KR102215977B1 - 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템 및 그 방법 - Google Patents

지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 n개의 히트 펌프, m개의 지중 열교환기 및 이들 간의 유량을 제어하는 순환펌프를 포함하는 열원 분배 시스템을 이용하여 열원을 분배하는 열원 분배 방법에 있어서, 태양광으로부터 전기에너지를 생산하는 태양광 발전 단계; 상기 전기에너지의 흐름을 모니터링하는 전기에너지 모니터링 단계; 상기 모니터링 결과에 의거하여 상기 생산된 전기에너지 중 소비하고 남은 잉여 전력량을 도출하는 잉여 전력량 도출단계; 상기 잉여 전력량에 의거하여 상기 열원 분배 시스템의 동작 효율을 결정하는 동작효율결정단계; 및 상기 열원 분배 시스템의 동작 효율에 기초하여 상기 히트 펌프, 지중 열교환기 및 순환펌프를 구동시키는 구동단계를 포함함으로써, 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR DISTRIBUTING HEAT SOURCE WITH HIGH EFFICIENCY USING GEOTHERMAL HEAT SOURCE AND SOLAR POWER GENERATION}
본 발명은 열원 분배 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용하여 열원을 고효율로 분배하는 열원 분배 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 화학적인 연료의 고갈과 환경오염으로 인해 근래에는 신재생에너지의 기술개발이 활발히 이뤄지고 있다.
신재생에너지는 태양열, 바람, 지열, 파력 등 자연에서 발생하는 현상에 의해 발생하는 에너지를 변환하여 사용하는 것으로서, 그 중에서도 변화가 가장 적고 안정적으로 에너지를 얻을 수 있는 것이 태양열과 지열이 있다.
지열은 지하 깊숙한 곳의 열을 외부로 이끌어 내 사용하는 것으로서, 지열을 이용하는 대표적인 장치로는 지열을 냉난방으로 사용하기 위한 지열 보일러가 개시되며, 태양열을 이용하는 대표적인 장치로는 태양열에 의해 열매체를 가열하는 태양열 보일러가 개시된 바가 있다.
그러나 지열 보일러와 태양열 보일러는 열매체를 가열하는 것이고 열효율이 높지 않기 때문에 종래에는 지열과 태양 에너지를 복합적으로 이용하는 장치가 한국공개특허공보 제10-2017-0105257호(2017.9.19. 공개)에 “지열과 태양광 연계 제어를 통한 냉난방 온수 보일러 시스템”이 개시된 바가 있다.
상기한 종래의 냉난방 온수 보일러 시스템은 태양에너지로 발전하는 전기에 의한 전기히터봉과 지열을 함께 이용하여 온수를 가열함으로써, 태양에너지에 의해 직접 온수를 가열하는 것 보다는 에너지 효율을 향상시킬 수 있었다.
하지만, 종래의 냉난방 온수 보일러 시스템은 태양에너지를 전기에너지로 변환하고, 전기에너지를 다시 열에너지로 변환하기 때문에 열효율이 하락될 뿐만 아니라, 태양에너지의 발전량이 작을 때에는 전기히터봉을 가열할 수 없으며 불균일하게 전력량이 발생하기 때문에 에너지효율이 하락되는 문제점이 있었다.
또한, 종래에는 지열을 열교환하는 하나의 히트펌프에 의해서 지열을 제공하기 때문에 상기 히트펌프를 작동하기 위한 전력량을 지속적으로 소모하게 되고, 이로 인해 에너지 효율이 하락하는 문제점이 있었다.
한국 공개특허번호 10-2017-0105257호(공개일: 2017.09.19, 명칭: 지열과 태양광 연계 제어를 통한 냉난방 온수 보일러 시스템)
따라서 본 발명은 태양광 발전에 의해 구동하는 n개의 히트펌프들을 포함하고, 태양광 발전에 의해 발전된 전력량 중 소비되거나 전력 저장소에 저장되고 남은 잉여 전력량에 비례하여 상기 히트펌프의 운전 수량을 결정함으로써, 에너지 효율을 향상시키는 지열열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 상기 n개의 히트펌프들 각각의 동작 시간에 따른 동작 부하를 고려하여 동작할 히트펌프를 결정함으로써, 에너지 효율을 향상시키는 지열열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 m개의 지중 열교환기를 포함하고, 미리 설정된 주기마다 상기 지중 열교환기들을 순차적으로 선택하여 열효율을 측정하고, 열효율이 높은 지중 열교환기를 우선적으로 선택하여 구동시킴으로써, 에너지 효율을 향상시키는 지열열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 열원 분배 시스템은, 태양광을 입사 받아 전기에너지를 생산하는 태양광 모듈; 상기 태양광 모듈에서 생산된 전기에너지의 흐름을 모니터링하고, 그에 따른 제어 명령을 생성하는 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS); n개의 히트 펌프들 및 m개의 지중 열교환기들을 포함하고, 상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)의 제어 명령에 의거하여 적어도 하나의 히트 펌프 및 적어도 하나의 지중 열교환기를 구동시켜 상기 지중 열교환기에 의해 제공되는 열의 온도를 변환하여 열에너지를 생성하는 지열 시스템; 및 상기 지열 시스템에서 발생된 열에너지 중 열원으로 사용되고 남은 열을 전달받아 축적하는 축열 탱크를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게, 상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)는 상기 태양광 모듈에서 생산된 전기에너지 중 소비하고 남은 잉여 전력량에 의거하여 상기 히트 펌프의 동작 대수를 결정하여 상기 지열 시스템으로 전달할 수 있다.
