KR20190117227A - 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법 - Google Patents

소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20190117227A
KR20190117227A KR1020180040467A KR20180040467A KR20190117227A KR 20190117227 A KR20190117227 A KR 20190117227A KR 1020180040467 A KR1020180040467 A KR 1020180040467A KR 20180040467 A KR20180040467 A KR 20180040467A KR 20190117227 A KR20190117227 A KR 20190117227A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
temperature
heat
pump
driving
heat storage
Prior art date
Application number
KR1020180040467A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102048257B1 (ko
Inventor
김성만
최주엽
정의권
Original Assignee
(주)동호엔지니어링
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주)동호엔지니어링 filed Critical (주)동호엔지니어링
Priority to KR1020180040467A priority Critical patent/KR102048257B1/ko
Publication of KR20190117227A publication Critical patent/KR20190117227A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102048257B1 publication Critical patent/KR102048257B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating
    • F24D19/1042—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating the system uses solar energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D11/00—Central heating systems using heat accumulated in storage masses
    • F24D11/002—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system
    • F24D11/003—Central heating systems using heat accumulated in storage masses water heating system combined with solar energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D19/00—Details
    • F24D19/10—Arrangement or mounting of control or safety devices
    • F24D19/1006—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems
    • F24D19/1009—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating
    • F24D19/1012—Arrangement or mounting of control or safety devices for water heating systems for central heating by regulating the speed of a pump
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
    • F24S60/00—Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors
    • F24S60/30—Arrangements for storing heat collected by solar heat collectors storing heat in liquids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2200/00—Heat sources or energy sources
    • F24D2200/14—Solar energy
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24D—DOMESTIC- OR SPACE-HEATING SYSTEMS, e.g. CENTRAL HEATING SYSTEMS; DOMESTIC HOT-WATER SUPPLY SYSTEMS; ELEMENTS OR COMPONENTS THEREFOR
    • F24D2220/00—Components of central heating installations excluding heat sources
    • F24D2220/02—Fluid distribution means
    • F24D2220/0207—Pumps
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/20—Solar thermal
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B10/00—Integration of renewable energy sources in buildings
    • Y02B10/70—Hybrid systems, e.g. uninterruptible or back-up power supplies integrating renewable energies
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Heat-Pump Type And Storage Water Heaters (AREA)

Abstract

집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차에 따라 열 매체 순환펌프의 구동 전력을 최적으로 제어하여 에너지 절감이 이루어지도록 한 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 태양열 시스템 제어 초기에 운전신호를 검출하여, 운전신호가 검출되면 집열 펌프를 일정시간 동안 최대로 구동시키는 단계, 일정시간이 지나면, 상기 집열 온도와 축열 온도를 검출한 후 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 단계 및 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프의 구동 전류를 가변 제어하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 단계를 포함하여, 태양열 시스템의 에너지 절감을 실현한다.

Description

소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법{Energy saving control system and method for low-capacity solar system}
본 발명은 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차에 따라 열 매체 순환펌프의 구동 전력을 최적으로 제어하여 에너지 절감이 이루어지도록 한 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근 들어서 한정된 전기 및 가스, 석유 자원에만 의존해 온 영향으로 인해 원유가가 급등하고 있는 반면에 인류가 대부분 석유 에너지의 사용에 따른 온실가스의 증가 등으로 환경오염 문제가 심각하게 제기되고 있다.
이에 따라, 환경적인 공해가 발생하지 않고 친환경 차원에서 무한정으로 사용할 수 있는 태양열을 비롯하여 풍력, 조력 등 자연을 이용한 대체 에너지의 개발에 대한 관심이 집중되고 있으며, 그 중에서도 특히 태양열을 이용하여 가정 및 산업체에 사용되는 온수 또는 난방용수에 필요한 열에너지를 생산하기 위한 장치의 개발이 활발히 진행되고 있다.
특히, 근래 들어서는 화석원료를 대체할 수 있는 에너지원으로 태양열을 이용하여 급탕을 행할 수 있도록 한 시스템이 다수 제안되고 있다.
이러한 태양열 급탕 시스템은 태양열 집열판에서 집열된 복사열을 이용하여 온수탱크에 저장되어 있는 물을 데워준 다음, 데워진 온수를 각 난방처로 공급시킴으로써 난방 기능을 구현하게 된다. 일반적인 태양열 급탕 시스템은 온도차를 이용하여 차온 제어 방식을 주로 이용한다.
