KR101432041B1 - 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법에 관한 것으로, 본 발명은, 축열조에 연결된 온수배출관의 온도가 설정 하한값 이하면 작동되고, 설정 상한값 이상이면 정지되는 동파 방지 모드; 실내에 설치된 제2 스위치의 작동 상태에 따라 구현 여부가 결정되는 축열조 난방 모드; 및 상기 실내에 설치된 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 작동 상태에 따라 구현 여부가 결정되는 보조 열원 난방 모드를 선택적으로 구현 가능하며, 상기 동파 방지 모드는, 상기 축열조의 온수가 상기 온수배출관에서 상기 온수배출관과 온수인입관을 연결하는 연결배관을 거쳐 상기 온수인입관으로 유동하고, 상기 축열조 난방 모드는, 상기 축열조의 온수가 상기 온수배출관에서 상기 연결배관에 연결된 온수 인입호스와 온수 배출호스를 통해 국소 난방 매체를 거친 후 상기 온수인입관으로 유동하면서, 상기 연결배관의 양쪽 끝 부분을 분기하여 연결하는 바이패스 배관으로 유동하고, 상기 보조 열원 난방 모드는, 상기 축열조의 온수가 상기 바이패스 배관과, 상기 연결배관에 연결된 상기 온수 인입호스와 상기 온수 배출호스를 통해 상기 국소 난방 매체를 거쳐 상기 온수인입관으로 유동한다.
본 발명에 의하면, 태양열에 의한 온수를 주용도로 사용하고, 극히 일부의 온수를 이용하여 동파 방지 모드, 축열조 난방 모드 및 보조 열원 난방 모드를 선택적으로 구현 가능하면서, 축열조와 히터와 같은 열원이 바뀌어도 실내에 설치된 스위치의 조작으로 편리하게 온도 조절이 가능하고, 건물 구조체의 변경이 필요없는 온수 매트에 연결할 수 있도록 구조를 제공 가능하며, 국소 난방 가능 상태를 실내의 사용자(거주자)에게 손쉽게 인지시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법 {Control method of local heating for solar hot water supply system}
본 발명은 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 태양열 온수기를 주용도로 사용하고, 극히 일부의 열을 동파 방지 모드, 축열조 난방 모드 및 보조 열원 난방 모드 중 어느 하나의 모드를 구현할 수 있게 한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 한국에너지기술평가원의 신재생에너지융합원천기술개발사업(복지형 에너지 R&D)의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 20129910100060, 과제명: 급탕 및 일부난방용 태양열 패키지 콤비시스템 개발].
최근, 석유 자원에 대한 대체 에너지로 태양열을 이용하여 전기를 발생시키거나 온수시스템을 적용한 기술이 증가하고 있는 추세이다. 이러한 추세에 따라 태양열을 이용하여 온수를 생산하는 태양열 온수시스템이 널리 상용화되고 있다.
이러한 태양열 온수시스템과 관련된 기술이 특허등록 제1203033호에 제안된 바 있다.
이하에서 종래기술로서 특허등록 제1203033호에 개시된 시스템 구조를 간략히 설명한다.
도 1에는 종래 기술에 의한 자연 순환형 태양열 온수시스템이 개략적인 구성도로 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 기존 동파방지법으로 열선법이 주로 사용되고 있었으나, 기온이 영하로 떨어지는 날씨가 계속되는 동절기에 전력소모량이 매우 크고, 빈번한 작동시 열선이 끊어지는 현상이 발생하여 그 효율성이 낮고, 유지보수 비용 또한 증가하는 문제점이 있으므로 이를 해소하기 위해 종래기술에서 자동밸브 혹은 펌프에 의한 '온수트레이싱법'이 제안된 바 있다.
이렇게 종래 기술에 기재된 '온수트레이싱법'을 구현하기 위한 구성은 태양열을 집열하는 집열기(110); 상기 집열기(110)와 연결되고, 그 내부로 상기 집열기(110)에 의해 집열된 태양열이 축적되는 작동매체가 순환하는 집열기 순환배관(115); 상기 작동매체와 생활에 사용되는 물 사이의 열교환이 이루어지는 축열조(130); 상기 축열조(130)와 연통되고, 상기 물이 공급되는 온수순환배관(120); 상기 온수순환배관(120)의 일측에 구비되고 선택적으로 개폐되어 상기 축열조(130)의 물이 상기 온수순환배관(120) 내부로 선택적으로 흐르게 하는 동파방지밸브(125"); 및 상기 온수순환배관(120)의 일정 부분의 온도(T1)와 상기 축열조의 물 온도(T2) 중 적어도 하나 이상의 온도변화에 따라 상기 동파방지밸브(125")의 작동을 제어하여 상기 온수순환배관(120)의 동파를 방지하는 제어기(C)를 포함하며, 상기 제어기(C)는 상기 온수순환배관(120)의 일정부분의 온도(T1)가 T1 < Ta(3℃≤Ta≤6℃) 일 경우 상기 동파방지밸브(125")를 개방하고, 상기 온수순환배관(120)의 일정부분의 온도(T1) 및 상기 축열조(130)의 물 온도(T2)가 다음 1), 2)의 조건을 만족할 경우 상기 동파방지밸브(125")를 폐쇄함을 특징으로 한다.
