KR101562461B1 - 태양열 이용시스템 - Google Patents

Abstract

(과제)　태양열 이용시스템에 있어서, 부품점수를 삭감하여 제조비용을 저감시키는 것이 가능한 기술을 제공한다.
(해결수단)　본 명세서가 개시하는 태양열 이용시스템은 태양열을 이용하여 열매를 가열하는 태양열 집열기와, 열매와 물의 사이에서 열교환하는 열교환기와, 열교환기에서 가열된 물을 저류하는 저탕조와, 태양열 집열기와 열교환기의 사이에서 열매가 순환하는 집열순환경로와, 열매를 가열하는 보조열원기와, 열매로부터의 방열을 이용하는 열기기와, 집열순환경로와 일부가 공통화되어 있으며, 보조열원기와 열기기의 사이에서 열매가 순환하는 방열순환경로와, 집열순환경로와 방열순환경로가 공통화된 부분에 설치되어 있고, 열매를 유동시키는 순환펌프를 구비하고 있다.

Description

태양열 이용시스템{SOLAR HEAT UTILIZATION SYSTEM}

본 발명은 태양열 이용시스템에 관한 것이다.

특허문헌 1에 태양열을 이용하여 열매를 가열하는 태양열 집열기와, 열매와 물의 사이에서 열교환하는 열교환기와, 열교환기에서 가열된 물을 저류하는 저탕조와, 태양열 집열기와 열교환기의 사이에서 열매가 순환하는 집열순환경로와, 집열순환경로에서 열매를 유동시키는 집열순환펌프와, 열매를 가열하는 보조열원기와, 열매로부터의 방열을 이용하는 난방기와, 보조열원기와 난방기의 사이에서 열매가 순환하는 방열순환경로와, 방열순환경로에서 열매를 유동시키는 방열순환펌프와, 집열순환경로의 열매체와 방열순환경로의 열매체의 사이에서 열교환하는 열교환기를 구비하는 태양열 이용시스템이 개시되어 있다. 상기 기술에 따르면, 태양열 집열기를 통과하여 고온으로 된 물을 저탕조에 저류하여 필요에 따라서 급탕을 실행할 수 있다. 또, 상기 기술에 따르면, 태양열 집열기에서 그다지 열량을 회수할 수 없는 경우에, 난방을 위한 보조열원기로부터의 열을 이용하여 저탕조에 고온의 물을 저류할 수 있다.

특허문헌 1: 일본국 특개2011-149673호 공보

특허문헌 1의 기술에서는 집열순환경로와 방열순환경로가 물리적으로 분리되어 있다. 이로 인해, 집열순환경로에서 열매를 순환시키기 위한 순환펌프와, 방열순환경로에서 열매를 순환시키기 위한 순환펌프를 별개로 설치하여 상황에 따라 순환펌프의 사용 구분을 할 필요가 있다. 즉, 겨울철 등에 집열을 기대할 수 없는 경우, 집열순환경로의 순환펌프가 정지되어 있는 상황이 빈번히 발생하고, 반대로 여름철 등에 방열의 수요가 별로 없는 경우, 방열순환경로의 순환펌프가 장기간에 걸쳐서 정지되게 된다. 정지시간이 길면 순환펌프의 고착의 문제가 발생한다. 부품점수의 증대와 제조비용의 상승을 초래하고 있는 것에 더불어서, 순환펌프의 가동률이 좋다고는 말할 수 없으며, 순환펌프의 고장의 원인으로도 되어 있다. 태양열 이용시스템에 있어서, 부품점수를 삭감하여 제조비용을 저감함과 아울러, 순환펌프의 가동률을 향상시켜 순환펌프의 고장발생률을 저감하는 것이 가능한 기술이 기대되고 있다.

본 명세서는 상기의 과제를 해결하는 기술을 제공한다. 본 명세서에서는 태양열 이용시스템에 있어서, 부품점수를 삭감하여 제조비용을 저감함과 아울러, 순환펌프의 가동률을 향상시키는 것이 가능한 기술을 제공한다.

본 명세서가 개시하는 태양열 이용시스템은, 태양열을 이용하여 열매를 가열하는 태양열 집열기와, 열매와 물의 사이에서 열교환하는 열교환기와, 열교환기에서 가열된 물을 저류하는 저탕조와, 태양열 집열기와 열교환기의 사이에서 열매가 순환하는 집열순환경로와, 열매를 가열하는 보조열원기와, 열매로부터의 방열을 이용하는 열기기와, 보조열원기와 열기기의 사이에서 열매가 순환하는 방열순환경로와, 열매를 유동시키는 순환펌프를 구비하고 있다. 상기 태양열 이용시스템에서는, 집열순환경로와 방열순환경로의 일부가 공통화되어 있다. 상기 태양열 이용시스템에서는, 순환펌프가 집열순환경로와 방열순환경로의 공통화된 부분에 설치되어 있다. 상기 태양열 이용시스템은, 집열순환경로와 방열순환경로의 공통화된 부분을 흐르는 열매를 집열순환경로와 방열순환경로의 사이에서 분배하는 분배수단을 더 구비하고 있다.

