KR101810322B1 - 난방 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 난방수를 가열하여 순환시키는 방식의 난방 시스템에 관한 것으로, 난방수를 수용하며 상기 난방수가 인입되는 인입구와 상기 난방수를 배출하는 배출구를 구비한 온수탱크와, 상기 온수탱크의 배출구로부터 배출되는 상기 난방수를 상기 온수탱크의 인입구로 순환시키기 위한 난방배관을 포함하고, 상기 난방배관은 외측 파이프 내에 내측 파이프가 배치된 이중관으로 형성되며, 상기 난방수는 상기 외측 파이프와 내측 파이프 사이의 공간으로 유동할 수 있다.

Description

난방 시스템{HEATING SYSTEM}

본 발명은 난방 시스템에 관한 것으로, 난방수를 가열하여 순환시키는 방식의 난방 시스템에 관한 것이다.

온수를 열전달 매체로 사용하는 난방 시스템들이 널리 사용되고 있다. 온수를 만들기 위한 열원으로서 연소열을 이용하는 것과 전기발열을 이용하는 것이 있는데, 이 중 전기발열을 이용하는 시스템은 특히 전기 요금이 혜택이 있는 경우에 적합하다.

예컨대, 비닐하우스나 온실과 같은 농업용 시설에서 난방을 위해 전기를 활용하는 것이 유리한 경우가 있다. 그런데 이런 농업용 시설들은 난방이 필요한 공간이 가정용 주택에 비해 훨씬 큰 만큼, 순환되는 온수의 양은 물론 이를 수용하기 위한 물탱크나 온수를 가열하기 위한 히터 등이 모두 대용량일 필요가 있다. 예를 들어 660㎡의 바닥 면적을 가진 시설을 적절히 난방하기 위해서는 2,000L 용량의 대형 물탱크와 100kW 급의 히터가 필요한 식이다. 넓은 공간에 온수를 공급할 수 있어야 하기 때문에 물탱크의 용량을 줄이는 데에는 한계가 있으므로 시설의 크기에 따라 물탱크의 크기도 커지며, 따라서 난방 시스템이 넓은 공간을 차지하게 되기도 한다. 한편, 많은 양의 온수를 생산하기 위해 히터의 용량 역시 큰 것이 필요해지는데, 이는 난방 시스템을 구축하기 위해 소요되는 비용을 증가시킨다. 그럼에도 불구하고 난방 시스템의 시동으로부터 시설 내부의 온도가 적정 수준에 도달할 때까지 소요되는 시간이 길며, 난방 공간을 일정한 온도로 유지하기 어렵고, 에너지 효율도 떨어지는 것이 사실이다.

본 발명은 필요한 온수의 양을 줄임으로써 컴팩트한 크기로 설치될 수 있는 난방 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 에너지 효율이 향상된 난방 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 빠른 시간 내에 온수를 만들 수 있는 난방 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 또다른 목적은 일정한 난방을 제공할 수 있는 난방 시스템을 제공하는 데에 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관된 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 분명해질 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 난방 시스템은, 난방수를 수용하며 상기 난방수가 인입되는 인입구와 상기 난방수를 배출하는 배출구를 구비한 온수탱크와, 상기 온수탱크의 배출구로부터 배출되는 상기 난방수를 상기 온수탱크의 인입구로 순환시키기 위한 난방배관을 포함하고, 상기 난방배관은 외측 파이프 내에 내측 파이프가 배치된 이중관으로 형성되며, 상기 난방수는 상기 외측 파이프와 내측 파이프 사이의 공간으로 유동할 수 있다.

