KR20170075235A - 난방 온수 겸용 보일러 및 그 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 온수 사용시 온수 온도 편차를 줄일 수 있고, 히터의 온(On)/오프(Off) 회수를 줄여 릴레이 수명 단축을 방지할 수 있는 난방 온수 겸용 보일러 및 그 제어방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다. 이를 구현하기 위한 난방 온수 겸용 보일러는, 가열된 공급수를 생성하는 제1열교환기(10); 상기 제1열교환기(10)에서 공급된 공급수와 직수와의 열교환에 의해 온수를 생성하는 제2열교환기(40); 온수모드시 상기 제2열교환기(40)를 통과하여 순환하는 공급수의 순환유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(110); 온수모드시 사용자의 설정온수온도에 대응하는 필요열량을 연산하고, 상기 제1열교환기(10)에서 공급하는 공급열량이 상기 필요열량에 대응하도록 설정하고, 온수모드시 상기 순환유량이 상기 필요열량에 대응하도록 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 조절하는 제어부를 포함한다.

Description

난방 온수 겸용 보일러 및 그 제어방법{Boiler for heating and hot-water supply and the control method thereof}
본 발명은 난방 온수 겸용 보일러 및 그 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 난방 온수 겸용 보일러에서 온수 사용시 온수 온도 편차를 줄일 수 있는 난방 온수 겸용 보일러 및 그 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 난방과 온수를 겸용으로 사용할 수 있는 보일러는 열교환기에서 가열된 난방수가 난방소요처로 공급되는 난방모드와 열교환기에서 가열된 난방수가 급탕열교환기로 공급되는 온수모드로 가동된다.
도 1은 종래의 일반적인 난방 온수 겸용 보일러의 구성을 보여주는 도면이다.
난방 온수 겸용 보일러는, 공급수를 가열하기 위한 제1열교환기(10), 공급수가 저장되는 팽창탱크(20), 직수를 가열하여 사용자에게 온수를 공급하기 위한 제2열교환기(40), 상기 제1열교환기(10)에서 가열된 공급수를 난방소요처(미도시) 또는 제2열교환기(40) 중 어느 하나로 공급하기 위한 삼방밸브(30), 난방소요처 또는 제2열교환기(40)를 통과한 물을 순환시키기 위한 순환펌프(50)를 포함한다.
난방모드시 상기 제1열교환기(10)에서 가열된 공급수는 제1공급관(81), 팽창탱크(20), 제2공급관(82), 삼방밸브(30)를 거친 후 제3공급관(83)을 통해 난방소요처로 공급된다. 상기 난방소요처에서 열교환이 이루어진 공급수는 제1환수관(84), 제2환수관(88)을 거쳐 제1열교환기(10)로 순환한다.
온수모드시 상기 제1열교환기(10)에서 가열된 공급수는 제1공급관(81), 팽창탱크(20), 제2공급관(82), 삼방밸브(30)를 거친 후 온수측 공급관(85)을 통해 제2열교환기(40)로 유입된다. 상기 제2열교환기(40)에서는, 직수유입관(86)을 통해 유입된 직수와 상기 온수측 공급관(85)을 통해 유입된 공급수와의 사이에 열교환이 이루어지고, 상기 직수는 온수가 되어 온수출수관(87)을 통해 사용자에게 공급된다. 상기 제2열교환기(40)에서 열교환되어 온도가 하락한 환수는 온수측 환수관(89), 제2환수관(88)을 거쳐 제1열교환기(10)로 순환한다.
미설명 부호 60은 체크밸브, 70은 유량센서를 각각 나타낸다.
온수 사용시, 직수 유량이 변동되거나 온수 설정온도가 변경되었을 때 출수되는 온수온도의 편차를 줄이는 것이 중요한데, 상기한 종래의 난방 온수 겸용 보일러에서는 다음과 같은 문제점이 발생한다.
첫째, 제1열교환기(10)를 통한 열량 제어 속도가 느린 시스템인 경우 제1열교환기(10)에서 공급되는 공급수의 온도 변화속도도 느려지고, 그에 따라 제2열교환기(40)에서 가열되어 출수되는 온수온도 변화속도도 느려지므로, 온수 설정온도가 변경되었을 때 온수온도의 편차가 크게 되는 문제점이 있다.
