KR20150033791A - 공기,물 복합식 태양열 온수 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 태양열을 주 열원으로 하여 주택 난방을 하게 하기위한 공기집열기와 온수기, 예열기,축열탱크 등으로 구성된 태양열 온수 대량 생산 시스템에 관한것이다.

Description

공기,물 복합식 태양열 온수 시스템{omitted}

본 발명은 태양열 공기 집열기,공기,물 복합식 태양열 온수기,예열기,측열 탱크 등으로 구성된 다면적의 태양열 집열과 더불어 다량의 온수 취득이 가능케한 태양열 에너지 이용기술에 관한 것이다.

지금까지 민간 주택에 이용되는 태양열 에너지는 주로 태양열 공기 집열기나 액체 집열기를 통하여 생활 용수를 얻거나 주택의 부분적 난방을 하는 것이 대부분이다. 태양열 에너지를 중심으로 100%대체에너지 만을 이용하여 생활용수 뿐만 아니라 일년사철 주택난방과 냉방까지 할 수 있도록 하는 것은 당면에 태양열 주택 연구가 이루어 내야할 중요한 과제라고 생각한다. 본 발명자는 이 같은 취지에 입각하여 다 년간의 연구끝에 주택의 난방을 주 목적으로 한 보다 현실적인 신형의 공기, 물 복합식 태양열 온수시스템을 발명하게 되었다.

기존의 평판형이나 진공형과 같은 태양열 액체 집열기로 주택의 생활 용수를 해결 하는데는 문제가 없지만 다량의 온수를 취득하여 주택의 난방까지 해결하는데는 한계가 있다. 태양열로 주택 난방을 하려면 태양열 에너지의 저밀도성과 비 연속성으로 하여 불가피적으로 상응한 넓은 면적의 태양열 집열기를 갖추어야 하는데 액체 집열기 만으로는 비용이 지나치게 많이 들뿐더러 시설의 부식, 유지관리의 어려움 등으로 하여 실용의 의미가 거의 없는것으로 안다 이러한 문제점들을 해결하려면 집열 면적을 넓혀도 비용부담이 상대적으로 크지 않고 시설이 단순하고 이용이 반영구적이거나 영구적이며 유지 관리가 쉬운, 즉 태양열 주택난방에 적용이 될수 있는 신형의 태양열 온수 시스템이 개발되여야 한다.

공기를 매체로 하는 태양열 공기 집열기는 특성상 액체집열기에 비하여 구조가 단조롭고 내부시설 부식 문제가 기본상 존재하지 않으며 한번 설치하면 사용이 반영구적이거나 영구적일수 있고 수리보수를 포함한 유지 관리가 쉬운등 여러가지 이로운 점이 있다. 태양열 공기 집열기의 이러한 장점으로 하여 공기 집열기를 주택의 남쪽 지붕이나 남쪽벽체에 주택과 일체화하여 광범위하게 설치할수 있기 때문에 다면적의 태양열 집열이 가능하다. 이와 반면에 태양열 공기집열기는 액체집열기에 비하여 단위 면적당 집열 효률이 낮고 공기를 열 매체로 주택 난방을 하거나 축열을 시도할경우 전력 소요량이 많고 자갈 축열조 조성이 어려울 뿐더러 축열조의 정기적인 위생청결을 할 수 없는등 결정적인 단점도 있다.

본 발명자는 상기와 같은 공기 집열기의 특성에 근거하여 장점을 택하여 다면적의 태양열 집열을 할수있게 하고 공기 집열기의 상부에 새로 고안한 신형의 공기,물 복합식 태양열 온수기(도 2)를 설치 함으로서 온수기 (공기,물 복합식 태양열 온수기를 이하 온수기로 략칭함) 의 외표면으로는 태양빛이 직접 조사되여 온수기내의 물이 가열되게한 한편 온수기내의 공기관으로는 공기 집열기로부터 가열된 고온의 공기가 회전 통과 되면서 이심작용과 열전도에 의하여 고온의 공기로부터 저온수로의 열 교환이 이루어 지게 하였다.

뿐만 아니라 온수기 하부의 공기 분사판으로는 다른 한 갈래의 열 공기가 수직분사되게 함으로서 역시 온수기내의 물에 열교환이 이루어지게 하였다.

이 외에도 시스템의 최상부에 온수기의 공기관과 동일한 구조로 제작된 예열기(도 9)를 설치하여 측열 탱크내의 저온수가 우선 예열기를 통과해 1차적인 승온이 되게 한다음 온수기에로 공급되게 하였다. 물은 다른 물질에 비하여 잠열이 클 뿐더러 수송과, 측열, 난방등이 공기에 비하여 훨씬 편리하고 효과적인 장점이 있다.

본 발명은 태양열 에너지를 이용하여 주택 난방을 하는 것을 주 목적으로 한 온수 다량취득 시스템으로서 고안의 효과를 아래와 같은 몇가지로 설명할수 있다.

1. 공기 집열기의 태양열 다면적 수집 효과

(1) 공기 집열기(도 1)는 주로 주택의 남쪽 지붕이나 벽체에 주택과 일체화시켜 현장 시공으로도 설치 할수 있기 때문에 액체 집열기에 비하여 설비와 설치 비용이 절감된다.

