KR200164696Y1 - 태양열과 보일러를 병렬 이용한 온수공급과 난방수공급 시스템 - Google Patents

Abstract

본 고안은 태양열과 보일러를 병렬로 연결하여 온수 공급과 난방수 공급을 위한 시스템으로써 부대하여 얻어지는 효과로는 태양열온수탱크에 연결되는 옥외 급수관과 온수관에 대한 혹한기의 동파를 방지하는 효과가 있다.

종래에는 태양열을 이용한 온수공급 시스템으로 난방에 이용하기가 매우 난해하여 오로지 온수공급용으로 사용되었는데 주로 주간에는 태양열을 채열하고 야간에는 심야전력을 이용하여 태양열온수교환장치에 속하는 온수탱크의 수온을 높여 온수로 사용하여 왔다.

본 고안은 이러한 태양열 온수공급장치에 보일러를 병렬로 연결하여 보일러에 앞서 태양열을 먼저 온수 혹은 난방수의 열원으로 사용하고 난방수 사용 보다는 온수 사용을 비중있게 구성하였으며 특징으로는 태양열의 온수 온도가 높을 경우에는 태양열로 생성된 온수를 보일러내의 열교환장치에 역으로 진입시켜 보일러 난방수의 온도를 높이고 온도가 높아진 난방수를 보일러내 난방수 순환펌퍼를 가동시켜 실내의 난방에 이용할수 있게 구성하여 청정한 대체 에너지인 태양열 사용을 매우 편리하게 구현하여 에너지 절감에 일조할 수 있도록 하는 고안이다.

Description

태양열과 보일러를 병렬 이용한 온수공급과 난방수공급 시스템

제1도는 종래의 태양열과 보일러를 병렬 이용한 온수공급 계통의 일 실시예시도

제2도는 고안의 태양열과 보일러를 병렬 이용한 온수와 난방수 공급계통 및 참고도

제3도는 고안의 시켄스 구성도

제4도는 고안의 전자회로망 구성의 일 실시 예시도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 온수관 27 : 온수분배기

36 : 난방수공급관

28, 29, 30, 31 : 온수분개의 지관에 설치된 전동밸브

40 : 보일러의 실내온도조절기 또는 보일러내의 전자제어부

50 : 전원부 52 : 발진기

53 : 전원감시장치 72 : 출력조건 외부신호 결선도

73 : 출력조건 AC전원 결선도 L1 : 전원ON표시

L2 : 태양열ON표시 L3 : 보일러ON표시

L4 : 동파방지ON표시 L5 : 온수사용표시

L6 : 난방사용표시

태양열 에너지는 석유에너지의 대체에너지로서 최근에 와서 많이 보급되고 있다. 그러나 태양열의 채열 특성상 계절적인 조건과 주야 시간대에 따라 변동이 심하여 전적으로 여기에 의존할 수가 없어서 제1도에서 보는바와 같이 보일러(8)를 병렬로 두고 사용하기에 이르렀다. 태양열은 주로 온수공급용으로 사용하고 야간에는 심야전력을 이용하여 태양열의 온수교환장치가 내장된 집열탱크(5)의 일측에 전기식 히터(9)를 가동시켜 태양열 집열탱크(5)내의 수온도를 높여 역시 온수로 사용하고 있다. 태양열과 심야전력의 사용에도 불구하고 온수의 온도가 낮아지면 사람의 온도 감각에 의하여 수동으로 보일러(8)를 점화시켜 온수를 사용하고 있는데 문제는 태양열 온수 공급관(6)과 보일러 온수공급관(7)이 서로 교체되어 온수를 공급하기 위하여 대부분 손으로 밸브(2),(3)를 열고, 닫아야 하는 불편을 겪고 있으며 이것보다 조금 발전 된 것이 이 부분을 전동식 삼방밸브로 구성하여 수동 스위치 조작으로 이를 행하고 있는 것이 종래의 방법이다. 그리고 태양열의 온수 교환 장치(5)는 대부분 태양열 집열판(4)이 설치되어 있는 지붕에 설치됨으로 인하여 혹한기의 야간에는 대기의 온도가 빙점 이하로 떨어져 옥외 급수관(1)과 옥외 온수관(6) 동파되는 경우가 허다하다. 이것을 방지하기 위하여 종래에는 전기식 히터를 옥외 급수관(1)과 옥외 온수관(6)에 설치하여 동파를 방지하거나 약간의 배수를 지속적으로 시켜 동파를 예방하여 왔다. 그리고 태양열온수를 이용하여 난방수로 사용하는 방법의 개발이 없었음으로 인하여 난방을 위하여 별도의 보일러를 설치하는 경우도 많았다.

