KR102222331B1 - 하이브리드 보일러장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하이브리드 보일러장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소형 주택에서 활용될 수 있고, 바닥난방 및 대류난방을 소형의 단일 장치에서 높은 열효율 및 높은 안정성으로 구현할 수 있는 하이브리드 보일러장치에 관한 것이다.

Description

하이브리드 보일러장치{Hybrid Boiler Device}
본 발명은 하이브리드 보일러장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 소형 주택에서 활용될 수 있고, 바닥난방 및 대류난방을 소형의 단일 장치에서 높은 열효율 및 높은 안정성으로 구현할 수 있는 하이브리드 보일러장치에 관한 것이다.
일반적으로, 주택난방은 바닥구조체에 엑셀, 강관, 동관 등의 난방배관을 매립하고, 보일러에서 공급되는 약 60℃∼80℃의 가열온수를 온수분배기를 통해 바닥구조체의 난방배관으로 공급하여 바닥구조체를 가열시키고, 그 복사열을 이용하는 복사난방을 통해 실내의 공기와 열교환 및 대류를 통해 실내공기를 난방하는 바닥난방방식이 주로 이용되고 있다.
이때, 바닥난방방식은 직접 바닥구조체에 온열을 축열시켜서 실내공기를 간접적으로 가열해줌으로써 열효율이 비교적 좋고, 연료비나 시설비가 적게 들어 경제적이며, 고장이 별로 없을 뿐 아니라 바닥구조체에 빈번한 손질이 필요하지 않는 등의 장점이 있으나, 바닥구조체의 가열시간이 길면서 가열된 바닥구조체로부터 복사와 대류를 통해 실내가 설정온도에 도달하는 가열시간이 과다하게 소요되어 실내의 온도조절이 어렵고, 난방효율이 떨어지는 등의 문제가 있다.
상기와 같은 문제를 개선하기 위하여 제시된 등록특허 제1031701호에는 천정에 팬코일유닛을 별도 설치하여 팬코일유닛의 방열핀에 온수가 공급되면 팬코일유닛의 송풍팬을 이용하여 온풍을 공급함으로써 실내를 난방하도록 구성되는 복사 및 대류를 이용한 주택용 냉난방시스템이 게시되어 있다.
그러나, 상기의 냉난방시스템은 팬코일유닛 등의 설비를 별도 설치해야 하는 등 설치비용이 과다하고, 열교환기에서 공급되는 온수를 난방배관과 팬코일유닛에 각각 분배되어 사용함으로써 열교환기의 과부하를 초래하는 등실용성이 현저히 떨어지는 문제가 있다.
한편, 최근 바닥난방에 대류형 난방시스템을 결합하는 종래의 방법이 제시되었으나 비용상의 문제와 설치 공간의 제약 및 동작 안정성 등의 문제로 실용화되지는 못하고 있는 실정이다.
등록특허 제10-1031701호(복사 및 대류를 이용한 주택용 냉난방시스템) 등록실용신안 제20-0439886호(바닥 복사 대류 병용 냉난방 환기 시스템) 공개특허 제10-2001-0096533호(복사 및 대류 냉난방시스템) 등록실용신안 제20-0363829호(팬코일유니트 연결 보일러일체형 냉난방시스템)
본 발명은 소형 주택에서 활용될 수 있고, 바닥난방 및 대류난방을 소형의 단일 장치에서 높은 열효율 및 높은 안정성으로 구현할 수 있는 하이브리드 보일러장치을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 일 실시예는, 대류난방과 바닥난방을 수행할 수 있는 하이브리드 보일러장치로서, 하이브리드 보일러장치 내부에서 순환하는 유체를 공급하는 유체탱크; 밸브개폐에 의하여 하이브리드 보일러 내부에서의 유체의 유동 형태를 변경할 수 있는 온수분배기; 온수분배기로 유입된 유체를 외부로 유동시키는 순환펌프; 유입된 유체를 가열하는 히터, 유입된 유체를 대류난방을 위하여 배출할 수 있는 제1배출구 및 바닥난방을 위해서 배출할 수 있는 제2배출구를 포함하는 온수가열탱크; 공기에 강제대류를 발생시키는 팬부; 제1탱크배관에 의하여 상기 제1배출구에 연결되고, 팬부에 의한 강제대류 공기에 대해 열교환을 수행할 수 있는 열교환기; 및 상기 제2배출구에 연결되고 건물의 바닥난방배관으로 연결될 수 있는 제2탱크배관;를 포함하는, 하이브리드 보일러장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 하이브리드 보일러장치는, 일단이 상기 열교환기와 연결되고, 타단이 상기 온수분배기와 연결되는 제1분배기배관; 및 일단이 건물의 바닥난방배관으로 연결될 수 있고, 타단이 상기 온수분배기와 연결되는 제2분배기배관를 더 포함하고, 상기 온수분배기와 상기 제1분배기배관 사이의 개폐 및 상기 온수분배기와 상기 제2분배기배관 사이의 개폐가 제어됨으로써, 하이브리드 보일러 내부에서의 유체의 유동 형태를 변경할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 하이브리드 보일러장치는, 제1액츄에이터, 상기 제1액츄에이터에 의하여 이동하는 제1밸브로드, 및 상기 제1밸브로드에 결합된 제1밸브부재; 및 제2액츄에이터, 상기 제2액츄에이터에 의하여 이동하는 제2밸브로드, 및 상기 제1밸브로드에 결합된 제2밸브부재를 포함하고, 상기 제1밸브부재는 상기 온수분배기와 상기 열교환기 사이의 유체흐름의 제어하고, 상기 제2밸브부재는 상기 온수분배기와 건물의 바닥난방배관 사이의 유체흐름을 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 하이브리드 보일러장치가 대류난방을 수행하는 경우, 유체는 순환펌프에 의하여 온수분배기에서 온수가열탱크로 공급되고, 온수가열탱크에서 가열된 유체가 열교환기를 거친 후에 다시 온수분배기로 회수될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 하이브리드 보일러장치가 바닥난방을 수행하는 경우, 유체는 순환펌프에 의하여 온수분배기에서 온수가열탱크로 공급되고, 온수가열탱크에서 가열된 유체가 제2탱크배관 및 건물의 바닥난방배관을 거친 후에 다시 온수분배기로 회수될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 온수가열탱크의 상기 제1배출구 및 상기 제2배출구는 