KR20210049305A - Managing methods for multi geothermal heat pump system using variable discharge control - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법의 제어부가 지열측 입출구 온도차를 계산하고, 계산된 입출구 온도차와 제어부에 설정된 최적 온도차를 상호 비교한 결과에 따라서 지열 히트펌프 시스템의 유량을 비례 제어하는 변유량 제어수순을 포함하는 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method of operating a multi-geothermal heat pump system using variable flow control, and more particularly, a control unit of a method of operating a geothermal heat pump system calculates a temperature difference at the inlet and outlet on the geothermal side, and the calculated inlet and outlet temperature difference and the set in the control unit. The present invention relates to a method of operating a geothermal heat pump system, characterized by including a variable flow rate control procedure for proportionally controlling the flow rate of the geothermal heat pump system according to a result of comparing the optimum temperature difference with each other.
전세계의 에너지 소비는 1973년부터 2016년까지 30% 이상 증가했으며, 2050년까지 꾸준히 증가할 것으로 예상되며, 총 에너지 소비량 중 약 30%의 에너지를 주거 또는 비주거 건물에 사용하고 있다(주 1 및 주 2).Worldwide energy consumption increased by more than 30% from 1973 to 2016, and is expected to increase steadily through 2050, with approximately 30% of total energy consumption being used in residential or non-residential buildings (
이러한 전세계적인 에너지 증가 추세에 따라 건물 부문에의 에너지 절감 및 효율적 사용에 대한 사회적 관심이 지속되고 있으며, 장기적인 에너지 절감을 위해 에너지 비용의 절감, 공급의 안정화 및 온실가스 저감을 유도하는 신재생에너지 기술이 주목받고 있다.In line with this global energy increase trend, social interest in energy saving and efficient use in the building sector continues, and new and renewable energy technology that induces reduction of energy costs, stabilization of supply, and reduction of greenhouse gases for long-term energy savings. This is attracting attention.
이러한 신재생에너지 기술중 겨울철 지상의 온도보다 따뜻하고 여름철 더 시원한 지중의 온도로 인해 연중 효율적인 운영이 가능하며 냉난방 성능이 우수한 지열 히트펌프 시스템의 설치 및 이용이 증가하고 있는 추세에 있다.Among these new and renewable energy technologies, the installation and use of geothermal heat pump systems with excellent cooling and heating performance is on the rise because of the underground temperature that is warmer than the ground in winter and cooler in summer.
하지만, 지열 히트펌프 시스템은 초기 설치비용이 기존의 냉난방 시스템보다 높게 형성되기 때문에 지열 히트펌프 시스템의 설치비용 절감과 안정적인 성능 유지를 위한 설계가 필요하다.However, since the initial installation cost of the geothermal heat pump system is higher than that of the existing cooling and heating system, it is necessary to design the geothermal heat pump system to reduce the installation cost and maintain stable performance.
또한, 지열 히트펌프 시스템의 설치 후 효율적인 운영을 통해 에너지 절감, 시스템 성능 확보 및 운전비용 절감이 필요하다.In addition, it is necessary to save energy, secure system performance, and reduce operating costs through efficient operation after installation of the geothermal heat pump system.
이를 위하여, 종래 지열 히트펌프 시스템의 성능 향상과 관련된 다양한 연구가 진행되었다.To this end, various studies related to performance improvement of conventional geothermal heat pump systems have been conducted.
Hepbasli(주3)는 수직 밀폐형 지중 열교환기를 적용한 지열 히트펌프 시스템의 성능 특성에 관한 연구를 진행했으며, Zhao et al.(주4)은 대체 냉매를 활용한 지열 히트펌프 시스템의 성능에 관한 실험적 연구를 실시하였다.Hepbasli (Note 3) conducted a study on the performance characteristics of a geothermal heat pump system using a vertically sealed underground heat exchanger, and Zhao et al. (Note 4) conducted an experimental study on the performance of a geothermal heat pump system using an alternative refrigerant. Was carried out.
또한, 지중 열교환기의 성능 향상 및 최적 설계를 통한 지열 히트펌프 시스템의 효율 향상에 관한 연구가 진행되었다.In addition, research has been conducted on improving the performance of an underground heat exchanger and improving the efficiency of a geothermal heat pump system through an optimal design.
Baek(주7)은 냉난방 운전 특성에 따른 열적 회복을 고려한 지중 열교환기 최적 설계 방법을 제안했다. Liu et al.(주8)는 지중열교환기의 열전달 성능에 영향을 주는 변수를 분석하고 지중열교환기의 열전달 효율을 향상시키고 불필요한 폐열낭비를 줄이기 위한 지중열교환기 설계 방법을 개발하였다.Baek (Note 7) proposed an optimal design method for an underground heat exchanger in consideration of thermal recovery according to the characteristics of heating and cooling operations. Liu et al. (Note 8) analyzed the variables affecting the heat transfer performance of the underground heat exchanger, and developed a design method for the underground heat exchanger to improve the heat transfer efficiency of the underground heat exchanger and reduce unnecessary waste heat.
나아가, 다른 열원 시스템과의 통합설계 및 복합운영을 통한 지열 히트펌프 시스템의 효율 향상에 대한 연구도 진행되었다.Furthermore, research on improving the efficiency of geothermal heat pump systems through integrated design and complex operation with other heat source systems was also conducted.
Aymeric Girard(주5)는 태양열과 지열 히트펌프 시스템의 복합운영을 통한 지열 히트펌프 시스템의 성능 향상에 관련된 분석을 실시하였다. 또한, Yu et al. (주6)은 흡수식 냉온수기와 지열 시스템의 복합운영 방안을 제안하며 기존의 운영 방식과의 비교 분석을 실시하였다.Aymeric Girard (Note 5) conducted an analysis related to the performance improvement of the geothermal heat pump system through the combined operation of the solar and geothermal heat pump systems. In addition, Yu et al. (Note 6) proposes a combined operation plan of the absorption chiller and hot water system and the geothermal system, and a comparative analysis with the existing operation method was conducted.
그러나, 지열 시스템의 성능 향상을 위한 설계 및 효율 향상을 위한 여러 연구가 진행되는 반면, 지열 히트펌프 시스템의 효율적인 운영을 통한 에너지 절감 및 효율 향상과 관련된 연구는 미흡한 실정이며, 실제 지열 히트펌프 시스템이 적용된 다수의 건물에서 설치 후 비효율적인 운영으로 인한 효율 저하의 문제점이 빈번하게 발생하였다.However, while a number of studies are being conducted to improve the design and efficiency of the geothermal system, the research related to energy saving and efficiency improvement through the efficient operation of the geothermal heat pump system is insufficient, and the actual geothermal heat pump system is not After installation in a number of applied buildings, the problem of efficiency reduction due to inefficient operation occurred frequently.
종래 상술한 지열 시스템의 비효율적인 운영방법으로서, 지중 순환펌프의 정유량 제어를 통한 지열 히트펌프 시스템 운영방법이 있었다.As an inefficient method of operating the above-described geothermal system, there has been a method of operating a geothermal heat pump system through constant flow control of an underground circulation pump.
도 1 은 종래 정유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법의 순서도이다.1 is a flowchart of a method of operating a multi-geothermal heat pump system using a conventional constant flow rate control.
종래 멀티 지열 히트펌프 시스템은 부하의 변화와 상관없이 일정한 지중 순환수를 공급하는 정유량 제어 방식이며, 시스템의 설정 온도에 따라서 히트펌프를 몇대 제어할 것인지를 설정한다.The conventional multi-geothermal heat pump system is a constant flow rate control method that supplies constant underground circulating water regardless of a change in load, and how many heat pumps to control are set according to a set temperature of the system.
즉, 냉수 설정 온도를 기준으로 설정 온도의 상한치가 되면 히트펌프의 운전 대수를 증가시키는 제어를 실시하고, 설정 온도의 하한치에 도달하면 히트펌프의 운전 대수를 감소시키는 제어를 실시하는 운영방법이다.That is, based on the cold water set temperature, when the upper limit of the set temperature is reached, the number of operating heat pumps is increased, and when the lower limit of the set temperature is reached, the number of operating heat pumps is reduced.
