KR101131990B1 - 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부하측 열교환기의 입,출구 온도차 및 열원측 입,출구 온도차를 이용하여 부하측 펌프 유량, 열원측 펌프 유량, 압축기 용량을 제어하여 부하에 따른 시스템의 운전 조건을 유지할 수 있는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치를 제공하고자 함에 그 목적이 있다. 이를 구현하기 위한 본 발명은, 부하측 열교환기(11)와 열원측 열교환기(14)와 사방변 밸브(12)와 압축기(13)와 팽창밸브(15) 및 이들 사이를 연결하는 연결관(16)으로 이루어진 히트펌프(1); 상기 히트펌프(1)의 열원측 열교환기(13)와 제1순환관(24)에 의해 연결되어 지열을 흡수하는 지중 열교환기(2); 상기 히트펌프(1)의 부하측 열교환기(11)와 제2순환관(44)에 의해 연결되는 부하 시스템(4); 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프(22,42)를 포함하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치에 있어서, 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)의 입,출구에 구비되어 관 내부의 온도를 감지하는 온도센서(21a,21b,41a,41b)와, 상기 제1순환관측(24)의 온도센서(21a,21b)에서 측정된 입출구 온도 차이 및 상기 제2순환관측(44)의 온도센서(41a,41b)에서 측정된 입출구 온도 차이를 각각 일정하게 유지할 수 있도록 상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 온도로부터 연산되는 상기 압축기(13)의 부하율과 상기 순환펌프(22,42)의 유량을 제어하는 제어부(5)를 포함한다.

Description

부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치 및 그 제어방법{Hybrid heat source cooling and heating apparatus depending on load and the control method thereof}

본 발명은 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치 및 그 제어방법에 관한 것으로, 다수의 열원이 연결된 히트펌프 가동시 부하 및 열원측의 운전 조건을 최적화하여 에너지 효율을 높일 수 있는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치 및 그 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로 지열이라 함은, 지구에 도달하는 태양에너지의 약 47%가 지표면을 통해 지하에 저장되어 있는 열원으로써, 지표면에 가까운 땅속의 온도는 대략 10℃~20℃로써 연중 큰 변화가 없으며, 수 킬로미터 지하의 온도는 약 40℃~150℃이상의 열원이다.

특히 지열은 1차적인 에너지원으로 사용하기는 불가능하지만 에너지 효율이 높은 히트펌프 열원으로 사용하면 건물 냉난방 에너지로 활용 가능성이 매우 높다.

이에 지열원 히트펌프 최적 제어 시스템은 냉난방 기능을 냉매의 흐름을 조절함으로써 하나의 단일 시스템으로 운전이 가능하다. 특히 냉방 운전시에는 히트펌프의 히트싱크로 지중을 이용하고 난방 운전시에는 히트펌프의 열원으로 지중열을 이용함으로써 기존의 냉난방 에너지 소비량이 적고 기존 상용의 외기 열원 히트 펌프 시스템에 비해 에너지 소비량이 적다.

또한 다른 열원을 사용하는 히트펌프 시스템에 비하여 효율이 높은 시스템으로 많이 보급될 전망이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 지열원 히트펌프 최적 제어 시스템은, 하나 이상의 열교환기(100a)와 사방변 밸브(100b)를 통해 연결된 압축기(100c)와 상기 각 열교환기(100a)와 연결되며 사이에 팽창밸브(100d)가 구비되는 연결관(100e)을 포함하는 히트펌프(100)와, 지열을 흡수하거나 지중으로 열을 방출하는 지중 열교환기(200)와, 상기 히트펌프(100)의 일측과 지중 열교환기(200)에 연결되는 제1순환관(300)과, 상기 히트펌프(100)의 타측에 연결되는 제2 순환관(400)과, 상기 제1 순환관(300)과 제2 순환관(400)에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프(500)로 이루어진다.

특히 모든 유체기계(펌프, 압축기 등)는 정속형을 사용하고 있어 가동 시 부하측의 부하율에 관계없이 전체 시스템의 제어가 된다.

그러나, 종래의 지열원 히트펌프 최적 제어 시스템은 대부분의 시스템 설계치에 부족한 부분 부하에서 작동되어 지고 있어 시스템 효율 저하의 요인뿐만 아니라 필요없는 전력을 소비하고 있다. 즉 제2 순환관측에 부하율은 감소하나 제1 순환관측의 부하를 필요 이상으로 공급하는 불필요한 작용을 하는 문제점이 있었다.