항상 개방되어 있고, 상기 온수분배기와 상기 열교환기 사이의 유체의 유동 및 상기 온수분배기와 건물의 바닥난방배관 사이의 유체의 유동만이 제어됨으로써, 하이브리드 보일러장치의 동작모드가 제어될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 하이브리드 보일러장치는 온수분배기에서 공급된 유체가 온수가열탱크, 및 열교환기를 거쳐서 다시 온수분배기로 회수되고, 동시에 온수분배기에서 공급된 유체가 온수가열탱크, 제2탱크배관, 및 바닥난방배관을 거쳐서 다시 온수분배기로 회수됨으로써, 대류난방과 바닥난방을 동시에 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는, 상기 하이브리드 보일러장치는 제어부를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 하이브리드 보일러장치가 ON이 된 후에, 상기 히터를 ON시키고, 상기 제어부는 대류난방을 수행하는 제1모드, 바닥난방을 수행하는 제2모드, 및 대류난방과 바닥난방을 동시에 수행하는 제3모드 중 어느 하나의 모드에 따라 상기 팬부, 상기 온수분배기 내부의 밸브개폐를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 빠른 시간 내에 공기를 따뜻하게 데울 수 있는 대류난방의 특성과 바닥난방의 축열성을 동시에 활용할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단일 장치를 통하여 바닥난방 및 대류난방을 모두 제공할 수 있어 주택 공간 활용의 효율화를 도모할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하이브리드 보일러장치에서의 배관 등의 요소의 동작을 보다 안정적으로 수행하고, 유체 흐름과 관련된 요소의 열손상을 최소화함으로써 보다 하이브리드 보일러장치의 수명을 연장할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사회적으로 급증하고 있는 1인가구, 소형주택에 있어서 별도의 보일러실 없이 빠른 응답성 및 열효율이 높은 난방시스템을 제공할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
기존 가스보일러의 경우 소형주택에서 저부하 상태로 가동하면서 많은 에너지를 낭비 하였는데, 본 발명의 일 실시예에 따르면 사용자의 체감온도에 맞추어 적절한 에너지만 사용할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 사용자의 목표체감온도에 도달하는 시간을 기존의 가스보일러 보다 대폭적으로 짧게 할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 소형 주택에서는 별도의 보일러실이 없도록 함으로써, 시공비를 절감할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가정용 외에도 상업시설이나 오피스, 기숙사, 호텔 등 난방이 필요한 구조물에 쉽게 적용이 가능하다는 효과를 발휘할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 보일러장치의 내부 구성요소들을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부와 연결된 전기적 요소들을 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대류난방 모드에서의 유체 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바닥난방 모드에서의 유체 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 모드에서의 유체 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온수분배기 및 순환펌프의 세부 구조를 개략적으로 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모드별 제어부의 동작을 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 보일러장치의 난방성능 실험데이터를 도시한다.
이하에서는, 다양한 실시예들 및/또는 양상들이 이제 도면들을 참조하여 개시된다. 하기 설명에서는 설명을 목적으로, 하나이상의 양상들의 전반적 이해를 돕기 위해 다수의 구체적인 세부사항들이 개시된다. 그러나, 이러한 양상(들)은 이러한 구체적인 세부사항들 없이도 실행될 수 있다는 점 또한 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 인식될 수 있을 것이다. 이후의 기재 및 첨부된 도면들은 하나 이상의 양상들의 특정한 예시적인 양상들을 상세하게 기술한다. 하지만, 이러한 양상들은 예시적인 것이고 다양한 양상들의 원리들에서의 다양한 방법들 중 일부가 이용될 수 있으며, 기술되는 설명들은 그러한 양상들 및 그들의 균등물들을 모두 포함하고자 하는 의도이다.
또한, "포함한다" 및/또는 "포함하는"이라는 용어는, 해당 특징 및/또는 구성요소가 존재함을 의미하지만, 하나이상의 다른 특징, 구성요소 및/또는 이들의 그룹의 존재 또는 추가를 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예들에서, 별도로 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명의 실시예에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 보일러장치의 내부 구성요소들을 개략적으로 도시한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 보일러장치는 사용자의 제어입력에 따라서 공기의 흐름에 따른 대류난방을 수행하는 제1모드, 건물 바닥에 매설된 난방배관에서의 온수의 흐름에 따른 바닥난방을 수행하는 제2모드, 및 대류난방 및 바닥난방이 동시에 수행하는 제3모드가 수행될 수 있다.