둘째, 난방 온수 겸용 보일러가 전기 보일러인 경우에는 제1열교환기(10)에서 비례적으로 공급열량을 제어할 수 없어 온도 편차가 심해진다. 즉, 전기보일러는 제1열교환기(10)에 복수의 히터(11,12,13)가 구비되고, 상기 각각의 히터(11,12,13)는 고정된 열량만 공급할 수 있다. 예를 들면, 하나의 히터(11)에서 공급하는 열량이 8,000kcal/h라고 가정할 때, 2개의 히터를 온(On)시키면 16,000kcal/h의 열량이 공급되고, 3개의 히터(11,12,13)를 모두 온(On)시키면 24,000kcal/h의 열량이 공급된다. 이러한 공급열량은 3개의 고정된 값으로 정해지므로, 8,000 ~ 16,000 사이의 열량, 16,000 ~ 24,000 사이의 열량은 공급이 불가능하다. 따라서 사용자가 설정한 온수온도에 따라 필요한 열량보다 높거나 낮은 열량의 공급만 가능하다. 또한, 히터(11,12,13)에서는 고정된 열량만 공급가능하므로, 온수출수관(87)을 통해 공급되는 온수온도가 사용자가 설정한 온수온도에 도달하면 히터(11,12,13)를 오프(Off)시키고, 그 후 온수온도가 다시 설정한 온도 이하로 떨어지게 되면 히터(11,12,13)를 온(On)시키는 과정을 반복하게 된다. 이와 같이 온(On)/오프(Off)를 반복하게 되면 히터(11,12,13)에 전원을 공급하기 위한 릴레이의 수명이 단축되는 문제점이 있다.
셋째, 난방 가동 시 난방소요처로 공급되는 공급수의 온도는 최소 60도 이상의 고온을 유지하는 것이 일반적이다. 난방 가동 중에 온수 모드로 전환하게 되면 삼방밸브(30)가 전환되는 순간 고온의 공급수가 제2열교환기(40)로 즉시 흐르게 된다. 따라서 사용자가 설정한 온수온도에 적합한 공급수 온도로 냉각하기도 전에 고온의 공급수가 제2열교환기(40)로 유입되므로, 출수되는 온수 온도도 급격히 상승하게 되어 온수 사용자에게 화상을 입힐 수 있는 문제점이 있다.
이러한 난방 온수 겸용 보일러에 대한 종래기술로서 대한민국 공개특허 제10-2008-0091637호 "순간식 전기보일러의 열교환기를 이용한 난방시스템"이 공개되어 있다.
본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 온수 사용시 온수 온도 편차를 줄일 수 있고, 히터의 온(On)/오프(Off) 회수를 줄여 릴레이 수명 단축을 방지할 수 있는 난방 온수 겸용 보일러 및 그 제어방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 난방 온수 겸용 보일러는, 가열된 공급수를 생성하는 제1열교환기(10); 상기 제1열교환기(10)에서 공급된 공급수와 직수와의 열교환에 의해 온수를 생성하는 제2열교환기(40); 온수모드시 상기 제2열교환기(40)를 통과하여 순환하는 공급수의 순환유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(110); 온수모드시 사용자의 설정온수온도에 대응하는 필요열량을 연산하고, 상기 제1열교환기(10)에서 공급하는 공급열량이 상기 필요열량에 대응하도록 설정하고, 온수모드시 상기 순환유량이 상기 필요열량에 대응하도록 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 조절하는 제어부를 포함한다.
상기 제1열교환기(10)는 전원 공급에 따라 고정된 열량으로 발열하는 복수의 히터(11,12,13)를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 필요열량보다 상기 공급열량이 더 높게 되도록 상기 히터(11,12,13)가 온(On)되는 개수를 설정하고, 상기 필요열량에 대응하도록 상기 순환유량을 감소시키기 위해 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 줄이는 것일 수 있다.
