KR100802261B1 - 태양열 난방 및 급탕용 축열조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열을 이용한 난방 및 급탕 일체형 보일러에 관한 것으로서, 구체적으로는 태양열 집열기와 연결된 축열조에 관한 것이다. 이를 위하여 본 발명에서는 축열조의 내부에 급탕용 열교환기 및 난방용 디스트리뷰터, 그리고 태양열 열교환을 위한 스파이럴 코일 타입의 축열 열교환기를 설치하였다. 이렇게 함으로써 종래의 태양열 보일러에서 한 단계 발전하여 난방의 효율적인 이용을 가능케 할 뿐 아니라 소비자의 사용 측면에는 온수이용 시간을 단축하고 더욱 편리하게 온수를 사용하게 되었다. 이러한 구조적인 일련의 장치를 내장한 본 발명은 태양열의 이용을 더욱 효율적으로 하여 화석연료를 절감하게 되는 특징이 있다.

태양열축열조, 디스트리뷰터, 보일러, 열교환기, 난방

Description

태양열 난방 및 급탕용 축열조{heat storage tank for solar energy heating}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 태양열 난방 시스템의 전체적인 구성을 보여주고 있는 도면.
도 2는 도 1에서 도시하고 있는 축열조의 구성을 구체적으로 나타낸 도면.
도 3a는 도 2에서 도시하고 있는 환수온도가 높을 경우 디스트리뷰터의 동작상태를 보여주고 있는 도면.
도 3b는 도 2에서 도시하고 있는 환수온도가 낮을 경우 디스트리뷰터의 동작상태를 보여주고 있는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 축열조와 종래기술의 축열조의 온도 특성을 보여주고 있는 도면.
도 5는 통상적인 평판형과 진공관형 태양열 집열기의 효율 곡선을 보여주고 있는 그래프.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 태양열 난방 시스템 12: 집열기
14: 축열조 16: 제1축열 열교환기
18: 바이패스 밸브 20: 제2축열 열교환기
22: 디스트리뷰터 24: 구멍
26: 급탕 열교환기 28: 난방구역