상기의 태양열 이용시스템에서는, 분배수단에 의해서 열매가 흐르는 경로를 선택하는 것에 의해, 단일의 순환펌프로 집열순환경로에서 열매를 순환시킬 수도 있으며, 방열순환경로에서 열매를 순환시킬 수도 있다. 집열이 얻어지는 상황에서는, 집열순환경로에서 열매를 순환시키는 것에 의해, 태양열을 열원으로 하여 고온으로 된 물을 저탕조에 저류할 수 있으며, 난방 등으로 방열이 필요할 때는 방열순환경로에서 열매를 순환시키는 것에 의해, 보조열원기에서 가열된 열매를 열기기로 공급할 수 있다. 상기의 태양열 이용시스템에 따르면, 분배수단에 의해서 열매가 흐르는 경로를 선택하는 것에 의해, 단일의 순환펌프로 집열순환경로에서의 열매의 순환과, 방열순환경로에서의 열매의 순환을 실행할 수 있다. 부품점수를 삭감하여 제조비용을 저감함과 아울러, 순환펌프의 가동률을 향상시켜서 순환펌프의 고장발생률을 저감할 수 있다.

상기의 태양열 이용시스템은, 주위의 환경으로부터 흡열하여 물을 가열하는 히트펌프를 더 구비하도록 구성할 수 있다. 이와 같은 구성으로 하면, 태양열을 열원으로 하여 저탕조의 물을 비등(沸騰)할 수 없는 경우라도, 히트펌프를 이용하여 저탕조의 물을 비등할 수 있다. 태양열 이용시스템의 편리성을 향상시킬 수 있다.

상기의 태양열 이용시스템은, 열교환기가 히트펌프의 냉매와 물 사이의 열교환과, 열매와 물 사이의 열교환을 실행하는 3유체 열교환기이도록 구성할 수 있다. 이와 같은 구성으로 하면, 냉매와 물 사이의 열교환을 실행하는 열교환기와, 열매와 물 사이의 열교환을 실행하는 열교환기를 각각 별개로 설치할 필요가 없다. 태양열 이용시스템의 부품점수를 더 삭감하여 제조비용을 더 저감할 수 있다. 또, 상기의 태양열 이용시스템에서는, 3유체 열교환기에 있어서, 냉매와 열매 사이의 열교환도 실행하도록 구성할 수도 있다.

상기의 태양열 이용시스템은, 열기기가 난방기이도록 구성할 수 있다. 또, 상기의 태양열 이용시스템은, 보조열원기가 연료의 연소에 의해서 열매를 가열하는 연소기이도록 구성할 수 있다. 이와 같은 구성으로 하면, 종래부터 사용되고 있는 급탕난방시스템의 구성에 대해서, 효과적으로 태양열 집열기를 포함시킬 수 있다.

도 1은 실시예 1의 태양열 이용시스템(2)의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 실시예 2의 태양열 이용시스템(102)의 구성을 모식적으로 나타내는 도면이다.

(실시예 1)

도 1은 본 실시예의 태양열 이용시스템(2)을 나타내고 있다.

태양전지판(4)은 건물의 지붕 등에 설치된다. 태양전지판(4)은 태양광 발전을 실행하는 태양전지(6)를 구비하고 있다. 태양전지판(4)이 태양열로 고온으로 되면 태양전지(6)에 있어서의 발전효율이 저하되기 때문에, 태양전지판(4)을 냉각할 필요가 있다. 그로 인해, 태양전지판(4)의 내부에는 열매(예를 들면 부동액)가 통과하는 유로가 형성되어 있으며, 상기 유로는 태양열 집열로(8)에 삽입되어 있다. 태양전지판(4)은 태양열 집열로(8)의 상류측으로부터 저온의 열매를 받아들이고, 상기 열매에 의해서 냉각된다. 태양열에 의해서 가열된 고온의 열매는 태양열 집열로(8)의 하류측으로 송출된다. 태양전지판(4)은 태양열을 이용하여 열매를 가열하는 태양열 집열기라고 말할 수 있다.

시스턴(70)은 상부가 개방되어 있는 용기이며, 내부에 열매를 저류하고 있다. 시스턴(70)에는 열매 왕로(72)의 상류단이 접속되어 있다. 열매 왕로(72)에는 열매순환펌프(74)가 장착되어 있다. 열매순환펌프(74)를 구동하면, 시스턴(70) 내의 열매가 열매 왕로(72)로 흘러 들어간다. 열매 왕로(72)의 하류단은 태양열 집열로(8)와, 연소 가열로(73)와, 저온 난방로(75)로 분기하고 있다. 태양열 집열로(8)의 분기 부분에는 유량분배밸브(7)가 설치되어 있다. 유량분배밸브(7)는 열매 왕로 (72)에서 태양열 집열로(8)로 흐르는 열매의 유량과, 열매 왕로(72)에서 연소 가열로(73) 및 저온 난방로(75)로 흐르는 열매의 유량의 비율을 0：10∼10：0의 사이에서 조정할 수 있다.