하지만, 실태 조사 결과 태양열 온수기 사용자의 상당수가 난방 겸용을 희망하고 있고, 온수기에 용량을 맞추면 실내 난방용으로 턱없이 부족하며, 난방에 용량을 맞추면 여름철에 열이 남아돌아 과대설비가 되는 문제점이 있었다.
KR 1203033 B1
본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양열에 의한 온수를 주용도로 사용하고, 극히 일부의 온수를 이용하여 동파 방지 모드, 축열조 난방 모드 및 보조 열원 난방 모드를 선택적으로 구현 가능하면서, 축열조와 히터와 같은 열원이 바뀌어도 실내에 설치된 스위치의 조작으로 편리하게 온도 조절이 가능한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 건물 구조체의 변경이 필요없는 온수 매트에 연결할 수 있도록 구조를 제공 가능한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은, 국소 난방 가능 상태를 실내의 사용자(거주자)에게 손쉽게 인지시킬 수 있게 한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 축열조에 연결된 온수배출관의 온도가 설정 하한값 이하면 작동되고, 설정 상한값 이상이면 정지되는 동파 방지 모드; 실내에 설치된 제2 스위치의 작동 상태에 따라 구현 여부가 결정되는 축열조 난방 모드; 및 상기 실내에 설치된 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 작동 상태에 따라 구현 여부가 결정되는 보조 열원 난방 모드를 선택적으로 구현 가능하며, 상기 동파 방지 모드는, 상기 축열조의 온수가 상기 온수배출관에서 상기 온수배출관과 온수인입관을 연결하는 연결배관을 거쳐 상기 온수인입관으로 유동하고, 상기 축열조 난방 모드는, 상기 축열조의 온수가 상기 온수배출관에서 상기 연결배관에 연결된 온수 인입호스와 온수 배출호스를 통해 국소 난방 매체를 거친 후 상기 온수인입관으로 유동하면서, 상기 연결배관의 양쪽 끝 부분을 분기하여 연결하는 바이패스 배관으로 유동하고, 상기 보조 열원 난방 모드는, 상기 축열조의 온수가 상기 바이패스 배관과, 상기 연결배관에 연결된 상기 온수 인입호스와 상기 온수 배출호스를 통해 상기 국소 난방 매체를 거쳐 상기 온수인입관으로 유동하는 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법을 통해 달성된다.
또한, 본 발명에서의 상기 동파 방지 모드는, 상기 온수인입관의 일정 부분에 대한 온도(T1)가 설정 하한값 이하이면 상기 순환펌프를 ON시키고, 상기 온수인입관의 일정 부분에 대한 온도(T1)가 설정 상한값 이상이거나 상기 순환펌프의 ON 시간이 일정 시간 이상이면 상기 순환펌프를 OFF시키게 된다.
또한, 본 발명에서의 상기 축열조 난방 모드와, 상기 보조 열원 난방 모드는, 상기 온수 인입호스와 상기 온수 배출호스에 각각 구비된 자동 밸브(AV1, AV2)가 개방되고, 상기 연결배관에 구비된 자동 밸브(AV3)가 폐쇄되고, 상기 바이패스 배관에 구비된 자동 밸브(AV4)가 개방되며, 상기 바이패스 배관에 구비된 순환펌프가 작동할 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 축열조 난방 모드는, 상기 제1 스위치의 온도 설정값이 상승하면, 상기 바이패스 배관에 구비되는 자동 밸브(AV4)의 개도(開道) 정도가 줄어들면서 폐쇄될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 축열조 난방 모드는 상기 바이패스 배관으로 바이패스된 온수와 축열조의 온수가 혼합되면서 온도가 조절될 수 있다.
또한, 본 발명에서의 상기 보조 열원 난방 모드는, 상기 제1 스위치의 온도 설정값이 상승하면, 상기 온수 인입호스에 설치된 히터의 출력이 상승되게 한다.
또한, 본 발명에서는 상기 온수배출관의 온도가 설정값 이하로 하강되면, 상기 보조 열원 난방 모드를 중지하고, 상기 동파방지 모드로 전환되게 할 수 있다.
또한, 본 발명에서 상기 실내에 상기 국소 난방 매체를 접속하기 위한 접속함이 구비되며, 상기 접속함은, 상기 실내까지 연결된 연결호스에 상기 국소 난방 매체가 접속되도록 구비되는 호스 커넥터와, 제어기의 신호선이 접속되는 신호선 연결단자와, 상기 축열조의 내부 온도(T2)가 난방 최저 온도 이상이면 난방 가능 상태를 인지시키는 인지 수단을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 상기 제어기와 연계된 온도조절기를 더 포함하여 상기 실내의 난방 온도를 조절하게 할 수 있다.
본 발명에 의하면, 태양열에 의한 온수를 주용도로 사용하고, 극히 일부의 온수를 이용하여 동파 방지 모드, 축열조 난방 모드 및 보조 열원 난방 모드를 선택적으로 구현 가능하면서, 축열조와 히터와 같은 열원이 바뀌어도 실내에 설치된 스위치의 조작으로 편리하게 온도 조절이 가능하고, 건물 구조체의 변경이 필요없는 온수 매트에 연결할 수 있도록 구조를 제공 가능하며, 국소 난방 가능 상태를 실내의 사용자(거주자)에게 손쉽게 인지시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 종래기술에 대한 태양열 온수시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 3은 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 국소 난방 매체의 연결 상태를 도시한 확대도이다.