이와 같은 하이브리드 보일러장치는 별도의 보일러실 없이 원룸 등의 건물 내부에 배치될 수 있고, 배치된 상태에서 대류난방 및/또는 바닥난방을 수행할 수 있다.
이와 같은 하이브리드 보일러장치는, 하이브리드 보일러장치 내부에서 순환하는 유체를 공급하는 유체탱크(110); 밸브개폐에 의하여 하이브리드 보일러 내부에서의 유체의 유동 형태를 변경할 수 있는 온수분배기(120); 온수분배기(120)로 유입된 유체를 외부로 유동시키는 순환펌프(150); 유입된 유체를 가열하는 히터(161), 유입된 유체를 대류난방을 위하여 배출할 수 있는 제1배출구(163) 및 바닥난방을 위해서 배출할 수 있는 제2배출구(164)를 포함하는 온수가열탱크(160); 공기에 강제대류를 발생시키는 팬부(180); 제1탱크배관(165)에 의하여 상기 제1배출구(163)에 연결되고, 팬부(180)에 의한 강제대류 공기에 대해 열교환을 수행할 수 있는 열교환기(170); 및 상기 제2배출구(164)에 연결되고 건물의 바닥난방배관(200)으로 연결될 수 있는 제2탱크배관(167);를 주요 구성으로 포함한다.
유체탱크(110)는 하이브리드 보일러장치 내부에서 순환하는 유체를 공급한다. 전술한 바와 같이 하이브리드 보일러장치에는 다양한 구성요소들이 있고, 이 구성요소 내부를 유체, 예를들어 물이 통과하면서 각 구성요소들에서 외부와의 열교환이 발생한다.
유체탱크(110)는 이와 같은 구성요소들을 통과하는 물이 부족하지 않게 물을 저장 및 공급하는 구성에 해당한다.
바람직하게는, 상기 유체탱크(110)에는 수위센서(111)가 구비되어 있고, 수위센서(111)는 유체탱크(110)에서의 유체의 수위를 체크하고, 수위가 기설정된 레벨 이하인 경우에 제어부(300)는 이를 감지하여 디스플레이패널 혹은 스피커 등을 통하여 사용자에게 시각, 청각적 방식으로 알림을 제공할 수 있다.
상기 유체탱크(110)는 팽창탱크배관(112)을 통하여 온수분배기(120)로 연결된다. 상기 팽창탱크배관(112)을 통하여 온수분배기(120)는 유체탱크(110)로부터 유체를 공급받고, 온수분배기(120)를 기점으로 하이브리드 보일러장치 내부에서의 유체의 순환흐름이 형성될 수 있다.
이와 같이 온수분배기(120)는 밸브개폐에 의하여 하이브리드 보일러 내부에서의 유체의 유동 형태를 변경할 수 있다.
상기 온수분배기(120)에는 상기 팽창탱크배관(112)과의 연결을 위한 포트, 대류난방과 관련된 제1분배기배관(190)과의 연결을 위한 포트, 바닥난방과 관련된 제2분배기배관(191)과의 연결을 위한 포트, 및 순환펌프(150)와의 연결을 위한 포트가 형성되어 있다. 바람직하게는, 온수분배기(120)에는 자동 물공급을 위한 포트가 추가적으로 형성될 수도 있다.
온수분배기(120)와 연결된 순환펌프(150)는 온수분배기(120)로 유입된 유체를 외부로 유동시킨다. 구체적으로, 순환펌프(150)와 온수가열탱크(160)는 펌프배관(166)에 의하여 연결되어 있고, 순환펌프(150)의 동작에 의하여 온수분배기(120)측에서 순환펌프(150)측으로 유체를 이동시키는 힘이 가해지게 되고, 이와 같은 펌프배관(166)의 동작에 의하여 유체가 온수분배기(120)로부터 하이브리드 보일러장치의 각각의 구성요소로 흐르고, 다시 온수분배기(120)로 회수된다.
상기 온수가열탱크(160)는 유입된 유체를 가열하는 히터(161), 유입된 유체를 대류난방을 위하여 배출할 수 있는 제1배출구(163) 및 바닥난방을 위해서 배출할 수 있는 제2배출구(164)를 포함한다.
바람직하게는 상기 온수가열탱크(160)는 하측에 상기 펌프배관(166)과 연결되는 포트를 구비하고, 상기 펌프배관(166)에서 유입된 유체는 히터(161)에 의하여 가열되어 상기 제1배출구(163) 및 제2배출구(164)로 배출되어, 각각 대류난방 및 바닥난방이 수행된다.
바람직하게는, 상기 히터(161)의 온수가열탱크(160)는 탱크 내부 혹은 외부에 온도센서(162)가 구비되어 있고, 온도센서(162)에서의 센싱정보 및 사용자가 설정한 온도 등의 동작 정보에 기초하여 상기 히터(161)의 동작이 제어됨으로써 사용자가 원하는 온도로 하이브리드 보일러장치가 동작할 수 있다.
상기 팬부(180)는 모터 등의 회전 운동을 할 수 있는 액츄에이터 및 회전 운동에 따라 공기의 흐름을 유도할 수 있는 프로펠러형의 부재를 포함하여, 공기에 강제대류를 발생시킨다.
