KR101436071B1 - 개별난방 시스템 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 개별난방 시스템은, 난방 온수를 생산하는 보일러, 온수를 공급하기 위한 급수배관, 방에 매설되는 온수관, 온수를 보일러로 환수시키기 위한 환수배관, 온수를 강제 유동시키는 순환펌프, 급수배관과 환수배관 사이에 설치되는 바이패스관, 보일러 쪽에 연결되는 배출부와 온수관 쪽에 연결되는 제 1 유입부 및 바이패스관 쪽에 연결되는 제 2 유입부를 갖는 삼방밸브, 삼방밸브의 개도량을 조절하고 삼방밸브의 내부 유로를 가변시키는 삼방밸브구동 액츄에이터, 환수배관을 통해 환수되는 온수의 환수유량(Qr)을 검출하기 위한 환수 유량계, 바이패스관을 통해 바이패스되는 온수의 바이패스유량을 검출하기 위한 바이패스 유량계, 순환펌프 및 삼방밸브구동 액츄에이터를 제어하는 제어장치를 포함한다. 제어장치는 온수관을 통과하여 보일러로 환수되는 온수의 환수유량(Qr)이 운전 최소유량(Qm)에 미치지 못할 때, 바이패스관을 통해 보일러로 온수를 바이패스시켜 보일러로 환수되는 온수의 총 유량을 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시킨다.

Description

개별난방 시스템 및 그 제어방법{Individual heating system and method for controlling the same}

본 발명은 개별난방 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 난방 부하가 줄더라도 온수 순환 유량을 보일러 운전에 필요한 운전 최소유량 이상으로 유지시킴으로써, 안전하고 효율적인 운전이 가능한 개별 난방시스템 및 그 제어방법에 관한 것이다.

공동주택의 난방방식을 열원의 생산방식에 따라 크게 분류하면 개별난방방식, 중앙난방방식, 지역난방방식으로 구분할 수 있다. 개별난방방식은 세대별로 설치된 개별 보일러에 의하여 난방운전을 실시하는 것이고, 중앙난방방식은 각 단지별 중앙기계실에서 생산된 열원을 직접 또는 기계실의 열교환기를 통하여 각각의 세대에 공급하는 방식이다. 지역난방방식은 일정 지역 또는 일정 규모의 열생산설비에 의하여 일괄로 생산된 열원을 일정 지역의 공동주택단지나 대형건축물에 공급하는 방식이다.

개별난방방식은 공동주택의 세대별로 열원을 생산하고 개별적으로 난방운전을 시행하는 방식으로서 가정용 보일러의 효율상승과 소형화, 그리고 사용연료가 유류에서 전기, 도시가스로 다양화되면서 보급이 크게 늘고 있다. 특히, 이들 소형 보일러를 이용한 개별난방방식이 중앙난방방식에 비하여 난방비 징수의 불합리한 측면을 해소하고 거주자의 의지에 따라 관리비의 절감과 운전비가 경제적이라는 장점이 있다.

중앙난방방식은 지역난방방식이 도입되기 전까지 대부분의 공동주택에 적용된 난방방식으로서 단지 내에 중앙기계실을 설치하고 1기 또는 수기의 보일러에 의하여 중온수를 생산하고, 다시 중간기계실에서 열교환을 통하여 중온수를 바닥난방에 적합한 저온수로 변환하여 각 세대로 온수를 공급하는 방식이다. 이 방식에서 온수공급 시간대와 시간 및 횟수는 해당지역의 외기 온도 변동을 주요 변수로 하여 미리 설정된 난방운전 일정표에 의해서 일일중 3 ~ 4회 내외로 간헐적인 온수공급을 시행하는 것이 일반적이다.

지역난방방식에 의한 대단위 열원공급은 신도시의 개발과 함께 급속하게 보급이 확대되었다. 지역난방을 실시하는 공동주택에는 세대별로 열량계 또는 유량계가 설치되고 세대별 또는 실별로 실내온도조절기가 부착됨으로써 실질적인 실온제어가 가능하다. 지역난방에서 열원분배 시스템을 열원의 분배 측면에서 구분하면 지역난방공사로부터의 열원 공급을 1차측, 지역난방으로부터 공급된 열원을 세대의 난방에 적합하도록 제어하는 기계실 부문을 2차측, 그리고 세대 내로의 열원공급을 3차측으로 구분할 수 있다. 일반적으로 지역난방방식에서 난방공급온도 60℃, 난방환수온수 45℃로 설계조건이 맞추어져 있으며, 외기 온도에 따라 온수온도 설정을 다르게 하여 온수를 공급한다.

이와 같은 다양한 공동주택의 난방방식에 있어서 각 세대별로는 개별난방 시스템이 구비된다. 개별난방 시스템은 각 방 제어 시스템으로 불리는 것으로, 각 방마다 별도의 온도 조절기를 설치하여 각 방의 실내온도를 따로따로 조절할 수 있는 에너지 절약형 난방시스템이다. 개별난방 시스템은 각 방마다 온수관이 매설되며 난방이 필요하지 않은 경우 해당 온수관의 밸브를 닫음으로써 불필요한 에너지의 낭비를 막고 연료비를 절감할 수 있다.

개별난방 시스템의 경우, 온수를 공급하기 위한 보일러의 난방 용량은 보일러 설계 시 결정되며, 각 가정에는 난방 용량이 결정된 보일러가 공급된다. 이러한 개별난방 시스템의 일예는 대한민국 등록특허공보 제0924466호(2009. 10. 26 등록) 등에 개시되어 있다.