저온 난방로(75)에는 저온 난방기(78)가 장착된다. 본 실시예의 저온 난방기 (78)는, 예를 들면 바닥 난방기이다. 저온 난방기(78)는 공급되는 열매의 열을 이용하여 난방한다. 저온 난방기(78)는 열동밸브를 내장하고 있으며, 난방운전을 실행하지 않는 경우에는 열동밸브가 닫혀져 있으며, 난방운전을 실행할 때에 열동밸브가 열린다. 연소 가열로(73)에는 난방용 버너(82)가 장착되어 있다. 난방용 버너 (82)는 연료인 가스의 연소에 의해서, 연소 가열로(73) 내의 열매를 가열한다. 연소 가열로(73)의 하류단은 고온 난방로(77)와 재가열로(79)로 분기하고 있다. 고온 난방로(77)에는 고온 난방기(76)가 장착된다. 본 실시예의 고온 난방기(76)는, 예를 들면 욕실 난방 건조기이다. 고온 난방기(76)는 공급되는 열매의 열을 이용하여 난방한다. 고온 난방기(76)는 열동밸브를 내장하고 있으며, 난방운전을 실행하지 않는 경우에는 열동밸브가 닫혀져 있으며, 난방운전을 실행할 때에 열동밸브가 열린다. 저온 난방기(78) 및 고온 난방기(76)는 열매로부터의 방열을 이용하는 열기기라고 할 수 있으며, 난방용 버너(82)는 열매를 가열하는 보조열원기라고 할 수 있다. 태양열 집열로(8)와, 저온 난방로(75)와, 고온 난방로(77)는 각각의 하류단에서 합류하여 탱크 축열로(84)의 상류단에 접속되어 있다.

탱크 축열로(84)는 3유체 열교환기(58)를 통과하고 있으며, 탱크 축열로(84)의 하류단은 열매 복로(96)의 상류단에 접속되어 있다. 열매 복로(96)는 하류단이 시스턴(70)에 접속되어 있다.

재가열로(79)에는 재가열 열동밸브(83)와, 재가열 열교환기(97)가 장착되어 있다. 재가열 열동밸브(83)는 재가열로(79)를 개폐한다. 재가열 열교환기(97)에서는 재가열로(79)를 흐르는 열매와, 욕조수 순환로(91)를 흐르는 욕조수의 사이에서 열교환이 실행된다. 재가열로(79)의 하류단은 열매 복로(96)에 접속되어 있다.

욕조수 순환로(91)의 상류단과 하류단은 욕조(98)에 접속되어 있다. 욕조수 순환로(91)에는 욕조수 순환펌프(99)가 장착되어 있다. 욕조수 순환펌프(99)가 구동하면, 욕조(98)로부터 흡출된 욕조수가 재가열 열교환기(97)를 통과하여 욕조 (98)로 되돌려진다.

탱크(10)는 급탕용수를 저류한다. 본 실시예의 급탕용수는 수돗물이다. 탱크 (10)는 밀폐형이며, 단열재에 의해서 외측이 덮여져 있다. 탱크(10) 내에는 만수까지 급탕용수가 저류된다.

급탕용수 순환로(20)는 상류단이 탱크(10)의 하부에 접속되어 있으며, 3유체 열교환기(58)를 통과하여, 하류단이 탱크(10)의 상부에 접속되어 있다. 급탕용수 순환로(20)에는 급탕용수 순환펌프(22)가 장착되어 있다. 3유체 열교환기(58)에 있어서는, 탱크 축열로(84)를 흐르는 열매와의 열교환에 의해서 급탕용수를 가열할 수도 있으며, 후술하는 히트펌프(50)의 냉매와의 열교환에 의해서 급탕용수를 가열할 수도 있다. 또, 후술하는 난방운전에 있어서는, 냉매와 열매의 사이에서 열교환하고, 열매를 가열할 수도 있다. 급탕용수 순환펌프(22)를 구동하면, 탱크(10) 하부의 급탕용수가 3유체 열교환기(58)로 보내져 가열되고, 가열된 급탕용수가 탱크 (10)의 상부로 되돌려진다. 탱크(10)의 내부에는 저온의 급탕용수 층의 위에 고온의 급탕용수의 층이 겹쳐진 온도성층이 형성된다. 탱크(10)는 3유체 열교환기(58)에서 가열된 급탕용수를 저류하는 저탕조라고 할 수 있다.

수돗물 도입로(24)는 상류단이 태양열 이용시스템(2)의 외부의 수돗물 공급원(32)에 접속되어 있다. 수돗물 도입로(24)의 하류측은 제 1 도입로(24a)와 제 2 도입로(24b)로 분기하고 있다. 제 1 도입로(24a)의 하류단은 탱크(10)의 하부에 접속되어 있다. 제 2 도입로(24b)의 하류단은 제 1 급탕로(36)의 도중에 접속되어 있다.

제 1 급탕로(36)는 상류단이 탱크(10)의 상부에 접속되어 있다. 상기한 바와 같이, 제 1 급탕로(36)의 도중에는 수돗물 도입로(24)의 제 2 도입로(24b)가 접속되어 있다. 제 1 급탕로(36)와 제 2 도입로(24b)의 접속부에는 혼합밸브(30)가 장착되어 있다. 혼합밸브(30)는 탱크(10)의 상부에서 제 1 급탕로(36)로 유입되는 고온의 급탕용수의 유량과, 제 2 도입로(24b)에서 제 1 급탕로(36)로 유입되는 저온의 수돗물의 유량의 비율을 조정한다. 제 2 도입로(24b)와의 접속부보다 하류측의 제 1 급탕로(36)는 급탕 가열로(37)를 통과하여 제 2 급탕로(39)에 접속되어 있다. 급탕 가열로(37)에는 급탕용 버너(81)가 장착되어 있다. 급탕용 버너(81)는 연료인 가스의 연소에 의해서, 급탕 가열로(37)를 흐르는 급탕용수를 가열한다. 제 1 급탕로(36)와 제 2 급탕로(39)의 사이는 열원기 바이패스로(33)에 의해서 접속되어 있다. 열원기 바이패스로(33)에는 바이패스밸브(34)가 장착되어 있다. 제 2 급탕로 (39)의 하류단은 급탕전(給湯栓, 38)에 접속되어 있다.

