KR20150035186A - 지능형 히트 펌프 장치 및 방법 - Google Patents

지능형 히트 펌프 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

난방 유량, 및 축열조 내의 난방수 온도를 고려하여 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동될 수 있는 지능형 히트 펌프 장치 및 방법 개시된다. 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치는 난방 유량 및 축열조 내의 난방수 온도에 대한 정보를 수집하는 정보 수집부, 난방 유량과, 히트 펌프 COP(Coefficient of performance)의 상관 관계를 기반으로 히트 펌프로 난방 운전 가능한 난방 유량의 최하 값을 설정하는 최하 값 설정부 및 수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도 및 상기 최하 값을 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

지능형 히트 펌프 장치 및 방법{INTELLIGENT HEAT PUMP APPARATUS AND METHOD}
본 발명은 지능형 히트 펌프 장치 및 방법에 관한 것이다. 특히, 난방 유량, 및 축열조 내의 난방수 온도를 고려하여 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동될 수 있는 지능형 히트 펌프 장치 및 방법에 관한 것입니다.
전 세계적으로 에너지 감축에 대한 다양한 정책들이 발의 되었으며 그 중 주택의 에너지 감축이 가장 잠재성 있는 분야로 점쳐진다. 주택에너지는 국가 에너지 소비의 약 18%를 차지하고 있으며 주택 에너지 중 난방과 급탕의 비중은 77%로서 고효율 냉난방기기의 보급이 증가하고 있다. 현재 정부는 그린 홈 100만호 사업 및 신재생에너지 설치 보급 지원 사업 등에 의해 지열히트펌프의 보급은 매년 증가하는 추세이다.
지열 히트 펌프 시스템은 지열을 열원으로 이용하고 기본적인 냉동사이클(압축기 - 응축기- 팽창밸브 - 증발기)을 4-way 밸브를 통하여 역 사이클로 전환함으로서 하나의 유니트로 냉방과 난방이 가능하며, 지열순환펌프를 이용하여 열매체를 지중열 교환기에 순환시킴으로서 난방 시에는 지중으로부터 증발열을 흡수하고, 냉방 시에는 지중으로 응축열을 방출하는 시스템이다.
또한, 지열히트펌프시스템은 일반적으로 용량 가변형 압축기를 채용한 하나의 실외기 유닛이 다수의 실내기를 포함하고 있으며 공간 냉난방시 각 실내기의 가동 유무에 따라 부분 부하 상태로 운전된다.
최근 건물에너지 절약사업, 건축물 에너지 효율 등급제, 신 재생에너지 지원사원 등의 각종 정부 정책에 의해 지열 히트펌프는 공간냉방, 바닥난방 및 급탕 기능을 가지도록 개발이 진행되고 있으며 전력 연구원에서도 연구를 수행하였지만 바닥 난방수가 일정 유량(LPM;Liter Per Minute) 이하인 경우에는 히트 펌프를 이용한 바닥 난방의 성능인 COP(Coefficient of Performance)값이 낮아지는 문제점이 발생한다.
따라서, 난방 유량, 및 축열조 내의 난방수 온도를 고려하여 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동될 수 있는 지능형 히트 펌프 장치 및 방법이 필요한 실정이다. 관련 선행기술로는 한국공개특허 제2012-0121486호가 존재한다.
본 발명의 목적은, 수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도를 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 것을 가능케 하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은, 주택의 부하에 따라 바닥난방 운전방식을 선택함으로서 주택의 각 실 제어시 에너지를 절감하는 것을 가능케 하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치는, 난방 유량 및 축열조 내의 난방수 온도에 대한 정보를 수집하는 정보 수집부, 난방 유량과, 히트 펌프 COP(Coefficient of performance)의 상관 관계를 기반으로 히트 펌프로 난방 운전 가능한 난방 유량의 최하 값을 설정하는 최하 값 설정부 및 수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도 및 상기 최하 값을 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 제어부를 포함한다.