통상적으로 보일러는 난방 기능과 급탕 기능을 동시에 수행하게 되는데, 난방 부하는 30%를 차지하는 반면 급탕 부하는 70%를 차지하여, 보일러 용량이 과대 설계되는 경향이 있다. 보일러 설계 시 보일러의 운전 열량(Q)이 결정되는데, 보일러의 열량(Q)은 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

여기에서, m은 유량이고, Cp는 비열이고, ΔT는 온도 제어편차를 나타낸다. Cp는 상수이므로, 온수의 유량 m과 온수의 온도 제어편차 ΔT가 보일러의 열량에 영향을 주는 인자이다.

개별난방 시스템에 있어서 보일러의 운전 열량에 따라 보일러 운전에 필요한 최소유량이 정해진다. 여기에서, 보일러의 운전 최소유량은 특별히 설정된 값은 아니나, 보일러의 운전에 문제가 발생하지 않도록 하기 위해 필요한 최소의 유량을 나타낸다. 보일러의 운전에 있어서 보일러가 운전 최소유량을 확보하지 못하면 여러 가지 문제가 생길 수 있다.

즉, 보일러에서 공급되어 각 방을 거쳐 다시 보일러로 회수되는 온수 순환 유량이 운전 최소유량에 못 미치면, 보일러 온수 온도가 급격하게 상승하여 정상적인 온도 제어편차보다 온도가 많이 올라가게 되고, 보일러의 과열방지 기능에 의해 보일러의 전원이 일시적으로 차단되고 보일러가 완전히 꺼지게 된다. 여기에서, 보일러의 과열방지 기능은 보일러 내 온수 온도가 일정 이상 상승하면 보일러의 폭발 등의 문제를 막기 위해 보일러에 내장된 기능이다.

또한 온수 온도 제어 시 온도 제어편차가 커지면 보일러의 가스점화 누적 시간이 동일하더라도 가스가 충분히 타는데 필요한 최소 시간을 확보하지 못해 가스점화 효율이 떨어지게 된다. 가스점화 효율이 떨어지면 가스 사용량이 늘어나는 문제가 생긴다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 온수 순환 유량을 보일러의 운전에 필요한 온전 최소유량 이상으로 유지시킴으로써, 보일러의 안전하고 효율적인 운전이 가능하고, 가스 사용량을 줄일 수 있는 개별난방 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

또한 본 발명의 다른 목적은 온수 공급을 통한 난방 중에 각 방의 난방 설정온도와 현재온도, 급수 온도 및 환수 온도 등을 종합적으로 고려하여 각 방으로 공급되는 난방 온수의 유량을 정밀하게 제어함으로써, 에너지 낭비를 줄이고 효율적인 난방 운전이 가능한 개별난방 시스템 및 그 제어방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 개별난방 시스템은, 난방 온수를 생산하는 보일러, 온수를 공급하기 위해 보일러에 연결되는 급수배관, 상기 급수배관으로부터 온수를 공급받을 수 있도록 상기 급수배관에 연결되고 난방 대상이 되는 방에 매설되는 온수관, 상기 온수관을 통과한 온수를 상기 보일러로 환수시키기 위해 상기 온수관과 상기 보일러를 연결하는 환수배관, 상기 보일러를 통과한 온수를 상기 급수배관과 상기 온수관 및 상기 환수배관을 따라 강제 유동시키는 순환펌프, 상기 급수배관의 온수를 상기 온수관을 거치지 않고 상기 환수배관으로 바이패스시키기 위해 상기 급수배관과 상기 환수배관 사이에 설치되는 바이패스관, 상기 보일러 쪽에 연결되는 배출부와 상기 온수관 쪽에 연결되고 상기 배출부와 선택적으로 연결되는 제 1 유입부 및 상기 바이패스관 쪽에 연결되고 상기 배출부와 선택적으로 연결되는 제 2 유입부를 갖는 삼방밸브, 상기 삼방밸브의 개도량을 조절하고 상기 삼방밸브의 내부 유로를 가변시키기 위해 상기 삼방밸브에 결합되는 삼방밸브구동 액츄에이터, 상기 환수배관을 통해 상기 보일러로 환수되는 온수의 환수유량(Qr)을 검출하기 위한 환수 유량계, 상기 바이패스관을 통해 바이패스되는 온수의 바이패스유량을 검출하기 위한 바이패스 유량계, 상기 방의 난방 온도를 설정하기 위한 온도 조절기, 상기 환수 유량계로부터 상기 보일러로 환수되는 온수의 환수유량(Qr) 정보 및 상기 바이패스 유량계로부터 상기 환수배관으로 바이패스되는 온수의 바이패스유량 정보를 입력받고, 상기 순환펌프 및 상기 삼방밸브구동 액츄에이터를 제어하는 제어장치를 포함한다. 상기 제어장치는 상기 온수관을 통과하여 상기 보일러로 환수되는 온수의 환수유량(Qr)이 운전 최소유량(Qm)에 미치지 못할 때, 상기 바이패스관을 통해 상기 보일러로 온수를 바이패스시켜 상기 보일러로 환수되는 온수의 총 유량을 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시킨다.

