KR100413118B1 - 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 태양열을 흡수한 열매체액을 집열기로부터 축열탱크의 내부로 연장되는 배관으로 순환시켜 축열탱크에 저장된 저온수와 열교환을 행하도록 하고, 이와 같이 열교환된 열매체액을 열매체탱크로 순환시켜 배관내의 잔류공기를 제거시킴과 동시에 순환펌프에 의하여 열매체액을 집열기측으로 밀어주는 식으로 재공급할 수 있도록 하므로서, 열매체액이 유동하는 배관의 내부에 에어가 발생하여 정체되는 현상을 방지할 수 있도록 하고, 이로 인하여 열매체액을 원활하게 유동시켜 열매체액에 흡수된 태양열을 보다 효율적으로 회수함과 동시에 배관내의 에어제거를 위한 번거러운 작업과 에어의 열팽창에 따른 배관의 파손을 방지하여 시스템의 반영구적인 사용이 가능하도록 한 태양열을 이용한 난방급탕 보일러 시스템에 관한 것이다.

또한, 상기 축열탱크를 "S"공급대류관과 "R"환수대류관에 의하여 그 상부의 온수저장탱크와 연결 설치하므로서, 각각의 대류관에 의한 온수의 대류작용으로 축열탱크와 온수저장탱크에 저온수와 고온수가 그 온도별로 분리되어 저장되도록 하며, 이로 인하여 축열탱크의 내부에서는 태양열에 의한 저온수의 지속적인 가열이 이루어지고, 온수저장탱크와 "S"공급대류관의 상부측에는 난방과 급탕에 적합한 고온수만이 집약되도록 하므로서, 열매체액에 흡수된 태양열을 온수의 가열에 실질적이고도 효과적으로 이용할 수 있도록 함과 동시에 축열탱크로부터 온수저장탱크로의 지속적인 온수공급을 통하여 난방과 급탕에 필요한 온수의 량을 충분하게 확보할 수 있도록 한 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템에 관한 것이다.

또한, 상기 "S"공급대류관의 상단부를 보조보일러와 실내 난방코일에 개별적으로 연결하여 난방시스템을 구성함과 동시에, 상기 "S"공급대류관에 저장된 고온수의 열을 1차적으로 회수하기 위하여 그 내부로 열교환코일을 형성하면서 연장되는 냉수공급관의 상단부를 급탕저장탱크와 보조보일러에 개별적으로 연결하고, 이 급탕저장탱크의 내부에는 "S"공급대류관과 "R"환수대류관에 각각 연결되어 급탕저장탱크에 저장된 온수를 고온수의 열로서 2차 가열하는 가열코일을 설치하여 급탕시스템을 구성하므로서, "S"공급대류관 및 급탕저장탱크의 내부 온도조건에 따라 태양열 또는 보조보일러에 의한 난방과 급탕을 선택적으로 수행할 수 있도록 하고, 보조보일러의 작동시에도 태양열에 의하여 미리 가열된 소량의 온수만을 집중적으로 가열하여 그 부족한 열원만을 신속하게 보충할 수 있도록 하므로서, 보일러의 불필요한 가동과 그 가동에 따른 가열부하를 방지하여 에너지의 낭비를 최소화시킬 수 있도록 한 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템에 관한 것이다.

Description

태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템{Boiler system for heating and hot-water using solar heat}

본 발명은 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열매체액이 유동하는 배관의 내부에 에어가 발생하여 정체되는 현상을 방지할 수 있도록 하고, 이로 인하여 열매체액을 원활하게 유동시켜 열매체액에 흡수된 태양열을 보다 효율적으로 회수함과 동시에 배관내의 에어제거를 위한 번거러운 작업과 에어의 열팽창에 따른 배관의 파손을 방지하여 시스템의 반영구적인 사용이 가능하도록 하며, 열매체액에 흡수된 태양열을 저온부와 고온부로 분리 저장하여 그 저온부측이 태양열에 의하여 지속적으로 가열되고 그 고온부측이 난방과 급탕에 이용될 수 있도록 하며, 이로 인하여 태양열을 난방과 급탕에 실질적이고도 효율적으로 이용할 수 있도록 함과 동시에 온수의 지속적인 공급을 이루어 낼 수 있도록 하고, 보조보일러의 작동시에도 요구하는 온도의 70 ~ 90%까지 태양열로 미리 가열된 온수에다 10 ~ 30%에 해당하는 소량의 에너지만을 보조보일러로 보충하는 식으로 소량의 온수만을 집중적으로 가열하여 그 부족한 열원을 신속하게 보충할 수 있도록 하므로서, 보일러의 불필요한 가동과 그 가동에 따른 가열부하를 방지하여 에너지의 낭비를 최소화시킬 수 있도록 한 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템에 관한 것이다.

일반적으로 태양열을 이용한 보일러시스템은 석유나 석탄 또는 천연가스의 사용에 따른 화석연료의 낭비와 환경오염을 방지하기 위한 목적으로 그 에너지원이 무한에 가까운 태양열을 이용하여 실내의 난방과 온수의 공급을 수행할 수 있도록 한 것으로서, 그 보급초기에는 태양열을 회수할 수 있는 시간이 주간에 한정되고 흐린 날씨나 우천시에는 태양열을 회수할 수 없게 되므로 태양열의 회수가 간헐적으로 이루어질 뿐만 아니라 그 집열밀도 또한 낮아 큰 에너지원으로 형성시킬 수 없다는 단점으로 인하여 그다지 널리 활용되지는 못하였으나, 최근에 들어서는 태양광선을 추적하면서 짧은 시간내에 태양열을 고밀도로 회수하여 그 열을 축적시킬 수 있는 기술이 발전함에 따라 태양열을 이용한 보일러시스템의 보급이 확산되고 있는 실정이다.