본 발명은 태양열 난방 시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 축열조의 내부에 디스트리뷰터를 설치하여 태양열의 축열 효율을 높이면서 난방을 효율적으로 이용할 수 있는 태양열 난방용 축열조에 관한 것이다.
잘 알려진 바와 같이, 태양열을 이용한 난방기는 태양열의 복사열을 집열판으로 집열하고 이 집열된 열을 축열조에 저장하고, 축열된 에너지를 난방 및 급탕에 이용하는 구조로 되어 있다. 통상적으로 축열을 위해서는 축열조의 하단부에 열교환기를 설치하며, 난방을 위해서는 축열조의 물을 그데로 이용하며, 급탕은 별도의 분리된 열교환기를 통하여 급탕을 이용하였다.
한편, 이와 같은 태양열 보일러의 축열조에 있어서 급탕용 코일은 대부분 축열조의 상부에 설치되고 난방용 배관은 축열조의 최상단에 설치하며 난방환수 배관은 축열조의 하단 또는 중단에 설치하는 경우가 많다. 난방환수 배관을 축열조의 하단에 설치하면 탱크로 환수되는 난방수의 온도가 높을 때는 축열조 하단에 설치된 축열 열교환기에 열적 영향을 미쳐 축열효율을 떨어뜨리는 문제가 있고, 난방환수 배관이 상부에 설치된 제품은 난방 환수되는 물이 저온일 경우 이 물을 직접 하부의 축열 열교환기층으로 보내면 시스템의 효율을 높일 수 있으나 상층에서 하층으로의 밀도 순환 과정에서 환수배관 이하단의 정체층의 온도에 영향을 미침으로써 시스템의 축열 효율을 떨어뜨리게 된다. 일부 제품에서는 이러한 난방환수부의 구조를 디퓨즈(Diffuser)형상으로 설계하여 환수위치에서 축열조 내부의 물 온도에 따라 환수되는 물의 순환이 상방향, 혹은 하방향으로 효율적으로 순환시키는 구조를 택했다.
그러나, 이러한 종래의 축열조는 환수되는 물의 온도에 따라 축열조의 성층화 현상에 역행하여 물을 희석시키는 결과를 초래하므로 저온 동작에서 효율이 높은 태양열 축열부에 좋지 않은 영향을 미쳤다. 또한 일체형 보일러의 경우는 축열조의 크기가 대형으로(통상, 500리터~3000리터) 설계되므로 급탕 이용시 유효 온도(통상, 40℃ 이상)를 얻기 위해서는 축열조 전체를 데워야 하는 불편한 점이 있었다.
부가적으로, 태양열 보일러의 특성상 환수되는 물이 축열조의 상부 및 하부에 선택적으로 공급되는 것이 태양열 축열부의 효율을 높일 수 있으며, 즉 도 5에 도시한 바와 같이 통상 태양열 집열기의 효율을 높이기 위해서는 태양열 열교환기의 온도를 저온에서 운전할수록 유리하다.
다시 말해서, 리턴수의 온도가 축열조의 온도와 비슷한 동일 밀도층으로 리턴시키면 태양열 축열 및 급탕 이용시 효율을 높일 수 있다. 이러한 원리 때문에 종래에는 리턴배관에 디퓨즈를 설치하여 최적분배될 수 있도록 하였으나, 이는 리턴수가 저온일 경우에는 리턴되는 위치 하단의 물과 희석되어야 한다는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 리턴되는 물의 밀도에 따라 최적층으로 직접 리턴시킬 수 있는 구조로 태양열 축열의 효율을 높이고 급탕 이용면에서도 유리하여 전체적인 보일러 시스템의 효율을 높일 수 있는 디스트리뷰터를 설치한 태양열 난방용 축열조를 제공함에 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 축열조내에 제1축열 열교환기 및 제2축열 열교환기를 설계하여 태양열 에너지를 축열조에 저장함에 있어 축열조의 온도에 따라 상부의 국소부위만 선택적으로 선행 축열함으로써 최초 급탕이용 가능 시간을 대폭단축하여 급탕성능을 높인 제품을 제공함에 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 축열조는 상부를 국소 가열할 수 있는 열교환기로 축열조의 온도에 따라 유효온도 미만에서는 축열 열교환부가 축열조 내부의 상부의 일정 공간만을 국소 축열 할 수 있는 보일러 시스템을 제시하고자 한다.
또한, 본 발명은 도 4에 도시한 바와 같이 급탕 능력 면에 있어서도 종래의 축열조에 비하여 3배 이상 빠른 급탕을 할 수 있으며, 이로 인해 소비자의 만족도를 높일 수 있다. 뿐만 아니라 유효온도 미만에서는 보조열원을 가열해야 하는데 이렇게 설계함으로써 보조열원의 가동 시간을 단축시켜 에너지를 더욱 절감할 수 있는 특징이 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 의거 상세히 설명하겠는 바, 상기 본 발명이 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
{실시예 1}
도 1에 도시한 바와 같이, 본 고안의 보일러 시스템(10)은 집열기(12), 축열조(14), 제1,2 축열 열교환기(16,20), 디스트리뷰터(22), 급탕 열교환기(26), 태양열 보일러 제어부(30)로 구성된다.
상기 집열기(12)는 태양열의 복사열을 집열하여 열매체를 가열하는 장치이고, 축열조(14)는 상기 집열기(12)에 의해 가열된 열매체를 축열하여 온수난방에 이용할 수 있도록 한다. 상기 축열조(14)의 내부에는 상기 열매체를 이용하여 축열조(14)의 내부에 충진되어 있는 물을 가열하는 2개의 축열 열교환기가 설치되는데, 상기 축열 열교환기는 스파이럴 코일 타입으로 제작된다.
즉, 상기 축열조(14)의 상부에는 제1축열 열교환기(16)가 설치되고, 하부에는 제2축열 열교환기(20)가 설치된다. 또한 상기 축열조(14)의 내부 상측에는 급탕 열교환기(26)가 설치되며, 상기 급탕 열교환기(26)는 축열조(14)의 내부에 충진된 물로 원수를 가열시켜 샤워기 등으로 배출시키는 역할을 한다. 이때 상기 제1,2 축열 열교환기(16,20) 사이에는 바이패스 밸브(18)가 설치되며, 상기 밸브(18)는 집열기(12)에 의해 가열된 열매체가 제2 축열 열교환기(20)를 통과하지 않고 곧바로 제1축열 열교환기(16)로 공급될 수 있도록 한다.
특히, 전술한 축열조(14)의 내부 중앙에는 디스트리뷰터(distributor: 22)가 설치되며, 리턴되는 물의 밀도에 따라 최적층으로 직접 리턴시켜 태양열 축열의 효율을 최대한 높일 수 있도록 하였다. 즉, 도 2에 도시한 바와 같이 상기 디스트리뷰터(22)는 기다란 파이프 형태로 형성되고, 축열조(12)의 중앙에 설치되며, 일정한 간격을 유지하면서 구멍(24)들이 형성된다. 이때 상기 구멍(24)은 4~10개 정도가 바람직하다.
이와 같은 구조에 따라, 상기 디스트리뷰터(22)는 도 3a에 도시한 바와 같이 난방구역(28)을 통과한 환수(리턴되는 물)의 온도가 높을 경우에는 디스트리뷰터(22)의 상측에 형성된 구멍(24)을 통해서 리턴된 물이 배출되고, 상기 환수온도가 낮을 경우에는 도 3b에 도시한 바와 같이 디스트리뷰터(22)의 하측에 형성된 구멍(24)을 통해서 리턴된 물이 배출된다. 이러한 동작에 따라 리턴되는 물의 밀도에 따라 최적층으로 직접 리턴되어 태양열 축열의 효율이 높아지게 되며 보조열원의 가동을 절약할 수 있게 된다.