본 발명에 따른 난방 시스템에 있어서, 상기 온수탱크는 상기 인입구와 배출구를 제외하고 외부에 대해 밀봉되되 상기 인입구로부터 배출구에 이르기까지 순차로 연통된 복수의 분할공간을 구비하고, 상기 온수탱크의 복수의 가열공간 각각에 선택적으로 배치되는 복수의 가열원을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 난방 시스템에 있어서, 상기 복수의 가열원은 각각, 상기 온수탱크에 형성된 삽입공을 통해 외부로부터 상기 온수탱크 내부로 삽입되는 봉상 히터를 포함할 수 있다. 여기서 상기 복수의 가열원은 개별적으로 제어될 수 있다. 또한 상기 복수의 가열원 중 적어도 일부는 난방이 필요한 공간의 기온을 입력받아 피드백 방식으로 제어될 수 있다.

한편, 상기 난방배관의 내측 파이프의 내부 공간은 임의의 물질로 채워질 수도 있다.

본 발명에 따른 난방 시스템에 있어서, 상기 온수탱크의 인입구측에서 상기 난방배관에 배치된 순환펌프를 더 포함할 수 있다. 이때 상기 순환펌프의 단위시간당 토출유량은, 상기 난방배관이 외측 파이프만으로 이루어진 경우에 필요한 단위시간당 토출유량 이상일 수 있다.

본 발명에 따르면, 단위 부피의 난방수에 대해 보다 넓은 전열면적을 확보할 수 있으므로, 필요한 난방수의 양을 줄일 수 있고 따라서 온수탱크 등을 컴팩트하게 유지할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 난방배관에 넓은 전열면적을 확보하고, 온수탱크에 복수의 분할공간에서 단계적으로 난방수를 가열함으로써 난방에 소요되는 시간이 절약되고 에너지 효율도 향상된다.

또한 복수의 가열원을 사용하되, 각각 개별적으로 제어함으로써 비용효과적이면서도 일정한 난방을 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 난방 시스템의 일실시예의 개념적으로 도시한 다이어그램이다.
도 2는 도 1의 실시예에서 난방배관의 일례를 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1의 실시예에서 온수탱크의 일례를 도시한 분해사시도이다.

이하에서는 첨부의 도면을 참조로 본 발명에 따른 난방 시스템의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 난방 시스템의 일실시예의 개념적으로 도시한 다이어그램으로서, 온수탱크(110), 난방배관(120), 순환펌프(130)를 포함한 난방 시스템이 개략적으로 예시되어 있다.

온수탱크(110)는 난방수를 수용하기 위한 것으로, 인입구(111a)와 배출구(111b)를 가지며, 인입구(111a)로부터 난방수를 공급받아 배출구(111b)로 배출한다. 여기서 난방수란 난방 매체의 일례로서 물을 의미할 뿐이므로 온수, 냉수를 구별하지 않으며, 난방 매체로 사용될 수 있는 것이라면 물이 아닌 다른 유체일 수도 있다.

난방배관(120)은 온수탱크(110)의 배출구(111b)로부터 인입구(111a)까지 난방수의 순환 경로를 형성한다. 난방배관(120)은 난방이 필요한 공간, 즉 난방 공간을 지나가도록 배치되며, 따라서 난방배관(120)을 통해 난방 공간과의 열교환이 이루어진다. 도 1에서는 이론적으로 온수탱크(110)의 배출구(111b)로부터 인입구(111a)에 이르기까지가 모두 난방 공간에 해당한다. 다만 난방배관(120)의 실제 난방 공간이 아닌 부분에 대해서는 단열 등의 별도 조치를 취하여 난방 공간에서만 열교환이 일어나도록 유도할 수 있다. 한편, 도시하지는 않았으나, 열교환을 촉진하기 위해 난방 공간 내에서 난방배관(120) 상에 방열기(radiator)를 추가하는 것도 가능하다. 그러나 농업용 시설물에서와 같이 작물의 생육 공간 확보, 일사량 확보 등의 제한 요소가 중요한 경우, 방열기를 추가하지 않고 난방배관(120) 만으로 열교환을 하는 경우가 많은데, 본 발명에 따른 난방 시스템은 이런 경우에도 아래에서 설명할 난방배관(120)의 특성상 충분한 열교환 성능을 가져다줄 수 있다.