참고로, 태양열 온수공급시스템은 집열판(4)(17)내부에 열을 흡수하여 저장하는 열매체가 액체의 형상으로 관로에 들어 있다. 열매체를 운반하는 관로는 태야열온수교환장치(5)(18)로 이어져 있으며 열매체의 운반수단은 입구와 출구의 온도차(약 5-10℃)에 의하여 자연히 순화된다.

본 고안은 위에서 설명한 내용중 사람이 온도를 감각적으로 느껴 수동으로 조작하는 불편함을 해소하기 위하여 온도센서와 조절기를 구성하여 자동으로 밸브를 열어주고 닫아주는 기능과 동파방지를 위하여 순환펌퍼P2(22)를 간헐적으로 자동 운전케 함으로써 해결하고 나아가 태양열 온수의 온도가 낮아지면 자동으로 보일러(23)를 가동시켜 온수사용에 대비하여 온수를 예열시키고 난방이 필요하면 먼저 태양열 온수를 보일러내의 열교환장치(24)내로 진입시켜 열교환장치(24)를 역으로 이용하여 난방수의 온도를 높여서 온도가 상승된 난방수를 보일러(23)내의 순환펌퍼(25)를 가동시켜 실내에 진입시킬 수 있도록 고안되었으며 태양열온수를 이용한 난방사용중에 태양열 온수의 온도가 낮아지면 자동으로 보일러(23)를 가동시킬 수 있도록 고안된 것으로써 에너지 절감효과가 크며 모든 부분에서 자동화로 구성되었기에 편리성이 매우 뛰어난고안이다.

본 고안의 상세를 살피기 위하여 제2도를 보게 되는데 온수를 사용하기 위하여 온수관(34)의 말단에 설치된 생활용 온수 수동밸브(37)를 개방하면 온수관의 일측에 설치된 압력센서스위치S1(19)가 온수관내의 압력이 저하됨을 알게하는 조건, 태양열 집열 탱크(18)의 온도가 임의의 설정온도 40℃ 이하가 되면 온도센서 조절기 S3(21)가 이를 알게하는 조건, 대기의 온도가 임의의 설정온도 0℃이하가 되면 온도센서조절기 S3(21)가 이를 알게하는 조건, 대기의 온도가 임의의 설정온도 0℃이하가 되면 온도센서조절기S2(20)가 이를 알게하는 조건, 실내의 난방을 위한 실내온도조절기(41),(42),(43),(44)의 신호를 받아서 구동되는 온수분배기(26)에 체결된 전동밸브(28),(29),(30),(31)가 모두 닫혔다는 신호 또는 한 개라도 밸브가 열린 상태를 알게하는 시스템 즉, 보일러와 연계되는 '방마다' 난방조절시스템 (본 고안 외-1996년 특허 출원제38018호-본 출원인에 의해 선출원 된 것)(39)으로부터 인출되거나 달리 구성한 난방요구에 관한 제 신호를 통칭한 난방요구신호S4(32)를 본고안 시스템 구성의 입력조건으로 하고, 출력의 조건으로는 급수관(11)과 온수관(34) 사이에 시스템의 프로그램에 따라 유로를 개방, 차단시키 ㄹ수 있는 전동밸브V1(12), V2(13), V3(14), V4(15)와 태양열온수 교환 기능을 가진 태양열집열탱크(18)에 연결 설치되고, 보일러(23)내에 설치되어 있는 난방수 공급용 순환펌퍼P1(25)의 선로를 보일러의 제어계통으로부터 분리, 차단하여 본 시스템의 신호 출력에 따라 가동되도록 구성하고, 보일러열교환장치(24)로부터 생성되는 난방수 공급용 순환펌퍼P1(25)의 가동에 따라 난방공급수가 난방공급관(36)을 통하여 온수분배기(26)의 각 지관에 설치된 전동밸브(28),(29),(30),(31)를 거쳐 실내의 난방코일(38)을 거치는 동안 난방수가 품고 있던 열을 발산하고 다시 난방수 회수관(35)을 따라 보일러(23)내의 열교환기(24)로 순환할 수 있도록 출력을 구성한 시스템에 있어서 입력조건별 출력동작의 상세를 살치기 위하여 제3도 시퀀스 구성도를 살피게 된다.