구체적으로는, 도 1 에 도시된 바와 같이, 현재 히트펌프 시스템이 작동중이지 않은 초기 상태(S1)에서, 히트펌프 시스템의 제어부가 히트펌프의 냉수 출구 온도를 검출하여(S2), 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 높은지를 판단하고(Tw>Tset.w)(S3), 높은 경우 지열 히트펌프 시스템을 작동시키는 제어를 실시하고(SH1=1)(S4), 순환펌프를 작동시킨다(Sp1=1)(S5).Specifically, as shown in FIG. 1, in the initial state (S1) in which the heat pump system is not currently operating, the control unit of the heat pump system detects the cold water outlet temperature of the heat pump (S2), Determine whether the cold water outlet temperature is higher than the set temperature (Tw>Tset.w) (S3), and if it is high, control to operate the geothermal heat pump system (S H1 =1) (S4), and operate the circulation pump. (Sp1=1)(S5).
그러나, 상기 S3 단계에서 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 낮으면(Tw<Tset.w), 히트펌프 시스템을 미작동시켜 현재 상태를 유지하는 제어를 실시한다(SH1=0)(S6).However, if the cold water outlet temperature of the heat pump in the step S3 is lower than the set temperature (Tw<Tset.w), the heat pump system is not operated to maintain the current state (S H1 = 0) (S6). ).
상기 S5 단계 이후 지열 히트펌프 시스템이 작동중일 경우, 계속적으로 제어부가 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 높은지를 판단하고(Tw>Tset.w)(S7), 높은 경우 설정 온도를 맞추기 위하여 히트펌프를 하나 더 추가적으로 가동시키는 제어를 실시한다(SH2=1)(S8).When the geothermal heat pump system is in operation after step S5, the control unit continuously determines whether the cold water outlet temperature of the heat pump is higher than the set temperature (Tw>Tset.w) (S7), and if it is high, heats to meet the set temperature. Control to start an additional pump (S H2 =1) (S8).
상기 S7 단계에서 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 낮으면(Tw<Tset.w), S6 단계로 리턴하여 히트펌프 시스템을 미작동시켜 현재 상태를 유지하는 제어를 실시한다.If the cold water outlet temperature of the heat pump in step S7 is lower than the set temperature (Tw<Tset.w), the process returns to step S6 to inactivate the heat pump system to maintain the current state.
그리고, 상기 S8 단계 이후에는 제어부가 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 높은지를 판단하다가(Tw>Tset.w)(S9), 높은 경우 설정 온도를 맞추기 위하여 히트펌프를 하나 더 추가적으로 가동시키고(S10), 히트펌프의 냉수 출구 온도가 설정 온도보다 낮아지면 작동시켰던 히트펌프의 작동을 순차적으로 중지하는 제어를 실시하게 된다(S11).In addition, after step S8, the control unit determines whether the cold water outlet temperature of the heat pump is higher than the set temperature (Tw>Tset.w) (S9), and if it is high, operates one more heat pump to meet the set temperature (Tw>Tset.w) (S9). S10), when the cold water outlet temperature of the heat pump is lower than the set temperature, control is performed to sequentially stop the operation of the operated heat pump (S11).
그러나, 상술한 바와 같은 종래의 정류량 제어를 통한 지열 히트펌프 시스템의 지중 순환 펌프의 운영방법은, 부하와 상관없이 일정한 유량을 공급하는 제어를 수행하므로 부분 부하 운전시 에너지 낭비 및 효율 저하를 일으키는 문제점이 있었다. However, the conventional method of operating the underground circulation pump of the geothermal heat pump system through the control of the amount of rectification as described above performs control to supply a constant flow rate regardless of the load, which causes energy waste and efficiency reduction during partial load operation. There was a problem.
따라서, 종래 Song(주9)은 지열 히트펌프 시스템의 가변 유량제어 방안을 제안하였고, Jung et al.(주10)은 지중 순환수 유량 변화에 따른 지열 히트펌프 시스템의 순환 펌프 소비동력과 히트펌프 유닛의 성능을 분석한 바 있으나, 종래 Song (주9)의 지열 히트펌프 시스템의 가변 유량제어 방안과, Jung et al.(주10)의 성능 평가 방법은 단일 갯수의 히트펌프 시스템에 국한된 것으로서, 다수개의 히트펌프를 가진 지열 히트펌프 시스템의 운영 방법이나 평가는 아니라는 점에서 제약이 있었다.Therefore, the conventional Song (Note 9) proposed a variable flow rate control method for the geothermal heat pump system, and Jung et al. (Note 10) proposed the circulating pump consumption power and heat pump of the geothermal heat pump system according to the change of the circulating water flow rate in the ground. Although the performance of the unit has been analyzed, the variable flow control method of the geothermal heat pump system of Song (Note 9) and the performance evaluation method of Jung et al. (Note 10) are limited to a single number of heat pump systems. There were limitations in that it was not an operation method or evaluation of a geothermal heat pump system with multiple heat pumps.
* 주* Note
주1) International Energy Agency (IEA); Key World Energy Statistics 2018; 2018.Note 1) International Energy Agency (IEA); Key World Energy Statistics 2018; 2018.
주2) Energy Information Administration (EIA); Annual Energy Outlook 2019; 2019.Note 2) Energy Information Administration (EIA); Annual Energy Outlook 2019; 2019.
주3) Hepbasli, A., 2002, Performance evaluation of a vertical ground-source heat pump system in Izmir, Turky, Int., Journal of Energy Res., Vol. 26, pp. 1121-1139.Note 3) Hepbasli, A., 2002, Performance evaluation of a vertical ground-source heat pump system in Izmir, Turky, Int., Journal of Energy Res., Vol. 26, pp. 1121-1139.
주4) Zhao, P. C., Zhao, L., Ding, G. L. and Zhang, C. L., 2002, Experimental research on geothermal heat pump system with non-azeotropic working fluids, Applied Thermal Engineering, Vol. 22, No. 15, pp. 1749-1761.Note 4) Zhao, P. C., Zhao, L., Ding, G. L. and Zhang, C. L., 2002, Experimental research on geothermal heat pump system with non-azeotropic working fluids, Applied Thermal Engineering, Vol. 22, No. 15, pp. 1749-1761.
주5) Aymeric Girard, Higher ground source heat pump COP in a residential building through the use of solar thermal collectors, Renewable Energy, 2015.Note 5) Aymeric Girard, Higher ground source heat pump COP in a residential building through the use of solar thermal collectors, Renewable Energy, 2015.
주6) Yu, S. W. et al. Astudy on the optimized control strategies of geothermal heat pump system and absorption chiller-heater, Int. J. Energy Res, 2013.Note 6) Yu, S. W. et al. Astudy on the optimized control strategies of geothermal heat pump system and absorption chiller-heater, Int. J. Energy Res, 2013.
주7) Baek, S. H., A Simple Design Method for Ground Heat Exchanger Considering Heating and Cooling Operations of Building, Ph.D course, Graduate School of Seoul National University, Korea, 2017.Note 7) Baek, S. H., A Simple Design Method for Ground Heat Exchanger Considering Heating and Cooling Operations of Building, Ph.D course, Graduate School of Seoul National University, Korea, 2017.
주8) Liu, Y., Zhang, Y., Gong, S., Wang, Z., & Zhang, H. (2015). Analysis on the Performance of Ground Heat Exchangers in Ground Source Heat Pump Systems based on Heat Transfer Enhancements, Procedia Engineering, 121, 19-26.Note 8) Liu, Y., Zhang, Y., Gong, S., Wang, Z., & Zhang, H. (2015). Analysis on the Performance of Ground Heat Exchangers in Ground Source Heat Pump Systems based on Heat Transfer Enhancements, Procedia Engineering, 121, 19-26.
주9) Song, S. W., An Experimental Study on Variable-Speed Control of an Ground-Water Circulation Pump for a Ground Source Multi-Heat Pump System, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, 25(8), 443-449, 2013.Note 9) Song, SW, An Experimental Study on Variable-Speed Control of an Ground-Water Circulation Pump for a Ground Source Multi-Heat Pump System, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, 25(8), 443-449 , 2013.
주10) Jung, Y. J et al. A Study on the Geothermal Heat Pump System Performance Analysis according to Water Flow Rate Control of the Geothermal Water Circulation Pump, Journal of the Korean Solar Energy Society, 34(6), 103-109, 2014.Note 10) Jung, Y. J et al. A Study on the Geothermal Heat Pump System Performance Analysis according to Water Flow Rate Control of the Geothermal Water Circulation Pump, Journal of the Korean Solar Energy Society, 34(6), 103-109, 2014.
