KR20230068488A - 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법 - Google Patents

복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법 Download PDF

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이재하
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Abstract

본 발명에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템은, 지열 및 수열과의 열교환영역을 경유하는 제1작동유체가 유입되는 열원 입수배관, 지열 및 수열과의 열교환영역 측으로 상기 제1작동유체를 배출하는 열원 출수배관, 냉난방 대상을 경유하는 제2작동유체가 유입되는 부하 입수배관, 냉난방 대상 측으로 상기 제2작동유체를 배출하는 부하 출수배관, 상기 열원 입수배관 및 상기 열원 출수배관으로부터 분지되어 제1작동유체가 바이패스되는 열원 바이패스 배관, 상기 부하 입수배관 및 상기 부하 출수배관으로부터 분지되어 제2작동유체가 바이패스되는 부하 바이패스 배관, 제3작동유체가 순환되는 경로를 형성하며, 상기 열원입수배관으로 유입된 제1작동유체와의 열교환을 수행하는 증발기와, 상기 부하입수배관으로 유입된 제2작동유체와의 열교환을 수행하는 응축기와, 상기 제3작동유체를 감압시키는 팽창밸브와, 상기 작동유체를 압축시키는 압축기를 포함하는 간접 열교환 펌프 및 상기 열원 바이패스 배관 및 상기 부하 바이패스 배관 사이에서 상기 제1작동유체 및 상기 제2작동유체의 열교환을 수행하는 직접 열교환 펌프를 포함한다.

Description

복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법{Heat Pump System Using Composite Heat Source and Its Control Method}
본 발명은 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 열원 입수배관 측으로 유입되는 제1작동유체의 온도 조건에 따라 간접 열교환 방식 또는 직접 열교환 방식 중 어느 하나로 모드 전환 가능한 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법에 관한 것이다.
최근에는 환경 보호에 대한 관심이 높아졌으며, 또한 향후 자원 고갈을 대비하기 위한 목적으로 태양광, 풍력, 지열, 수열 등의 재생에너지를 이용한 다양한 산업용 시설 및 가정용 시설이 확대되고 있다.
그 중 대표적인 하나는 히트펌프로서, 이와 같은 히트펌프는 작동유체의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하거나 고온의 열원을 저온으로 전달하는 냉난방장치이다.
재생에너지는 고갈의 우려 없이 지속적으로 이용이 가능하며, 친환경적이기 때문에 공해 없이 에너지를 활용할 수 있는 장점을 가지는 반면, 시간의 흐름에 따라 발생하는 에너지량의 편차가 심하다는 단점이 있다.
특히 종래의 히트펌프는 열원과 열교환을 수행한 작동유체의 온도와 관계없이 항상 응축기, 증발기, 팽창밸브 및 압축기를 구성으로 하는 열교환 시스템을 이용하여 열교환을 수행하기 때문에, 열교환 시스템의 상시 운용에 따른 에너지가 지속적으로 소요되어 효율이 떨어지는 문제가 있다.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.
한국등록특허 제10-0915701호
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 열원과 열교환을 수행한 작동유체의 온도에 따라 간접 열교환 방식 또는 직접 열교환 방식 중 어느 하나의 방식으로 전환이 가능하도록 하여 운용 효율성을 향상시킬 수 있는 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법을 제공하기 위한 목적을 가진다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템은, 지열 및 수열과의 열교환영역을 경유하는 제1작동유체가 유입되는 열원 입수배관, 지열 및 수열과의 열교환영역 측으로 상기 제1작동유체를 배출하는 열원 출수배관, 냉난방 대상을 경유하는 제2작동유체가 유입되는 부하 입수배관, 냉난방 대상 측으로 상기 제2작동유체를 배출하는 부하 출수배관, 상기 열원 입수배관 및 상기 열원 출수배관으로부터 분지되어 제1작동유체가 바이패스되는 열원 바이패스 배관, 상기 부하 입수배관 및 상기 부하 출수배관으로부터 분지되어 제2작동유체가 바이패스되는 부하 바이패스 배관, 제3작동유체가 순환되는 경로를 형성하며, 상기 열원입수배관으로 유입된 제1작동유체와의 열교환을 수행하는 증발기와, 상기 부하입수배관으로 유입된 제2작동유체와의 열교환을 수행하는 응축기와, 상기 제3작동유체를 감압시키는 팽창밸브와, 상기 작동유체를 압축시키는 압축기를 포함하는 간접 열교환 펌프 및 상기 열원 바이패스 배관 및 상기 부하 바이패스 배관 사이에서 상기 제1작동유체 및 상기 제2작동유체의 열교환을 수행하는 직접 열교환 펌프를 포함한다.