또한 도 2에 도시된 바와 같이 다수의 열원(200a,200b,200c,200d)과 하나의 히트펌프의 열교환기(100a)를 연결시킨 경우 분기관(301a,301b,301c,301d)을 포함하는 공급관(301) 경로와 분기관(302a,302b,302c,302d)을 포함하는 회수관(302) 경로는 열교환기(100a)를 기준으로 동일 방향에 위치해 있다.

이 경우 순환펌프(500)에서 열교환매체를 순환시키기 위해 압송하게 되면 순환펌프(500)에서 가까운 위치에 있는 열원(200d)을 순환하는 열교환매체의 순환 경로는 매우 짧고, 순환펌프(500)에서 먼 위치에 있는 열원(200a)을 순환하는 열교환매체의 순환 경로는 매우 길게 된다.

따라서 먼 위치에 있는 열원(200a)을 기준으로 순환펌프(500)의 용량을 증가시키는 경우 다수의 열원(200a,200b,200c,200d)에 열교환매체를 균일하게 공급할 수 없고, 순환펌프(500)의 용량 증가에 따라 배관에 작용하는 압력이 커지게 되므로 위치에 따라 배관의 두께를 다르게 해야 하므로 시공이 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 부하측 열교환기의 입,출구 온도차 및 열원측 입,출구 온도차를 이용하여 부하측 펌프 유량, 열원측 펌프 유량, 압축기 용량을 제어하여 부하에 따른 시스템의 운전 조건을 유지하는 한편, 예를 들어, 지열, 우수(雨水) 열원과 같이 복수의 열원이 결합된 시스템인 경우 지열과 우수 열원을 순환하는 열교환매체 사이에 우수 열원측으로 공급되는 열교환매체의 유량을 조절함으로써 열원간의 온도 균형을 맞추고 부하에 연동하는 시스템을 유지할 수 있도록 하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치 및 그 제어방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 다수의 열원 또는 다수의 부하 시스템이 히트펌프에 연결될 때 순환펌프의 부하를 일정하게 유지할 수 있고 동일한 두께의 배관을 사용할 수 있는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치를 제공하고자 함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치는, 부하측 열교환기(11)와 열원측 열교환기(14)와 사방변 밸브(12)와 압축기(13)와 팽창밸브(15) 및 이들 사이를 연결하는 연결관(16)으로 이루어진 히트펌프(1); 상기 히트펌프(1)의 열원측 열교환기(13)와 제1순환관(24)에 의해 연결되어 지열을 흡수하는 지중 열교환기(2); 상기 히트펌프(1)의 부하측 열교환기(11)와 제2순환관(44)에 의해 연결되는 부하 시스템(4); 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프(22,42)를 포함하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치에 있어서, 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)의 입,출구에 구비되어 관 내부의 온도를 감지하는 온도센서(21a,21b,41a,41b)와, 상기 제1순환관측(24)의 온도센서(21a,21b)에서 측정된 입출구 온도 차이 및 상기 제2순환관측(44)의 온도센서(41a,41b)에서 측정된 입출구 온도 차이를 각각 일정하게 유지할 수 있도록 상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 온도로부터 연산되는 상기 압축기(13)의 부하율과 상기 순환펌프(22,42)의 유량을 제어하는 제어부(5)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 부하측 열교환기(11)와 열원측 열교환기(14)와 사방변 밸브(12)와 압축기(13)와 팽창밸브(15) 및 이들 사이를 연결하는 연결관(16)으로 이루어진 히트펌프(1); 상기 히트펌프(1)의 열원측 열교환기(14)와 부하측 열교환기(11)에 각각 연결되는 다수의 열원(2,2',3,3')과 부하시스템(2,2',3,3'); 상기 히트펌프(1)의 열교환기(11,14)와 상기 다수의 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')을 연결하기 위해 상기 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')에 각각 연결되는 다수의 분기관(55a,55b,55c,55d)을 포함하는 공급관(55); 상기 히트펌프(1)의 열교환기(11,14)와 상기 다수의 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')을 연결하기 위해 상기 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')에 각각 연결되는 다수의 분기관(56a,56b,56c,56d)을 포함하되, 상기 공급관(55) 및 분기관(55a,55b,55c,55d)과는 대향되도록 설치되는 회수관(56); 상기 공급관(55)과 회수관(56) 중 어느 하나의 배관 상에 설치되어 열교환매체를 순환시키는 순환펌프(22); 상기 공급관(55)과 회수관(56)에 각각 구비되어 관 내부의 온도를 감지하는 온도센서(21a,21b,41a,41b); 상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 열교환기의 입출구 온도 차이를 일정하게 유지할 수 있도록 상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 온도로부터 연산되는 상기 압축기(13)의 부하율과 상기 순환펌프(22,42)의 유량을 제어하는 제어부(5)를 포함한다.