급탕 가열로(37)의 급탕용 버너(81)보다도 하류측으로부터, 욕조 주탕로(注湯路, 40)가 분기되어 있다. 욕조 주탕로(40)에는 욕조 주탕로(40)를 개폐하는 주탕 전자밸브(42)가 장착되어 있다. 욕조 주탕로(40)의 하류단은 욕조수 순환펌프 (99)에 접속되어 있다.　

히트펌프(50)는 냉매(예를 들면 R410A라고 하는 HFC냉매나, R744라고 하는 CO₂냉매)를 순환시키기 위한 냉매 순환로(52)와, 공기 열교환기(증발기, 54)와, 팬 (56)과, 압축기(62)와, 3유체 열교환기(58)와, 팽창밸브(60)를 구비하는 히트펌프 사이클이다.

공기 열교환기(54)는 팬(56)에 의해서 송풍된 외기와 냉매 순환로(52) 내의 냉매의 사이에서 열교환시킨다. 공기 열교환기(54)에는 팽창밸브(60)를 통과한 후의 저압 저온의 액체상태에 있는 냉매가 공급된다. 공기 열교환기(54)는 냉매와 외기를 열교환시킴으로써, 냉매를 가열한다. 냉매는 가열됨으로써 기화하고, 비교적 고온이며 저압인 기체상태가 된다.

압축기(62)에는 공기 열교환기(54)를 통과한 후의 냉매가 공급된다. 즉, 압축기(62)에는 비교적 고온이며 저압인 기체상태의 냉매가 공급된다. 압축기(62)에 의해서 냉매가 압축됨으로써, 냉매는 고온 고압의 기체상태가 된다. 압축기(62)는 압축된 후의 고온 고압의 기체상태의 냉매를 3유체 열교환기(58)로 송출한다.

3유체 열교환기(58)에는 압축기(62)로부터 송출된 고온 고압의 기체상태인 냉매가 공급된다. 냉매는 3유체 열교환기(58)에서의 급탕용수 순환로(20)를 흐르는 급탕용수나, 탱크 축열로(84)를 흐르는 열매와의 열교환의 결과, 열을 빼앗겨 응축한다. 이에 따라, 냉매는 비교적 저온이며 고압인 액체상태가 된다.

팽창밸브(60)에는 3유체 열교환기(58)를 통과한 후의 비교적 저온이며 고압인 액체상태의 냉매가 공급된다. 냉매는 팽창밸브(60)를 통과함으로써 감압되고, 저온 저압의 액체상태가 된다. 팽창밸브(60)를 통과한 냉매는 상기한 바와 같이, 공기 열교환기(54)로 보내진다. 히트펌프(50)는 주위의 환경으로부터 흡열하여 급탕용수나 열매를 가열하는 히트펌프라고 할 수 있다.

제어장치(100)는 태양열 이용시스템(2)의 각 구성요소의 동작을 제어한다.

태양열 이용시스템(2)은 이하의 같이, 태양열 축열운전, HP축열운전, 급탕운전, 난방운전, 욕조수 공급운전, 재가열운전, 동결방지운전 등을 실행할 수 있다.

(태양열 축열운전)

태양열 축열운전에서는 급탕용수를 태양열에 의해서 가열하고, 고온으로 된 급탕용수를 탱크(10)에 저류한다. 태양열 축열운전을 실행할 때에는, 제어장치 (100)는 열매순환펌프(74)를 구동함과 아울러, 급탕용수 순환펌프(22)를 구동한다.

열매순환펌프(74)의 구동에 의해, 시스턴(70)에 저류된 열매가 열매 왕로 (72), 연소 가열로(73), 태양열 집열로(8), 탱크 축열로(84), 열매 복로(96)를 순환한다. 이때, 유량분배밸브(7)에 의해, 연소 가열로(73)로 분배되는 열매의 유량은 0에 가깝게 되고, 거의 전체 유량이 태양열 집열로(8)로 분배된다. 태양열 집열로(8)의 태양전지판(4)의 태양열만으로 가열된 고온의 열매가 3유체 열교환기(58)에 공급된다. 또, 급탕용수 순환펌프(22)의 구동에 의해, 탱크(10) 하부의 급탕용수가 급탕용수 순환로(20)를 순환하여 탱크(10)의 상부로 되돌려진다. 이때에 탱크 (10) 하부의 저온의 급탕용수는 3유체 열교환기(58)에 있어서의 열매와의 열교환에 의해 가열되고, 고온으로 되어 탱크의 상부로 되돌려진다. 이에 따라, 탱크(10)에 고온의 급탕용수가 저류된다. 탱크(10)의 내부가 고온의 급탕용수로 채워진 만축 상태가 되면, 태양열 축열운전을 종료한다.

