KR101370071B1 - 에너지 절감 기능을 갖는 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치에 관한 것으로, 특히 태양열을 주 에너지원으로 하기 위해 블라인더형으로 설치한 집열기와, 상 변화물질을 사용하는 집열체를 구비하여 전기 에너지의 사용을 최소화함과 동시에 필요한 시간대와 필요한 장소에 사용이 용이하도록 하는 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치에 관한 것이다. 구성은 태양 에너지를 흡수하여 열로서 모으는 집열기와, 상기 집열기와 연결되어 집열된 열을 흡수하여 잠열과 비열 형태로 저장하여 필요한 시간대에 열을 제공하도록 하는 집열체를 포함하여 이루어지는 난방장치에 있어서, 상기 집열기는 외 측에 형성되고 대류 열 손실을 방지하기 위한 진공 유리관과, 상기 진공 유리관 내에 형성되어 일사의 흡수를 신속, 용이하게 하고 집열체에 열 손실 없이 고르게 전달하기 위해 열 전도성이 우수한 알루미늄으로 형성되는 집열수단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

에너지 절감 기능을 갖는 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치{Heating apparatus using passive solar heating with energy save function}

본 발명은 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치에 관한 것으로, 특히 태양열을 주 에너지원으로 하기 위해 블라인더형으로 설치한 집열기와, 상 변화물질을 사용하는 집열체를 구비하여 전기 에너지의 사용을 최소화함과 동시에 필요한 시간대와 필요한 장소에 사용이 용이하도록 하는 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치에 관한 것이다.

일반적으로 난방장치는 기름 또는 가스 연료 등의 화석 연료를 이용하거나, 최근에는 화석 연료 가격의 상승과 공해 문제 등으로 인해 솔라 히팅(solar heating)을 이용한 난방장치의 보급이 확대되고 있다.

그리고, 패시브 솔라 히팅(passive solar heating)에서는 태양 에너지를 사용하는데 있어 전기 에너지로 바꾸는 과정을 거치지 않고 바로 사용하는 것으로서, 창문, 벽, 바닥 등이 태양 에너지를 수집, 저장하여 열의 형태로 방출하여 난방을 하는 기술이다.

이는 액티브 솔라 히팅과는 달리 전기적인 장치와 기계적인 장치를 필요로 하지 않는다.

이 기술을 사용하는데 있어서 중요한 것은 기후뿐만 아니라 유리에 적용되어 빛의 흡수 및 열 효율을 높이는 글래이징(Glazing) 기술, 열을 저장하는 집열체(Thermal mass), 열이 낭비되지 않게 하는 단열재 등이 고려되어야 한다.

그러나, 종래의 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치는 집열되는 태양 열이 외부로 바로 반사 등에 의해 쉽게 빠져나가게 되어 열 흡수 효율이 좋지 않고, 또 집열기에서 획득한 열을 일시적으로만 저장할 수 있기 때문에 태양열을 획득하는 시간대와 획득된 태양열을 공급하는 시간대가 차이가 클 경우, 열손실이 커 태양열 에너지를 효율적으로 사용하지 못해 효율이 저하되는 문제점이 있었다.

또한, 집열기에서 획득한 열을 필요한 시간대에 원활하게 공급하기 위해서는 집열체 또는 축열조를 수납하거나 온도 유지를 위한 별도의 전기 에너지 또는 기계실이 필수적으로 요구되므로 전기 에너지의 사용 의존도가 높고, 기계실 설치를 위한 추가 비용이 소요됨은 물론 기본적으로 난방장치의 구성 자체가 복잡하고, 구성요소가 많은 만큼 고장 가능성도 함께 높아지는 문제점이 있다.