이때 상기 열원 입수배관 및 상기 열원 출수배관은, 상기 열원 바이패스 배관 또는 상기 증발기 중 선택된 어느 일측으로 상기 제1작동유체의 유동 경로를 가변시키는 제1삼방밸브를 포함하며, 상기 부하 입수배관 및 부하 출수배관은, 상기 부하 바이패스 배관 또는 상기 응축기 중 선택된 어느 일측으로 상기 제2작동유체의 유동 경로를 가변시키는 제2삼방밸브를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명은 상기 열원 입수배관 측으로 유입되는 상기 제1작동유체의 온도 조건에 따라 상기 제1삼방밸브 및 상기 제2삼방밸브를 제어하여 상기 제1작동유체 및 상기 제2작동유체의 유동 경로를 가변시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 경우 상기 제어부는, 상기 열원 입수배관 측으로 유입된 상기 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 이상일 경우, 상기 열원 바이패스 배관 측으로 상기 제1작동유체가 유동되도록 하고, 상기 부하 바이패스 배관 측으로 상기 제2작동유체가 유동되도록 상기 제1삼방밸브 및 상기 제2삼방밸브를 제어할 수 있다.
또한 상기 제어부는, 상기 열원 입수배관 측으로 유입된 상기 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 미만일 경우, 상기 증발기 측으로 상기 제1작동유체가 유동되도록 하고, 상기 응축기 상기 제2작동유체가 유동되도록 상기 제1삼방밸브 및 상기 제2삼방밸브를 제어할 수 있다.
한편 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템의 제어방법은, 상기 제어부가 상기 열원 입수배관 측에 구비된 온도센서로부터, 상기 열원 입수배관으로 유입되는 상기 제1작동유체의 온도데이터를 수신받는 (a)단계, 상기 제어부가 상기 온도데이터를 분석하여 상기 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 이상인지 또는 기준온도 미만인지를 판단하는 (b)단계, 상기 (b)단계의 판단 결과 상기 열원 입수배관 측으로 유입된 상기 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 이상일 경우, 상기 제어부가 상기 제1삼방밸브 및 상기 제2삼방밸브를 제어하여 상기 열원 바이패스 배관 측으로 상기 제1작동유체가 유동되도록 하고, 상기 부하 바이패스 배관 측으로 상기 제2작동유체가 유동되도록 하는 (c1)단계 및 상기 (b)단계의 판단 결과 상기 열원 입수배관 측으로 유입된 상기 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 미만일 경우, 상기 제어부가 상기 제1삼방밸브 및 상기 제2삼방밸브를 제어하여 상기 증발기 측으로 상기 제1작동유체가 유동되도록 하고, 상기 응축기 측으로 상기 제2작동유체가 유동되도록 하는 (c2)단계를 포함한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템 및 이의 제어방법은, 열원 입수배관 측으로 유입되는 제1작동유체의 온도 조건에 따라 간접 열교환 펌프 또는 직접 열교환 펌프 중 어느 하나를 선택적으로 운용 가능하므로, 열원과의 열교환을 수행한 제1작동유체의 온도가 충분히 높을 경우 직접 열교환 방식으로 전환하여 운용 효율성을 극대화할 수 있는 장점을 가진다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템의 제어 과정을 단계적으로 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템에 있어서, 직접 열교환 모드의 운용 형태를 나타낸 도면; 및
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템에 있어서, 간접 열교환 모드의 운용 형태를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템은, 열원 입수배관(10), 열원 출수배관(20), 부하 입수배관(30), 부하 출수배관(40), 열원 바이패스 배관(50), 부하 바이패스 배관(60), 간접 열교환 펌프(100), 직접 열교환 펌프(200) 및 제어부(미도시)를 포함한다.