(HP축열운전)

HP축열운전에서는 급탕용수를 외기로부터의 흡열에 의해서 가열하고, 고온으로 된 급탕용수를 탱크(10)에 저류한다. HP축열운전을 실행할 때에는, 제어장치 (100)는 압축기(62) 및 팬(56)을 구동하여 히트펌프(50)를 작동시킴과 아울러, 급탕용수 순환펌프(22)를 구동한다.

압축기(62)의 구동에 의해, 냉매 순환로(52) 내의 냉매는 공기 열교환기 (54), 압축기(62), 3유체 열교환기(58), 팽창밸브(60)의 순서로 순환한다. 상기의 경우, 3유체 열교환기(58)를 통과하는 냉매 순환로(52) 내의 냉매는 고온 고압의 기체상태이다. 또, 급탕용수 순환펌프(22)의 구동에 의해, 급탕용수 순환로(20) 내를 탱크(10) 내의 급탕용수가 순환한다. 즉, 탱크(10)의 하부에 존재하는 급탕용수가 급탕용수 순환로(20) 내로 도입되고, 도입된 급탕용수가 3유체 열교환기(58)를 통과할 때에 냉매 순환로(52) 내의 냉매의 열에 의해서 가열되며, 가열된 급탕용수가 탱크(10)의 상부로 되돌려진다. 이에 따라, 탱크(10)에 고온의 급탕용수가 저류된다. 탱크(10)의 내부가 고온의 급탕용수로 채워진 만축 상태가 되면, HP축열운전을 종료한다.

(급탕운전)

급탕운전은 탱크(10) 내의 급탕용수를 급탕전(38)에 공급하는 운전이다. 급탕운전은 상기의 태양열 축열운전이나 HP축열운전과 병행하여 실행할 수도 있다. 급탕전(38)이 열리면, 수돗물 공급원(32)으로부터의 수압에 의해서 수돗물 도입로 {24. 제 1 도입로(24a)}로부터 탱크(10)의 하부로 수돗물이 유입된다. 동시에, 탱크(10) 상부의 급탕용수가 제 1 급탕로(36)를 통하여 급탕전(38)에 공급된다.

제어장치(100)는 탱크(10)로부터 제 1 급탕로(36)에 공급되는 급탕용수의 온도가 급탕설정온도보다 높은 경우에는, 혼합밸브(30)를 구동하여 제 2 도입로(24b)로부터 제 1 급탕로(36)에 수돗물을 도입한다. 따라서, 탱크(10)로부터 공급된 급탕용수와 제 2 도입로(24b)로부터 공급된 수돗물이 제 1 급탕로(36) 내에서 혼합된다. 제어장치(100)는 급탕전(38)에 공급되는 급탕용수의 온도가 급탕설정온도와 일치되도록 혼합밸브(30)의 개방도를 조정한다. 한편, 제어장치(100)는 탱크(10)로부터 제 1 급탕로(36)에 공급되는 급탕용수의 온도가 급탕설정온도보다 낮은 경우에는 급탕용 버너(81)에 의해서 제 1 급탕로(36)를 통과하는 물을 가열한다. 제어장치(100)는 급탕전(38)에 공급되는 급탕용수의 온도가 급탕설정온도와 일치되도록 급탕용 버너(81)의 출력을 제어한다.

(난방운전)

난방운전은 태양전지판(4)이나 히트펌프(50), 난방용 버너(82)에 의해서 열매를 가열하고, 고온으로 된 열매를 이용하여 저온 난방기(78)나 고온 난방기(76)에서의 난방을 실행하는 운전이다. 난방운전의 실행이 지시되면, 제어장치(100)는 히트펌프(50)를 운전 개시하고, 열매순환펌프(74)를 구동한다. 이에 따라서, 태양전지판(4)에서 가열되고, 또한 히트펌프(50)의 고온의 냉매와 3유체 열교환기(58)에서 열교환되어 가열된 열매가 시스턴(70)을 거쳐 저온 난방기(78)나 고온 난방기 (76)에 공급된다. 또한, 제어장치(100)는 필요에 따라서 난방용 버너(82)를 작동한다. 이에 따라, 고온 난방기(76)에는 난방용 버너(82)에서의 가열에 의해 더욱더 고온으로 된 열매가 공급된다. 난방운전에 있어서는, 저온 난방기(78)에 공급되는 열매의 온도가 저온난방설정온도가 되도록, 또 고온 난방기(76)에 공급되는 열매의 온도가 고온난방설정온도가 되도록 열매순환펌프(74)나, 난방용 버너(82)의 출력이 조정된다.