바람직하게, 상기 지열 시스템은 상기 태양광 모듈에서 생산된 전기에너지에 의해 구동되는 n개의 히트 펌프들; 지중에 매립되어 지중의 열과 열교환하는 m개의 지중 열교환기들; 상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)와의 통신 인터페이스를 제공하되, 상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)로부터 전달된 제어 명령에 기초하여 상기 히트 펌프들 및 지중 열교환기들의 온/오프를 제어하고, 상기 지열 시스템에서 생성된 데이터를 디지털로 변환하여 상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)로 전달하는 제어장치; 및 상기 지열 시스템 내에 유량을 제어하되, 상기 히트 펌프의 동작 대수에 비례하여 동작 효율이 제어되는 순환 펌프를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어장치는 상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)로부터 전달된 히트 펌프의 동작 대수에 기초하여 상기 n개의 히트 펌프들 중 구동 대상 히트 펌프를 결정한 후 해당 히트 펌프를 구동시키되, 상기 n개의 히트 펌프들 각각의 구동 정보를 관리하고, 상기 히트 펌프들 각각의 동작 시간에 따른 동작 부하를 고려하여 구동 대상 히트 펌프를 결정할 수 있다.
바람직하게, 상기 제어장치는 미리 설정된 주기마다 상기 m개의 지중 열교환기들을 순차적으로 선택하여 열효율을 측정하고, 열효율이 높은 지중 열교환기를 우선적으로 선택하여 구동시킬 수 있다.
바람직하게, 상기 지열 시스템은 소정 온도의 온수를 저장하는 온수 탱크; 및 상기 히트 펌프로부터 상기 온수 탱크로 연결되는 제1 경로; 또는 상기 히트펌프로부터 상기 지중 열교환기 측으로 연결되는 제2 경로 중 어느 하나를 개방하여 상기 히트 펌프로부터 회수된 열에너지의 이동 경로를 결정하는 삼방 밸브를 더 포함하고, 상기 제어장치는 상기 히트 펌프에서 회수된 열에너지를 재사용하기 위해, 상기 온수의 온도가 상기 소정 온도가 될 때까지 상기 히트 펌프에서 회수된 열에너지를 상기 온수 탱크 측으로 전달하도록 상기 삼방밸브를 제어할 수 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서 제공하는 열원 분배 방법에 있어서, n개의 히트 펌프, m개의 지중 열교환기 및 이들 간의 유량을 제어하는 순환펌프를 포함하는 열원 분배 시스템을 이용하여 열원을 분배하는 열원 분배 방법은, 태양광으로부터 전기에너지를 생산하는 태양광 발전 단계; 상기 전기에너지의 흐름을 모니터링하는 전기에너지 모니터링 단계; 상기 모니터링 결과에 의거하여 상기 생산된 전기에너지 중 소비하고 남은 잉여 전력량을 도출하는 잉여 전력량 도출단계; 상기 잉여 전력량에 의거하여 상기 열원 분배 시스템의 동작 효율을 결정하는 동작효율결정단계; 및 상기 열원 분배 시스템의 동작 효율에 기초하여 상기 히트 펌프, 지중 열교환기 및 순환펌프를 구동시키는 구동단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 동작효율결정단계는 상기 잉여 전력량에 의거하여 상기 히트 펌프의 운전 수량을 결정하는 히트 펌프 운전 수량 결정 단계; 상기 히트 펌프의 운전수량에 의거하여 상기 지중 열교환기의 운전 수량을 결정하는 지중 열교환기 운전 수량 결정 단계; 및 상기 히트 펌프의 운전수량에 의거하여 상기 열원 분배 시스템 내의 유량을 제어하는 순환 펌프의 동작 효율을 결정하되, 상기 히트 펌프의 운전수량에 비례하여 상기 순환 펌프의 동작 효율을 결정하는 순환펌프 동작 효율 결정단계를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 방법은 상기 히트 펌프들 각각의 구동정보를 관리하는 히트펌프 관리 단계를 더 포함하고, 상기 구동단계는 상기 히트 펌프들 각각의 동작 시간에 따른 동작 부하를 고려하여 구동 대상 히트 펌프를 결정할 수 있다.
바람직하게, 상기 방법은 미리 설정된 주기 마다 상기 m개의 지중 열교환기들을 순차적으로 선택하여 열효율을 측정하고, 상기 열효율에 의거하여 상기 지중 열교환기들을 관리하는 열효율 관리 단계를 더 포함하고, 상기 구동단계는 상기 지중 열교환기들 중 열효율이 높은 지중 열교환기를 우선적으로 선택하여 구동시킬 수 있다.
본 발명은 태양광 발전에 의해 구동하는 n개의 히트펌프들을 포함하고, 태양광 발전에 의해 발전된 전력량 중 소비되거나 전력 저장소에 저장되고 남은 잉여 전력량에 비례하여 상기 히트펌프의 운전 수량을 결정하되, 상기 n개의 히트펌프들 각각의 동작 시간에 따른 동작 부하를 고려하여 동작할 히트펌프를 결정함으로써, 에너지 효율을 향상시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명은 m개의 지중 열교환기를 포함하고, 미리 설정된 주기마다 상기 지중 열교환기들을 순차적으로 선택하여 열효율을 측정하고, 열효율이 높은 지중 열교환기를 우선적으로 선택하여 구동시킴으로써, 에너지 효율을 향상시키는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템에 대한 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템에 포함된 지열 시스템에 대한 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템에 포함된 히트 펌프에 대한 개략적인 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 방법에 대한 개략적인 처리 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하되, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 한편 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 또한 상세한 설명을 생략하여도 본 기술 분야의 당업자가 쉽게 이해할 수 있는 부분의 설명은 생략하였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따라 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템에 대한 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따라 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템은 태양광 모듈(110), 에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)(130), 빌딩 에너지 관리 서버(Building Energy Management Server, BEMS)(140), 지열 시스템(200) 및 축열 탱크(150)를 포함한다.