도 2는 도 1의 실시예에서 난방배관(120)의 일례의 단면을 도시하고 있다. 난방배관(120)은 이중관이다. 즉, 난방배관(120)은 직경이 상대적으로 큰 외측 파이프(121) 내에 직경이 상대적으로 작은 내측 파이프(122)를 삽입하여 이루어진다. 이때 외측 파이프(121)에 대한 내측 파이프(122)의 고정은, 도시하지 않은 지지대, 지지판, 지지막 등으로 외측 파이프(121)에 대해 내측 파이프(122)가 지지되게 하는 것으로 구현될 수 있다. 그 구체적인 구조나 방식은 통상의 기술로 구현할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 난방배관(120)이 이와 같이 이중관의 형태를 가지므로, 그 내부에는 2개의 공간, 즉 외측 파이프(121)와 내측 파이프(122) 사이에 형성되는 제1 공간(121a)과, 내측 파이프(122) 내부에 형성된 제2 공간(122a)이 형성되게 된다. 여기서 난방수가 흐르는 공간은 제1 공간(121a)이며, 제2 공간(122a)으로는 난방수가 흐르지 않는다.

이와 같은 구성은 전열 면적의 확대라는 효과를 가진다. 즉, 최대 직경이 동일하다는 전제하에서, 난방배관(120)이 외측 파이프(121)만으로 이루어진 단일관 형태인 경우와, 본 발명에서와 같이 이중관으로서 제1 공간(121a)에만 난방수가 흐르는 형태인 경우를 비교하여 보면, 단위 길이의 난방배관 내에 포함된 난방수의 양이 후자, 즉 본 발명의 경우가 더 적다. 반대의 관점에서 동일한 난방수의 양을 기준으로 보자면, 본 발명의 경우가 난방 공간과 접하는 표면적이 더 넓다. 따라서 본 발명에 따르면 단위 부피의 난방수에 대해 상대적으로 더 넓은 전열면적을 확보할 수 있다. 전열 면적의 확대라는 관점에서, 난방배관(120) 중 난방 공간에 속하지 않은 부분에서는 내측 파이프(122)를 생략하고 단일관의 형태를 갖게 할 수도 있다.

난방배관(120)의 제2 공간(122a)에는 난방수가 흐르지 않는데, 난방배관(120)의 단위길이당 난방수의 양이 상대적으로 줄어든 만큼 열용량이 감소한 점을 상쇄하기 위해, 제2 공간(122a)을 다른 물질로 충전하는 것도 가능하다. 예컨대, 공기, 물, 금속, 흙, 시멘트 등 임의의 물질을 사용하여 충전할 수 있다. 이때 충전되는 물질의 열용량이 높을수록, 본 발명에 따른 난방 시스템이 작동 중단된 시점에서도 잠열원으로서 작용하는 효과가 증대되지만, 반대로 본 발명에 따른 난방 시스템의 초기 가동시 난방 공간의 온도 상승률이 저하될 가능성은 있다. 충전되는 물질은 내측 파이프(122)와 같은 재질일 수도 있는데, 이는 처음부터 내측 파이프(122)가 그 명칭에도 불구하고 중공의 파이프가 아니라 중실의 봉일 수 있다는 것을 의미한다.

