KR101186913B1 - 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어장치 - Google Patents

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KR101186913B1
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이운용
최병진
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주식회사 지지에이치엔
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Abstract

본 발명은 온도센서를 이용하여 정해진 실내온도를 일정하게 유지하면서 온도차이로 인한 에너지 손실을 최대로 줄일 수 있는 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다. 이를 위해, 전열히터(170)가 내장된 온수탱크(180); 온수탱크(180)와 연결되어 온수를 공급하는 온수순환펌프(190); 온수순환펌프(190)와 연결되는 열교환부(220); 열교환부(220)의 일측에 구비되는 송풍팬(140); 송풍팬(140)의 회전속도를 제어하는 인버터(120); 실내온도센서(130) 및 열교환부(220)의 출구측에 설치된 리턴수온센서(230); 실내온도센서(130) 및 리턴수온센서(230)의 신호에 기초하여 송풍팬(140)과 전열히터(170)를 제어하는 제어부(100)를 포함한다.

Description

전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어장치{Indoor temperature control device using electric heater}
본 발명은 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 온도센서를 이용하여 정해진 실내온도를 일정하게 유지하면서 온도차이로 인한 에너지 손실을 최대로 줄일 수 있는 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어장치 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 농업, 공업, 공공장소, 주거시설 등에서 사용되는 실내 난방을 위한 난방부하 제어장치(공기조화기)는 온도센서가 실내온도를 측정하여 동작이 이루어진다. 이를 위해서는 실내온도를 검출하기 위한 온도센서, 온도제어기, 발열장치, 그리고 발열된 열기를 송풍하기 위한 열교환 송풍기 등으로 이루어진다.
도 1은 종래의 온수를 이용한 실내 난방 온도 제어시스템의 개략적인 흐름도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 우선, 온도제어기에서 실내온도를 설정하고 동작이 시작되면 온도센서가 실내온도를 측정하여 설정온도와의 차이를 산출한다(S100). 이렇게 산출된 온도차가 설정온도 보다 하한값 미만인 경우 별도의 센서를 이용하여 온수의 온도를 체크한다(S110). 만약, 체크된 온수의 온도가 설정온도 미만인 경우에는 전열히터를 이용하여 온수를 가열한다(S120). 그리고 설정온도 이상인 경우 온수순환펌프와 송풍모터를 가동시킨다(S130).
도 1과 같은 종래의 난방 온도 제어 시스템은 실내온도에 기초하여 발열장치의 발열량과 송풍기의 ON/OFF 동작여부가 결정된다. 따라서, 종래의 실내온도 제어장치는 설정온도를 정확히 추종하는 것이 아니라 허용오차범위(예 : ±2℃)내에서 동작이 이루어졌다(예 : 설정값 +2℃에서 발열장치가 OFF되고, -2℃에서 ON되는 방식). 그런데 난방하고자 하는 장소(예 : 비닐 하우스 등)에 따라 난방부하의 변화가 크고, 외부의 온도 외란이 악영향을 미치곤 했다. 이에 따라 실내 난방 온도 제어장치가 빈번하게 ON/OFF 동작되어 불필요한 에너지의 낭비가 있었다.
더욱이, 전열히터와 같은 발열체는 실내온도에 따라 발열장치에 공급되는 전력의 비례제어가 가능하나 열교환장치까지 비례제어를 실시하여 변화되는 난방부하에 따라 완벽하게 온도편차가 발생하지 않는 난방 시스템은 없었다. 즉, 실내온도가 낮아져서 발열체가 비례적으로 발열을 하더라도 열교환장치가 이에 무관하게 동작하기 때문에 실내온도는 설정온도를 조금 더 초과하게 되거나 설정온도 보다 낮은 상태로 되는 동작이 반복된다.