상기와 같이 태양열을 이용한 보일러시스템은 그 설치장소와 설치방식에 따라 여러 가지의 형태로 나뉘어질 수 있으나 가장 대표적인 것으로는, 그 표면이 검은 동판 또는 구리 파이프 재질로 이루어지는 집열기를 투명한 뚜껑이 달린 상자에 넣어 지붕과 같이 태양열을 회수하기 용이한 장소에 설치하고, 상기 집열기의 내부로 열매체액을 순환시키기 위한 배관이 축열탱크의 내부에서 열교환기를 형성하도록 하며, 이 열교환기로부터 집열기로 연장되는 배관에는 열매체액의 순환을 위한 순환펌프가 설치된 구조로 이루어지는 것이다.

상기 열매체액은 물과 같은 잠열축열재를 이용할 수도 있고, 동절기에 열매체액이 동결되는 것을 방지하기 위하여 에틸렌 글리콜과 같은 부동액을 물과 50 : 50의 비율로 섞은 것을 사용할 수도 있으며, 상기 축열탱크의 내부에는 열매체액과의 열교환을 통하여 태양열을 흡수한 온수가 저장되므로서 실내의 난방코일이나 급탕용 배관과 같이 난방과 급탕을 필요로 하는 장소로 온수를 공급할 수 있도록 되어 있다.

또한, 야간이나 흐린 날씨 또는 우천시와 같이 집열기로 태양열을 직접 흡수할 수 없는 기간이나, 집열기에서 흡수되는 태양열만으로는 난방이나 급탕용 온수를 요구하는 온도로 가열시키지 못할 경우를 대비하여 보조난방을 위한 보일러가 상기 축열탱크와 함께 설치되므로서 축열탱크에 저장된 온수의 온도를 일정한 수준으로 유지시킬 수 있도록 하였다.

그러나, 상기와 같은 종래의 태양열을 이용한 보일러시스템은 정전이나 열매체액의 누설 또는 전기제어장치의 고장 등이 발생할 경우 열매체액의 배관 내부에 에어가 발생하게 되는 데, 이와 같이 발생한 에어가 집열기의 상부측에 위치하는 배관의 내부에서 정체되어 열매체액의 원활한 순환이 매우 힘들게 되는 문제점이 발생하였으며, 이로 인하여 건물의 옥상에 설치된 집열기측으로 작업자가 직접 올라가 에어밸브를 개방시키는 번거러운 작업을 거쳐야 하는 문제점이 있었을 뿐만 아니라, 에어를 제때에 제거하지 못할 경우에는 배관 내부를 유동하는 열매체액의 수축과 팽창이 반복되면서 집열기와 연결된 배관이 파열되는 심각한 문제점이 발생하였다.

또한, 열매체액에 의하여 흡수된 태양열을 1대의 축열탱크에 저장시키도록 하였기 때문에 축열탱크에 저장된 온수를 저온과 고온으로 분리할 수 없게 되며, 이로 인하여 집열기에서 흡수된 태양열을 축열탱크의 내부에 일시적으로 저장시키는 단순한 열에너지 이송싸이클에 불과하여 태양열에 따른 난방과 온수의 가열효율이 매우 저하되는 문제점이 있었다.

특히, 야간이나 흐린 날씨 또는 우천시와 같이 집열기로 태양열을 직접 흡수할 수 없는 기간이나, 집열기에서 흡수되는 태양열만으로는 난방이나 급탕용 온수를 요구하는 온도로 가열시키지 못할 경우 보조보일러를 사용하여 축열탱크에 저장된 온수를 가열시켜야 하는 데, 보조보일러에 의하여 1대의 축열탱크에 저장된 온수 전체를 가열하여야 하므로서 온수의 가열에 따른 에너지의 낭비를 초래하는 문제점이 있었을 뿐만 아니라, 보조보일러에 의하여 축열탱크 내부의 온수를 일정 온도 이상으로 가열시켜 놓게 되면, 주간에 태양열을 흡수하여 온수를 가열시킨다 하더라도 이미 일정 온도 이상으로 상승된 온수를 더욱 높은 온도로 가열시킬 수가 없기 때문에 태양으로부터 흡수되는 저온의 열은 사실상 온수의 가열에 전혀 이용되지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명에 따른 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템은, 태양열을 흡수한 열매체액을 집열기로부터 축열탱크의 내부로 연장되는 배관으로 순환시켜 축열탱크에 저장된 저온수와 열교환을 행하도록 하고, 이와 같이 열교환된 열매체액을 열매체탱크로 순환시켜 배관내의 잔류공기를 제거시킴과 동시에 순환펌프에 의하여 열매체액을 집열기측으로 밀어주는 식으로 재공급할 수 있도록 하므로서, 열매체액이 유동하는 배관의 내부에 에어가 발생하여 정체되는 현상을 방지할 수 있도록 하고, 이로 인하여 열매체액을 원활하게 유동시켜 열매체액에 흡수된 태양열을 보다 효율적으로 회수함과 동시에 배관내의 에어제거를 위한 번거러운 작업과 에어의 열팽창에 따른 배관의 파손을 방지하여 시스템의 반영구적인 사용이 가능하도록 하는 것을 그 기술적 과제로 한다.

또한, 상기 축열탱크를 "S"공급대류관과 "R"환수대류관에 의하여 그 상부의 온수저장탱크와 연결 설치하므로서, 각각의 대류관에 의한 온수의 대류작용으로 축열탱크와 온수저장탱크에 저온수와 고온수가 그 온도별로 분리되어 저장되도록 하며, 이로 인하여 축열탱크의 내부에서는 태양열에 의한 저온수의 지속적인 가열이 이루어지고, 온수저장탱크와 "S"공급대류관의 상부측에는 난방과 급탕에 적합한 고온수만이 집약되도록 하므로서, 열매체액에 흡수된 태양열을 온수의 가열에 실질적이고도 효과적으로 이용할 수 있도록 함과 동시에 축열탱크로부터 온수저장탱크로의 지속적인 온수공급을 통하여 난방과 급탕에 필요한 온수의 량을 충분하게 확보할 수 있도록 하는 것을 본 발명의 다른 기술적 과제로 한다.