상기 제2열교환기(40)로 유입되는 공급수의 온도를 측정하는 공급수온도센서(120)가 구비되고; 상기 제2열교환기(40)를 통과한 환수의 온도를 측정하는 환수온도센서(130)가 구비되며; 상기 제어부는 상기 공급수온도센서(120)와 환수온도센서(130)에서 측정된 온도차이와 상기 필요열량으로부터 상기 순환유량을 연산하는 것일 수 있다.
상기 유량조절밸브(110)는 상기 제2열교환기(40)의 출구측에 연결된 온수측 환수관(89) 상에 구비된 것일 수 있다.
본 발명에 의한 난방 온수 겸용 보일러의 제어방법은, 가열된 공급수를 생성하는 제1열교환기(10), 상기 제1열교환기(10)에서 공급된 난방수와 직수와 열교환에 의해 온수를 생성하는 제2열교환기(40), 온수모드시 사용자의 설정온수온도에 대응하는 필요열량에 따라 상기 제1열교환기(10)에서 공급하는 공급열량을 제어하는 제어부를 포함한 난방 온수 겸용 보일러의 제어방법에 있어서, a) 상기 직수의 유량을 감지함으로써 사용자의 온수 사용을 감지하는 단계; b) 상기 제어부에서 사용자가 설정한 설정온수온도에 대응하여 필요열량을 연산하고, 상기 연산된 필요열량에 대응하여 상기 제1열교환기(10)에서의 공급열량을 설정하는 단계; c) 상기 설정된 공급열량을 상기 공급수에 공급하여 가열하고, 상기 가열된 공급수를 상기 제2열교환기(40)를 거쳐 제1열교환기(10)로 순환시키는 단계; d) 상기 공급열량을 고정시킨 상태에서, 유량조절밸브(110)를 이용하여 상기 제2열교환기(40)를 통과하는 공급수의 순환유량을 조절하는 단계를 포함한다.
상기 제1열교환기(10)는 전원 공급에 따라 발열하는 복수의 히터(11,12,13)를 포함하고; 상기 b)단계에서 상기 제어부는 상기 필요열량보다 상기 공급열량이 더 높게 되도록 상기 히터(11,12,13)가 온(On)되는 개수를 설정하고; 상기 d)단계에서 상기 순환유량이 상기 필요열량에 대응하도록 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 줄이는 것일 수 있다.
상기 d)단계 이후, 상기 제2열교환기(40)로 유입되는 공급수의 온도가 공급수온도센서(120)에 의해 측정되고, 상기 측정된 공급수의 온도가 상기 제어부에 설정된 온도를 초과한 경우 상기 히터(11,12,13)를 오프(Off)시키는 것일 수 있다.
상기 제2열교환기(40)로 유입되는 공급수의 온도가 공급수온도센서(120)에 의해 측정되고; 상기 d)단계에서는 상기 측정된 공급수의 온도가 설정된 범위를 벗어나도록 변화가 생긴 경우 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 조절하는 것일 수 있다.
상기 d)단계에서 상기 제2열교환기(40)로 유입되는 공급수의 공급수온도와 상기 제2열교환기(40)를 통과한 환수의 환수온도를 측정하고; 상기 제어부는, 상기 공급수온도와 환수온도의 차이와, 상기 필요열량으로부터 상기 순환유량을 연산하고, 상기 연산된 순환유량에 대응하도록 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 조절하는 것일 수 있다.
본 발명에 의하면, 제2열교환기를 통해 순환되는 공급수의 유량을 조절할 수 있는 유량조절밸브를 구비함으로써 제2열교환기에서 직수에 공급해야 할 열량을 즉각적으로 피드백제어할 수 있어 온수 온도의 편차 발생을 최소화할 수 있다.
또한, 전기 보일러의 경우 히터를 오프(Off)시키지 않은 상태에서 유량조절밸브의 개도 조절만으로 사용자가 원하는 온수의 온도를 공급할 수 있어 히터에 전원 공급을 위한 릴레이의 수명이 단축되는 것을 방지하여 유지보수 비용을 절감할 수 있다.
또한, 난방 가동 중 온수 모드로 전환되는 경우와 같이 제2열교환기로 공급되는 공급수의 온도가 급격히 변화되는 경우에도 유량조절밸브의 개도 조절만으로 신속하게 공급열량을 줄일 수 있어 온수 사용자가 화상을 입는 것을 방지할 수 있다.
