KR101583603B1 - 하이브리드 히트 펌프 시스템 - Google Patents

하이브리드 히트 펌프 시스템 Download PDF

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김성배
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Abstract

본 발명은 냉온수 냉난방을 위하여 지열과 공기열을 복합적으로 이용하는 하이브리드 히트 펌프 시스템 및 그 제어방법에 관한 것으로서, 상기 하이브리드 히트 펌프 시스템은 지열을 회수하고, 회수된 상기 지열을 냉난방용 열원으로 이용하여 부하에 열을 공급하는 지열 히트 펌프 시스템, 외부에서 유입되는 공기를 냉난방용 열원으로 이용하여 상기 부하에 열을 공급하는 공기열 히트 펌프 시스템, 상기 지열 히트 펌프 시스템 및 상기 공기열 히트 펌프 시스템과 열교환 하며, 교환된 열을 저장하는 버퍼 축열조 및 상기 부하에서 필요한 열량에 따라 상기 공기열 히트 펌프 시스템이 상기 부하에 공급하는 열을 조절하는 제어부를 포함하고, 상기 지열 히트 펌프 시스템은, 지열수나 지하수를 이용하여 상기 지열을 회수하는 지열 교환기, 상기 지열 교환기에서 회수된 상기 지열을 포함하는 상기 지열수나 상기 지하수를 이용하여 제1유체를 냉난방용 열원수로 만드는 지열 히트 펌프 장치, 상기 지열 교환기와 상기 지열 히트 펌프 장치를 연결하여 상기 지열수나 상기 지하수가 순환되는 지열 배관, 상기 지열 히트 펌프 장치와 상기 버퍼 축열조를 연결하여 상기 제1유체가 순환되는 지열 히트 펌프용 배관을 포함하고, 상기 공기열 히트 펌프 시스템은, 외부에서 유입되는 공기를 가열하여 토출시키는 공기가열기, 유입된 상기 공기를 이용하여 제2유체를 냉난방용 열원수로 만드는 공기열 히트 펌프 장치, 상기 공기열 히트 펌프 장치와 상기 버퍼 축열조를 연결하여 상기 제2유체가 순환되는 공기열 히트 펌프용 배관을 포함하며, 상기 버퍼 축열조는, 상기 제1유체와 상기 제2유체의 임시저장을 통해 열을 저장하고, 상기 공기가열기와 연결되고, 상기 버퍼 축열조에 저장된 열을 포함하는 제3유체가 순환되는 공기가열기용 배관을 포함하며, 상기 공기가열기용 배관을 통해 순환하는 상기 제3유체에 포함된 열을 이용하여 상기 공기가열기에 유입된 공기를 가열하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 히트 펌프 시스템{Hybrid Heat pump system}
본 발명은 지열과 공기열을 복합적으로 이용하는 하이브리드 히트 펌프 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 냉온수를 사용하는 냉난방 시스템에서 지열 히트 펌프에서 만들어 지는 온수나 축열조의 온수를 이용하여 공기열 히트 펌프로 유입되는 차가운 외기를 가열하여 난방 열효율을 증가시키고 공기열 히트펌프의 난방성능 저하와 고장을 방지하는 하이브리드 히트 펌프 시스템에 관한 것이다.
히트 펌프 시스템은 기본적으로 압축기의 토출구, 응축기, 감압밸브, 증발기 및 압축기의 흡입부를 도관으로 순서대로 연결하여서, 압축기에서 압축된 고온, 고압의 냉매 기체를 응축기에서 응축시켜 그 응축열을 유체와 열교환시킴으로써 온수를 생성하거나 실내공기를 가열하여서 난방을 수행하고, 응축기에서 응축된 고온, 고압의 냉매액은 감압밸브에서 팽창되어 저온, 저압의 냉매액으로 된 후 증발기 본체에 유입되어 열원에 의하여 증발되고, 그 증발열을 유체와 열교환시켜 냉수를 생성하거나 실내공기를 냉각하여서 냉방을 수행할 뿐만 아니라, 증발기 본체에서 증발된 저온, 저압의 냉매 기체는 압축기에 흡입되는 사이클을 기본으로 반복되는 것이다.
따라서, 히트 펌프 시스템을 냉방운전으로 가동시켜 실내를 냉방하거나, 난방운전으로 작동시켜 실내를 난방하게 된다. 기본적으로 히트 펌프 시스템을 난방운전 하게 되는 경우, 증발기에서 외부로부터 열을 흡수하여 증발된 냉매가 압축기를 통해 압축되고, 압축된 고온 고압의 냉매가 실내에 설치된 응축기에서 응축되면서 방출하는 열을 이용하여 난방을 하게 된다. 또한, 냉방운전으로 작동시키는 경우, 압축기를 통과하여 응축기에서 외부로 열을 방출하고, 감압수단을 거쳐증발기에서 열을 흡수하여 기화되면서 이 냉각열을 이용하여 실내를 냉방하게 된다.
