KR102085777B1 - 난방 캐스케이드 시스템 - Google Patents

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Abstract

난방 캐스케이드 시스템에 관하여 개시한다. 본 발명은 열원측과 부하측을 연결하는 난방공급관과 난방환수관에 연결된 난방부하 환수관, 상기 난방공급관에서 난방환수관측으로의 난방수 흐름을 제어하기 위해 상기 난방부하 환수관에 설치된 밸브, 상기 난방부하 환수관을 기준으로 상기 열원측 방향의 난방공급관에 설치되어 열원공급온도(T2)를 검출하는 제1 온도센서, 상기 난방부하 환수관을 기준으로 상기 부하측 방향의 난방공급관에 설치되어 난방공급온도(T1)를 검출하는 제2 온도센서를 포함하는 수분배기; 및 상기 밸브를 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

난방 캐스케이드 시스템{heating cascade system}
본 발명은 난방 캐스케이드 시스템의 설치 비용 절감과 설치 작업의 편의성을 제공하고 제어변수를 줄여 시스템의 신뢰성을 높이는 난방 캐스케이드 시스템 및 제어 방법에 관한 것이다.
실내 난방에서 10~15만kcal/hr의 난방 용량이 필요한 경우, 10~15만kcal/hr 열량을 갖는 중형 보일러를 설치하거나, 2~4대의 가정용 소형 난방 보일러(5만kcal/hr 이하)들을 병렬로 연결한 난방 캐스케이드 시스템을 구성하여 실내 난방에 필요한 난방 용량(10~15만kcal/hr)을 맞출 수 있다.
난방 캐스케이드 시스템은 1차측(이하, '열원측')과 난방부하를 갖는 2차측(이하, '부하측') 사이에 유량을 보상하는 수분배기(LLH; Low Loss Header)를 설치하고, 열원측 공급/환수온도와 부하측 공급/환수온도 측정값을 보일러의 대수 제어 변수로 사용하여 부하측에서 요구되는 필요열량을 판단하여 최적 작동 대수로 보일러의 운전을 제어하게 된다.
그러나, 가정용 소형 난방 보일러 2~4대 정도로 소규모, 소용량의 난방 캐스케이드 시스템을 구성하는 경우, 수분배기의 볼륨이 비대해지고, 온도제어에 필요한 센서의 수가 필요 이상으로 많이 소요되어 설치비용과 작업공수가 많아질 뿐 아니라 제어 변수가 많아 난방공급온도(T1) 연산에 많은 시간이 걸려 시스템 신뢰도가 떨어질 수 있다. 또한, 난방공급 설정 온도를 재설정하거나 작동 대수의 변경, 부하의 필요열량 변동이 발생하면 열원측과 부하측의 유량변동에 의해 캐스케이드 연산을 위한 수분배기측의 온도변화가 심하고 안정적인 연산을 위해서 수분배기측의 열원공급/환수, 난방공급/환수측 온도 변화가 안정화되기까지 수분이 걸려 효율적인 난방공급에 어려움이 따르고 있다. 이에 따라, 가정용 소형 보일러 2~4대 정도를 병렬 연결하여 난방 용량을 맞추고 있는 난방 캐스케이드 시스템에서는 수분배기의 볼륨과 온도 센서의 수를 줄여 설치비용을 절감하고 설치작업의 편의성 및 제어 변수를 줄여 시스템의 신뢰성을 확보할 수 있는 방안이 필요한 실정이다.
특허문헌 1. 국내 등록특허공보 제10-1433084호(공고일2014년08월25일)
특허문헌 2. 국내 등록특허공보 제10-1701949호(공고일2017년02월02일)
본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 본 발명의 목적은, 난방 캐스케이드 시스템의 설치비용을 절감하고 설치작업의 편의성을 제공하는 것이다.
또한, 수분배기를 통한 난방 캐스케이드 시스템의 제어에서 제어 변수를 줄이는 것이다.