또한, 사용자가 설정한 온수온도에 필요한 유량만 유동시킴으로써 열교환기에서 공급하는 에너지를 절감할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 난방 온수 겸용 보일러의 구성을 보여주는 도면
도 2는 본 발명에 의한 난방 온수 겸용 보일러의 구성을 보여주는 도면
도 3은 본 발명에 의한 난방 온수 겸용 보일러에서 제2열교환기에 연결된 구성을 보여주는 도면
도 4는 본 발명에 의한 난방 온수 겸용 보일러의 제어방법을 보여주는 흐름도
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 2를 참조하여 본 발명에 의한 난방 온수 겸용 보일러의 구성에 대해 설명한다.
본 발명에 의한 난방 온수 겸용 보일러는, 고온의 공급수를 생성하는 제1열교환기(10), 상기 제1열교환기(10)로부터 공급된 공급수와 직수와의 열교환에 의해 온수를 생성하는 제2열교환기(40), 온수모드시 상기 제2열교환기(40)로 공급되는 공급수의 유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(110), 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 조절하는 제어부를 포함한다.
상기 제1열교환기(10)에는, 공급수가 유동하는 유로와, 상기 유로를 유동하는 공급수를 가열하기 위한 가열수단이 구비된다. 상기 가열수단은 버너가 될 수도 있으나, 본 실시예에서는 전기보일러에 적용되어 전원의 공급에 의해 발열하는 히터(11,12,13)인 것으로 구성하였다. 각각의 히터(11,12,13)는 고정된 열량을 공급하는 것으로 구성된다.
상기 제1열교환기(10)에서 가열된 공급수는 제1공급관(81)을 통해 팽창탱크(20)로 유입된다. 상기 팽창탱크(20) 내부에는 공급수가 일정 수위로 채워져 있고, 상기 채워진 공급수의 상부에 빈 공간이 형성되어 있어, 온도가 높아져 공급수의 부피가 커질 경우 그 팽창된 부피를 흡수할 수 있다.
상기 팽창탱크(20)에서 배출된 공급수는 제2공급관(82)을 통해 삼방밸브(30)로 유동한다. 상기 삼방밸브(30)는 제2공급관(82)을 통해 공급되어 온 공급수를 난방 모드 시 제3공급관(83)을 통해 난방소요처(미도시)로 공급되도록 하고, 온수 모드 시 온수측 공급관(85)을 통해 제2열교환기(40)로 공급되도록 유로 방향의 전환이 이루어진다.
상기 난방소요처에서 열교환이 이루어진 공급수는 온도가 하락하여 제1환수관(84), 제2환수관(88)을 통해 제1열교환기(10)로 유동한다. 제1환수관(84)과 제2환수관(88)을 유동하는 물을 '환수'라 칭한다.
상기 제2환수관(88) 상에는 난방모드와 온수모드시 물을 순환시키기 위한 순환펌프(50)가 구비된다.
상기 제어부는 사용자가 설정한 온수온도에 대응하는 열량이 공급되도록 상기 히터(11,12,13)의 온/오프(On/Off)를 제어하고, 사용자가 설정한 온도의 온수를 공급하기 위해 필요한 유량만큼만 제2열교환기(40)로 유동하도록 하기 위해 유량조절밸브(110)의 개도를 조절한다.
도 3을 참조하여 제2열교환기(40)에 연결된 구성에 대해 설명한다.
상기 제2열교환기(40)에는, 직수가 유입되는 직수유입관(86), 상기 유입된 직수가 가열된 후 배출되는 온수출수관(87), 삼방밸브(30)를 통과한 공급수가 유동하여 제2열교환기(40)로 유입되도록 하는 온수측 공급관(85), 제2열교환기(40)에서 열교환되어 온도가 하락한 공급수(이하 '환수'라 함)가 유동하는 온수측 환수관(89)이 연결되어 있다.