상기와 같은 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 지열 히트펌프 시스템의 에너지 절감 및 효율적인 운영을 위하여, 지중 순환 펌프의 변유량 제어 방안을 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법을 제공한다.An object of the present invention for solving the above problems is to provide a method of operating a multi-geothermal heat pump system utilizing a variable flow rate control method of an underground circulation pump for energy saving and efficient operation of a geothermal heat pump system.
나아가, 본 발명의 운영방법을 적용한 시스템과 종래의 운영방법을 적용한 시스템을 비교하기 위하여, TRNSYS 등의 공지된 분석 프로그램을 활용하여 실내 열 환경, 지중 순환 펌프 소비동력, 지열 히트펌프 시스템 에너지 소비량, COP 분석을 실시하여 본 발명의 운영방법을 검증하였다.Further, in order to compare the system to which the operation method of the present invention is applied and the system to which the conventional operation method is applied, an indoor thermal environment, underground circulation pump consumption power, geothermal heat pump system energy consumption, COP analysis was performed to verify the operating method of the present invention.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법은, 제어부가 지열측 입출구 온도차를 계산하고, 계산된 입출구 온도차와 제어부에 설정된 최적 온도차를 상호 비교한 결과에 따라서 지열 히트펌프 시스템의 유량을 비례 제어하는 변유량 제어수순을 포함하는 구성을 특징으로 한다.In the operating method of a multi-geothermal heat pump system using the variable flow rate control of the present invention to achieve the above technical problem, the controller calculates the temperature difference at the inlet and outlet on the geothermal side, and compares the calculated inlet and outlet temperature difference with the optimum temperature difference set in the controller. According to one result, it features a configuration including a variable flow rate control procedure for proportionally controlling the flow rate of the geothermal heat pump system.
또한, 상기 변유량 제어수순은 상기 제어부가 계산된 입출구 온도차가 최적 온도차보다 높은 경우 지열 히트펌프이 순차적으로 작동되도록 제어하는 구성을 특징으로 한다.In addition, the variable flow rate control procedure is characterized in that the control unit controls the geothermal heat pump to be sequentially operated when the calculated inlet and outlet temperature difference is higher than the optimum temperature difference.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 현재 히트펌프 시스템이 작동중이지 않은 초기 상태일 경우, 상기 제어부가 실내온도를 검출하여, 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 높은지를 판단하고, 높은 경우 지열 히트펌프 시스템을 작동시키는 제어를 실시하고, 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 낮으면, 히트펌프 시스템을 미작동시켜 현재 상태를 유지하는 제어를 실시하는 구성을 특징으로 한다.In addition, the variable flow rate control procedure is, when the current heat pump system is in an initial state in which the heat pump system is not operating, the control unit detects the indoor temperature to determine whether the detected indoor temperature is higher than the set indoor temperature, and if it is high, the geothermal heat pump It is characterized in that the system is controlled to operate, and when the detected indoor temperature is lower than the set indoor temperature, the heat pump system is deactivated to maintain the current state.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 상기 제어부가 한 대의 히트펌프의 지중 순환수 입출구 온도를 검출하고, 검출된 입구온도와 출구온도의 온도차이값를 계산하고, 계산된 입구온도와 출구온도의 온도차이값을 설정된 목표온도차이값과 비교하여 비례제어를 수행하고, 수행된 비례제어에 따른 순환펌프구동신호를 출력하는 구성을 특징으로 한다.In addition, in the variable flow rate control procedure, the control unit detects the underground circulating water inlet and outlet temperature of one heat pump, calculates a temperature difference value between the detected inlet temperature and outlet temperature, and calculates a temperature difference between the inlet temperature and the outlet temperature. Compared with the set target temperature difference value, proportional control is performed, and a circulating pump driving signal according to the performed proportional control is output.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 상기 제어부는 출력된 비례제어에 따른 순환펌프의 구동신호에 따라서 펌프의 공급 유량을 결정하는 구성을 특징으로 한다.In addition, the variable flow rate control procedure is characterized in that the control unit determines the supply flow rate of the pump according to a driving signal of the circulation pump according to the output proportional control.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 결정된 펌프의 공급 유량에 따라서 순환펌프를 작동시키는 구성을 특징으로 한다.In addition, the variable flow rate control procedure is characterized in that the circulation pump is operated according to the determined supply flow rate of the pump.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 상기 지열 히트펌프 시스템이 작동중일 경우, 상기 제어부가 지중 순환수의 입출구 온도차가 설정된 목표온도차보다 높은지를 판단하여, 높은 경우 히트 펌프를 하나 더 추가적으로 가동시키는 제어를 실시하는 구성을 특징으로 한다.In addition, the variable flow rate control procedure is, when the geothermal heat pump system is in operation, the control unit determines whether the temperature difference at the inlet and outlet of the ground circulating water is higher than a set target temperature difference, and if it is high, a control is performed to operate one more heat pump. It features a configuration.
또한, 상기 변유량 제어수순은, 지중 순환수의 입출구 온도차가 설정된 목표온도차보다 낮으면, 히트펌프의 작동을 중지하는 구성을 특징으로 한다.In addition, the variable flow rate control procedure is characterized in that the operation of the heat pump is stopped when the temperature difference at the inlet and outlet of the underground circulating water is lower than the set target temperature difference.
상기와 같은 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법의 효과는, 종래의 지열 히트펌프 시스템은 순환펌프의 정유량 제어로 부하와 상관없이 동일한 유량을 공급함으로써 부분 부하시 순환펌프의 에너지가 낭비되며 전체 시스템의 성능 저하에 원인이 되었으나, 본 발명의 운영방법은 순환펌프의 변유량 제어 방안을 활용하여 최적 성능을 내는 유량에 따라 멀티 지열 히트펌프 시스템을 순차적으로 운영함으로써 실내 열 환경을 안정적으로 제어할 수 있으며, 기존의 운영방안 대비 순환수 공급 유량이 최대 약 29% 감소하였고, 지열 히트펌프는 약 23%, 순환펌프는 약 66%의 에너지 절감이 가능하며, 순환펌프의 소비동력을 포함한 시스템 COP가 향상되는 결과를 수득하게 되었다. The effect of the operating method of the multi-geothermal heat pump system utilizing the variable flow rate control of the present invention for achieving the above technical problem is that the conventional geothermal heat pump system achieves the same flow rate regardless of the load by controlling the constant flow rate of the circulation pump. By supplying, energy of the circulation pump was wasted during partial load and caused the deterioration of the performance of the entire system, but the operating method of the present invention utilizes the variable flow rate control method of the circulation pump and uses a multi-geothermal heat pump system according to the flow rate that produces the optimum performance. By sequentially operating the indoor thermal environment, the indoor thermal environment can be stably controlled, and the circulating water supply flow has been reduced by up to about 29% compared to the existing operation method, and energy savings of about 23% for the geothermal heat pump and about 66% for the circulation pump have been achieved. It is possible, and the result is that the system COP including the power consumption of the circulation pump is improved.