태양광 모듈(110)은 태양광을 입사 받아 발전할 수 있다. 즉, 태양광 모듈(110)은 복수 개의 태양광 소자가 판의 형태로 집적된 모듈로 구현되어, 상기 태양광 소자로 입사된 태양광에 의해 전기에너지를 생산할 수 있다.
태양광 모듈(110)은 후술할 히트펌프부(도 2의 '210')를 구동하기 위해 필요한 전력량 보다는 높은 전력량을 발전할 수 있으며, 복수 개를 포함할 수 있다.
또한, 태양광 모듈(110)은 위치 추적 장치를 내장하고, 태양광의 위치변화에 대응하여 위치가 변경될 수 있다. 즉, 태양광이 입사되는 방향으로 상기 태양광 소자를 위치시킬 수 있다. 이 때, 위치 추적 장치는 공지된 다양한 기술에 의해 구현될 수 있으므로 그 구체적인 설명은 생략한다.
그리드(Grid)(120)는 전력 공급자로부터 전기에너지를 공급받아 동작하는 전력망을 의미하는 것으로서, 예를 들어, 전문 전력 공급자(예컨대, 한국 전력 등) 또는 다양한 발전 장치들로부터 전기에너지를 공급받아 동작하는 전력망을 의미한다. 즉, 그리드(120)는 상기 전문 전력 공급자로부터 공급되는 상시 전원 또는 도 1에 예시된 바와 같은 태양광 발전 장치로부터 전기에너지를 공급받아 동작하는 전력망을 의미하는 것으로서, 도 1의 예에서는 태양광 모듈(110)로부터 전기에너지를 공급받아 동작하는 전력망을 하나의 블럭으로 간략하게 도시하였다.
에너지 저장 시스템(Energy Storage System, ESS)(130)은 태양광 모듈(110)에서 발전된 전기 에너지를 변환하여 저장하되, 에너지 저장 시스템(ESS)(130)은 태양광 모듈(110)에서 생성된 후 그리드(Grid)(120)에서 소비되고 남은 에너지를 저장할 수 있다.
빌딩 에너지 관리 서버(Building Energy Management Server, BEMS)(140)는 태양광 모듈(110)에서 생산된 전기에너지의 흐름을 모니터링하고, 그에 따른 제어 명령을 생성한다. 특히, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)는 상기 모니터링 결과 태양광 모듈(110)에서 생산된 전기에너지 중 그리드(120)에서 소비하고 남은 잉여 전력량을 산출하고, 그 잉여 전력량에 의거하여 지열 시스템(200)의 동작을 제어하기 위한 제어 명령을 생성할 수 있다. 이 때, 상기 잉여 전력량은 그리드(120)에서 소비하고 남은 전력량 중 ESS(130)에 충전하고 남은 잉여 전력량일 수도 있다.
한편, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)는 상기 잉여 전력량에 의거하여 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율을 결정하고, 그에 기초하여 후술될 지열 시스템(200) 내 히트 펌프들(도 2의 '211, 213, 215, 217')의 동작 대수를 결정할 수 있다. 또한, 지열 시스템(200)으로 전달되는 제어 명령은 상기 히트 펌프들(도 2의 '211, 213, 215, 217')의 동작 대수를 결정하기 위한 신호일 수 있다.
예를 들어, 지열 시스템(200)이 4개의 히트 펌프를 포함하는 경우, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)는 상기 잉여 전력량이 25KW 미만일 때 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율을 25%로 결정하여 히트 펌프 동작 대수를 한 대로 결정하고, 상기 잉여 전력량이 25KW이상 50KW 미만일 때 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율을 50%로 결정하여 히트 펌프 동작 대수를 두 대로 결정하고, 상기 잉여 전력량이 50KW 이상 75KW 미만일 때 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율을 75%로 결정하여 히트 펌프 동작 대수를 세 대로 결정하고, 상기 잉여 전력량이 75KW 이상 100KW 이하일 때 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율을 75%로 결정하여 히트 펌프 동작 대수를 네 대로 결정하고, 그 정보를 포함하는 제어 명령을 지열 시스템(200)으로 전달할 수 있다.
한편, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)는 태양광 모듈(110) 또는 ESS(130)를 통해서 상기 히트 펌프에 전원을 공급할 수도 있지만, 필요에 따라 상시전원을 히트펌프에 공급하여 히트펌프를 작동시킬 수도 있다.
축열 탱크(150)는 지열 시스템(200)에서 발생된 열에너지를 축적하되, 상기 열에너지 중 열원으로 사용되고 남은 열을 전달받아 축적할 수 있다.