상기 목적들은, 본 발명에 따르면, 열원측과 부하측을 연결하는 난방공급관과 난방환수관에 연결된 난방부하 환수관, 상기 난방공급관에서 난방환수관측으로의 난방수 흐름을 제어하기 위해 상기 난방부하 환수관에 설치된 밸브, 상기 난방부하 환수관을 기준으로 상기 열원측 방향의 난방공급관에 설치되어 열원공급온도(T2)를 검출하는 제1 온도센서, 상기 난방부하 환수관을 기준으로 상기 부하측 방향의 난방공급관에 설치되어 난방공급온도(T1)를 검출하는 제2 온도센서를 포함하는 수분배기; 및 상기 밸브를 제어하는 제어부;를 포함하는, 난방 캐스케이드 시스템으로부터 달성될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 밸브는, 난방공급관에서 난방환수관측으로의 난방수 흐름은 끊고 난방환수관측에서 난방공급관으로의 난방수 흐름은 허용하는 체크 밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 밸브는, 가변식 유량조절밸브를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 제어부는, 현재 동작 중인 우선순위 보일러(114)의 열원환수온도(T_hr), 수분배기(300)의 열원공급온도(T2), 수분배기의 난방공급온도(T1)와 개별 보일러들의 유량으로 난방공급유량과 바이패스 유량을 산출하여 난방부하 환수관에 설치된 밸브를 제어할 수 있다.
현재 동작 중인 우선순위 보일러의 열원환수온도, 수분배기의 열원공급온도(T2), 수분배기의 난방공급온도(T1)와 개별 보일러들의 유량 및 난방공급유량과 바이패스유량으로 난방공급관을 유동하는 유량을 산출하여 난방부하 환수관에 설치된 밸브를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 제어부는, 수분배기의 열원공급온도(T2)를 보일러들의 개별 출력온도의 평균값으로 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 제어부는, 난방공급온도(T1)가 난방설정온도 이하인 경우 바이패스 유량을 감소시키고, 난방공급온도(T1)가 난방설정온도 이상인 경우 바이패스 유량(F)을 증가시키도록 상기 밸브의 개도량을 조절하며, 난방공급온도(T1)가 유지되면 설정 바이패스 유량(F_set)을 산출하여 난방부하 환수관에 설치된 밸브를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 제어부는, 부하측의 필요열량이 변경되어 열원측 보일러 작동 대수의 변동이 있을 경우, 변동되는 열원공급유량(F1)에 대하여 변경되는 바이패스 유량(F)은 설정 바이패스 유량(F_set)을 작동대수(N)에 비례하도록 난방부하 환수관에 설치된 밸브의 개도량을 제어할 수 있다.
상기 목적들은, 본 발명에 따르면, 난방 캐스케이드 시스템의 제어 방법에 있어서, 수분배기에서의 난방공급온도(T1)가 난방설정온도 이하인 경우 바이패스 유량(F)을 감소시키고, 수분배기에서의 난방공급온도(T1)가 난방설정온도 이상인 경우 바이패스 유량을 증가시키도록 밸브의 개도량을 조절하는 단계; 및 상기 난방공급온도(T1)가 유지되면 설정 바이패스 유량(F_set)을 산출하여 상기 밸브를 제어하는 단계;를 포함하는 난방 캐스케이드 시스템 제어 방법으로부터 달성될 수 있다.
본 발명은, 난방 캐스케이드 시스템의 설치 및 운용에서 열원공급이 환수되지 않도록 하여 환수온도 상승을 방지하여 콘덴싱 효율 상승의 효과가 있다.
본 발명은, 난방 캐스케이드 시스템의 설치 및 운용에서 센서의 수가 줄어들고, 구조가 간단하여 재료비 절감, 설치가 간편해지는 효과가 있다.
본 발명은, 소용량에 적합한 사양으로 과도한 수분배기를 설치하지 않아도 캐스케이드 제어가 가능한 효과가 있다.
본 발명은, 수분배기의 온도안정화 후 제어온도를 연산하지 않고, 열원측 유량이 변동되면 난방부하 환수관의 밸브를 통해 혼합비를 맞출 수 있으므로 난방설정온도의 제어시간이 단축되고, 에너지 소비를 줄이는 효과가 있다.