또한, 종래의 솔라 히팅 즉, 태양 열을 이용한 난방장치는 복잡한 구성으로 인해 비용이 비싸고, 한 곳에 고정될 수밖에 없는 구조로 형성되므로 사용할 수 있는 장소의 제한이 있기 때문에 그 효용 가치가 현저히 떨어지는 문제점이 있다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 전기 에너지에 대한 의존도를 최소화함과 동시에 수집된 태양 에너지를 필요한 시간대에 원활하게 사용하도록 하는 에너지 절감 기능을 갖는 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 난방장치의 구성을 단순화시켜 제조 및 설치비용을 획기적으로 낮추도록 함과 동시에 분리 가능한 구조로 형성하여 다양한 장소에서 사용 가능하도록 하는 에너지 절감 기능을 갖는 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 태양 에너지를 흡수하여 열로서 모으는 집열기와, 상기 집열기와 연결되어 집열된 열을 흡수하여 잠열과 비열 형태로 저장하여 필요한 시간대에 열을 제공하도록 하는 집열체를 포함하여 이루어지는 난방장치에 있어서, 상기 집열기는 외 측에 형성되고 대류 열 손실을 방지하기 위한 진공 유리관과, 상기 진공 유리관 내에 형성되어 일사의 흡수를 신속, 용이하게 하고 집열체에 열 손실 없이 고르게 전달하기 위해 열 전도성이 우수한 알루미늄으로 형성되는 집열수단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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상기 집열기는 집열체에 결합시, 보다 효율적인 집열을 위해 복수 개를 병열 형성하여 블라인드 형태를 이루도록 설치하는 것을 특징으로 한다.

상기 진공 유리관은, 내주 면에 태양 빛이 투과되어 진공부에 들어설 때 빛을 굴절시키는 복수의 굴절부를 형성하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 전기 에너지에 대한 의존도를 최소화함과 동시에 수집된 태양 에너지가 충전된 집열체를 필요한 시간대에 원하는 장소에서 원활하고 효율적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 난방장치의 구성을 단순화시켜 제조 및 설치비용을 획기적으로 줄이고, 집열기와 집열체를 탈부착 가능한 구조로 형성함에 따라 장시간 태양 빛과 접할 수 있는 장소에 설치하여 집열 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 태양의 위치에 상관없이 항상 많은 양의 태양 빛을 집열기에 집중되도록 함으로써 진공유리관의 에너지 흡수 효율성을 향상시킴은 물론 태양 빛에 의한 복사열을 보다 효율적으로 흡수할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 난방장치의 일부 분리 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 도 1의 결합 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 A-A선 요부 단면 상태를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 난방장치의 사용 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 에너지 절감 기능을 갖는 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 보다 구체적으로 설명한다.

여기서, 하기의 모든 도면에서 동일한 기능을 갖는 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 반복적인 설명은 생략하며, 아울러, 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이것은 고유의 통용되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.

도 1 내지, 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명의 난방장치(100)는, 집열기(110)와 집열체(120)로 대별되어 이루어진다.

상기 집열기(110)는 태양 에너지를 흡수하여 열로 모으는 장치로서, 외 측에는 대류 열 손실을 방지하기 위한 진공 유리관(111)이 형성되고, 상기 진공 유리관(111) 내에는 일사(내리쬐는 햇빛)의 흡수를 신속, 용이하게 하고 상기 집열체(120)에 열손실 없이 고르게 전달하기 위해 열 전도성이 우수한 금속재질로 형성되는 집열수단(112)이 형성된다.

상기 집열수단(112)은 열 전도성이 우수한 금이나 은과 같은 다양한 금속재료를 사용할 수도 있으나 가격과 집열 효율 등 여러 가지를 고려하여 예컨대, 알루미늄으로 형성함과 동시에 특히 신속한 열 흡수 및 열 전달을 위해 파이프 형태로 형성하였다.

즉, 일사의 흡수, 전달하는 상기 집열수단(112)을 알루미늄으로 형성하는 것은 열전도도가 높은 다른 금속에 비해 가격이 저렴하면서도 열전도 또한 높은 장점이 있기 때문이다.

상기 집열기(110)의 종류는, 한점 또는 한 선에 태양 에너지를 모으고 집열 온도가 높으며, 태양의 이동에 따라서 태양을 추적(追跡)하는 기능이 있는 집광형(集光型)과, 방열(放熱)을 막기 위해 측면(側面)이나 이면(裏面)에 유리섬유(Glass fiber) 등의 단열재로 단열한 집열기 내부에 금속판을 배치해 표면을 강화유리 등으로 커버(Cover)한 것으로 구성이 되어 있는 평판형(平板型)과, 용도에 따른 수(水)식 집열기 및 집열부분이 관 모양으로 된 경질진공유리관의 내부에 열교환부가 배치되게 구성이 되어 있는 진공관형(眞空管型) 등이 있다.