본 발명에 의한 개별난방 시스템은, 상기 온수관을 통한 온수의 유량을 제어하기 위해 상기 온수관에 설치되는 자동제어밸브, 상기 자동제어밸브의 개도량을 조절하기 위해 상기 자동제어밸브에 결합되는 밸브구동 액츄에이터, 상기 방의 실내온도를 검출하여 그 검출 정보를 상기 제어장치에 제공하기 위해 상기 방에 설치되는 실내온도 검출기, 상기 방으로 공급되는 온수의 급수온도를 검출하여 그 검출 정보를 상기 제어장치에 제공하기 위해 상기 방의 상류에 설치되는 급수온도 검출기, 상기 방에서 배출되는 온수의 환수온도를 검출하여 그 검출 정보를 상기 제어장치에 제공하기 위해 상기 방의 하류에 설치되는 환수온도 검출기, 상기 방의 난방 온도를 설정하기 위한 온도 조절기를 더 포함하고, 상기 제어장치는 상기 온도 조절기에 설정된 설정온도가 상기 실내온도 이상이면 상기 온수관으로 온수를 유동시켜 난방 운전을 진행하되, 상기 급수온도와 상기 환수온도의 온도차가 기준 온수 온도차(ΔTw) 미만이고 상기 환수온도가 미리 설정된 기준 시간(td) 동안 일정량 이상 상승하면 상기 자동제어밸브의 개도량을 미리 설정된 최소 개도량 이상의 범위 내에서 일정량씩 저감시킬 수 있다.

상기 제어장치는 상기 급수온도와 상기 환수온도의 온도차가 상기 기준 온수 온도차(ΔTw) 미만일 때 상기 순환펌프를 감속 운전시킬 수 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 개별난방 시스템의 제어방법은, (a) 난방 설정온도와 방의 실내온도를 비교하는 단계, (b) 상기 설정온도가 상기 실내온도보다 높으면, 보일러에 연결된 온수관을 통해 상기 방으로 공급되는 온수의 유량을 제어하기 위한 자동제어밸브를 개방하여 상기 온수관으로 온수를 공급하는 단계, (c) 상기 온수관을 통과하여 상기 보일러로 환수되는 온수의 환수유량(Qr)과 운전 최소유량(Qm)을 비교하는 단계, (d) 상기 환수유량(Qr)이 상기 운전 최소유량(Qm)에 미치지 못할 때, 상기 보일러에서 상기 온수관으로 공급되는 온수 중 일부를 상기 보일러로 바이패스시켜 상기 환수유량(Qr)을 상기 운전 최소유량(Qm) 이상으로 조정하는 단계를 포함한다.

본 발명에 의한 개별난방 시스템의 제어방법은, 상기 (b) 단계 이후, (e) 상기 온수관을 통해 상기 방으로 공급되는 온수의 급수온도와 상기 방에서 배출되는 온수의 환수온도의 온도차를 기준 온수 온도차(ΔTw)와 비교하는 단계, (f) 상기 급수온도와 상기 환수온도의 온도차가 상기 기준 온수 온도차(ΔTw)보다 작으면 상기 온수관을 따라 유동하는 온수의 유속을 감소시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 개별난방 시스템의 제어방법은, 상기 (f) 단계 이후, (g) 상기 급수온도와 상기 환수온도의 온도차가 기준 온수 온도차(ΔTw)보다 작으면, 상기 환수온도가 기준 시간동안(td) 동안 제 1 설정 환수온도 상승값(Td1) 이상 상승하는지 판단하는 단계, (h) 상기 환수온도가 상기 기준 시간(td) 동안 상기 제 1 설정 환수온도 상승값(Td) 이상 상승하면, 상기 자동제어밸브의 개도량을 미리 설정된 중간 개도량 이상의 범위 내에서 미리 설정된 기준 개도 조절량만큼씩 저감시키고, 온수의 바이패스 유량을 조정하여 상기 환수유량(Qr)을 상기 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시키는 단계, (i) 상기 설정온도와 상기 실내온도를 비교하여 상기 설정온도와 상기 실내온도의 온도차가 미리 설정된 제 1 설정 실내온도차(ΔTr1)보다 작으면, 상기 자동제어밸브의 개도량을 상기 중간 개도량까지 저감시키고, 온수의 바이패스 유량을 조정하여 상기 환수유량(Qr)을 상기 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시키는 단계, (j) 환수온도가 낮아지는지 판단하는 단계, (k) 환수온도가 낮아지면 상기 자동제어밸브의 개도량을 상기 기준 개도 조절량만큼씩 증가시키고, 온수의 바이패스 유량을 조정하여 상기 환수유량(Qr)을 상기 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 개별난방 시스템의 제어방법은, 상기 (i) 단계 이후 상기 (j) 단계 이전에, 상기 설정온도와 상기 실내온도의 온도차를 미리 설정된 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2)와 비교하는 단계를 더 포함하고, 상기 설정온도와 상기 실내온도의 온도차가 상기 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2)보다 작을 때만 상기 (j) 단계 이후의 단계를 수행할 수 있다.

본 발명에 의한 개별난방 시스템의 제어방법은, 상기 (k) 단계 이후에, 상기 환수온도가 상기 기준 시간(td) 동안 상기 제 1 설정 환수온도 상승값(Td1)보다 작은 제 2 설정 환수온도 상승값(Td2) 이상 상승하는지 판단하는 단계, 상기 환수온도가 상기 기준 시간동안(td) 동안 상기 제 2 설정 환수온도 상승값(Td2) 이상 상승하면, 상기 자동제어밸브의 개도량을 미리 설정된 최소 개도량 이상의 범위 내에서 상기 기준 개도 조절량만큼씩 저감시키고, 온수의 바이패스 유량을 조정하여 상기 환수유량(Qr)을 상기 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 개별난방 시스템의 제어방법은, 상기 (k) 단계 이후에, 난방 운전 시간이 최대 난방시간(tm)을 지난 경우 상기 실내온도가 상승하는지 판단하는 단계, 난방 운전 시간이 최대 난방시간(tm)을 지나서 상기 실내온도가 상승하지 않으면, 상기 자동제어밸브를 닫는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 의한 개별난방 시스템은 온수 순환 유량이 보일러의 운전에 필요한 운전 최소유량에 미치지 못할 때, 바이패스관을 통해 운전 최소유량에서 부족한 유량만큼의 온수를 보일러 쪽으로 바이패스시킴으로써, 온수 순환 유량을 운전 최소유량 이상으로 유지시킬 수 있다. 따라서 온수 순환 유량의 부족으로 인한 온수 온도의 급격한 상승, 설정치 이상으로 온도가 상승된 온수로 인한 피해를 방지하기 위하여 과열방지 기능의 작동에 따른 의한 보일러의 운전 정지, 가스연소 효율 저감 등 종래의 문제점을 해결할 수 있고, 보일러의 안전하고 효율적인 운전이 가능하며, 가스 사용량을 줄일 수 있다.