본 발명의 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치의 제어방법은, 부하측 열교환기(11)와 열원측 열교환기(14)와 사방변 밸브(12)와 압축기(13)와 팽창밸브(15) 및 이들 사이를 연결하는 연결관(16)으로 이루어진 히트펌프(1); 상기 히트펌프(1)의 열원측 열교환기(13)와 제1순환관(24)에 의해 연결되어 지열을 흡수하는 지중 열교환기(2); 상기 히트펌프(1)의 부하측 열교환기(11)와 제2순환관(44)에 의해 연결되는 부하 시스템(4); 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프(22,42)를 포함하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치의 제어방법에 있어서, 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)의 입,출구에 구비된 온도센서(21a,21b,41a,41b)에 의해 관 내부의 온도가 감지되는 단계; 상기 제1순환관측(24)의 온도센서(21a,21b)에서 측정된 입출구 온도 차이 및 상기 제2순환관측(44)의 온도센서(41a,41b)에서 측정된 입출구 온도 차이가 연산되는 단계; 상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 각각의 입출구 온도 차이와 기 설정된 온도차이를 비교하는 단계; 상기 입출구 온도 차이가 기 설정된 온도차이를 유지할 수 있도록 상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 온도로부터 연산되는 상기 압축기(13)의 부하율과 상기 순환펌프(22,42)의 유량이 제어되는 단계를 포함한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치 및 그 제어방법은, 부하측 열교환기의 입,출구 온도차와 열원측 입,출구 온도차를 이용하여 부하측 펌프 유량 제어 및 열원측 유량 제어, 압축기 용량을 제어하여 부하에 따른 시스템의 운전 조건을 유지하여 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 다수의 열원 또는 다수의 부하 시스템을 히트펌프에 연결시키는 경우 공급관과 회수관을 서로 대향되도록 배치함으로써 순환펌프의 부하를 일정하게 유지할 수 있고 동일한 두께의 배관을 사용할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 지열을 이용한 히트펌프 시스템을 나타낸 구성도.
도 2는 종래 냉난방 장치의 배관 구조를 나타낸 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치를 나타낸 전체 구성도.
도 4는 본 발명에 따른 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치의 제어 방법을 나타낸 공정도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 냉난방 장치의 배관 구조를 나타낸 구성도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 따른 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치를 나타낸 전체 구성도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 추종 복합 지열원 냉난방 장치는, 부하측 열교환기(11)와 열원측 열교환기(14)와 사방변 밸브(12)와 압축기(13)와 팽창밸브(15) 및 이들 사이를 연결하는 연결관(16)으로 이루어진 히트펌프(1); 상기 히트펌프(1)의 열원측 열교환기(13)와 제1순환관(24)에 의해 연결되어 지열을 흡수하는 지중 열교환기(2); 상기 히트펌프(1)의 부하측 열교환기(11)와 제2순환관(44)에 의해 연결되는 부하 시스템(4); 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프(22,42)를 포함하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치에 있어서, 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)의 입,출구에 구비되어 관 내부의 온도를 감지하는 온도센서(21a,21b,41a,41b)와, 상기 제1순환관측(24)의 온도센서(21a,21b)에서 측정된 입출구 온도 차이 및 상기 제2순환관측(44)의 온도센서(41a,41b)에서 측정된 입출구 온도 차이를 각각 일정하게 유지할 수 있도록 상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 온도로부터 연산되는 상기 압축기(13)의 부하율과 상기 순환펌프(22,42)의 유량을 제어하는 제어부(5)를 포함한다.

상기 히트펌프(1)는 부하측 열교환기(11)와 열원측 열교환기(14)와 사방변 밸브(12)와 압축기(13)와 팽창밸브(15) 및 이들 사이를 연결하는 연결관(16)으로 구성되어 이들 내부를 냉매가 순환하게 되어 있다.

상기 압축기(13)는 부하율에 따라 회전수가 가변되는 것으로서 회전수를 감소시키면 압축기 용량이 감소된다. 상기 사방변밸브(12)는 냉방과 난방시 냉매의 흐름 방향을 전환시키도록 되어 있다.

