KR101790294B1 - 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템 - Google Patents

복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지역난방 열공급 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 태양열 집열기, 태양열 축열조 및 히트 펌프를 이용하여 태양열에 의한 열생산의 효율을 향상시키고, 열공급 부하에 따라 태양열 축열조의 열을 열원으로 하여, 지역난방 회수수 또는 지역난방 축열조의 온수를 히트펌프로 가열하여 지역 난방열을 공급하도록 함으로써 신재생 에너지 효율을 증대시키도록 하는 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템에 관한 것이다.

Description

복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템{HEAT PUMP SYSTEM COMPOSED OF SEVERAL HEAT STORAGES AND SOLAR HEAT COLLECTORS FOR DISTRICT HEATING}
본 발명은 지역난방 열공급 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 태양열 집열기, 태양열 축열조 및 히트 펌프를 이용하여 태양열에 의한 열생산의 효율을 향상시키고, 열공급 부하에 따라 태양열 축열조의 열을 열원으로 하여, 지역난방 회수수 또는 지역난방 축열조의 온수를 히트펌프로 가열하여 지역 난방열을 공급하도록 함으로써 신재생 에너지 효율을 증대시키도록 하는 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 지역난방은 아파트, 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등 각종건물이 개별난방 시설을 갖추는 대신 집중된 대규모 열원시설(열병합발전소, 열전용 보일러, 쓰레기 소각로 등)에서 경제적으로 생산된 열을 이용하여 지역전체에 난방 및 급탕을 공급하며, 쾌적한 도시환경을 창조하고 에너지 절약과 환경공해 개선에 기여하는 효율적인 난방방식으로 개별적으로 사용자가 난방설비를 갖추는 개별난방 시스템과는 차이가 있다.
즉, 지역난방은 한 개의 도시 또는 일정한 지역 내에 있는 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등 각종 건물이 개별적으로 난방설비를 갖추지 않고, 대규모 열생산시설, 즉 열병합발전소를 건설하여 난방 및 급탕에 필요한 고온수(110℃ 이상)를 생산하여 고압(16㎏f/㎠)의 압력으로 열수송관을 통해 각 수용가에 공급하는 시스템으로 집단에너지 공급방식 중 하나이다.
한편, 이러한 지역난방을 이용하기 위해서는 열병합 시스템이 필요한데, 열병합 시스템은 하나의 에너지원(연료)으로부터 두가지 이상의 유용한 에너지(전기에너지와 열에너지)를 생산해 낼 수 있는 시스템을 말한다.
한편, 이러한 지역난방시스템은 신재생 에너지를 결합하여 그 효율을 증대시키고자 하는 기술이 개발되었다.
일례로, 선행기술 1인 국내 특허등록공보 10-0849909호인 지역난방의 저온저압 열공급 시스템에는 일정 온도의 저온수를 생산하는 저온 열원과; 상기 저온 열원에서 생산된 잉여 고온수를 저장하였다가 열부하가 높은 시간에 저장열을 방출함으로서 일일 첨두부하를 담당하는 저온수 저장 탱크인 축열조와; 상기 저온 열원 및 축열조로부터 생산된 저온수를 전달하는 열교환기와; 상기 열교환기에서 열교환된 저온수를 일정 압력으로 순환시키는 순환펌프; 및 상기 순환펌프와 연결되어 열공급대상지역까지 저온수를 수송 및 회수하는 플라스틱 열배관을 포함하는 구성이 개시되어 있다.