제3도의 표현상 'H'는 ON을 의미하며 'L'는 OFF을 의미하는데 입력조건의 S1은 온수관의 압력센서스위치(19)이고, S2는 대기온도를 감지하는 온도센서조절기(20)이고, S3는 태양열온수교환장치가 내장된 집열탱크(18)내의 온수온도를 감지하는 온도센서조절기(21)이고 S4는 실내에 난방이 필요하다는 의미가 담긴 스위치 접점 입력신호(32)이며, 출력조건의 전동밸브 V1(12), V2(13), V3(14), V4(15)는 전기적인 힘에 의하여 개폐되는 밸브를 의미하는데 전동밸브의 ON은 열림을 의미하고 OFF는 닫힘을 의미하며, 보일러(23)에 내장되어 있는 난방수 순환펌퍼P1(25)와 태양열온수를 순환시키는 순환펌퍼P2(22)의 ON은 가동을 의미하고 OFF는 정지를 의미하며, 보일러에 점화 가동을 시킬 수 있는 스위치 접점 출력 B1(33)의 ON은 보일러가 점화 가동을 의미하고 OFF는 보일러의 가동이 정지됨을 의미한다.

이어서 본 고안의 작용과 효과를 살펴보면 제3도상 순번1,2,5,6은 전동밸브V1(12), V2(13)를 열림에 두고 태양열 온수를 사용하고 있는중 임을 의미하는데 온수관(34)의 말단 온수밸브(37)를 개방하면 압력센서스위치S1(19)가 ON되어 온수 사용을 알게되며 따라서 전동밸브V1(12), V2(13)를 개방하게 되고, 급수관(11)의 수압에 따라 태양열 온수 순환펌퍼P2(22)가 가동하지 않더라도 순환펌퍼의 익차 틈 사이로 유로가 형성되어 태양열온수교환장치(18)를 통과하는 동안 급수는 온수로 변하여 온수관(34)를 통하여 온수로 사용되며 이러는 동안 동파방지는 자연히 수행된다.

순번 16는 태양열온수 온도가 40℃이하로 식어서 보일러(23)를 가동시키게 되는 것을 표현한 것으로써 보일러 가동을 위한 출력조건B1(33)은 보일러의 실내온도조절기(40)혹은 보일러 몸체(23)에 보일러의 가동을 통제하는 전자회로망의 포인트에 연결되어 그 선로를 차단 또는 연결 시킬수 있도록 구성되어 있는데(도시 없음) B1(33) 출력신호에 따라 보일러가 가동하여 보일러(23)의 열교환장치(24)가 위치한 급탕 탱크의 수온이 상승하면 보일러 자체내의 기능상 가동이 중지되므로 온수공급과 난방수의 공급이 없더라도 동작 구성상 문제가 없다.

순번 3,4,9,10,11,12는 대기의 온도가 빙점 이하로 내려가서 온도센서조절기S2(20)가 ON되어 동파방지를 위한 조건인데 순번9를 제외하고 모두 순환펌퍼 P2(22)의 운전을 간헐적으로 이를 수행하면 동파방지의 효과는 충분하므로 연속운전은 하지 않아도 될 것으로 생각하며 순번9는 태양열로 난방하지 위하여 순환펌퍼P2(22)를 가동시켜 태양열온수를 보일러내의 열교환장치(24)내로 진입, 순환시키므로 동파방지는 자연히 수행된다.

순번 7,8은 태양열 온수의 온도 미달로 보일러를 점화 가동하여 온수를 공급하고 있는 것을 표현한 것인데 순번7은 난방수의 공급도 병행됨을 의미하고 있다. 이것의 동작을 살펴보면 온수 사용을 알리는 압력센서스위치 S1(19)의 ON신호에 따라 전동밸브V1(12)을 개방하여 급수관(11)을 통하여 급수되고 보일러(23)를 점화 가동시키는 신호 B1(33)의 출력에 따라 보일러가 점화 가동되며 보일러열교환기(24)를 거치는 동안 급수는 온수로 변하여 급탕수관(45)을 통하여 전동밸브V4(15)를 통하고 온수관(34)를 따라 온수로 사용되게 된다.