상기 팬부(180)는 상기 하이브리드 보일러장치 내부에서 상기 도 1에 도시된 바와 같이 열교환기(170)의 하측에 배치된다.
또한, 상기 하이브리드 보일러장치의 케이스에는 상기 팬부(180)에 의하여 강제대류가 발생하여 열교환기(170)와 열교환을 함으로써 따뜻해진 공기를 외부로 배출시킬 수 있는 배출구가 형성되어 있다.
한편, 열교환기(170)는 제1탱크배관(165)에 의하여 상기 제1배출구(163)에 연결되고, 팬부(180)에 의한 강제대류 공기에 대해 열교환을 수행할 수 있다. 바람직하게는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 온수가열탱크(160)로부터 유입된 유체가 상기 열교환기(170)에 유입되는 지점은 상기 케이스에 형성된 배출구측에 위치하고, 상기 온수가열탱크(160)로부터 유체가 배출되는 지점은 상기 팬부(180)측에 위치함으로써, 대류난방에 있어서 보다 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
상기 제2탱크배관(167)은 상기 온수가열탱크(160)의 상기 제2배출구(164)에 연결되고 건물의 바닥난방배관(200)으로 연결될 수 있다.
상기 바닥난방배관(200)은 통상적으로 건물 바닥구조체 내부에 매설되는 관으로서, 유체는 상기 온수가열탱크(160)에서 가열되어, 상기 바닥난방배관(200)을 흐르고, 다시 온수분배기(120)에 회수되는 과정에서, 열교환을 수행하여 최종적으로 건물의 바닥면까지 상기 온수가열탱크(160)의 열이 전달될 수 있다.
한편, 상기 열교환기(170) 및 상기 바닥난방배관(200)으로 유입된 유체의 회수와 관련하여, 상기 하이브리드 보일러장치는 일단이 상기 열교환기(170)와 연결되고, 타단이 상기 온수분배기(120)와 연결되는 제1분배기배관(190); 및 일단이 건물의 바닥난방배관(200)으로 연결될 수 있고, 타단이 상기 온수분배기(120)와 연결되는 제2분배기배관(191)를 포함한다.
본 발명에서는 상기 온수분배기(120)와 상기 제1분배기배관(190) 사이의 개폐 및 상기 온수분배기(120)와 상기 제2분배기배관(191) 사이의 개폐가 제어됨으로써, 하이브리드 보일러 내부에서의 유체의 유동 형태를 변경하고, 이에 따라 하이브리드 보일러장치의 동작모드가 변경되게 된다.
한편, 상기 온수분배기(120)에서의 유체의 유동 형태를 제어하는 장치로서, 상기 하이브리드 보일러장치는, 제1액츄에이터(130), 상기 제1액츄에이터(130)에 의하여 이동하는 제1밸브로드(131), 및 상기 제1밸브로드(131)에 결합된 제1밸브부재(132); 및 제2액츄에이터(140), 상기 제2액츄에이터(140)에 의하여 이동하는 제2밸브로드(141), 및 상기 제1밸브로드(131)에 결합된 제2밸브부재(142)를 포함한다.
여기서, 상기 제1밸브부재(132)는 상기 온수분배기(120)와 상기 열교환기(170) 사이의 유체흐름의 제어하고, 상기 제2밸브부재(142)는 상기 온수분배기(120)와 건물의 바닥난방배관(200) 사이의 유체흐름을 제어한다.
본 발명에서는 유체의 유동형태의 제어를 위한 밸브제어가 상기 온수가열탱크(160)에서 행해지는 것이 아니라, 온수분배기(120)에서 이루어지는 것을 기술적 특징으로 한다.
만약, 온수가열탱크(160)에서 유체의 유동형태의 제어를 위한 액츄에이터 및 밸브 등의 구성이 구비되는 경우에 히터(161)에 의하여 가열된 유체의 열에 의하여 밸브부재, 밸브로드, 액츄에이터 등에 손상이 갈 수 있으나, 본 발명에서는 팽창탱크에서 유체가 공급되어 일정 압력이 유지되는 상태에서, 열교환이 완료된 유체의 온수분배기(120)로의 회수과정에서의 밸브개폐를 수행함으로써, 밸브개폐와 관련된 액츄에이터, 밸브로드, 및 밸브부재의 손상을 최소화하며 또한 이들의 동작을 안정적으로 유도할 수 있다.
또한, 상대적으로 순환펌프(150)에 의한 압력이 강하게 가해지는 온수가열탱크(160)에서 밸브의 개폐에 따른 유체 흐름에서의 장애물이 존재하는 경우에 장애물(혹은 밸브)의 사이에서 와류가 발생하고, 이와 같은 와류에 의하여 상기 하이브리드 보일러 내부에서의 유체의 흐름이 정상적이지 않을 수 있고 또한 밸브와 관련된 부품에 대해 손상을 줄 수 있다.
반면, 본 발명에 따르면 순환펌프(150)에 의하여 초기 강하게 압력이 가해진 유체가 상기 열교환기(170) 혹은 바닥난방배관(200)을 흐르고 비교적 압력 혹은 유동력이 약해진 유체가 다시 온수분배기(120)에 환수되는 지점에서의 밸브를 제어함으로써, 상기와 같은 와류의 발생을 방지할 수 있고, 안정적으로 유체를 하이브리드 보일러장치 내부에서 순환할 수 있게 하는 효과를 발휘할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제어부(300)와 연결된 전기적 요소들을 개략적으로 도시한다.
