KR101049451B1 - 수축열조를 이용한 태양열 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수축열조를 이용한 태양열 시스템에 관한 것으로, 본 발명은, 태양열을 집열하는 집열기의 집열기 순환배관과 태양열 축열조 순환배관을 통해 연통되어, 평일 또는 휴일에 태양열이 저장되는 태양열 축열조; 상기 집열기 순환배관과 수축열조 순환배관을 통해 연통되어, 휴일에 태양열이 비축되는 수축열조; 상기 수축열조와 일측이 연통되고, 타측이 열교환기 순환배관을 통해 부하측 순환배관과 연통되어, 난방/온수 부하 또는 냉방/냉수 부하의 요구 시 상기 수축열조에 저장된 물을 열교환시키는 열교환기; 상기 수축열조 순환배관에 일측이 연통되고, 타측이 상기 부하측 순환배관과 연통되어, 냉방/냉수 부하의 요구 시 상기 집열기의 집열된 태양열을 구동 열원으로 하여 냉수를 생산하는 흡수식 냉동기; 및 상기 태양열 축열조와 연통되어 평일에 상기 태양열 축열조를 통해 유입된 물을 급탕시키는 보일러;를 포함한다.
본 발명에 의하면, 공공기관 및 업무용 건물 등에 적용되어 평일의 경우 태양열 축열조에 태양열을 저장하여 사용하다가, 난방/온수 부하 또는 냉방/냉수 부하가 필요 없는 휴일(주말 포함)의 경우에는 저장하고 남는 태양열을 수축열조에 비축함으로써, 태양열을 집열할 수 없는 경우 또는 휴일에서 근무요일 전화시점에 비축열을 효율적으로 냉난방 및 급탕에 활용 가능하며, 태양열 냉난방 운전 시간의 단축효과를 획득할 수 있는 효과가 있다. 또한, 동절기 야간 때 기온이 동파 온도까지 저하되더라도 집열한 열을 이용하여 배관 등의 동파를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 직접 디지털 제어 방식을 활용하여 태양열 시스템의 자동 제어가 가능하므로 신뢰성 있고, 운전 현황을 알 수 있으며, 스케줄 제어 및 냉/온수 제어 등에 적용이 가능한 효과가 있다.

Description

수축열조를 이용한 태양열 시스템{SOLAR HEAT SYSTEM USING WATER STORAGE TANK}
본 발명은 수축열조를 이용한 태양열 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양열에 의해 집열된 열을 바로 이용하거나, 비축한 열을 이용하여 효율적인 온/난방, 온/냉수 공급 및 급탕이 가능한 수축열조를 이용한 태양열 시스템에 관한 것이다.
최근, 저장량이 한정되어 있는 석유 자원에 대한 대체 에너지로 환경적 부하를 최소화시키면서 녹색산업의 필요성에 따라 태양열을 이용하여 열을 발생시키거나 집열한 후 냉/온수 시스템에 적용한 기술이 증가하고 있는 추세이다. 이러한 추세에 따라 태양열을 이용하여 냉/온수를 생산하는 시스템이 널리 상용화되고 있다.
도 1에는 종래 기술에 의한 태양열 온수시스템이 개략적인 구성도로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 태양열 온수시스템(10)은 집열기(11)를 순환하는 열매체(부동액)를 열교환기(13)를 통하여 온수용 물을 가열 가능하도록 구성된다.
즉, 상기 태양열 온수시스템(10)은 태양열을 흡수하여 순환펌프(15)에 의해 순환되는 물을 가열시키기 위해 집열기 인입배관 및 인출배관(11a, 11b)을 갖추어 옥외에 설치되는 집열기(11)와, 상기 집열기 인입배관 및 인출배관(11a, 11b)을 내부로 도관시켜 열교환이 이루어지도록 구비되는 열교환기(13)와, 상기 열교환기(13) 내측으로 축열용 인입배관(17a)과 축열용 인출배관(17b)을 도관되게 각각의 일단이 내측과 연통되되, 상기 축열용 인출배관(17b) 도중에 설치된 축열용 펌프(17c)를 통하여 순환 가능하도록 하여 상기 열교환기(13)에서 열교환이 이루어짐과 아울러 열교환된 온수를 온수용 인입배관 및 인출배관(17d, 17e)을 통하여 공급가능하게 구비되는 축열조(17)로 이루어진다.
그러나 종래의 태양열 온수시스템(10)은 온수/냉수를 사용하는 평일과 달리 휴일에는 축열조(17)에 저장된 온수의 사용량이 거의 없고, 단일 축열조(17)의 축열량에 한계가 있으므로, 흐리거나 비오는 날 또는 야간과 같이 태양열을 집열할 수 없는 경우에 시스템 활용이 비효율적인 문제점이 있었다.
이렇게, 종래의 태양열 온수시스템은 급탕 시스템 위주로 상용화되고 있으며, 운영상의 문제점이 하기와 같이 설명될 수 있다.
첫째, 태양열 냉난방 운전시간이 늦는 경우로, 여름 평일 공공기관의 경우 대략 9시부터 근무가 시작되지만, 기존 태양열 축열조(17)의 용량이 크기 때문에 흡수식 냉동기를 운전하기 위한 최저 구동 온도가 최저 오전 10시 정도가 되어야 도달 가능한 문제점이 있었다.
둘째, 휴일의 경우 남는 열을 방열시키는 경우로, 태양열 집열기 및 부대기기의 고장을 방지하고자 95℃ 이상에서는 방열기를 사용하여 잉여 열을 사용하지 못하고 방열시켜 비효율적인 문제점이 있었다.
셋째, 겨울철 동파방지를 위해 부동액 시스템을 사용하는 경우로, 상기 부동액 시스템은 유지 보수가 난해하고, 집열기 회로가 열교환 방식으로 구비됨에 따라 태양열 축열조의 온도가 대략 2℃ 정도 저하되므로 집열기 축열량을 최대로 활용하지 못하였다.