그리고, 상기 "S"공급대류관의 상단부를 보조보일러와 실내 난방코일에 개별적으로 연결하여 난방시스템을 구성함과 동시에, 상기 "S"공급대류관에 저장된 고온수의 열을 1차적으로 회수하기 위하여 그 내부로 열교환코일을 형성하면서 연장되는 냉수공급관의 상단부를 급탕저장탱크와 보조보일러에 개별적으로 연결하고,이 급탕저장탱크의 내부에는 "S"공급대류관과 "R"환수대류관에 각각 연결되어 급탕저장탱크에 저장된 온수를 고온수의 열로서 2차 가열하는 가열코일을 설치하여 급탕시스템을 구성하므로서, "S"공급대류관 및 급탕저장탱크의 내부 온도조건에 따라 태양열 또는 보조보일러에 의한 난방과 급탕을 선택적으로 수행할 수 있도록 하고, 보조보일러의 작동시에도 태양열에 의하여 미리 가열된 소량의 온수만을 집중적으로 가열하여 그 부족한 열원만을 신속하게 보충할 수 있도록 하므로서, 보일러의 불필요한 가동과 그 가동에 따른 가열부하를 방지하여 에너지의 낭비를 최소화시킬 수 있도록 하는 것을 본 발명의 또 다른 기술적 과제로 한다.

상기의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 태양열 집열기로부터 연장되는 열매체액의 공급라인이 축열탱크의 내부에서 열교환기를 형성하고, 이 열교환기로부터 태양열 집열기로 연장되는 열매체액의 회수라인에는 순환펌프가 설치된 것에 있어서, 상기 열매체액의 공급라인과 회수라인에는 고온감지센서와 저온감지센서가 각각 설치되고 그 회수라인 상에는 열매체액을 저장하는 열매체탱크가 상기 순환펌프와 함께 설치되며, 상기 축열탱크는 그 일측 상부에 연결되는 "S"공급대류관과 그 타측 하부에 연결되는 "R"환수대류관에 의하여 온수저장탱크의 상,하측과 각각 연결 설치되고, 그 "S"공급대류관의 상단부는 온수저장탱크보다 높은 위치까지 연장되어 실내의 난방코일과 보조보일러에 각각 연결 설치되며, 상기 난방코일로부터 "S"공급대류관으로 연장되는 난방회수관에는 순환펌프와 삼방전자밸브가 설치되고, 그 삼방전자밸브로부터 보조회수관이 연장되어 상기 "R"환수대류관의 하측부로 연결 설치되며, 상기 "S"공급대류관에는 냉수공급관이 그 내부에 열교환코일을 형성하면서 "S"공급대류관의 상부로 연장되어 그 단부측에 급탕저장탱크와 상기 보조보일러로 각각 연결되는 삼방전자밸브가 설치되며, 상기 급탕저장탱크의 내부에는 고온수공급관과 온수회수관에 의하여 "S"공급대류관과 "R"환수대류관의 상단부에 각각 연결되는 가열코일이 설치되고, 급탕저장탱크의 일측으로 연장되는 급탕공급관에는 상기 보조보일러로부터 연장되는 급탕배관과 유속감지스위치가 연결 설치되며, 상기 "S"공급대류관과 급탕저장탱크에는 해당 삼방전자밸브의 작동을 제어하는 온도센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템을 나타내는 배관도.

도 2는 본 발명에 의한 보일러시스템을 난방싸이클에 적용시킨 상태를 나타내는 배관도.

도 3은 본 발명에 의한 보일러시스템을 급탕싸이클에 적용시킨 상태를 나타내는 배관도.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 집열기 1a : 공급라인 1b : 회수라인

2 : 고온감지센서 3 : 역지밸브 4 : 열교환기

5 : 축열탱크 6 : 저수위센서 7 : 저온감지센서

8 : 열매체탱크 9,17 : 순환펌프 10 : "S"대류공급관

10a,20a : 열교환코일 10b : 보조난방온도센서 11 : 온수저장탱크

12 : "R"환수대류관 13 : 온수공급관 14 : 보일러스위치

15 : 난방코일 16 : 난방회수관 18,23 : 삼방전자밸브

19 : 보조회수관 20 : 보조보일러 21 : 난방배관

22 : 냉수공급관 24 : 급탕저장탱크 24a : 유입관

24b : 급탕공급관 25 : 가열코일 25a : 고온수공급관

25b : 온수회수관 26 : 급탕온도센서 27 : 급탕배관

28 : 팽창탱크 28a : 팽창라인 28b : 오버플로우관

28c : 보충수공급관 29 : 보일러급수관 30 : 유속감지스위치

이하, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템의 전체적인 구성을 나타내는 배관도로서 도시되어 있는 바와 같이, 태양열 집열기(1)로부터 연장되는 열매체액의 공급라인(1a)이 축열탱크(5)의 내부에서 열교환기(4)를 형성하고, 이 열교환기(4)로부터 태양열 집열기(1)로 연장되는 열매체액의 회수라인(1b)에는 열매체액의 저장과 순환을 위한 열매체탱크(8)와 순환펌프(9)가 설치되어 있으며, 상기 열매체액의 공급라인(1a)과 회수라인(1b)에는 집열기(1)측의 열매체액 온도와 열교환기(4)를 유동하고 나온 열매체액의 온도를 측정하는 고온감지센서(2)와 저온감지센서(7)가 각각 설치되어 있다.