(2) 공기 집열기는 부분적 유리 덮개의 파손이거나 접착 부분의 균열외는 보수 할일이 거의 없기 때문에 유지 관리가 편하다.

(3) 공기 집열기는 시설의 부식 문제가 거의 존재하지 않기 때문에 한번의 설치로 사용이 반영구적, 영구적일수 있다.

(4) 공기 집열기의 상기와 같은 특점들은 태양열을 이용한 주택난방의 실현에 있어서 관건적인 문제로 되는 태양열 에너지의 다면적수집을 가능케 한다.

2. 온수기의 열 교환 효과

온수기(도 2)는 공기 집열기를 통해 다면적에서 수집된 태양열 에너지를 온수기에 집중시켜 온수를 취득하게 하는 시스템의 핵심기기이다.

온수기는 태양열에 의한 직접 가열과 고온의 공기로부터 물로의 열교환이 온수기 전체에서 활발하게 진행되기 때문에 온수취득 효률이 높은 등 장점이 있다. 특히 온수기내의 공기관(8)과 라선형공기 회오리띠(9) 공기 분사판(10)은 고온의 공기 매체로부터 물로의 열 에너지 교환에 결정적인 역할을 한다.

3. 예열기의 에너지 이용효과

(1) 예열기(도 9)의 공기관을 통과하는 공기는 온수기로부터 배출된 여열을 가진 공기로서 예열기까지 수송되는 과정에 재 가열 승온되며 최종 저온수가 만재된 예열기를 경과하여 밖으로 배출될때는 기본상 냉공기로 되기 때문에 예열기를 설치 함으로 하여 태양열 에너지 이용효률을 높이는 효과가 있다.

(2) 예열기의 설치로 하여 온수기내의 물의 회전률을 상승시킬수 있고 따라서 온수기 전체적 온수 취득량도 증가시킬수 있다.

4. 공기, 물 복합식 태양열 온수시스템은 사용자의 목적에 따라 아래와 같은 조합으로 이용할수 있다.

(1) 주택의 난방이나 목욕탕과 같은 다량의 용수를 주 목적으로 할 경우

(2) 생활 용수를 주 목적으로 할 경우

(3)

※ 소형 예열기를 온수기로 대체하여 사용할수 있다.

도1은 공기집열기의 단면 사시도
도2는 온수기의 단면 사시도
도3은 온수취득기의 외관, 공기관 사시도
도4는 온수기 외관, 공기관 량끝 마구리 사시도
도5는 공기 회오리띠의 부분 사시도
도6은 공기 분사판 전개도
도7은 공기 진입구 분사판 마구리 평면도
도8은 공기 배출구 분사판 마구리 평면도
도9는 예열기 사시도
도10은 측열탱크 위면 단면도
도11은 측열탱크 좌측 단면도
도12은 측열탱크 옆면 단면도
도13은 공기집열기 , 온수기 , 예열기 등 주택배치 구상도
※ 도면의 주요 부분에 사용된 부호의 설명
3,공기통로 9, 라선형 공기 회오리띠 10 , 열공기 분사판 11 , 열공기 진입구 12, 열공기 분사구 13, 공기 배출 통로 20 , 측열탱크 공기통로 23 , 외기진입입구 24 , 인풍기 25, 태양전지 26 , 설명을 위한 가상 공기선 27, 주택 남쪽데크

공기, 물 복합식 태양열 온수 시스템의 각부분의 조성과 작용을 아래와 같이 설명한다.

1. 공기 집열기의 조성과 작용

공기집열기(도 1)는 외표면이 투명한 겹유리(혹은 외겹) 덮개(1)과 검은 색으로 도장된 금속 파형 흡열판(2) 및 공기통로(3)과 단열케스(4)로 이루어졌다. 공기 집열기내의 공기 통로는 도면에서와 같이 유리 덮개와 흡열판 사이에 배치하지 않고 흡열판 밑에 배치 하였으며 집열기의 유리 덮개와 흡열판 사이는 외기가 통할수 없도로 밀페시켰다.

공기 집열기의 이와 같은 구조는 공기집열기를 수년간 장기 사용을 하여도 유리 덮개와 흡열판 사이에 이물질이 끼지 않아 청결이 보장되게 하며 태양빛의 투사율과 흡열판의 흡열 효과도 변화없이 보장되게 한다.

태양열에 의해 고온으로 가열되는 공기는 집열기내의 공기통로(3)을 통해 상승하면서 상부에 연결된 온수기(도 2)의 중심과 하부에서 열교환하여 온수기내의 물을 덥혀주게 된다. 또한 이 온수기에서 배출되는 여열을 가진 공기는 온수기 윗부분의 공기집열기(도 13)를 거쳐 재가열된후 시스템의 최상부에 설치된 예열기(도 9) 내부를 경과 하면서 2차적으로 물에 열 교환을 하게 된다. 이모든 과정을 도해로 표시하면 아래와 같다.

