KR101381406B1 - 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템 - Google Patents

태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 일조량이 충분한 경우에는 태양열을 축열하여 난방기능을 수행하고, 일조량이 충분하지 않은 경우에는 이온전극 열원장치를 이용하여 선택적으로 난방기능을 자동 수행함으로써, 난방효율을 높임과 동시에 전력 절감으로 에너지 효율을 극대화 한 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템에 관한 것으로, 이온전극 열원장치와; 태양열 집열판과; 축열탱크와; 제1삼방변과; 제2삼방변과; 일조량을 검출하여 일조량이 설정된 값 이상이 되면, 상기 제1삼방변 및 제2삼방변을 절환 제어하여 전도액이 태양열 집열판, 제1삼방변, 축열탱크, 제2삼방변, 태양열 집열판으로 순환되는 태양열 모드로 제어하고, 상기 일조량이 설정된 값 미만이면 전도액이 이온전극 열원장치, 제1삼방변, 축열탱크, 제2삼방변 및 이온전극 열원장치로 순환되는 이온 전극 열원모드로 제어하는 제어부를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

Description

태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템{Heating system using solar heat and ion-electrode heater}
본 발명은 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 일조량이 충분한 경우에는 태양열을 축열하여 난방기능을 수행하고, 일조량이 충분하지 않은 경우에는 이온전극 열원장치를 이용하여 선택적으로 난방기능을 자동 수행함으로써, 난방효율을 높임과 동시에 전력 절감으로 에너지 효율을 극대화 한 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템에 관한 것이다.
주지한 바와 같은 태양열 난방장치란 잘 알려진 바와 같이 태양열을 이용하여 집열판을 흐르는 물을 축열시켜 난방으로 수행하는 장치이다.
그런데, 태양열 난방장치의 문제점은 항상 일정한 값 이상의 일조량이 있어야만 축열기능을 수행할 수 있다는 것이다.
따라서 종래에는 축열장치 내부에 별도의 히터수단을 구비하여 일조량이 적은 경우, 상기 히터수단을 구동하여 난방기능을 수행하도록 하고 있다.
그러나 상기 히터수단은 전력 소모가 심하여 에너지 효율이 저감되는 문제점이 도출되었다.
한편, 주지한 바와 같은 이온전극 열원장치는 소정의 전도성 액체(이하 '전도액'라고도 함)에 전극수단을 설치하고 상기 전극수단에 전원을 공급하면 상기 전도성 액체가 이온화되면서 자체 발열되어 열원기능을 수행하는 장치로, 주거용 건물의 난방장치 등에 이용되며, 이 기술은 국제특허출원(출원번호: PCT/EP2008/05950)을 통해 이미 소개된 바 있다.
상기 이온전극 열원장치는 일반 열선 가열방식에 비하여 소비전력을 50%이상 줄일 수 있는 것으로 확인되어 미래의 난방장치로서 주목받고 있는 실정이다.
이에 본 발명은 상기 태양열과 이온전극 열원장치를 이용하여 에너지 효율을 극대화하기 위한 난방시스템을 연구하던 중 탄생된 기술이다.