넷째, 자동제어의 구성이 미비한 경우로, 시스템을 자동으로 작동시키기 위한 자동 제어의 구성이 전기식으로 구성되므로 냉/온수 제어 등 고급 제어에 불가한 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 공공기관 및 업무용 건물 등에 적용되어 평일의 경우 태양열 축열조에 태양열을 저장하여 사용하다가, 난방/온수 부하 또는 냉방/냉수 부하가 필요 없는 휴일(주말 포함)의 경우에는 저장하고 남는 태양열을 수축열조에 비축함으로써, 태양열을 집열할 수 없는 경우 또는 휴일에서 근무요일 전화시점에 비축열을 효율적으로 냉난방 및 급탕에 활용 가능하며, 태양열 냉난방 운전 시간의 단축효과를 획득할 수 있게 한 수축열조를 이용한 태양열 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 동절기 야간 때 기온이 동파 온도까지 저하되더라도 집열한 열을 이용하여 배관 등의 동파를 방지할 수 있게 한 수축열조를 이용한 태양열 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 직접 디지털 제어 방식을 활용하여 태양열 시스템의 자동 제어가 가능하므로 신뢰성 있고, 운전 현황을 알 수 있으며, 스케줄 제어 및 냉/온수 제어 등에 적용이 가능한 수축열조를 이용한 태양열 시스템을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 태양열을 집열하는 집열기의 집열기 순환배관과 태양열 축열조 순환배관을 통해 연통되어, 평일 또는 휴일에 태양열이 저장되는 태양열 축열조; 상기 집열기 순환배관과 수축열조 순환배관을 통해 연통되어, 휴일에 태양열이 비축되는 수축열조;상기 수축열조와 일측이 연통되고, 타측이 열교환기 순환배관을 통해 부하측 순환배관과 연통되어, 난방/온수 부하 또는 냉방/냉수 부하의 요구 시 상기 수축열조에 저장된 물을 열교환시키는 열교환기; 상기 수축열조 순환배관에 일측이 연통되고, 타측이 상기 부하측 순환배관과 연통되어, 냉방/냉수 부하의 요구 시 상기 집열기의 집열된 태양열을 구동 열원으로 하여 냉수를 생산하는 흡수식 냉동기; 및 상기 태양열 축열조와 연통되어 평일에 상기 태양열 축열조를 통해 유입된 물을 급탕시키는 보일러;를 포함하는 수축열조를 이용한 태양열 시스템을 통해 달성된다.
본 발명에 의하면, 공공기관 및 업무용 건물 등에 적용되어 평일의 경우 태양열 축열조에 태양열을 저장하여 사용하다가, 난방/온수 부하 또는 냉방/냉수 부하가 필요 없는 휴일(주말 포함)의 경우에는 저장하고 남는 태양열을 수축열조에 비축함으로써, 태양열을 집열할 수 없는 경우 또는 휴일에서 근무요일 전화시점에 비축열을 효율적으로 냉난방 및 급탕에 활용 가능하며, 태양열 냉난방 운전 시간의 단축효과를 획득할 수 있는 효과가 있다. 또한, 동절기 야간 때 기온이 동파 온도까지 저하되더라도 집열한 열을 이용하여 배관 등의 동파를 방지할 수 있는 효과가 있다. 또한, 직접 디지털 제어 방식을 활용하여 태양열 시스템의 자동 제어가 가능하므로 신뢰성 있고, 운전 현황을 알 수 있으며, 스케줄 제어 및 냉/온수 제어 등에 적용이 가능한 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 태양열 온수시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템에서 동파 방지에 대한 플로우가 개략적으로 도시된 구성도이다.
도 5 및 도 6는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템에서 동절기 평일과 휴일(주말)에 대한 플로우가 개략적으로 도시된 구성도이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 제 1 실시예에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템에서 하절기 평일과 휴일(주말)에 대한 플로우가 개략적으로 도시된 구성도이다.
도 9는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템에서 동절기 및 하절기 휴일(주말)에서 근무 요일로 전환하는 오전에 대한 플로우가 개략적으로 도시된 구성도이다.
이하 도면을 참고하여 본 발명의 수축열조를 이용한 태양열 시스템에 의한 실시예의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2에는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템의 구성이 개략도로 도시되어 있고, 도 3 및 도 4에는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템에서 동파 방지에 대한 플로우가 개략도로 도시되어 있고, 도 5 및 도 6에는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템에서 동절기 평일과 휴일(주말)에 대한 플로우가 개략도로 도시되어 있고, 도 7 및 도 8에는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템에서 하절기 평일과 휴일(주말)에 대한 플로우가 개략도로 도시되어 있고, 도 9에는 본 발명의 제 1 실시예에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템에서 동절기 및 하절기 휴일(주말)에서 근무 요일로 전환하는 오전에 대한 플로우가 개략도로 도시되어 있다.
이들 도면에 의하면, 본 발명의 수축열조를 이용한 태양열 시스템(100)은 크게 집열기(110), 태양열 축열조(120), 수축열조(130), 흡수식 냉동기(140), 열교환기(150), 보일러(160), 부하측(170) 및 제어기를 포함하여 구성되며, 상기 집열기(110)를 제외한 나머지 상기 태양열 축열조(120), 수축열조(130), 흡수식 냉동기(140), 열교환기(150), 보일러(160) 및 제어기는 실내에 설치된다.
집열기(110)는 진공관형 등이 접목되어 순환되는 물을 집열한 태양열을 통해 가열하는 역할을 하는 것으로, 건물의 옥상이나 지붕 등과 같이 집열량이 많은 실외에 설치된다.