집열기(1)측에 연결된 상기 공급라인(1a)은 집열기(1)보다 높은 위치로 돌출되었다가 하부로 연장되는 데, 그 이유는 집열기(1)의 내부에 저장된 열매체액이공급라인(1a)측으로 낙하되는 것을 방지하여 그 상부에 빈공간이 발생하지 않도록 하기 위한 것으로서, 공급라인(1a)을 이와 같이 형성시키는 것만으로도 별도의 에어밸브를 설치할 필요성이 없게 되며, 상기 열매체탱크(8)는 열매체액의 팽창과 수축을 흡수하고 열교환기(4)를 통과하여 나온 열매체액으로부터 에어를 자연적으로 분리 및 제거시킴과 동시에 자연 손실되는 열매체액을 보충시키는 역할을 하는 것으로서, 열매체탱크(8)의 상단부에는 에어배출용 공간이 형성되고, 그 일측으로는 열매체액이 소진될 경우 그 저수위를 감지하여 보일러시스템에 내장된 경보장치로서 열매체액의 보충을 알리는 저수위센서(6)가 설치되어 있다.

그리고, 열매체액의 유동배관에 의한 열교환기(4)를 그 내부에 구비하는 상기 축열탱크(5)는 그 일측 상부에 연결되는 "S"공급대류관(10)과 그 타측 하부에 연결되는 "R"환수대류관(12)에 의하여 그 상부측에 설치되는 온수저장탱크(11)와 열교환 가능하게 설치되는 데, 상기 "S"공급대류관(10)은 그 상단부가 온수저장탱크(11)보다 높은 위치까지 연장되어 온수저장탱크(11)의 상부측에 연결 설치되고, 상기 "R"환수대류관(12)은 그 상단부가 온수저장탱크(11)의 하부측에 연결 설치되므로서, 축열탱크(5)에서 흡수된 태양열을 대류식으로 순환시켜 고온부와 저온부로 분리할 수 있도록 하였다.

즉, 상기 "S"공급대류관(10)은 축열탱크(5)에서 승온된 온수를 상부로 이송하여 온수저장탱크(11)보다 높은 위치까지 연장되는 그 상단부에 온수의 열을 집중시키므로서 난방공급수 또는 급탕가열수로서 사용되는 고온수을 집약하여 보관하는 역할을 하고, 상기 "R"환수대류관(12)은 열교환 후 저온으로 떨어지는 온수를 축열탱크(5)로 이송시켜 재가열시키는 역할을 하는 것으로서, 상기 "S"공급대류관(10)과 "R"환수대류관(12)에 의하여 축열탱크(5)와 온수저장탱크(11)에 저온수와 고온수를 각각 분리하여 저장할 수 있게 됨과 동시에 "S"공급대류관(10)의 상단부에 가장 높은 온도의 고온수를 집약시킬 수 있게 된다.

상기와 같은 역할을 하는 "S"공급대류관(10)의 상단부에는 온수공급관(13)과 난방회수관(16)에 의하여 실내의 난방코일(15)이 연결됨과 동시에 난방배관(21)에 의하여 보조보일러(20)가 연결 설치되고, 상기 난방코일(15)로부터 "S"공급대류관(10)으로 연장되는 난방회수관(16)에는 순환펌프(17)와 삼방전자밸브(18)가 설치되며, 상기 삼방전자밸브(18)의 하부측으로는 보조회수관(19)이 연장되어 상기 "R"환수대류관(12)의 하측부로 연결 설치되어 있다.

또한, 상기 "S"공급대류관(10)의 일측 상부에는 "S"공급대류관(10)의 내부온도에 따라 삼방전자밸브(18)의 작동을 제어하는 보조난방온도센서(10b)가 설치되므로서 "S"공급대류관(10)으로부터 측정된 온도값에 따라 태양열에 의한 난방과 보일러에 의한 보조난방을 선택적으로 수행할 수 있도록 되어 있다.

그리고, 상기 "S"공급대류관(10)의 내부에는 도시되지 않은 냉수공급원으로부터 연장되는 냉수공급관(22)이 지그재그 형태로 배열되어 열교환코일(10a)을 형성하고 있으며, 상기 열교환코일(10a)로부터 "S"공급대류관(10)의 상부로 연장되는 냉수공급관(22)의 선단부에는 유입관(24a)에 의하여 급탕저장탱크(24)와 연결되고, 급탕배관(27)에 의하여 상기 보조보일러(20)와 연결되는 삼방전자밸브(23)가 설치된다.

상기 급탕저장탱크(24)는 냉수공급관(22)을 유동하는 냉수가 "S"공급대류관(10)의 열교환코일(10a)을 거치면서 1차 가열된 온수를 저장하는 역할을 하는 것으로서, 그 내부에는 고온수공급관(25a)에 의하여 상기 "S"공급대류관(10)의 상단부와 연결되고, 온수회수관(25b)에 의하여 상기 "R"환수대류관(12)의 상단부에 각각 연결되는 가열코일(25)이 설치되며, 이로 인하여 "S"공급대류관(10)의 상단부에 저장된 고온수로서 급탕저장탱크(24)에 저장된 온수를 급탕에 적합한 온도로 가열시킬 수 있도록 되어 있다.

또한, 상기 급탕저장탱크(24)의 일측에는 요구하는 장소로 온수를 공급하기 위한 급탕공급관(24b)이 연결 설치되고, 상기 급탕공급관(24b)에는 보조보일러(20)의 내부에 열교환코일(20a)을 형성하면서 연장되는 급탕배관(27) 및 유속감지스위치(30)가 각각 연결 설치되며, 상기 급탕저장탱크(24)의 일측 상부에는 급탕저장탱크(24)의 내부 온도에 따라 삼방전자밸브(23)의 작동을 제어하는 급탕온도센서(26)가 설치되어 급탕저장탱크(24)로부터 측정된 온도값에 따라 태양열에 의한 급탕과 보일러에 의한 급탕을 선택적으로 수행할 수 있도록 되어 있다.