상기 지중 열교환기(2)를 통해 흡수된 지열은 상기 열원측 열교환기(14)에서 열교환에 의해 상기 히트펌프(1)로 유입된다. 한편 상기 열교환기(11,14)는 열을 흡수하는 증발기와 열을 방출하는 응축기의 기능을 수행한다.

상기 지중 열교환기(2)는 지중에 매설되며 열교환매체의 유통경로가 되는 'U' 자 형태의 파이프가 반복 형성되며 수직이나 수평으로 매립되게 한다.

상기 지중 열교환기(2)는 그 내부를 순환하는 열교환매체에 의해 지열을 흡수하고, 이 지열을 흡수한 열교환매체는 제1순환관(24)을 순환하면서 열원측 열교환기(14)에서 히트펌프(1) 내부를 순환하는 냉매와 열교환을 하게 된다.

상기 제1순환관(24)은, 지열과 열교환이 이루어진 열교환매체를 열교환기(14) 측으로 공급함으로써 지열을 히트펌프(1)로 공급하는 열원측 공급관(24a)과, 열교환기(14)에서 열교환이 이루어진 열교환매체를 지중열교환기(2) 측으로 회수함으로써 지열을 히트펌프(1)로부터 회수하는 열원측 회수관(24b)으로 이루어져 있다.

상기 온도센서(21a)는 열원측 열교환기(14)의 입구측 순환관(24a)상에 설치되어 순환관(24a) 내부의 온도를 측정하고, 출구측 순환관(24b) 상에 설치된 온도센서(21b)는 순환관(24b) 내부의 온도를 측정하고, 이 측정된 결과는 제어부(5)에 송신된다.

상기 부하 시스템(4)은 부하가 공급되거나 회수되며, 냉,난방 축열조와 온수 축열조를 통해 건물의 냉,난방과 급탕을 공급하게 되는 시스템을 나타낸다. 이러한 부하 시스템(4)은 일례로, 외기 온도에 따라 사용자가 요구하는 부하량이 달라지게 된다. 즉, 여름에는 냉방 부하량이 증가하게 되고, 겨울에는 난방 부하량이 증가하게 된다.

상기 부하 시스템(4)에 연결된 제2순환관(44)은 입구측 순환관(44a)과 출구측 순환관(44b)으로 이루어지고, 상기 순환관(44a,44b) 각각에 설치된 온도센서(41a,41b)는 각각 그 내부의 온도를 측정하고, 이 측정된 결과는 제어부(5)에 송신된다.

상기 순환펌프(42)는 냉,난방 부하의 변동에 따라 제어부(5)의 제어에 따라 유량이 가변될 수 있는 것이다.

즉, 상기 제어부(5)는 상기 제1 순환관(24)과 제2 순환관(44)에 구비되어 있는 온도센서(21a,21b,41a,41b)들에 의해 측정된 신호를 받아들이며, 조작을 통해 상기 순환펌프(22,42)의 유량을 제어하게 된다. 또한 상기 제어부(5)는 상기 압축기(13)와 연결되어 압축기(13)의 부하율을 제어하게 된다.

따라서 시스템에 공급되는 부하를 조절함으로써 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.

한편 상기 제어부(5)는 비례적분미분 제어인 것을 특징으로 하며, 상기 비례적분미분 제어는 비례, 적분, 미분 제어의 세 부분을 병렬로 조합한 것으로서 통상적인 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 이해할 수 있는 것으로 이에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 지열과 우수(雨水) 열원이 복합적으로 사용되는 특징이 있으며 순수 지열원만 적용된 시스템인 경우 지중열교환기가 일정량의 용량을 가지고 있어 설계에 맞게 시공되었으면 운전시 일정한 성능을 유지할 것이다. 그러나 지열과 우수열원이 복합적으로 사용되는 경우 강수량, 우수 사용량, 기후등 열원의 조건에 많은 영향을 주는 인자가 존재함으로 열원의 조건이 설계치에 비해 유동적으로 변할 수 있다.

이와 같은 문제를 해결하고 혹은 2개 이상의 다양한 용량에 열원을 사용할 경우를 대비하여 본 발명은 지중열교환기(2)와 우수열교환기(3) 사이에 자동밸브(33)를 구비하고 있다.

상기 자동밸브(33)의 개도를 조절하기 위하여 지중열교환기(2)의 출구 측 공급관(24a)과 우수열교환기(3)의 출구 측 공급관(32a)에 각각 온도센서(23,31)를 설치한다.