이때, 집열기(110)는 집열기 순환배관(112)과 양측이 연통되는데, 도 2를 기준으로 집열기 인입배관(112a)과 좌측이 연통되고, 상기 집열기 인출배관(112b)과 우측이 연통되는 것이다.
그리고 집열기(110)에는 집열 온도를 감지하는 온도 센서(도면에 미도시)가 구비될 수 있으며, 상기 온도 센서를 통해 동파방지 및 흡수식 냉동기(140)의 구동 열원에 대한 온도와, 흐리거나 비오는 날 또는 야간 등과 같이 태양열을 집열하지 못하는 경우를 제어기에서 인지할 수 있다.
집열기 순환배관(112)은 집열기(110)의 내부에 위치되어 물이 유동하는 통로역할을 하는 것으로, 집열기 인입배관(112a)과 집열기 인출배관(112b)으로 구성되며, 물이 흐르면서 집열기(110)에 위치한 부분을 통과할 때, 상기 집열기(110)에 의해 집열된 태양열을 흡수하여 물에 전달하는 역할을 한다.
이때, 집열기(110)는 집열기 인입배관(112a)에 태양열 축열조(120)에서 연통된 태양열 축열조 순환배관(122)의 태양열 축열조 인입배관(122a)이 분기되고, 집열기 인출배관(112b)에 상기 태양열 축열조(120)에서 연통된 태양열 축열조 순환배관(122)의 태양열 축열조 인출배관(122b)이 분기된다.
특히, 상기 집열기 인입배관(112a)과 태양열 축열조 인입배관(122a)과의 분기 기점과, 상기 집열기 인출배관(112b)과 태양열 축열조 인출배관(122b)과의 분기 기점에 개폐 제어가 가능한 제1, 2 밸브(V1, V2)가 각각 설치된다.
그리고 태양열 축열조 인입배관(122a)은 부하측 순환배관(172)의 부하측 인입배관(172a)과 연통되고, 태양열 축열조 인출배관(122b)은 상기 부하측 순환배관(172)의 부하측 인출배관(172b)과 연통된다.
그리고 태양열 축열조 인입배관(122a)과 부하측 인입배관(172a)과의 연통 기점과, 태양열 축열조 인출배관(122b)과 부하측 인출배관(172b)과의 연통 기점에 개폐 제어가 가능한 제3, 5 밸브(V3, V5)가 각각 설치된다.
제1, 2, 3, 5 밸브(V1, V2, V3, V5)는 물을 한쪽에서 인입하게 되고, 인출시 양쪽으로 분기된 기점에서 밸브를 선택적으로 조정하여 둘 중 한쪽만 택하는 3 웨이 밸브(3-way valve)로, 제어기에 의해 해당 배관의 연결 또는 차단이 제어된다.
여기서, 제1, 2, 3, 5 밸브(V1, V2, V3, V5)는 냉/난방 부하 조건에 따라 축열조에서 방출되는 유량을 자동으로 조절하여 부하 측으로 공급되는 냉수 온도를 일정하게 유지시켜 주고, 축열 운전과 방열 운전을 운전 모드에 따라 자동으로 결정하여 시스템 흐름을 형성하는 자동밸브를 말한다.
더욱 상세히 설명하면, 제1, 2 밸브(V1, V2)는 제어기의 제어에 따라 집열기 순환배관(112)을 태양열 축열조 순환배관(122) 또는 수축열조 순환배관(132) 중 어느 하나의 배관과 선택적으로 연통 또는 차단하는 기능을 한다. 그리고 제3 밸브(V3)는 상기 제어기의 제어에 따라 태양열 축열조 인출배관(122b)과 부하측 인출배관(172b) 또는 상기 태양열 축열조 인출배관(122b)에 제1 배관(142)을 연통 또는 차단시키는 기능을 하고, 제5 밸브(V5)는 태양열 축열조 인입배관(122a)과 부하측 인입배관(172a) 또는 상기 태양열 축열조 인입배관(122a)과 열교환기 순환배관(152)을 연통 또는 차단시키는 기능을 한다.
나아가서는 제1, 2 밸브(V1, V2)의 제어를 통해 집열기 순환배관(112)과 태양열 축열조 순환배관(122)을 연통시켜 집열기(110)에서 집열한 열이 태양열 축열조(120)에 저장되게 하거나, 집열기 순환배관(122)과 수축열조 순환배관(132)을 연통시켜 집열기(110)에서 집열한 열이 수축열조(130)로 비축되게 한다.
그리고 도면에 도시되지는 않았지만, 집열기 순환배관(112) 중 집열기(110)측 내측단은 상기 집열기(110)로 집열된 열이 최대한 작동매체인 물로 전달될 수 있도록 상기 집열기(110)의 내부에 넓게 분포시키는 것이 바람직하다.
태양열 축열조(120)는 집열기(110)에서 집열한 태양열을 축열시키는 역할을 하면서, 내부에 집열기 순환배관(112)과 연통된 태양열 축열조 순환배관(122)의 앞쪽에 위치되어 낮 시간 때 비축한 열이 저장수에 저장되고, 외부로 열이 방출되지 않도록 단열재로 피복되어 실내에 설치된다.
이때, 태양열 축열조(120)는 제어기에서 셋팅된 계절별과 날짜별 및 시간대별 데이터화를 통해 동절기와 하절기, 그리고 평일과 휴일 등을 구분할 수 있으므로 태양열의 저장 시점 및 저장 여부를 타이머(도면에 미도시)를 통해 실시할 수 있다. 결국, 상기 타이머를 통해 평일 또는 휴일을 제어기에서 인지하게 되므로 평일 또는 휴일에 태양열 축열조(120)에 태양열이 저장되게 한다.