히트 펌프 시스템의 경우, 대표적으로 지열 히트 펌프, 공기열 히트 펌프가 존재하며, 지열 히트 펌프의 경우, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40 ~ 70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있으며 안정적으로 설비가 가동되는 장점이 있다.
하지만 지열 히트 펌프는 지열교환기의 종류에 따라 다르지만 가장 많이 사용하는 수직밀폐형의 경우 150m 이상의 지하 천공을 하여야 하므로 초기 투자비용이 큰 문제가 있으며, 필요한 열원을 뽑아내기 위해 많은 보어홀을 굴착해야하고 그에 따라 넓은 장소가 필요하므로, 공사부지와 비용 그리고 공사기간이 증가하는 문제점이 발생한다.
또한, 공기열 히트 펌프의 경우 동절기에는 찬 외기에서 열을 흡수하여 냉매를 증발시켜야 하므로 크게 성능이 저하되고, 고장의 원인이 되는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점에 대응하여, 지열 히트 펌프와 공기열 히트 펌프를 동시에 이용하여 투자비를 절감하고, 열효율을 높이며 동절기 난방의 경우 안정적인 가동을 보장하는 히트 펌프 시스템에 대한 요구가 대두되고 있는 실정이다.
대한민국 특허청 등록특허공보 제10-0780460호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 지열 히트 펌프와 공기열 히트 펌프를 동시에 이용하는 하이브리드 히트 펌프 시스템을 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 난방의 경우 성능 저하 없이 지열 히트 펌프는 안정적으로 가동되므로 이에서 얻어진 열을 직접 이용하거나 이를 저장하는 축열조를 이용하여 공기열 히트 펌프로 유입되는 차가운 외기의 가열을 통해 동절기에 공기열 히트펌프의 열효율을 높이고 성능 저하 없이 안정적으로 가동되는 히트 펌프 시스템을 사용자에게 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 하이브리드 히트 펌프 시스템은, 지열을 회수하고, 회수된 상기 지열을 냉난방용 열원으로 이용하여 부하에 열을 공급하는 지열 히트 펌프 시스템;, 외부에서 유입되는 공기를 냉난방용 열원으로 이용하여 상기 부하에 열을 공급하는 공기열 히트 펌프 시스템;, 상기 지열 히트 펌프 시스템 및 상기 공기열 히트 펌프 시스템과 열교환 하며, 교환된 열을 저장하는 버퍼 축열조; 및 상기 부하에서 필요한 열량에 따라 상기 공기열 히트 펌프 시스템이 상기 부하에 공급하는 열을 조절하는 제어부;를 포함하고, 상기 지열 히트 펌프 시스템은, 순환하는 지열수나 지하수를 이용하여 상기 지열을 회수하는 지열 교환기; 상기 지열 교환기에서 회수된 상기 지열을 포함하는 상기 지열수나 상기 지하수를 이용하여 제1유체를 냉난방용 열원수로 만드는 지열 히트 펌프 장치; 상기 지열 교환기와 상기 지열 히트 펌프 장치를 연결하여 상기 지열수나 상기 지하수가 순환되는 지열 배관; 상기 지열 히트 펌프 장치와 상기 버퍼 축열조를 연결하여 상기 제1유체가 순환되는 지열 히트 펌프용 배관;을 포함하고, 상기 공기열 히트 펌프 시스템은, 외부에서 유입되는 공기를 가열하여 토출시키는 공기가열기; 유입된 상기 공기를 이용하여 제2유체를 냉난방용 열원수로 만드는 공기열 히트 펌프 장치; 상기 공기열 히트 펌프 장치와 상기 버퍼 축열조를 연결하여 상기 제2유체가 순환되는 공기열 히트 펌프용 배관;을 포함하며, 상기 버퍼 축열조는, 상기 제1유체와 상기 제2유체의 임시저장을 통해 열을 저장하고, 상기 공기가열기와 연결되고, 상기 버퍼 축열조에 저장된 열을 포함하는 제3유체가 순환되는 공기가열기용 배관;을 포함하며 상기 공기가열기용 배관을 통해 순환하는 상기 제3유체에 포함된 열을 이용하여 상기 공기가열기에 유입된 공기를 가열할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 공기가열기로 유입되는 공기의 온도에 따라, 상기 공기가열기용 배관을 통해 순환하는 상기 제3유체의 유량을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 공기열 히트 펌프 장치의 가동에 따라 상기 공기가열기의 가동을 제어할 수 있다.