즉, 본 실시예에서는 가장 기준이 되며 용량이 가장 큰 열교환기(2)의 출구에 설치된 온도센서(23)의 출구 온도를 기준으로 우수열교환기(3)의 출구에 설치된 온도센서(31)의 출구 온도를 비교하고, 이 비교결과 우수열교환기(3)의 출구 측 온도가 원하는 온도에서 벗어난 경우 열원측 열교환기(13)에 유입되는 입구 측 온도를 최적화하기 위해 유량 조절 자동밸브(33)의 개도를 조절한다.

다시 말하면, 기준열교환기(2) 출구온도를 기준으로 우수열교환기(3)에 흐르는 유량을 선형 제어하여 우수열교환기(3)의 출구 온도를 기준열교환기(2) 출구온도와 같은 온도를 유지하도록 제어한다. 이와 같은 제어를 통해 복합열원이 상태에 무관하게 일정하게 성능을 유지할 수 있다.

상기 히트펌프의 작동원리를 간략하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 히트펌프(1)내에 주입된 냉매는 증발기에서 열을 흡수하면서 증발하고 저온 저압의 가스상태가 되어 압축기(13)로 흡입된다. 압축구(13)에서는 냉매가 압축되면서 고온 고압상태가 되어 전달되며, 응축기에서는 열을 방출하면서 냉매는 액화된다.

고압 액화된 냉매는 팽창밸브(15)에서 감압되고, 저온 저압 액화상태의 냉매는 증발기로 들어가게 된다. 따라서 히프펌프(1)는 이러한 싸이클을 반복하면서 저온의 열을 회수하고 압축기 동력을 부과하여 필요한 고온의 열을 발생시키게 된다. 즉 상기 히트펌프(1)는 열을 운반하는 기능을 수행하는 것이다.

이하, 본 발명에 따른 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치의 제어 방법을 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치의 제어 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 먼저, 부하측 입구의 온도를 온도센서(41a)로부터 측정하고, 이 측정된 결과로부터 압축기(13)의 부하율을 제어한다.

예를 들어 부하 시스템(4)의 부하가 줄어 온도센서(41a)의 측정 온도가 40℃ → 43℃로 증가하면 압축기(13)의 회전수를 감소시켜 압축기(13) 용량을 줄이게 된다.

상기 압축기(13) 용량을 줄이게 됨에 따라 이에 연동하여 순환펌프(42)의 유량을 상기 부하량에 비례하도록 조절할 필요가 있다. 즉, 결국 부하측 열교환기의 열교환량(Q)이 줄어들게 되며 Q=m*Cp*dt에 의해 dt를 일정하게 유지하기 위해 순환펌프(42)의 유량을 줄이게 된다.

이를 위하여 부하측 열교환기(11) 입구의 온도센서(41a)와 부하측 열교환기(11) 출구의 온도센서(41b)로부터 내부 온도를 각각 감지하여, 입구와 출구의 온도차가 일정 온도차를 유지하도록 부하측 순환펌프(42)를 제어한다.

또한 열원측 열교환기(14) 입구와 열원측 열교환기(14) 출구의 온도를 온도센서(21a,21b)로 각각 감지하여, 입구와 출구의 온도차가 일정 온도차를 유지하도록 열원측 순환펌프(22)를 제어한다.

여기서 부하측 열교환기(11) 입출구 온도차는 부하가 변동하는 경우 이에 맞추어 압축기(13)와 순환펌프(42)의 유량을 제어하기 위한 기준이 되는 것으로서, 부하가 변동에 대응하여 상기 온도차를 일정하게 유지할 수 있도록 압축기(13)의 부하율과 순환펌프(22,42)의 유량 변화량을 연산하여 서로 유기적으로 연결시켜 제어할 수 있게 된다.

아울러 상기 모든 제어는 제어부(5)의 조작에 의해 이루어진다.

종래에는 부하가 변동하면 사용자가 히트펌프의 가동을 on/off 시킴에 따라 히트펌프의 수명을 단축시키는 문제가 있었으나, 본 발명에 따른 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치는 상기와 같은 제어 방법을 통해 히트펌프를 반복적으로 on/off시킬 필요가 없어 히트펌프의 수명을 연장시킬 수 있고, 시스템의 운전 조건을 유지하며, 과부하를 방지할 수 있다.