한편, 태양열 축열조(120)에 저장된 물은 평일에는 빈번하게 사용되므로 상기 태양열 축열조(120)에서만 열이 저장되지만, 휴일에는 사용량이 미비하거나 거의 없으므로 상기 태양열 축열조(120)에 먼저 열이 저장되고, 상기 태양열 축열조(120)에서 저장량의 포화 상태가 되면 그 후에 후술할 수축열조(130)에 비축된다.
더욱이, 태양열 축열조(120)와 수축열조(130)에는 온도 센서(도면에 미도시)가 더 포함될 수 있다. 즉, 상기 온도 센서는 태양열 축열조(120)와 수축열조(130)에 저장되는 물의 온도 등을 감지하므로 감지된 결과값에 따라 냉/온수의 사용이 불필요한 경우 및 냉/온수의 사용량이 설정값보다 낮은 경우 중 적어도 하나의 경우에 해당하게 되면, 부가적으로 제어기에서 휴일 상태로 인지하게 할 수 있으며, 휴일 상태로 인지되면, 태양열 축열조(120)와 수축열조(130)에 순차적으로 열을 비축할 수 있다.
그리고 태양열 축열조(120)는 저장수가 저장되는 공간과 별도의 공간으로 유입된 시수가 배관을 통해 보일러(160)로 공급되어 동절기 또는 하절기 때 급탕이 가능하다.
그리고 집열기 순환배관(112)의 집열기 인출배관(112b)과 태양열 축열조 순환배관(122)의 태양열 축열조 인출배관(122b)에는 집열량의 저하 등의 이유로 태양열 축열조(120)의 축열 온도가 저하되어 온수 사용에 지장이 있을 경우, 신속한 온수 사용을 위해 급탕할 수 있도록 집열기(110)의 물이 상기 태양열 축열조(120)를 우회 즉 바이패스(Bypass)하여 보일러(160)로 직행하도록 바이패스 배관(124)이 연통된다. 더욱이, 바이패스 배관(124)에는 3 웨이 밸브인 제6 밸브(V6)가 설치되므로 집열기 인출배관(112b)과 수축열조 인출배관(132b) 또는 상기 바이패스 배관(124) 중 어느 하나의 배관과 연통 또는 차단이 가능하다.
더욱이, 집열기(110)내 배관은 태양열 축열조(120)에 저장된 온수를 순환시켜 동파를 방지할 수 있다.(도 3 참조)
한편, 수축열조(130)에 저장된 물을 통해서도 집열기(110) 내 배관의 온도가 상승되지 않으면, 집열기(110)와 온도가 저하되는 배관의 순환수를 제1, 2 밸브(V1, V2)를 통해 집열기 순환배관(112)과 수축열조 순환배관(132) 등을 연통시켜 수축열조(130)로 드레인(drain) 시킨다. (도 4 참조)
수축열조(130)는 집열에 의해 야간이나 흐린 날 또는 비오는 날을 대비하여 태양열을 비축한 후 필요 시 부하측(170)에 공급하는 역할을 하면서, 동절기 때 집열기 순환배관(112)과 연통된 수축열조 순환배관(132)을 통해 온수가 저장되고, 하절기 때 냉동기 순환배관(141)을 통한 흡수식 냉동기(140)의 냉수가 저장되고, 외부로 열이 방출되지 않도록 단열재로 피복되어 실내에 설치되며, 수축열조 순환배관(132) 및 냉수를 생산하는 흡수식 냉동기(140)와 연통된다.
이때, 수축열조(130)는 평일에 비해 휴일이 냉/온수의 사용량이 미비하거나 거의 없고, 흐리거나 비오는 날 또는 야간에 비축열을 효율적으로 사용할 수 있도록 태양열 축열조(120)보다 열저장 용량이 큰 대용량을 선택하는 것이 바람직하다.
특히, 수축열조 순환배관(132)은 수축열조 인입배관(132a)과 수축열조 인출배관(132b)으로 구성되고, 상기 수축열조 인입배관(132a)과 수축열조 인출배관(132b)와 연통된 냉동기 순환배관(141)을 통해 흡수식 냉동기(140)와 연통된다.
즉, 수축열조(130)는 수축열조 인입배관(132a)을 통해 물이 인입되게 하고, 인입된 물은 상호 연통된 집열기 인입배관(112a)을 거친 후 집열기(110)에서 집열된 열에 의해 가열되어 온도가 상승하게 되는데, 이러한 물은 집열기 인출배관(112b)과 수축열조 인출배관(132b)을 통해 인출된 후, 폐쇄형 열교환기(150)에서의 열교환을 통해 온도가 상승되며, 열교환기 순환배관(152)을 통해 부하측 인출배관(172b)으로 인출되어 생활에 사용된다.
그리고 수축열조 인출배관(132b)에는 후술할 냉동기 순환배관(141)과 연통되면서 제1 배관(142)과의 교차 지점에 상기 냉동기 순환배관(141) 또는 상기 제1 배관(142) 또는 상기 냉동기 순환배관(141)과 상기 제1 배관(142)을 연통 또는 차단시키는 제4 밸브(V4)가 설치된다.
여기서, 상기 제4 밸브(V4)는 물을 한쪽에서 인입하게 되고, 인출시 세 쪽으로 분기된 기점에서 밸브를 선택적으로 조정하여 셋 중 한쪽만 택하는 4 웨이 밸브(4-way valve)로, 제어기에 의해 해당 배관의 연결 또는 차단이 제어된다. 이때, 제4 밸브(V4)와 냉동기 순환배관(141)에는 상기 제4 밸브(V4)와 냉동기 순환배관(141)을 연통시키는 제2 배관(144)이 개입된다.
그리고 수축열조(130)는 밀도 차에 의한 대류 현상에 의해 고온의 물은 상측으로 상승하고, 흡수식 냉동기(140)에서 생산되는 저온의 물은 하측으로 하강하게 되므로 온도의 성층(Stratification)화 현상이 발생된다.