또한, 상기 공기열 히트 펌프 시스템은, 외부 공기의 유출입을 위한 공기 순환용 자동문;을 포함하고, 상기 제3유체가 상기 공기가열기용 배관을 통해 순환하는 경우, 상기 제어부는, 상기 공기 순환용 자동문을 폐쇄하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 공기가열기용 배관은, 동파를 방지하기 위해 상기 공기열 히트 펌프용 배관의 측면에 위치될 수 있다.
또한, 상기 공기열 히트 펌프 장치는, 토출되는 유입된 상기 공기가 환류되지 않도록, 밀폐된 실내에 위치되고, 토출되는 상기 공기가 상기 실내로 유입되지 않도록 토출부가 실외로 연결될 수 있다.
또한, 상기 공기열 히트 펌프 장치는, 상기 공기가열기에서 가열되어 토출된 상기 공기가 환류되지 않고 상기 공기열 히트 펌프 장치에 공급되도록, 상기 공기가열기와 직접 결합될 수 있다.
한편, 상술한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일례와 관련된 지열 히트 펌프 시스템과 공기열 히트 펌프 시스템을 동시에 이용하여 부하에 열을 공급하는 하이브리드 히트 펌프 시스템의 제어방법은, 제어부가 상기 부하에서 필요한 부하열을 판단하는 단계; 상기 제어부가 판단된 상기 부하열에 따라 지열 히트 펌프 시스템을 통해 상기 부하에 열을 공급하도록 제어하는 단계; 및 상기 제어부가 판단된 상기 부하열에 따라 공기열 히트 펌프 시스템을 통해 부가적으로 상기 부하에 공급하는 열을 조절하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부가 판단된 상기 부하열에 따라 공기열 히트 펌프 시스템을 통해 부가적으로 상기 부하에 공급하는 열을 조절하는 단계;는 상기 제어부가 공기가열기로 유입되는 공기의 온도를 확인하는 단계; 상기 제어부가 확인된 상기 공기의 온도에 따라 상기 공기가열기에 유입된 상기 공기를 가열하기 위해 공기가열기용 배관을 통해 순환하는 제3유체의 유량을 제어하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 발명은 지열 히트 펌프와 공기열 히트 펌프를 동시에 이용하는 하이브리드 히트 펌프 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 지열 히트 펌프와 공기열 히트 펌프를 동시에 사용하여 지중 열교환기의 시공비용 및 시공기간이 절감되고, 시공 구역이 감소되는 하이브리드 히트 펌프 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한, 지열 히트 펌프에서 얻어진 열을 직접 이용하거나 저장하는 축열조를 이용하여 공기열 히트 펌프로 유입되는 차가운 외기의 가열을 통해 동절기에 공기열 히트펌프의 열효율을 높이고 성능 저하 없이 안정적으로 가동되는 히트 펌프 시스템을 사용자에게 제공할 수 있다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일 실시례를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 이용될 수 있는 히트 펌프 시스템 일례를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명에 이용될 수 있는 공기가열기 일례를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 히트 펌프 시스템의 제1 제어방법에 관한 순서도이다.
도 4은 본 발명의 히트 펌프 시스템의 제2 제어방법에 관한 순서도이다.
지열 히트 펌프 시스템의 경우, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40 ~ 70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 장점이 있다. 그러나 지열 히트 펌프 시스템은 지열교환기의 종류에 따라 다소 차이가 있지만, 가장 많이 사용하는 수직밀폐형의 경우 150m 이상의 지하 천공을 하여야 하므로 초기 투자비용이 큰 문제가 있으며, 넓은 장소가 필요하므로, 공사부지와 비용 그리고 공사기간이 증가하는 문제점이 발생한다.
또한, 공기열 히트 펌프는 동절기 난방의 경우, 찬 외기에서 열을 흡수하여 냉매를 증발시켜야 하기 때문에 성능이 크게 저하되고, 고장의 원인이 되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 보완하기 위해 안출된 것으로서, 지열과 공기열을 복합적으로 이용하는 하이브리드 히트 펌프 시스템을 사용자에게 제공하고자 한다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예에 대해서 설명한다. 또한, 이하에 설명하는 일실시예는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 내용을 부당하게 한정하지 않으며, 본 실시 형태에서 설명되는 구성 전체가 본 발명의 해결 수단으로서 필수적이라고는 할 수 없다.
<구성>
도 1은 본 발명에 이용될 수 있는 히트 펌프 시스템 일례를 도시한 것이다.