이 경우 도 2에서와 같이 지열과 우수열원을 복합적으로 사용하는 경우에는 강수량, 우수 사용량, 기후 등 열원의 조건에 영향을 주는 인자로 인해 열원의 조건이 설계치에 비해 유동적일 수 있다.

예를 들면 제1순환관(24)에 설치된 온도센서(21b)에 의해 열원측 열교환기(14)의 출구 온도가 10℃이고 지중 열교환기(2)의 출구 측에 설치된 온도센서(23)에서 측정된 온도가 15℃라고 가정한다.

여기서 우수 저장조로 우수가 유입되지 않거나 우수 사용량이 많은 경우에는 우수 열교환기(3)의 출구 측에 설치된 온도센서(31)에서 측정된 온도가 15℃→14℃→13℃→12℃로 계속 떨어질 수 있다.

이러한 문제가 발생하는 경우에는 다음과 같은 제어방법에 의해 제어를 수행한다.

다수의 열원 중 용량이 가장 큰 지중 열교환기(2)를 기준 열교환기로 설정하고, 지중 열교환기(2)의 출구 측의 온도센서(23)에 의해 측정된 온도가 기준온도로 설정한다.

또한 우수 열교환기(3)의 출구 측의 온도센서(31)로부터 온도를 측정하고 이 측정된 온도와 상기 기준온도를 비교한다.

이 비교결과 두 온도 사이에 차이가 발생하면 자동밸브(33)의 개도를 조절하여 우수 열교환기(3)로 유입되는 열교환매체의 유량을 조절하게 된다.

상기와 같이 온도센서(31)에서 측정된 온도가 떨어지는 경우에는 자동밸브(33)의 개도를 줄여 우수 열교환기(3)로 유입되는 유량을 감소시킨다.

이와 같은 방법으로 자동밸브(33)의 개도를 온도센서(31)에서 측정된 온도가 기준온도에 도달할 때까지 선형 제어하여 온도센서(31)의 온도가 기준온도에 접근하도록 연동 제어한다.

상기와 같이 우수저장조의 열원량이 외부조건에 따라 변화하더라도 열원 유량을 적절히 분배함으로써 2 이상의 열원에 적용하는 경우에도 다수의 다양한 열원에 대한 최적화가 가능하다.

또한 자동밸브(33)의 개도에 따라 배관 압력 강하가 달라져 열원측 유량이 변화하며 이러한 유량변화는 열원측 열교환기(14) 온도차를 일정하게 유지하도록 하여 최적의 유량값으로 제어가 가능하도록 하였다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 의한 냉난방 장치의 배관 구조를 나타낸 구성도이다.

도 5에는 다수의 열원(2,2',3,3')과 히트펌프의 열교환기(14)가 연결된 배관 구조가 나타나 있다.

각 열원(2,2',3,3')과 히트펌프의 열교환기(14) 사이에는 열교환매체가 순환하는 공급관(55)과 회수관(56)이 연결되어 있고, 상기 회수관(56) 상에는 열교환매체를 순환시키기 위한 순환펌프(22)가 설치되어 있다.

상기 공급관(55)은 각 열원(2,2',3,3')과 연결되는 다수의 분기관(55a,55b,55c,55d)에 연결되어 있고, 상기 회수관(56)도 각 열원(2,2',3,3')과 연결되는 다수의 분기관(56a,56b,56c,56d)에 연결되어 있다.

여기서 상기 공급관(55)과 연결된 분기관(55a,55b,55c,55d)과 상기 회수관(56)에 연결된 분기관(56a,56b,56c,56d)은 서로 대향되도록 설치된다.

즉, 공급관(55)은 열교환기(14)의 일측과 연결되고, 회수관(56)은 상기 공급관(55)이 연결된 열교환기(14)의 반대측과 연결된다. 또한 분기관(55a,55b,55c,55d)이 공급관(55)과 연결되는 위치는 열교환기(14)를 기준으로 분기관(56a,56b,56c,56d)이 회수관(56)과 연결되는 위치의 반대측이다.

이러한 구조로 하면 상기 다수의 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')에 연결된 상기 공급관(55) 및 회수관(56)을 경유하여 순환하는 열교환매체의 경로 길이는 각각의 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')마다 균일하게 된다. 즉, 첫 번째 열원(2)을 경유하는 순환 경로 길이와 두 번째, 세 번째, 네 번째 열원(2',3,3')을 경유하는 순환 경로 길이가 모두 동일하거나 거의 비슷하게 구성할 수 있다.

따라서 열교환기(14)로부터 가까운 위치에 있는 열원이나 먼 곳에 있는 열원에 균일하게 열교환매체를 공급할 수 있다.