한편, 수축열조(130)는 제어기에서 셋팅된 계절별과 날짜별 및 시간대별 데이터화를 통해 동절기와 하절기, 그리고 평일과 휴일 등을 구분할 수 있으므로 태양열의 비축 시점 및 비축 여부를 타이머(도면에 미도시)를 통해 실시할 수 있다. 결국, 상기 타이머를 통해 평일 또는 휴일을 제어기에서 인지하게 되므로 휴일에 수축열조(130)에 계절에 따라 냉온수가 비축되게 한다.
흡수식 냉동기(140)는 별도의 냉동기 순환배관(141)을 통해 수축열조(130) 및 수축열조 순환배관(132)과 연통되어 생산되는 냉수를 수축열조에 저장하고 냉방/냉수 부하의 요구 시 실내의 냉방이나 냉수 사용이 가능하도록 하며, 냉수를 부하측(170)으로 공급할 수 있도록 제1 배관(142)과 연통된다.
즉, 흡수식 냉동기(140)는 냉동기 순환배관(141)을 통해 수축열조(130) 및 수축열조 순환배관(132)과 연통되므로 상기 수축열조(130)에 냉수를 저장할 수 있으며 냉수를 부하측(170)으로 배출할 수 있다. 이때, 상기 흡수식 냉동기(140)는 하절기 때 구동에 필요한 최소 온도가 대략 80℃이다.
제1 배관(142)은 하절기 평일 또는 휴일 때 집열기(110) 및 보일러(160)를 통과한 온수를 흡수식 냉동기(140)에 공급하거나, 동절기 평일 때 집열기(110)에서 집열한 열을 수축열조(130)에 비축하기 위해 온수가 공급되는 배관이다.
열교환기(150)는 수축열조(130)와 배관을 통해 연통되면서 이와는 독립적으로 부하측 순환배관(172)과도 연통되므로 상기 수축열조(130)에 저장된 물을 열교환시켜 난방/온수 부하 또는 냉방/냉수 부하의 요구 시 설정온도로 온수화 또는 냉수화시킨다. 이때, 수축열조(130)에 연결된 배관과 열교환기 순환배관(152)은 폐쇄 형태로 구성시킨다. 그리고 열교환기 순환배관(152)은 태양열 축열조 순환배관(122)과의 인입측 분기 기점에 제5 밸브(V5)가 설치된다.
보일러(160)는 태양열 축열조(120)에 연통된 태양열 축열조 인출배관(122a)과 태양열 축열조 인출배관(122b)의 도중에 연결되어 상기 태양열 축열조(120)의 저장수 저장 공간과 별도 공간에 공급되는 시수를 가열시켜 동절기 또는 하절기 평일에 급탕이 가능하도록 한다.
부하측(170)은 제어기에서 제5, 6 밸브(V5, V6)의 작동을 제어하여 부하측 순환배관(172)을 태양열 축열조 순환배관(122)과 열교환기 순환배관(152) 중 어느 하나의 배관과 연통시킴에 따라 건물의 각 층으로 공급하는 공급 헤더[서플라이 헤더(Supply header, S/H)]와, 건물의 각 층에서 사용하고 남은 물을 회수하는 환수 헤더[리턴 헤더(Return header, R/H)]로 구성된다.
제어기는 도면에는 도시하지 않았지만, 동절기와 하절기, 그리고 평일과 휴일 등을 구분하여 동절기 또는 하절기 평일로 판단되면, 태양열 축열조(120)에 태양열을 저장하거나, 동절기 또는 하절기 휴일로 판단되면, 상기 태양열 축열조(120)에 태양열을 저장한 후 저장하고 남은 포화 열을 수축열조(130)에 비축할 수 있도록 계절별과 날짜별 및 시간대별로 데이터화하고 저장(비축) 여부를 제어한다. 이 밖에도 상기 제어기는 부하측(170)에서 난방/온수 부하가 요구되면 동절기로 판단할 수도 있고, 상기 부하측(170)에서 냉방/냉수 부하가 요구되면 하절기로 판단할 수 있는 근거가 될 수 있다.
여기서, 상기 제어기는 제1, 2, 3, 4, 5, 6 밸브(V1, V2, V3, V4, V5, V6)의 작동을 제어하면서 특히, 제어기에서 동절기 또는 하절기 휴일로 판단하게 되면, 상기 수축열조(130)의 비축열을 부하측(170)에 제공하도록 밸브의 작동 신호를 출력한다.
그리고 상기 제어기는 제1, 2, 3, 4, 5, 6 밸브(V1, V2, V3, V4, V5, V6)의 작동을 제어하여 보일러(160)의 급수, 흡수식 냉동기(140)를 통해 생산되는 냉수 및 열교환기(150)를 통해 생산되는 온수를 선택적으로 부하측(170)에 공급 또는 차단하게 한다.
그리고 제어기에는 제1, 2, 3, 4, 5, 6 밸브(V1, V2, V3, V4, V5, V6)의 작동 제어를 작업자가 수동에 의해 입력하여 ON/OFF 하거나, 프로그램을 통해 자동으로 구현하는 입력부(도면에 미도시)를 포함할 수 있다.
한편, 상기 제어기는 수축열조를 이용한 태양열 시스템(100)을 자동으로 제어하기 위해 직접 디지털 제어(Direct Digital Control, DDC) 방식을 활용할 수 있다. 이렇게 직접 디지털 제어를 통해 수축열조를 이용한 태양열 시스템(100)을 자동으로 제어하므로 신뢰성 있고, 운전 현황을 알 수 있는 자동제어로 구성할 수 있으면서 자동제어로 구성할 수 있는 스케줄 제어 및 냉/온수 제어 등에 적용이 가능하다.