이상으로 살펴본 바와 같이, 본 발명은 태양열 축열의 효율을 높이고 급탕 이용 면에서도 유리하여 전체적인 보일러 시스템의 효율을 높일 수 있으며, 또한 난방을 효율적으로 이용할 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 태양열의 복사열을 집열하여 열매체를 가열하는 집열기와, 상기 집열기에 의해 가열된 열매체를 축열하여 온수 난방에 이용할 수 있도록 하는 축열조로 구성된 태양열 난방 시스템에 있어서,

   상기 축열조의 내부 일측으로는 상기 열매체를 이용하여 축열조의 내부에 담겨져 있는 물을 가열하는 제1 축열 열교환기 및 제2 축열 열교환기가 상/하부에 설치되며;

   상기 축열조의 내부 타측으로는 축열조의 내부에 담겨진 물로 원수를 가열시키기 위한 급탕 열교환기가 설치되며;

   상기 축열조의 내부 중앙에는 상기 난방과 축열조로 순환되는 물의 밀도에 따라 상기 물을 최적층으로 순환시켜 태양열 축열의 효율을 높이기 위한 디스트리뷰터가 설치됨을 특징으로 하는 태양열 난방용 축열조.
2. 제1항에 있어서,

   상기 디스트리뷰터에는 환수의 온도에 따른 최적분배가 가능하도록 길이방향으로 구멍들이 일정한 간격으로 형성됨을 특징으로 하는 태양열 난방용 축열조.
3. 제2항에 있어서,

   상기 디스트리뷰터는 하단부에 환수용 배관이 설치되고, 길이는 상기 축열조의 길에 상당하고, 관경은 상기 환수용 배관의 3배 정도이며, 상기 디스트리뷰터의 일측에 환수용 배관경과 동일한 정도의 구멍이 4~10정도 형성됨을 특징으로 하는 태영열 난방용 축열조.
4. 제1항에 있어서,

   상기 축열 열교환기는 상기 축열조의 온도특성에 따라 국부 축열이 가능함을 특징으로 하는 태양열 난방용 축열조.
5. 제4항에 있어서,

   상기 축열 열교환기는 상기 축열조의 상부에 이르는 제1축열 열교환기와, 상기 축열조의 하부에 이르는 제2축열 열교환기로 구성되며, 상기 축열조의 온도에 따라 제어되는 바이패스 밸브가 설치됨을 특징으로 하는 태양열 난방용 축열조.

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