상기 급탕공급관(24b)에 설치되는 유속감지스위치(30)는 온수의 사용을 위하여 도시되지 않은 수도꼭지나 밸브를 개방시키므로서 급탕공급관(24b)의 내부를 통하여 온수가 유동하게 될 경우 온수의 유동방향으로 휘어지는 전선이 접점부와 접속되어 보조보일러(20)를 작동시키게 되고, 수도꼭지나 밸브를 잠그므로서 급탕공급관(24b)의 내부를 통하여 온수가 유동하지 않을 경우에는 전선이 접점부에서 이탈되어 보조보일러(20)의 작동을 중지시키는 역할을 하게 된다.

또한, 상기 급탕저장탱크(24)의 상부에는 일반적인 보일러시스템에 설치되는 것과 마찬가지로 보일러시스템으로의 급수와 함께 수온상승에 따른 시스템 내부의 팽창력을 흡수하기 위한 팽창탱크(28)가 설치되어 있으며, 상기 팽창탱크(28)에는 "S"공급대류관(10)으로부터 가열코일(25)로 연장되는 상기 고온수공급관(25a)과 일체로 연결되는 팽창라인(28a)이 그 일측으로 관통되고, 그 타측에는 보일러시스템으로 급수를 공급하기 위한 보일러급수관(29)이 연장되어 상기 "R"환수대류관(12)의 하측부와 연결 설치되어 있다.

또한, 상기 팽창탱크(28)의 양측에는 팽창탱크(28)에 저장되는 물이 일정 수위 이상이 되면 팽창탱크(28)의 외부로 물을 자동적으로 배출시키도록 한 오버플로우관(28b)과, 팽창탱크(28)에서 증발되는 물의 양만큼 팽창탱크(28)로 급수를 공급하기 위한 보충수공급관(28c)이 각각 연결 설치된 구성으로 이루어진다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명의 작용관계를 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 상세하게 설명하며, 본 발명의 작용관계에 대한 설명에서는 본 발명에 따른 보일러시스템의 이해를 돕기 위하여 본 발명의 보일러시스템을 난방싸이클에 적용시킨 경우와 급탕싸이클에 적용시킨 경우로 각각 분리하여 설명하지만, 실질적으로는 난방싸이클와 급탕싸이클이 동시에 이루어져 실내의 난방과 온수의 공급을 함께 수행하도록 구성되어 있는 것이다.

도 2는 본 발명에 의한 보일러시스템을 난방싸이클에 적용시킨 상태를 나타내는 배관도로서, 도시되어 있는 바와 같이 집열기(1)에서 태양열을 흡수하여 열매체액이 가열되면 고온감지센서(2)로부터 측정된 온도값이 저온감지센서(7)로부터 측정된 온도값에 비하여 높게 되고, 이로 인하여 각 센서(2)(7)로부터 신호가 전송되어 순환펌프(9)를 작동시키므로서 집열기(1)로부터 태양열을 흡수한 열매체액이 유입라인(1a)을 통하여 열교환기(4)로 유입된 다음 열매체탱크(8)를 구비하는 회수라인(1b)을 통하여 집열기(1)측으로 재회수되며, 이 과정에서 축열탱크(5)의 내부에 저장된 저온수가 열교환기(4)의 내부를 유동하는 열매체액에 의하여 가열된다.

상기와 같이 순환펌프(9)를 사용하여 열매체액을 공급라인(1a)과 열교환기(4) 및 열매체탱크(8)와 회수라인(1b)을 통하여 유동시키게 되면, 열매체액의 유동과정에서 발생한 에어는 열매체탱크(8)로 열매체액이 유입되는 과정에서 자동적으로 제거되어 열매체탱크(8) 상부에 형성된 에어배출용 공간으로 빠져나가게 될 뿐만 아니라, 집열기(1)측의 공급라인(1a)이 집열기(1)보다 높은 위치로 돌출 형성된 상태에서 상기 순환펌프(9)가 집열기(1)측으로 열매체를 밀어주는 식으로 재공급하기 때문에 열매체액의 공급라인(1a)과 회수라인(1b) 및 집열기(1)의 내부공간에 에어가 정체되는 현상이 발생하지 않게 된다.

이로 인하여, 순환펌프(9)에 의한 열매체액의 순환을 보다 원활하게 이루어낼 수 있게 되므로서, 열매체액에 흡수된 태양열을 이용하여 축열탱크(5)에 저장된 온수를 보다 효과적으로 가열시킬 수 있게 되고, 건물의 옥상에 설치된 집열기(1)측으로 작업자가 직접 올라가서 배관 내부의 에어를 일일이 제거시키는 번거러운 작업을 할 필요성이 전혀 없을 뿐만 아니라, 배관 내부를 유동하는 열매체액의 수축과 팽창이 반복되면서 집열기(1)와 연결된 배관이 파열되는 현상 또한 미연에 방지할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 태양열을 흡수한 열매체액을 열교환기(4)의 내부로 유동시키므로서 축열탱크(5) 내부의 온수를 지속적으로 가열시키게 되면, 축열탱크(5)에 저장된 온수의 온도가 지속적으로 상승하게 되는 데, 축열탱크(5)의 온수는 그 하부측보다 상부측의 온도가 더 높게 되기 때문에, 축열탱크(5)의 상부측 고온수가 "S"공급대류관(10)을 통하여 온수저장탱크(11)로 유동하므로서 온수저장탱크(11)의 온도를 축열탱크(5)보다 높은 온도로 유시키게 된다.