도 1을 참조하여, 하이브리드 히트 펌프 시스템(10)을 살펴보면, 하이브리드 히트 펌프 시스템(10)은 지열 히트 펌프 시스템(100), 공기열 히트 펌프 시스템(200), 버퍼 축열조(300) 및 제어부(미도시)를 포함할 수 있다.
지열 히트 펌프 시스템(100)은 지열을 회수하고, 회수된 상기 지열을 냉난방용 열원으로 이용하여 부하에 열을 공급할 수 있다. 지열 히트 펌프 시스템(100)은 지열 히트 펌프 장치(110), 지열 교환기(120), 지열 공급 배관(130), 지열 환수 배관(140), 지열 히트 펌프용 공급 배관(150), 지열 히트 펌프용 회수 배관(160)을 포함할 수 있다.
지열 히트 펌프 장치(110)는 지열 교환기(120)에서 회수된 지열을 이용하여 제1유체를 가열하거나 냉각하는 장치이다. 부하에 이용하는 순환매체인 제1유체는 지열 히트 펌프 장치(110)의 압축, 응축, 팽창 및 증발되는 과정을 통해 액화와 기화가 반복됨으로써 냉난방에 필요한 열원수로 만들어진다.
지열 히트 펌프 장치(110)는 지열 교환기(120)와 지열 공급 배관(130), 지열 회수 배관(140)을 통해 연결되고, 순환되는 지열수나 지하수로부터 회수된 지중열을 이용하여 제1유체를 가열하거나 냉각시켜 냉난방에 필요한 열원수로 만든다. 또한, 지열 히트 펌프 장치(110)는 버퍼 축열조(300)과 지열 히트 펌프용 공급 배관(150), 지열 히트 펌프용 회수 배관(160)을 통해 연결된다. 이는 냉난방에 필요한 고,저온의 제1유체를 생산하여 열을 필요로 하는 부하(400)에 공급하는 장치로써 일반적으로 사용되고 있는 지열 히트 펌프 장치와 유사하기 때문에 별도의 상세한 설명은 하지 않는다.
지열 교환기(120)는 지열 히트 펌프 장치(110)를 통해 제1유체를 냉난방에 필요한 열원수로 만들기 위해 지열 히트 펌프 장치(110)에서 필요한 열을 지열수나 지하수가 순환되며 지열을 회수하게 하는 기능을 수행한다. 지열 교환기(120)는 지열 히트 펌프 장치(110)와 근접하게 설치됨이 바람직하다. 일반적으로 가장 많이 사용되는 수직밀폐형 지열 교환기(120)의 설치는 여유가 있는 대지를 확보한 후 , 수직 방향으로 보어홀을 굴착하여 열교환 파이프를 매설하는 형태로 설치하며, 지하 150~200m 정도 깊이의 보어홀을 소정 간격으로 굴착하고, 각 보어홀에는 지중열과 열교환하기 위해 끝이 U자형인 파이프를 매설하는 방식으로 설치할 수 있다. 파이프의 양단부에 지열 공급 배관(130), 지열 환수 배관(140)이 연결될 수 있다. 또한, 파이프를 매설한 후, 보어홀은 불투수성 재료인 벤토나이트나 시멘트로 그라우팅할 수 있고, 그라우팅 과정에서 지표수의 유입이나 인접 대수층의 물의 침투를 막기 위해 특수한 재료로 보어홀을 채울 수 있다.
지열 공급 배관(130) 및 지열 환수 배관(140)은 지열 히트 펌프 장치(110)와 지열 교환기(120)를 연결할 수 있고, 지열수나 지하수가 순환될 수 있다. 지열 공급 배관(130)은 지열 히트 펌프 장치(110) 입구와 지열 교환기(120) 출구를 연결하여, 지열 교환기(120)를 통하여 회수한 지열을 지열 히트 펌프 장치(110)측으로 공급하도록 구비된다. 또한, 지열 환수 배관(140)은 지열 히트 펌프 장치(110) 출구와 지열 교환기(120) 입구를 연결하여 지열 히트 펌프 장치(110)로 공급 및 순환된 지열수나 지하수를 회수하도록 구비된다.
지열 히트 펌프용 공급 배관(150)과 지열 히트 펌프용 환수 배관(160)은 지열 히트 펌프 장치(110)와 버퍼 축열조(300)를 연결할 수 있고, 제1유체가 순환될 수 있다. 지열 히트 펌프용 공급 배관(150)은 지열 히트 펌프 장치(110) 출구와 버퍼 축열조(300) 입구를 연결하여, 회수한 지열을 버퍼 축열조(300)로 공급하도록 구비될 수 있다. 지열 히트 펌프용 환수 배관(160)은 지열 히트 펌프 장치(110) 입구와 버퍼 축열조(300) 출구를 연결하여, 버퍼 축열조(300)에서 지열 히트 펌프 장치(110)로 제1유체가 순환하도록 구비될 수 있다.