(욕조수 공급운전)

욕조수 공급운전은 욕조(98)에 욕조수를 공급하는 운전이다. 이용자가 욕조수 공급운전의 개시를 지시하면, 태양열 이용시스템(2)은 욕조수 공급운전을 개시한다. 욕조수 공급운전에 있어서는 주탕 전자밸브(42)를 연다. 주탕 전자밸브(42)가 열리면, 수돗물 공급원(32)으로부터의 수압에 의해서 수돗물 도입로{24, 제 1 도입로(24a)}로부터 탱크(10)의 하부에 수돗물이 유입된다. 동시에, 탱크(10) 상부의 급탕용수가 제 1 급탕로(36), 급탕 가열로(37), 욕조 주탕로(40), 욕조수 순환로(91)를 통하여 욕조(98)에 공급된다. 욕조수 공급운전에 있어서는, 급탕운전과 마찬가지로 하여 욕조 주탕로(40)에 공급되는 물의 온도를 욕조수 공급설정온도로 조정한다. 욕조(98)에 공급되는 수량이 욕조수 공급설정수량에 도달하면, 욕조수 공급운전을 종료한다.

(재가열운전)

재가열운전은 욕조(98)에 저류된 욕조수를 재가열하는 운전이다. 이용자가 재가열운전의 개시를 지시하면, 태양열 이용시스템(2)은 재가열운전을 개시한다. 재가열운전에 있어서는, 욕조수 순환펌프(99)를 구동한다. 또, 재가열 열동밸브 (83)를 열어서 열매순환펌프(74)를 구동한다. 이에 따라, 욕조(98)로부터 욕조수가 흡출되어 재가열 열교환기(97)에서 열매와의 열교환에 의해서 가열된다. 가열된 욕조수는 욕조(98)로 되돌려진다. 재가열운전에 있어서는, 히트펌프(50)의 고온의 냉매와의 3유체 열교환기(58)에서의 열교환과, 필요에 따라서 난방용 버너(82)에 의해서 열매의 가열이 실행된다.

(동결방지운전)

태양전지판(4)은 옥외에 배치되어 있기 때문에, 외기온이 낮은 상황에서 내부에 열매가 장기간 체류하면, 열매가 동결될 우려가 있다. 또, 히트펌프(50)의 공기 열교환기(54)는 옥외에 배치되므로, 공기 열교환기(54)에 근접하여 3유체 열교환기(58)를 배치할 경우에는, 3유체 열교환기(58)도 옥외에 배치된다. 상기의 경우, 외기온이 낮은 상황에서 3유체 열교환기(58)의 내부에 급탕용수나 열매가 장시간 체류하면, 급탕용수나 열매가 동결될 우려가 있다. 그래서, 본 실시예의 태양열 이용시스템(2)에서는 외기온이 소정온도보다도 낮은 경우에, 이하와 같은 동결방지운전을 정기적으로 실행한다.

동결방지운전에서는, 태양열 이용시스템(2)은 열매순환펌프(74)를 구동한다. 이에 따라서, 시스턴(70)에 저류된 열매가 열매 왕로(72), 태양열 집열로(8), 탱크 축열로(84), 열매 복로(96)를 차례로 순환한다. 이에 따라서, 태양전지판(4)이나 3유체 열교환기(58)에 있어서의 열매의 동결이 방지된다. 또, 동결방지운전에서는, 태양열 이용시스템(2)은 급탕용수 순환펌프(22)를 구동한다. 이에 따라서, 탱크 (10)에 저류된 급탕용수가 급탕용수 순환로(20)를 순환한다. 이에 따라서, 3유체 열교환기(58)에 있어서의 급탕용수의 동결이 방지된다. 또한, 열매로서 부동액을 이용하는 경우에는 열매의 동결방지운전을 생략하는 것도 가능하다.

이상과 같이, 본 실시예의 태양열 이용시스템(2)은 태양열을 이용하여 열매를 가열하는 태양전지판(4)과, 열매와 급탕용수의 사이에서 열교환하는 3유체 열교환기(58)와, 3유체 열교환기(58)에서 가열된 급탕용수를 저류하는 탱크(10)와, 태양전지판(4)과 3유체 열교환기(58)의 사이에서 열매가 순환하는 시스턴(70), 열매 왕로(72), 태양열 집열로(8), 탱크 축열로(84), 열매 복로(96)로 이루어지는 집열순환경로와, 열매를 가열하는 난방용 버너(82)와, 열매로부터의 방열을 이용하는 고온 난방기(76)와, 난방용 버너(82)와 고온 난방기(76)의 사이에서 열매가 순환하는 시스턴(70), 열매 왕로(72), 연소 가열로(73), 고온 난방로(77), 탱크 축열로(84), 열매 복로(96)로 이루어지는 방열순환경로와, 열매를 유동시키는 열매순환펌프(74)를 구비하고 있다. 열매순환펌프(74)는 집열순환경로와 방열순환경로에서 공통되는 부분인 열매 왕로(72)에 설치되어 있다. 태양열 이용시스템(2)은 집열순환경로와 방열순환경로에서 공통되는 부분인 열매 왕로(72)를 흐르는 열매를 집열순환경로와 방열순환경로의 사이에서 분배하는 유량분배밸브(7)를 더 구비하고 있다. 이와 같은 구성으로 하는 것에 의해, 유량분배밸브(7)에서 열매의 흐르는 경로를 선택하는 것으로, 단일의 열매순환펌프(74)에 의해서 집열순환경로에서 열매를 순환시키고, 태양열을 열원으로 하여 고온으로 된 급탕용수를 탱크(10)에 저류할 수도 있으며, 방열순환경로에서 열매를 순환시키고, 히트펌프(50)나 난방용 버너 (82)에서 가열된 열매를 고온 난방기(76)에 공급할 수도 있다. 부품점수를 삭감하여 제조비용을 저감함과 아울러, 열매순환펌프(74)의 가동률을 향상시켜서 열매순환펌프(74)의 고장발생률을 저감할 수 있다.