도 1은 수분배기를 구비하는 난방 캐스케이드 시스템의 예시이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수분배기를 구비하는 난방 캐스케이드 시스템의 예시이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 난방 캐스케이드 시스템의 수분배기의 예시이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수분배기를 구비하는 난방 캐스케이드 시스템의 설명도이다.
이하, 본 발명의 실시 예에 따른 '난방 캐스케이드 시스템 및 제어방법'을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 1은 가정용 소형 난방 보일러 2~4대 정도의 소규모 소용량의 난방 캐스케이드 시스템을 구성한 기존의 난방 캐스케이드 시스템의 설치 유형을 나타낸 예시이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기존 소형 난방 보일러 2~4대 정도의 소규모 소용량의 난방 캐스케이드 제어 시스템에서는 수분배기(300a)를 구비할 수 있는데 수분배기(300a)로는 하이드로 세퍼레이트(330a;LLH)가 적용되고 있다. 기존 캐스케이드 제어 시스템에서 수분배기(300a)는 다수의 보일러(110)들이 병렬 연결된 열원측(100)과 실내 배관부인 부하측(200) 사이의 난방공급관(310a)과 난방환수관(320a)에 위치하여 다수의 보일러(110)가 상황에 따라 일부만 운전될 때 보일러(110)측의 유량이 부하측(200)의 필요 유량에 비하여 낮은 난방수의 공급유량 부족을 보충하도록 기능 하며, 열원측(100)의 공급/환수온도, 부하측(200)의 공급/환수온도를 보일러(110)의 대수 제어 변수로 사용되고 있다.
미설명 부호 400은 난방수를 순환시키는 펌프이다. 410은 열원측과 부하측 난방수의 유동을 단속하는 개폐 밸브이다.
그리고, 도면으로 구체적으로 나타내지 않았으나 열원측(100)의 공급/환수온도, 부하측(200)의 공급/환수온도에 따라 보일러(110)의 작동 대수, 펌프(390) 및 밸브 등을 제어하는 제어부, 제어기, 조작을 위한 리모콘 등을 포함할 수 있다. 보일러들은 유무선 통신으로 연결되어 제어부에 의해 제어될 수 있도록 되어 있다.
도 1을 참조하면 수분배기(300a)는 LLH(330a)와 연결되어 있는 난방공급관(310a)의 양측에 난방공급온도(T1)와 열원공급온도(T2)를 검출하기 위하여 최소한 2개소에 제1,2 센서(350a)(360a)가 설치되고, LLH(330a)와 연결되어 있는 난방환수관(320a)의 양측에는 환수공급온도(T3)와 환수회수온도(T4)를 검출하기 위하여 최소한 2개소의 제3,4 센서(370a)(380a)가 설치되어 있다.
여기서, LLH(330a)는 보일러(110)가 상황에 따라 일부만 운전될 때 보일러(110)측의 유량이 부하측(200)의 필요 유량에 비하여 낮은 난방수의 공급유량 부족을 보충하기 위하여 비대한 볼륨을 가지게 되고, 난방공급관(310a)과 난방환수관(320a)을 유동하는 난방/열원/환수 온도제어를 위하여 최소한 4개 이상의 센서가 소요되어 센서의 수가 필요 이상으로 많이 소요되고 있고, 이는 설치비용과 작업공수를 증가시킬 뿐만 아니라 제어 변수가 많아져 난방공급온도(T1) 연산에 많은 시간이 걸리게 되고 전체적으로 캐스케이드 시스템 신뢰도를 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다.
본 발명은 난방 캐스케이드 시스템에서 수분배기에 구성되는 센서의 수를 줄이고, 과도한 수분배기를 설치하지 않으면서도 난방 캐스케이드 제어가 가능하도록 제시된다.
본 발명은 난방 캐스케이드 시스템 운용에서 공급되는 열원이 환수되지 않게 하여 환수온도 상승을 방지하도록 제시된다.