도 4는 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 동파 방지 모드에 따른 온수의 흐름을 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 축열조 난방 모드에 따른 국소 난방 매체의 작동 및 온수의 흐름을 도시한 구성도이다.
도 6은 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 보조 열원 난방 모드에 따른 국소 난방 매체의 작동 및 온수의 흐름을 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 접속함을 도시한 개략도이다.
도 8은 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 온도조절기를 도시한 개략도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부"라는 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.
이하 도면을 참고하여 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법에 대한 실시 예의 구성을 상세하게 설명하기로 한다.
도 2에는 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템의 구조가 개략도로 도시되어 있고, 도 3에는 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 국소 난방 매체의 연결 상태가 확대도로 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 동파 방지 모드에 따른 온수의 흐름이 구성도로 도시되어 있고, 도 5에는 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 축열조 난방 모드에 따른 국소 난방 매체의 작동 및 온수의 흐름이 구성도로 도시되어 있고, 도 6에는 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 보조 열원 난방 모드에 따른 국소 난방 매체의 작동 및 온수의 흐름이 구성도로 도시되어 있고, 도 7에는 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 접속함이 개략도로 도시되어 있으며, 도 8에는 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법이 구현되는 태양열 온수시스템에서 온도조절기가 개략도로 도시되어 있다.
이들 도면에 의하면, 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법은 동파 방지 모드, 축열조 난방 모드 및 보조 열원 난방 모드의 운전 패턴으로 구성되며, 이 중 어느 하나의 모드를 선택적으로 구현할 수 있다.
여기서, 상기 동파 방지 모드는 축열조(130)에 연결된 온수배출관(122)의 온도가 설정 하한값 이하면 작동되고, 설정 상한값 이상이면 정지되는 모드로, 축열조(130)의 온수가 온수배출관(124)에서 상기 온수배출관(124)과 온수인입관(122)을 연결하는 연결배관(126)을 거쳐 상기 온수인입관(122)으로 유동하도록 설정된다.
그리고 상기 축열조 난방 모드는 실내에 설치된 제2 스위치(SW2)의 작동 상태에 따라 구현 여부가 결정되는 모드로, 축열조(130)의 온수가 온수배출관(124)에서 연결배관(126)에 연결된 온수 인입호스(128a)와 온수 배출호스(128b)를 통해 국소 난방 매체(140)를 거친 후 온수인입관(122)으로 유동하면서, 상기 연결배관(126)의 양쪽 끝 부분을 분기하여 바이패스(by-pass)하도록 연결되는 바이패스 배관(126a)으로 유동하도록 설정된다.
마지막으로, 상기 보조 열원 난방 모드는 실내에 설치된 제1 스위치(SW1) 및 제2 스위치(SW2)의 작동 상태에 따라 구현 여부가 결정되는 모드로, 축열조(130)의 온수가 연결배관(126)의 양쪽 끝 부분을 분기하여 연결하는 바이패스 배관(126a)과, 상기 연결배관(126)에 연결된 온수 인입호스(128a)와 온수 배출호스(128b)를 통해 국소 난방 매체(140)를 거쳐 온수인입관(122)으로 유동하도록 설정된다.
여기서, 본 발명에 의한 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법을 구현하기 위한 태양열 온수시스템(100)은 집열기(110), 온수순환배관(120), 연결호스(128), 축열조(130), 국소 난방 매체(140), 접속함(150), 온도조절기(160), 제어기(C), 순환펌프(P) 및 제1, 2 온도센서(S1, S2)를 포함하여 구성된다.
여기서, 집열기(110), 온수순환배관(120)의 일부, 축열조(130) 및 제1 온도센서(S1, S2)는 실외에 위치하고, 순환펌프(P), 연결호스(128), 국소 난방 매체(140), 접속함(150), 온도조절기(160) 및 제어기(C)는 실내에 위치하는 것이 바람직하다.
집열기(110)는 태양열을 효과적으로 수집하는 역할을 하는 것으로 진공관형, 평판형 등 다양한 종류의 집열기가 사용될 수 있다.
집열기순환배관(112)은 집열기(110)와 연결되어 외부와 연결되지 않은 폐쇄배관으로 상기 집열기순환배관(112)의 일부가 상기 집열기(110)의 내부에 위치하게 된다. 상기 집열기순환배관(112)은 후술할 작동매체가 유동하는 통로역할을 하는 것으로 작동매체가 상기 집열기순환배관(112)을 흐르면서, 상기 집열기순환배관(112) 중 상기 집열기(110)에 위치한 부분을 통과할 때, 상기 집열기(110)에 의해 집열된 태양열을 흡수하여 후술할 생활용수에 전달하는 역할을 한다.
여기서, 집열기순환배관(112)은 집열기 유입관과 집열기 배출관으로 구성되는데, 상기 집열기 배출관이 집열기 유입관에 비해 상대적으로 높은 위치에 구비되며, 상기 집열기 유입관으로는 용수가 흐르고, 상기 집열기 배출관으로는 온수가 흐르게 되는 것을 알 수 있다.