공기열 히트 펌프 시스템(200)은 외부에서 유입되는 공기를 냉난방용 열원으로 이용하여 부하(400)에 열을 공급한다. 공기열 히트 펌프 시스템(200)은 공기열 히트 펌프 장치(210), 자동문(220), 공기열 히트 펌프용 공급 배관(230), 공기열 히트 펌프용 회수 배관(240), 공기가열기(250), 온도센서(251)을 포함할 수 있다.
공기열 히트 펌프 장치(210)는 외부에서 유입되는 공기를 제2유체를 이용하여 열교환하고, 열교환된 제2유체를 냉난방용 열원으로 이용하여 부하(400)에 열을 공급한다. 특히, 공기열 히트 펌프 장치(210)에 유입되어 열원수 제조에 사용된 공기는 다시 공기열 히트 펌프 장치(210)로 환류되어서는 아니되며, 공기열 히트 펌프 장치(210)로 유입되는 공기를 가열하기 위하여 공기가열기(250)가 구비될 수 있다. 따라서 본발명에 적용될 수 있는 공기열 히트 펌프 장치(210)는 밀폐된 실내에 위치될 수도 있으며, 유입된 공기가 토출되는 토출부만 실외로 연결될 수 있다. 또한 공기가열기(250)가 공기열 히트 펌프 장치(210)의 공기 흡입부에 직접 장착될 수도 있으며, 이 경우는 종전처럼 실외에 위치할 수도 있다.
공기열 히트 펌프 장치(210)는 외부의 공기와 열교환 하기 위해 자체 내에 응축기, 증발기, 압축기 등을 포함할 수 있고, 종래의 공기열 히트 펌프 장치(210)와 유사하여 별도의 상세한 설명은 생략한다.
자동문(220)은 복수개로 구성될 수 있고, 외부 공기가 유출입할 수 있으며, 공기가열기(250)가 공기열 히트 펌프 장치(210)에 직접 장착된 경우는 자동문(220)이 존재하지 아니할 수 있다. 또한, 공기가열기(250)도 복수개로 구성될 수 있고, 온수가 보유한 열로써 공기를 가열할 수 있는 구조로 구비될 수 있다. 공기가열기(250)가 작동하는 경우, 자동문(220)은 폐쇄될 수 있다. 즉 공기열 히트 펌프 시스템(200)이 난방으로 가동되는 경우, 성능 향상을 위해 차가운 외부의 공기를 공기가열기(250)를 통해서 가열되어 공기열 히트 펌프 장치(210)로 유입될 수 있도록 자동문(220)이 폐쇄될 수 있다. 또한, 공기가열기(250)가 작동하지 않는 경우, 원활하게 외부 공기가 유입되도록 자동문(220)이 개방될 수 있다.
공기열 히트 펌프용 공급 배관(230)과 공기열 히트 펌프용 회수 배관(240)은 공기열 히트 펌프 장치(210)와 버퍼 축열조(300)를 연결할 수 있고, 제2유체가 순환될 수 있다. 공기열 히트 펌프용 공급 배관(230)은 공기열 히트 펌프 장치(210) 출구와 버퍼 축열조(300) 입구를 연결하여, 회수한 공기열을 버퍼 축열조(300)로 공급하도록 구비될 수 있다. 공기열 히트 펌프용 회수 배관(240)은 공기열 히트 펌프 장치(210) 입구와 버퍼 축열조(300) 출구를 연결하여, 버퍼 축열조(300)에서 공기열 히트 펌프 장치(210)로 제2유체가 순환하도록 구비될 수 있다.
도 2는 본 발명에 이용될 수 있는 공기가열기(250) 일례를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 공기가열기(250)는 외부에서 공기열 히트 펌프 시스템으로 유입되는 공기를 가열한다. 버퍼 축열조(300)에 저장된 제3유체를 이용하여 유입되는 공기를 가열하게 된다. 공기가열기(250)는 온도센서(251)를 포함할 수 있고, 온도센서(251)를 통해 공기가열기(250)로 공급되는 외부의 공기의 온도를 측정할 수 있다. 또한 공기가열기(250)로 유입되고 토출되는 공기로 인해 공기열 히트 펌프 장치(210)의 공기유동이 문제되지 않기 위해 공기가열기(250)로 유입되고 토출되는 공기를 강제 송풍할 수 있다.