그리고 집열기 인입배관(112a), 바이패스 배관(124), 인출측 냉동기 순환배관(141), 수축열조(130)와 연교환기(150)를 연결하는 배관 및 부하측 인입배관(172a) 등의 (A) 지점에는 버터플라이 또는 체크 밸브, 여과기 등을 포함하는 스트레이너(Strainer), 압력계, 온도계, 온도 센서, 플로우 스위치(Flow switch) 중 적어도 하나가 병렬 또는 직렬로 설치된다.
그러므로 본 발명에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템(100)의 작동 순서를 설명하면 다음과 같다.
(1) 동절기 동파 방지 운전
동절기 때 동파를 방지하기 위한 운전은 제1 및 제2 단계로 이루어지며, 상기 제1 단계는 집열기(110)의 온도 센서를 통해 감지되는 집열기 온도를 제어기에서 체크한 후 상기 집열기(110)와 태양열 축열조(120)의 밀폐 회로에 펌프 등으로 물을 순환시켜 상기 집열기(110)와 배관들의 동파를 방지한다.
즉, 상기 제1 단계는 도 3에 도시된 바와 같이 집열기(110)의 온도를 측정하여 대략 4℃ 정도에서 실시되게 하며, 태양열 축열조(120)에 저장된 온수를 순환시켜 상기 집열기(110) 또는 집열기 순환배관(112) 내의 온도를 상승시킨다.
이때, 상기 태양열 축열조(120)에 저장된 온수의 순환 회로는 태양열 축열조(120)와 집열기 순환배관(112) 및 집열기(110) 순으로 연속된다. 특히, 태양열 축열조(120)와 집열기 순환배관(112) 및 집열기(110)에 의한 온수의 순환 회로가 밀폐 회로로 구비되므로 전력비용이 절감되는 이점이 있다.
동절기 때 동파를 방지하기 위한 제2 단계는 도 4에 도시된 바와 같이 상기 제1 단계의 실시에도 불구하고 집열기(110) 배관 내의 온도가 저하되면 실시하게 되며, 이는 집열기(110) 및 노출된 배관의 모든 물을 수축열조(130)로 드레인 시키는 것이다.
즉, 집열기(110)의 온도가 대략 2℃에 도달하면, 제어기의 제어를 통해 제1, 7 밸브(V1, V7)를 작동시켜 집열기 순환배관(112)과 수축열조 순환배관(132)이 연통시킨 후, 연통된 상기 집열기 순환배관(112)과 수축열조 순환배관(132)을 통해 상기 집열기(110)와 배관 내의 물을 수축열조(130)로 드레인 시킨다.
이때, 동절기 운전에서 수축열조(130)에는 비축열에 의한 온수를 저장시켜 놓고 있는 상태이므로 드레인 된 물을 상기 수축열조(130) 하부로 인입시켜 물이 성층화 되게 한다.
(2) 동절기 평일 운전
동절기 평일 운전에 의한 온수의 순환 회로는 도 5에 도시된 바와 같이 집열기(110), 태양열 축열조(120), 보일러(160), 부하측(170)의 공급 헤더, 부하측(170)의 환수 헤더, 태양열 축열조(120) 및 집열기(110) 순으로 연속된다.
더욱 상세히 설명하면, 타이머 등을 통해 동절기 평일로 판단되는 경우, 제어기에서 제1, 2 밸브(V1, V2)를 제어하면서 집열기 순환배관(112)과 태양열 축열조 순환배관(122)을 연통시켜 집열기(110)에서 집열한 열이 상기 태양열 축열조(120)에 저장되게 한다.
다음으로, 태양열 축열조(120)에 저장된 온수는 보일러(160)를 거친 후 태양열 축열조 인출배관(122b)과 부하측 인출배관(172b)을 통해 부하측(170)의 공급 헤더로 공급되어 건물의 각 층으로 공급된다.
다음으로, 건물의 각 층에서 사용하고 남은 온수는 부하측(170)의 환수 헤더를 통해 회수되며, 부하측 인입배관(172b)과 태양열 축열조 인입배관(122b)을 통해 태양열 축열조(120)로 유입된 후 집열기(110)로 공급되고, 앞선 운전을 반복하게 된다.
(3) 동절기 휴일 운전
동절기 평일 운전에 의한 온수의 순환 회로는 도 6에 도시된 바와 같이 집열기(110), 태양열 축열조(120), 보일러(160), 수축열조(130) 및 집열기(110) 순으로 연속되며, 상기 집열기(110), 태양열 축열조(120), 보일러(160), 수축열조(130), 태양열 축열조(120) 및 집열기(110) 순으로 연속 실시될 수도 있다.
이때, 동절기 휴일에는 태양열 축열조(120)와 수축열조(130) 또는 상기 수축열조(130)에서 잉여 축열만 실시하므로 별도의 보일러(160) 운전은 실시하지 않으며, 상기 수축열조(130)보다 먼저 태양열 축열조(120)에서 축열을 실시하여 평일 급탕 부하를 감당하게 할 수 있다.
더욱 상세히 설명하면, 타이머 등을 통해 동절기 휴일로 판단되는 경우, 상기 제어기에서 제1, 2 밸브(V1, V2)를 제어하면서 집열기 순환배관(112)과 태양열 축열조 순환배관(122)을 연통시켜 집열한 열이 상기 태양열 축열조(120)에 먼저 비축되게 하고, 상기 태양열 축열조(120)에 비축이 완료되면 수축열조(130)에 비축되게 한다.
다음으로, 태양열 축열조(120)에 저장된 온수는 보일러(160)를 통과한 후 제4 밸브(V4)의 작동에 의해 제1 배관(142)과 제2 배관(144)이 연통되면서 수축열조(130)에 비축되게 한다.