도면에 도시되지는 않았지만, 집열기순환배관(112) 중 집열기(110)에 위치한 부분은 상기 집열기(110)로 집열된 열이 최대한 작동매체로 전달될 수 있도록 상기 집열기(110)의 내부에 넓게 분포시키는 것이 바람직하다. 상기 집열기순환배관(112)은 외부로 열이 전달되는 것을 방지하기 위해 그 외면이 단열재로 포장될 수도 있다.
집열기순환배관(112)의 내부에는 작동매체(도시되지 않음)가 흐른다. 상기 작동매체는 상기 집열기순환배관(112)을 흐르며 집열기(110)의 열을 전달하는 역할을 한다. 상기 작동매체는 일반적으로는 상대적으로 낮은 온도에서도 얼지 않는 부동액이 사용된다.
온수순환배관(120)은 생활에 사용되는 물, 즉 상수도에서 공급된 생활용수(수돗물)가 이동하는 통로역할을 한다.
상기 온수순환배관(120)은 양측이 개방된 배관으로 일측으로 상기 생활용수를 공급하는 상수도와 연결되어 물이 유입되고, 상기 온수순환배관(120)을 통과하면서 온도가 상승한 생활용수(온수)는 타측으로 배출되어 생활에 사용된다. 상기 온수순환배관(120)에서 후술할 축열조(130)에는 물이 유입되는 측을 온수인입관(122: 수도관), 축열조(130) 내부의 물이 배출되는 측을 온수배출관(124: 온수관)이라 하겠다. 여기서, 온수인입관(122)의 도중에 제1 온도센서(S1)가 설치되어 상기 온수인입관(122)의 온도를 센싱하게 되며, 센싱값을 제어기(C)로 제공한다.
온수배출관(124)은 상기 온수인입관(122)에 비해 상대적으로 높은 위치에 있을 수도 있다. 그리고 상기 온수인입관(122)은 상수도에 연결되어 있기 때문에 별도의 순환펌프는 필요하지 않다.
연결배관(126)은 온수인입관(122)과 온수배출관(124)의 서로 연통시키는 역할을 하는 것으로, 상기 연결배관(226)을 통해 축열조(130) 내부의 물이 상기 온수인입관(122)과 상기 온수배출관(124)의 내부에서 순환하게 된다. 즉, 상기 온수배출관(124)을 통해 배출된 상기 축열조(130)의 물이 상기 연결배관(126)을 지나 상기 온수인입관(122)으로 다시 유입되는 것이다.
연결배관(126)에는 체크 밸브(CV: check valve)가 구비된다. 상기 체크 밸브(CV)는 상기 연결배관(126)을 선택적으로 연통시키는 역할을 하는 것으로 상기 연결배관(126)을 통해 일방의 흐름만이 가능하도록 하는 것이다. 좀 더 상세하게는, 온수인입관(122)에서 온수배출관(124)을 향하는 흐름, 또는 상기 온수배출관(124)에서 상기 온수인입관(122)을 향하는 흐름만을 가능하도록 선택적으로 개폐시키는 것이다. 본 실시예에서는 상기 온수배출관(124)에서 상기 온수인입관(122)으로 물이 흐르면서 상기 체크 밸브(CV)가 개방되는 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.
순환펌프(P)는 연결배관(126) 상에 설치되어 상기 연결배관(126)을 통해 물이 흐를 수 있는 동력을 제공하는 역할을 한다. 본 실시예에서는 상기 순환펌프(P)가 상기 온수배출관(124)에서 상기 온수인입관(122)으로 물이 흐르도록 상기 순환펌프(P)가 동력을 제공하는 경우를 예를 들어 설명한다.
상기 연결배관(126)에는 자동 밸브(AV3: automatic valve)가 구비된다. 상기 자동 밸브(AV3)는 자동 ON/OFF 밸브로, 평상시에는 폐쇄(Normal Close)되어 있다가 국소 난방이 구현되도록 방 내부에 설치된 제1 스위치(SW1)의 출력 신호가 입력되면 제어기(C)의 제어 신호를 통해 폐쇄되어 온수를 온수인입관(122)이 아닌 국소 난방 매체(140)로 공급하는 기능을 한다.
한편, 상기 연결배관(126)에는 자동 밸브(AV3)를 기점으로 양측에 연결호스(128)가 연결된다. 상기 연결호스(128)는 온수 인입호스(128a) 및 온수 배출호스(128b)로 구비된다. 상기 온수 인입호스(128a)는 상기 자동 밸브(AV3)를 기점으로 우측(도 3 기준)에 연결되어 국소 난방 매체(140)에 공급될 온수가 인입되고, 상기 온수 배출호스(128b)는 상기 자동 밸브(AV3)를 기점으로 좌측(도 3 기준)에 연결되어 상기 국소 난방 매체(140)에 공급되고 순환된 온수가 상기 국소 난방 매체(140)에서 배출되는 것이다.
더욱이, 온수 인입호스(128a) 및 온수 배출호스(128b)의 도중에는 평상시에 폐쇄되고 후술할 제1 스위치(SW1)가 ON되면 개방되는 자동 밸브(AV1, AV2)가 각각 구비된다.