버퍼 축열조(300)는 지열 히트 펌프 시스템(100) 및 공기열 히트 펌프 시스템(200)과 열교환 하며, 교환된 열을 저장할 수 있다. 위에서 살펴본 바와 같이 지열 히트 펌프 시스템(100)과는 지열 히트 펌프용 공급 배관(150) 및 지열 히트 펌프용 회수 배관(160)으로 연결되어 제1유체를 통해 열교환 할 수 있고, 공기열 히트 펌프 시스템(200)과는 공기열 히트 펌프용 공급 배관(230) 및 공기열 히트 펌프용 회수 배관(240)으로 연결되어 제2유체를 통해 열교환 할 수 있다. 또한, 부하(400)에 제4유체를 통해 열순환 시켜 열을 공급할 수 있다.
즉, 버퍼 축열조(300)는 지열 히트 펌프 시스템(100)을 통해 열교환 된 제1유체, 공기열 히트 펌프 시스템(200)을 통해 열교환 된 제2유체, 부하(400)와 열교환 된 제4유체를 이송받아 내부에 채워지고, 내부는 내부에 채워진 유체의 온도에 따라 성층화되어 상측부는 고온으로 하측부는 저온으로 형성될 수 있다.
공기가열기용 열공급 배관(330) 및 공기가열기용 열회수 배관(340)은 공기가열기(250)와 버퍼 축열조(300)를 연결할 수 있고, 제3유체가 순환될 수 있다. 공기가열기용 열공급 배관(230)은 버퍼 축열조(300) 출구와 공기가열기(250)의 입구를 연결하여, 공기가열기(250)로 유입되는 외부의 공기를 가열할 수 있도록 한다. 공기가열기용 열회수 배관(240)은 버퍼 축열조(300) 입구와 공기가열기(250)의 출구를 연결하여 제3유체가 순환할 수 있도록 한다. 그리고, 공기가열기용 열공급 배관(330) 및 공기가열기용 열회수 배관(340)은 동절기에 동파가 되는 것을 방지하기 위해 공기열 히트 펌프용 배관(230, 240)의 측면에 위치됨이 바람직하다.
<작용>
본 발명에 적용되는 하이브리드 히트 펌프 시스템(10)은 지열 히트 펌프 시스템(100)이 부하(400)에 열을 공급하며, 부하(400)에서 필요한 열원이 부족한 경우 공기열 히트 펌프 시스템(200)이 부하(400)에 부가적으로 공급하는 열을 조정하게 된다.
COP(Coefficient of Performance, 성능계수)에 있어서, 지열 히트 펌프 시스템(200)이 공기열 히트 펌프 시스템(300)보다 높다. 그러므로 지열 히트 펌프 시스템(100)을 주로 사용을 하면서, 부하(400)의 요구를 만족하지 못하는 경우, 공기열 히트 펌프 시스템(300)을 부가적으로 사용함이 바람직하다.
공기가열기용 배관(330, 340)에는 자동 유량 조절 장치가 존재할 수 있고, 제어부의 제어에 따라 유량을 조절할 수 있다.
제어부는 공기가열기(250)에 유입되는 공기의 온도에 따라 공기가열기용 배관(330, 340)을 통해 순환하는 제3유체의 유량을 제어할 수 있다. 즉, 제3유체의 유량에 따라, 공기열 히트 펌프 시스템(200)에 유입되는 공기의 온도를 조절할 수 있게 된다.
제어부는 온도센서(251)를 통해 공기가열기(250)로 유입되는 공기의 온도를 측정하고, 온도가 기설정된 온도 이하인 경우, 공기가열기(250)를 가동할 수 있다. 즉 공기가열기용 배관(330, 340)을 통해 제3유체를 순환시키고, 공기가열기(250)로 유입되는 공기를 가열할 수 있다. 이때 공기가열기(250)를 가동하기 위한 기설정된 온도는 약 3~5℃가 바람직하다. 외부 공기가 기설정된 온도보다 낮게 공기열 히트 펌프 시스템(200)에 유입되는 경우, 열효율이 저하(최대 35%)되고, 공기열 히트 펌프 시스템(200)의 고장이 발생될 수 있다.
공기가열기(250)는 유입되는 공기가 기설정된 온도 이하인 경우, 기설정된 온도가 되도록 공기가열기용 배관(330, 340)을 통해 제3유체가 순환을 하여 유입되는 공기를 가열하게 된다. 이를 통해 공기열 히트 펌프 시스템(200)의 성능저하가 생기지 않고, 공기열 히트 펌프 시스템(200)의 내구성도 상승되는 효과가 있다.
또한, 공기가열기(250)가 동작하는 경우, 공기열 히트 펌프 시스템(200)으로 유입되는 공기를 가열된 공기만으로 한정시키기 위해 제어부는 자동문(220)을 폐쇄하도록 제어한다.