본 발명에서는 상기한 여러 가지의 집열기 중, 특별히 제한하지는 않으나, 패시브 솔라 히팅(수동 태양열 방식 : passive solar system) 즉, 특별한 기계 장치를 사용하지 않고 집열기와 집열체 자체의 성능에 의해 열의 흐름을 자연스럽게 제어하여 집열, 축열, 방열, 열반송 등을 적절하게 할 수 있도록, 부피가 작고 집열의 효율이 좋아 블라인드(blind)형 난방장치에 적합한 태양 집열기의 일사 흡수 부분을 진공 유리관 내에 밀봉한 집열기로서, 대류 열손실이 없기 때문에 고온으로 집열해도 집열 효과의 저하가 적은 진공 유리관형 집열기(evacuated tubular solar collector, 眞空-管形集熱器)를 사용하는 것이 바람직하다.

또, 상기 진공 유리관(111)은, 내주 면에 태양 빛이 투과되어 진공부에 들어설 때 빛을 굴절시키는 복수의 굴절부(미도시)를 형성할 수도 있다.

상기 굴절부는 내측을 향해 돌출된 삼각형 또는 마름모나 반구형 등으로 형성되어 일출이나 일몰과 같이 낮은 부분에서 빛이 투입되어도 상기 굴절부를 통해 빛이 굴절되도록 함으로써, 상기 집열수단(112)에 복사열을 집중하여 전달할 수 있게 된다.

또한, 상기 집열수단(112)의 하단부는 예컨대, 수나사를 형성하여 상기 집열체(120)와의 결합시 탈부착을 용이하게 하였다.

이때, 상기 집열수단(112)의 하단부는 상기 집열체(120)에 충전된 상 변화 재료와 충분히 접촉하는 형태로 결합 되는 것이 상 변화재료에 신속하고 용이한 열전달을 위해 바람직하다.

여기서, 상기 집열수단(112)의 결합 방식은 하나의 예로서 설명한 것이고, 탈부착이 용이한 것이라면 나사결합뿐만 아니라 다양한 결합방식을 채용할 수 있음은 물론이다.

그리고, 상기 집열기(110)는 집열체(120)에 결합시, 보다 효율적인 집열을 위해 복수 개를 병열 형성하여 블라인드 형태를 이루도록 설치하는 것이 바람직하다.

또, 상기 진공 유리관(111)도 걸림 턱이나 여러 결합 형태로 형성하여 상기 집열체(120)와 탈부착을 용이하게 이룰 수 있는 구조로 형성되는 것이 바람직하다.

이와 같은 결합구조나 방식은 일반적으로 행하여지는 여러 형태가 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

상기 집열체(Thermal mass)(120)는, 개략 패널 형태로 형성되고 내부에는 상변화물질(相變化物質, Phase-change Material)인 잠열재(蓄熱材)가 충전되며, 상면으로는 상기 집열기(110)와의 결합을 위한 암나사(121)와 결합 홈(122)이 길이 방향으로 복수 형성된다.

상기 암나사(121)는 상기 집열기(110)의 집열수단(112)의 하단부에 형성된 수나사와 결합을 위해 형성된 것이고, 상기 암나사(121)의 바깥 측으로 위치하는 결합 홈(122)은 상기 진공 유리관(111)과의 결합을 위해 형성된 것이다.

이에 따라, 상기 집열기(110)와의 탈부착이 용이하여 집열이 완료된 후에는 집열체(120)를 분리하여 다양한 장소로 이동시켜 난방을 위해 사용할 수 있다.

상기 암나사(121)와 결합된 집열기(110)의 집열수단(112)을 분리한 후에는 별도의 캡(130)을 이용하여 밀봉함으로써, 집열체(120)의 내부에 충전된 잠열재의 열손실을 방지함과 동시에 다른 장소로 이동하여 사용할 수 있게 되는 것이다.

또, 상기 패널 형태로 형성되는 집열체(120)는 내부에 충전되는 상 변화물질인 잠열재를 가두기 위한 구조로 형성됨과 동시에 그 외 측으로는 집열된 태양열의 손실을 방지하기 위해 보온재(미도시)를 형성하는 것이 바람직하다.