따라서, 실내설정온도를 정확히 추종하면서 에너지 낭비를 최소로 줄일 수 있는 실내 난방 온도제어장치의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 특허 공개번호 제 2001-35221 호
본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 임의의 실내 설정온도와 측정된 실내온도의 차이에 비례하여 전열히터를 제어하고, 열교환장치에서 송풍되는 열교환량을 정확히 제어할 수 있는 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 전열히터가 온수를 가열하여 열교환이 이루어지도록 하는 방식을 제안하여 최적의 온도제어와 최고의 에너지 효율을 갖는 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 그 밖에 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 관련되어 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 명확해질 것이다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 본 발명의 일 실시예로서,
전열히터(170)가 내장된 온수탱크(180);
온수탱크(180)와 연결되어 온수를 공급하는 온수순환펌프(190);
온수순환펌프(190)와 연결되는 열교환부(220);
열교환부(220)의 일측에 구비되는 송풍팬(140);
송풍팬(140)의 회전속도를 제어하는 인버터(120);
실내온도센서(130) 및 열교환부(220)의 출구측에 설치된 리턴수온센서(230); 및
실내온도센서(130) 및 리턴수온센서(230)의 신호에 기초하여 송풍팬(140)과 전열히터(170)를 제어하는 제어부(100)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어장치에 의해 달성될 수 있다.
그리고, 제어부(100)는 리턴수온센서(230)의 신호에 기초하여 인버터(120)를 제어함으로써 송풍팬(140)의 회전속도를 가변시킬 수 있다.
또한, 제어부(100)는 실내온도센서(130)의 신호에 기초하여 온수순환펌프(190), 송풍팬(140), 또는 전열히터(170)의 ON/OFF 동작을 제어할 수 있다.
온수순환펌프(190)는 온수탱크(180)의 입구측 또는 출구측에 설치되는 것이 바람직하다.
아울러, 제어부(100)와 전열히터(170) 사이에는 전열히터(170)에 공급되는 전력을 제로크로싱 및 위상 제어하는 전력제어기(160)가 더 구비되는 것이 더욱 바람직하다.
뿐만 아니라, 열교환부(220)는 팬코일 유닛인 것이 가장 바람직하다.
상기와 같은 본 발명의 목적은, 본 발명의 또 다른 카테고리로서, 제어부(100)가 실내온도센서(130)를 이용하여 실내온도를 측정하는 단계(S300);
측정된 실내온도가 실내설정온도 미만인 경우, 제어부(100)가 온수순환펌프(190), 송풍팬(140) 또는 전력제어기(160)를 동작시키는 단계(S320, S330, S340);
리턴수온센서(230)가 온수탱크(180)로 리턴되는 온수(185)의 온도를 측정하는 단계(S350);
제어부(100)가 리턴수온센서(230)의 측정 온도에 기초하여 인버터(120)를 제어함으로써 송풍팬(140)의 회전속도를 가변시키는 단계(S360);
전열히터(170)에 의해 가열된 온수(185)가 온수순환펌프(190)에 의해 열교환부(220)로 공급되는 상태에서, 송풍팬(140)의 가변되는 회전속도에 의해 난방에 필요한 열량을 공급하는 단계(S370);를 포함하는 것을 특징으로 하는 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어방법에 의해 달성될 수 있다.
그리고, 동작단계(S340)는, 제어부(100)가 측정된 실내온도에 기초하여 전열히터(170)와 연결된 전력제어기(160)를 제어하는 단계를 포함하는 것이 더욱 바람직하다.
그리고, 가변단계(S360)는 실내설정온도와 측정된 실내온도 사이의 차이를 이용한 비례제어, 비례미분제어, 비례적분제어, 비례적분미분제어중 하나에 의해 제어되는 것이 바람직하다.