또한, 온수저장탱크(11)에 저장된 온수 역시 그 하부측보다 상부측의 온도가 더 높게 되기 때문에, 온수저장탱크(11)의 상부측 고온수가 "S"공급대류관(10)의 상단부로 집약되고 그 하부측 온수의 일부는 "R"환수대류관(12)을 통하여 축열탱크(5)의 하부로 재유입되어 가열되는 식으로 일몰시까지 태양열에 의한 온수의 가열과 순환이 지속적으로 이루어지게 되며, 이로 인하여 축열탱크(5)로부터 온수저장탱크(11)와 S"공급대류관(10)의 상단부로 갈수록 높은 온도를 가지는 온수가 순차적으로 저장되어 저온수와 고온수를 효과적으로 분리시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 태양열에 의한 온수의 지속적인 가열이 이루어지므로서 고온감지센서(2)로부터 측정되는 온도값과 저온감지센서(7)로부터 측정되는 온도값이 거의 유사하게 되면, 각 센서(2)(7)로부터 신호가 전송되어 순환펌프(9)의 작동을 중지시키므로서 열매체액의 순환을 중단시키게 되며, 이와 같이 열매체액의 순환이 중단된 상태에서 고온감지센서(2)로부터 측정되는 온도값보다 저온감지센서(7)로부터 측정되는 온도값이 다시 낮아지게 되면, 순환펌프(9)가 재작동하여 열매체액의순환이 다시 이루어지게 된다.

상기와 같이 열매체액의 순환으로 인하여 "S"공급대류관(10)의 상단부에 집약된 고온수가 실내의 난방에 적합한 온도로 가열된 상태에서 실내에 설치된 보일러스위치(14)를 온(ON)시키게 되면, 실내의 난방코일(15)과 연결된 순환펌프(17)가 작동되므로서 온수공급관(13)을 통하여 실내의 난방코일(15)로 온수가 유동하여 난방이 이루어지게 되고, 이와 같이 난방에 사용된 온수는 난방회수관(16)과 삼방전자밸브(18) 및 보조회수관(19)을 통하여 "R"환수대류관(12)으로 유입된다.

상기와 같이 "R"환수대류관(12)으로 유입되는 온수는 초기 난방시 많은 열에너지를 실내 난방에 소비하고 그 온도가 비교적 낮은 상태로 유입되는 데, 이러한 경우는 "R"환수대류관(12)을 통하여 유입된 온수가 그 대류작용에 의하여 축열탱크(5)로 공급되므로서 태양열에 의하여 재가열되지만, 지속적인 난방으로 인한 실내의 온도상승으로 "R"환수대류관(12)을 통하여 유입되는 온수의 온도가 축열탱크(5)에 저장된 온수의 온도보다 높게 될 경우에는, "R"환수대류관(12)을 통하여 유입된 온수가 그 대류작용에 의하여 축열탱크(5)로 공급되지 않고 온수저장탱크(11)측으로 공급되므로서, 축열탱크(5) 내부의 온도상승을 방지하여 태양열에 의한 지속적인 온수의 가열이 가능하게 된다.

상기와 같이 태양열에 의한 난방을 지속적으로 수행하는 과정에서 "S"공급대류관(10)의 내부온도가 난방을 할 수 없을 정도의 저온으로 떨어지게 되면, 보조난방온도센서(10b)가 이 온도를 감지하여 보조보일러(20)와 삼방전자밸브(18)를 작동시키므로서, 난방회수관(16)으로부터 보조회수관(19)으로 통하는 관로를 차단시킴과 동시에 난방회수관(16)의 관로가 S"공급대류관(10)의 상단부와 직접적으로 연결되도록 하며, 난방을 위하여 모자라는 열량 만큼은 보조보일러(20)가 작동되어 S"공급대류관(10)의 내부에 저장된 온수만을 난방에 필요한 온도로 가열시키는 보조보일러(20)에 의한 난방싸이클이 이루어지게 된다.

즉, 난방에 필요한 온도가 45℃라고 할 경우, 태양열을 흡수할 수 없는 야간과 같은 시간에 "S"공급대류관(10)의 상단부 온도가 45℃ 이하로 떨어지게 되더라도 온수저장탱크(11)에 저장되는 온수의 온도는 약 40℃ 정도가 될 뿐만 아니라, 주간동안 축열탱크(5)와 온수저장탱크(11)에 저장된 열에너지가 소실됨이 없이 각각의 대류관(10)(12)을 통한 대류작용에 의하여 "S"공급대류관(10)의 상단부로 열에너지가 지속적으로 집약되므로서, 보조보일러(20)에 의한 난방시에도 "S"공급대류관(10)의 상단부 온도를 장시간 동안 40℃ 정도로 유지시킬 수 있게 되며, 이로 인하여 보조보일러(20)로서 약 5℃ 정도만 온수를 가열시켜 주면 난방에 필요한 온수를 지속적으로 공급할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 난방에 필요한 100%의 온도중 "S"공급대류관(10)의 상부에는 태양열에 의하여 70 ~ 90%정도의 온도로 가열된 온수가 항상 저장되기 때문에 나머지 10 ~ 30%에 해당하는 온도만큼만 보조보일러(20)로서 가열하여 그 모자라는 열량을 보충하면 되고, 보조보일러(20)에 의하여 가열되는 온수의 량 또한 축열탱크(5)와 온수저장탱크(11)에 저장된 온수 전체량이 아닌 난방에 필요한 최소한의 양만큼만 가열시키도록 하므로서, 보조보일러(20)에 의한 온수의 가열부하를 현저하게 낮추어 줄 수 있을 뿐만 아니라 보조보일러(20)의 과도한 운전으로 인한 에너지의 낭비또한 방지할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 보조보일러(20)에 의한 난방을 수행하는 과정에서 축열탱크(5)의 내부온도는 그 대류작용으로 인하여 매우 낮아진 상태로 유지되므로서 집열기(1)로부터 태양열을 흡수할 수 있는 조건이 되는 즉시 태양열을 빠르게 흡수하여 태양열에 의한 온수의 실질적인 가열이 이루어지게 되며, 이로 인하여 온수저장탱크(11)의 온도가 다시 상승하여 S"공급대류관(10)의 상단부에 저장된 고온수가 난방에 적합할 정도로 가열되면, 보조난방온도센서(10b)가 이 온도를 감지하여 보조보일러(20)의 작동을 중시시킴과 동시에 삼방전자밸브(18)에 의하여 난방회수관(16)과 보조회수관(19)의 관로를 연통시키므로서 태양열에 의한 난방이 다시 이루어지게 되는 것이다.