이 때, 상기 정보 수집부는, 현재 실내 온도 및 설정 실내 온도를 비교하여, 난방 신호를 감지하는 서모스탯(Thermostat)으로부터 난방 유량에 대한 정보를 수집할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는, 상기 난방 유량과 상기 최하 값을 비교 분석하여, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값보다 낮은지 여부를 판단하는 난방 유량 분석부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는, 상기 난방 유량 분석부에서 분석한 결과, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값 보다 낮은 경우, 상기 축열조 내의 난방수 온도와, 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도를 대비하여 축열조를 이용한 난방 운전 모드의 가능 여부를 판단하는 축열 난방 운전 가부 판단부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는, 상기 축열 난방 운전 가부 판단부에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 가능한 것으로 판단되는 경우, 축열조를 이용하여 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 축열 난방 운전 모드로 변환하는 난방 운전 모드 변환부를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 난방 운전 모드 변환부는, 상기 축열 난방 운전 가부 판단부에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 불가능한 것으로 판단되는 경우, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는, 상기 축열 난방 운전 가부 판단부에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 불가능한 것으로 판단되는 경우, 난방 운전 모드가 가동되는 동시에 과열된(Superheated) 열을 축열조로 보내어 축열을 진행하도록 제어할 수 있다.
이 때, 상기 난방 운전 모드 변환부는, 상기 난방 유량 분석부에서 분석한 결과, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값 보다 높은 경우, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는, 각 순환 배관에 존재하는 삼방 밸브를 조절함으로써, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어할 수 있다.
이 때, 상기 제어부는, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록 제어함에 있어서, 상기 난방 유량에 대응하여, 사용자가 원하는 희망 출수 온도, 지열 순환수의 유량, 지열 순환수 펌프 및 압축기 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다.
이 때, 상기 히트 펌프는, 수 열원, 공기 열원 및 지열원 중 적어도 어느 하나를 포함하는 열원을 사용하는 히트 펌프일 수 있다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 방법은, 난방 유량 및 축열조 내의 난방수 온도에 대한 정보를 수집하는 정보 수집 단계, 난방 유량과, 히트 펌프 COP(Coefficient of performance)의 상관 관계를 기반으로 히트 펌프로 난방 운전 가능한 난방 유량의 최하 값을 설정하는 최하 값 설정 단계 및 수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도 및 상기 최하 값을 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 제어 단계를 포함한다.
이 때, 상기 정보 수집 단계는, 현재 실내 온도 및 설정 실내 온도를 비교하여, 난방 신호를 감지하는 서모스탯(Thermostat)으로부터 난방 유량에 대한 정보를 수집할 수 있다.
이 때, 상기 제어 단계는, 상기 난방 유량과 상기 최하 값을 비교 분석하여, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값보다 낮은지 여부를 판단하는 난방 유량 분석 단계를 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제어 단계는, 상기 난방 유량 분석 단계에서 분석한 결과, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값 보다 낮은 경우, 상기 난방 유량 분석 단계 이후에, 상기 축열조 내의 난방수 온도와, 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도를 대비하여 축열조를 이용한 난방 운전 모드의 가능 여부를 판단하는 축열 난방 운전 가부 판단 단계를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제어 단계는, 상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 가능한 것으로 판단되는 경우, 상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계 이후에, 축열조를 이용하여 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 축열 난방 운전 모드로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제어 단계는, 상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 불가능한 것으로 판단되는 경우, 상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계 이후에, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제어 단계는, 상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 불가능한 것으로 판단되는 경우, 상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계 이후에, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환함과 동시에, 과열된(Superheated) 열을 축열조로 보내어 축열을 진행하도록 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제어 단계는, 상기 난방 유량 분석 단계에서 분석한 결과, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값 보다 높은 경우, 상기 난방 유량 분석 단계 이후에, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이 때, 상기 제어 단계는, 각 순환 배관에 존재하는 삼방 밸브를 조절함으로써, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어할 수 있다.