또한, 선행기술 2인 국내 특허등록공보 10-0893828호인 복합 발전을 연계한 복합 열원 히트 펌프 냉난방 방법에는 열병합 발전기에 자연 에너지를 이용하는 태양광 발전기와 풍력 발전기를 부가 설치한 복합 에너지 발전 시스템을 구축하여 냉난방 수요처를 통합 발전소화 하고 한전에서의 전력 공급이 끊겨도 자체에서 생산된 전기를 일반 전기수요처의 상용 전력 및 비상 전력으로 공급함은 물론 냉난방 수요처의 냉난방 관련 설비의 구동전력으로 공급하여 계절별, 수요처별 부하에 따른 에너지 수요와 냉난방 관련 설비의 부하에 환경친화적이고 값싼 전기를 연중 24시간 안정적으로 공급할 수 있으며, 복합 에너지 발전 시스템의 자체 생산 전기를 구동 전력으로 이용하고 열병합 발전기에서 배출되는 폐열과 도시지역에서 배출되는 하수의 폐수열, 지중열, 대기열 등의 복합 열원을 상호 보완적으로 사용하는 고효율의 복합 열원 히트 펌프 냉난방 시스템이 개시되어 있다.
그러나, 선행기술1은 지역난방 사용자에게 80~120℃의 온수공급하기 위해서는 태양열 집열기의 작동온도가 높아야 하는데, 통상의 태양열 집열기는 운전온도가 높을수록 집열효율이 낮아질 뿐 이니라, 안정성에도 안 좋은 영향을 미치게 되는 문제점이 있다.
또한, 선행기술 2인 히트 펌프를 이용하는 경우 재생에너지를 열원으로 사용하는 히트 펌프는 열원의 온도가 매우 낮거나, 열량이 지속적으로 공급되지 못할 경우, 히트 펌프가 지속적 효율적으로 운전되기 어렵고, 열원의 온도가 낮을 경우, 이론적으로 COP가 낮기 때문에 지역난방에 필요한 80~120℃ 의 열을 생산하기 곤란하며, 태양열과 같은 신재생에너지를 사용하는 경우, 계절별로 집열량의 차이를 보일게 되는데, 열부하가 큰 동절기에 집열량이 적게 되어, 동절기에 히트 펌프의 운전에 제약으로 작용하게 되는 문제점이 있다.
(선행기술 1) 국내 특허등록공보 10-0849909호 (선행기술 2) 국내 특허등록공보 10-0893828호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 태양열 집열기와 연계되는 태양열 축열조와, 지역난방 배관과 연결되는 지역난방 축열조를 각기 설치하고, 저부하 운전시 태양열 집열기에서는 80℃까지 열을 생산하게 하고, 태양열 축열조를 연결하여 하절기에 축열과 방열을 하면서 지역난방열을 공급하도록 하고, 중부하 운전시 추가 열을 생산할 필요가 있을 때, 태양열 집열기에서 생산된 중온수를 열원으로 히트 펌프를 가동하여 80~98℃의 중온수를 생산하여 지역난방 사용자에게 공급하고, 지역난방 축열조에 저장하도록 하며, 고부하 운전시 지역난방 축열조까지 방열해야할 경우 축열조에서 방열되는 열의 일부와 태양열 집열기에서 생산된 열을 히트 펌프에 열원으로 공급하여 히트 펌프가 100~120℃의 고온수를 생산할 수 있도록 하는 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
지역난방 공급배관으로 온수를 공급하고, 지역난방 회수배관으로 온수를 회수하는 지역난방 시스템에 있어서, 태양열로 냉매를 가열시켜 열교환기를 통해 80℃ 이하의 온수를 생산하는 태양열 집열기와; 상기 태양열 집열기의 열교환기로 저온수를 공급하고, 상기 태양열 집열기의 열교환기에서 열교환되어 배출되는 80℃ 이하의 온수를 저장하는 태양열 축열조와; 상기 지역난방 공급배관과 지역난방 회수배관과 연계되어 80~98℃의 지역난방수가 저장되는 지역난방 축열조와; 상기 태양열 축열조 또는 지역난방 축열조 또는 상기 지역난방 회수배관으로부터 공급되는 온수를 가열시켜 상기 지역난방 공급배관 또는 상기 지역난방 축열조로 공급하는 히트 펌프; 및 상기 지역난방 공급배관의 공급온도에 따라 저부하 운전모드, 중부하 운전모드, 고부하 운전모드를 결정하고, 각 운전모드에 따라 각 구성부를 동작시켜 상기 태양열 축열조에 저장된 온수 또는 히트 펌프에서 생산된 온수를 상기 지역난방 공급배관으로 공급하는 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템은 상기 태양열 축열조와 지역난방 축열조 사이에 열교환기를 구비한다.