도 3은 본 발명에 의한 보일러시스템을 급탕싸이클에 적용시킨 상태를 나타내는 배관도로서, 도시되어 있는 바와 같이 냉수공급관(22)을 통하여 공급되는 냉수가 S"공급대류관(10)의 내부에 설치된 열교환코일(10a)을 유동하는 과정에서 S"공급대류관(10)에 저장된 고온수의 열을 회수하여 1차적으로 가열된 다음, 이와 같이 가열된 온수가 삼방전자밸브(23)와 유입관(24a)을 통하여 급탕저장탱크(24)의 내부에 저장된다.

상기와 같이 급탕저장탱크(24)의 내부에 저장된 온수는 그 내부로 S"공급대류관(10)의 선단부에 저장된 고온수가 유동하는 가열코일(25)에 의하여 2차로 가열되므로서 급탕에 적합한 온도의 온수로 가열되며, 이와 같이 가열된 온수는 급탕공급관(24b)을 통하여 온수가 필요로 하는 장소로 공급되고, 급탕의 가열에 사용되어그 온도가 저하된 온수는 가열코일(25)로부터 온수회수관(25b)을 통하여 "R"환수대류관(12)의 상부로 다시 공급되며, 상기 난방싸이클의 설명에서 언급되어진 바와 같이 "R"환수대류관(12)의 상부로 유입된 온수는 그 온도에 따른 대류현상으로 온수저장탱크(11) 또는 축열탱크(5)로 선택적으로 공급되어 재가열된다.

상기와 같은 급탕저장탱크(24)의 온수가열 또한, 태양열을 흡수하여 가열된 "S"공급대류관(10)의 고온수가 열교환코일(10a)을 통하여 "S"공급대류관(10)의 내부를 통과하는 냉수를 1차적으로 가열하여 급탕저장탱크(24)에 공급하므로서 "S"공급대류관(10)에 집약된 태양열을 급탕저장탱크(24)에 1차적으로 전달하게 되고, "S"공급대류관(10)의 상단부에 저장된 고온수가 가열코일(25)의 내부를 유동하면서 급탕저장탱크(24)의 내부 온수를 2차적으로 가열시키므로서 "S"공급대류관(10)에 집약된 태양열을 급탕저장탱크(24)에 2차적으로 전달할 수 있게 되며, 가열코일(25)에서 온수의 가열에 사용되어 그 온도가 낮아진 온수가 온수회수관(25b)과 "R"환수대류관(12)을 통하여 축열탱크(5) 또는 온수저장탱크(11)로 회수되어 태양열에 의한 실질적인 가열이 다시 이루어지는 태양열에 의한 급탕싸이클이 되는 것이다.

상기와 같이 태양열에 의한 급탕이 이루어지는 과정에서는 급탕공급관(24b)으로 온수가 공급되어 유속감지스위치(30)가 온(ON)상태로 세팅되더라도 보조보일러(20)는 작동하지 않게 되며, 급탕저장탱크(24)에 저장된 온수가 급탕을 할 수 없을 정도의 온도로 낮아지게 되면, 급탕저장탱크(24)에 설치된 급탕온도센서(26)가 온도설정치를 감지하여 삼방전자밸브(23)를 작동시키므로서, "S"공급대류관(10)의열교환코일(10a)로부터 유입관(24a)으로 통하는 관로를 차단시킴과 동시에 급탕배관(27)을 통하여 보조보일러(20)로 연결되는 관로를 개방하게 되며, 이로 인하여 냉수공급관(22)으로 공급되는 냉수가 S"공급대류관(10)의 열교환코일(10a)을 거치면서 1차로 가열되고, 이와 같이 1차 가열된 온수가 급탕배관(27)을 통하여 보조보일러(20)에 내장된 열교환코일(20a)을 거치면서 2차로 가열되어 급탕공급관(24b)으로 공급되므로서 보조보일러(20)에 의한 급탕싸이클이 작동하게 된다.

상기와 같이 보조보일러(20)에 의한 급탕이 이루어지는 과정에서는 급탕공급관(24b)으로 온수가 공급되어 유속감지스위치(30)가 온(ON)상태로 세팅될 경우에만 보조보일러(20)가 작동되고, 수도꼭지나 밸브를 잠그므로서 급탕공급관(24b)으로 온수가 공급되지 않을 경우에는 유속감지스위치(30)가 오프(OFF)상태로 세팅되어 보조보일러(20)의 작동이 중지되며, 급탕저장탱크(24)에 저장된 온수가 급탕을 할 수 있을 정도의 온도로 다시 상승하게 되면, 급탕온도센서(26)가 온도설정치를 감지하여 삼방전자밸브(23)를 작동시키므로서, "S"공급대류관(10)의 열교환코일(10a)로부터 유입관(24a)으로 통하는 관로를 개방하여 태양열에 의한 급탕이 다시 이루어지게 되는 것이다.

상기와 같이 본 발명에 따른 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템은 열매체액에 의하여 흡수된 태양열을 축열탱크(5)와 온수저장탱크(11) 및 "S"공급대류관(10)에 저온과 고온으로 분리하여 순차적으로 저장할 수 있게 되므로서, 집열기(1)에서 흡수된 태양열이 축열탱크(5)의 내부에 저장된 저온수를 지속적으로 가열시킬 수 있도록 하고, 태양열에 의하여 충분히 가열된 고온수만을 난방과급탕에 선택적으로 사용할 수 있게 되며, 이로 인하여 태양열을 온수의 가열에 실질적이고도 효과적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 태양열에 의한 온수의 가열효율 또한 높은 수준으로 향상시킬 수 있게 되고, 축열탱크(5)로부터 온수저장탱크(11)로의 지속적인 온수공급을 통하여 난방과 급탕에 필요한 온수의 량을 충분하게 확보할 수 있게 되는 것이다.