이에 따라, 상기 집열기(110)에 의해 집열된 태양 열에 의해 가열된 잠열재의 열 에너지를 잠열로 저장한 후, 상기 집열기(110)로부터의 열 에너지 공급이 중단된 후에도 상기 잠열재의 잠열 상 변화 한계시간 동안 상승된 온도를 크게 하강됨 없이 유지할 수 있는 것이다.

또한, 상기 상 변화물질은, 처음에 고체 - 액체 - 고체로 상 변화시 수반되는 잠열을 이용하여 열을 저장하는 것으로서, 낮에는 상기 집열기(110)를 통해 집열된 태양열을 이용하여 녹는점에서 고체에서 액체로 상 변화를 하면서 잠열을 저장해두었다가, 저녁이 되면서 온도가 내려가 어는 점에서 다시 액체에서 고체로 상 변화가 일어나면서 저장해 두었던 잠열을 방출하면서 열을 내게 하는 것이다.

즉, 상 변화물질이 열을 흡수함에 따라서 이들의 온도는 상승한다. 그러나, 상 변화 물질이 상이 바뀌는 온도(그들의 녹는점)에 도달하면, 큰 온도 상승 없이 많은 양의 열을 흡수한다. 액체 물질을 둘러싼 주변 온도가 떨어지면, 상 변화물질은 그 저장된 잠열을 방출하면서 응고한다.

이와 같은 상 변화물질은 물, 석조, 또는 바위와 같은 종래의 저장 물질보다 단위 부피당 약 5 내지 14 배 더 많은 열을 저장할 수 있다.

상 변화물질은 크게 두 개의 카테고리로 분류될 수 있다: (왁스, 야채 추출물, 폴리에틸렌 글리콜(polyethylene glycol)과 같은) 유기 화합물들; 및 (글라우버의 염(Glauber's salt)과 같은) 염-기반 제품들이다.

가장 일반적으로 사용되는 상 변화물질은 염 수화물(salt hydrate), 지방산, 에스테르, 및 다양한 (옥타데칸(octadecane)과 같은) 파라핀이다. 최근에는, 이온성 액체 또한 상 변화물질로 알려져 있다.

그리고, 이들의 물리적 속성들은 잘 알려져 있으므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.

또, 집열체(120)에는 예를 들면, 열선 등으로 이루어지고, 집열체(120) 내에 충전된 상 변화물질인 잠열재의 온도가 녹는점 아래로 내려가지 않도록 방지하기 위한 보조적인 전열기구인 히터(124)가 형성된다.

즉, 상기 히터(124)는 전류를 통하여 열을 발생하기 위한 도선으로 본 발명에서는 상 변화물질(재료)(Phase-change Material)인 잠열재의 온도가 녹는점 이하로 내려가 원하는 시간대 이전에 열이 발생하는 것을 방지하기 위한 보조적인 장치로서, 최소한의 전기 사용으로 전기 에너지 사용에 대한 의존도를 낮출 수 있는 것이다.

이와 같은 구성의 집열체(120)는, 상기 집열기(110)로부터 집열 되어 전달되는 열을 흡수하여 잠열과 비열의 형태로 저장해 두었다가 필요한 시간대에 열을 방출하도록 함으로써, 사용 시간대를 용이하게 하는 장점이 있다.

즉, 상 변화물질은 지역마다 저녁의 온도에 따라 적절한 녹는점을 선정하여 다양한 지역에서 사용할 수 있는데 사용자가 유지하고자 하는 실내 온도에 맞춰 녹는점을 가지는 것을 선택하여야 하므로 지역이나 사용 시간대에 따라 녹는점이 상호 다를 수밖에 없게 되는 문제점을 해소하고 다양한 지역이나 사용 시간대에 용이하게 사용할 수 있는 것이다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 작용 상태를 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명에 따른 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치(100)는, 상기 집열기(110)의 진공유리관(111)과 집열수단(112)에 의해 집열된 태양열 에너지가 집열수단(112)의 하단부를 통해 집열체(120)의 내부에 충전된 잠열재(상 변화물질)에 전달된다.

이때, 상기 진공유리관(111)은 대류 열손실이 없기 때문에 고온으로 집열을 이룰 수 있고, 또 알루미늄으로 형성된 집열수단(112)은 신속한 열전도성을 가지고 있기 때문에 열손실 없이 열을 전달하거나 최소한의 열손실로 잠열재에 열을 전달하게 된다.