또한 본 발명에 의한 개별난방 시스템은 난방 설정온도, 실내온도, 급수온도 및 환수온도를 고려하여 방을 효율적으로 난방하는데 필요한 최적 유량의 온수가 방으로 공급될 수 있도록 자동제어밸브의 개도량을 실시간으로 조정함으로써, 효율적인 난방 운전이 가능하고, 에너지 낭비를 줄일 수 있으며 난방비를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 개별난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 의한 개별난방 시스템의 제어흐름도이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 의한 개별난방 시스템 및 난방 제어방법에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의를 위해 과장되거나 단순화되어 나타날 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들은 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 개별난방 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.

도 1에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일실시예에 의한 개별 난방시스템(100)은, 난방 온수를 생산하는 보일러(101), 온수의 공급을 위해 보일러(101)에 연결되는 급수배관(107), 온수의 환수를 위해 보일러(101)에 연결되는 환수배관(108), 급수배관(107)에 연결되는 급수헤더(110), 급수헤더(110)에서 공급되는 온수의 열을 각 방(121)(122)(123)(124)으로 제공하기 위한 복수의 온수관(126)(127)(128)(129), 각 온수관(126)(127)(128)(129)을 통과한 온수를 모아 환수배관(108)으로 안내하는 환수헤더(130), 각 방(121)(122)(123)(124)의 난방 온도를 설정하기 위한 복수의 온도 조절기(156)(157)(158)(159), 난방시스템(100)의 전반적인 동작을 제어하는 제어장치(160)를 포함한다. 보일러(101)는 통상적인 구조를 갖는 것으로, 환수배관(108)을 통해 환수되는 온수가 유입되는 물탱크(102), 물탱크(102)에서 급수배관(107)으로 유동하는 온수를 가열하기 위한 열교환기(103) 및 버너(104), 온수를 강제 순환시키기 위한 순환펌프(105)를 구비한다.

복수의 온수관(126)(127)(128)(129)은 각각의 방(121)(122)(123)(124)에 매설되며, 온수가 온수관(126)(127)(128)(129)을 통해 유동함으로써 방(121)(122)(123)(124)에 대한 난방이 이루어진다. 각 온수관(126)(127)(128)(129)의 급수헤더(110)와 각 방(121)(122)(123)(124) 사이에는 온수공급밸브(141)(142)(143)(144)가 설치된다. 온수공급밸브(141)(142)(143)(144)는 온수관(126)(127)(128)(129)을 통한 온수의 유동을 단속하기 위한 것으로, 사용자는 온수공급밸브(141)(142)(143)(144)를 수동으로 조작하여 온수관(126)(127)(128)(129)으로의 온수 공급을 차단할 수 있다.

또한 온수관(126)(127)(128)(129)의 각 방(121)(122)(123)(124)과 환수헤더(130) 사이에는 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)가 설치된다. 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)는 온수관(126)(127)(128)(129)을 통해 유동하는 온수의 유량을 조절하는 역할을 한다. 각 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)에는 밸브구동 액츄에이터(151)(152)(153)(154)가 결합된다. 밸브구동 액츄에이터(151)(152)(153)(154)는 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 조절함으로써 온수관(126)(127)(128)(129)을 통해 각 방(121)(122)(123)(124)으로 공급되는 온수의 유량을 제어한다.

밸브구동 액츄에이터(151)(152)(153)(154)는 제어장치(160)에 의해 제어된다. 제어장치(160)는 사용자가 온도 조절기(156)(157)(158)(159)를 통해 난방이 필요한 방(121)(122)(123)(124)과 난방 온도를 설정하면, 해당 온수관(126)(127)(128)(129)의 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)에 결합된 밸브구동 액츄에이터(151)(152)(153)(154)를 작동시켜 해당 온수관(126)(127)(128)(129)을 통해 온수가 유동하도록 한다.

각 방(121)(122)(123)(124)에는 각 방(121)(122)(123)(124)의 실내온도를 검출하기 위한 실내온도 검출기(171)(172)(173)(174)가 설치되고, 방(121)(122)(123)(124)보다 상류의 온수관(126)(127)(128)(129)에는 각 방(121)(122)(123)(124)으로 공급되는 온수의 온도를 검출하기 위한 급수온도 검출기(176)(177)(178)(179)가 설치된다. 그리고 방(121)(122)(123)(124)보다 하류의 온수관(126)(127)(128)(129)에는 각 방(121)(122)(123)(124)에서 환수헤더(130)로 환수되는 온수의 온도를 검출하기 위한 환수온도 검출기(181)(182)(183)(184)가 설치된다.