그리고 상기 온수 인입호스(128a)의 선단에는 축열조(130) 온도가 난방에 사용하기 곤란한 온도(예로써 35℃) 이하로 떨어지면 제2 스위치(SW2)의 조작으로 가동되는 보조형 히터(H)가 설치된다. 이때, 상기 히터(H)는 도 3을 기준으로 자동 밸브(AV4)의 오른쪽에 배치가 가능하다.
특히, 상기 온수 인입호스(128a)에서 상기 자동 밸브(AV2)를 기점으로 전후 양측에 예비적으로 별도의 보조 히터(도면에 미도시)가 더 구비되어 축열조(130)의 내부 온도(T2)가 난방 최저 온도보다 낮은 경우 가열하여 인입되는 온수를 난방 최저 온도보다 높게 할 수 있다.
그리고 상기 연결배관(126)에는 상기 연결배관(126)의 양쪽 끝 부분을 연결하는 바이패스 배관(126a)이 구비된다. 한편, 상기 바이패스 배관(126a)의 도중에 실내에 설치된 제2 스위치(SW2)에 의해 작동되는 자동 밸브(AV4)가 구비되어 상기 바이패스 배관(126a)의 개폐가 가능하다. 상기 자동 밸브(AV4)는 평상시 폐쇄(Normal Close)되어 있다가 제2 스위치(SW2)가 ON되면 개방되는 개도 조절 밸브이다.
연결호스(128)는 온수순환배관(120)에 연결된 연결배관(126)에서 실내의 방 내벽까지 연결되어 끝단에 구비된 플러그인(plug-in) 방식의 호스 커넥터(152)를 통해 국소 난방 매체(140)를 연결시킨다. 이렇게, 상기 국소 난방 매체(140)가 연결호스(128)의 끝단부에 구비된 호스 커넥터(152)로 연결되어 상기 연결호스(128) 및 온수 매트에 물이 가득찬 상태에서도 접속 또는 분리가 용이하고 물이 새지 않도록 한다.
축열조(130)는 횡형으로 이루어져 작동매체와 생활용수와의 열교환이 이루어지는 공간이다. 상기 축열조(130)는 열교환의 효율을 높이기 위해 외부로 열이 방출되지 않도록 단열재로 감싸는 것이 바람직하다. 상기 축열조(130)는 크게 내부탱크와 상기 내부탱크를 감싸는 외부탱크로 구성된다. 도면에는 도시하지 않았지만, 내부탱크 및 외부탱크는 서로 연통되지 않고, 상기 내부탱크와 상기 외부탱크의 사이에는 작동매체가 흐를 수 있도록 소정의 공간이 형성된다.
더욱이, 외부탱크는 집열기순환배관(112)과 연통되고, 내부탱크는 온수순환배관(120)과 연통된다. 상기 집열기순환배관(112)을 흐르던 작동매체는 상기 외부탱크의 내부로 유입되어 흐르면서 상기 내부탱크로 열을 전달하고, 상기 내부탱크로 전달된 열이 생활용수의 온도를 상승시켜 온수로 되는 것이다.
한편, 축열조(130)의 내부탱크 내에는 제2 온도센서(S2)가 상단에 설치되어 상기 내부탱크 내부의 온도를 센싱하게 되며, 센싱값을 제어기(C)로 제공한다.
국소 난방 매체(140)는 연결배관(126)에 설치된 자동 밸브(AV3)의 개폐 제어를 통해 공급된 온수로 가동되는 온수 매트 등이 이에 적용되며, 국소 난방 공간(거주하는 방의 내벽)까지 연결된 연결호스(128)의 단부에 탈착형 호스 커넥터(152)를 통해 접속된다.
접속함(150)은 방 내부(벽 등)에 설치되어 국소 난방 매체(140)가 탈착이 가능하도록 접속되는 호스 커넥터(152)와, 제어기(C)에서 연장된 신호선이 접속되는 신호선 연결단자(154) 및 축열조(130)의 내부 온도(T2)가 난방 최저 온도 이상이면 난방 가능 상태를 거주자에게 인지시키는 인지 수단(156)을 포함한다.
상기 호스 커넥터(152)는 호스에 물이 꽉 찬 상태에서도 유출되지 않고 국소 난방 매체(140)가 탈착이 가능한 구조로 사용된다.
여기서, 상기 인지 수단(156)은 축열조(130)의 내부 온도(T2)가 난방 하한값(예컨대 35℃) 이상이면 점등되는 램프(녹색등)이다. 이때, 상기 인지 수단(156)은 램프에 한정하지 않고 사용자가 청각적으로 난방 가능 상태를 인지할 수 있도록 스피커 등이 적용될 수 있다.
온도조절기(160)는 접속함(150)과 같이 방 내부(벽 등)에 설치되어 온도 조절을 위해 구비되며, 제1 스위치(SW1), 제2 스위치(SW2) 및 타이머(T)를 포함한다. 여기서, 상기 온도조절기(160)에는 접속함(150)의 인지 수단(156)과 동일한 인지 수단이 구비될 수 있다.
제1 스위치(SW1)는 자동 밸브(AV1, AV2, AV3)와 순환펌프(P)의 작동을 제어하는 볼륨 스위치로, 난방 ON/OFF 및 난방 강약 조절, 난방 운전등(162)을 점등하는 기능을 한다.