상기 집열기(110)에 의해 집열되어 집열체(120)의 내부에 충전된 잠열재에 전달된 태양열은 잠열재를 가열하게 된다.

이때, 고체 상태의 잠열재는 전달된 열을 흡수하여 계속해서 가열되면 상 변화온도에 도달하고, 이때부터 용융이 이루어지며 상 변화가 종료될 때까지 잠열과 비열 형태로 집열체(120) 내에 열이 저장된다.

그리고, 필요에 따라 상기 집열체(120)에 형성된 히터(124)를 제어하여 상 변화물질(재료)(Phase-change Material)인 잠열재의 온도가 녹는점 이하로 내려가지 않도록 유지할 수 있다.

이때, 상기 히터(124)는 잠열재의 온도가 녹는점 이하로 내려가는 것만을 방지하게 되므로, 최소한의 전기만을 사용하여 종래에 비해 전기 에너지 사용에 대한 의존도를 현저히 낮출 수 있는 것이다.

이후, 상기 집열체(120)를 난방에 사용하고자 할 경우에는 상기 히터(124)를 껀 후, 집열기(110)와 분리한다.

이에 따라, 본 발명에 따른 집열기(110)에 의해 집열되어 열전달이 이루어진 잠열재를 갖는 집열체(120)는, 상기 집열기(110)와 분리하여 필요한 시간대와 필요한 장소에서 난방을 위해 편리하게 사용할 수 있게 된다.

예컨대, 상기 집열체(120)는 일반적인 건식 온돌과 유사한 방법으로 바닥에 시공할 수 있다. 예를 들면, 건물의 바닥면에 잠열재가 충전된 집열체(120)를 설치하고, 그 상부에 장판 등을 포함하는 마감재를 설치하는 방법이 고려될 수 있다.

따라서, 사용자는 이와 같은 구성의 난방장치를 이용함으로써, 태양 에너지를 형성한 집열체를 필요한 시간대에 원하는 장소에서 원활하고 효율적으로 사용할 수 있고, 또, 난방장치의 구성을 단순화시켜 제조 및 설치비용을 획기적으로 줄이고, 집열기와 집열체를 탈부착 가능한 구조로 형성함에 따라 장시간 태양 빛과 접할 수 있는 장소에 설치하여 집열 효율을 향상시킬 수 있는 것이다.

또, 상기 집열체를 사용하고 나면 집열된 에너지가 방전되므로, 다시 상기 집열기와 결합하여 태양 열 에너지를 충전한다.

이와 같은 동작을 반복적으로 함으로써, 특별한 기계장치나 전기 에너지를 과도하게 사용하지 않고도 패시브 솔라 히팅(수동 태양열 방식 : passive solar system)을 이용한 편리하고 효율적인 난방장치를 제공할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지로 치환, 변형 및 균등한 타 실시 예로의 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다.

100 : 난방장치 110 : 집열기
111 : 진공 유리관 112 : 집열수단
120 : 집열체 121 : 암나사
122 : 결합 홈 123 : 잠열재
124 : 히터 130 : 캡

Claims (6)

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2. 태양 에너지를 흡수하여 열로서 모으는 집열기와, 상기 집열기와 연결되어 집열된 열을 흡수하여 잠열과 비열 형태로 저장하여 필요한 시간대에 열을 제공하도록 하는 집열체를 포함하여 이루어지는 난방장치에 있어서,
   상기 집열기는 외 측에 형성되고 대류 열 손실을 방지하기 위한 진공 유리관과, 상기 진공 유리관 내에 형성되어 일사의 흡수를 신속, 용이하게 하고 집열체에 열 손실 없이 고르게 전달하기 위해 열 전도성이 우수한 알루미늄으로 형성되는 집열수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 절감 기능을 갖는 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제2항에 있어서,
   상기 집열기는 집열체에 결합시, 보다 효율적인 집열을 위해 복수 개를 병열 형성하여 블라인드 형태를 이루도록 설치하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감 기능을 갖는 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치.
6. 제2항에 있어서,
   상기 진공 유리관은, 내주 면에 태양 빛이 투과되어 진공부에 들어설 때 빛을 굴절시키는 복수의 굴절부를 형성하는 것을 특징으로 하는 에너지 절감 기능을 갖는 패시브 솔라 히팅을 이용한 난방장치.

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