지열 시스템(200)은 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)의 제어를 받아 지중으로부터 획득한 열의 온도를 변환하여 열에너지를 생성한다. 이를 위해, 지열 시스템(200)은 n개의 히트 펌프들 및 m개의 지중 열교환기들을 포함하고, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)의 제어 명령에 의거하여 적어도 하나의 히트 펌프 및 적어도 하나의 지중 열교환기를 구동시킬 수 있다. 그리고 그 결과로 상기 지중 열교환기에 의해 획득한 열의 온도를 상기 히트 펌프에서 변환하여 열에너지를 생성한다. 이러한 지열 시스템(200)에 대한 개략적인 구성이 도 2에 예시되어 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템에 포함된 지열 시스템에 대한 개략적인 구성도로서, 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지열 시스템(200)은 히트 펌프부(210), 지중 열교환기(220), 순환밸브(230), 순환펌프(240), 온수탱크(250), 삼방밸브(260) 및 제어장치(270)를 포함할 수 있다.
히트 펌프부(210)는 n개의 히트 펌프들(히트펌프 1(211), 히트펌프 2(213), 히트펌프 3(215), …, 히트펌프 n(217))과, 이들 각각의 온/오프를 제어하는 밸브들(212, 214, 216, 218)을 포함한다. 이 때, 히트 펌프들(히트펌프 1(211), 히트펌프 2(213), 히트펌프 3(215), …, 히트펌프 n(217))은 태양광 모듈(110)에서 생산된 전기에너지에 의해 구동되어, 냉매의 발열 또는 응축열을 이용하여 저온의 열원을 고온으로 전달하거나, 고온의 열원을 저온으로 전달할 수 있으며, 열매체에 의해 냉각 또는 가열하는 냉각사이클의 구성을 포함할 수 있다. 이러한 히트 펌프들(히트펌프 1(211), 히트펌프 2(213), 히트펌프 3(215), …, 히트펌프 n(217)) 각각에 대한 개략적인 구성도가 도 3에 예시되어 있다. 도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 시스템에 포함된 히트 펌프에 대한 개략적인 구성도로서, 특히, 히트 펌프들(히트펌프 1(211), 히트펌프 2(213), 히트펌프 3(215), …, 히트펌프 n(217)) 각각에 포함된 냉각 사이클의 구성을 예시하고 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 히트 펌프들(히트펌프 1(211), 히트펌프 2(213), 히트펌프 3(215), …, 히트펌프 n(217)) 각각은 냉매를 증발시키는 증발기(10)와, 증발기(10)로부터 증발된 냉매를 압축시키는 압축기(20), 압축기(20)에서 압축된 냉매를 응축하는 응축기(30), 및 응축기(30)에서 응축된 열매체를 팽창시켜 증발기(10)로 제공하는 팽창밸브(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
이러한 구성을 갖는 각각의 히트 펌프들(히트펌프 1(211), 히트펌프 2(213), 히트펌프 3(215), …, 히트펌프 n(217))은 냉매에 의해 저온의 열원을 고온으로 변환하여 축열탱크(150)로 제공하거나, 고온의 열원을 저온으로 변경하여 축열탱크(150)로 제공할 수 있다.
또한, 히트 펌프들(히트펌프 1(211), 히트펌프 2(213), 히트펌프 3(215), …, 히트펌프 n(217)) 각각은 사방밸브(50)를 더 포함하여 사방밸브(50)의 개폐에 따라 냉매의 흐름을 냉각할 때와 반대되는 방향으로 흐름을 변환하여 증발기(10)에서 냉매의 응축이 발생하고, 응축기(30)에서 냉매의 증발이 발생하도록 구성될 수 있다.
예컨대, 일반적으로 냉각사이클은 증발기(10)에서 증발된 냉매가 압축기(20)에서 압축되고, 응축기(30)를 거쳐 응축되며, 팽창밸브(40)를 통해 다시 팽창된 후 증발기(10)로 증발되는 흐름을 가지지만, 사방밸브(50)에 의해 냉매의 흐름이 변경될 경우, 압축기(20)에서 압축된 냉매가 증발기(10)를 통해 응축되고 팽창밸브(40)를 통해 팽창되며, 응축기(30)를 지나면서 증발된 후 다시 압축기(20)로 제공되는 흐름을 가지게 된다. 즉, 사방밸브(50)는 냉매의 흐름을 선택적으로 변경하여 응축기(30)와 증발기(10)가 냉매를 선택적으로 증발 또는 응축시키도록 함으로써, 히트펌프가 열매체를 가열 또는 냉각시킬 수 있도록 한다.
다시 도 1 및 도 2를 참조하면, 지중 열교환기(220)는 지중에 매립되어 지중의 열과 열교환하는 장치로서, 지열 시스템(200)은 다수(예컨대, m개)의 지중 열교환기를 포함하여 구현할 수 있다.
지중 열교환기(220)는 내부에 지중의 열과 열교환하기 위한 열매체가 지나는 폐회로로 구성된 관(221)으로 구현될 수 있으며, 지중에 매립되는 부분이 열매체와 지중의 열과 충분히 열교환하도록 관(221)을 지그재그 형상 또는 나선 형태로 꼰 형상으로 구현할 수도 있다. 이 때, 지중 열교환기(220)의 구현 형태는 이미 공지된 다양한 형태로 구현할 수 있다.
한편, 지중 열교환기(220)에 충전되는 열매체는 열의 전달 또는 열의 교환이 우수한 액체 또는 기체일 수 있으며, 열매체는 지열과 열교환하여 가열되거나, 냉각될 수 있다.