상기 직수유입관(86) 상에는 유량센서(70)와 직수온도센서(140)가 구비된다. 사용자가 온수를 사용하면 직수가 직수유입관(86)으로 유입되고, 상기 유량센서(70)에서 직수의 흐름을 감지하여 사용자의 온수 사용 여부를 감지하게 된다. 또한, 직수온도센서(140)에서 측정된 직수의 온도에 기초하여 제어부에서 사용자가 원하는 온도의 온수를 공급하기 위한 필요열량을 연산한다.
상기 온수출수관(87) 상에는 온수온도센서(150)가 구비된다. 제어부는 상기 온수온도센서(150)에서 측정된 온수온도와 사용자가 설정한 온수온도를 비교하여 그 차이로부터 유량조절밸브(110)의 개도를 조절하게 된다.
상기 온수측 공급관(85) 상에는 제2열교환기(40)로 유입되는 공급수의 온도(이하 '공급수온도'라 함)를 측정하는 공급수온도센서(120)가 구비되고, 상기 온수측 환수관(89) 상에는 제2열교환기(40)를 통과한 환수의 온도(이하 '환수온도'라 함)를 측정하는 환수온도센서(130)가 구비된다.
상기 제어부는 상기 공급수온도센서(120)와 환수온도센서(130)에서 측정된 온도차이와 상기 필요열량으로부터 상기 유량조절밸브(110)를 통과하여 순환하는 공급수의 순환유량을 연산하게 된다.
상기 유량조절밸브(110)는 상기 제2열교환기(40)의 출구측에 연결된 배관인 온수측 환수관(89)상에 구비된다. 상기 유량조절밸브(110)는 온수측 공급관(85) 상에 구비되는 것으로 구성할 수도 있으나, 제1열교환기(10)로부터 공급되는 공급수는 고온이므로, 제2열교환기(40)의 입구측에 연결된 배관인 온수측 공급관(85)에 유량조절밸브(110)가 구비된 경우에는 고온의 공급수에 의한 내열성 문제가 발생할 수 있다. 따라서 상기 유량조절밸브(110)를 온수측 환수관(89)에 구비함으로써 내열성에 의한 내구성 저하 문제를 방지할 수 있다.
이하, 도 4를 참조하여 본 발명에 의한 난방 온수 겸용 보일러의 제어방법에 대해 설명한다.
사용자는 조작부를 통해 원하는 온수의 온도(이하 '설정온수온도'라 함)를 설정하고, 온수 사용을 시작한다.
사용자가 온수 사용을 시작하면 직수유입관(86)으로 직수가 유입되고, 보일러는 온수모드가 가동되어 유량센서(140)에서 직수의 흐름을 감지한다.
단계(S201)에서 상기 유량센서(140)에서 감지된 직수의 유량값은 제어부에 입력되고, 제어부에서는 그 입력된 유량값으로부터 사용자가 온수를 사용하고 있는 것으로 판단하게 된다.
제어부에서 사용자의 온수 사용으로 판단하게 되면, 단계(S202)에서 제어부에서는 사용자가 설정한 설정온수온도에 대응하는 필요열량을 연산하게 된다.
여기서 필요열량을 연산하기 위한 식은 아래와 같다.
Figure pat00001
수학식 1에서 직수온도는 직수온도센서(140)에서 측정된 직수의 온도이고, 직수유량은 유량센서(140)에서 측정된 직수의 유량이며, 60은 한시간당 열량을 계산하기 위한 60분을 의미한다. 예를 들어, 설정온수온도가 40℃, 직수온도가 10℃, 직수유량이 10Lpm인 경우 필요열량은 18,000kcal/h가 된다.
단계(S203)에서 필요열량이 연산된 후 제어부는 제1열교환기(10)에서 공급수에 공급해야 할 열량을 설정한 후 설정된 공급열량에 따라 히터(11,12,13)를 온(On)시킨다. 예를 들어, 하나의 히터(11)에서 공급할 수 있는 열량이 8,000kcal/h라고 하면, 2개의 히터(11,12)를 온(On)시키면 필요열량보다 부족하게 되므로, 온수 온도에 대한 사용자의 불만을 야기시킨다. 따라서 상기 필요열량을 공급하기 위해서는 3개의 히터(11,12,13)를 모두 온(On)시켜야 하므로, 필요열량인 18,000kcal/h보다 많은 24,000kcal/h가 공급열량으로서 설정된다.