여기에서 또한, 상기 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템은 적어도 하나 이상의 전자 밸브와 펌프가 구비되어 상기 제어부의 제어에 따라 유로를 가변시킨다.
여기에서 또, 상기 제어부는 저부하 운전 모드시 상기 태양열 축열조에 저장된 80℃ 이하의 온수를 상기 지역난방 공급배관으로 직접 공급시킨다.
여기에서 또, 상기 제어부는 중부하 운전 모드시 상기 태양열 축열조에 저장된 80℃ 이하의 온수를 상기 히트 펌프로 공급하고, 상기 지역난방 회수배관의 지역난방 회수수를 상기 히트 펌프로 공급해서 상기 히트 펌프에서 80~98℃의 온수가 생산되어 상기 지역난방 공급배관 또는 상기 지역난방 공급배관과 지역난방 축열조로 공급되도록 한다.
여기에서 또, 상기 제어부는 고부하 운전 모드시 상기 태양열 축열조에 저장된 80℃ 이하의 온수와 상기 지역난방 축열조의 80~98℃의 온수를 상기 히트 펌프의 각각 공급하여 상기 히트 펌프에서 98~120℃의 온수가 생산되어 상기 지역난방 공급배관으로 공급되도록 한다.
여기에서 또, 상기 제어부는 잉여열이 발생하거나 상기 태양열 축열조의 축열량을 유지할 필요가 있는 경우 태양열 축열조 축열 운전 모드로 수행하여 상기 지역난방 축열조의 고온수를 상기 태양열 축열조의 온수와 열교환시켜 상기 태양열 축열조에 축열한다.
여기에서 또, 상기 히트 펌프는 스팀 히트 펌프이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템에 따르면, 태양열 집열기, 태양열 축열조, 히트 펌프 및 지역난방 축열조를 연계하여 각각의 구성 기기는 최적의 운전 성능을 유지하면서 계절별 지역난방 열공급 부하의 변동을 효과적으로 대응할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템의 각 모드에 따른 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
이하, 본 발명에 따른 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템의 구성을 나타낸 계통도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템(1)은, 태양열 집열기(10)와, 태양열 축열조(20)와, 지역난방 축열조(30)와, 히트 펌프(40)와, 열교환기(50) 및 제어부(60)로 이루어진다.
먼저, 태양열 집열기(10)는 태양열로 냉매를 가열시켜 태양열용 열교환기(11)를 통해 80℃ 이하의 온수를 생산한다.
그리고, 태양열 축열조(20)는 태양열용 열교환기(11)로 저온수를 공급하고, 태양열용 열교환기(11)에서 열교환되어 배출되는 80℃ 이하의 온수를 저장한다. 이때, 태양열 축열조(20)에는 지역난방 회수배관(RL)이 연결되어 지역난방 회수수를 저장하여 태양열용 열교환기(11)로 공급하여 열교환되도록 할 수도 있다.
또한, 지역난방 축열조(30)는 지역난방 공급배관(SL)과 지역난방 회수배관(RL)과 연계되어 80~98℃의 지역난방수가 저장된다.
또, 히트 펌프(40)는 고온의 온수 생산이 가능한 증기 히트 펌프로서, 증발기(41), 응축기(43), 압축기(45) 및 팽창 밸브(47)로 이루어지고, 태양열 축열조(20) 또는 지역난방 축열조(30) 또는 지역난방 회수배관(RL)으로부터 공급되는 온수를 가열시켜 지역난방 공급배관(SL) 또는 지역난방 축열조(30)로 공급한다.
계속해서, 열교환기(50)는 태양열 축열조(20)와 지역난방 축열조(30) 사이에 설치된다.