본 발명의 하이브리드 보일러장치는 다수의 전기적 요소를 포함하고 있고, 메모리 및 프로세서를 포함하는 제어부(300)는 전기적 요소를 통합적으로 제어함이 바람직하다.
도 2에 도시된 구성요소 중 일부는 도 1에 도시되어 있지만, 통신모듈(310), 입출력부(320), 및 제어부(300)는 편의상 도 1에 도시되어 있지 않다.
제어부(300)는 수위센서(111), 온도센서(162), 통신모듈(310), 입출력부(320), 팬부(180), 순환펌프(150), 히터(161), 제1액츄에이터(130), 및 제2액츄에이터(140)와 신호를 송수신할 수 있도록 구성된다.
입출력부(320)는 장치의 ON/OFF, 사용자의 동작모드, 설정온도, 타이밍, 스케쥴 등에 대한 입력을 받거나, 현재 하이브리드 보일러장치의 동작상태를 디스플레이하거나, 혹은 수위센서(111), 온도센서(162) 등의 센싱된 결과를 디스플레이하거나 혹은 알람을 수행할 수 있다.
통신모듈(310)은 외부의 인터넷망 혹은 주변의 모바일장비(예를들어, 스마트폰, 태블릿 등)과 통신을 수행함으로써, 하이브리드 보일러장치에 대한 상태정보를 외부로 송신하거나 혹은 외부의 하이브리드 보일러장치의 구동과 관련된 명령을 수신할 수 있다.
한편, 팬부(180), 순환펌프(150), 히터(161), 제1액츄에이터(130), 및 제2액츄에이터(140)는 상기 하이브리드 보일러장치의 동작 ON/OFF 혹은 동작모드에 따라서 개별적으로 제어될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 대류난방 모드에서의 유체 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 상기 하이브리드 보일러장치가 대류난방을 수행하는 경우, 제어부(300)는 제1액츄에이터(130) 및 제2액츄에이터(140)를 제어하여, 제1분배기배관(190)과 온수분배기(120) 사이의 포트를 개방하고, 제2분배기배관(191)과 온수분배기(120) 사이의 포트를 폐쇄한다. 이와 같은 온수분배기(120)의 포트 형태에서 팽창탱크로부터 적절한 물이 공급되고, 순환펌프(150)에 의하여 유체의 유동이 발생하는 경우에, 하기와 같이 하이브리드 보일러장치 내부에서 유체의 가열 및 이동이 발생할 수 있다.
구체적으로, 온수분배기(120)로 유입된 유체는 순환펌프(150)에 의하여 펌프배관(166)을 통하여 온수가열탱크(160)로 이동하고, 순환펌프(150)에 의하여 형성된 압력에 의하여 온수가열탱크(160)에서 가열된 유체가 제1배출부 및 제1탱크배관(165)을 거쳐 열교환기(170)로 이동한다. 이후, 열교환기(170)에서 유체는 팬부(180)에서 케이스의 배출구로 유동하는 공기와 열교환을 수행하고, 제1분배기배관(190)을 통해 온수분배기(120)로 다시 회수되고, 회수된 유체는 동일한 흐름으로 흐르게 됨으로써 대류난방을 수행할 수 있다.
이 경우, 온수가열탱크(160)의 제2배출구(164)로 배출되는 유체는 결과적으로 제2액츄에이터(140)에 의하여 폐쇄되는 온수분배기(120)와 제2분배기배관(191) 사이의 밸브부재에 의하여 막히게 되므로, 바닥난방배관(200)측으로는 유체의 흐름이 실질적으로 발생하지 않고 따라서 실질적으로 열교환이 이루어지지 못한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 바닥난방 모드에서의 유체 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 하이브리드 보일러장치가 바닥난방을 수행하는 경우, 제어부(300)는 제1액츄에이터(130) 및 제2액츄에이터(140)를 제어하여, 제1분배기배관(190)과 온수분배기(120) 사이의 포트를 폐쇄하고, 제2분배기배관(191)과 온수분배기(120) 사이의 포트를 개방한다. 이와 같은 온수분배기(120)의 포트 형태에서 팽창탱크로부터 적절한 물이 공급되고, 순환펌프(150)에 의하여 유체의 유동이 발생하는 경우에, 하기와 같이 하이브리드 보일러장치 내부에서 유체의 가열 및 이동이 발생할 수 있다.
구체적으로, 온수분배기(120)로 유입된 유체는 순환펌프(150)에 의하여 펌프배관(166)을 통하여 온수가열탱크(160)로 이동하고, 순환펌프(150)에 의하여 형성된 압력에 의하여 온수가열탱크(160)에서 가열된 유체가 제2탱크배관(167)을 거쳐 바닥난방배관(200)으로 이동한다. 이후, 바닥난방배관(200)에서 유체는 바닥층의 접한 요소들(예를들어 모르타르층 등)과 열교환을 수행하고, 제2분배기배관(191)을 통해 온수분배기(120)로 다시 회수되고, 회수된 유체는 동일한 흐름으로 흐르게 됨으로써 대류난방을 수행할 수 있다.