2. 온수기의 조성과 작용

온수기(도 2)는 진공으로 된 쌍겹 투명 유리덮개(5)와 외표면이 검은색으로 도장 된 판형 온수 취득기(6)및 하부의 열공기 분사판(10)과 입수구(14)와 출수구(15) 단열케스(4) 등으로 조성 되였다 온수 취득기(6)은 량끝이 마구리(도4)로 밀페된 외관(7)과 공기관(8)로 이루어 졌으며 외관과 공기관 사이에는 물이 순환된다. 매개의 공기관은 열공기 통과 통노로되며 공기관속에는 열 교환 작용을 하는 라선형 공기회오리띠(9)(도5)가 설치되여 있다. 온수기 하부의 열공기 분사판(10)에는 온수기 밑으로부터 열공기가 수직 분사되도록 분사구(12)가 촘촘히 뚫어져 있고 분사후 냉각된 공기가 새로 분사될 열공기와 부딪히지 않고 배출되도록 배출통로(13)가 있다.

분사판 량끝 마구리 (도 7, 8)에는 열공기 진입구(11)과 배출구(16)가 내여져있다.

온수기는 외표면에 해빛이 직접 조사되여 온수기내의 물을 덥혀주게 되는 한편 온수기내의 공기관으로는 가열된 고온의 공기가 라선형 공기 회오리띠에 의해 회전 하면서 통과 하는 과정에 고온의 열공기로부터 저온수로의 열 교환이 이루어지게 된다. 즉 공기관내의 열공기의 밀도는 이심력에 의하여 공기관 내벽쪽으로 커지면서 열교환이 되는 한편 공기회오리띠(도5)의 파형 주름에 부딪히는 열공기는 좌우양쪽 공기관쪽으로 쏠리는 과정에 열공기부터 공기회오리띠, 공기회오리띠로부터 물로의 전도에 의한 열 교환이 이루어지게 된다. 이와 동시에 온수기밑에 설치된 열공기 분사판(10)으로는 다른 일부의 열공기가 분사구(12)로 부터 수직 분사되면서 온수기내의 물을 덮혀주게 된다.

온수기의 단위 시간당 열 교환량은 공기집열기로부터 공급되는 열공기의 량과, 온도, 속도 등에 정비례 된다.

3. 예열기의 조성과 작용

시스템 최상단의 예열기는 도면 9 와 같이 하나의 원통형으로 된 수통이다. 이수통에는 온수기의 공기관과 직경이 동일한 공기관(8)이 빼곡히 설치되였으며 공기관마다에는 역시 공기회오리띠(9)가 꽂혀 있다.

예열기의 입수구(14)는 축열탱코와 연결이 되며 출수구(15)는 온수기의 입수구와 연결이 된다. 예열기는 전면이 철저히 단열처리가 된다.

온수기로부터 배출되는 여열을 가진 공기는 온수기와 예열기에 사이에 배치된 공기 집열기를 재차 경과 하면서 가열 승온된후 예열기에 진입하여 2차적인 열교환을 하게된다(도13 참조) 예열기에 의해 승온된 물은 온수기로 전달되며 온수기에 의해 60℃ 이상의 적정온도로 가열된후 최종 축열탱크(도11)로 수송되여 난방에 이용된다. 예열기에 공급되는 물은 축열탱크 하층부의 저온수이다(도11,12).

4. 축열탱크의 조성과 작용

공기,물 복합식 태양열 온수시스템은 태양열을 이용한 주택난방을 주 목적으로 하기 때문에 축열탱크를 주택의 바닥밑 토층속에 조성하는 것이 바람직 하다고 본다. 축열탱크는 도면 11,12 에서와 같이 상층부(21)와 하층부(22) 두개층으로 단열 분리하여 조성하며 영구적 사용을 위하여 콩크리트(19)로 한다. 축열탱크의 내부는 철저히 방수를 한다.

축열탱크 상층부의 외부는 축열탱크로부터 발산되는 열이 외부로 소실 되지 않고 주택의 내부 공간으로 유입 순환될수 있도록 ㄷ형세멘트불럭(18)으로 2중벽을 쌓아 기도를 형성하였다. 블럭벽 외부는 단열(17)을 하였다 축열탱크 상층부의 이와 같은 구조는 난방을 위한 태양열 에너지의 이용률을 보다 높일수 있게 한다.

태양열을 주 열원으로 주택난방을 하게되는 봄, 가을, 겨울철에는 축열탱크의 상층부에 저축된 태양열 에너지로 온돌물난방과 공간 공기난방을 하게되며 난방이 필요하지 않는 하절기에는 태양열 계간 저축을 목표로 온수를 축열탱크의 하층부에 순환시킴으로서 축열탱크를 중심으로 한 주택의 토양속에 장기측열이 이루어지게 한다.

Claims (2)

1. 외면이 집열판으로 되였고 외관(7)과 공기관(8)사이에 물이 순환할 수 있으며 공기회오리띠(9)와 열공기 분사판(10)을 주요 열교환 수단으로한 공기, 물, 복합식 태양열 온수기
2. 공기관(8)과 함께 라선형 공기회오리띠(9)를 주요 열교환 수단으로 한 태양열 예열기

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