제2 스위치(SW2)는 히터(H)와 자동 밸브(AV4)를 제어하는 히터 스위치로, 보조 열원인 전기식 히터(H)를 ON/OFF(ON이면 스위치 발광) 등을 수행한다.
여기서, 상기 제1 스위치(SW1)는 다이얼 타입의 스위치이고, 상기 제2 스위치(SW2)는 버튼식 스위치인 것으로 예시한다.
타이머(T)는 제어기(C)와 전기적으로 연결되며, 작동 시간을 설정하고, 미설정 시 일정시간(예컨대 8시간) 후 난방 운전의 작동을 자동으로 정지시킨다.
제어기(C)는 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)의 수동 또는 자동 제어와, 제1, 2 온도센서(S1, S2)에서 신호를 입력받아 순환펌프(P)를 제어한다.
더욱이, 상기 제어기(C)는 축열조(130)의 내부에 설치된 제2 온도센서(S2)에서 감지한 축열조의 내부 온도(T2)가 난방 가능한 온도인 난방 최저 온도 이상이면 국소 난방 매체(140)가 제어되는 제1 스위치(SW1)의 인지 수단(156)이 작동될 수 있도록 제어한다. 즉, 상기 제어기(C)는 제2 온도센서(S2)에서 감지한 축열조의 내부 온도(T2)가 난방 최저 온도(34~36℃, 바람직하게는 35℃) 이상이면 국소 난방 매체(140)의 가동 여부를 제어하는 제1 스위치(SW1)의 인지 수단(156)을 작동시켜 사용자로 하여금 국소 난방 가능 상태를 알려주는 것이다.
한편, 자동 밸브(AV1, AV2) 대신 호스 커넥터 또는 커플링이 사용될 수도 있다. 여기서 사용되는 호스 커넥터는 배관에 물이 꽉 찬 상태에서 외부로 누수가 없이 온수 매트의 결합 및 분리가 가능하며, 분리된 상태에서는 막혀 있는 구조이다.
이하에서 동파 방지 모드, 축열조 난방 모드 및 보조 열원 난방 모드의 운전 패턴을 상세하게 살펴보겠다.
우선, 집열기(110)에 집열된 태양열을 통해 축열조(130)의 내부에 저장된 온수가 온수인입관(122)을 거친 후 연결배관(126)에 설치된 순환펌프(P)로 인해 온수배출관(124)으로 강제 순환된다. 이때, 연결배관(126) 상에 설치된 자동 밸브(AV3)는 개방된 상태이며, 축열조(130) 내 온수로 실외측 관들인 상기 온수인입관(122) 및 상기 온수 배출관(124)의 앞쪽(외부로 노출되는 축열조와의 연결 부위)을 가열하여 동파를 방지하는 것이다.
즉, 상기 동파 방지 모드는 도 4에 도시된 바와 같이 제어기(C)의 제어를 통해 온수인입관(122)의 일정 부분에 설치된 제1 온도센서(S1)의 센싱 온도(T1)가 설정 하한값 이하이면 순환펌프(P)를 ON시키고, 상기 순환펌프(P)의 ON 시간이 일정 시간 이상이 되거나, 상기 제1 온도센서(S1)의 센싱 온도(T1)가 설정 상한값 이상이면 상기 순환펌프(P)를 OFF시키게 된다.
여기서, 순환펌프(P)의 ON을 위한 설정 하한값은 2~4℃(바람직하게는 3℃)이며, 상기 순환펌프(P)의 OFF를 위한 설정 상한값은 7~9℃(바람직하게는 8℃)이다.
한편, 일정시간(예컨대 3분) 동안 순환펌프(P)가 작동되어도 제1 온도센서(S1)의 센싱 온도(T1)가 설정 상한값에 도달하지 못하면 상기 순환펌프(P)를 OFF시키고, 모든 자동 밸브(AV1, AV2, AV3, AV4)를 폐쇄한다.
이때, 순환펌프(P)가 ON 상태이면, 자동 밸브(AV3)는 개방되고 자동 밸브(AV1, AV2, AV4)는 폐쇄되며, 상기 순환펌프(P)가 OFF 상태이면 모든 자동 밸브(AV1, AV2, AV3, AV4)는 폐쇄된다.
상기 순환펌프(P)가 작동되면, 축열조(130), 좀 더 상세하게는 상기 축열조(130) 내부의 내부탱크에 존재하는 물이 온수배출관(124) 및 연결배관(126)을 지나 온수인입관(122)으로 유입되어 다시 상기 축열조(130)의 내부탱크로 유입된다. 이와 같은 경로를 지나 상기 내부탱크의 상대적으로 높은 온도의 물로 상기 온수배출관(124) 및 상기 온수인입관(122)의 온도를 상승시키는 것이다. 이때, 상기 순환펌프(P)가 작동되면 상기 체크 밸브(CV)는 개방되어 상기 연결배관(126)을 통해 물이 흐른다.
그 후, 온수배출관(124)의 온도가 제1 온도센서(S1)에 의해 센싱되어 설정 상한값에 도달하면 제어기(C)는 순환펌프(P)의 작동을 중지시킨다. 그리고 상기 순환펌프(P)의 동작이 중지되면 체크 밸브(CV)는 조건에 따라 폐쇄되고, 연결배관(126)을 통해 물이 역류되지 않게 된다.