상기 공급열량을 공급수에 공급하기 위해 히터(11,12,13)와 순환펌프(50)를 온(On)시킨다. 이 경우 삼방밸브(30)는 제2공급관(82)에서 온수측 공급관(85)으로 공급수가 유동하도록 개폐방향이 설정되어 있고, 유량조절밸브(110)는 최대로 열린 상태이다.
이 상태에서 온수 모드 운전이 이루어지고, 단계(S204)에서 온수온도센서(150)에서 측정된 온수의 온도가 설정온수온도인 40℃에 도달했는지 여부를 제어부에서 판단한다.
판단결과 온수 온도가 설정온수온도에 도달했으면 단계(S205)로 진행하고, 그렇지 않으면 단계(S203)까지의 과정을 계속 진행한다.
온수 온도가 설정온수온도에 도달하면 제2열교환기(40)를 통과하는 공급수와 직수와의 사이에 열평형 상태가 된다. 필요열량이 18,000kcal/h이고, 유량조절밸브(110)를 최대로 열었을 때 순환유량을 15.0Lpm으로 가정하면, 수학식 1에 의해 열평형 상태에서의 공급수온도와 환수온도의 온도차는 20℃가 된다. 예를 들어, 공급수온도센서(120)에서 측정된 공급수온도는 60℃, 환수온도센서(130)에서 측정된 환수온도는 40℃가 될 수 있다.
단계(S205)에서 출수되는 온수 온도가 설정온수온도가 될 때까지 유량조절밸브(110)의 개도를 조절하는 피드백(Feedback)제어가 이루어진다.
열평형 상태에서 온수의 온도는 설정온수온도인 40℃가 되는데, 히터(11,12,13)에서는 필요열량보다 많은 열량이 공급되고 있으므로, 유량조절밸브(110)의 개도를 그대로 유지하면 출수되는 온수의 온도가 설정온수온도보다 높은 온도가 되므로 사용자의 온수 온도에 대한 불만을 야기시킨다.
종래에는 온수의 온도가 설정온수온도인 40℃가 되면 히터(11,12,13)를 오프(Off)시키는 것으로 제어하였으나, 잦은 온(On)/오프(Off)로 인해 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.
따라서 본 발명에서는 히터(11,12,13)의 온(On) 상태를 유지하여 공급열량을 고정시킨 상태에서 유량조절밸브(110)의 개도를 줄임으로써 제2열교환기(40)를 통과하여 순환하는 공급수의 순환유량을 점점 감소시키는 것으로 구성하였다. 이와 같이 공급수의 순환유량을 조절하면 히터(11,12,13)를 온(On)/오프(Off)시키지 않고도 열량의 비례제어가 가능하다.
단계(S206)에서 공급수온도센서(120)에서 측정된 공급수의 온도 변화가 있는지 여부를 제어부에서 판단한다.
판단결과 공급수온도 변화가 있으면 단계(S207)로 진행하고, 그렇지 않으면 단계(S205,S206)의 유량조절밸브(110)의 개도 조절 및 공급수 온도 측정 과정이 계속 이루어진다.
단계(S207)에서 공급수온도센서(120)에서 측정된 공급수온도가 제1히터온도보다 낮으면 단계(S208)로 진행하고, 그렇지 않으면 단계(S209)로 진행한다.
단계(S205)에서 유량조절밸브(110)의 개도를 줄여 순환유량을 감소시키면, 제2열교환기(40)로 유입되는 공급수온도와 제2열교환기(40)를 통과한 후의 환수온도의 편차가 커지기 때문에, 공급수온도가 상승하게 된다. 일반적으로 공급수온도가 80도(제1히터온도)를 초과하는 경우에는 고온에 의한 화상 및 부품의 내열성에 문제가 발생하므로, 히터(11,12,13)를 오프(Off)시키는 것이 바람직하다.
단계(S208)에서 공급수온도가 제1히터온도에 도달하기 전까지는 유량조절밸브(110)의 개도를 피드백(Feedback) 제어하기 위하여 유량조절밸브(110)를 통과하는 유량인 순환유량을 아래 수학식 2에 의해 연산한다.