<제어방법>
도 3은 본 발명의 히트 펌프 시스템의 제1 제어방법에 관한 순서도이다.
도 3을 참조하여, 본 발명에 적용될 수 있는 하이브리드 히트 펌프 시스템의 제어방법을 검토해 보면,
제어부가 부하에서 필요한 부하열을 판단(S110)하는 단계에서 시작된다.
부하에서 필요한 부하열에 따라 지열 히트 펌프 시스템(100)이 부하에 열을 공급 (S120)을 하게 된다.
제어부는 판단한 부하에서 필요한 부하열이 지열 히트 펌프 시스템(100)을 통해 충분히 공급되는지 여부를 확인 및 판단하고, 부족한 경우 공기열 히트 펌프 시스템에서 부족한 부하열을 공급하도록 공기열 히트 펌프 시스템(200)을 제어한다.
제어부가 판단된 부하열에 따라 공기열 히트 펌프 시스템이 부하에 공급하는 열을 조절(S130)하는 단계는, 제어부는 공기열 히트 펌프 시스템(200)이 부하(400)에 공급하는 부하열이 상기 판단된 부하열보다 많은 경우, 공기열 히트 펌프 시스템(200)에서 부하에 공급하는 부하열이 감소하도록 제어할 수 있고, 공기열 히트 펌프 시스템(200)이 부하(400)에 공급하는 부하열이 상기 판단된 부하열보다 적은 경우, 공기열 히트 펌프 시스템(200)에서 부하에 공급하는 부하열이 증가하도록 제어할 수 있다.
도 4는 본 발명의 히트 펌프 시스템의 제2 제어방법에 관한 순서도이다.
도 4을 참조하여, 본 발명에 적용될 수 있는 하이브리드 히트 펌프 시스템의 제어방법을 검토해 보면,
제어부가 공기가열기(250)로 유입되는 공기의 온도를 확인(S210)한다. 이때 공기가열기(250)로 유입되는 공기가 기설정된 온도 이하인 경우, 제어부는 공기가열기(250)를 가동하게 된다. 이때 공기가열기(250)를 가동하면, 제어부가 공기가열기(250)에 유입된 공기를 가열하기 위해 제3유체의 유량을 제어(S220)한다. 유입된 공기가 기설정된 온도까지 상승되도록 제어부는 제3유체의 유량을 제어하게 된다.
한편, 상기와 같이 설명된 하이브리드 히트 펌프 시스템 및 그 제어방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
여기에 설명되는 다양한 실시례는 예를 들어, 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합된 것을 이용하여 컴퓨터 또는 이와 유사한 장치로 읽을 수 있는 기록매체 내에서 구현될 수 있다.
하드웨어적인 구현에 의하면, 여기에 설명되는 실시례는 ASICs (application specific integrated circuits), DSPs (digital signal processors), DSPDs (digital signal processing devices), PLDs (programmable logic devices), FPGAs (field programmable gate arrays, 프로세서(processors), 제어기(controllers), 마이크로 컨트롤러(micro-controllers), 마이크로 프로세서(microprocessors), 기타 기능 수행을 위한 전기적인 유닛 중 적어도 하나를 이용하여 구현될 수 있다. 일부의 경우에 본 명세서에서 설명되는 실시례들이 제어부 자체로 구현될 수 있다.
소프트웨어적인 구현에 의하면, 본 명세서에서 설명되는 절차 및 기능과 같은 실시례들은 별도의 소프트웨어 모듈들로 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 모듈들 각각은 본 명세서에서 설명되는 하나 이상의 기능 및 작동을 수행할 수 있다. 적절한 프로그램 언어로 쓰여진 소프트웨어 어플리케이션으로 소프트웨어 코드가 구현될 수 있다. 상기 소프트웨어 코드는 제어부에 의해 실행될 수 있다.