태양열 시스템에 대하여 종래에 제안된 기술이 하기의 <특허문헌 1> 내지 <특허문헌 2> 에 게시되어 있다.
<특허문헌 1> 에 게시된 종래기술은 태양열 집열기, 공급 및 순환라인으로 태양열 집열기와 연결되어 열 교환이 이루어지는 판형 열교환기, 열 교환된 온수를 축열하는 태양열 축열조, 화석에너지 연소로서 보일러 컨트롤러에 의해 가동되는 보일러, 보일러를 경유하는 물 공급라인에 설치되어 외부로부터 물 공급에 의한 물 흐름을 감지하는 물흐름감지센서, 온수순환을 위한 순환펌프 및 온수사용에 따른 전력사용량으로 환산하는 적산열량계, 온수온도를 감지하는 온도감지기, 온수의 설정온도에 따라 보일러 컨트롤러의 가동을 제어하는 마이컴으로 이루어진 공동주택 개별난방 및 급탕장치로 구성된다. 이러한 구성을 통해, 태양열을 이용하여 축열된 온수의 온도설정에 따라 개인주택에 마련된 보일러를 비 난방 혹은 자동으로 난방할 수 있도록 하고, 태양열 축열조로부터 열 교환하여 난방하거나 일반적인 보일러를 통한 온수공급 또는 난방 수를 병행하여 난방과 급탕할 수 있는 이점이 있으며, 난방운영과 급탕운영에 따른 에너지를 절감하고 대기환경오염을 줄일 수 있는 장점이 있다.
또한, <특허문헌 2> 에 게시된 종래기술은 축열조 내부에 하단보다 상단에 조밀하게 배치된 열교환코일을 통해 집열기에서 가열된 열매체가 축열조 상부를 집중적으로 가열하므로 성층화 촉진을 유도 가능하면서, 일출, 일몰 또는 일사상태가 불안정하여 집열기 출구 온도가 축열조 최상부 온도보다 높은 경우 순환펌프의 순환량을 단계별로 감소시키고, 집열기의 출구 온도와 축열조 출구의 온도차가 순환펌프의 ON 되기 위한 설정 상한값보다 크면 순환펌프의 순환량을 단계별로 증가시켜 변유량(變流量) 적용 방식을 통해 집열 운전시 집열기의 입구온도보다 출구온도가 높아 발생하는 역전현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.
대한민국 공개특허 10-2014-0135879(2014.11.27. 공개)(태양열을 이용한 공동주택용 개별난방 및 급탕시스템) 대한민국 등록특허 10-1527391(2015.06.09. 공고)(코일 내장형 축열조를 구비한 변유량 제어식 태양열 시스템)
그러나 상기와 같은 일반적인 태양열 시스템 및 종래기술들은 온도차를 이용한 차온 제어 방식으로 순환 펌프를 제어하기 때문에, 시스템 구동 에너지를 절감하는 데 한계가 있어, 열 성능 측면에서 효율이 낮은 단점이 있다.