PCT국제출원(출원번호:PCT/EP2008/05950), 공개특허공보 10-2006-0021686, 등록특허공보 10-0813754, 등록특허공보 10-1259531, 공개특허공보 10-2013-0085696,
본 발명은 상기한 배경 하에서 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 일조량이 충분한 경우에는 태양열을 축열하여 난방기능을 수행하고, 일조량이 충분하지 않은 경우에는 이온전극 열원장치를 이용하여 선택적으로 난방기능을 자동 수행함으로써, 난방효율을 높임과 동시에 전력 절감으로 에너지 효율을 극대화 한 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템을 제공하는 것에 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 전원에 연결되는 제1전극 및 제2전극을 포함하고, 상기 제1전극 및 제2전극과는 전기적으로 절연되고 밀폐되도록 봉인되는 본체의 내부에는 소정의 전도액이 충전되며, 상기 제1전극 및 제2전극의 전원공급으로 상기 전도액이 발열되는 이온전극 열원장치와; 태양열을 모아 내부에 흐르는 전도액을 가열하는 태양열 집열판과; 충전된 전도액의 축열을 이용하여 난방장치로 열교환을 수행하는 축열탱크와; 상기 이온전극 열원장치의 유출구 측 배관과, 상기 태양열 집열판의 출수부 측 배관과, 상기 축열탱크의 유입부 측 배관에 연결되는 제1삼방변과; 상기 이온전극 열원장치의 유입구 측 배관과, 상기 태양열 집열판의 입수부 측 배관과, 상기 축열탱크의 유출부 측 배관에 연결되는 제2삼방변과; 일조량을 검출하여 일조량이 설정된 값 이상이 되면, 상기 제1삼방변 및 제2삼방변을 절환 제어하여 전도액이 태양열 집열판, 제1삼방변, 축열탱크, 제2삼방변, 태양열 집열판으로 순환되는 태양열 모드로 제어하고, 상기 일조량이 설정된 값 미만이면 전도액이 이온전극 열원장치, 제1삼방변, 축열탱크, 제2삼방변 및 이온전극 열원장치로 순환되는 이온 전극 열원모드로 제어하는 제어부를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 제1삼방변과 축열탱크의 유입부 사이의 배관에는 전도액 순환펌프가 개재되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 태양열 집열판의 출수부 측에는 전도액의 온도를 검출하는 제1온도센서가 설치되고, 상기 축열탱크의 내부에는 충전된 전도액의 온도를 검출하는 제2온도센서가 설치되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 제어부에는 조도를 검출하는 조도센서가 더 연결되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따르자면 상기 이온전극 열원장치에는 전원의 공급을 단속하는 전원스위치가 설치되는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 일조량이 충분한 경우에는 태양열을 축열하여 난방기능을 수행하고, 일조량이 충분하지 않은 경우에는 이온전극 열원장치를 이용하여 선택적으로 난방기능을 자동 수행함으로써, 난방효율을 높임과 동시에 전력 절감으로 에너지 효율을 극대화 한 장점을 제공한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템의 구성도,
도 2는 본 발명에 채용되는 이온전극 열원장치의 (a)사시도, (b)측단면도, (c)A-A단면도,
도 3은 본 발명에 따른 태양열 이용 난방시의 난방수 흐름 구성도,
도 4는 본 발명에 따른 이온전극 열원장치 이용 난방시의 난방수 흐름 구성도,
도 5는 본 발명에 따른 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템의 동작 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템의 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템은,
이온전극 열원장치(10)와, 태양열집열판(20)과, 축열탱크(30)와, 제어부(40)와, 다수의 난방장치, 예를 들면 온수밸브(51), 팬코일 유닛(52), 보일러난방배관(53)을 포함한다.
보다 상세하게는 상기 이온전극 열원장치(10)의 전도액 유출구(13)는 배관(P)을 통해 제1삼방변(V1)을 거쳐 축열탱크(30)의 유입부(31)에 연결되도록 구성되고, 상기 축열탱크(30)의 유출부(32)는 배관을 통해 제2삼방변(V2)을 거쳐 상기 이온전극 열원장치(10)의 전도액 유입구(14)에 연결됨과 동시에 태양열 집열판(20)의 입수부(22)에 연결되도록 구성되며, 상기 태양열 집열판(20)의 출수부(21)는 상기 제1삼방변(V1)에 연결되도록 구성된다.
또한 상기 제1삼방변(V1)과 축열탱크(30)의 유입부(31) 사이의 배관에는 전도액 순환펌프(P1)가 개재되나 반드시 이 위치에 한정되지는 않는다.
또한 상기 이온전극 열원장치(10)에는 전원(AC)의 공급을 단속하는 전원스위치(SW)가 설치되고, 상기 태양열 집열판(20)의 출수부(21) 측에는 전도액의 온도를 검출하는 제1온도센서(S1)가 설치된다.