본 발명은 난방 캐스케이드 시스템 운용에서 수분배기의 온도안정화 후 제어온도를 연산하지 않고 열원측 유량이 변동되면 난방부하 환수관의 유량조절밸브를 통해 혼합비를 맞춤으로서 난방설정온도의 제어시간을 단축할 수 있도록 제시된다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 수분배기를 구비하는 난방 캐스케이드 시스템의 예시이다. 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 난방 캐스케이드 시스템의 수분배기의 예시이다.
본 발명의 실시 예에 따른 난방 캐스케이드 시스템의 수분배기(300)는 도 2 내지 도 3에 도시된 바와 같이 열원측(100)과 부하측(200)을 연결하는 난방공급관(310)과 난방환수관(320)에 연결된 난방부하 환수관(330), 난방공급관(310)에서 난방환수관(320)측으로의 난방수 흐름을 제어하기 위해 상기 난방부하 환수관(330)에 설치된 밸브(340), 난방부하 환수관(330)을 기준으로 열원측(100) 방향의 난방공급관(310)에 설치되어 열원공급온도(T2)를 검출하는 제1 온도센서(350), 난방부하 환수관(330)을 기준으로 부하측(200) 방향의 난방공급관(310)에 설치되어 난방공급온도(T1)를 검출하는 제2 온도센서(360)를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 난방부하 환수관(330)에 설치된 밸브(340)는 제어부(미도시)에 의하여 제어될 수 있다.
밸브(340)는, 제어부의 제어 신호에 의해 제어되어 난방공급관(310)에서 난방환수관(320)측으로의 난방수 흐름을 끊는 체크 밸브를 포함할 수 있다.
밸브(340)는, 제어부의 제어 신호에 의해 개도량의 조절이 가능한 가변식 유량조절밸브를 포함할 수 있다.
여기서, 난방부하 환수관(330)의 밸브(340)로서 체크 밸브를 적용하는 경우 제어부의 제어 신호에 의해 난방공급관(310)으로부터 난방환수관(320)으로 난방수의 흐름을 차단할 수 있다. 가변식 유량조절밸브의 경우 제어부의 제어 신호에 의해 난방부하 환수관(330)을 유동하는 바이패스 유량(F)에 대한 조절이 가능할 수 있다. 난방부하 환수관(330) 관로 상에 설치되는 밸브(340)는 체크 밸브와 가변식 유량조절밸브일 수 있다.
미설명 부호 400은 난방수를 순환시키는 펌프이다. 410은 열원측과 부하측 난방수의 유동을 단속하는 개폐 밸브이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 수분배기를 구비하는 난방 캐스케이드 시스템의 설명도 이다. 도 4의 참조 부호를 설명하면 아래와 같다.
T1: 수분배기의 난방공급온도
T2: 수분배기의 열원공급온도
T_hs: 우선순위보일러의 열원공급온도
T_hs_set: 우선순위보일러의 제어온도
T_hr: 우선순위보일러의 열원환수온도
F: 바이패스 유량
F_set: 설정 바이패스 유량 (현재 설정온도에 의해 계산된 바이패스 유량)
F1: 열원측 전체유량=개별보일러의 유량*N(작동대수N에 따라 전체유량 변동)
F2: 부하측(난방측) 전체유량
N(n): 개별보일러의 작동대수
Nmax: 개별보일러의 최대작동대수
N/Nmax: 유량비
제어부는, 도 4에 도시된 바와 같이 현재 동작 중인 우선순위 보일러(114)의 열원환수온도(T_hr), 수분배기(300)의 난방공급관(310)에 설치된 제1 온도센서(350)로부터 검출된 열원공급온도(T2), 수분배기(300)의 난방공급관(310)에 설치된 제2 온도센서(360)로부터 검출된 난방공급온도(T1)와 개별 보일러(110)들의 유량으로 난방공급유량(부하측/F2)과 바이패스 유량(F)을 산출할 수 있다.