또한, 일반적인 태양열 시스템 및 종래기술은 단일 제어방식으로 순환펌프의 가동을 제어하기 때문에, 불필요한 펌프 구동에 따라 에너지가 많이 소비되는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차에 따라 열 매체 순환펌프의 구동 전력을 최적으로 제어하여 에너지 절감이 이루어지도록 한 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 집열기와 축열부의 온도차를 이용한 차온 제어와 집열부와 축열부의 각 온도차이에 따라 집열 펌프의 구동 전류를 다르게 하여 펌프 구동에 따른 에너지 소비를 절감하도록 한 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치는 태양열을 집열하는 집열기; 상기 집열기에 집열된 태양열을 열 교환하도록 각각의 배관으로 연통되는 열 교환기; 상기 열 교환기와 각각의 배관으로 연통되어 상기 배관을 통해 전달되는 열을 저장하는 축열조; 상기 축열조에 저장된 열 매체를 상기 열 교환기에 강제 순환시키는 축열 펌프; 상기 열 교환기를 통해 열 교환이 이루어진 열을 상기 집열기에 강제 순환시키는 집열 펌프; 상기 집열기의 집열 온도와 상기 축열조의 하단 온도인 축열 온도를 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하고, 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전류를 가변하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 시스템 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 시스템 제어기는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차에 따라 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전류를 차등적으로 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 시스템 제어기는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차가 제1 설정온도 이상이면 집열 펌프의 구동 전류를 제1설정 전류로 제어하고, 상기 온도 편차가 제2 설정온도 이내이면 집열 펌프의 구동 전류를 제2설정 전류로 제어하고, 상기 온도 편차가 제3 설정온도 미만이면 집열 펌프의 구동을 오프하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 시스템 제어기는 검출 온도를 입력받으며, 집열 펌프 및 축열 펌프를 구동하는 모터의 전류를 차등으로 공급하는 모터 제어신호를 발생하는 터미널; 상기 터미널을 통해 입력되는 축열 온도 및 집열 온도를 검출하는 온도 검출부; 상기 온도 검출부에서 검출한 축열 온도 및 집열 온도를 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 온도 편차 산출부; 운전 신호를 검출하는 운전신호 검출부; 상기 운전신호 검출부에서 검출한 운전신호 및 상기 온도 편차 산출부에서 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전류를 차등으로 제어하는 펌프 구동전류 제어부; 상기 펌프 구동전류 제어부의 제어에 따라 집열 펌프 및 축열 펌프의 모터에 구동 전류를 공급하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 펌프 구동전류 제어부는 상기 온도 편차 산출부에서 산출한 온도 편차와 기준 전류를 연산하여 그 차이를 모터 구동 전류로 출력하는 연산 증폭기; 상기 연산증폭기의 출력으로 동작하여 모터 구동 제어전류를 출력하는 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감방법은 (a) 태양열 시스템 제어 초기에 운전신호를 검출하여, 운전신호가 검출되면 집열 펌프를 일정시간 동안 최대로 구동시키는 단계; (b) 상기 일정시간이 지나면, 상기 집열 온도와 축열 온도를 검출한 후 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 단계; (c) 상기 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프의 구동 전류를 가변 제어하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (c)단계는 (c1) 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차가 제1 설정온도 이상이면 집열 펌프를 제1 설정 전류로 구동시키는 단계; (c2) 상기 온도 편차가 제1 설정온도 미만이고, 제2 설정온도 범위이면 상기 집열 펌프를 상기 제1 설정 전류보다 낮은 제2 설정 전류로 제어하는 단계; (c3) 상기 온도 편차가 제3 설정온도 미만이면 집열 펌프의 구동을 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 집열기 온도와 배관 내 유체온도의 편차에 따라 열 매체 순환펌프의 구동 전류를 다르게 하여 태양열 교환기의 입구온도 및 출구 온도를 일정하게 유지하면서 에너지 절감을 구현할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면 집열기와 축열부의 온도차를 산출하고, 산출한 온도차이에 따라 축열펌프의 구동전류를 달리하여 불필요한 펌프 구동에 따른 에너지 소비를 절감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치의 전체 구성도,
도 2는 도 1의 시스템 제어기의 실시 예 회로도,
도 3은 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감방법을 보인 흐름도.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치의 개략 구성도로서, 태양열을 집열하는 집열기(100), 상기 집열기(100)에 집열된 태양열을 열 교환하도록 각각의 배관으로 연통되는 열 교환기(200), 상기 열 교환기(300)와 각각의 배관으로 연통되어 상기 배관을 통해 전달되는 열을 저장하는 축열조(200), 상기 축열조(200)에 저장된 열 매체를 상기 열 교환기(300)에 강제 순환시키는 축열 펌프(400), 상기 열 교환기(300)를 통해 열 교환이 이루어진 열을 상기 집열기(100)에 강제 순환시키는 집열 펌프(500), 상기 집열기(100) 온도인 집열 온도와 상기 축열조(200)의 하단 온도인 축열 온도를 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하고, 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 구동 전류를 가변하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 시스템 제어기(700)를 포함한다.
상기 시스템 제어기(700)는 상기 집열 온도(E2)와 상기 축열 온도(E1)의 온도 편차에 따라 상기 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 구동 전류를 다르게 하여 제어하는 것이 바람직하다.