열원 입수배관(10)은 지열 및 수열을 포함하는 열원과의 열교환영역을 경유하는 제1작동유체를 유입시키며, 열원 출수배관(20)은 지열 또는 수열과의 열교환영역 측으로 제1작동유체를 배출시키는 역할을 수행한다.
그리고 부하 입수배관(30)은 냉난방 대상(5)을 경유하는 제2작동유체를 유입시키며, 부하 출수배관(40)은 냉난방 대상(5) 측으로 제2작동유체를 배출시키는 역할을 수행한다.
또한 열원 바이패스 배관(50)은 열원 입수배관(10) 및 열원 출수배관(20)으로부터 분지되어 제1작동유체가 바이패스되는 경로를 형성하며, 부하 바이패스 배관(60)은 부하 입수배관(30) 및 부하 출수배관(40)으로부터 분지되어 제2작동유체가 바이패스되는 경로를 형성한다.
간접 열교환 펌프(100)는 제3작동유체가 순환되는 경로를 형성하여, 제1작동유체와 제2작동유체 간의 간접 열교환이 이루어지도록 한다.
이때 간접 열교환 펌프(100)는 열원입수배관(10)으로 유입된 제1작동유체와의 열교환을 수행하는 증발기(110)와, 부하입수배관(30)으로 유입된 제2작동유체와의 열교환을 수행하는 응축기(120)와, 제3작동유체를 감압시키는 팽창밸브(140)와, 작동유체를 압축시키는 압축기(130)를 포함한다.
이와 같은 간접 열교환 펌프(100)에 구비되는 각 구성요소의 기능은 당업자에게 자명한 사항이므로, 자세한 설명은 생략하도록 한다.
더불어 직접 열교환 펌프(200)는 열원 바이패스 배관(50) 및 부하 바이패스 배관(60) 사이에서 제1작동유체 및 제2작동유체의 열교환을 수행하도록 구비된다.
한편 본 실시예에서 열원 입수배관(10) 및 열원 출수배관(20)은, 열원 바이패스 배관(50) 또는 증발기(110) 중 선택된 어느 일측으로 제1작동유체의 유동 경로를 가변시키는 제1삼방밸브(11, 21)를 포함한다.
또한 부하 입수배관(30) 및 부하 출수배관(40)은, 부하 바이패스 배관(50) 또는 응축기(120) 중 선택된 어느 일측으로 제2작동유체의 유동 경로를 가변시키는 제2삼방밸브(31, 41)를 포함한다.
그리고 제어부는 열원 입수배관(10) 측으로 유입되는 제1작동유체의 온도 조건에 따라, 간접 열교환 펌프(100) 또는 직접 열교환 펌프(200) 중 어느 하나가 선택적으로 운용되도록 제어한다.
이를 위해 열원 입수배관(10) 측에는 온도센서가 구비될 수 있으며, 제어부는 온도센서에서 측정된 온도데이터를 수신받을 수 있다.