상기에서는 히트펌프에 다수의 열원(2,2',3,3')이 연결된 구조를 예시하였으나, 열원 대신 다수의 부하시스템이 연결되는 구조에도 적용가능하다. 이 경우에는 다수의 부하시스템이 히트펌프의 부하측 열교환기에 상기와 같은 배관구조로 연결된다.

상기 배관구조를 제외하면 도 3에서 설명한 구성은 본 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다. 즉, 공급관(55)과 회수관(56)에 각각 온도센서(21a,21b,41a,41b)를 설치하여 열교환기(11,14)의 입출구 온도를 일정하게 되도록 압축기와 순환펌프를 제어하게 된다.

또한 순환펌프(22)는 공급관(55)과 회수관(56) 중 어느 하나에 선택적으로 설치 가능하다.

이와 같은 구조에 의하면 순환펌프(22)의 압송력이 동일하더라도 다수의 열원(2,2',3,3') 또는 다수의 부하시스템에 동일 유량으로 열교환매체의 공급이 가능하므로, 난방/냉방을 균일하게 할 수 있다.

또한 모든 배관에 동일한 부하가 걸리므로 배관의 위치에 따라 관 두께를 다르게 할 필요가 없고 동일한 두께의 배관을 사용할 수 있어 시공이 간편하다.

1 : 히트펌프 2 : 지중 열교환기
3 : 우수 열교환기 4 : 부하 시스템
5 : 제어부 11,14 : 열교환기
12 : 사방변 밸브 13 : 압축기
15 : 팽창밸브 16 : 연결관
22 : 순환펌프 24 : 제1 순환관
24a : 열원측 공급관 24b : 열원측 회수관
42 : 순환펌프 44 : 제2 순환관
44a : 부하측 공급관 44b : 부하측 회수관
21a,21b,23,31,44a,44b : 온도센서
55 : 공급관 55a,55b,55c,55d : 분기관
56 : 회수관 56a,56b,56c,56d : 분기관

Claims (9)

1. 삭제
2. 부하측 열교환기(11)와 열원측 열교환기(14)와 사방변 밸브(12)와 압축기(13)와 팽창밸브(15) 및 이들 사이를 연결하는 연결관(16)으로 이루어진 히트펌프(1); 상기 히트펌프(1)의 열원측 열교환기(13)와 제1순환관(24)에 의해 연결되어 지열을 흡수하는 지중 열교환기(2); 상기 히트펌프(1)의 부하측 열교환기(11)와 제2순환관(44)에 의해 연결되는 부하 시스템(4); 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프(22,42)를 포함하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치에 있어서,
   상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)의 입,출구에 구비되어 관 내부의 온도를 감지하는 온도센서(21a,21b,41a,41b)와, 상기 제1순환관측(24)의 온도센서(21a,21b)에서 측정된 입출구 온도 차이 및 상기 제2순환관측(44)의 온도센서(41a,41b)에서 측정된 입출구 온도 차이를 각각 일정하게 유지할 수 있도록 상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 온도로부터 연산되는 상기 압축기(13)의 부하율과 상기 순환펌프(22,42)의 유량을 제어하는 제어부(5)를 포함하되,
   상기 지중 열교환기(2)를 포함하여 다수의 열원이 복합적으로 연결된 경우에는 상기 제1순환관(24)과 상기 지열을 제외한 타 열원 사이에 자동밸브(33)가 설치되고;
   상기 타 열원의 열교환기 출구 측에는 온도센서(31)가 설치되며;
   상기 온도센서(21a,21b,41a,41b,31)의 온도 측정 결과, 상기 다수의 열원 중 용량이 가장 큰 열원의 열교환기의 출구 온도를 기준으로 나머지 열교환기의 출구 온도를 비교하여 상기 나머지 열교환기의 출구 온도가 상기 용량이 가장 큰 열원의 열교환기 출구 온도에 도달할 때까지 상기 자동밸브(33)의 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 열원에는 우수열교환기(3)가 포함되고, 상기 자동밸브(33)는 상기 제1순환관(24)과 우수열교환기(3) 사이에 설치되며, 상기 용량이 가장 큰 열원의 열교환기는 상기 지중 열교환기(2)인 것을 특징으로 하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치.
   