도 3은 도 1의 실시예의 온수탱크(110)의 일례를 나타낸 분해사시도이다. 도 1의 실시예에서 온수탱크(110)는 외부의 가열장치에 의해 가열된 온수를 공급받아 수용하기만 하는 것일 수도 있으나, 자체적으로 가열원을 포함할 수도 있다. 특히 전기를 이용하는 난방 시스템인 경우, 온수탱크(110)는 가열원으로서 전기 히터(115)를 포함할 수 있는데, 이 경우 가열 속도 및 에너지 효율을 높이기 위해 온수탱크(110)의 내부는 격벽(112, 113)에 의해 복수의 분할공간으로 나뉘어진 것이 바람직하다. 예컨대 도시된 바와 같이 온수탱크(110)의 내부에 2개의 격벽(112, 113)을 배치하여 3개의 분할공간을 형성할 수 있다. 각각의 격벽(112, 113)에는 연통구멍(112a, 113a)을 형성하여, 이웃하는 분할공간 사이에서 난방수가 이동할 수 있도록 한다. 연통구멍(112a, 113a)은 각각 온수탱크가 설치된 상태에서 격벽(112, 113)의 상단 쪽에 형성하여, 각 분할공간에서 충분히 가열되어 상승한 난방수가 그 다음번 분할공간, 또는 배출구(111b)로 진입할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 도시된 예에서 온수탱크(110)는 직육면체 형상인 것으로 예시하고는 있으나, 온수탱크(110)의 형태는 원기둥, 구형, 각기둥 등 다양하게 바뀔 수 있다.

한편, 뚜껑과 같이 위로부터 덮이는 상판(114)에는 관통구멍(114a)을 형성하고, 이 관통구멍(114a)을 통해 봉상 히터인 전기 히터(115)를 삽입할 수 있다. 이때 전기 히터(115)는 복수 개로서 각 분할공간에 나뉘어 배치될 수 있다. 도 3에 도시한 예에 따르면, 전기 히터(115)는 봉상 히터로서 3개만이 도시되어 있으나, 관통구멍(114a)의 수에 따를 때 9개의 전기 히터(115)가 설치될 수 있다. 물론 필요하다면 관통구멍(114a)과 전기 히터(115)의 수는 물론, 분할공간의 수도 더 늘일 수 있다. 전기 히터(115)의 수는 각 전기 히터(115)의 발열용량 등에 따라 적절히 선택할 수 있으며, 전기 히터(115)가 삽입되지 않는 관통구멍(114a)은 폐쇄할 필요가 있다. 이는 이어지는 설명에 따른 순환펌프(130)의 작용을 원활히 하기 위한 것이다.

전기 히터(115)가 복수 개 구비된 경우, 각 전기 히터(115)는 개별적으로, 또는 그룹별로 각각 다른 방식에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 도시된 바와 같이 3개의 분할공간이 형성된 경우, 전기 히터(115)는 3개의 그룹으로 나누어 각각 그룹별로 제어될 수 있다. 통상적으로 시설재배용 난방 시스템에서 전기 히터의 제어는 바이메탈 등을 이용한 난방수 온도 측정을 통해 전기 히터의 on/off를 제어한다. 이런 방식은 제조비용이 싸고 구조적으로 간단하므로 유지관리도 용이하다는 장점이 있다. 본 발명에서는 일부 전기 히터(115)는 동일하게 바이메탈에 의한 on/off 제어만을 수행하되, 다른 일부 전기 히터(115)는 난방 공간의 기온을 입력받아 이를 통한 피드백 제어, 예컨대 PID제어를 수행할 수 있다. 이 경우 제조비용은 상승할 수 있으나, 더욱 정밀한 제어가 가능하며, 따라서 난방 공간의 기온을 일정하게 유지할 수 있다는 장점이 있다. 요컨대, 인입구(111a)에 가장 가까운 분할공간에서는 정밀한 제어보다 단순하지만 빠른 가열에 적합한 제어가 필요하므로 통상의 제어방식과 같이 해당 분할공간 내의 난방수의 온도를 기초로 제어하는 경제적인 방식을 취하되, 배출구(111b)에 가장 인접한 분할공간의 전기 히터(115)는 난방 공간의 실제 온도를 기초로 정밀한 제어를 할 수 있도록 함으로써 비용효과적이면서도 일정한 난방을 제공할 수 있는 시스템을 구축할 수 있다.