이 때, 지열은 일정 깊이에 도달하면 일정한 온도를 유지하는데, 예컨대, 지열의 온도가 16℃라면, 열매체의 온도도 지열과 열교환하여 유사한 온도에 맞춰지기 때문에 여름철에는 열매체의 온도가 외부의 온도보다 낮은 냉열을 가질 수 있으며, 겨울철에는 열매체의 온도가 외부의 온도보다 높은 온열을 가질 수 있다.
순환밸브(230)는 지중 열교환기(220)의 온/오프를 제어하는 밸브로서, 제어장치(270)에 의해 온/오프가 제어되어 지중 열교환기(220)로 상기 열매체가 흘러 들어가는 것을 제어할 수 있다.
순환펌프(240)는 지열 시스템(200) 내에 흐르는 열매체의 유량을 제어하되, 상기 히트 펌프의 동작 대수에 비례하여 동작 효율이 제어된다. 예를 들어, 순환펌프(240)는 히트 펌프부(210)에 포함된 4개의 히트 펌프 중 1개의 히트펌프가 운전 중일 경우 전체 에너지의 25%로 가동되고, 히트 펌프부(210)에 포함된 4개의 히트 펌프 중 2개의 히트펌프가 운전중일 경우 전체 에너지의 50%로 가동될 수 있으며, 상기 동작 효율은 제어장치(270)의 제어에 의해 결정될 수 있다.
온수탱크(250)는 소정 온도의 온수를 저장한다. 특히, 온수탱크(250)는 냉방시 히트 펌프부(210)에서 회수된 열 에너지에 의해 소정 온도(예컨대, 45℃)로 가열된 온수를 저장할 수 있다.
삼방밸브(260)는 히트 펌프부(210)로부터 전달되는 열 에너지의 이동 경로를 결정하되, 히트 펌프부(210)로부터 온수 탱크(250)로 연결되는 제1 경로(A) 또는 히트 펌프부(210)로부터 지중 열교환기(220) 측으로 연결되는 제2 경로(B) 중 어느 하나를 개방하여 히트 펌프부(210)로부터 회수된 열에너지의 이동 경로를 결정할 수 있다. 즉, 삼방밸브(260)는, 온수 탱크(250)의 온도가 소정 온도(예컨대, 45℃)에 도달할 때까지 히트 펌프부(210)로부터 전달되는 열 에너지의 이동 경로를 상기 제1 경로(A)측으로 오픈하여 상기 회수되는 열 에너지를 재사용할 수 있도록 하고, 온수 탱크(250)의 온도가 소정 온도(예컨대, 45℃)에 도달한 후에는 히트 펌프부(210)로부터 전달되는 열 에너지의 이동 경로를 상기 제2 경로(B)측으로 오픈하여 상기 회수되는 열 에너지를 지중으로 전달하도록 한다. 이를 위해, 삼방밸브(260)는 제어장치(270)의 제어에 의해 상기 이동 경로를 결정할 수 있다.
즉, 제어장치(270)는 온수 탱크(250)의 온수 온도를 모니터링하고, 상기 온수 온도가 소정 온도(예컨대, 45℃)가 될 때까지 히트 펌프부(210)에서 회수된 열에너지를 온수 탱크(250) 측으로 전달하도록 삼방밸브(260)를 제어할 수 있다.
제어장치(270)는 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)와의 통신을 위한 통신 인터페이스를 제공하고, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)로부터 전달된 제어 명령에 기초하여 지열 시스템(200)의 전반적인 동작을 제어한다. 특히, 제어장치(270)는 상기 제어 명령에 기초하여 n개의 히트 펌프들(히트펌프 1(211), 히트펌프 2(213), 히트펌프 3(215), …, 히트펌프 n(217))과 다수(예컨대, m개)의 지중 열교환기(220)들의 온/오프를 제어하고, 지열 시스템(200)에서 생성된 데이터를 디지털로 변환하여 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)로 전달할 수 있다.
이를 위해, 제어장치(270)는 n개의 히트 펌프들(히트펌프 1(211), 히트펌프 2(213), 히트펌프 3(215), …, 히트펌프 n(217)) 각각의 구동 이력을 포함한 구동 정보를 관리하고, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)로부터 히트 펌프의 동작 대수를 포함하는 제어 명령이 수신되면, 상기 제어 명령에 포함된 히트 펌프의 동작 대수 및 상기 히트 펌프들 각각의 구동 정보에 기초하여 구동 대상 히트 펌프를 결정한 후 해당 히트 펌프를 구동시킬 수 있다. 이 때, 제어장치(270)는 상기 히트 펌프들 각각의 동작 시간에 따른 동작 부하를 고려하여 구동 대상 히트 펌프를 결정할 수 있다.
또는, 제어장치(270)는 상기 히트펌프들 각각의 구동 이력 정보를 실시간으로 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)로 전달함으로써, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)가 히트펌프들 각각의 구동 정보를 관리하도록 할 수도 있다. 이 경우, 히트 펌프의 동작 대수와 구동 대상 히트 펌프를 모두 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)에서 결정하여 제어장치(270)로 전달하고, 제어장치(270)는 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)로부터 수신된 정보에 의거하여 해당 히트 펌프의 온/오프 제어만 수행할 것이다.
한편, 제어장치(270)는 다수의 지중 열교환기(220)들 각각의 열효율 정보를 관리하고, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)로부터 지중 열교환기(220)의 동작 제어를 위한 명령이 수신되면, 열효율이 높은 지중 열교환기를 우선적으로 선택하여 구동시킬 수 있다.