도 1 은 종래 정유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법의 순서도,
도 2 는 동일 조건에서 유량이 변화할 경우의 P-h 선도를 나타내는 그래프,
도 3 은 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법의 순서도,
도 4 는 컴퓨터의 디스플레이를 통하여 표시되는 멀티 지열 히트펌프 시스템의 제어 화면의 일례,
도 5 는 TRNBuild 프로그램을 이용하여 건물의 상세 정보를 입력하는 화면의 일례
도 6 은 시뮬레이션 스튜디오(Simulation Studio)의 프로그램의 화면의 일례,
도 7 은 종래 정류량 제어를 활용한 설정온도에 따른 대수제어방식의 시뮬레이션의 흐름도의 일례,
도 8 은 본 발명의 변유량 제어를 활용한 설정온도에 따른 대수제어방식의 시뮬레이션 흐름도의 일례,
도 9 는 실내 설정 온도 설정시 종래 실시예와 본 발명 실시예의 온도 변화의 그래프,
도 10 은 종래 실시예와 본 발명 실시예의 지열측 입출구 온도 분석 결과의 그래프,
도 11 은 종래 실시예와 본 발명 실시예의 지중 순환수 유량 변화의 그래프,
도 12 는 종래 실시예와 본 발명 실시예의 지열 히트펌프와 순환펌프의 소비동력을 나타내는 그래프,
도 13 은 종래 실시예와 본 발명 실시예의 부하에 따른 지열 히트펌프 시스템의 COP를 분석한 그래프이다.1 is a flow chart of a method of operating a multi-geothermal heat pump system using a conventional constant flow control,
2 is a graph showing a Ph diagram when the flow rate changes under the same conditions,
3 is a flow chart of a method of operating a multi-geothermal heat pump system utilizing the variable flow rate control of the present invention,
4 is an example of a control screen of a multi-geothermal heat pump system displayed through a display of a computer;
5 is an example of a screen for entering detailed information of a building using the TRNBuild program
6 is an example of a screen of a program of a simulation studio,
7 is an example of a flow chart of a simulation of a number control method according to a set temperature using a conventional rectified amount control,
8 is an example of a simulation flow chart of a number control method according to a set temperature using the variable flow rate control of the present invention,
9 is a graph of the temperature change of a conventional embodiment and an embodiment of the present invention when setting an indoor temperature setting,
10 is a graph of the results of analyzing the temperature of the inlet and outlet on the geothermal side of the conventional example and the example of the present invention;
11 is a graph of a change in flow rate of circulating water in the ground according to a conventional example and an example of the present invention;
12 is a graph showing power consumption of a geothermal heat pump and a circulation pump according to a conventional embodiment and an embodiment of the present invention;
13 is a graph showing COP analysis of a geothermal heat pump system according to a load according to a conventional embodiment and an embodiment of the present invention.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the present invention may be implemented in various different forms, and therefore is not limited to the embodiments described herein. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.Throughout the specification, when a part is said to be "connected (connected, contacted, bonded)" with another part, it is not only "directly connected", but also "indirectly connected" with another member in the middle. "Including the case. In addition, when a part "includes" a certain component, this means that other components may be further provided, not excluding other components, unless specifically stated to the contrary.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present specification are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present specification, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude in advance.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
먼저, 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법을 수행하기 위한 이론을 설명한다. First, a theory for performing an operating method of a multi-geothermal heat pump system using the variable flow rate control of the present invention will be described.
본 발명의 지열 히트펌프 시스템의 지중 순환펌프 변유량 제어를 활용한 운영방법의 개발을 위하여 지열 히트펌프 시스템의 성능과 관련된 수학적 모델 분석을 실시하여야 한다.In order to develop an operating method utilizing the control of the amount of change in the underground circulation pump of the geothermal heat pump system of the present invention, a mathematical model analysis related to the performance of the geothermal heat pump system should be performed.
특히, 변유량 제어를 통한 시스템 성능 분석을 위하여 COP(Coefficient of Performance) 관련 수식을 이용한다.In particular, a formula related to COP (Coefficient of Performance) is used to analyze system performance through variable flow control.
상기 COP 는 히트 펌프, 냉장고 또는 공조 시스템의 성능 지표로서, 시스템의 운용에 필요한 가열 또는 냉각 비율이다. COP 가 높을수록 운영비는 낮아지는 특성이 있다.The COP is a performance index of a heat pump, refrigerator, or air conditioning system, and is a heating or cooling rate required for operation of the system. The higher the COP, the lower the operating cost.
특히, 지열 히트펌프 시스템의 COP 는 히트펌프의 압축기와 순환펌프의 소비동력에 영향을 받는다.In particular, the COP of a geothermal heat pump system is affected by the power consumption of the compressor of the heat pump and the circulation pump.
이때, P-h 선도를 통해 지열 히트펌프 시스템의 변유량 제어를 활용한 운영방안의 에너지 절감 및 시스템 성능 향상 가능성을 확인할 수 있다.At this time, through the P-h diagram, it is possible to confirm the possibility of energy saving and system performance improvement in the operation plan utilizing the variable flow rate control of the geothermal heat pump system.
한편, p-h 선도는 히트펌프 내부의 상태를 나타내는 선도로서, 선도 위의 각 지점의 엔탈피를 이용해 COP 산정이 가능하다. On the other hand, the p-h diagram is a diagram representing the internal state of the heat pump, and COP can be calculated using the enthalpy of each point on the diagram.
도 2 는 동일 조건에서 유량이 변화할 경우의 P-h 선도를 나타내고 있다. 상기 도면에서 A-D 선도는 a-b 선도에서 유량을 감소시켰을 때를 나타낸다.Fig. 2 shows a P-h diagram when the flow rate changes under the same conditions. In the above figure, the A-D diagram shows the case when the flow rate is decreased in the a-b diagram.
도면을 참조하면, 유량이 감소할 경우 압력이 감소하며 압축기의 소비동력이 감소하는 것을 확인할 수 있다.Referring to the drawings, it can be seen that when the flow rate decreases, the pressure decreases and the power consumption of the compressor decreases.
따라서, 동일 조건에서 변유량 제어시 순환펌프의 소비동력을 고려하는 시스템의 전체 COP 향상이 가능하므로, 부분 부하시 정유량 제어로 인해 낭비되는 순환펌프의 에너지 사용량 감소와 지열 히트펌프 시스템 COP 향상이 가능함을 이론적으로 확인할 수 있다.Therefore, it is possible to improve the overall COP of the system that considers the power consumption of the circulation pump when controlling the variable flow rate under the same conditions, so it is possible to reduce the energy consumption of the circulation pump and improve the geothermal heat pump system COP, which is wasted due to the constant flow rate control under partial load Can be confirmed theoretically.
본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법은 에너지 절감 및 지열 히트펌프 시스템 성능 향상이 가능한 지중 순환수 변유량 제어 방법을 이용한 것으로서, 다수대의 히트펌프(멀티 히트펌프)를 효율적으로 운영하는 방법이다.The method of operating a multi-geothermal heat pump system using the variable flow rate control of the present invention uses a method of controlling the amount of circulating water in the ground, which can save energy and improve the performance of the geothermal heat pump system, and efficiently operate a plurality of heat pumps (multi-heat pumps). That's how to do it.
본 발명의 멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법의 개발에 활용된 변유량 제어 방법의 유량은 다음 식들을 통해 계산할 수 있다. The flow rate of the variable flow rate control method used in the development of the multi-geothermal heat pump system operation method of the present invention can be calculated through the following equations.
이때, 열전달률은 유량과 비열, 온도 차를 통해 계산되며 수학식 1 에 의하여 산출되고, 유량은 수학식 2 에 의하여 산출된다.At this time, the heat transfer rate is calculated through the flow rate, specific heat, and temperature difference, and is calculated by
(수학식 1)(Equation 1)
(수학식 2)(Equation 2)
그리고, 부하가 동일할 때 정류량 제어와 변유량 제어 방안의 관계식은 수학식 3 과 같이 표시될 수 있다. 따라서, 변유량 제어를 위한 유량은 수학식 4 와 같이 구할 수 있다.In addition, when the load is the same, a relational expression between the rectification amount control and the variable flow amount control method may be expressed as
(수학식 3)(Equation 3)
(수학식 4)(Equation 4)
본 발명의 운영방법에 의하면, 유량의 변화와 COP 의 상관관계 분석에 따라서 유량이 감소하면 COP 가 향상되는 것을 확인할 수 있었다.According to the operating method of the present invention, it was confirmed that COP is improved when the flow rate is decreased according to the correlation analysis between the change in the flow rate and the COP.
그러나, 일정한 유량보다 적은 유량으로 운전시 순환펌프의 에너지 소비량 감소보다 히트펌프의 에너지 소비량 증가가 더 증가하여 COP가 감소하는 구간이 발생되었다.However, when operating at a flow rate less than a constant flow rate, the increase in the energy consumption of the heat pump increases more than the decrease in the energy consumption of the circulation pump, resulting in a section in which the COP decreases.
따라서, 유량과 온도차에 따른 COP 분석 결과에 따라 지열 히트펌프 시스템의 최대 성능을 발휘하기 위한 최적의 유량을 도출한 바, 지열측 온도차가 5℃ 일 때 유량이 최대 성능을 발휘하는 유량임을 알 수 있었으며, 이에 따라 본 발명의 운영방법은 최대 성능을 나타내는 유량을 유지할 수 있는 변유량 제어방식을 활용하였다.Therefore, according to the COP analysis result according to the flow rate and temperature difference, the optimum flow rate for the maximum performance of the geothermal heat pump system was derived.When the temperature difference on the geothermal side is 5°C, it can be seen that the flow rate shows the maximum performance. Accordingly, the operating method of the present invention utilized a variable flow rate control method capable of maintaining a flow rate representing the maximum performance.