그리고, 각개 시퀀스의 구성도에 입력조건별 출력조건의 기호 표시와 부언된 동작 설명이 있어므로 위에서 설명하지 않은 다른 순분에 대한 별도의 상세 설명은 생략하여도 무방할 것으로 사료된다. 다만 이 시퀀스의 구성은 자연으로부터 얻어지는 태양열을 보일러에 우선하여 이용하고 태양열을 이용함에 있어 난방수의 공급도다는온수공급이 우선하며, 보일러를 이용함에 있어 온수공급과 난방수 공급은 동시에 이용할 수 있고, 동파방지중이더라도 보일러를 이용한 난방수 공급은 별개로 운용이 되게 하였고, 무엇보다도 특징인 것은 자연으로부터 얻어진 태양열 온수가 태양열온수 순환펌퍼P2(22)의 가동으로 전동밸브V2(13),V4(15)를 통하여 보일러내의 열교환기(24)에 진입되어 난방수의 온도를 높일수 있다는 점과 보일러(23)내의 난방수 순환용펌퍼P2(25)를 보일러 자체의 제어시스템으로부터 선로를 차단하여 본 고안에 의한 난방수 공급용으로 이용할 수 있게 안출한 점이다.

비록 보일러(23)내의 난방수 공급용 순환모터P2(25)를 본 고안에 의한 시스템에 포함시키지 않는다고 하더라도 보일러를 난방 가동의 조건에 두고 태양열 온수를 보일러(23)내의 열교환기(24)에 역으로 진입시키면 보일러의 열교환기(24)에 속하는 난방수탱크 내의 온수 온도가 상승함으로써 보일러(23) 자체의 제어시스템상 난방수 순환펌퍼를 가동시키게 됨으로 시스템의 구성상 달리 문제가 없다고 본다. 그러나 본 고안의 시스템에 보일러내의 난방수 순환펌퍼P1(25)를 채용하게 된 이유는 온수분배기(26)에 체결된 밸브(전동,수동을 부문하고)가 모두 닫혀 있을 경우에는 난방수 순환펌퍼에 무리함이 작용하며 또한 이 무리함을 회피하기 위하여 온수분배기(26)의 밸브를 항시 열어놓게 되면 자연으로부터 얻어지는 태양열 에너지라고 하더라도 낭비하는 결과와 실내온도조절은 자동으로 조절이 불가하기 때문에 온수분배기의 밸브는 전동밸브를 이용하고, 전동밸브가 실내온도조절기의 신호에 따라 개폐동작을 수행하다 보면 밸브가 모두 닫혔을 때가 있는데 이 때를 위하여 보일러내의 난방수 순환펌퍼P1(25)를 가동 정시 시켜주는 것이 당연하다고 생각된 때문이다.

이러한 시스템의 운용을 위한 전자회로망을 참고하기 위하여 제4도를 보게된다.

이 전자회로망의 구성의 방법은 여러가지의 방법중에서 정보처리를 구현하는 방법에 있어 마이크로프로세스(MICRO PROCESS)를 응용한 것의 일 실시예이며 마이크로프로세스를 응용하는 것 이외에도 이 시스템을 구현하는 방법중에서 LOGIC IC회로를 응용하는 방법과 PROGAMMABLE LOGIC DEVICE 를 응용하는 방법과 PROGRMMABLE LOGIC CONTROLLER를 응용하는 방법 등을 열거 할 수 있으나 회로망의 구성 방법 그 자체는 이 고안에 있어서 중요한 것이 아니어서 모두 다 표현할 필요는 없으므로 이를 생략하고 마이크로프로세스를 응용한 일 실시예의 제4도의 회로망도를 참고하면 제2도와 제3도에서 설명한 바 있는 S1(19), S2(20), S3(21),S4(32)는 포토카풀러(PHOTO COUPLER)(54),(55),(56),(57)를 거쳐 마이크로프로세스(51)의 입력단(INPUT)이 되고 V1(12), V2(13), V3(14), V4(15), P1(25), P2(22), B1(33)의 출력조건을 만족시키기 위하여 제3도에서 표현한 바 있는 시퀀스의 구성도 처럼 사전에 설정시킨 프로그램에 따라 그 기능을 수행하는 마이크로프로세스(51)의 출력단(OUTPUT)의 후단에는 NPN 타입의 각 트랜지스터(58),(59),(60),(61),(62),(63),(64)의 베이스(BASE)와 연결되고 트랜지스토의 콜렉터(COLLECTER)에는 릴레이(RELAY)(65), (66), (67),(68),(69), (70), (71)가 각각 설치되어 RELAY의 동작에 따라 출력조건에 속한 전동밸브V1(12), V2(13), V3(14), V4(15)가 각개 동작을 수행하고 순환펌퍼P1(25), P2(22)가 각개 동작을 수행하며 보일러B1(33)의 가동을 위한 신호가 전달되게 된다. 그리고 이것들의 동작 상태를 관철하기 위하여 L1-L6로 표시한 LED LAMP의 동작에 대해서는 의가 작으므로 설명을 생략한다. 상기 설명중 입력조건에 속하는S2(20),S3(21)는 온도조절기의 접점 출력을 이용한 것으로써 전자회로망 구성 여하에 따라서 별도의 온도조절기를 설치하지 아니하고 온도센서만 설치하여 온도센서로부터 입력되는 아날로그 신호와 온도설정용 가변저항기를 통하여 얻어지는 설정값을 OPAMP.를 통하여 서로 비교(COMPARATING)한 결과에 의한 신호를 이용하거나 각각의 신호값을 A/D변환하여 마이크로프로세스가 비교한후 그 결과를 본 시스템의 목적과 같이 응용 될수 있도록 구성할 수도 있겠다.