온수탱크(110)의 외부에서 인입구(111a)에 인접한 부분에 순환펌프(130)가 설치된다. 이 순환펌프(130)는 난방배관(120) 내의 난방수를 순환시키기 위한 것으로서, 상대적으로 난방수의 온도가 높은 배출구(111b)보다 인입구(111a)에 더 가깝게 배치되는 것이 바람직하다. 또한 하나의 순환펌프(130)로서 온수탱크(110), 난방배관(120)으로 이루어진 순환계 전체에 난방수를 순환시킬 수 있도록, 온수탱크(110)는 배출구(111b)와 인입구(111a), 나아가서 상판(114)의 관통구멍(114a)을 제외하고는 외부에 대해 밀봉되어 폐쇄된 순환계를 이루도록 하는 것이 바람직하다. 물론 통상의 기술에 따라 난방수 보충 또는 드레인을 위해 선택적으로 개폐 가능한 관로 또는 밸브가 추가될 수는 있다.

한편, 이 순환펌프(130)의 토출량은 난방배관(120)이 이중관이 아닌 단일관인 경우에 통상적으로 활용되는 토출량 이상을 유지할 필요가 있다. 이 경우, 이중관인 난방배관(120)의 내부, 정확히는 제1 공간(121a) 내부를 흐르는 난방수의 유속이 증가하게 되는데, 이는 다음의 두 가지 효과를 가진다.

첫째, 단위 길이의 이중관인 난방배관(120) 내에 존재하는 난방수의 양이 단일관인 경우에 비해 적은 것을 보충하여, 단위 시간당 흘러가는 난방수의 양을 단일관인 경우와 동일하게 만들 수 있다. 이중관인 난방배관(120)은 단위 부피의 난방수에 대해 전열면적을 늘이는 효과가 있으므로, 결과적으로 단위 시간당 열교환량이 증대될 수 있다.

둘째, 난방배관(120)의 길이가 일정하다는 가정 하에, 온수탱크(110)의 배출구(111b)로부터 인입구(111a)까지 난방수가 흐르는 데에 소요되는 시간이 단일관인 난방배관에 비해 빠르게 된다. 따라서 인입구(111a)로 회수되는 난방수의 온도가 상대적으로 높으며, 온수탱크(110) 내에서 재가열하는 데에 소요되는 시간 및 에너지의 양이 줄어들게 되며, 결과적으로 적은 수 또는 적은 용량의 전기 히터(115)를 사용하는 것이 가능해진다.

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

Claims (10)

1. 난방수를 수용하며 상기 난방수가 인입되는 인입구와 상기 난방수를 배출하는 배출구를 구비한 온수탱크와,
   상기 온수탱크의 배출구로부터 배출되는 상기 난방수를 상기 온수탱크의 인입구로 순환시키기 위한 난방배관을 포함하고,
   상기 난방배관은 외측 파이프 내에 내측 파이프가 배치된 이중관으로 형성되며, 상기 난방수는 상기 외측 파이프와 내측 파이프 사이의 공간으로 유동하고,
   상기 온수탱크의 인입구측에서 상기 난방배관에 배치된 순환펌프를 더 포함하며,
   상기 순환펌프의 단위시간당 토출유량은, 상기 난방배관이 외측 파이프만으로 이루어진 경우에 필요한 단위시간당 토출유량 이상인 난방 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 온수탱크는 상기 인입구와 배출구를 제외하고 외부에 대해 밀봉되되 상기 인입구로부터 배출구에 이르기까지 순차로 연통된 복수의 분할공간을 구비하고,
   상기 온수탱크의 복수의 가열공간 각각에 선택적으로 배치되는 복수의 가열원을 더 포함하는 난방 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 가열원은 각각, 상기 온수탱크에 형성된 삽입공을 통해 외부로부터 상기 온수탱크 내부로 삽입되는 봉상 히터를 포함하는 난방 시스템.
4. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 가열원은 개별적으로 제어되는 난방 시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 복수의 가열원 중 적어도 일부는 난방이 필요한 공간의 기온을 입력받아 피드백 방식으로 제어되는 난방 시스템.
6. 삭제
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,
   상기 난방배관의 내측 파이프의 내부 공간은 임의의 물질로 채워지는 난방 시스템.
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10. 삭제

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