다음으로, 수축열조(130)에 열이 비축되면서 온수 일부가 수축열조 인입배관(132a)과 집열기 인입배관(112a)을 통해 집열기(110)로 공급되고, 앞선 운전을 반복하게 된다.
(4) 하절기 평일 운전
하절기 평일 운전에 의한 온수의 순환 회로는 도 7에 도시된 바와 같이 집열기(110), 보일러(160) 및 흡수식 냉동기(140) 순으로 연속되며, 하절기 평일 운전에 의한 온수의 부하 회로는 흡수식 냉동기(140), 열교환기(150) 순으로 연속된다. 이때, 순환 회로에서의 보일러(160)는 온수 온도가 흡수식 냉동기(140)의 최소 구동 열원 온도인 약 80℃에 도달한 상태이면 작동을 생략할 수 있다.
그리고 태양열 축열조(120)는 급탕 정도의 부하만 적용시키며, 나머지는 바이패스 한다. 그리고 수축열조(130)는 저장된 냉수가 평일에 빈번히 사용되므로 별도로 축열하지 않는다.
더욱 상세히 설명하면, 하절기 평일 운전에 의한 온수의 순환 회로는 타이머 등을 통해 하절기 평일로 판단되는 경우, 제어기에서 제2, 7 밸브(V2, V7)를 제어하면서 연통된 집열기 인출배관(112b)과 바이패스 배관(124)을 통해 유입된 온수의 온도가 흡수식 냉동기(140)의 구동 열원 온도인 대략 80℃에 도달할 때 까지 보일러(160)를 작동시키며, 대략 80℃에 도달하면 상기 보일러(160)의 작동을 정지시킨다. 이때, 태양열 축열조(120)에는 보일러(160)에 유입되는 시수를 이용한 급탕 정도의 부하만 적용시키며, 나머지는 바이패스 배관(124)을 통해 바이패스 하는 것이다.
그리고 하절기 평일 운전에 의한 온수의 부하 회로는 순환 회로에 의해 순환되는 온수가 흡수식 냉동기(140)의 구동 열원으로 사용되어 생산된 냉수가 열교환기(150)에서 열교환 되면서 온도가 하강되며, 열교환기 순환배관(152)의 인출측과 부하측 인출배관(172b)을 통해 부하측(170)의 공급 헤더로 공급되어 건물의 각 층으로 공급된다.
다음으로, 건물의 각 층에서 사용하고 남은 냉수는 부하측(170)의 환수 헤더를 통해 회수되며, 제4 밸브(V4)가 작동되면서 연통된 부하측 인입배관(172b)과 열교환기 순환배관(172b)을 통해 열교환기(150) 내에서 연속적으로 열교환 되고, 열교환된 냉수가 열교환기 순환배관(172b)과 부하측 인출배관(172b)을 통해 연속 공급하도록 앞선 운전을 반복하게 된다.
(5) 하절기 휴일 운전
하절기 휴일 운전에 의한 온수의 순환 회로는 도 8에 도시된 바와 같이 집열기(110), 보일러(160: 휴일은 운전하지 않음) 및 흡수식 냉동기(140) 순으로 연속되고, 하절기 휴일 운전에 의한 냉수의 부하 회로는 흡수식 냉동기(140) 및 수축열조(130) 순으로 연속된다. 그리고 태양열 축열조(120)에서의 축열 회로는 집열기(110), 태양열 축열조(120) 및 흡수식 냉동기(140) 순으로 연속된다. 이때, 하절기 휴일에는 태양열 축열조(120)와 수축열조(130) 또는 상기 수축열조(130)에서 잉여 축열만 실시하므로 별도의 보일러(160) 운전은 실시하지 않으며, 상기 수축열조(130)보다 먼저 태양열 축열조(120)에서 축열을 실시하여 평일 급탕 부하를 감당하게 할 수 있다.
더욱 상세히 설명하면, 하절기 휴일 운전에 의한 온수의 순환 회로는 타이머 등을 통해 하절기 휴일로 판단되는 경우, 제어기에서 제2, 7 밸브(V2, V7)를 제어하면서 연통된 집열기 인출배관(112b)과 바이패스 배관(124)을 통해 유입된 온수가 흡수식 냉동기(140)의 구동 열원으로 제공된다.
이때, 태양열 축열조(120)에는 보일러(160)에 유입되는 시수를 이용한 급탕 정도의 부하만 적용시키며, 나머지는 바이패스 배관(124)을 통해 바이패스 하는 것이다.
그리고 태양열 축열조(120)에서의 축열 회로는 집열기 인출배관(112b)를 제1 밸브(V1)의 제어에 의해 태양열 축열조 인출배관(112b)과 연통시켜 태양열 축열조(120)에 집열기(110)에서 집열한 열을 저장하여 열을 확보할 수 있으며, 확보한 열을 흡수식 냉동기(140)로 보내 구동 열원으로 사용될 수 있게 한다.
다음으로, 하절기 휴일 운전에 의한 냉수의 부하 회로는 순환 회로에 의해 순환되는 온수가 흡수식 냉동기(140)의 구동 열원으로 사용되어 생산된 냉수가 수축열조(130)에 연속 저장되고, 앞선 운전을 반복하게 된다.
(6) 동절기 / 하절기 휴일에서 근무 요일로 전환하는 오전 운전
동절기/하절기 휴일에서 근무 요일로 전환하는 오전 운전에 의한 물의 순환 회로는 도 9에 도시된 바와 같이 집열기(110) 및 태양열 축열조(120) 순으로 연속되고, 이와 별도인 수축열조(130) 및 열교환기(150) 순으로 연속된다.
즉, 집열기(110)의 집열기 인출배관(112b)과 집열기 인입배관(112a)이 제1, 2 밸브(V1, V2)의 제어를 통해 태양열 축열조(120)와 연통된 태양열 축열조 인출배관(122b) 및 태양열 축열조 인입배관(122a)과 각각 연통되므로 상기 집열기(110)와 태양열 축열조(120)를 순환하는 물을 통해 집열 온도를 상승시킬 수 있다.