4. 삭제
5. 부하측 열교환기(11)와 열원측 열교환기(14)와 사방변 밸브(12)와 압축기(13)와 팽창밸브(15) 및 이들 사이를 연결하는 연결관(16)으로 이루어진 히트펌프(1); 상기 히트펌프(1)의 열원측 열교환기(13)와 제1순환관(24)에 의해 연결되어 지열을 흡수하는 지중 열교환기(2); 상기 히트펌프(1)의 부하측 열교환기(11)와 제2순환관(44)에 의해 연결되는 부하 시스템(4); 상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)에 각각 구비되어 지열을 원활하게 순환시키는 순환펌프(22,42)를 포함하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치의 제어방법에 있어서,
   상기 제1순환관(24)과 제2순환관(44)의 입,출구에 구비된 온도센서(21a,21b,41a,41b)에 의해 관 내부의 온도가 감지되는 단계;
   상기 제1순환관측(24)의 온도센서(21a,21b)에서 측정된 입출구 온도 차이 및 상기 제2순환관측(44)의 온도센서(41a,41b)에서 측정된 입출구 온도 차이가 연산되는 단계;
   상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 각각의 입출구 온도 차이와 기 설정된 온도차이를 비교하는 단계;
   상기 입출구 온도 차이가 기 설정된 온도차이를 유지할 수 있도록 상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 온도로부터 연산되는 상기 압축기(13)의 부하율과 상기 순환펌프(22,42)의 유량이 제어되는 단계를 포함하되,
   상기 지중 열교환기(2)를 포함하여 다수의 열원이 복합적으로 연결된 경우에 다수의 열원 중 용량이 가장 큰 기준 열교환기의 출구 측 온도가 측정되어 기준온도로 설정되는 단계;
   상기 기준 열교환기를 제외한 타 열원의 열교환기 출구 측 온도를 측정하는 단계;
   상기 기준 열교환기 출구 측 온도와 타 열원의 열교환기 출구 측 온도 사이에 차이가 발생한 경우에는 상기 타 열원의 열교환기로 유입되는 열교환매체의 유량을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치의 제어방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 타 열원의 열교환기로 유입되는 열교환매체의 유량 조절은 상기 제1순환관(24)과 상기 타 열원의 열교환기 입구 측 공급관 사이에 설치된 자동밸브(33)의 개도 조절에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치의 제어방법.
   
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 타 열원의 열교환기로 유입되는 열교환매체의 유량 조절은, 상기 타 열원의 열교환기 출구 측 온도가 상기 기준 열교환기의 출구 측 온도에 도달할 때까지 이루어지는 것을 특징으로 하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치의 제어방법.
   
8. 부하측 열교환기(11)와 열원측 열교환기(14)와 사방변 밸브(12)와 압축기(13)와 팽창밸브(15) 및 이들 사이를 연결하는 연결관(16)으로 이루어진 히트펌프(1);
   상기 히트펌프(1)의 열원측 열교환기(14)와 부하측 열교환기(11)에 각각 연결되는 다수의 열원(2,2',3,3')과 부하시스템(2,2',3,3');
   상기 히트펌프(1)의 열교환기(11,14)와 상기 다수의 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')을 연결하기 위해 상기 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')에 각각 연결되는 다수의 분기관(55a,55b,55c,55d)을 포함하는 공급관(55);
   상기 히트펌프(1)의 열교환기(11,14)와 상기 다수의 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')을 연결하기 위해 상기 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')에 각각 연결되는 다수의 분기관(56a,56b,56c,56d)을 포함하되, 상기 공급관(55) 및 분기관(55a,55b,55c,55d)과는 대향되도록 설치되는 회수관(56);
   상기 공급관(55)과 회수관(56) 중 어느 하나의 배관 상에 설치되어 열교환매체를 순환시키는 순환펌프(22);
   상기 공급관(55)과 회수관(56)에 각각 구비되어 관 내부의 온도를 감지하는 온도센서(21a,21b,41a,41b);
   상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 열교환기의 입출구 온도 차이 를 일정하게 유지할 수 있도록 상기 온도센서(21a,21b,41a,41b)에서 측정된 온도로부터 연산되는 상기 압축기(13)의 부하율과 상기 순환펌프(22,42)의 유량을 제어하는 제어부(5);
   를 포함하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 다수의 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')에 연결된 상기 공급관(55) 및 회수관(56)을 경유하여 순환하는 열교환매체의 경로 길이는 각각의 열원(2,2',3,3') 또는 부하시스템(2,2',3,3')마다 균일한 것을 특징으로 하는 부하 추종 복합 지열원 냉난방 장치.

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