이를 위해, 제어장치(270)는 지중 열교환기 별로 사용된 시간을 저장하고, 그 사용 시간에 의거하여 지중 열교환기의 열효율을 예측할 수 있다. 이는, 통상 3시간 이상 운전하면 효율이 떨어지는 지열의 특성을 이용한 것으로서, 제어장치(270)는 이러한 사용시간 정보에 의거하여, 월별, 계절별로 지중 열교환기의 사용 가능한 시간을 예측할 수 있는 것이다.
한편, 제어장치(270)는 상기 지중 열교환기별 사용 시간 정보를 실시간으로 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)로 전달함으로써, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)가 지중 열교환기들 각각의 사용 시간 정보를 관리하도록 할 수도 있다. 이 경우, 지중 열교환기의 열효율 정보를 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)에서 관리하고, 제어장치(270)는 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)로부터 전달된 정보에 의거하여 대응된 지중 열교환기의 온/오프 제어만 수행할 것이다.
또는, 제어장치(270)가 미리 설정된 주기마다 다수의 지중 열교환기(220)들을 순차적으로 선택하여 열효율을 측정하여 각각의 열효율을 관리할 수도 있다. 예를 들어, 제어장치(270)는 미리 설정된 주기(예컨대, 30분) 단위로 지중 열교환기들을 순차적으로 동작시킨 후, 각각의 지중 열교환기를 통한 열매체(예컨대, 물)의 온도 변화를 측정하여 지중 열교환기 각각의 열효율을 측정할 수 있다. 이 경우, 제어장치(270)는 온도 변화 감지에 필요한 최소한의 열매체의 양을 미리 결정하고 그 최소한의 양만을 지중 열교환기로 흘림으로써, 열효율 측정을 위해 소요되는 에너지의 양을 최소화할 수 있도록 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 지열 열원과 태양광 발전 전력을 이용한 고효율 열원 분배 방법에 대한 개략적인 처리 흐름도이다. 도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 열원 분배 시스템(100)을 이용한 열원 분배 방법은 다음과 같다.
먼저, 단계 S110에서는, 태양광 모듈(110)이 태양광으로부터 전기에너지를 생산한다. 즉, 단계 S110에서, 태양광 모듈(110)은 전기에너지를 생산하여 그리드(Grid)(120)로 전달한다.
단계 S120에서는, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)가 상기 전기에너지의 흐름을 모니터링하고, 단계 S130에서는, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)가 상기 모니터링 결과에 의거하여 상기 생산된 전기에너지 중 소비하고 남은 잉여 전력량을 도출한다. 즉, 단계 S120 및 단계 S130에서, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)는 단계 S110에서 생산된 후 그리드(120)에서 소비하고 남은 잉여 전력량 또는, 그리드(120)에서 소비하고 남은 전력량 중 ESS(130)에 충전하고 남은 잉여 전력량을 도출한다.
단계 S140에서는, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)가 상기 잉여 전력량에 의거하여 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율을 결정한다. 이 때, 단계 S140에서는, 상기 잉여 전력량에 의거하여 지열 시스템(200) 내 히트 펌프들('211, 213, 215, 217') 및 지중 열교환기(220)의 운전 수량과, 순환 펌프(240)의 동작 효율을 결정할 수 있다. 즉, 단계 S140에서는, 상기 잉여 전력량에 의거하여 지열 시스템(200) 내 히트 펌프들('211, 213, 215, 217')의 운전 수량을 결정하고, 상기 히트 펌프의 운전수량에 의거하여 지중 열교환기(220)의 운전 수량을 결정하고, 상기 히트 펌프의 운전수량에 의거하여 열원 분배 시스템(100) 내의 유량을 제어하는 순환 펌프(240)의 동작 효율을 결정할 수 있다. 특히, 순환 펌프(240)의 동작 효율은 상기 히트 펌프의 운전수량에 비례하여 결정될 수 있다.
예를 들어, 단계 S140에서는, 지열 시스템(200)이 4개의 히트 펌프를 포함하는 경우, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)는 상기 잉여 전력량이 25KW 미만일 때 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율을 25%로 결정하여 히트 펌프 동작 대수를 한 대로 결정하고, 상기 잉여 전력량이 25KW이상 50KW 미만일 때 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율을 50%로 결정하여 히트 펌프 동작 대수를 두 대로 결정하고, 상기 잉여 전력량이 50KW 이상 75KW 미만일 때 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율을 75%로 결정하여 히트 펌프 동작 대수를 세 대로 결정하고, 상기 잉여 전력량이 75KW 이상 100KW 이하일 때 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율을 75%로 결정하여 히트 펌프 동작 대수를 네 대로 결정할 수 있다.
또한, 단계 S140에서는, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)가, 상기 히트 펌프의 동작 대수에 기초하여 지중 열교환기(220)의 운전 수량 및 순환 펌프의 동작 효율을 결정하되, 지중 열교환기(220)의 동작 대수는 히트 펌프의 동작 대수에 비례하여 결정할 수 있다. 예를 들어, 단계 S140에서, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)는, 상기 히트 펌프의 동작 대수가 전체 4대 중 1대인 경우 순환 펌프의 동작 효율을 25%로, 상기 히트 펌프의 동작 대수가 전체 4대 중 2대인 경우 순환 펌프의 동작 효율을 50%로, 상기 히트 펌프의 동작 대수가 전체 4대 중 3대인 경우 순환 펌프의 동작 효율을 75%로, 상기 히트 펌프의 동작 대수가 전체 4대 중 4대인 경우 순환 펌프의 동작 효율을 100%로 결정할 수 있다.