여기서, 설정 바이패스 유량 F_set = F2 - F1일 수 있다.
열원공급유량 F1 = 개별보일러의 유량 * 작동대수(n)일 수 있다.
난방공급유량 F2 = F1*(T1-Thr)/(T2_set-T_hr)일 수 있다.
난방필요열량 Q2 = F2 * (T2_set-T_hr) = F1*(T1-Thr)=Q1일 수 있다.
제어부는, 수분배기(300)의 난방공급관(310)에 설치된 제1 온도센서(350)로부터 검출된 열원공급온도(T2)를 보일러(110)들의 개별 출력온도의 평균값으로 제어할 수 있다.
제어부는, 난방공급관(310)에 설치된 제2 온도센서(360)로부터 검출된 난방공급온도(T1)가 난방설정온도 이하인 경우 바이패스 유량(F)을 감소시키고, 난방공급관(310)에 설치된 제2 온도센서(360)로부터 검출된 난방공급온도(T1)가 난방공급온도(T1)가 난방설정온도 이상인 경우 바이패스 유량(F)을 증가시켜 난방공급온도가 유지되면 설정 바이패스 유량(F_set)을 산출하여 밸브(340)를 제어할 수 있다.
제어부는, 부하측(200)의 필요열량이 변경되어 열원측(100) 보일러 작동 대수의 변동이 있을 경우, 변동되는 열원공급유량(F1)에 대하여 변경되는 바이패스 유량(F)은 설정 바이패스 유량(F_set)을 작동대수(N)에 비례하도록 밸브(340)의 개도량을 제어할 수 있다.
여기서, 보일러의 최대작동대수 Nmax, 작동대수 N, 바이패스 유량 F = F_set * N/Nmax(유량비)일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 난방 캐스케이드 시스템의 제어 방법은 수분배기(300)에서의 난방공급온도(T1)가 난방설정온도 이하인 경우 바이패스 유량(F)을 비례적으로 감소시키고, 수분배기에서의 난방공급온도(T1)가 난방설정온도 이상인 경우 바이패스 유량(F)을 비례적으로 증가시키도록 밸브(340)의 개도량을 조절하도록한 후, 난방공급온도(T1)가 유지되면 설정 바이패스 유량(F_set)을 산출하여 밸브(340)를 제어할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 난방 캐스케이드 시스템 제어는 아래와 같이 실행될 수 있다.
설정온도(수분배기의 난방공급 설정온도)에 소정의 온도를 더한 값으로 보일러를 제어온도(T_hs_set)로 운전한다. 여기서 제어온도(T_hs_set) = T2_set + α(소정의 온도)일 수 있다.
그리고, 수분배기(300)의 난방공급온도(T1)가 설정온도의 이상인 경우 유량조절밸브를 포함하는 난방부하 환수관(330)에 설치된 밸브(340)의 개도량 조절을 통해 설정온도를 유지시키고 열원공급유량(F1)과 난방공급유량(F2)을 산출한 후 설정 바이패스 유량(F_set)으로 운전한다. 여기서, 설정 바이패스 유량(F_set) = F2 - F1일 수 있다.
그리고, 부하측(200)에서의 요구열량에 변화가 발생하여 보일러 작동대수(N)가 변경되면 설정 바이패스 유량(F_set)에 작동대수(N)를 비례적(N/Nmax)으로 계산하여 산출된 바이 패스 유량(F_set)으로 난방부하 환수관(330)에 설치된 밸브(340)의 개도량을 조절한다.
그리고, 난방공급온도(T1)의 설정이 변경되면 바이패스 유량(F)을 재산출하고 이를 통해 밸브(340)의 개도량을 조절하여 유량을 조절한다.
이와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 난방 캐스케이드 시스템은 설치 및 운용에서 열원공급이 난방환수관(320)으로 환수되지 않도록 하여 환수온도 상승을 방지할 수 있으므로 콘덴싱 효율을 상승시킬 수 있다.