급수배관(107)과 환수배관(108) 사이에는 바이패스관(186)이 설치되고, 바이패스관(186)과 환수배관(108)의 연결부에는 삼방밸브(188)가 설치된다. 바이패스관(186)은 급수배관(107)으로 공급되는 온수를 온수관(126)(127)(128)(129)을 거치지 않고 환수배관(108)으로 바이패스시키는 역할을 하는 것으로, 바이패스관(186)을 통한 온수의 유동은 삼방밸브(188)에 의해 제어된다. 삼방밸브(188)는 보일러 쪽에 연결되는 배출부(188a), 온수관(126)(127)(128)(129) 쪽에 연결되는 제 1 유입부(188b), 바이패스관(186) 쪽에 연결되는 제 2 유입부(188c)를 포함한다. 제 1 유입부(188b)와 제 2 유입부(188c)는 선택적으로 배출부(188a)와 연결된다.

삼방밸브(188)에 결합된 삼방밸브구동 액츄에이터(189)는 삼방밸브(188)의 개도량을 조절하고 삼방밸브(188)의 내부 유로를 가변시킨다. 삼방밸브구동 액츄에이터(189)의 동작은 제어장치(160)에 의해 제어되며, 제어장치(160)는 삼방밸브구동 액츄에이터(189)를 제어하여 삼방밸브(188)의 개도량을 조절하고, 삼방밸브(188)의 내부 유로를 변경하여 제 1 유입부(188b)와 제 2 유입부(188c)를 선택적으로 배출부(188a)에 연결한다.

이 밖에, 환수배관(108)의 삼방밸브(188) 상류에는 온수관(126)(127)(128)(129)에서 보일러(101)로 환수되는 온수의 환수유량(Qr)을 검출하기 위한 환수 유량계(191)가 설치되고, 바이패스관(186)에는 바이패스관(186)을 따라 유동하는 온수의 바이패스 유량을 검출하기 위한 바이패스 유량계(192)가 설치된다. 환수 유량계(191) 및 바이패스 유량계(192)의 검출 정보는 제어장치(160)에 제공된다.

제어장치(160)는 실내온도 검출기(171)(172)(173)(174)로부터 방(121)(122)(123)(124)의 실내온도, 급수온도 검출기(176)(177)(178)(179)로부터 방(121)(122)(123)(124)으로 공급되는 온수의 급수온도, 환수온도 검출기(181)(182)(183)(184)로부터 방(121)(122)(123)(124)에서 배출되는 온수의 환수온도, 온도 조절기(156)(157)(158)(159)로부터 방(121)(122)(123)(124)의 설정온도, 환수 유량계(191)로부터 환수유량, 바이패스 유량계(192)로부터 바이패스유량에 대한 정보를 제공받는다. 또한 제어장치(160)는 밸브구동 액츄에이터(151)(152)(153)(154)를 제어하여 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 정밀하게 조절하고, 삼방밸브구동 액츄에이터(189)를 제어하여 삼방밸브(188)의 개도량 및 내유 유로를 조정하며, 순환펌프(105)를 제어하여 방(121)(122)(123)(124)에 공급되는 온수의 유속을 변화시킨다.

이러한 제어장치(160)에 의한 난방 제어 동작은 도 2에 나타낸 제어흐름도와 같다.

사용자가 온도 조절기(156)(157)(158)(159)를 이용하여 난방 모드를 선택하고 방(121)(122)(123)(124)의 난방 온도를 설정하면, 제어장치(160)는 먼저 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)를 최대로 개방한다. 이후, 설정온도와 방(121)(122)(123)(124)의 실내온도를 비교하고(S11), 설정온도가 실내온도 이하이면 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)를 닫아 난방 운전을 종료한다.

설정온도가 실내온도보다 크면, 제어장치(160)는 급수온도 검출기(176)(177)(178)(179)와 환수온도 검출기(181)(182)(183)(184)로부터 방(121)(122)(123)(124)으로 공급되는 온수의 급수온도와 방(121)(122)(123)(124)을 통과한 온수의 환수온도의 온도차를 기준 온수 온도차(ΔTw, 예컨대 15℃)와 비교한다(S13).

급수온도와 환수온도의 온도차가 기준 온수 온도차(ΔTw) 이상일 때는 공급되는 온수와 방(121)(122)(123)(124)의 실내 공기 사이에 열교환이 활발하게 이루어져 온수에 의한 난방이 효율적으로 이루어지고 있을 때이다. 따라서, 제어장치(160)는 급수온도와 환수온도의 온도차가 기준 온수 온도차(ΔTw) 이상이면, 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 최대로 조정하거나 최대 개도량을 유지시켜 해당 온수관(126)(127)(128)(129)을 통해 온수가 최대 유량으로 공급되도록 함으로써 방(121)(122)(123)(124)의 실내온도가 신속하게 상승하도록 한다.(S14)

그리고 제어장치(160)는 환수 유량계(191)로부터 온수관(126)(127)(128)(129)에서 보일러(101)로 환수되는 온수의 환수유량(Qr)에 대한 정보를 제공받고, 환수유량(Qr)을 운전 최소유량(Qm)과 비교한다(S15). 환수유량(Qr)이 운전 최소유량(Qm)에 미치지 못하는 경우, 제어장치(160)는 삼방밸브구동 액츄에이터(189)를 제어하여 삼방밸브(188)의 제 2 유입부(188c)와 배출부(188a) 사이의 유로를 일정량 개방하여 바이패스관(186)을 통해 보일러(101)에서 공급되는 온수의 일부를 환수배관(108)으로 바이패스시킨다(S16). 이렇게 바이패스관(186)을 통해 온수를 바이패스시키면 보일러(101)로 환수되는 총유량을 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시킬 수 있다.

급수온도와 환수온도의 온도차가 기준 온수 온도차(ΔTw)보다 작아질 때는 온수의 열교환 효율이 떨어지는 경우이다. 이때는 공급되는 온수의 열량 중 많은 부분이 방(121)(122)(123)(124)의 실내공기로 원활하게 공급되지 않고 방(121)(122)(123)(124)을 그대로 통과하게 되므로 공급 유량과 유속을 그대로 유지하면 에너지가 낭비된다.