즉 제어부는 열원 입수배관(10) 측으로 유입되는 제1작동유체의 온도 조건에 따라 제1삼방밸브(11, 21) 및 제2삼방밸브(31, 41)를 제어하여 제1작동유체 및 상기 제2작동유체의 유동 경로를 가변시키게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템의 제어 과정을 단계적으로 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제어부에 의해 수행되는 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템의 제어 과정은, 제어부가 열원 입수배관(10) 측에 구비된 온도센서로부터, 열원 입수배관(10)으로 유입되는 제1작동유체의 온도데이터를 전송받는 (a)단계와, 제어부가 온도데이터를 분석하여 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 이상인지 또는 기준온도 미만인지를 판단하는 (b)단계를 포함하며, 이와 같은 (b)단계의 판단 결과에 따라 (c1)단계 또는 (c2)단계 중 어느 하나의 과정을 수행하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템에 있어서, 직접 열교환 모드의 운용 형태를 나타낸 도면으로, (c1)단계에서 이루어지는 과정을 나타낸다.
도 3에 도시된 바와 같이 (c1)단계는, (b)단계의 판단 결과 열원 입수배관(10) 측으로 유입된 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 이상일 경우, 제어부가 제1삼방밸브(11, 21) 및 제2삼방밸브(31, 41)를 제어하여 열원 바이패스 배관(50) 측으로 제1작동유체가 유동되도록 하고, 부하 바이패스 배관(60) 측으로 제2작동유체가 유동되도록 한다.
그리고 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템에 있어서, 간접 열교환 모드의 운용 형태를 나타낸 도면으로, (c2)단계에서 이루어지는 과정을 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이 (c2)단계는, (b)단계의 판단 결과 열원 입수배관(10) 측으로 유입된 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 미만일 경우, 제어부가 제1삼방밸브(11, 21) 및 제2삼방밸브(31, 41)를 제어하여 증발기(110) 측으로 제1작동유체가 유동되도록 하고, 응축기(120) 측으로 제2작동유체가 유동되도록 한다.
이와 같이 제어부는 열원 입수배관(10) 측으로 유입되는 제1작동유체의 온도 조건에 따라 상기 제1삼방밸브(11, 21) 및 제2삼방밸브(31, 41)를 제어하여 제1작동유체 및 제2작동유체의 유동 경로를 가변시킴에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템이 직접 열교환 모드 또는 간접 열교환 모드로 운용되도록 한다.
즉 본 발명은 열원과의 열교환을 수행한 제1작동유체의 온도가 충분히 높을 경우 직접 열교환 방식으로 전환하여 운용 효율성을 극대화할 수 있는 장점을 가진다.
한편 여름 및 간절기에 수열원이 지열원보다 냉방에 유리한 온도조건일 경우, 수열원 측에 구비되는 열교환기의 사이즈를 증가시켜 지열 시공 초기 투자 비용을 절감하고, 시스템 성능을 향상시킬 수 있다.
이를 위해 수열원 측에는 규격 별로 구비되는 복수 개의 열교환기가 마련될 수 있으며, 이와 같은 경우 본 발명은 수열원의 온도 조건에 따라 열교환기를 교체하는 열교환기 교체유닛을 더 포함할 수 있다. 그리고 열교환기 교체유닛은 전술한 제어부에 의해 구동 제어될 수 있다.
