 전환명령을 디스플레이(550) 등을 통해 출력하거나 관리자단말(600)로 전송하고 밸브(V1,V2)의 전환동작은 수동으로 이루어질 수도 있다.
이와 같이 본 발명은 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: 제1 열교환 배관
111: 제1 서브공급관 112: 제1 서브리턴관
120: 제2 열교환 배관 121: 제2 서브공급관
122: 제2 서브리턴관 200: 기계실
210: 히트펌프 220: 부하
310: 메인공급관 320: 메인리턴관
410: 유입온도계 420: 유출온도계
450: 유량계 500: 제어장치
510: 온도검출부 520: 열량적산부
530: 경고발생부 540: 동작모드전환부
550: 디스플레이 560: 입력부
570: 저장부 580: 통신부
600: 관리자단말 P: 순환펌프
V1, V2: 제1, 제2 경로전환부

Claims (10)

  1. 지중에 수직방향으로 매설된 제1 열교환 배관;
    지표면 부근에 수평방향으로 매설된 제2 열교환 배관;
    열교환 유체의 공급과 회수를 위하여 히트펌프에 각각 연결된 메인공급관 및 메인리턴관;
    상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제1 열교환 배관 또는 상기 제2 열교환 배관에 선택적으로 연결하는 경로전환부;
    상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제1 열교환 배관에 연결하는 수직형 동작모드에서 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제2 열교환 배관에 연결하는 수평형 동작모드로 전환하는 모드전환 여부를 판단하는 제어장치
    를 포함하는 지열 히트펌프 시스템
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 히트펌프로 유입되는 열교환 유체의 온도가 설정된 모드전환기준값에 도달하면 모드전환을 결정하는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 큰 설계부하의 동작 중에 상기 히트펌프를 통과하는 유체의 변동열량을 적산한 값이 설정된 모드전환기준값에 도달하면 모드전환을 결정하는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템
  4. 제3항에 있어서,
    상기 모드전환기준값은 더 적은 설계부하의 값에 대해 소정 비율로 설정된 값인 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 열교환 배관의 일단과 타단에는 각각 제1 서브공급관과 제1 서브회수관이 연결되고, 상기 제2 열교환 배관의 일단과 타단에는 각각 제2 서브공급관과 제2 서브회수관이 연결되며,
    상기 경로전환부는, 상기 메인공급관을 상기 제1 서브공급관과 상기 제2 서브공급관 중에서 하나에 연결하는 제1 밸브와, 상기 메인리턴관을 상기 제1 서브리턴관과 상기 제2 서브리턴관 중에서 하나에 연결하는 제2 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어장치는 모드전환이 결정되면 상기 제1 밸브와 상기 제2 밸브를 자동으로 제어하여 열교환 유체의 경로를 전환하는 동작모드전환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 모드전환이 결정되면 동작모드 전환명령을 디스플레이를 통해 출력하거나 관리자단말로 전송하는 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템
  8. 지중에 수직방향으로 매설된 제1 열교환 배관과, 지표면 부근에 수평방향으로 매설된 제2 열교환 배관과, 열교환 유체의 공급과 회수를 위하여 히트펌프에 각각 연결된 메인공급관 및 메인리턴관과, 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제1 열교환 배관 또는 상기 제2 열교환 배관에 선택적으로 연결하는 경로전환부를 포함하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법에 있어서,
    동작모드를 수직형 동작모드에서 수평형 동작모드로 전환하는 기준이 되는 모드전환기준값을 설정하는 단계;
    상기 열교환 유체의 온도를 기초로 하여 획득한 값이 상기 모드전환기준값에 도달하였는지 여부를 확인하는 단계;
    상기 모드전환기준값에 도달한 것으로 판단되면, 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제1 열교환 배관에 연결하는 수직형 동작모드에서 상기 메인공급관과 상기 메인리턴관을 상기 제2 열교환 배관에 연결하는 수평형 동작모드로 전환하는 단계
    를 포함하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법
  9. 제8항에 있어서,
    상기 열교환 유체의 온도를 기초로 하여 획득한 값은, 상기 히트펌프로 유입되는 열교환 유체의 온도인 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법
  10. 제8항에 있어서,
    상기 열교환 유체의 온도를 기초로 하여 획득한 값은, 난방설계부하와 냉방설계부하 중에서 더 큰 설계부하의 동작 중에 상기 히트펌프를 통과하는 유체의 변동열량을 적산한 값인 것을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 제어방법
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