이 경우 제어장치(160)는 순환펌프(105)를 감속 운전시켜(S17) 온수의 유동속도를 줄이고, 다음의 단계를 통해 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 일정량 감소시키며, 바이패스관(186)을 통한 온수의 바이패스 유량을 조정하여 보일러(101)로 환수되는 환수유량(Qr)을 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시킨다. 순환펌프(105)가 감속 운전되어 온수의 유동속도가 줄어들면, 온수관(126)(127)(128)(129)을 통과하는 온수의 열교환 시간이 증가하여 온수의 난방 효율이 높아진다.

급수온도와 환수온도의 온도차가 기준 온수 온도차(ΔTw)보다 작아지면, 제어장치(160)는 환수온도 검출기(181)(182)(183)(184)로부터 환수온도를 실시간으로 제공받아 환수온도가 기준 시간동안(td, 예컨대, 10분) 어느 정도 상승하는지 판단한다(S18). 그리고 환수온도가 기준 시간동안(td) 제 1 설정 환수온도 상승값(Td1, 예컨대 5℃) 이상 상승한 경우, 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 중간 개도량(예컨대, 최대 개도량의 50%)의 이상 범위 내에서 기준 개도 조절량(예컨대, 최대 개도량의 10%씩)만큼씩 감소시키고, 삼방밸브구동 액츄에이터(189)를 제어하여 바이패스관(186)을 통한 바이패스 유량을 조정하여 환수유량(Qr)을 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시킨다(S19).

환수온도가 기준 시간동안(td) 제 1 설정 환수온도 상승값(Td1) 이상 상승하는 것은 온수를 통해 공급되는 열량 중 많은 부분이 방(121)(122)(123)(124)에서 그대로 빠져나와 온수의 열교환 효율이 지속적으로 나빠지고 있음을 나타낸다. 이 경우 제어장치(160)는 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 줄임으로써 방(121)(122)(123)(124)을 난방하지 못하고 방(121)(122)(123)(124)에서 그대로 빠져나오는 열량을 줄이게 되는 것이다. 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량이 감소하여 방(121)(122)(123)(124)으로 공급되는 온수의 유량이 줄어들면 방(121)(122)(123)(124)으로 공급되는 열량이 줄어든다. 이에 의해 방(121)(122)(123)(124)으로 공급되는 온수의 열량 중 난방에 이용되는 열량의 비율이 상대적으로 높아져 온수의 열교환 효율이 상승하고, 환수온도의 온도 상승값이 작아지게 된다.

환수온도가 기준 시간동안(td) 제 1 설정 환수온도 상승값(Td1) 이상 상승하지 않으면, 제어장치(160)는 사용자가 설정한 설정온도와 현재의 실내온도를 비교한다(S20). 설정온도와 실내온도의 온도차가 제 1 설정 실내온도차(ΔTr1, 예컨대 3℃) 이상이면 제어장치(160)는 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 그대로 유지한다. 반면, 설정온도와 실내온도의 온도차가 제 1 설정 실내온도차(ΔTr1) 미만이면 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량이 중간 개도량인지 판단하고(S21), 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량이 중간 개도량이 아니면 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 중간 개도량으로 감소시키고, 바이패스관(186)을 통한 바이패스 유량을 조정하여 환수유량(Qr)을 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시킨다(S22).

설정온도와 실내온도의 온도차가 제 1 설정 실내온도차(ΔTr1) 미만인 경우는 실내온도가 설정온도에 접근했음을 의미한다. 실내온도가 설정온도에 접근했을 때 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 중간 개도량으로 감소시켜 방(121)(122)(123)(124)에 공급되는 열량을 줄이면 방(121)(122)(123)(124)의 실내온도를 서서히 상승시킬 수 있고, 효율적인 운전이 가능하다.

자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량이 중간 개도량인 상태에서 설정온도와 실내온도의 온도차가 제 1 설정 실내온도차(ΔTr1) 미만인 경우, 제어장치(160)는 사용자가 설정한 설정온도와 현재의 실내온도를 다시 비교하여 설정온도와 실내온도의 온도차가 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2) 이상인지 판단한다(S23). 여기에서 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2)는 제 1 설정 실내온도차(ΔTr1)보다 작은 값(예컨대 1℃)이다.

설정온도와 실내온도의 온도차가 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2) 이상이면 제어장치(160)는 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 중간 개도량 그대로 유지하고, 설정온도와 실내온도의 온도차가 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2) 미만이면 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 조절하게 된다. 설정온도와 실내온도의 온도차가 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2) 미만인 경우는 실내온도가 설정온도에 더욱 접근했음을 의미한다.

설정온도와 실내온도의 온도차가 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2) 미만인 경우, 제어장치(160)는 환수온도를 체크하여 환수온도가 낮아지는지 판단한다(S24). 실내온도가 설정온도에 도달하기 전에 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 줄여 방(121)(122)(123)(124)으로 공급되는 온수의 유량을 줄이면, 온수의 열교환 효율이 상승하여 환수온도가 떨어질 수 있다. 이때, 제어장치(160)는 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 기준 개도 조절량만큼씩 증가시키고, 바이패스관(186)을 통한 바이패스 유량을 조정하여 환수유량(Qr)을 운전 최소유량(Qm)과 같거나 운전 최소유량(Qm)보다 다소 크게 유지시킨다(S25). 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 증가시키면 실내온도를 안정적으로 상승시킬 수 있다.