이렇게, 온수인입관(122)의 온도뿐만 아니라 축열조(130) 내부의 물의 온도까지 고려하는 서로의 조건에 알맞도록 조절하도록 하였다. 이때, 순환펌프(P)의 동작을 위한 전력량은 열선을 가동시키는 경우보다 적게 소모되기 때문에 그 효율성이 더 좋아지고, 동절기에 수돗물을 흐르게 하여 동파를 방지하는 것과 같은 효과를 얻을 수 있어 상대적으로 낮은 온도에서 별도로 상기 축열조(130)를 가열하지 않아도 된다.
이와 같이, 온수배출관(124) 및 온수인입관(122)의 내부를 연결배관(126)을 통해 축열조(130) 내부의 물이 순환하도록 하여 상대적으로 낮은 온도에서도 태양열 온수시스템(100)의 동파를 방지할 수 있고, 그 효율 또한 좋아져 유지보수비용이 줄어들게 된다.
상기 축열조 난방 모드는 도 5에 도시된 바와 같이 온도조절기(160)의 제1 스위치(SW1)를 ON시키면 제어기(C)의 제어를 통해 작동을 시작하여 자동 밸브(AV1, AV2)를 개방하고, 자동 밸브(AV3)를 폐쇄하고, 자동 밸브(AV4)를 개방하며, 순환펌프(P)를 ON시킨다. 이때, 상기 축열조 난방 모드는 동파 방지 모드와 충돌이 발생하지 않는다.
즉, 상기 축열조 난방 모드는 집열기(130)의 온수가 온수 배출관(124)으로 배출되면서 연결배관(126)의 도중을 폐쇄한 자동 밸브(AV3)에 의해 상기 연결배관(126)에서 분기된 온수 인입호스(128a)와 국소 난방 매체(140) 및 온수 배출호스(128b)를 거친 후 온수인입관(122)으로 유동하며, 이와 동시에 상기 연결배관(126)에 연결된 바이패스 배관(126a)으로 바이패스 된다. 이때, 자동 밸브(AV4)는 완전히 개방된 전개(全開) 상태이다.
그 후, 제1 스위치(SW1)의 온도 설정값보다 상승하면 자동 밸브(AV4)의 개도(開道)가 줄어들기 시작하여 최종적으로 완전히 폐쇄되며, 바이패스 배관(126a)으로 바이패스된 온수와 축열조(130)의 온수가 혼합되면서 온수의 온도가 조절되는 것이다.
상기 보조 열원 난방 모드는 도 6에 도시된 바와 같이 온도조절기(160)의 제1 스위치(SW1)와 제2 스위치(SW2)를 각각 ON시키면 제어기(C)의 제어를 통해 작동을 시작하여 자동 밸브(AV1, AV2)를 개방하고, 자동 밸브(AV3)를 폐쇄하고, 자동 밸브(AV4)를 개방하며, 순환펌프(P)를 ON시킨다.
즉, 상기 보조 열원 난방 모드는 온수 배출관(124)으로 배출되는 집열기(130)의 온수가 연결배관(126)의 도중을 폐쇄한 자동 밸브(AV3)에 의해 상기 연결배관(126)에서 분기된 온수 인입호스(128a)와 국소 난방 매체(140) 및 온수 배출호스(128b)를 거친 후 상기 연결배관(126)에 연결된 바이패스 배관(126a)으로 순환된다. 이때, 자동 밸브(AV4)는 전개(全開) 상태이다.
여기서, 제1 스위치(SW1)에 의한 온도 설정값이 상승하면 온수 인입호스(128a)에 설치된 히터(H)의 출력이 높아지게 된다.
더욱이, 축열조(130) 온도가 난방에 사용하기 곤란한 온도 이하로 떨어지는 경우, 제2 스위치(SW2)를 통해 히터(H)를 가동하게 되는데, 이때는 평상시 폐쇄된 자동 밸브(AV4)가 개방되어 온수가 상기 축열조(130)를 거치지 않고 순환하게 된다.
한편, 상기 보조 열원 난방 모드는 동파 방지 모드와 충돌이 발생할 수 있으므로, 제1 온도센서(S1)의 센싱 온도(T1)가 설정온도(예컨대 3℃) 이하로 하강하면, 상기 보조 열원 난방 모드를 제어부(C)의 제어를 통해 일시적으로 중단하고, 즉시 상기 동파 방지 모드로 전환되게 한다.
이렇게 상기 보조 열원 난방 모드를 수행[사용자(거주자)가 방 내부에 구비된 국소 난방 매체인 온수 매트를 통해 국소 난방을 하고자 하는 경우]하기 위해서는 온수 매트를 호스 커넥터(152)를 통해 연결호스(128)에 접속시킨다. 한편, 사용자는 방 내부에 설치된 제1 스위치(SW1)의 인지 수단(156: LED 점등 등)을 통해 축열조(130)의 온도가 국소 난방이 가능한 상태임을 인지한 상태이다.
다음으로, 국소 난방이 가능한 상태인 경우, 사용자가 실내에 설치된 제1 스위치(SW1)를 조작하면 자동 밸브(AV3)가 폐쇄되면서 평상시 폐쇄된 자동 밸브(AV1, AV2)는 개방되고 순환펌프(P)는 ON되어 상기 온수 매트로 축열조(130)의 온수를 공급한다.