본 발명의 지열 히트펌프 시스템의 제어부에 의하여 수행되는 운영방법은, 제어부가 지열측 입출구 온도차를 계산하고, 계산된 입출구 온도차와 제어부에 설정된 최적 온도차를 상호 비교한 결과에 따라서 지열 히트펌프 시스템의 유량을 비례 제어하는 변유량 제어수순을 포함하는 구성을 특징으로 한다.The operating method performed by the control unit of the geothermal heat pump system of the present invention is the flow rate of the geothermal heat pump system according to the result of the control unit calculating the temperature difference at the inlet and outlet at the geothermal side and comparing the calculated inlet and outlet temperature difference with the optimum temperature difference set in the control unit. It features a configuration including a variable flow rate control procedure for proportional control.
또한, 상기 제어부는 계산된 입출구 온도차가 최적 온도차보다 높은 경우 지열 히트펌프이 순차적으로 작동되도록 제어한다.In addition, the control unit controls the geothermal heat pump to be sequentially operated when the calculated inlet and outlet temperature difference is higher than the optimum temperature difference.
도 3 은 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법인 변유량 제어수순을 나타내는 플로우챠트이다.3 is a flow chart showing a variable flow rate control procedure, which is an operating method of a multi-geothermal heat pump system utilizing the variable flow rate control of the present invention.
도면을 참조하면, 상기 변유량 제어수순은, 현재 히트펌프 시스템이 작동중이지 않은 초기 상태(S20)에서, 히트펌프 시스템의 제어부가 실내온도를 검출하여(S21), 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 높은지를 판단하고(Troom>Tset.room)(S22), 높은 경우 지열 히트펌프 시스템을 작동시키는 제어를 실시한다(SH1=1)(S23).Referring to the drawings, the variable flow rate control procedure is, in an initial state in which the heat pump system is not currently operating (S20), the controller of the heat pump system detects the room temperature (S21), and the detected room temperature is set to the room temperature. It is determined whether it is higher (Troom>Tset.room) (S22), and if it is higher, control to operate the geothermal heat pump system is performed (S H1 =1) (S23).
반면, 상기 S22 단계에서 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 낮으면(Troom<Tset.room), 히트펌프 시스템을 미작동시켜 현재 상태를 유지하는 제어를 실시한다(SH1=0)(S24).On the other hand, if the indoor temperature detected in step S22 is lower than the set indoor temperature (Troom<Tset.room), the heat pump system is not operated to maintain the current state (S H1 = 0) (S24). .
다음으로, 히트펌프 시스템의 제어부가 한 대의 히트펌프의 지중 순환수 입출구 온도(Tw.r)를 검출하고(S25), 검출된 입구온도와 출구온도의 온도차이값(Td)를 계산한다(S26).Next, the control unit of the heat pump system detects the underground circulating water inlet and outlet temperature (Tw.r) of one heat pump (S25), and calculates a temperature difference value (Td) between the detected inlet temperature and outlet temperature (S26). ).
그리고, 계산된 입구온도와 출구온도의 온도차이값(Td)을 설정된 목표온도차이값(Tr)과 비교하여 비례제어를 수행하여(S27), 수행된 비례제어에 따른 순환펌프구동신호를 출력한다(S28). 본 발명의 실시예의 운영방법은 상기 입구온도와 출구온도의 온도차이값은 5℃ 이다.Then, the calculated temperature difference value (Td) between the inlet temperature and the outlet temperature is compared with the set target temperature difference value (Tr), and proportional control is performed (S27), and a circulating pump drive signal according to the performed proportional control is output. (S28). In the operating method of the embodiment of the present invention, the temperature difference between the inlet temperature and the outlet temperature is 5°C.
상기 비례제어는 제어 시스템에서 PI(Proportional-Integral) 제어를 가리키는 것으로서, 목표값과 측정값의 차이가 클수록 제어기의 출력을 크게 하여 오차를 줄이는 제어를 가리키는 공지의 제어방법이다.The proportional control refers to PI (Proportional-Integral) control in the control system, and is a known control method that refers to a control that reduces errors by increasing the output of the controller as the difference between the target value and the measured value increases.
그러면, 히트펌프 시스템의 제어부는 상기 S28 단계에서 출력된 비례제어에 따른 순환펌프의 구동신호에 따라서 펌프의 공급 유량을 결정하고(S29), 결정된 펌프의 공급 유량에 따라서 순환펌프를 작동시킨다(S30).Then, the control unit of the heat pump system determines the supply flow rate of the pump according to the drive signal of the circulation pump according to the proportional control output in step S28 (S29), and operates the circulation pump according to the determined supply flow rate of the pump (S30). ).
여기서, 종래의 운용방법에 따른 순환펌프의 구동신호의 크기가 항상 일정한 반면(Sp1=1)(도 2 의 S5 단계 참조), 본 발명의 운용방법에 따른 순환펌프의 구동신호는 비례제어를 수행함으로써 신호의 크기가 가변적이다(0≤Sp1≤1).Here, while the size of the drive signal of the circulation pump according to the conventional operation method is always constant (Sp1 = 1) (see step S5 in Fig. 2), the drive signal of the circulation pump according to the operating method of the present invention performs proportional control. By doing so, the size of the signal is variable (0≦Sp1≦1).
상기 S30 단계 이후 지열 히트펌프 시스템이 작동중일 경우, 제어부가 지중 순환수의 입출구 온도차(Td)가 설정된 목표온도차(Tr)보다 높은지를 판단하여(S31)(Td>Tr), 높은 경우는 한대의 히트 펌프의 입출구 온도차(Td)가 설정된 목표온도차(Tr)가 되어도 해당 실의 부하를 담당하지 못하는 경우이므로 히트 펌프를 하나 더 추가적으로 가동시키는 제어를 실시한다(SH2=1)(S32).When the geothermal heat pump system is in operation after step S30, the control unit determines whether the temperature difference (Td) of the inlet and outlet of the underground circulating water is higher than the set target temperature difference (Tr) (S31) (Td>Tr). Even if the temperature difference Td at the inlet and outlet of the heat pump reaches the set target temperature difference Tr, it is a case that it cannot take charge of the load of the corresponding chamber, so a control to operate one more heat pump is performed (S H2 = 1) (S32).
상기 S31 단계에서 지중 순환수의 입출구 온도차(Td)가 설정된 목표온도차(Tr)보다 낮으면(Td>Tr), 히트펌프의 작동을 중지하여(SH1=0)(S33) 최소 유량을 공급하게 된다.If the temperature difference (Td) of the inlet and outlet of the underground circulating water in the step S31 is lower than the set target temperature difference (Tr) (Td>Tr), the operation of the heat pump is stopped (S H1 = 0) (S33) to supply the minimum flow rate. do.
한편, 본 발명은 상술한 바와 같은 변유량 제어수순을 포함하는 운영방법을 수행하는 컴퓨터 프로그램이 저장된 기록매체의 태양으로 실시가능하다.On the other hand, the present invention can be implemented in an aspect of a recording medium in which a computer program for performing an operating method including the above-described variable flow rate control procedure is stored.
이하, 상술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법을 검증하고 효과를 설명한다.Hereinafter, a method of operating a multi-geothermal heat pump system using the variable flow rate control of the present invention having the above-described configuration will be verified and the effects will be described.
본 발명의 실시예를 통한 검증 및 효과의 도출은, 대상건물의 종래의 히트펌프 시스템의 운영방법과 본 발명의 히트 펌프의 운영방법을 시뮬레이션을 통하여 비교 및 분석하였다.Verification and derivation of effects through the embodiments of the present invention were compared and analyzed through a simulation between the operating method of the conventional heat pump system of the target building and the operating method of the heat pump of the present invention.
이때, 공지의 구글 스켓치업(Google SketchUp)프로그램을 이용하여 대상건물의 모델링을 진행하였으며, 공지의 Trnbuild 프로그램와 Trnsys 17 프로그램을 사용하여 대상건물의 설비시스템 및 세부 데이터를 구현하였다.At this time, the target building was modeled using the well-known Google SketchUp program, and the facility system and detailed data of the target building were implemented using the well-known Trnbuild program and Trnsys 17 program.