난방 캐스케이드 시스템의 설치 및 운용에서 수분배기(300)의 난방공급관(310)에 난방공급온도(T1)/열원공급온도(T2)를 검출할 수 있도록 난방부하 환수관(330)을 중심으로 열원측(100)과 부하측(200)으로 구분하여 2개소의 제1,2 온도 센서(350)(360)를 설치하면 되므로 기존에 비해 온도센서의 설치 갯 수가 줄고 구조가 간단하여 설치가 간단해질 수 있다.
난방 캐스케이드 시스템의 설치 및 운용에서 과도한 수분배기를 설치하지 않아도 소형 보일러 2~4대 정도를 병렬 연결하여 난방 용량을 맞추고 있는 난방 캐스케이드 시스템에서 고신뢰성의 캐스케이드 제어를 수행할 수 있다.
난방 캐스케이드 시스템의 설치 및 운용에서 수분배기의 온도안정화 후 제어온도를 연산하지 않고, 열원측 유량이 변동되면 난방부하 환수관(330)의 밸브(340)를 통해 혼합비를 빠르게 맞출 수 있으므로 난방설정온도의 제어시간이 단축되고, 에너지 소비를 줄일 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 실시 예로 한정되지 않으며 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있으며 수정과 변형이 이루어진 것은 본 발명의 기술 사상에 포함된다.
100: 열원측 110: 보일러
200: 부하측 300: 수분배기
310: 난방공급관 320: 난방환수관
330: 난방부하 환수관 340: 밸브(체크밸브/유량조절밸브)
350: 제1 온도센서 360: 제2 온도센서

Claims (8)

  1. 열원측과 부하측을 연결하는 난방공급관과 난방환수관에 연결된 난방부하 환수관; 상기 난방공급관에서 난방환수관측으로의 난방수 흐름을 제어하기 위해 상기 난방부하 환수관에 설치된 밸브; 상기 밸브는, 상기 난방공급관에서 난방환수관측으로의 난방수 흐름은 끊고 난방환수관측에서 난방공급관으로의 난방수 흐름은 허용하는 체크 밸브를 포함하고,
    상기 난방부하 환수관을 기준으로 상기 열원측 방향의 난방공급관에 설치되어 열원공급온도(T2)를 검출하는 제1 온도센서; 상기 난방부하 환수관을 기준으로 상기 부하측 방향의 난방공급관에 설치되어 난방공급온도(T1)를 검출하는 제2 온도센서를 포함하는 수분배기; 및
    상기 밸브를 제어하여 난방환수관에서 난방공급관으로 흐르는 유량을 제어하는 제어부;를 포함하는, 난방 캐스케이드 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 밸브는, 가변식 유량조절밸브를 포함하는, 난방 캐스케이드 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 현재 동작 중인 우선순위 보일러(114)의 열원환수온도(T_hr), 수분배기(300)의 열원공급온도(T2), 수분배기(300)의 난방공급온도(T1)와 개별 보일러(110)의 유량으로 난방공급유량과 바이패스 유량(F)을 산출하여 난방부하 환수관에 설치된 밸브를 제어하는, 난방 캐스케이드 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 수분배기의 열원공급온도(T2)를 보일러들의 개별 출력온도의 평균값으로 제어하는, 난방 캐스케이드 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 난방공급온도(T1)가 난방설정온도 이하인 경우 바이패스 유량(F)을 감소시키고, 난방공급온도(T1)가 난방설정온도 이상인 경우 바이패스 유량(F)을 증가시켜 난방공급온도가 유지되면 설정 바이패스 유량(F_set)을 산출하여 난방부하 환수관에 설치된 밸브를 제어하는, 난방 캐스케이드 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는, 부하측의 필요열량이 변경되어 열원측 보일러 작동대수의 변동이 있을 경우, 변동되는 열원공급유량(F1)에 대하여 변경되는 바이패스 유량(F)은 설정 바이패스 유량(F_set)을 작동대수(N)에 비례하도록 난방부하 환수관에 설치된 밸브를 제어하는, 난방 캐스케이드 시스템.
  8. 삭제
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