10 : 하이브리드 히트 펌프 시스템
100 : 지열 히트 펌프 시스템
110 : 지열 히트 펌프 장치
120 : 지열 교환기
130 : 지열 공급 배관
140 : 지열 환수 배관
150 : 지열 히트 펌프용 공급 배관
160 : 지열 히트 펌프용 회수 배관
200 : 공기열 히트 펌프 시스템
210 : 공기열 히트 펌프 장치
220 : 자동문
230 : 공기열 히트 펌프용 공급 배관
240 : 공기열 히트 펌프용 회수 배관
250 : 공기가열기
251 : 온도센서
300 : 버퍼 축열조
330 : 공기가열기용 열공급 배관
340 : 공기가열기용 열회수 배관
400 : 부하

Claims (9)

  1. 지열을 회수하고, 회수된 상기 지열을 냉난방용 열원으로 이용하여 부하에 열을 공급하는 지열 히트 펌프 시스템;
    외부에서 유입되는 공기를 냉난방용 열원으로 이용하여 상기 부하에 열을 공급하는 공기열 히트 펌프 시스템;
    상기 지열 히트 펌프 시스템 및 상기 공기열 히트 펌프 시스템과 열교환 하며, 교환된 열을 저장하는 버퍼 축열조; 및
    상기 부하에서 필요한 열량에 따라 상기 공기열 히트 펌프 시스템이 상기 부하에 공급하는 열을 조절하는 제어부;를 포함하는 하이브리드 히트 펌프 시스템에 있어서,
    상기 지열 히트 펌프 시스템은,
    순환하는 지열수나 지하수를 이용하여 상기 지열을 회수하는 지열 교환기;
    상기 지열 교환기에서 회수된 상기 지열을 포함하는 상기 지열수나 상기 지하수를 이용하여 제1유체를 냉난방용 열원수로 만드는 지열 히트 펌프 장치;
    상기 지열 교환기와 상기 지열 히트 펌프 장치를 연결하여 상기 지열수나 상기 지하수가 순환되는 지열 배관; 및
    상기 지열 히트 펌프 장치와 상기 버퍼 축열조를 연결하여 상기 제1유체가 순환되는 지열 히트 펌프용 배관;을 포함하고,
    상기 공기열 히트 펌프 시스템은,
    외부에서 유입되는 공기를 가열하여 토출시키는 공기가열기;
    유입된 상기 공기를 이용하여 제2유체를 냉난방용 열원수로 만들되, 토출되는 유입된 상기 공기가 환류되지 않도록, 밀폐된 실내에 위치되고, 토출되는 상기 공기가 상기 실내로 유입되지 않도록 토출부가 실외로 연결되는 공기열 히트 펌프 장치;
    상기 공기열 히트 펌프 장치와 상기 버퍼 축열조를 연결하여 상기 제2유체가 순환되는 공기열 히트 펌프용 배관; 및
    외부 공기의 유출입을 위한 공기 순환용 자동문;을 포함하며,
    상기 버퍼 축열조는,
    상기 제1유체와 상기 제2유체의 임시저장을 통해 열을 저장하고,
    상기 공기가열기와 연결되고, 상기 버퍼 축열조에 저장된 열을 포함하는 제3유체가 순환되는 공기가열기용 배관;을 포함하며
    상기 공기가열기용 배관을 통해 순환하는 상기 제3유체에 포함된 열을 이용하여 상기 공기가열기에 유입된 공기를 가열하고,
    상기 제3유체가 상기 공기가열기용 배관을 통해 순환하는 경우,
    상기 제어부는, 상기 공기 순환용 자동문을 폐쇄하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 히트 펌프 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 공기가열기로 유입되는 공기의 온도에 따라, 상기 공기가열기용 배관을 통해 순환하는 상기 제3유체의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 히트 펌프 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 공기열 히트 펌프 장치의 가동에 따라 상기 공기가열기의 가동을 제어하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 히트 펌프 시스템.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공기가열기용 배관은,
    동파를 방지하기 위해 상기 공기열 히트 펌프용 배관의 측면에 위치되는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 히트 펌프 시스템.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 공기열 히트 펌프 장치는,
    상기 공기가열기에서 가열되어 토출된 상기 공기가 환류되지 않고 상기 공기열 히트 펌프 장치에 공급되도록, 상기 공기가열기와 직접 결합된 것을 특징으로 하는, 하이브리드 히트 펌프 시스템.
  8. 제1항에 기재된 하이브리드 히트 펌프 시스템의 제어방법에 있어서,
    제어부가 상기 부하에서 필요한 부하열을 판단하는 단계;
    상기 제어부가 판단된 상기 부하열에 따라 지열 히트 펌프 시스템을 통해 상기 부하에 열을 공급하도록 제어하는 단계; 및
    상기 제어부가 판단된 상기 부하열에 따라 공기열 히트 펌프 시스템을 통해 부가적으로 상기 부하에 공급하는 열을 조절하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 히트 펌프 시스템 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어부가 판단된 상기 부하열에 따라 공기열 히트 펌프 시스템을 통해 부가적으로 상기 부하에 공급하는 열을 조절하는 단계;는
    상기 제어부가 공기가열기로 유입되는 공기의 온도를 확인하는 단계;
    상기 제어부가 확인된 상기 공기의 온도에 따라 상기 공기가열기에 유입된 상기 공기를 가열하기 위해 공기가열기용 배관을 통해 순환하는 제3유체의 유량을 제어하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 하이브리드 히트 펌프 시스템 제어방법.
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