본 발명의 실시예의 검증 및 효과 도출의 대상이 되는 대상건물은 지상 9층, 지하 2층의 연면적 49,667m2, 공조면적 33,744m2 규모의 건물을 사용하였으며, 하기 표 1 은 대상건물의 개요를 나타낸다.The target building that is the subject of verification and effect derivation of the embodiments of the present invention was a building with a total floor area of 49,667m2 and an air conditioning area of 33,744m2 with 9 stories above ground and 2 stories below the ground, and Table 1 below shows the outline of the target building.
division
Contents
location
Daegu, Korea
Scale
9 floors above ground, 2 floors below ground
Total area
49,667m 2
Usage
Combined use
상기 대상건물은 보일러, 빙축열 시스템, 지열 히트펌프 시스템을 활용한다.The target building utilizes a boiler, an ice heat storage system, and a geothermal heat pump system.
이때, 상기 대상건물의 지열 히트펌프 시스템은 다른 열원 시스템과 분리되어 전체 냉난방의 약 26%를 담당하며 히트펌프와 순환펌프의 개요는 표 2 와 같다.At this time, the geothermal heat pump system of the target building is separated from other heat source systems and takes about 26% of the total heating and cooling, and an overview of the heat pump and circulation pump is shown in Table 2.
division
GH-1
Quantity
7
Capacity (USRT)
cooling
heating
48.3
44.4
Power consumption (kW)
46.5
45.6
Circulating water supply temperature (℃)
25
5
Cold and hot water supply temperature (℃)
12
40
Flow (LPM)
600
600
division
GP-1
Quantity
8 (1 spare)
form
Inline
Flow (LPM)
700
Head (M)
35
Power(kW)
7.5
그리고, 상기 대상 건물의 지열 시스템은 도 4 에 도시된 바와 같이 컴퓨터의 디스플레이를 통하여 표시되는 제어 화면의 일례와 같이, 컴퓨터를 이용하여 모니터링 및 운영되며 냉온수 공급온도를 기준으로 대수 제어가 이루어진다.In addition, the geothermal system of the target building is monitored and operated using a computer, such as an example of a control screen displayed through a computer display as shown in FIG. 4, and the number of units is controlled based on the supply temperature of hot and cold water.
이하, 상술한 바와 같은 대상건물의 시뮬레이션 과정을 설명한다.Hereinafter, the simulation process of the target building as described above will be described.
먼저, 구글 켓치업(Google Sketch Up) 프로그램을 활용하여 대상건물의 모델링을 수행한다.First, the target building is modeled using the Google Sketch Up program.
다음으로, 도 5 에 나타낸 바와 같이, 공지의 TRNBuild 프로그램을 활용하여 건물의 상세 정보를 입력한다. 그리고, 도 6 에 도시된 바와 같이 건물의 지열 히트펌프 시스템 및 HVAC 시스템은 공지의 시뮬레이션 스튜디오(Simulation Studio)의 프로그램을 이용하여 구현한다.Next, as shown in Fig. 5, detailed information of the building is input using a known TRNBuild program. In addition, as shown in FIG. 6, the geothermal heat pump system and HVAC system of the building are implemented using a known simulation studio program.
하기의 표 4 는 상술한 시뮬레이션에 활용된 실내 온습도 조건을 나타내고 있다.Table 4 below shows the indoor temperature and humidity conditions used in the above-described simulation.
Real name
summer
winter
Temperature(℃)
Humidity(%)
Temperature(℃)
Humidity(%)
Exhibition hall, conference room
24
50±5
20
40±5
office
24
50±5
22
40±5
Storage
24
40±5
20
40±5
이하, 종래 지열 히트펌프 시스템의 정류량 제어 방법에 의한 운영방법을 종래 실시예(Case 1)라 지칭하고, 본 발명의 변유량 제어를 수행하는 운영방법은 본 발명 실시예(Case 2)로 지칭하여 기재한다.Hereinafter, the operating method of the conventional geothermal heat pump system according to the rectification amount control method is referred to as the conventional embodiment (Case 1), and the operating method for performing the variable flow amount control of the present invention is referred to as the present invention embodiment (Case 2). Write.
하기의 표 5 는 상술한 종래 실시예(Case 1)와 본 발명 실시예(Case 2) 내용을 정리한 표이다. Table 5 below is a table summarizing the contents of the conventional example (Case 1) and the present invention example (Case 2) described above.
CASE
Operation plan
(종래실시예)
(Conventional Example)
시스템 운영방안
Multi geothermal heat pump utilizing conventional constant flow control
System operation plan
(본발명 실시예)
(Example of the present invention)
시스템 운영방안
Multi geothermal heat pump utilizing the present invention variable flow rate control
System operation plan
종래 실시예와 본 발명의 운영방법을 비교하기 위한 시뮬레이션시, 외기 조건 구현에는 Type 16 (radiation processor), Type 33(psychrometrics), Type 69 (sky temp. calculation)를 공통적으로 사용하였다. In the simulation for comparing the conventional embodiment and the operating method of the present invention, Type 16 (radiation processor), Type 33 (psychrometrics), and Type 69 (sky temp.calculation) were commonly used to implement the external air condition.
또한, 종래 운영방법과 본 발명의 운영방법을 비교하기 위한 시뮬레이션시,히트펌프 및 HVAC 시스템 구현에는 Type 508a (Cooling Coil), Type 3c (Fan), Type 1669 (Coil Valve)를 사용하였다.In addition, in the simulation for comparing the conventional operating method and the operating method of the present invention, Type 508a (Cooling Coil), Type 3c (Fan), and Type 1669 (Coil Valve) were used to implement the heat pump and HVAC system.
먼저, 종래 대상건물의 운영방법인 정류량 제어를 활용한 설정온도에 따른 대수제어방식의 시뮬레이션 흐름도는 도 7 과 같으며, 공지된 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하므로 상세한 설명은 생략한다.First, a simulation flow diagram of a number control method according to a set temperature using a rectification amount control, which is a conventional operation method of a target building, is shown in FIG. 7 and a detailed description thereof is omitted since the simulation is performed using a known program.
이러한 종래 지열 히트펌프 시스템 구현을 위해 히트펌프는 물 대 물 방식의 Type927 을 사용하였으며, 지중열교환기는 수직형 열교환기 Type557a 를 사용하였다. 또한, 지중 순환 펌프 및 냉수 공급 펌프는 정유량 펌프인 Type3b 를 사용하였다. To implement such a conventional geothermal heat pump system, a water-to-
그리고, 지열 히트펌프 각각의 설정온도를 제어하기 위해 히트펌프의 설정온도를 컨트롤러입력값으로 사용한다. 컨트롤러(Controller)는 Type 911 (On/Off Controller)를 사용하였다.And, in order to control the set temperature of each of the geothermal heat pumps, the set temperature of the heat pump is used as a controller input value. Type 911 (On/Off Controller) was used as the controller.
또한, 상기 온도차 산출 및 실내온도 반영을 위하여, 지열측 온도차에 의한 유량 제어를 위한 컨트롤러로서 Type 1669(Proportional Controller)를 사용하였다.In addition, in order to calculate the temperature difference and reflect the indoor temperature, a Type 1669 (Proportional Controller) was used as a controller for controlling the flow rate by the temperature difference on the geothermal side.
이때, 순환펌프의 경우 변유량 제어가 가능한 Type 110 (Variable Speed Pump)으로 구현하였다.At this time, in the case of the circulation pump, it was implemented as a Type 110 (Variable Speed Pump) capable of controlling the amount of variable flow.
본 발명의 변유량 제어를 활용한 설정온도에 따른 대수제어방식의 시뮬레이션 흐름도는 도 8 에 도시된 바와 같으며, 공지된 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하므로 상세한 설명은 생략한다.A simulation flow diagram of the number control method according to the set temperature using the variable flow rate control of the present invention is as shown in FIG. 8, and a detailed description thereof is omitted since the simulation is performed using a known program.
이어서, 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법과 종래 운영방법과의 비교 분석을 실시하였다.Next, a comparative analysis was conducted between the operation method of the multi-geothermal heat pump system using the variable flow rate control of the present invention and the conventional operation method.
상기 분석 대상 항목은 실내를 쾌적한 상태로 유지하는지를 파악하기 위한 실내 온도 및 변유량 제어를 통한 유량 변화이다.The item to be analyzed is a change in flow rate through room temperature and variable flow rate control to determine whether the room is kept in a comfortable state.