특히, "S"공급대류관(10)과 급탕저장탱크(24)에 저장된 온수의 온도가 난방과 급탕에 적합하지 않을 정도로 낮아진 경우에만 보조보일러(20)를 선택적으로 작동시키도록 하고, 보조보일러(20)에 의하여 가열되는 온수는 태양열로부터 흡수된 열에너지가 대류상승에 의하여 온수저장탱크(11)를 거쳐 "S"공급대류관(10)의 상부로 지속적으로 보충 전달되는 상태에서 보조보일러(20)로는 그 모자라는 열량만큼만 보충 가열시키도록 함과 동시에, 보조보일러(20)에 의하여 가열되는 온수의 량 또한 축열탱크(5)와 온수저장탱크(11)에 저장된 온수의 전체량이 아닌 난방과 급탕에 필요한 최소한의 양만큼만 집중적으로 가열시키도록 하므로서, 보조보일러(20)의 작동에 따른 에너지의 낭비와 보조보일러(20)의 가열부하를 최소화시키면서도 난방과 급탕에 필요한 온수를 지속적으로 공급할 수 있게 되는 것이다.

상기와 같이 본 발명에 따른 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템은, 열매체탱크로 열매체액을 유입시키는 과정에서 열매체액에 함유된 에어를 자동적으로 제거시킴과 동시에 순환펌프가 집열기측으로 열매체액을 밀어주는 식으로 재공급할 수 있도록 하므로서, 열매체액이 순환되는 배관의 내부에서 에어가 정체되는 현상을 방지할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인하여 열매체액의 원활한 순환에 따른 온수의 효과적인 가열을 이루어 냄과 동시에 배관 내부의 에어를 일일이 제거시키는 번거러운 작업과 배관의 파열 현상을 미연에 방지하여 보일러시스템의 반영구적인 사용을 가능하게 하는 효과가 있는 것이다.

또한, 열매체액에 의하여 가열된 온수를 저온수와 고온수로 분리하여 저장할 수 있게 되므로서, 집열기에서 흡수된 태양열로서 저온수를 지속적으로 가열시킴과 동시에 태양열에 의하여 충분히 가열된 고온수만을 난방과 급탕에 선택적으로 사용할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인하여 태양열을 온수의 가열에 실질적이고도 효과적으로 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 야간이나 우천시 보조보일러의 가동으로 인한 태양열의 이용효과 저하를 방지하고 태양열에 의한 온수의 가열효율을 높은 수준으로 향상시킬 수 있는 효과가 있는 것이다.

특히, "S"공급대류관과 급탕저장탱크에 저장된 온수의 온도가 난방과 급탕에 적합하지 않을 정도로 낮아진 경우에만 보조보일러를 선택적으로 작동시켜 그 모자라는 열량만 보충하도록 하고, 보조보일러에 의하여 가열되는 온수의 양 또한 난방과 급탕에 필요한 최소한의 양만을 집중적으로 가열시키도록 하므로서, 보조보일러의 작동에 따른 에너지의 낭비와 보조보일러에 의한 가열부하를 최소화시키면서도 난방과 급탕에 필요한 온수를 지속적으로 공급할 수 있는 효과가 있는 것이다.

Claims (1)

1. 태양열 집열기(1)로부터 연장되는 열매체액의 공급라인(1a)이 축열탱크(5)의 내부에서 열교환기(4)를 형성하고, 이 열교환기(4)로부터 태양열 집열기(1)로 연장되는 열매체액의 회수라인(1b)에는 순환펌프(9)가 설치된 것에 있어서,

   상기 열매체액의 공급라인(1a)과 회수라인(1b)에는 고온감지센서(2)와 저온감지센서(7)가 각각 설치되고 그 회수라인(1b)상에는 열매체액을 저장하는 열매체탱크(8)가 상기 순환펌프(9)와 함께 설치되며,

   상기 축열탱크(5)는 그 일측 상부에 연결되는 "S"공급대류관(10)과 그 타측 하부에 연결되는 "R"환수대류관(12)에 의하여 온수저장탱크(11)의 상,하측과 각각 연결 설치되고, 그 "S"공급대류관(10)의 상단부는 온수저장탱크(11)보다 높은 위치까지 연장되어 실내의 난방코일(15)과 보조보일러(20)에 각각 연결 설치되며,

   상기 난방코일(15)로부터 "S"공급대류관(10)으로 연장되는 난방회수관(16)에는 순환펌프(17)와 삼방전자밸브(18)가 설치되고, 그 삼방전자밸브(18)로부터 보조회수관(19)이 연장되어 상기 "R"환수대류관(12)의 하측부로 연결 설치되며,

   상기 "S"공급대류관(10)에는 냉수공급관(22)이 그 내부에 열교환코일(10a)을 형성하면서 "S"공급대류관(10)의 상부로 연장되어 그 단부측에 급탕저장탱크(24)와 상기 보조보일러(20)로 각각 연결되는 삼방전자밸브(23)가 설치되며,

   상기 급탕저장탱크(24)의 내부에는 고온수공급관(25a)과 온수회수관(25b)에 의하여 "S"공급대류관(10)과 "R"환수대류관(12)의 상단부에 각각 연결되는 가열코일(25)이 설치되고, 급탕저장탱크(24)의 일측으로 연장되는 급탕공급관(24b)에는 상기 보조보일러(20)로부터 연장되는 급탕배관(27)과 유속감지스위치(30)가 연결 설치되며,

   상기 "S"공급대류관(10)과 급탕저장탱크(24)에는 해당 삼방전자밸브(18)(23)의 작동을 제어하는 온도센서(10b)(26)가 설치되는 것을 특징으로 하는 태양열을 이용한 난방급탕 보일러시스템.