또한, 상기의 실시예에 있어서, 열매순환펌프(74)는 탱크 축열로(84)나 열매 복로(96)에 설치되어 있어도 좋다.

상기의 실시예에 있어서, 유량분배밸브(7)는 태양열 집열로(8)의 하류단과, 저온 난방로(75), 고온 난방로(77)의 하류단의 합류부분에 설치해도 좋다. 또, 태양열 집열로(8)의 분기부분이나 합류부분에 유량분배밸브(7) 대신에 3방향 전환밸브를 설치해도 좋다. 상기의 경우, 3방향 전환밸브는 열매 왕로(72)로부터의 열매가 태양열 집열로(8)를 경유하여 탱크 축열로(84)로 흐르는 상태와, 열매 왕로(72)로부터의 열매가 저온 난방로(75), 연소 가열로(73) 및 고온 난방로(77)를 경유하여 탱크 축열로(84)로 흐르는 상태의 사이에서 전환된다.

(실시예 2)

도 2에 나타내는 바와 같이, 본 실시예의 태양열 이용시스템(102)은 실시예 1의 태양열 이용시스템(2)과 거의 마찬가지의 구성을 구비하고 있다. 이하에서는, 본 실시예의 태양열 이용시스템(102)에 있어서, 실시예 1의 태양열 이용시스템(2)과 상위한 부분에 대해서 설명한다.

본 실시예의 태양열 이용시스템(102)에서는, 태양열 집열로(8)는 열매 왕로 (72)의 하류단으로부터는 아니고, 연소 가열로(73)의 하류단으로부터 분기하고 있다. 태양열 집열로(8)의 분기부분에는 3방향 전환밸브(7a)가 설치되어 있다. 3방향 전환밸브(7a)는 연소 가열로(73)로부터의 열매가 태양열 집열로(8)를 경유하여 탱크 축열로(84)로 흐르는 상태와, 연소 가열로(73)로부터의 열매가 고온 난방로(77)를 경유하여 탱크 축열로(84)로 흐르는 상태와의 사이에서 전환된다.

본 실시예의 태양열 이용시스템(102)에 있어서, 태양열 축열운전을 실행할 때에는, 제어장치(100)는 3방향 전환밸브(7a)를 연소 가열로(73)로부터의 열매가 태양열 집열로(8)를 경유하여 탱크 축열로(84)로 흐르는 상태로 전환한다. 또, 제어장치(100)는 열매순환펌프(74)를 구동함과 아울러, 급탕용수 순환펌프(22)를 구동한다. 열매순환펌프(74)의 구동에 의해, 시스턴(70)에 저류된 열매가 열매 왕로 (72), 연소 가열로(73), 태양열 집열로(8), 탱크 축열로(84), 열매 복로(96)를 차례로 순환한다. 이때에, 태양열 집열로(8)의 태양전지판(4)에 있어서 태양열로 가열된 고온의 열매가 3유체 열교환기(58)에 공급된다. 또, 급탕용수 순환펌프(22)의 구동에 의해, 탱크(10) 하부의 급탕용수가 급탕용수 순환로(20)를 순환하여 탱크 (10)의 상부로 되돌려진다. 이때에, 탱크(10) 하부의 저온의 급탕용수는 3유체 열교환기(58)에 있어서의 열매와의 열교환으로 가열되고, 고온으로 되어 탱크의 상부로 되돌려진다. 이에 따라, 탱크(10)에 고온의 급탕용수가 저류된다.

본 실시예의 태양열 이용시스템(102)에 있어서, 난방운전을 실행할 때에는, 제어장치(100)는 3방향 전환밸브(7a)를 연소 가열로(73)로부터의 열매가 고온 난방 로(77)를 경유하여 탱크 축열로(84)로 흐르는 상태로 전환한다. 또, 제어장치(100)는 히트펌프(50)를 운전 개시하고, 열매순환펌프(74)를 구동하여 난방용 버너(82)를 작동한다. 이에 따라서, 히트펌프(50)나 난방용 버너(82)에서 가열된 열매가 고온 난방기(76)에 공급된다.