또한, 본 발명의 운영방법의 에너지적 부문과 성능적 부문에서의 개선 여부를 파악하기 위하여 지열 히트펌프 시스템의 에너지 소비량 및 COP 분석을 실시하였다. 이하에서 상기의 비교 분석 결과를 개조식으로 설명하기로 한다.In addition, energy consumption and COP analysis of the geothermal heat pump system were performed to determine whether the operating method of the present invention is improved in the energy and performance areas. Hereinafter, the result of the comparative analysis will be described in a modified manner.
1) 실내 열 환경 분석1) Indoor thermal environment analysis
종래 지열 히트펌프 시스템 운영방법과 본 발명의 변유량 제어를 활용한 운영방법 적용시 실내 열 환경 분석을 실시하였다.An indoor thermal environment analysis was conducted when applying the conventional geothermal heat pump system operating method and the operating method utilizing the variable flow rate control of the present invention.
도 9 는 실내 설정 온도를 24℃(±0.5℃)로 설정시 각 케이스별 온도 변화의 그래프로서, 대상건물의 모든 공간은 실내설정 온도에 따라 제어되는 대표적인 하나의 실(방)(이하, 대표 공간)의 온도 변화를 나타내고 있다. 9 is a graph of the temperature change for each case when the indoor set temperature is set to 24°C (±0.5°C), and all spaces of the target building are a representative room (room) controlled according to the indoor set temperature (hereinafter, representative Space).
도 9 를 참조하면, 대상건물은 종래 운영방법과 비교하여 본 발명의 운영방법이 온도 편차가 감소하는 것을 확인할 수 있다.Referring to FIG. 9, it can be seen that the temperature deviation of the target building is reduced in the operating method of the present invention compared to the conventional operating method.
따라서, 본 발명의 운영방법을 통하여 실내 열 환경을 안정적으로 제어할 수 있음을 확인하였다. Therefore, it was confirmed that the indoor thermal environment can be stably controlled through the operating method of the present invention.
2) 지중 순환수 입출구 온도 분석2) Analysis of temperature at the inlet and outlet of circulating water in the ground
종래 지열 히트펌프 시스템 운영방법과 본 발명의 변유량 제어를 활용한 운영방법 적용시 지중 순환수 입출구 온도 분석을 실시하였다.When the conventional geothermal heat pump system operating method and the operating method utilizing the variable flow rate control of the present invention were applied, the temperature analysis of the underground circulating water inlet and outlet was performed.
멀티 지열 히트펌프 시스템 운영방법에 따른 지열 측 입출구 온도 분석을 실시한 결과를 도 10 에 나타내었다. Fig. 10 shows the results of analyzing the temperature at the entrance and exit of the geothermal side according to the method of operating the multi geothermal heat pump system.
도 10 을 참조하면, 지열 측 입출구 온도의 차는 순환펌프의 유량과 반비례하며 종래 실시예(CASE 1)는 부하와 관계없이 일정한 유량을 공급하므로 부하에 따라 온도 차의 변화가 크지 않으며, 종래 실시예(CASE 1)의 평균 공급온도는 25.2℃, 평균 환수온도는 23.5℃, 평균 온도차는 1.7℃ 를 나타내고 있다.Referring to FIG. 10, the difference in temperature of the inlet and outlet on the geothermal side is inversely proportional to the flow rate of the circulation pump, and the conventional embodiment (CASE 1) supplies a constant flow rate regardless of the load, so that the temperature difference does not change significantly depending on the load. The average supply temperature of (CASE 1) is 25.2°C, the average return temperature is 23.5°C, and the average temperature difference is 1.7°C.
그러나, 본 발명의 운영방법이 적용된 본 발명 실시예(CASE 2)는 최고 효율을 발휘하는 유량에 따라 히트펌프를 운영하기 위하여 최적 온도차인 5℃(±0.5℃) 맞추어 유량을 제어한다.However, in the embodiment of the present invention (CASE 2) to which the operating method of the present invention is applied, the flow rate is controlled according to the optimum temperature difference of 5° C. (±0.5° C.) in order to operate the heat pump according to the flow rate exhibiting the highest efficiency.
본 발명 실시예는 평균 공급온도 27.1℃, 평균 환수온도 23.1℃, 평균 온도 차 4℃로 설정 온도차에 맞춰 유량이 제어되었다.In the embodiment of the present invention, the flow rate was controlled according to the set temperature difference at an average supply temperature of 27.1°C, an average return temperature of 23.1°C, and an average temperature difference of 4°C.
3) 지중 순환수 유량 및 에너지 소비량3) Ground circulating water flow and energy consumption
종래 지열 히트펌프 시스템 운영방법과 본 발명의 변유량 제어를 활용한 운영방법 적용시 지중 순환수 유량과 히트펌프 시스템 및 순환펌프의 에너지 소비량을 비교하였다. 도 11 은 대표일의 실시예별 지중 순환수 유량 변화를 나타낸다. When applying the conventional geothermal heat pump system operation method and the operation method utilizing the variable flow rate control of the present invention, the flow rate of circulating water in the ground and the energy consumption of the heat pump system and the circulation pump were compared. 11 shows the change in the flow rate of circulating water in the ground by example on a representative day.
도 11 을 참조하면, 종래의 정유량 운영방법을 적용한 종래 실시예(CASE 1)는 부하와 상관없이 일정한 유량을 공급하나, 본 발명의 실시예(CASE 2)는 부하에 따라 유량이 변화한다. Referring to FIG. 11, the conventional embodiment (CASE 1) to which the conventional constant flow rate operation method is applied supplies a constant flow rate regardless of the load, but in the embodiment (CASE 2) of the present invention, the flow rate changes according to the load.
이때, 상기 본 발명 실시예(CASE 2)의 최대 지중 순환수 공급 유량은 3,488lpm으로 종래 실시예(CASE 1) 대비 29% 감소하였다. At this time, the maximum underground circulating water supply flow rate of the embodiment of the present invention (CASE 2) was 3,488 lpm, which was reduced by 29% compared to the conventional example (CASE 1).
도 12 는 각 실시예별 지열 히트펌프와 순환펌프의 소비동력을 나타내는 그래프로서, 종래 실시예(CASE 1)의 히트펌프 소비동력은 78.6GJ, 순환펌프 소비동력은 19.6GJ 를 나타내었고, 본 발명 실시예(CASE 2)의 히트펌프 소비동력은 60.9GJ, 순환펌프 소비동력은 6.7GJ로 CASE 1 대비 히트펌프는 23%, 순환펌프는 66%의 에너지 감소량을 보였다. 12 is a graph showing the power consumption of the geothermal heat pump and the circulation pump according to each example, and the heat pump consumption power of the conventional example (CASE 1) was 78.6 GJ, and the circulation pump consumption power was 19.6 GJ, and the present invention was implemented. The heat pump consumption power of the example (CASE 2) was 60.9 GJ, and the circulation pump consumption power was 6.7 GJ. Compared to
따라서, 종래 운영방법이 지속적으로 정유량의 순환수를 공급함으로써 불필요한 지열 순환펌프를 작동시키던 단점이 있었으나, 본 발명의 운영방법은 에너지 절감을 가능하게 하는 것을 확인할 수 있었다.Therefore, the conventional operation method has a disadvantage in that the unnecessary geothermal circulation pump is operated by continuously supplying circulating water of a constant oil amount, but it was confirmed that the operation method of the present invention enables energy saving.
4) 지열 히트펌프 시스템 COP 분석4) Geothermal heat pump system COP analysis
종래 지열 히트펌프 시스템 운영방법과 본 발명의 변유량 제어를 활용한 운영방법 적용시 부하에 따른 지열 히트펌프 시스템의 COP를 분석하였다. 도 13 은 부하에 따른 지열 히트펌프 시스템의 COP를 분석한 그래프다.The COP of the geothermal heat pump system according to the load was analyzed when applying the conventional geothermal heat pump system operation method and the operation method utilizing the variable flow rate control of the present invention. 13 is a graph analyzing the COP of the geothermal heat pump system according to the load.
도 13 을 참조하면, 동일 부하일 경우, 지열 히트펌프 시스템의 COP는 종래 운영방법을 적용한 종래 실시예(CASE 1)보다 본 발명 실시예(CASE 2)의 히트펌프의 시스템 성능이 더 높게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. Referring to FIG. 13, under the same load, the COP of the geothermal heat pump system shows that the system performance of the heat pump of the present embodiment (CASE 2) is higher than that of the conventional embodiment (CASE 1) to which the conventional operating method is applied. I could confirm.