따라서, 설명한 바와 같이 본 발명의 일실시예에 의하면, 설정온도와 측정된 실내온도의 차이에 비례하여 전열히터를 제로크로싱 제어 및 위상제어를 하여 온수를 가열하고, 생산된 온수를 열교환장치에서 난방부하에 따른 열교환 실시 후 온수의 온도를 측정하여 이후 난방 부하에 따른 열교환량을 연속적(실시간)으로 제어할 수 있다. 따라서, 설정온도를 편차없이 정확히 구현할 수 있고, 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어 졌지만, 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다른 다양한 수정 및 변형이 가능한 것은 당업자라면 용이하게 인식할 수 있을 것이며, 이러한 변경 및 수정은 모두 첨부된 특허 청구 범위에 속함은 자명하다.
도 1은 종래의 온수를 이용한 실내 난방 온도 제어시스템의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 실내 난방 온도 제어시스템의 구성도이다.
도 3은 도 2의 시스템을 이용한 제어방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 종래시스템과 본 발명의 비교시험을 통한 시간대별 전력 사용량 그래프이다.
도 5는 종래시스템과 본 발명의 비교시험을 통한 일일 전력 사용량 그래프이다.
도 6a 및 도 6b는 종래시스템의 난방시 하우스 온도변화 그래프이다.
도 6c는 본 발명에 따른 시스템의 난방시 하우스 온도변화 그래프이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있는 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세하게 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 도면 전체에 걸쳐 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용한다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고, 간접적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 포함한다는 것은 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
< 실시예의 구성>
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 실내 난방 온도 제어시스템의 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 온수탱크(180)의 내부에는 온수(185)가 저장되고, 하부에는 전열히터(170)가 내장되어 있다.
전력제어기(160)는 제어부(100) 및 전열히터(170)와 전기적으로 연결되어 있다. 이러한 전력제어기(160)는 전열히터(170)에 공급되는 전력을 제로크로싱 및 위상제어하여 발열량을 제어할 수 있도록 한다.
열교환부(220)는 팬코일 유닛과 같은 열교환 기능을 수행한다. 즉, 열교환부(220)의 내부로는 온수가 흐르도록 구성되고, 주변에는 다수의 방열핀(미도시)이 형성되어 있다.
온수탱크(180)와 열교환부(220) 사이에는 뜨거운 온수가 공급되는 공급라인(200) 및 식혀진 온수가 되돌아오는 리턴라인(210)으로 폐루프를 구성한다. 특히 리턴라인(210)에는 리턴온수센서(230)가 설치되어 리턴되는 온수의 온도를 측정할 수 있다. 온수순환펌프(190)는 공급라인(200)측에 설치되어 폐루프상의 온수 순환을 일으킨다.
송풍팬(140)은 열교환부(220)의 앞면 또는 후면 등에 설치되어 강제 송풍에 의한 열전달이 이루어지도록 한다. 이러한 송풍팬(140)의 회전속도는 인버터(120)에 의해 가변적으로 제어되며, 인버터(120)는 제어부(100)로부터 제어지령을 받는다.
실내온도센서(130)는 난방하고자 하는 실내공간중 임의위치에 설치되어 실내온도를 측정한다.
제어부(100)는 앞서 설명한 구성부품과 연결되어 전체 시스템의 ON/OFF 동작과 제어를 총괄한다. 이러한 제어부(100)는 마이컴이나 PC, 태블릿 PC 또는 스마트폰 등으로 구현할 수 있다. 제어부(100)는 실내온도센서(130)와 리턴수온센서(230)의 측정된 온도값 및 설정온도값 등을 표시할 수 있는 별도의 디스플레이(예 : LCD 또는 세븐 세그먼트 다이오드 등)를 구비한다.
< 실시예의 제어방법>
도 3는 도 2의 시스템을 이용한 제어방법을 나타내는 흐름도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 우선, 실내온도센서(130)가 실내온도를 측정한다(S300).
제어부(100)는 측정된 실내온도가 실내설정온도 미만인 경우(S310), 온수순환펌프(190), 송풍팬(140) 및 전력제어기(160)를 동작(ON)시킨다(S320, S330, S340).