또한 이 경우 인버터 펌프를 적용하여, 조건에 따른 열원 별 유량제어가 이루어지도록 할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
5: 냉난방 대상
10: 열원 입수배관
11, 21: 제1삼방밸브
20: 열원 출수배관
30: 부하 입수배관
31, 41: 제2삼방밸브
40: 부하 출수배관
50: 열원 바이패스 배관
60: 부하 바이패스 배관
100: 간접 열교환 펌프
110: 증발기
120: 응축기
130: 압축기
140: 팽창밸브
200: 직접 열교환 펌프

Claims (6)

  1. 지열 및 수열과의 열교환영역을 경유하는 제1작동유체가 유입되는 열원 입수배관;
    지열 및 수열과의 열교환영역 측으로 상기 제1작동유체를 배출하는 열원 출수배관;
    냉난방 대상을 경유하는 제2작동유체가 유입되는 부하 입수배관;
    냉난방 대상 측으로 상기 제2작동유체를 배출하는 부하 출수배관;
    상기 열원 입수배관 및 상기 열원 출수배관으로부터 분지되어 제1작동유체가 바이패스되는 열원 바이패스 배관;
    상기 부하 입수배관 및 상기 부하 출수배관으로부터 분지되어 제2작동유체가 바이패스되는 부하 바이패스 배관;
    제3작동유체가 순환되는 경로를 형성하며, 상기 열원입수배관으로 유입된 제1작동유체와의 열교환을 수행하는 증발기와, 상기 부하입수배관으로 유입된 제2작동유체와의 열교환을 수행하는 응축기와, 상기 제3작동유체를 감압시키는 팽창밸브와, 상기 작동유체를 압축시키는 압축기를 포함하는 간접 열교환 펌프; 및
    상기 열원 바이패스 배관 및 상기 부하 바이패스 배관 사이에서 상기 제1작동유체 및 상기 제2작동유체의 열교환을 수행하는 직접 열교환 펌프;
    를 포함하는,
    복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열원 입수배관 및 상기 열원 출수배관은,
    상기 열원 바이패스 배관 또는 상기 증발기 중 선택된 어느 일측으로 상기 제1작동유체의 유동 경로를 가변시키는 제1삼방밸브를 포함하며,
    상기 부하 입수배관 및 부하 출수배관은,
    상기 부하 바이패스 배관 또는 상기 응축기 중 선택된 어느 일측으로 상기 제2작동유체의 유동 경로를 가변시키는 제2삼방밸브를 포함하는,
    복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열원 입수배관 측으로 유입되는 상기 제1작동유체의 온도 조건에 따라 상기 제1삼방밸브 및 상기 제2삼방밸브를 제어하여 상기 제1작동유체 및 상기 제2작동유체의 유동 경로를 가변시키는 제어부를 더 포함하는,
    복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 열원 입수배관 측으로 유입된 상기 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 이상일 경우, 상기 열원 바이패스 배관 측으로 상기 제1작동유체가 유동되도록 하고, 상기 부하 바이패스 배관 측으로 상기 제2작동유체가 유동되도록 상기 제1삼방밸브 및 상기 제2삼방밸브를 제어하는,
    복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 열원 입수배관 측으로 유입된 상기 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 미만일 경우, 상기 증발기 측으로 상기 제1작동유체가 유동되도록 하고, 상기 응축기 상기 제2작동유체가 유동되도록 상기 제1삼방밸브 및 상기 제2삼방밸브를 제어하는,
    복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템.
  6. 제3항의 복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템의 제어방법에 있어서,
    상기 제어부가 상기 열원 입수배관 측에 구비된 온도센서로부터, 상기 열원 입수배관으로 유입되는 상기 제1작동유체의 온도데이터를 수신받는 (a)단계;
    상기 제어부가 상기 온도데이터를 분석하여 상기 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 이상인지 또는 기준온도 미만인지를 판단하는 (b)단계;
    상기 (b)단계의 판단 결과 상기 열원 입수배관 측으로 유입된 상기 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 이상일 경우, 상기 제어부가 상기 제1삼방밸브 및 상기 제2삼방밸브를 제어하여 상기 열원 바이패스 배관 측으로 상기 제1작동유체가 유동되도록 하고, 상기 부하 바이패스 배관 측으로 상기 제2작동유체가 유동되도록 하는 (c1)단계; 및
    상기 (b)단계의 판단 결과 상기 열원 입수배관 측으로 유입된 상기 제1작동유체의 온도가 기 설정된 기준온도 미만일 경우, 상기 제어부가 상기 제1삼방밸브 및 상기 제2삼방밸브를 제어하여 상기 증발기 측으로 상기 제1작동유체가 유동되도록 하고, 상기 응축기 측으로 상기 제2작동유체가 유동되도록 하는 (c2)단계;
    를 포함하는,
    복합 열원을 적용한 히트펌프 시스템의 제어방법.
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