또한, 휴일에 비축열이 저장된 수축열조(130)와 열교환기(150)가 배관을 통해 연통되므로 비축열이 저장된 물을 상기 수축열조(130)와 열교환기(150)를 순환하게 된다.
한편, 집열기(110) 측 집열 온도가 설정 온도로 상승하면 수축열조(130)에 비축열을 저장하는 과정을 중지한 후 제어기에서 동절기 평일 운전 또는 하절기 평일 운전 모드로 전환되게 제어한다.
그러므로 본 발명에 의한 수축열조를 이용한 태양열 시스템(100)은 하절기와 동절기 냉난방 전환에 따른 운전이 상이하고, 하절기와 동절기 운전에 있어 평일과 휴일 운전이 상이하고, 평일 운전의 경우 모든 집열기 축열은 부하측에 사용되게 구성하고, 휴일 운전의 경우 모든 집열기 축열은 수축열조에 저장되게 구성하고, 휴일 운전의 경우 행사 등으로 집열이 필요한 경우에는 수동 운전시 수축열조에서 자동제어 절환으로 부하측으로 가게 하며, 평일과 휴일 운전을 분리하여 안정적으로 설비운영을 수행할 수 있으므로 이에 따라 효율적인 냉난방 및 급탕에 활용 가능, 태양열 냉난방 운전 시간의 단축, 겨울철 동파 방지 및 자동제어가 가능한 효과가 있으며, 특히, 태양열 냉난방 운전 시간의 단축에 대해 설명하면 다음과 같다.
현행 태양열 축열조는 용량이 약 10~30톤으로 과대하여 온도 증가시간이 오래 걸리며, 이를 해소하기 위해 집열기 온도를 안정적으로 부하측에 보낼 정도의 축열조로 소형화 시킴에 따라 감소된 물량 만큼 빠른 온도상승을 기대할 수 있다.
그리고 하절기 때 흡수식 냉동기의 구동에 필요한 최소 온도(약 80℃ 일 경우)를 맞추기 위해 구동 온도보다 낮은 온도(약 60℃ 일 경우)에서 온도 상승을 위한 관류 보일러를 설치 및 구동시킨 후 열교환 함으로써 구동 온도를 맞출 수 있다.
그리고 동절기 난방 및 급탕에 필요한 온도인 약 60℃ 미만인 경우 보일러를 구동시켜 즉시 난방 및 급탕에 이용할 수 있도록 한다.
그리고 휴일 수축열조에 저장된 냉수(여름), 온수(겨울)를 휴일에서 평일로의 전환시점인 월요일 또는 공휴일에서 근무요일 아침에 가동시켜 태양열 이용 효율을 증가시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 수축열조를 이용한 태양열 시스템 110: 집열기
112: 집열기 순환배관 120: 태영열 축열조
122: 태양열 축열조 순환배관 130: 수축열조
132: 수축열조 순환배관 140: 흡수식 냉동기
141: 냉동기 순환배관 142: 제1 배관
144: 제2 배관 150: 열교환기
152: 열교환기 순환배관 160: 보일러
170: 부하측 172: 부하측 순환배관

Claims (5)

  1. 태양열을 집열하는 집열기의 집열기 순환배관과 태양열 축열조 순환배관을 통해 연통되어, 평일 또는 휴일에 태양열이 저장되는 태양열 축열조;
    상기 집열기 순환배관과 수축열조 순환배관을 통해 연통되어, 휴일에 태양열이 비축되는 수축열조;
    상기 수축열조와 일측이 연통되고, 타측이 열교환기 순환배관을 통해 부하측 순환배관과 연통되어, 난방/온수 부하 또는 냉방/냉수 부하의 요구 시 상기 수축열조에 저장된 물을 열교환시키는 열교환기;
    상기 수축열조 순환배관에 일측이 연통되고, 타측이 상기 부하측 순환배관과 연통되어, 냉방/냉수 부하의 요구 시 상기 집열기의 집열된 태양열을 구동 열원으로 하여 냉수를 생산하는 흡수식 냉동기; 및
    상기 태양열 축열조와 연통되어 평일에 상기 태양열 축열조를 통해 유입된 물을 급탕시키는 보일러;를 포함하며,
    동절기 평일 운전에서의 물의 순환 회로는,
    상기 집열기, 태양열 축열조, 보일러, 부하측의 공급 헤더, 부하측의 환수 헤더, 태양열 축열조 및 집열기 순으로 연속되는 것을 특징으로 하는 수축열조를 이용한 태양열 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 태양열 시스템에 의한 동절기 휴일 운전에서의 물의 순환 회로는,
    상기 집열기, 태양열 축열조, 수축열조 및 집열기 순으로 연속되는 것을 특징으로 하는 수축열조를 이용한 태양열 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 태양열 시스템에 의한 하절기 평일 운전에서의 물의 순환 회로는 상기 집열기, 보일러 및 흡수식 냉동기 순으로 연속되며,
    하절기 평일 운전에 의한 물의 부하 회로는 흡수식 냉동기 및 열교환기 순으로 연속되는 것을 특징으로 하는 수축열조를 이용한 태양열 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 태양열 시스템에 의한 하절기 휴일 운전에서의 물의 순환 회로는 상기 집열기 및 흡수식 냉동기 순으로 연속되고,
    하절기 휴일 운전에 의한 물의 부하 회로는 상기 흡수식 냉동기 및 수축열조 순으로 연속되며,
    상기 태양열 축열조에서의 축열 회로는 집열기, 태양열 축열조 및 상기 흡수식 냉동기 순으로 연속되는 것을 특징으로 하는 수축열조를 이용한 태양열 시스템.
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