단계 S150에서는, 단계 S140에서 결정된 정보, 즉, 열원 분배 시스템(100)의 동작 효율에 기초하여, 상기 히트 펌프, 지중 열교환기 및 순환펌프를 구동시킨다. 즉, 단계 S150에서, 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140)는 상기 결정된 동작 효율 정보를 제어장치(270)로 전달하고, 제어장치(270)는 그 정보에 의거하여 상기 히트 펌프, 지중 열교환기 및 순환펌프를 구동시킨다.
이를 위해, 본 발명의 열원 분배 방법은 상기 히트 펌프들 각각의 구동정보를 관리하는 히트펌프 관리 단계(미도시) 및 지중 열교환기들의 열효율을 관리하는 열효율 관리 단계(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 히트펌프 관리 단계(미도시)는 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140) 또는 제어장치(270)에서 히트펌프들 각각의 구동 이력을 포함한 구동 정보를 관리하는 것으로서, 이는, 다수의 히트 펌프들 중 동작 대상인 히트 펌프를 결정할 때, 히트 펌프들 각각의 동작 시간에 따른 동작 부하를 고려할 수 있도록 함으로써, 효율이 높은 히트 펌프를 동작시킬 수 있도록 하고, 이로 인해 열원 분배 시스템 전체의 동작 효율을 높일 수 있도록 하기 위함이다.
즉, 단계 S150에서는, 히트 펌프의 구동시 상기 히트펌프 관리 단계에서 관리된 정보에 기초하여 구동 대상 히트 펌프를 결정하되, 상기 히트 펌프들 각각의 동작 시간에 따른 동작 부하를 고려하여 구동 대상 히트 펌프를 결정한 후 상기 구동 대상 히트 펌프를 구동시킴으로써, 열원 분배 시스템 전체의 동작 효율을 높일 수 있다.
한편, 열효율 관리 단계(미도시)는 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)(140) 또는 제어장치(270)에서 지중 열교환기 별로 사용된 시간 정보를 저장하고, 그 사용 시간에 의거하여 지중 열교환기의 열효율을 예측하는 것으로서, 이는, 3시간 이상 운전하면 운전 효율이 떨어지는 지열의 특성을 이용하여 그 사용시간에 의거하여 월별, 계절별로 지중 열교환기의 사용 가능시간을 예측하는 것이다.
또한, 상기 열효율 관리 단계(미도시)는 제어장치(270)가 미리 설정된 주기 마다 m개의 지중 열교환기들을 순차적으로 선택하여 열효율을 측정하고, 상기 열효율에 의거하여 상기 지중 열교환기들을 관리할 수도 있다.
이와 같이 지중 열교환기의 열효율을 관리함으로써, 단계 S150에서는, 지중 열교환기의 구동시 다수의 지중 열교환기들 중 열효율이 높은 지중 열교환기를 우선적으로 선택하여 구동시킬 수 있고, 이로 인해, 열원 분배 시스템 전체의 동작 효율을 높일 수 있는 것이다.
이상에서는 본 발명의 실시 예를 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 아니하며 본 발명이 실시 예로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의지식을 가진 자에 의해 용이하게 변경되어 균등한 것으로 인정되는 범위의 모든 변경 및 수정을 포함한다.
100: 고효율 열원 분배 시스템 110: 태양광 모듈
130: 에너지 저장 시스템 140: 빌딩 에너지 관리 서버
150: 축열탱크 200: 지열 시스템
210: 히트 펌프부 220: 지중 열 교환기
230: 순환밸브 240: 순환펌프
250: 온수탱크 260: 삼방밸브
270: 제어장치

Claims (10)

  1. 열원 분배 시스템에 있어서,
    태양광을 입사 받아 전기에너지를 생산하는 태양광 모듈;
    상기 태양광 모듈에서 생산된 전기에너지의 흐름을 모니터링하고, 그에 따른 제어 명령을 생성하는 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS);
    n개의 히트 펌프들 및 m개의 지중 열교환기들을 포함하고, 상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)의 제어 명령에 의거하여 적어도 하나의 히트 펌프 및 적어도 하나의 지중 열교환기를 구동시켜 상기 지중 열교환기에 의해 제공되는 열의 온도를 변환하여 열에너지를 생성하는 지열 시스템; 및
    상기 지열 시스템에서 발생된 열에너지 중 열원으로 사용되고 남은 열을 전달받아 축적하는 축열 탱크를 포함하되,
    상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)는
    상기 태양광 모듈에서 생산된 전기에너지 중 소비하고 남은 잉여 전력량에 의거하여 상기 열원 분배 시스템의 동작 효율을 결정한 후, 상기 열원 분배 시스템의 동작 효율에 기초하여 상기 히트 펌프의 동작 대수를 결정하여 상기 지열 시스템으로 전달하고,
    상기 지열 시스템은
    상기 히트 펌프의 동작 대수에 비례하여 상기 지중 열교환기의 동작대수를 결정하며, 상기 히트 펌프의 동작 부하를 고려하여 구동대상 히트 펌프를 결정하고, 상기 지중 열교환기의 열효율을 고려하여 구동대상 지중 열교환기를 우선적으로 선택하는 것을 특징으로 하는 지열열원과 태양광 발전을 이용한 열원 분배 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 지열 시스템은
    상기 태양광 모듈에서 생산된 전기에너지에 의해 구동되는 n개의 히트 펌프들;
    지중에 매립되어 지중의 열과 열교환하는 m개의 지중 열교환기들;
    상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)와의 통신 인터페이스를 제공하되, 상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)로부터 전달된 제어 명령에 기초하여 상기 히트 펌프들 및 지중 열교환기들의 온/오프를 제어하고, 상기 지열 시스템에서 생성된 데이터를 디지털로 변환하여 상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)로 전달하는 제어장치; 및
    상기 지열 시스템 내에 유량을 제어하되, 상기 히트 펌프의 동작 대수에 비례하여 동작 효율이 제어되는 순환 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 열원과 태양광 발전을 이용한 열원 분배 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제어장치는
    상기 빌딩 에너지 관리 서버(BEMS)로부터 전달된 히트 펌프의 동작 대수에 기초하여 상기 n개의 히트 펌프들 중 구동 대상 히트 펌프를 결정한 후 해당 히트 펌프를 구동시키되,
    상기 n개의 히트 펌프들 각각의 구동 정보를 관리하고,
    상기 히트 펌프들 각각의 동작 시간에 따른 동작 부하를 고려하여 구동 대상 히트 펌프를 결정하는 것을 특징으로 하는 지열 열원과 태양광 발전을 이용한 열원 분배 시스템.