이어서, 제어부(60)는 지역난방 공급배관(SL)의 공급온도에 따라 저부하 운전모드, 중부하 운전모드, 고부하 운전모드를 결정하고, 각 운전모드에 따라 각 구성부를 동작시켜 태양열 축열조(20)에 저장된 온수 또는 히트 펌프(40)에서 생산된 온수를 지역난방 공급배관(SL)으로 공급한다.
이때, 제어부(60)는 저부하 운전 모드시 태양열 축열조(20)에 저장된 80℃ 이하의 온수를 지역난방 공급배관(SL)으로 직접 공급시킨다.
또한, 제어부(60)는 중부하 운전 모드시 태양열 축열조(20)에 저장된 80℃ 이하의 온수를 히트 펌프(40)의 증발기(41)로 공급하고, 지역난방 회수배관(RL)의 지역난방 회수수를 히트 펌프(40)의 응축기(43)로 공급해서 히트 펌프(40)에서 80~98℃의 온수가 생산되어 지역난방 공급배관(SL)으로 공급되도록 한다. 이때, 잉여열을 지역난방 축열조(30)에 저장할 수도 있다.
또, 제어부(60)는 고부하 운전 모드시 태양열 축열조(20)에 저장된 80℃ 이하의 온수를 히트 펌프(40)의 증발기(41)로 공급하고, 지역난방 축열조(30)의 80~98℃의 온수를 히트 펌프(40)의 응축기(43)로 공급하여 히트 펌프(40)에서 98~120℃의 온수가 생산되어 지역난방 공급배관(SL)으로 공급되도록 한다. 이때, 지역난방 회수배관(RL)의 지역난방 회수수는 지역난방 축열조(30)로 유입된다.
또한, 제어부(60)는 태양열 축열조(20)의 온수 축열량이 충분하지 않을 경우, 열교환기(50)를 통해 지역난방 축열조(30)에서 열을 받아 태양열 축열조(20)에 축열한다.
한편, 본 발명에 따른 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템(1)은 전자 밸브(V1~V8) 및 펌프(P1~P7)가 구비되어 제어부(60)의 제어에 따라 유로를 가변시키는 것이 바람직하다.
이하, 본 발명에 따른 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2 내지 도 5는 본 발명에 따른 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템의 각 모드에 따른 동작을 설명하기 위한 설명도이다.
《저부하 운전 모드》
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이 제어부(60)는 하절기와 같은 저부하시 태양열 축열조(20)에 저장된 80℃ 이하의 온수를 지역난방 공급배관(SL)으로 직접 공급시킨다. 이때, 제어부(60)는 각각의 전자 밸브(V1~V5) 및 펌프(P1~P6)를 제어하여 태양열 축열조(20)에 저장된 80℃ 이하의 온수가 지역난방 공급배관(SL)으로 공급되도록 한다. 또한, 지역난방 회수배관(RL)의 지역난방 회수수가 태양열 축열조(20)로 회수되어 배출된 온수량을 보존하도록 한다.
《중부하 운전 모드》
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 제어부(60)는 춘, 추절기와 같은 중부하시 각각의 전자 밸브(V1~V5) 및 펌프(P1~P6)를 제어하여 태양열 축열조(20)에 저장된 80℃ 이하의 온수를 히트 펌프(40)의 증발기(41)로 공급한다.
또한, 제어부(60)는 지역난방 회수배관(RL)의 지역난방 회수수를 히트 펌프(40)의 응축기(43)로 공급한다.
이로 인해 히트 펌프(40)에서 80~98℃의 온수가 생산되어 지역난방 공급배관(SL)으로 공급된다.
한편, 제어부(60)는 잉여열이 발생하는 경우 지역난방 축열조(30)에 저장한다.
《고부하 운전 모드》
또, 도 3에 도시된 바와 같이 제어부(60)는 동절기와 같은 고부하시 각각의 전자 밸브(V1~V5) 및 펌프(P1~P6)를 제어하여 태양열 축열조(20)에 저장된 80℃ 이하의 온수를 히트 펌프(40)의 증발기(41)로 공급한다.