설정온도와 실내온도의 온도차가 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2) 미만이고 환수온도가 떨어지지 않으면, 제어장치(160)는 다음의 단계를 통해 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 더욱 줄어 방(121)(122)(123)(124)으로 공급되는 열량을 더욱 줄인다. 실내온도가 설정온도에 더욱 접근했을 때 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 감소시켜 방(121)(122)(123)(124)에 공급되는 열량을 줄이면 방(121)(122)(123)(124)의 실내온도를 보다 정밀하게 설정온도까지 상승시킬 수 있다. 제어장치(160)는 환수온도가 기준 시간(td) 동안 제 1 설정 환수온도 상승값보다 작은 제 2 설정 환수온도 상승값(Td2, 예컨대 2℃) 이상 상승하는지 판단한다(S26). 그리고 환수온도가 기준 시간(td) 동안 제 2 설정 환수온도 상승값(Td2) 이상 상승한 경우 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 최소 개도량 이상의 범위 내에서 기준 개도 조절량만큼씩 감소시키고, 환수유량(Qr)이 운전 최소유량(Qm) 미만인 경우 바이패스 유량을 조정하여 환수유량(Qr)을 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시킨다(S27).

환수온도가 기준 시간동안(td) 제 2 설정 환수온도 상승값(Td2) 이상 상승할 때는 온수를 통해 공급되는 열량 중 많은 부분이 방(121)(122)(123)(124)에서 그대로 빠져나와 온수의 열교환 효율이 지속적으로 저하되고 있음을 나타낸다. 이 경우 제어장치(160)가 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 더욱 줄여 방(121)(122)(123)(124)에서 그대로 빠져나오는 열량을 줄임으로써 에너지 낭비를 줄일 수 있다.

종래와 같이 방(121)(122)(123)(124)으로 공급되는 온수의 유량을 최대로 하여 난방 운전을 하다가 실내온도가 설정온도에 도달할 때 온수의 공급을 차단하는 경우, 이미 방(121)(122)(123)(124)으로 공급된 온수의 열량이 방(121)(122)(123)(124)에 전달되어 방(121)(122)(123)(124)의 실내온도가 설정온도 이상으로 상승하게 된다(오버슈트 현상). 본 발명의 경우, 상술한 것과 같이 실내온도가 설정온도에 접근할 때 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 감소시켜 방(121)(122)(123)(124)에 공급되는 열량을 단계적으로 줄임으로써, 종래와 같은 오버슈트 현상을 줄이고 실내온도를 설정온도까지 정확하게 맞출 수 있을 뿐만 아니라, 낭비되는 열량을 줄여 난방비를 줄일 수 있고, 보일러(101)나 순환펌프(105)의 작동에 의한 에너지 소비를 줄일 수 있다.

계속해서, 제어장치(160)는 환수온도가 기준 시간동안(td) 제 2 설정 환수온도 상승값(Td2) 이상 상승하지 않으면, 난방 운전 시간이 최대 난방시간(tm, 예컨대 2시간)을 지나서 실내온도가 상승하는지 판단한다(S28). 방(121)(122)(123)(124)에 온수가 최대 난방시간(tm) 동안 공급되었음에도 불구하고 실내온도가 설정온도에 도달하지 못한 상태에서 더 이상 상승하지 않으면, 제어장치(160)는 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)를 닫는다(S12). 방(121)(122)(123)(124)에 온수가 최대 난방시간(tm) 동안 공급되었음에도 불구하고 실내온도가 더 이상 상승하지 않으면, 온수를 더 공급하더라도 방(121)(122)(123)(124)의 온도를 더 높일 수 없다고 결론지을 수 있으며, 이 경우 온수를 일정량 이상 지속적으로 공급하면 에너지 낭비만 초래될 뿐이다.

본 발명에 있어서, 제어장치(160)가 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)를 제어하는데 이용하는 각종 변수(ΔTw, Td1, Td2, ΔTr1, ΔTr2, td, tm)는 시공 시의 상황에 맞게 다양하게 조절될 수 있다. 또한 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)에 대한 개도량 조정 단계 및 개도량 조정 조건은 다양하게 변경될 수 있다. 그리고 보일러(101)의 순환펌프(105) 이외에 별도의 순환펌프를 설치하여 바이패스관(186)을 통해 온수를 순환시킬 수 있다.

앞에서 언급한 것과 같이, 난방 운전 시 온수 순환 유량이 운전 최소유량에 못 미치면, 온수의 온도가 급격하게 상승하여 정상적인 제어 가능 온도보다 온도가 많이 올라가게 되고, 이에 따라 보일러의 과열방지 기능에 의하여 보일러가 완전히 꺼지게 된다. 따라서 보일러를 재가동하는 과정에서 가스의 불완전 연소(가스점화시의 연소효율 저하)로 인하여 가스의 사용량이 증가하는 문제가 발생한다. 이러한 이유로 본 발명에 의한 개별난방 시스템(100)은 바이패스관(186)을 통해 급수배관(107)의 온수를 환수배관(108)으로 바이패스시킴으로써 온수 순환 유량을 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시킴으로써, 온수 순환 유량의 부족으로 인한 온수 온도의 급격한 상승, 과열방지 기능에 의한 보일러의 운전 정지, 보일러의 재가동시의 가스 연소 효율 저감 등에 의하여 가스의 소비량이 증가되던 종래의 문제점을 해결할 수 있다.