이 때, 상기 제어 단계는, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록 제어함에 있어서, 상기 난방 유량에 대응하여, 사용자가 원하는 희망 출수 온도, 지열 순환수의 유량, 지열 순환수 펌프 및 압축기 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다.
이 때, 상기 히트 펌프는, 수 열원, 공기 열원 및 지열원 중 적어도 어느 하나를 포함하는 열원을 사용하는 히트 펌프일 수 있다.
본 발명에 따르면, 수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도를 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 주택의 부하에 따라 바닥난방 운전방식을 선택함으로서 주택의 각 실 제어시 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 전기 에너지 주택 5RT 지열 히트 펌프 시스템의 바닥 난방 유량에 따른 성능 평가를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치의 블록도이다.
도 3은 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치의 제어부의 실시예이다.
도 4는 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치의 실시예이다.
도 5 및 6은 난방 유량에 대응하여 히트 펌프를 제어하기 위한 작동 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 방법의 흐름도이다.
도 8은 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 방법의 실시예이다.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능, 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시형태는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 전기 에너지 주택 5RT 지열 히트 펌프 시스템의 바닥 난방 유량에 따른 성능 평가를 설명하기 위한 도면이다.
기본적으로 히트펌프를 이용한 바닥 난방 운전시 각 방에 설치된 서모스탯(Thermostat)은 설정 온도 및 실내온도를 비교하여 각방의 난방 여부를 결정하며 이후 난방 순환수 분배기를 작동시켜 난방 유량이 결정된다. 히트펌프는 이와 같은 조건에 의해 정격 또는 부분부하 상태로 운전하지만 일정 난방 유량 이하시 히트펌프의 난방효율이 급격하게 떨어지는 현상이 발생한다.
이는 부분부하 운전 및 안정성을 위해 압축기의 최저 Hz를 설정 및 그 이상의 범위에서 압축기의 Hz를 가변 시켜 부분 부하 운전에 대응하지만 필요 난방 용량이 압축기의 설정 최저 Hz에 대한 용량보다 작을 경우 히트펌프 기본 소비전력으로 인해 히트펌프의 효율은 급격히 감소하기 때문이다.
도 1을 참조하면, 전기 에너지주택의 지열 히트 펌프 시제품을 이용한 바닥난방에 대한 성능 평가를 확인할 수 있다.
구체적으로, 각실 난방 운전모드로 인해 난방 유량은 실시간으로 변하며 최대 27 LPM (Liter Per Minute)부터 최소 5LPM의 범위로 난방운전을 한다. 실증결과 지열 히트펌프의 성능은 20LPM 이상에서 평균 COP(Coefficient of Performance) 3.21, 10~20LPM에서 평균 COP 3.02에 비하여 10LPM에서 평균 COP 2.24로서 20LPM 이상의 COP보다 30.3%의 효율이 감소하였다.
바닥 난방수 10LPM 이하에서 축열수를 사용시 실증 결과 조건에서 약 3.3 kWh/day의 전력 사용량 감축이 가능하며 지열 히트펌프 10만대 보급시 300MW/day의 동절기 난방 에너지 절감이 예상된다.
도 2는 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치의 블록도이다.
도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치(100)는, 난방 유량 및 축열조 내의 난방수 온도에 대한 정보를 수집하는 정보 수집부(110), 난방 유량과, COP(Coefficient of performance)의 상관 관계를 기반으로 히트 펌프로 난방 운전 가능한 난방 유량의 최하 값을 설정하는 최하 값 설정부(120) 및 수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도 및 상기 최하 값을 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 제어부(130)를 포함한다.
본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치(100)에서 히트 펌프는 지열원 뿐만 아니라, 수 열원, 공기 열원 중 적어도 어느 하나를 포함하는 열원을 사용하는 히트 펌프로 구성될 수 있다.
상기 정보 수집부(110)는, 난방 유량 및 축열조 내의 난방수 온도에 대한 정보를 수집하는 기능을 수행한다.