또한 상기 축열탱크(30)의 내부에는 충전된 전도액의 온도를 검출하는 제2온도센서(S2)가 설치되고, 상기 축열탱크(30) 내부에서 열 교환되어 온수 또는 난방수가 흐르게 되는 온수밸브(51), 팬코일유닛(52) 및 보일러 난방배관(53)이 더 연결된다.
상기 온수밸브(51), 팬코일유닛(52) 및 보일러 난방배관(53)은 일례의 구성이며, 여기에는 상기 축열탱크(30)로부터 열 교환되어 난방기능을 수행하는 다양한 형태의 난방장치가 적용될 수 있다.
또한 상기 축열탱크(30)로 인입되어 상기 난방장치(51~53)로 연결되는 배관에는 개폐밸브(V3)가 더 형성되어 온수사용이나 난방 배관의 물 보충 시 급수를 수행하게 된다.
상기 이온전극 열원장치(10)는 내부에 충전된 전도성 액체(전도액)를 발열시켜 열원기능을 수행하는 장치로 이를 도 2를 참조하여 상세히 살펴본다.
상기 도 2의 (a)는 이온전극 열원장치(10)의 사시도, (b)는 측단면도, (c)는 (b)의 A-A단면도이다.
도시된 바와 같이, 상기 이온전극 열원장치(10)는 원통형의 본체(11)가 지지대(12)와 결합되도록 구성되고, 상기 본체(10)의 상부 및 측면에는 배관(P)과 연결되는 전도액 유출구(13)와 유입구(14)가 형성된다.
또한 상기 본체(11)의 내부에는 제1전극(15)과 제2전극(16)이 지지대(12)를 통해 고정 설치되고, 상기 제1전극(15) 및 제2전극(16)은 외부에서 전원(AC)이 인가되도록 구성된다.
상기 본체(11)는 상기 제1전극(15) 및 제2전극(16)과는 전기적으로 절연되고 밀폐되도록 봉인되고 내부에는 전도성 액체가 충전된다.
또한 상기 제1전극(15)은 전원(AC: 220V)의 라인단자(L1)와 연결되고 제2전극(16)은 중성단자(N)와 연결되며, 본체(11)는 접지되도록 구성된다.
이와 같이 구성된 이온전극 열원장치(10)는 상기 제1전극(15) 및 제2전극(16)으로 전원이 공급되면 상기 전극에서 발생되는 전기에너지에 의해 전도액 자체가 열을 발생하게 된다.
즉 종래의 니크롬선(열선)과 같이 열선이 발열되어 주위의 충진된 물을 가열하는 방식이 아니라, 제1전극(15) 및 제2전극(16)을 통해 흐르는 전류에 따른 전기에너지의 발생으로 기인되는 전기적 화학적 작용으로 전도액 자체가 발열되는 원리이다.
이러한 상기 전도액은 상기 이온전극 열원장치(10) 뿐 아니라 배관(P)을 통해 태양열 집열판(20) 및 축열탱크(30) 등을 순환하게 된다.
상기 태양열 집열판(20)은 태양열을 모아 내부에 흐르는 전도액을 가열하는 장치이고, 상기 축열탱크(30)는 충전된 전도액의 온도를 이용하여 난방장치로 열교환을 수행하는 장치이다.
상기 제어부(40)는 실외 태양열 집열판(10) 부위에 설치된 조도센서(S3)를 통해 일조량을 검출한다.
상기 제어부(40)는 검출된 일조량을 통해 태양열 에너지를 이용하여 축열기능을 수행할 것인지 아니면 이온전극 열원 에너지를 이용하여 축열기능을 수행할 것인지를 판단한다.