또한 본 발명에 의한 개별난방 시스템(100)은 난방 설정온도, 실내온도, 급수온도 및 환수온도를 고려하여 방(121)(122)(123)(124)을 효율적으로 난방하는데 필요한 최적 유량의 온수가 방(121)(122)(123)(124)으로 공급될 수 있도록 자동제어밸브(146)(147)(148)(149)의 개도량을 실시간으로 조정함으로써, 효율적인 난방 운전이 가능하고, 에너지 낭비를 줄일 수 있으며 난방비를 줄일 수 있다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 본 발명의 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 및 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 될 것이다.

100 : 개별난방 시스템 101 : 보일러
105 : 순환펌프 107 : 급수배관
108 : 환수배관 110 : 급수헤더
121, 122, 123, 124 : 방 126, 127, 128, 129 : 온수관
130 : 환수헤더 141, 142, 143, 144 : 온수공급밸브
146, 147, 148, 149 : 자동제어밸브
151, 152, 153 ,154 : 밸브구동 액츄에이터
156, 157, 158, 159 : 온도 조절기 160 : 제어장치
171, 172, 173 174 : 실내온도 검출기
176, 177, 178, 179 : 급수온도 검출기
181, 182, 183, 184 : 환수온도 검출기 188 : 삼방밸브
189 : 삼방밸브구동 액츄에이터 191 : 환수 유량계
192 : 바이패스 유량계

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. (a) 난방 설정온도와 방의 실내온도를 비교하는 단계;
   (b) 상기 설정온도가 상기 실내온도보다 높으면, 보일러에 연결된 온수관을 통해 상기 방으로 공급되는 온수의 유량을 제어하기 위한 자동제어밸브를 개방하여 상기 온수관으로 온수를 공급하는 단계;
   (c) 상기 온수관을 통과하여 상기 보일러로 환수되는 온수의 환수유량(Qr)과 운전 최소유량(Qm)을 비교하는 단계; 및
   (d) 상기 환수유량(Qr)이 상기 운전 최소유량(Qm)에 미치지 못할 때, 상기 보일러에서 상기 온수관으로 공급되는 온수 중 일부를 상기 보일러로 바이패스시켜 상기 환수유량(Qr)을 상기 운전 최소유량(Qm) 이상으로 조정하는 단계;를 포함하되,
   상기 (b) 단계 이후,
   (e) 상기 온수관을 통해 상기 방으로 공급되는 온수의 급수온도와 상기 방에서 배출되는 온수의 환수온도의 온도차를 기준 온수 온도차(ΔTw)와 비교하는 단계;
   (f) 상기 급수온도와 상기 환수온도의 온도차가 상기 기준 온수 온도차(ΔTw)보다 작으면 상기 온수관을 따라 유동하는 온수의 유속을 감소시키는 단계;
   (g) 상기 급수온도와 상기 환수온도의 온도차가 기준 온수 온도차(ΔTw)보다 작으면, 상기 환수온도가 기준 시간동안(td) 동안 제 1 설정 환수온도 상승값(Td1) 이상 상승하는지 판단하는 단계;
   (h) 상기 환수온도가 상기 기준 시간(td) 동안 상기 제 1 설정 환수온도 상승값(Td) 이상 상승하면, 상기 자동제어밸브의 개도량을 미리 설정된 중간 개도량 이상의 범위 내에서 미리 설정된 기준 개도 조절량만큼씩 저감시키고, 온수의 바이패스 유량을 조정하여 상기 환수유량(Qr)을 상기 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시키는 단계;
   (i) 상기 설정온도와 상기 실내온도를 비교하여 상기 설정온도와 상기 실내온도의 온도차가 미리 설정된 제 1 설정 실내온도차(ΔTr1)보다 작으면, 상기 자동제어밸브의 개도량을 상기 중간 개도량까지 저감시키고, 온수의 바이패스 유량을 조정하여 상기 환수유량(Qr)을 상기 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시키는 단계;
   (j) 환수온도가 낮아지는지 판단하는 단계; 및
   (k) 환수온도가 낮아지면 상기 자동제어밸브의 개도량을 상기 기준 개도 조절량만큼씩 증가시키고, 온수의 바이패스 유량을 조정하여 상기 환수유량(Qr)을 상기 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시키는 단계;를 더 포함하며,
   상기 (i) 단계 이후 상기 (j) 단계 이전에,
   상기 설정온도와 상기 실내온도의 온도차를 미리 설정된 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2)와 비교하는 단계를 더 포함하고,
   상기 설정온도와 상기 실내온도의 온도차가 상기 제 2 설정 실내온도차(ΔTr2)보다 작을 때만 상기 (j) 단계 이후의 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 개별난방 시스템의 제어방법.
   
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 4 항에 있어서,
   상기 (k) 단계 이후에,
   상기 환수온도가 상기 기준 시간(td) 동안 상기 제 1 설정 환수온도 상승값(Td1)보다 작은 제 2 설정 환수온도 상승값(Td2) 이상 상승하는지 판단하는 단계; 및
   상기 환수온도가 상기 기준 시간동안(td) 동안 상기 제 2 설정 환수온도 상승값(Td2) 이상 상승하면, 상기 자동제어밸브의 개도량을 미리 설정된 최소 개도량 이상의 범위 내에서 상기 기준 개도 조절량만큼씩 저감시키고, 온수의 바이패스 유량을 조정하여 상기 환수유량(Qr)을 상기 운전 최소유량(Qm) 이상으로 유지시키는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개별난방 시스템의 제어방법.
   
9. 제 4 항에 있어서,
   상기 (k) 단계 이후에,
   난방 운전 시간이 최대 난방시간(tm)을 지난 경우 상기 실내온도가 상승하는지 판단하는 단계; 및
   난방 운전 시간이 최대 난방시간(tm)을 지나서 상기 실내온도가 상승하지 않으면, 상기 자동제어밸브를 닫는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 개별난방 시스템의 제어방법.

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