이 경우, 온수가열탱크(160)의 제1배출구(163)로 배출되는 유체는 결과적으로 제1액츄에이터(130)에 의하여 폐쇄되는 온수분배기(120)와 제1분배기배관(190) 사이의 밸브부재에 의하여 막히게 되므로, 열교환기(170)측으로는 실질적인 유체의 흐름이 발생하지 않고 따라서 실질적으로 열교환이 이루어지지 못한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 모드에서의 유체 흐름을 개략적으로 도시한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 하이브리드 보일러장치는 온수분배기(120)에서 공급된 유체가 온수가열탱크(160), 및 열교환기(170)를 거쳐서 다시 온수분배기(120)로 회수되고, 동시에 온수분배기(120)에서 공급된 유체가 온수가열탱크(160), 제2탱크배관(167), 및 바닥난방배관(200)을 거쳐서 다시 온수분배기(120)로 회수됨으로써, 대류난방과 바닥난방을 동시에 수행할 수 있다.
구체적으로, 상기 하이브리드 보일러장치가 대류난방 및 바닥난방을 같이 수행하는 경우, 제어부(300)는 제1액츄에이터(130) 및 제2액츄에이터(140)를 제어하여, 제1분배기배관(190)과 온수분배기(120) 사이의 포트를 개방하고, 마찬가지로 제2분배기배관(191)과 온수분배기(120) 사이의 포트를 개방한다. 이와 같은 온수분배기(120)의 포트 형태에서 팽창탱크로부터 적절한 물이 공급되고, 순환펌프(150)에 의하여 유체의 유동이 발생하는 경우에, 하기와 같이 하이브리드 보일러장치 내부에서 유체의 가열 및 이동이 발생할 수 있다.
우선, 온수분배기(120)로 유입된 유체는 순환펌프(150)에 의하여 펌프배관(166)을 통하여 온수가열탱크(160)로 이동하고, 순환펌프(150)에 의하여 형성된 압력에 의하여 온수가열탱크(160)에서 가열된 유체가 제1배출부 및 제1탱크배관(165)을 거쳐 열교환기(170)로 이동한다. 이후, 열교환기(170)에서 유체는 팬부(180)에서 케이스의 배출구로 유동하는 공기와 열교환을 수행하고, 제1분배기배관(190)을 통해 온수분배기(120)로 다시 회수되고, 회수된 유체는 동일한 흐름으로 흐르게 됨으로써 대류난방을 수행할 수 있다.
동시에, 순환펌프(150)에 의하여 형성된 압력에 의하여 온수가열탱크(160)에서 가열된 유체가 제2배출부 및 제2탱크배관(167)을 거쳐 바닥난방배관(200)으로 이동한다. 이후, 바닥난방배관(200)에서 유체는 바닥층의 접한 요소들(예를들어 모르타르층 등)과 열교환을 수행하고, 제2분배기배관(191)을 통해 온수분배기(120)로 다시 회수되고, 회수된 유체는 동일한 흐름으로 흐르게 됨으로써 대류난방을 수행할 수 있다.
즉, 도 5에서와 같이 대류난방과 바닥난방이 동시에 수행될 때는, 하이브리드 보일러 장치에서는 상기 온수가열탱크(160)에서 분기되는 2가지 유체의 흐름이 형성된다.
본 발명에서는 유체의 흐름을 제어하기 위하여, 온수분배기(120)의 개념을 도입하고, 온수분배기(120)와 온수가열탱크(160) 사이에 순환펌프(150)를 배치하고, 난방을 수행하고 최종적으로 환수되는 제1분배기배관(190) 및 제2분배기배관(191)과 온수분배기(120) 사이의 포트에서 밸브의 개폐를 제어함으로써, 2가지의 유체의 흐름이 안정적으로 형성되면서 내부 구성요소에 대한 손상 없이 장수명으로 하이브리드 보일러장치를 구동할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 온수분배기(120) 및 순환펌프(150)의 세부 구조를 개략적으로 도시한다.
전술한 바와 같이, 바람직하게는 상기 온수가열탱크(160)의 상기 제1배출구(163) 및 상기 제2배출구(164)는 항상 개방되어 있다. 즉, 온수가열탱크(160)는 기본적으로 별도의 개폐 없이 항상 개방이 되어 있다.
본 발명에서는 상기 온수분배기(120)와 상기 열교환기(170) 사이의 유체의 유동 및 상기 온수분배기(120)와 건물의 바닥난방배관(200) 사이의 유체의 유동만이 제어됨으로써, 하이브리드 보일러장치의 동작모드가 제어되고, 도 6에서와 같은 본원 발명의 구성에서는 이를 구성요소들의 손상을 최소화하면서 더욱 안정적으로 수행할 수 있다.
구체적으로, 순환펌프(150)는 온수가열탱크(160)와 온수분배기(120) 사이에 배치되고 있고, 온수분배기(120)는 기본적으로 순환펌프(150)의 동작에 의하여 온수가열탱크(160)측으로 물을 공급할 수 있도록 순환펌프(150)와 연결되어 있고, 온수분배기(120)에는 제1분배기배관(190)과 연결되는 제1밸브포트(121), 제2분배기배관(191)과 연결되는 제2밸브포트(122), 팽창탱크와 연결되는 탱크포트(123), 및 자동 물공급 등의 기능을 수행하기 위한 보조포트(124)가 형성되어 있다.