Figure pat00002
상기한 예에서 필요열량이 18,000kcal/h, 공급수온도가 80℃, 환수온도가 40℃인 경우 수학식 2에 대입하여 계산하면, 순환유량은 7.5Lpm이 된다.
상기한 과정에 의해 순환유량이 연산되면, 단계(S205)로 진행하여 연산된 순환유량에 대응하도록 유량조절밸브(110)의 개도량을 조절하게 된다.
단계(S209)에서 공급수온도가 제1히터온도를 초과하면 고온에 의한 부품 내구성 저하를 방지하기 위해 히터(11,12,13)를 오프(Off)시킨다. 상기 제1히터온도는 일례로 80℃로 설정할 수 있다.
단계(S210)에서 공급수온도가 제2히터온도 이하로 떨어지면 단계(S211)로 진행하고, 그렇지 않으면 히터 오프(Off)상태를 지속시킨다. 상기한 예에서 공급수온도가 75℃가 되면 히터(11,12,13)를 온(On)시키는 것으로 구성할 수 있다.
상기 히터(11,12,13)를 온(On)시키면 공급수온도가 상승하게 되고, 공급수온도의 변화에 따라 피드백(Feedback) 제어에 의한 유량조절밸브(110)의 개도 조절 과정이 단계(S205)에서 수행된다.
상기와 같은 과정을 거치면서 사용자가 원하는 온수의 온도를 히터(11,12,13)를 오프(Off)시킴 없이 유량조절밸브(110)의 개도 조절만으로 열량비례제어를 수행할 수 있다.
상기한 보일러 및 제어방법 의하면, 유량조절밸브(110)의 개도 조절만으로 공급수 온도 변화에 즉각적으로 대응할 수 있어 온수온도의 편차를 줄일 수 있다. 또한, 전기 보일러의 경우 히터(11,12,13)를 오프(Off)시키지 않은 상태에서 유량조절밸브(110)의 개도 조절만으로 사용자가 원하는 온수의 온도를 공급할 수 있으므로 히터(11,12,13)에 전원 공급을 위한 릴레이의 수명이 단축되는 것을 방지하여 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 또한, 난방 가동 중 온수 모드로 전환되는 경우 등 제2열교환기(40)로 공급되는 공급수의 온도가 급격히 변화되는 경우에도 유량조절밸브(110)의 개도 조절만으로 신속하게 공급열량을 줄일 수 있어 온수 사용자가 화상을 입는 것을 방지할 수 있다. 또한, 사용자가 설정한 온수온도에 필요한 유량만 유동시킴으로써 제1열교환기(10)에서 공급하는 에너지를 절감할 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정, 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
10 : 제1열교환기 11,12,13 : 히터
30 : 삼방밸브 40 : 제2열교환기
50 : 순환펌프 60 : 체크밸브
70 : 유량센서 81 : 제1공급관
82 : 제2공급관 83 : 제3공급관
84 : 제1환수관 85 : 온수측 공급관
86 : 직수유입관 87 : 온수출수관
88 : 제2환수관 89 : 온수측 환수관
110 : 유량조절밸브 120 : 공급수온도센서
130 : 환수온도센서 140 : 직수온도센서
150 : 온수온도센서

Claims (10)

  1. 가열된 공급수를 생성하는 제1열교환기(10);
    상기 제1열교환기(10)에서 공급된 공급수와 직수와의 열교환에 의해 온수를 생성하는 제2열교환기(40);
    온수모드시 상기 제2열교환기(40)를 통과하여 순환하는 공급수의 순환유량을 조절하기 위한 유량조절밸브(110);
    온수모드시 사용자의 설정온수온도에 대응하는 필요열량을 연산하고, 상기 제1열교환기(10)에서 공급하는 공급열량이 상기 필요열량에 대응하도록 설정하고, 온수모드시 상기 순환유량이 상기 필요열량에 대응하도록 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 조절하는 제어부;
    를 포함하는 난방 온수 겸용 보일러
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1열교환기(10)는 전원 공급에 따라 고정된 열량으로 발열하는 복수의 히터(11,12,13)를 포함하는 것을 특징으로 하는 난방 온수 겸용 보일러