온수순환펌프(190)가 동작되면 온수탱크(180)내의 온수(185)는 난방부하에 따른 실내온도의 변화에 따라 최대 80℃ 정도로 가열되어 공급라인(200)을 통해 열교환부(220)를 지난 후 리턴라인(210)을 통해 다시 온수탱크(180)로 귀환한다(S320).
송풍팬(140)이 회전하기 시작하면 열교환부(220)를 지나면서 뜨거운 온풍(225)으로 변환되어 실내로 공급된다.
그리고, 전력제어기(160)는 전열히터(170)에 제로크로싱 및 위상제어를 통하여 전력을 공급하여 전열히터(170)를 가변 발열시킨다.
이러한 순환 사이클이 동작되는 과정에서 리턴수온센서(230)는 리턴라인(210)의 온도를 측정한다(S350). 제어부(100)는 리턴수온센서(230)의 측정 온도에 기초하여 인버터(120)를 제어함으로써 송풍팬(140)의 회전속도를 가변시킨다(S360). 즉, 송풍팬(140)은 제어부(100)에 의해 가동 여부가 결정되고, 인버터(120)에 의해 회전속도가 제어된다. 이때, 리턴수온센서(230)의 가변되는 저항값(10 ~ 20 ㏀) 및 전류신호가 직접 인버터(120)에 입력되어 1 ~ 3,770 rpm 범위내에서 송풍팬(120)을 동작시킬 수도 있다.
그 다음, 전열히터(170)에 의해 가열된 온수(185)가 온수순환펌프(190)에 의해 열교환부(220)로 공급되는 상태에서, 송풍팬(140)의 가변되는 회전속도에 의해 난방부하에 필요한 열량을 공급한다(S370). 따라서, 실내온도가 설정온도 보다 낮을 경우 전열히터(170)의 가열량이 많아지고 이로 인하여 온수의 온도가 올라가면 송풍팬(140)의 속도는 빨리 회전하게 된다. 또한, 실내온도가 높아서 시스템이 정지되기 전까지는 전열히터(170)가 뜨겁게 가열되고 송풍팬(140)이 느리게 돌거나, 전열히터(170)가 중간온도로 가열되고 송풍팬(140)이 빨리 도는 상태가 될 수도 있다.
특히, 동작단계(S340)에서, 제어부(100)는 측정된 실내온도에 기초하여 전열히터(170)와 연결된 전력제어기(160)를 비례 제로크로싱 제어 및 위상제어를 한다. 반면, 송풍팬(140)은 외기를 유입하는 것이 아니라 실내공기를 순환시키면서 온풍을 만드는 것이므로 리턴라인(210)의 온도가 피드백 센서로서 작용할 수 있게 된다.
특히, 사람, 동식물등 생명이 있는 실내환경에서는 고온의 센바람이 아닌 실내온도 보다 약간 따뜻한 바람을 난방부하에 따라 지속적으로 열교환량을 조절하여 공급함으로써 열을 가지고 있는 공기가 실내의 공기와 쉽게 섞이고 이로 인하여 식물이 겪는 온도변화의 스트레스를 최소화할 수 있다.
<시험 데이터 분석>
시험에 사용된 기본 데이터로서, 외기온도는 -15℃, 실내 설정온도는 20℃, 맑은 날씨이며 시설 하우스의 면적은 1,980㎡(800평)으로 하였다. 제 1 종래시스템은 전기와 경유 온수보일러 장치로서, 전기온수보일러의 용량은 70 KW 1대, 경유온수보일러는 2대를 구비하여 총 3대이다. 온수보일러의 수온설정은 80℃이며, 설정온도편차 1℃에 따른 전체 부하 ON/OFF 제어를 수행하였다.
제 2 종래시스템은 수온열 히트펌프로서 지하수를 이용하는 전기 72KW의 히트펌프 냉난방기이다. 그리고 설정온도편차 1℃에 따른 난방 ON/OFF 제어를 수행하였다.
본 발명의 시스템은 70KW의 전기온수 보일러이다. 설정온도편차없이 난방 부하에 따른 전열히터의 전력 PID 제어를 수행하였으며, 설정온도 이상시 시스템 OFF 제어를 수행하였다.