상기 제어부(40)는 일조량이 설정된 값 이상이 되면, 즉 태양열 에너지를 충분히 이용할 수 있는 상태가 되면 태양열 에너지로 축열기능(이하 '태양열모드' 라고 함)을 수행하고, 상기 일조량이 설정된 값 미만이 되면, 즉 태양열 에너지를 이용할 수 없는 상태가 되면 이온전극 열원 에너지로 축열기능(이하 '이온전극 열원모드'라고 함)을 수행하게 된다.
따라서 상기 제어부(40)는 태양열 모드 시에는 제1삼방변(V1) 및 제2삼방변(V2)을 절환 제어하여 전도액의 흐름이 도 3에서와 같이 태양열 집열판(20)→제1삼방변(V1)→순환펌프(P1)→축열탱크(30)→제2삼방변(V2)→태양열 집열판(20)으로 순환되도록 하여준다.
또한 이온전극 열원모드 시에는 제1삼방변(V1) 및 제2삼방변(V2)을 다른 형태로 절환 제어하여 전도액의 흐름이 도 4에서와 같이 이온전극 열원장치(10)→제1삼방변(V1)→순환펌프(P1)→축열탱크(30)→제2삼방변(V2)→이온전극 열원장치(10)로 순환되도록 하여준다.
이와 같이 구성되는 본 발명 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템의 전체 동작을 도 5의 동작 순서도를 참조하여 설명한다.
전원(AC)이 인가되고, 미 도시된 설정수단을 통해 난방온도 설정과 운전시작 명령이 입력되면, 제어부(40)는 다음과 같은 난방운전제어를 수행한다.
먼저, 조도센서(S3)를 통해 조도를 검출한다.(S11 과정)
그리고 상기 검출된 조도를 통해서 일조량을 산출하고, 산출된 일조량이 태양열 모드로 난방을 수행할 수 있는 설정된 값 이상인가를 판단한다.(S12 과정)
상기 판단과정(S12)에서 일조량이 태양열 모드로 난방기능을 수행할 수 있는 일정량 이상이라면 상기 제어부(40)는 전도액의 흐름이 도 3에서와 같이 태양열 집열판(20)→제1삼방변(V1)→순환펌프(P1)→축열탱크(30)→제2삼방변(V2)→태양열 집열판(20)으로 순환되도록 제1삼방변(V1) 및 제2삼방변(V2)을 절환 제어한다.(S13 과정)
그리고 제1온도센서(S1) 및 제2온도센서(S2)의 온도를 검출하여, 축열탱크(30)에 충전된 전도액의 온도와 태양열집열판(20)의 출수부(21) 측의 전도액 온도를 비교한다.(S14, S15 과정)
여기서 축열탱크(30)에 충전된 전도액 온도가 태양열집열판(20)의 전도액 온도 보다 낮은 경우, 순환펌프(P1)를 구동시켜 태양열 집열판(20) 내에 집열된 뜨거운 전도액이 제1삼방변(V1) 및 순환펌프(P1)를 거쳐 축열탱크(30)로 유입되도록 하여주고, 상기 축열탱크(30)에 충전된 전도액이 다시 제2삼방변(V2)을 거쳐 태양열 집열판(20)으로 순환되도록 하여 준다.(S15 과정)
따라서 상기 축열탱크(30) 내에 저장된 전도액은 다수 난방장치(51~53)의 배관내에 흐르는 난방수를 가열시켜 난방기능을 수행하게 된다.