이 때, 상기 정보 수집부(110)는, 현재 실내 온도 및 설정 실내 온도를 비교하여, 난방 신호를 감지하는 서모스탯(Thermostat)으로부터 난방 유량에 대한 정보를 수집할 수 있다.
구체적으로, 주택의 각방의 설정 실내 온도 및 현재 실내 온도를 비교하여 각 방의 난방 ON/OFF 신호를 감지하는 서모스탯에서 신호를 받아 바닥 난방수의유량을 연산하는 것이다.
상기 최하 값 설정부(120)는, 난방 유량과, COP(Coefficient of performance)의 상관 관계를 기반으로 히트 펌프로 난방 운전 가능한 난방 유량의 최하 값을 설정하는 기능을 수행한다.
상기 도 1과 함께 살펴본 바와 같이, 일정 난방 유량 이하에서는 COP가 낮아지기 때문에, 히트 펌프의 성능을 확보할 수 있는 최소의 난방 유량인 최하 값을 설정하는 것이다.
상기 제어부(130)는, 상기 정보 수집부(110)에 의하여 수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도 및 상기 최하 값 설정부(120)에 의하여 설정된 상기 최하 값을 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 기능을 수행한다.
도 3은 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치의 제어부의 실시예이다.
도 3을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치(100)의 제어부(130)는, 난방 유량 분석부(131), 축열 난방 운전 가부 판단부(132), 난방 운전 모드 변환부(133)를 포함할 수 있다.
상기 제어부(130)의 각 구성의 구체적인 동작 및 원리에 대해서는 후술하도록 한다.
상기 난방 유량 분석부(131)는, 상기 난방 유량과 상기 최하 값을 비교 분석하여, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값보다 낮은지 여부를 판단하는 기능을 수행한다. 이와 같이, 상기 난방 유량과 상기 최하 값을 비교하여, 상기 난방 유량이 상기 최하 값보다 낮은지 여부에 따라 후술할 난방 운전 모드 변환부(133)에 의하여 난방 운전 모드를 변환하게 되는 근거가 된다.
상기 축열 난방 운전 가부 판단부(132)는 상기 난방 유량 분석부(131)에서 분석한 결과, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값 보다 낮은 경우, 상기 축열조 내의 난방수 온도와, 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도를 대비하여 축열조를 이용한 난방 운전 모드의 가능 여부를 판단하는 기능을 수행한다.
여기서 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도란, 축열조를 이용한 난방 운전을 가동 시킬 수 있는 축열조의 온도를 의미한다. 상가 축열 난방 운전 가동 온도는, 사용자의 정의 또는 기술발전에 따라 변동되어 설정될 수 있다.
상기 축열 난방 운전 가부 판단부(132)에 대하여 구체적으로 설명하면, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값보다 작은 경우에는 COP가 확보되지 않기 때문에, 히트 펌프를 이용한 난방 운전 시 성능 효율이 떨어진다. 따라서, 히트 펌프를 이용한 난방 운전을 가동하지 않고, 축열조를 이용한 난방 운전을 하는 것이 바람직하다.
다만, 축열조를 이용한 난방 운전을 하기 위해서는 축열조의 온도가 일정 온도를 만족하여야 하기 때문에, 축열조 내의 난방수 온도와, 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도를 대비하는 것이다.
보다 상세하게, 상기 축열조 내의 난방수 온도가, 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도 이상의 값을 가져야만, 축열조를 통한 난방 모드인 축열 난방 모드를 진행할 수 있는 것이다. 따라서, 상기 축열조 내의 난방수 온도가, 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도 이상의 값을 갖지 못하는 경우에는, 축열 난방 모드를 진행할 수 없으므로, COP가 확보되지 못하더라도, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 모드를 가동하게 되며, 구체적인 방법은 후술하도록 한다.
상기 난방 운전 모드 변환부(133)은 난방 운전 모드를 변환하는 기능을 수행한다. 여기서, 난방 운전 모드란, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전과, 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 존재한다.