종래 실시예의 경우 평균 지열 히트펌프 시스템 COP가 3.07, 최대 시스템 COP가 3.39 로 나타나며 본 발명 실시예는 평균 시스템 COP가 4.13 이다.In the case of the conventional embodiment, the average geothermal heat pump system COP is 3.07 and the maximum system COP is 3.39, and in the embodiment of the present invention, the average system COP is 4.13.
그러나, 본 발명의 변유량 제어를 활용한 운영방법을 적용한 결과, 한 대의 히트펌프가 최적의 성능을 발휘한 후 순차적으로 다음 히트펌프가 운영되기 때문에 종래 실시예와 비교하여 본 발명의 실시예의 COP 가 더 높은 성능을 발휘하였다. However, as a result of applying the operating method utilizing the variable flow rate control of the present invention, the COP of the embodiment of the present invention is compared with the conventional embodiment because the next heat pump is sequentially operated after one heat pump exhibits optimal performance. It showed higher performance.
각 케이스별 지열 히트펌프 시스템 COP의 상세한 값을 표 6 으로 나타내었으며, 본 발명의 실시예(Case 2)의 경우 종래 실시예(Case 1)와 비교하여 최대 시스템 COP가 약 1.4정도 상승하였다.The detailed values of the geothermal heat pump system COP for each case are shown in Table 6, and in the case of the example (Case 2) of the present invention, the maximum system COP was increased by about 1.4 compared to the conventional example (Case 1).
CASE 1
System COP
Maximum
3.39
4.75
Minimum
2.85
3.74
Average
3.07
4.13
상술한 바와 같이 본 발명의 변유량 제어를 활용한 멀티 지열 히트펌프 시스템의 운영방법은, 종래의 지열 히트펌프 시스템은 순환펌프의 정유량 제어로 부하와 상관없이 동일한 유량을 공급함으로써 부분 부하시 순환펌프의 에너지가 낭비되며 전체 시스템의 성능 저하에 원인이 되었으나, 본 발명의 운영방법은 순환펌프의 변유량 제어 방안을 활용하여 최적 성능을 내는 유량에 따라 멀티 지열 히트펌프 시스템을 순차적으로 운영함으로써 실내 열 환경을 안정적으로 제어할 수 있으며, 기존의 운영방안 대비 순환수 공급 유량이 최대 약 29% 감소하였고, 지열 히트펌프는 약 23%, 순환펌프는 약 66%의 에너지 절감이 가능하며, 순환펌프의 소비동력을 포함한 시스템 COP가 향상되는 결과를 수득하게 되었다.As described above, the operating method of the multi-geothermal heat pump system utilizing the variable flow rate control of the present invention is, in the conventional geothermal heat pump system, a circulation pump under partial load by supplying the same flow rate regardless of the load by controlling the constant flow rate of the circulation pump. Energy was wasted and caused the deterioration of the performance of the entire system, but the operating method of the present invention utilizes the variable flow rate control method of the circulation pump to sequentially operate the multi-geothermal heat pump system according to the flow rate that produces the optimum performance, thereby reducing the indoor thermal environment. The circulating water supply flow has been reduced by up to 29% compared to the existing operation method, and energy savings of about 23% for geothermal heat pumps and 66% for circulation pumps are possible, and consumption of circulation pumps The result is that the system COP including power is improved.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.The above description of the present invention is for illustrative purposes only, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to understand that other specific forms can be easily modified without changing the technical spirit or essential features of the present invention. will be. Therefore, it should be understood that the embodiments described above are illustrative and non-limiting in all respects. For example, each component described as a single type may be implemented in a distributed manner, and similarly, components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is indicated by the claims to be described later, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be construed as being included in the scope of the present invention.
Claims (10)
제어부가 지열측 입출구 온도차를 계산하고, 계산된 입출구 온도차와 제어부에 설정된 최적 온도차를 상호 비교한 결과에 따라서 지열 히트펌프 시스템의 유량을 비례 제어하는 변유량 제어수순;
을 포함하는 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
In the operating method performed by the control unit of the geothermal heat pump system,
A variable flow rate control procedure for proportionally controlling the flow rate of the geothermal heat pump system according to a result of the control unit calculating a temperature difference at the inlet and outlet at the geothermal side and comparing the calculated temperature difference at the inlet and outlet with the optimum temperature difference set in the control unit;
A method of operating a geothermal heat pump system comprising a configuration.
상기 제어부가 계산된 입출구 온도차가 최적 온도차보다 높은 경우 지열 히트펌프이 순차적으로 작동되도록 제어하는 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
The method of claim 1, wherein the variable flow rate control procedure,
The method of operating a geothermal heat pump system, characterized in that the control unit controls the geothermal heat pump to be sequentially operated when the calculated inlet and outlet temperature difference is higher than the optimum temperature difference.
현재 히트펌프 시스템이 작동중이지 않은 초기 상태(S20)일 경우,
상기 제어부가 실내온도를 검출하여(S21), 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 높은지를 판단하고(S22), 높은 경우 지열 히트펌프 시스템을 작동시키는 제어를 실시하고(S23),
상기 S22 단계에서 검출된 실내온도가 설정된 실내온도보다 낮으면, 히트펌프 시스템을 미작동시켜 현재 상태를 유지하는 제어를 실시하는 구성(S24)을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
The method of claim 1, wherein the variable flow rate control procedure,
In the case of the initial state (S20) that the current heat pump system is not operating,
The control unit detects the indoor temperature (S21), determines whether the detected indoor temperature is higher than the set indoor temperature (S22), and if it is high, controls to operate the geothermal heat pump system (S23),
When the indoor temperature detected in step S22 is lower than the set indoor temperature, the heat pump system is not operated to maintain the current state (S24).
상기 제어부가 한 대의 히트펌프의 지중 순환수 입출구 온도를 검출하고(S25), 검출된 입구온도와 출구온도의 온도차이값를 계산하고(S26),
계산된 입구온도와 출구온도의 온도차이값을 설정된 목표온도차이값과 비교하여 비례제어를 수행하고(S27), 수행된 비례제어에 따른 순환펌프구동신호를 출력하는(S28) 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
The method of claim 3, wherein the variable flow rate control procedure,
The control unit detects the underground circulating water inlet and outlet temperature of one heat pump (S25), calculates a temperature difference value between the detected inlet temperature and outlet temperature (S26),
It compares the calculated temperature difference value between the inlet temperature and the outlet temperature with the set target temperature difference value, performs proportional control (S27), and outputs a circulation pump drive signal according to the performed proportional control (S28). How to operate a geothermal heat pump system.
상기 제어부는 상기 S28 단계에서 출력된 비례제어에 따른 순환펌프의 구동신호에 따라서 펌프의 공급 유량을 결정하는 구성(S29)을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
The method of claim 4, wherein the variable flow rate control procedure,
The control unit is configured to determine the supply flow rate of the pump according to the drive signal of the circulation pump according to the proportional control output in the step S28 (S29).
상기 S29 단계에서 결정된 펌프의 공급 유량에 따라서 순환펌프를 작동시키는(S30) 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
The method of claim 5, wherein the variable flow rate control procedure,
A method of operating a geothermal heat pump system, characterized in that the circulation pump is operated (S30) according to the supply flow rate of the pump determined in step S29.
상기 지열 히트펌프 시스템이 작동중일 경우,
상기 제어부가 지중 순환수의 입출구 온도차가 설정된 목표온도차보다 높은지를 판단하여(S31), 높은 경우 히트 펌프를 하나 더 추가적으로 가동시키는 제어를 실시하는(S32) 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
The method of claim 5, wherein the variable flow rate control procedure,
When the geothermal heat pump system is in operation,
Operation of a geothermal heat pump system, characterized in that the control unit determines whether the temperature difference at the inlet and outlet of the underground circulating water is higher than the set target temperature difference (S31), and if it is high, controls to additionally operate the heat pump (S32). Way.
상기 S31 단계에서 지중 순환수의 입출구 온도차가 설정된 목표온도차보다 낮으면, 히트펌프의 작동을 중지하는(S33) 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
The method of claim 7, wherein the variable flow rate control procedure,
When the temperature difference at the entrance and exit of the underground circulating water in the step S31 is lower than the set target temperature difference, the operation of the heat pump is stopped (S33).
상기 설정된 목표온도 차이값은 5℃ 인 구성을 특징으로 하는 지열 히트펌프 시스템의 운영방법.
The method of claim 4,
The method of operating a geothermal heat pump system, characterized in that the set target temperature difference value is 5 ℃.
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