본 실시예의 태양열 이용시스템(102)은 태양열을 이용하여 열매를 가열하는 태양전지판(4)과, 열매와 급탕용수의 사이에서 열교환하는 3유체 열교환기(58)와, 3유체 열교환기(58)에서 가열된 급탕용수를 저류하는 탱크(10)와, 태양전지판(4)과 3유체 열교환기(58)의 사이에서 열매가 순환하는 시스턴(70), 열매 왕로(72), 연소 가열로(73), 태양열 집열로(8), 탱크 축열로(84), 열매 복로(96)로 이루어지는 집열순환경로와, 열매를 가열하는 난방용 버너(82)와, 열매로부터의 방열을 이용하는 고온 난방기(76)와, 난방용 버너(82)와 고온 난방기(76)의 사이에서 열매가 순환하는 시스턴(70), 열매 왕로(72), 연소 가열로(73), 고온 난방로(77), 탱크 축열로 (84), 열매 복로(96)로 이루어지는 방열순환경로와, 열매를 유동시키는 열매순환펌프(74)를 구비하고 있다. 열매순환펌프(74)는 집열순환경로와 방열순환경로에서 공통되는 부분인 열매 왕로(72)에 설치되어 있다. 태양열 이용시스템(2)은 집열순환경로와 방열순환경로에서 공통되는 부분인 열매 왕로(72)를 흐르는 열매를 집열순환경로와 방열순환경로의 사이에서 분배하는 3방향 전환밸브(7a)를 더 구비하고 있다. 이와 같은 구성으로 하는 것에 의해, 3방향 전환밸브(7a)에서 열매가 흐르는 경로를 선택하는 것으로, 단일의 열매순환펌프(74)에 의해서 집열순환경로에서 열매를 순환시키고, 태양열을 열원으로 하여 고온으로 된 급탕용수를 탱크(10)에 저류할 수도 있으며, 방열순환경로에서 열매를 순환시키고, 난방용 버너(82)에서 가열된 열매를 고온 난방기(76)에 공급할 수도 있다. 부품점수를 삭감하여 제조비용을 저감함과 아울러, 열매순환펌프(74)의 가동률을 향상시켜서 열매순환펌프(74)의 고장발생률을 저감할 수 있다.

또한, 상기의 실시예에 있어서, 3방향 전환밸브(7a)는 태양열 집열로(8)의 하류단과, 저온 난방로(75), 고온 난방로(77)의 하류단의 합류부분에 설치해도 좋다.

이상, 본 발명의 실시예에 대해서 상세하게 설명했지만, 이들은 예시에 지나지 않고, 특허청구범위를 한정하는 것은 아니다. 특허청구범위에 기재된 기술에는 이상으로 예시한 구체예를 여러 가지로 변형, 변경한 것이 포함된다.

본 명세서 또는 도면에 설명한 기술 요소는 단독으로 혹은 각종의 조합에 의해서 기술적 유용성을 발휘하는 것이며, 출원시 청구항 기재의 조합에 한정되는 것은 아니다. 또, 본 명세서 또는 도면에 예시한 기술은 복수 목적을 동시에 달성할 수 있는 것이며, 그 중 하나의 목적을 달성하는 것 자체로 기술적 유용성을 가지는 것이다.

2: 태양열 이용시스템 4: 태양전지판
6: 태양전지 7: 유량분배밸브
7a: 3방향 전환밸브 8: 태양열 집열로
10: 탱크 20: 급탕용수 순환로
22: 급탕용수 순환펌프 24: 수돗물 도입로
24a: 제 1 도입로 24b: 제 2 도입로
30: 혼합밸브 32: 수돗물 공급원
33: 열원기 바이패스로 34: 바이패스밸브
36: 제 1 급탕로 37: 급탕 가열로
38: 급탕전 39: 제 2 급탕로
40: 욕조 주탕로 42: 주탕 전자밸브
50: 히트펌프 52: 냉매 순환로
54: 공기 열교환기 56: 팬
58: 3유체 열교환기 60: 팽창밸브
62: 압축기 70: 시스턴
72: 열매 왕로 73: 연소 가열로
74: 열매순환펌프 75: 저온 난방로
76: 고온 난방기 77: 고온 난방로
78: 저온 난방기 79: 재가열로
81: 급탕용 버너 82: 난방용 버너
83: 재가열 열동밸브 84: 탱크 축열로
91: 욕조수 순환로 96: 열매 복로
97: 재가열 열교환기 98: 욕조
99: 욕조수 순환펌프 100: 제어장치
102: 태양열 이용시스템

Claims (6)

1. 태양열을 이용하여 열매를 가열하는 태양열 집열기와,
   열매와 물의 사이에서 열교환하는 열교환기와,
   열교환기에서 가열된 물을 저류하는 저탕조와,
   태양열 집열기와 열교환기의 사이에서 열매가 순환하는 집열순환경로와,
   열매를 가열하는 보조열원기와,
   열매로부터의 방열을 이용하는 열기기와,
   보조열원기와 열기기의 사이에서 열매가 순환하는 방열순환경로와,
   열매를 유동시키는 순환펌프를 구비하고 있으며,
   집열순환경로와 방열순환경로의 일부가 공통화되어 있고,
   순환펌프가 집열순환경로와 방열순환경로의 공통화된 부분에 설치되어 있으며,
   집열순환경로와 방열순환경로의 공통화된 부분을 흐르는 열매를 집열순환경로와 방열순환경로의 사이에서 분배하는 분배수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양열 이용시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   주위의 환경으로부터 흡열하여 물을 가열하는 히트펌프를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 태양열 이용시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   열교환기가 히트펌프의 냉매와 물 사이의 열교환과, 열매와 물 사이의 열교환을 실행하는 3유체 열교환기인 것을 특징으로 하는 태양열 이용시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   3유체 열교환기에 있어서, 냉매와 열매 사이의 열교환도 실행하는 것을 특징으로 하는 태양열 이용시스템.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   열기기가 난방기인 것을 특징으로 하는 태양열 이용시스템.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   보조열원기가 연료의 연소에 의해서 열매를 가열하는 연소기인 것을 특징으로 하는 태양열 이용시스템.

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