이상과 같은 본 고안은 청정 대체에너지인 태양열을 가장 효과적으로 편리하게 이용할 수 있게 하는 매우 유용한 고안으로써 국가의 에너지절감 시책에 적극적으로 호응하는 한 방편이라고 생각된다.

Claims (4)

1. 태양열과 보일러를 병렬로 연결하여 온수와 난방수를 공급하기 위한 수단으로 온수사용중임을 인식하는 온수관 압력스위치(19), 태양열 급수관(1)과 온수관(6)의 동파방지를 목적으로 대기의 온도를 감지하는 온도센서조절기920), 태양열온수가 식었음을 알게하는 온도센서조절기(21), 실내에 난방이 요구됨을 알게하는 센서 또는 스위치(32)를 입력의 조건으로하고 최초 급수관 통수를 위한 기능과 태양열온수를 보일러(23)내 열교환기(24)에 순환시키기 위한 유로의개방을 위한 전동밸브(13), 동파방지를 위하여 태양열온수를 순환시키기 위한 유로의 개방을 담당하는 전동밸브(14), 보일러에 의한 온수공급과 태양열온수가 보일러(23)내 열교환장치(24)로의 순환시 유로 개방을 담당하는 전동밸브(15), 보일러(23)내의 제어장치로부터 선로를 차단,분리하여 구성시킨 난방수의 공급을 위한 순환펌퍼(25), 태양열온수를 보일러(23)내 열교환기(24)에 순환시키는 목적과 동파방지를 위하여 태양열온수를 순환시키기 위한 펌퍼(22), 태양열온수가 식었을 때 보일러(23)를 점화 가동시키기 위한 수단인 스위치 접점 출력신호(33)를 출력조건으로 구성하고, 전자회로장치는 마이크로프로세스를 응용하여 자연으로부터 얻어지는 태양열을 보일러에 우선하여 이용하고, 태양열을 이용함에 있어 난방수의 공급보다는 온수공급이 우선하며, 보일러를 이용함에 있어 온수공급과 난방수 공급은 동시에 이용할 수 있고, 옥외 태양열집열탱크(18)의 급수관(6)과 온수관(1)의 동파를 방지하는 기능과 동파방지중이더라도 보일러를 이용한 난방수 공급은 별개로 운용이 되게 프로그램화 시킨 것을 특징으로하는 태양열과 보일러를 병렬 이용한 온수공급과 난방수공급 시스템.
2. 1항에 있어서 전자회로장치는 로직 아이 씨(LOGIC IC)를 응용하는 것을 특징으로 하는 태양열과 보일러를 병렬 이용한 온수공급과 난방수 공급 시스템.
3. 1항에 있어서 전자회로장치는 프로그램에이블 로직 디바이스(PROGRMMABLE LOGIC DEVICE)를 응용하는 것을 특징으로 하는 태양열과 보일러를 병렬 이용한 온수공급과 난방수공급 시스템.
4. 1항에 있어서 전자회로장치는 프로그램에이블 로직 콘트롤러(PROGAMMBLE LOGIC CONTROLLER)를 응용하는 것을 특징으로 하는 태양열과 보일러를 병렬 이용한 온수공급과 난방수공급 시스템.