또한, 지역난방 축열조(30)의 80~98℃의 온수를 히트 펌프(40)의 응축기(43)로 공급한다.
그러면, 히트 펌프(40)에서 98~120℃의 온수가 생산되고, 생산된 온수를 지역난방 공급배관(SL)으로 공급한다.
《태양열 축열조 축열 운전 모드》
한편, 계절에 관계없이 히트펌프(40)를 원활하게 운전하기 위해서 태양열 축열조(20)의 축열량을 유지할 필요가 있다.
그리하여 제어부(60)는 도 5에 도시된 바와 같이 태양열 집열량이 부족한 경우, 지역난방 축열조(30)를 방열하여 열교환기(50)를 거쳐 태양열 축열조(20)의 열량을 보충한다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 태양열 집열기 20 : 태양열 축열조
30 : 지역난방 축열조 40 : 히트 펌프
50 : 열교환기 60 : 제어부

Claims (8)

  1. 지역난방 공급배관으로 온수를 공급하고, 지역난방 회수배관으로 온수를 회수하는 지역난방 시스템에 있어서,
    태양열로 냉매를 가열시켜 태양열용 열교환기를 통해 80℃ 이하의 온수를 생산하는 태양열 집열기와;
    상기 태양열용 열교환기로 저온수를 공급하고, 상기 태양열용 열교환기에서 열교환되어 배출되는 80℃ 이하의 온수를 저장하는 태양열 축열조와;
    상기 지역난방 공급배관과 지역난방 회수배관과 연계되어 80~98℃의 지역난방수가 저장되는 지역난방 축열조와;
    상기 태양열 축열조 또는 지역난방 축열조 또는 상기 지역난방 회수배관으로부터 공급되는 온수를 가열시켜 상기 지역난방 공급배관 또는 상기 지역난방 축열조로 공급하는 히트 펌프; 및
    상기 지역난방 공급배관의 공급온도에 따라 저부하 운전모드, 중부하 운전모드, 고부하 운전모드를 결정하고, 각 운전모드에 따라 각 구성부를 동작시켜 상기 태양열 축열조에 저장된 온수 또는 히트 펌프에서 생산된 온수를 상기 지역난방 공급배관으로 공급하되, 저부하 운전 모드시 상기 태양열 축열조에 저장된 80℃ 이하의 온수를 상기 지역난방 공급배관으로 직접 공급시키는 제어부로 이루어지는 것을 특징으로 하는 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템은,
    상기 태양열 축열조와 지역난방 축열조 사이에 열교환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템은,
    적어도 하나 이상의 전자 밸브와 펌프가 구비되어 상기 제어부의 제어에 따라 유로를 가변시키는 것을 특징으로 하는 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    중부하 운전 모드시 상기 태양열 축열조에 저장된 80℃ 이하의 온수를 상기 히트 펌프로 공급하고, 상기 지역난방 회수배관의 지역난방 회수수를 상기 히트 펌프로 공급해서 상기 히트 펌프에서 80~98℃의 온수가 생산되어 상기 지역난방 공급배관 또는 상기 지역난방 공급배관과 지역난방 축열조로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    고부하 운전 모드시 상기 태양열 축열조에 저장된 80℃ 이하의 온수와 상기 지역난방 축열조의 80~98℃의 온수를 상기 히트 펌프로 각각 공급하여 상기 히트 펌프에서 98~120℃의 온수가 생산되어 상기 지역난방 공급배관으로 공급되도록 하는 것을 특징으로 하는 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템.
  7. 제 2 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    잉여열이 발생하거나 상기 태양열 축열조의 축열량을 유지할 필요가 있는 경우 태양열 축열조 축열 운전 모드로 수행하여 상기 지역난방 축열조의 고온수를 상기 태양열 축열조의 온수와 열교환시켜 상기 태양열 축열조에 축열하는 것을 특징으로 하는 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트 펌프는,
    스팀 히트 펌프인 것을 특징으로 하는 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템.
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