  5. 제3항에 있어서, 상기 제어장치는
    미리 설정된 주기마다 상기 m개의 지중 열교환기들을 순차적으로 선택하여 열효율을 측정하고, 열효율이 높은 지중 열교환기를 우선적으로 선택하여 구동시키는 것을 특징으로 하는 지열 열원과 태양광 발전을 이용한 열원 분배 시스템.
  6. 제3항에 있어서, 상기 지열 시스템은
    소정 온도의 온수를 저장하는 온수 탱크; 및
    상기 히트 펌프로부터 상기 온수 탱크로 연결되는 제1 경로; 또는 상기 히트펌프로부터 상기 지중 열교환기 측으로 연결되는 제2 경로 중 어느 하나를 개방하여 상기 히트 펌프로부터 회수된 열에너지의 이동 경로를 결정하는 삼방 밸브를 더 포함하고,
    상기 제어장치는
    상기 히트 펌프에서 회수된 열에너지를 재사용하기 위해,
    상기 온수의 온도가 상기 소정 온도가 될 때까지 상기 히트 펌프에서 회수된 열에너지를 상기 온수 탱크 측으로 전달하도록 상기 삼방밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 지열 열원과 태양광 발전을 이용한 열원 분배 시스템.
  7. n개의 히트 펌프, m개의 지중 열교환기 및 이들 간의 유량을 제어하는 순환펌프를 포함하는 열원 분배 시스템을 이용하여 열원을 분배하는 열원 분배 방법에 있어서,
    태양광으로부터 전기에너지를 생산하는 태양광 발전 단계;
    상기 전기에너지의 흐름을 모니터링하는 전기에너지 모니터링 단계;
    상기 모니터링 결과에 의거하여 상기 생산된 전기에너지 중 소비하고 남은 잉여 전력량을 도출하는 잉여 전력량 도출단계;
    상기 잉여 전력량에 의거하여 상기 열원 분배 시스템의 동작 효율을 결정하는 동작효율결정단계; 및
    상기 열원 분배 시스템의 동작 효율에 기초하여 상기 히트 펌프, 지중 열교환기 및 순환펌프를 구동시키는 구동단계를 포함하되,
    상기 구동단계는
    상기 히트 펌프의 동작 부하를 고려하여 구동 대상 히트 펌프를 결정하고, 상기 지중 열교환기의 열효율을 고려하여 구동대상 지중 열교환기를 우선적으로 선택하는 것을 특징으로 하는 열원 분배 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 동작효율결정단계는
    상기 잉여 전력량에 의거하여 상기 히트 펌프의 운전 수량을 결정하는 히트 펌프 운전 수량 결정 단계;
    상기 히트 펌프의 운전수량에 의거하여 상기 지중 열교환기의 운전 수량을 결정하는 지중 열교환기 운전 수량 결정 단계; 및
    상기 히트 펌프의 운전수량에 의거하여 상기 열원 분배 시스템 내의 유량을 제어하는 순환 펌프의 동작 효율을 결정하되, 상기 히트 펌프의 운전수량에 비례하여 상기 순환 펌프의 동작 효율을 결정하는 순환펌프 동작 효율 결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 열원 분배 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 히트 펌프들 각각의 구동정보를 관리하는 히트펌프 관리 단계를 더 포함하고,
    상기 구동단계는
    상기 히트 펌프들 각각의 동작 시간에 따른 동작 부하를 고려하여 구동 대상 히트 펌프를 결정한 후 상기 구동 대상 히트 펌프를 구동시키는 것을 특징으로 하는 열원 분배 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    미리 설정된 주기 마다 상기 m개의 지중 열교환기들을 순차적으로 선택하여 열효율을 측정하고, 상기 열효율에 의거하여 상기 지중 열교환기들을 관리하는 열효율 관리 단계를 더 포함하고,
    상기 구동단계는
    상기 지중 열교환기들 중 열효율이 높은 지중 열교환기를 우선적으로 선택하여 구동시키는 것을 특징으로 하는 열원 분배 방법.
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