그러나 상기 판단과정(S15)에서 상기 축열탱크(30)에 충전된 전도액 온도가 태양열집열판(20)의 난방수 온도 보다 높은 경우에는, 순환펌프(P1)를 중지시켜 상대적으로 낮은 온도를 가진 태양열 집열판(20) 내의 전도액이 축열탱크(30) 내부로 유입되지 않도록 하여준다.(S17 과정)
한편, 상기 판단과정(S12)에서, 일조량이 태양열 모드로 난방기능을 수행할 수 있는 일정량 이상이 아니라면 이온전극 열원모드를 수행하기 위하여 상기 제어부(40)는 전도액의 흐름이 도 4에서와 같이 이온전극 열원장치(10)→제1삼방변(V1)→순환펌프(P1)→축열탱크(30)→제2삼방변(V2)→이온전극 열원장치(10)로 순환되도록 제1삼방변(V1) 및 제2삼방변(V2)을 절환 제어한다.(S18 과정)
그리고 상기 제어부(40)는 전원스위치(SW)를 온(ON)하여 전원(AC)이 이온전극 열원장치(10)에 인가되도록 하여준다.(S19 과정)
따라서 상기 이온전극 열원장치(10)는 구동되며, 내부에 충진된 전도액은 발열하기 시작하고, 이온전극 열원장치(10) 내부의 뜨거운 전도액이 제1삼방변(V1) 및 순환펌프(P1)를 거쳐 축열탱크(30)로 유입되도록 하여주고, 상기 축열탱크(30)에 충전된 전도액이 다시 제2삼방변(V2)을 거쳐 이온전극 열원장치(10)로 순환되도록 하여 준다.
그리고 제어부(40)는 상기 제어과정(S14)으로 진입하여 난방제어를 수행하게 된다.
10: 이온전극 열원장치 15: 제1전극
16: 제2전극 20: 태양열 집열판
S1: 제1온도센서 S2: 제2온도센서
V1: 제1삼방변 V2: 제2삼방변
S3: 조도센서 30: 축열탱크
SW: 전원스위치 40: 제어부

Claims (5)

  1. 전원에 연결되는 제1전극(15) 및 제2전극(16)을 포함하고, 상기 제1전극 및 제2전극과는 전기적으로 절연되고 밀폐되도록 봉인되는 본체(11)의 내부에는 소정의 전도액이 충전되며, 상기 제1전극 및 제2전극의 전원공급으로 상기 전도액이 발열되는 이온전극 열원장치(10)와;
    태양열을 모아 내부에 흐르는 전도액을 가열하는 태양열 집열판(20)과;
    충전된 전도액의 축열을 이용하여 난방장치로 열교환을 수행하는 축열탱크(30)와;
    상기 이온전극 열원장치(10)의 유출구(13) 측 배관과, 상기 태양열 집열판(20)의 출수부(21) 측 배관과, 상기 축열탱크(30)의 유입부(31) 측 배관에 연결되는 제1삼방변(V1)과;
    상기 이온전극 열원장치(10)의 유입구(14) 측 배관과, 상기 태양열 집열판(20)의 입수부(22) 측 배관과, 상기 축열탱크(30)의 유출부(32) 측 배관에 연결되는 제2삼방변(V2)과;
    일조량을 검출하여 일조량이 설정된 값 이상이 되면, 상기 제1삼방변(V1) 및 제2삼방변(V2)을 절환 제어하여 전도액이 태양열 집열판(20), 제1삼방변(V1), 축열탱크(30), 제2삼방변(V2), 태양열 집열판(20)으로 순환되는 태양열 모드로 제어하고, 상기 일조량이 설정된 값 미만이면 전도액이 이온전극 열원장치(10), 제1삼방변(V1), 축열탱크(30), 제2삼방변(V2) 및 이온전극 열원장치(10)로 순환되는 이온 전극 열원모드로 제어하는 제어부(40)를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1삼방변(V1)과 축열탱크(30)의 유입부(31) 사이의 배관에는 전도액 순환펌프(P1)가 개재되는 것을 특징으로 하는 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 태양열 집열판(20)의 출수부(21) 측에는 전도액의 온도를 검출하는 제1온도센서(S1)가 설치되고, 상기 축열탱크(30)의 내부에는 충전된 전도액의 온도를 검출하는 제2온도센서(S2)가 설치되는 것을 특징으로 하는 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부(40)에는 조도를 검출하는 조도센서(S3)가 더 연결되는 것을 특징으로 하는 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 이온전극 열원장치(10)에는 전원(AC)의 공급을 단속하는 전원스위치(SW)가 설치되는 것을 특징으로 하는 태양열과 이온전극 열원장치를 이용한 난방시스템.

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