구체적으로, 상기 축열 난방 운전 가부 판단부(132)에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 가능한 것으로 판단되는 경우에는 축열조를 이용하여 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 축열 난방 운전 모드로 변환한다.
마찬 가지로, 상기 축열 난방 운전 가부 판단부(132)에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 불가능한 것으로 판단되는 경우에는 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환한다.
이 때, 상기 제어부(130)는, 상기 축열 난방 운전 가부 판단부(132)에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 불가능한 것으로 판단되는 경우, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 모드가 가동되는 동시에 과열된(Superheated) 열을 축열조로 보내어 축열을 진행하도록 제어할 수도 있다.
이 경우, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 모드를 하면서, 향후 축열조를 이용한 축열 운전 모드가 구동될 수 있도록 축열이 진행되는 장점이 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치의 실시예를 설명하도록 한다. 도 4는 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치의 실시예이다.
본 발명은 부하측 난방순환 유량을 통하여 열원측 펌프 유량, 압축기 용량 및 각종 난방 운전모드를 제어하여 난방부하에 따른 난방운전방식을 실시간으로 제어하여 시스템의 성능을 향상시키는 것에 그 목적이 있다.
도 4를 참조하면, 상기 목적을 구현하기 위해 압축기(1) 및 응축기(2), (난방시 부하측 열교환기), 증발기(3) (난방시 열원측 열교환기), 팽창밸프(4) 및 사방변 밸브(5), 삼방변 밸브(6), 이들 사이를 연결하는 연결관(7)으로 이루어진 히트펌프, 상기 히트 펌프의 증발기와 순환관에 의해 연결되어 지열을 흡수하는 지중 열교환기(8), 상기 히트 펌프의 응축기와 난방 순환관(9) 및 난방수 분배기(10)에 의해 연결되는 부하 시스템, 상기 순환관에 각각 구비되어 지열순환수와 난방순환수를 원활하게 순환시키는 순환 펌프(11), 난방용 축열을 위한 축열조(12) 및 축열내 내부의 온도를 감지하기 위한 온도계(13) 각방의 설정 실내온도 및 현재 실내온도를 비교하여 각방의 난방 ON/OFF 신호를 감지하는 Thermostat(14), Thermostat에서 신호를 받아 바닥 난방수의 유량을 연산하여 히트 펌프의 운전모드를 제어하는 제어기(15)로 구성되어진 지열 히트펌프 시스템을 확인할 수 있다.
상기 제어기(15)는 각방의 Thermostat에서 보내진 기동 신호을 실시간으로 취합 및 유량을 판별하여 압축기의 Hz를 제어하여 부분부하 운전을 하며 제어기에 설정된 일정 유량 이하로 떨어졌을시 축열조 내의 난방수 온도를 판별하여 축열조의 난방 운전 여부를 결정한다.
축열조의 난방운전이 가능할 경우 히트펌프 및 축열조의 난방 순환 밸브를 제어하여 운전 모드가 변경될 수 있도록 한다.
축열조의 온도가 가동 설정 온도보다 낮아 난방이 불가능할 경우 히트 펌프로 바닥 난방 운전을 계속 진행하며 superheated 열을 축열조로 보내어 축열을 동시에 진행한다.
바닥 난방이 가동하지 않을 경우는 제어기에서 축열조의 온도를 판별하여 축열운전 여부를 판별하며 필요시 축열 운전을 진행한다. 이러한 운전 모드에 맡게 각 순환 배관에 설치되어 있는 삼방 밸브를 조절하여 운전을 진행 한다.
도 5 및 6은 난방 유량에 대응하여 히트 펌프를 제어하기 위한 작동 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 상기 제어부(130)는, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록 제어함에 있어서, 상기 난방 유량에 대응하여, 사용자가 원하는 희망 출수 온도, 지열 순환수의 유량, 지열 순환수 펌프 및 압축기 중 적어도 어느 하나를 제어할 수 있다.