다음으로, 온수 매트의 사용이 불필요한 경우 제1 스위치(SW1)를 조작하여 OFF시키면 자동 밸브(AV3)가 개방되고, 개방된 자동 밸브(AV1, AV2)는 폐쇄되면서 연결배관(126)에서 온수 배출관(124)으로 연통되며, 그 후 온수 매트를 연결호스(128)에서 분리시킨다.
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: 태양열 온수시스템
110: 집열기 120: 온수순환배관
128: 연결호스 130: 축열조
140: 국소 난방 매체 150: 접속함
160: 온도조절기 C: 제어기
H: 히터 P: 순환펌프
S1, S2: 제1, 2 온도센서

Claims (9)

  1. 축열조에 연결된 온수배출관의 온도가 설정 하한값 이하면 작동되고, 설정 상한값 이상이면 정지되는 동파 방지 모드;
    실내에 설치된 제2 스위치의 작동 상태에 따라 구현 여부가 결정되는 축열조 난방 모드; 및
    상기 실내에 설치된 제1 스위치 및 상기 제2 스위치의 작동 상태에 따라 구현 여부가 결정되는 보조 열원 난방 모드를 선택적으로 구현 가능하며,
    상기 동파 방지 모드는, 상기 축열조의 온수가 상기 온수배출관에서 상기 온수배출관과 온수인입관을 연결하는 연결배관을 거쳐 상기 온수인입관으로 유동하고,
    상기 축열조 난방 모드는, 상기 축열조의 온수가 상기 온수배출관에서 상기 연결배관에 연결된 온수 인입호스와 온수 배출호스를 통해 국소 난방 매체를 거친 후 상기 온수인입관으로 유동하면서, 상기 연결배관의 양쪽 끝 부분을 분기하여 연결하는 바이패스 배관으로 유동하고,
    상기 보조 열원 난방 모드는, 상기 축열조의 온수가 상기 바이패스 배관과, 상기 연결배관에 연결된 상기 온수 인입호스와 상기 온수 배출호스를 통해 상기 국소 난방 매체를 거쳐 상기 온수인입관으로 유동하는 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 동파 방지 모드는,
    상기 온수인입관의 일정 부분에 대한 온도(T1)가 설정 하한값 이하이면 상기 연결배관의 도중에 설치된 순환펌프를 ON시키고, 상기 온수인입관의 일정 부분에 대한 온도(T1)가 설정 상한값 이상이거나 상기 순환펌프의 ON 시간이 일정 시간 이상이면 상기 순환펌프를 OFF시키는 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 축열조 난방 모드와, 상기 보조 열원 난방 모드는,
    상기 온수 인입호스와 상기 온수 배출호스에 각각 구비된 자동 밸브(AV1, AV2)가 개방되고, 상기 연결배관에 구비된 자동 밸브(AV3)가 폐쇄되고, 상기 바이패스 배관에 구비된 자동 밸브(AV4)가 개방되며, 상기 바이패스 배관에 구비된 순환펌프가 작동하는 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 축열조 난방 모드는,
    상기 제1 스위치의 온도 설정값이 상승하면, 상기 바이패스 배관에 구비되는 자동 밸브(AV4)의 개도(開道) 정도가 줄어들면서 폐쇄되는 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 축열조 난방 모드는 상기 바이패스 배관으로 바이패스된 온수와 축열조의 온수가 혼합되면서 온도가 조절되는 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 보조 열원 난방 모드는,
    상기 제1 스위치의 온도 설정값이 상승하면, 상기 온수 인입호스에 설치된 히터의 출력이 상승되는 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 온수배출관의 온도가 설정값 이하로 하강되면, 상기 보조 열원 난방 모드를 중지하고, 상기 동파방지 모드로 전환되게 하는 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 실내에 상기 국소 난방 매체를 접속하기 위한 접속함이 구비되되,
    상기 접속함은, 상기 실내까지 연결된 연결호스에 상기 국소 난방 매체가 접속되도록 구비되는 호스 커넥터와, 제어기의 신호선이 접속되는 신호선 연결단자와, 상기 축열조의 내부 온도(T2)가 난방 최저 온도 이상이면 난방 가능 상태를 인지시키는 인지 수단을 포함하는 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기와 연계된 온도조절기를 더 포함하여 상기 실내의 난방 온도를 조절하게 하는 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법.
KR1020130023660A 2013-03-06 2013-03-06 태양열 온수시스템의 국소난방 제어방법 KR101432041B1 (ko)

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5806511A (en) 1995-01-13 1998-09-15 Hart; Douglas Robinson Sanford Method and apparatus to provide freeze protection for solar water heating systems
KR200164696Y1 (ko) 1997-04-14 2000-01-15 송석원 태양열과 보일러를 병렬 이용한 온수공급과 난방수공급 시스템
KR101058575B1 (ko) 2009-03-23 2011-08-23 이한출 태양열을 이용한 난방장치
KR101203033B1 (ko) 2010-06-30 2012-11-20 경희대학교 산학협력단 태양열 온수시스템

Patent Citations (4)

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