한편, 제1액츄에이터(130) 및 제2액츄에이터(140)는 온수분배기(120)의 일측에 배치되어 있고, 제1액츄에이터(130) 및 제2액츄에이터(140) 각각에 일단이 연결된 제1밸브로드(131) 및 제2밸브로드(141)는 상기 온수분배기(120)의 내부에 위치하고 있고, 타단은 각각 제1밸브부재(132) 및 제2밸브부재(142)에 연결이 되어 있다. 상기 제1액츄에이터(130) 및 제2액츄에이터(140)의 동작에 의하여 제1밸브로드(131) 및 제2밸브로드(141)가 상하 직선운동을 수행하고, 제1밸브로드(131) 및 제2밸브로드(141)의 상하 직선운동에 의하여 상기 제1밸브부재(132) 및 제2밸브부재(142)는 각각 제1밸브포트(121) 및 제2밸브포트(122)에 대한 개폐를 수행한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 모드별 제어부(300)의 동작을 개략적으로 도시한다.
단계 S10에서는 사용자의 입력 등에 의하여 하이브리드 보일러장치의 전원이 ON된다.
단계 S20에서는 전술한 상기 하이브리드 보일러장치의 제어부(300)는 상기 하이브리드 보일러장치가 ON이 된 후에, 상기 히터(161)를 ON시킨다. 이후, 온수가열탱크(160)에 있는 온도센서(162)에서의 센싱값 및 설정온도(혹은 난방세기)에 따라 제어부(300)는 히터(161)의 구동을 제어한다.
이후, 사용자의 입력 등에 따라 상기 제어부(300)는 대류난방을 수행하는 제1모드, 바닥난방을 수행하는 제2모드, 및 대류난방과 바닥난방을 동시에 수행하는 제3모드 중 어느 하나의 모드에 따라 상기 팬부(180), 상기 온수분배기(120) 내부의 밸브개폐, 및 순환펌프(150)를 제어한다.
구체적으로, 대류난방을 수행하는 제1모드에서는 제1액츄에이터(130)를 동작시켜 상기 제1밸브포트(121)를 개방하고, 추가적으로 제2액츄에이터(140)를 동작시켜 상기 제2밸브포트(122)를 닫고, 팬부(180)와 순환펌프(150)를 구동한다.
한편, 바닥난방을 수행하는 제2모드에서는 제1액츄에이터(130)를 동작시켜 상기 제1밸브포트(121)를 닫고, 추가적으로 제2액츄에이터(140)를 동작시켜 상기 제2밸브포트(122)를 개방하고, 순환펌프(150)를 구동한다.
한편, 대류난방 및 바닥난방을 수행하는 제3모드에서는 제1액츄에이터(130)를 동작시켜 상기 제1밸브포트(121)를 개방하고, 추가적으로 제2액츄에이터(140)를 동작시켜 상기 제2밸브포트(122)를 개방하고, 팬부(180)와 순환펌프(150)를 구동한다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 보일러장치의 난방성능 실험데이터를 도시한다.
하기의 표 1은 실시예 1, 실시예 2, 비교예에 대한 개략적인 정보이다.
보일러 종류 수행기간 에너지사용량
실시예 1 본 발명에 따른 하이브리드 보일러 24시간 26kWh
실시예 2 본 발명에 따른 하이브리드 보일러 24시간 27.4kWh
비교예 일반보일러(13000Kcal/h) 24시간 37.9kWh
하기의 표2는 실시예 1, 실시예 2, 비교예에 대한 시간별 공기의 온도변화에 대한 결과데이터이다. 하기 표 2에서의 실험과 관련된 그래프가 도 8의 (a)에 도시되어 있다.
보일러 종류 시작온도 목표온도 도달시간
실시예 1 본 발명에 따른 하이브리드 보일러 + 습식난방 섭씨 16도 섭씨 25도 4시간 52분
실시예 2 본 발명에 따른 하이브리드 보일러 + 건식난방 섭씨 16도 섭씨 25도 5시간 21분
비교예 일반보일러(13000Kcal/h) 섭씨 16도 섭씨 25도 도달못함
하기의 표3는 실시예 1, 실시예 2, 비교예에 대한 시간별 바닥의 온도변화에 대한 결과데이터이다. 하기 표 2에서의 실험과 관련된 그래프가 도 8의 (b)에 도시되어 있다.
보일러 종류 시작온도 목표온도 도달시간
실시예 1 본 발명에 따른 하이브리드 보일러 + 습식난방 섭씨 20도 섭씨 29도 2시간 20분
실시예 2 본 발명에 따른 하이브리드 보일러 + 건식난방 섭씨 19도 섭씨 29도 2시간 49분
비교예 일반보일러(13000Kcal/h) 섭씨 17도 섭씨 29도 3시간 50분
위의 표 1, 2, 3 및 도 8의 그래프에서와 같이 본 발명에 따른 하이브리드 보일러장치의 경우 일반보일러에 비해 높은 에너지효율을 가지고 있을 뿐만 아니라, 공기 및 바닥에 있어서 온도를 목표 온도로 빠르게 도달할 수 있게 하는 높은 응답성을 가지고 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 빠른 시간 내에 공기를 따뜻하게 데울 수 있는 대류난방의 특성과 바닥난방의 축열성을 동시에 활용할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 단일 장치를 통하여 바닥난방 및 대류난방을 모두 제공할 수 있어 주택 공간 활용의 효율화를 도모할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하이브리드 보일러장치에서의 배관 등의 요소의 동작을 보다 안정적으로 수행하고, 유체 흐름과 관련된 요소의 열손상을 최소화함으로써 보다 하이브리드 보일러장치의 수명을 연장할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 사회적으로 급증하고 있는 1인가구, 소형주택에 있어서 별도의 보일러실 없이 빠른 응답성 및 열효율이 높은 난방시스템을 제공할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
기존 가스보일러의 경우 소형주택에서 저부하 상태로 가동하면서 많은 에너지를 낭비 하였는데, 본 발명의 일 실시예에 따르면 사용자의 체감온도에 맞추어 적절한 에너지만 사용할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면 사용자의 목표체감온도에 도달하는 시간을 기존의 가스보일러 보다 대폭적으로 짧게 할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 소형 주택에서는 별도의 보일러실이 없도록 함으로써, 시공비를 절감할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 가정용 외에도 상업시설이나 오피스, 기숙사, 호텔 등 난방이 필요한 구조물에 쉽게 적용이 가능하다는 효과를 발휘할 수 있다.