구체적으로, 도 5를 참조하면, 난방 유량별 바닥 난방 출수온도를 제어하고, 출수 온도 조절을 통하여 히트 펌프의 COP를 유지할 수 있게 된다. 도 6을 참조하면, 난방 유량별 지열 순환수 유량을 제어하고, 유량 제어를 통하여 순환 펌프의 소비 전력을 감소시킬 수 있게 된다.
이하, 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 방법에 대하여 설명하도록 한다. 상기 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치(100)와 중복되는 기술 내용은 생략하도록 한다.
도 7은 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 방법의 흐름도이다. 도 8은 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 방법의 실시예이다.
도 7을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 방법은, 난방 유량 및 축열조 내의 난방수 온도에 대한 정보를 수집하는 정보 수집 단계(S100), 난방 유량과, COP(Coefficient of performance)의 상관 관계를 기반으로 히트 펌프로 난방 운전 가능한 난방 유량의 최하 값을 설정하는 최하 값 설정 단계(S110) 및 수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도 및 상기 최하 값을 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 제어 단계(S120)를 포함한다.
도 8을 참조하여 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 방법의 실시예를 구체적으로 살펴보면, 상기 S110 단계 이후에, S111 단계에서는, 난방 유량과 최하 값을 비교하게 되며, 상기 S111 단계에서 난방 유량이 최하 값을 넘지 못하는 경우에는 S112 단계가 진행되어 축열조 내의 난방수 온도가, 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도보다 큰지를 판단하게 되고, S112 단계에서 축열조 내의 난방수 온도가 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도 이상인 경우에는 S113 단계가 진행되어 축열 난방 운전이 가동된다.
또한, 상기 S112 단계에서 축열조 내의 난방수 온도가, 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도보다 낮은 경우에는 S114 단계가 진행되어 바닥 난방 운전이 가동되는데, 이 때, 바닥 난바아 운전과 동시에 과열된 열을 축열조로 보내어 축열을 진행할 수도 있다.
상기 S111 단계에서, 난방 유량이, 최하 값 이상인 경우에는 S115 단계가 진행되어 바닥 난방 운전이 가동된다.
상기 살펴본 바와 같이 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치(100) 및 방법에 의하면, 수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도를 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어할 수 있다.
또한, 주택의 부하에 따라 바닥 난방 운전방식을 선택함으로서 주택의 각 실 제어시 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있다. 구체적으로, 주택의 각 실제어시 3~4 kWh/day의 에너지를 절감할 수 있으며 10만대 보급시 300MWh/day의 동절기 에너지 절감이 예상된다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 지능형 히트 펌프 장치(100) 및 방법은 상기한 바와 같이 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.
100: 지능형 히트 펌프 장치
110: 정보 수집부 120: 최하 값 설정부
130: 제어부 131: 난방 유량 분석부
132: 축열 난방 운전 가부 판단부 133: 난방 운전 모드 변환부

Claims (22)

  1. 난방 유량 및 축열조 내의 난방수 온도에 대한 정보를 수집하는 정보 수집부;
    난방 유량과, 히트 펌프 COP(Coefficient of performance)의 상관 관계를 기반으로 히트 펌프로 난방 운전 가능한 난방 유량의 최하 값을 설정하는 최하 값 설정부; 및
    수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도 및 상기 최하 값을 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 정보 수집부는,
    현재 실내 온도 및 설정 실내 온도를 비교하여, 난방 신호를 감지하는 서모스탯(Thermostat)으로부터 난방 유량에 대한 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 난방 유량과 상기 최하 값을 비교 분석하여, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값보다 낮은지 여부를 판단하는 난방 유량 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 난방 유량 분석부에서 분석한 결과, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값 보다 낮은 경우,
    상기 축열조 내의 난방수 온도와, 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도를 대비하여 축열조를 이용한 난방 운전 모드의 가능 여부를 판단하는 축열 난방 운전 가부 판단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 축열 난방 운전 가부 판단부에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 가능한 것으로 판단되는 경우, 축열조를 이용하여 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 축열 난방 운전 모드로 변환하는 난방 운전 모드 변환부를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 난방 운전 모드 변환부는,
    상기 축열 난방 운전 가부 판단부에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 불가능한 것으로 판단되는 경우,
    히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 축열 난방 운전 가부 판단부에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 불가능한 것으로 판단되는 경우,
    바닥 난방 운전 모드가 가동되는 동시에 과열된(Superheated) 열을 축열조로 보내어 축열을 진행하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 난방 운전 모드 변환부는,
    상기 난방 유량 분석부에서 분석한 결과, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값 보다 높은 경우,
    히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    각 순환 배관에 존재하는 삼방 밸브를 조절함으로써, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는,
    히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록 제어함에 있어서,
    상기 난방 유량에 대응하여, 사용자가 원하는 희망 출수 온도, 지열 순환수의 유량, 지열 순환수 펌프 및 압축기 중 적어도 어느 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 히트 펌프는,
    수 열원, 공기 열원 및 지열원 중 적어도 어느 하나를 포함하는 열원을 사용하는 히트 펌프인 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 장치.