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 필요열량보다 상기 공급열량이 더 높게 되도록 상기 히터(11,12,13)가 온(On)되는 개수를 설정하고, 상기 필요열량에 대응하도록 상기 순환유량을 감소시키기 위해 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 줄이는 것을 특징으로 난방 온수 겸용 보일러
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2열교환기(40)로 유입되는 공급수의 온도를 측정하는 공급수온도센서(120)가 구비되고;
    상기 제2열교환기(40)를 통과한 환수의 온도를 측정하는 환수온도센서(130)가 구비되며;
    상기 제어부는 상기 공급수온도센서(120)와 환수온도센서(130)에서 측정된 온도차이와 상기 필요열량으로부터 상기 순환유량을 연산하는 것을 특징으로 하는 난방 온수 겸용 보일러
  5. 제2항에 있어서,
    상기 유량조절밸브(110)는 상기 제2열교환기(40)의 출구측에 연결된 온수측 환수관(89) 상에 구비된 것을 특징으로 하는 난방 온수 겸용 보일러
  6. 가열된 공급수를 생성하는 제1열교환기(10), 상기 제1열교환기(10)에서 공급된 난방수와 직수와 열교환에 의해 온수를 생성하는 제2열교환기(40), 온수모드시 사용자의 설정온수온도에 대응하는 필요열량에 따라 상기 제1열교환기(10)에서 공급하는 공급열량을 제어하는 제어부를 포함한 난방 온수 겸용 보일러의 제어방법에 있어서,
    a) 상기 직수의 유량을 감지함으로써 사용자의 온수 사용을 감지하는 단계;
    b) 상기 제어부에서 사용자가 설정한 설정온수온도에 대응하여 필요열량을 연산하고, 상기 연산된 필요열량에 대응하여 상기 제1열교환기(10)에서의 공급열량을 설정하는 단계;
    c) 상기 설정된 공급열량을 상기 공급수에 공급하여 가열하고, 상기 가열된 공급수를 상기 제2열교환기(40)를 거쳐 제1열교환기(10)로 순환시키는 단계;
    d) 상기 공급열량을 고정시킨 상태에서, 유량조절밸브(110)를 이용하여 상기 제2열교환기(40)를 통과하는 공급수의 순환유량을 조절하는 단계;
    를 포함하는 난방 온수 겸용 보일러의 제어방법
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1열교환기(10)는 전원 공급에 따라 발열하는 복수의 히터(11,12,13)를 포함하고;
    상기 b)단계에서 상기 제어부는 상기 필요열량보다 상기 공급열량이 더 높게 되도록 상기 히터(11,12,13)가 온(On)되는 개수를 설정하고;
    상기 d)단계에서 상기 순환유량이 상기 필요열량에 대응하도록 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 줄이는 것을 특징으로 하는 난방 온수 겸용 보일러의 제어방법
  8. 제7항에 있어서,
    상기 d)단계 이후, 상기 제2열교환기(40)로 유입되는 공급수의 온도가 공급수온도센서(120)에 의해 측정되고, 상기 측정된 공급수의 온도가 상기 제어부에 설정된 온도를 초과한 경우 상기 히터(11,12,13)를 오프(Off)시키는 것을 특징으로 하는 난방 온수 겸용 보일러의 제어방법
  9. 제6항에 있어서,
    상기 제2열교환기(40)로 유입되는 공급수의 온도가 공급수온도센서(120)에 의해 측정되고;
    상기 d)단계에서는 상기 측정된 공급수의 온도가 설정된 범위를 벗어나도록 변화가 생긴 경우 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는 난방 온수 겸용 보일러의 제어방법
  10. 제6항에 있어서,
    상기 d)단계에서 상기 제2열교환기(40)로 유입되는 공급수의 공급수온도와 상기 제2열교환기(40)를 통과한 환수의 환수온도를 측정하고;
    상기 제어부는, 상기 공급수온도와 환수온도의 차이와, 상기 필요열량으로부터 상기 순환유량을 연산하고, 상기 연산된 순환유량에 대응하도록 상기 유량조절밸브(110)의 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는 난방 온수 겸용 보일러의 제어방법
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