도 4는 종래시스템과 본 발명의 비교시험을 통한 시간대별 전력 사용량 그래프이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 시간의 경과(수평축)에 따른 전력 사용량(수직축)이 그래프로 표시되어 있다. "전기&경유"는 제 1 종래시스템이고, "히트펌프"는 제 2 종래시스템이며, "온도유지시스템"은 본 발명이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명이 제 1, 2 종래시스템에 비해 전력사용량이 작음을 알 수 있다. 이는 본 발명의 에너지 사용량이 가장 적음을 입증하는 것이다.
도 5는 종래시스템과 본 발명의 비교시험을 통한 일일 전력 사용량 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이 제 1 종래시스템("전기&경유")은 1,250 KW의 전력을 사용하고, 제 2 종래시스템("히트펌프")은 810 KW의 전력을 사용하였음에 반해, 본 발명("온도유지시스템")은 754 KW의 적은 전력을 사용하였음을 알 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 종래시스템의 난방시 하우스 온도변화 그래프이고, 도 6c는 본 발명에 따른 시스템의 난방시 하우스 온도변화 그래프이다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 제 1 종래시스템("전기&경유")과 제 2 종래시스템("히트펌프")은 설정온도에 대해 온도편차가 큰 것을 알 수 있다. 반면, 도 6c의 본 발명은 설정온도와의 온도편차가 매우 작은 것을 확인할 수 있다.
이상 종합하면, 본 발명은 제 1, 2 종래시스템에 비해 사용 전력량은 훨씬 작음에도 불구하고, 난방 부하에 따른 실내 온도 유지 성능은 더욱 뛰어나다는 것을 입증할 수 있었다.
100 : 제어부,
120 : 인버터,
130 : 실내온도센서,
140 : 송풍팬,
160 : 전력제어기,
170 : 전열히터,
180 : 탱크,
185 : 온수,
190 : 온수순환펌프,
200 : 공급라인,
210 : 리턴라인,
220 : 열교환부,
225 : 온풍,
230 : 리턴수온센서.

Claims (9)

  1. 전열히터(170)가 내장된 온수탱크(180);
    상기 온수탱크(180)와 연결되어 상기 온수를 공급하는 온수순환펌프(190);
    상기 온수순환펌프(190)와 연결되는 열교환부(220);
    상기 열교환부(220)의 일측에 구비되는 송풍팬(140);
    상기 송풍팬(140)의 회전속도를 제어하는 인버터(120);
    실내온도센서(130) 및 상기 열교환부(220)의 출구측에 설치된 리턴수온센서(230);
    상기 실내온도센서(130) 및 상기 리턴수온센서(230)의 신호에 기초하여 상기 송풍팬(140)과 상기 전열히터(170)를 제어하는 제어부(100); 및
    상기 제어부(100)와 상기 전열히터(170) 사이에 구비되어 상기 전열히터(170)에 공급되는 전력을 제로크로싱 및 위상 제어하는 전력제어기(160);를 포함하고,
    상기 제어부(100)는 상기 리턴수온센서(230)의 저항값 및 전류 신호에 기초하여 상기 인버터(120)를 제어함으로써 상기 송풍팬(140)의 회전속도를 가변시키고,
    상기 제어부(100)는 상기 실내온도센서(130)의 신호에 기초하여 상기 온수순환펌프(190), 상기 송풍팬(140), 및 상기 전열히터(170)의 ON/OFF 동작을 제어하는 것을 특징으로 하는 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어장치.
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  4. 제 1 항에 있어서, 상기 온수순환펌프(190)는 상기 온수탱크(180)의 출구측또는 입구측에 설치되는 것을 특징으로 하는 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어장치.
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  6. 제 1 항에 있어서, 상기 열교환부(220)는 팬코일 유닛인 것을 특징으로 하는 전열히터를 이용한 실내 난방 온도 제어장치.
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