  12. 난방 유량 및 축열조 내의 난방수 온도에 대한 정보를 수집하는 정보 수집 단계;
    난방 유량과, 히트 펌프 COP(Coefficient of performance)의 상관 관계를 기반으로 히트 펌프로 난방 운전 가능한 난방 유량의 최하 값을 설정하는 최하 값 설정 단계; 및
    수집된 난방 유량, 축열조 내의 난방수 온도 및 상기 최하 값을 기반으로, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 제어 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 정보 수집 단계는,
    현재 실내 온도 및 설정 실내 온도를 비교하여, 난방 신호를 감지하는 서모스탯(Thermostat)으로부터 난방 유량에 대한 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    상기 난방 유량과 상기 최하 값을 비교 분석하여, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값보다 낮은지 여부를 판단하는 난방 유량 분석 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    상기 난방 유량 분석 단계에서 분석한 결과, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값 보다 낮은 경우,
    상기 난방 유량 분석 단계 이후에,
    상기 축열조 내의 난방수 온도와, 기설정된 축열 난방 운전 가동 온도를 대비하여 축열조를 이용한 난방 운전 모드의 가능 여부를 판단하는 축열 난방 운전 가부 판단 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
  16. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 가능한 것으로 판단되는 경우,
    상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계 이후에,
    축열조를 이용하여 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 축열 난방 운전 모드로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
  17. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 불가능한 것으로 판단되는 경우,
    상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계 이후에,
    히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
  18. 청구항 15에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계에서 판단한 결과, 축열조를 이용한 난방 운전 모드가 불가능한 것으로 판단되는 경우,
    상기 축열 난방 운전 가부 판단 단계 이후에,
    히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환함과 동시에, 과열된(Superheated) 열을 축열조로 보내어 축열을 진행하도록 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
  19. 청구항 14에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    상기 난방 유량 분석 단계에서 분석한 결과, 상기 난방 유량이, 상기 최하 값 보다 높은 경우,
    상기 난방 유량 분석 단계 이후에,
    히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록, 난방 운전 모드를 바닥 난방 운전 모드로 변환하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
  20. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    각 순환 배관에 존재하는 삼방 밸브를 조절함으로써, 히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전 또는 축열조를 이용한 축열 난방 운전이 선택적으로 가동되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
  21. 청구항 12에 있어서,
    상기 제어 단계는,
    히트 펌프를 이용한 바닥 난방 운전이 가동되도록 제어함에 있어서,
    상기 난방 유량에 대응하여, 사용자가 원하는 희망 출수 온도, 지열 순환수의 유량, 지열 순환수 펌프 및 압축기 중 적어도 어느 하나를 제어하는 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
  22. 청구항 12에 있어서,
    상기 히트 펌프는,
    수 열원, 공기 열원 및 지열원 중 적어도 어느 하나를 포함하는 열원을 사용하는 히트 펌프인 것을 특징으로 하는 지능형 히트 펌프 방법.
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