이상과 같이 실시 예들이 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등 물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (8)

  1. 대류난방과 바닥난방을 수행할 수 있는 하이브리드 보일러장치로서,
    하이브리드 보일러장치 내부에서 순환하는 유체를 공급하는 유체탱크;
    밸브개폐에 의하여 하이브리드 보일러 내부에서의 유체의 유동 형태를 변경할 수 있는 온수분배기;
    온수분배기로 유입된 유체를 외부로 유동시키는 순환펌프;
    유입된 유체를 가열하는 히터, 유입된 유체를 대류난방을 위하여 배출할 수 있는 제1배출구 및 바닥난방을 위해서 배출할 수 있는 제2배출구를 포함하는 온수가열탱크;
    공기에 강제대류를 발생시키는 팬부;
    제1탱크배관에 의하여 상기 제1배출구에 연결되고, 팬부에 의한 강제대류 공기에 대해 열교환을 수행할 수 있는 열교환기; 및
    상기 제2배출구에 연결되고 건물의 바닥난방배관으로 연결될 수 있는 제2탱크배관;를 포함하고,
    상기 하이브리드 보일러장치는,
    일단이 상기 열교환기와 연결되고, 타단이 상기 온수분배기와 연결되는 제1분배기배관; 및
    일단이 건물의 바닥난방배관으로 연결될 수 있고, 타단이 상기 온수분배기와 연결되는 제2분배기배관를 더 포함하고,
    유체는 순환펌프에 의하여 온수분배기에서 온수가열탱크로 공급되고,
    상기 온수분배기와 상기 제1분배기배관 사이의 개폐 및 상기 온수분배기와 상기 제2분배기배관 사이의 개폐가 제어됨으로써, 하이브리드 보일러 내부에서의 유체의 유동 형태를 변경하고,
    상기 온수가열탱크의 상기 제1배출구 및 상기 제2배출구는 항상 개방되어 있고,
    상기 온수분배기와 상기 열교환기 사이의 유체의 유동 및 상기 온수분배기와 건물의 바닥난방배관 사이의 유체의 유동만이 제어됨으로써, 하이브리드 보일러장치의 동작모드가 제어되는, 하이브리드 보일러장치.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이브리드 보일러장치는,
    제1액츄에이터, 상기 제1액츄에이터에 의하여 이동하는 제1밸브로드, 및 상기 제1밸브로드에 결합된 제1밸브부재; 및
    제2액츄에이터, 상기 제2액츄에이터에 의하여 이동하는 제2밸브로드, 및 상기 제1밸브로드에 결합된 제2밸브부재를 포함하고,
    상기 제1밸브부재는 상기 온수분배기와 상기 열교환기 사이의 유체흐름의 제어하고,
    상기 제2밸브부재는 상기 온수분배기와 건물의 바닥난방배관 사이의 유체흐름을 제어하는, 하이브리드 보일러장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이브리드 보일러장치가 대류난방을 수행하는 경우, 유체는 순환펌프에 의하여 온수분배기에서 온수가열탱크로 공급되고, 온수가열탱크에서 가열된 유체가 열교환기를 거친 후에 다시 온수분배기로 회수되는, 하이브리드 보일러장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이브리드 보일러장치가 바닥난방을 수행하는 경우, 유체는 순환펌프에 의하여 온수분배기에서 온수가열탱크로 공급되고, 온수가열탱크에서 가열된 유체가 제2탱크배관 및 건물의 바닥난방배관을 거친 후에 다시 온수분배기로 회수되는, 하이브리드 보일러장치.
  6. 삭제
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이브리드 보일러장치는 온수분배기에서 공급된 유체가 온수가열탱크, 및 열교환기를 거쳐서 다시 온수분배기로 회수되고, 동시에 온수분배기에서 공급된 유체가 온수가열탱크, 제2탱크배관, 및 바닥난방배관을 거쳐서 다시 온수분배기로 회수됨으로써, 대류난방과 바닥난방을 동시에 수행할 수 있는, 하이브리드 보일러장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 하이브리드 보일러장치는 제어부를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 하이브리드 보일러장치가 ON이 된 후에, 상기 히터를 ON시키고,
    상기 제어부는 대류난방을 수행하는 제1모드, 바닥난방을 수행하는 제2모드, 및 대류난방과 바닥난방을 동시에 수행하는 제3모드 중 어느 하나의 모드에 따라 상기 팬부, 상기 온수분배기 내부의 밸브개폐를 제어하는 하이브리드 보일러장치.


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