이러한 시스템 제어기(700)는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차가 제1 설정온도(15℃) 이상이면 집열 펌프(500)의 구동 전류를 제1설정 전류(20mA)로 제어하고, 상기 온도 편차가 제2 설정온도(3℃ ~ 15℃) 이내이면 집열 펌프(500)의 구동 전류를 제2설정 전류(4 ~ 20mA)로 제어하고, 상기 온도 편차가 제3 설정온도(3℃) 미만이면 집열 펌프(500)의 구동을 오프하도록 제어하는 것이 바람직하다.
상기 시스템 제어기(700)는 도 2에 도시한 바와 같이, 검출 온도를 입력받으며, 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)를 구동하는 모터(501)의 전류를 차등으로 공급하는 모터 제어신호를 발생하는 터미널(710), 상기 터미널(710)을 통해 입력되는 축열 온도 및 집열 온도를 검출하는 온도 검출부(720), 상기 온도 검출부(720)에서 검출한 축열 온도 및 집열 온도를 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 온도 편차 산출부(730), 운전 신호를 검출하는 운전신호 검출부(750), 상기 운전신호 검출부(750)에서 검출한 운전신호 및 상기 온도 편차 산출부(730)에서 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 구동 전류를 차등으로 제어하는 펌프 구동전류 제어부(760), 상기 펌프 구동전류 제어부(760)의 제어에 따라 집열 펌프(500) 및 축열 펌프(400)의 모터(501)에 구동 전류를 인가하는 인버터(770), 구동 전원을 공급해주는 전원부(740)를 포함한다.
상기 펌프 구동전류 제어부(760)는 상기 온도 편차 산출부(730)에서 산출한 온도 편차와 기준 전류를 연산하여 그 차이를 모터 구동 전류로 출력하는 연산 증폭기(OP5), 상기 연산증폭기(OP5)의 출력으로 동작하여 모터 구동 제어전류를 출력하는 스위칭소자(Q1)를 포함한다.
도 3은 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감방법을 보인 흐름도로서, (a) 태양열 시스템 제어 초기에 운전신호를 검출하여, 운전신호가 검출되면 집열 펌프를 일정시간 동안 최대로 구동시키는 단계(S101 ~ S104), (b) 상기 일정시간이 지나면, 상기 집열 온도와 축열 온도를 검출한 후 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 단계(S105 ~ S106), (c) 상기 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프의 구동 전류를 가변 제어하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 단계(S107 ~ S111)를 포함한다.
상기 (c)단계는 (c1) 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차가 제1 설정온도(15℃) 이상이면 집열 펌프(500)를 제1 설정전류(20mA)로 구동시키는 단계(S107 ~ S108), (c2) 상기 온도 편차가 제1 설정온도 미만이고, 제2 설정온도 범위(3℃ ~ 15℃)이면 상기 집열 펌프(500)를 상기 제1 설정 전류보다 낮은 제2 설정 전류(4 ~ 20mA)로 제어하는 단계(S109 ~ S110), (c3) 상기 온도 편차가 제3 설정온도(3℃) 미만이면 집열 펌프(500)의 구동을 정지시키는 단계(S111)를 포함한다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
옥외에 시설된 태양열 집열기(100)와 판형으로 이루어진 열 교환기(300)를 통해 온수를 태양열 축열조(200)에 공급 및 저장하고, 축열조(200)에 축적된 열원으로 급수를 열 교환하여 온수를 공급하는 동작은 일반적인 태양열 시스템의 동작과 동일하게 동작한다. 축열조(200)의 열원이 낮아 보조 보일러(600)를 통해 축열조(200)에서 토출되는 온수를 가열하여 온수로 공급하는 동작 역시 기존 태양열 시스템의 동작과 동일하게 동작한다.
예컨대, 급탕(온수) 설정 온도가 60℃이면, 급탕 작동 온도는 50℃가 되고, 급탕 정지 온도는 60℃(△T 10℃)가 되도록 하며, 급탕 설정 온도에 도달하면, 기본 보일러인 보조 보일러(600) 가동시 보조 보일러(600)의 순환펌프만 작동하면서 태양열로 급탕이 이루어지도록 제어를 한다. 이러한 급탕 제어 방식은 기존 태양열 시스템의 급탕 제어 방식과 동일하므로, 그에 대한 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
본 발명은 상기와 같이 동작하는 일반적인 태양열 시스템에서, 집열기(100) 온도(S1)와 배관 내 유체온도(S2)의 편차에 따라 열 매체 순환펌프의 구동 전류를 가변적으로 제어하여 태양열 교환기의 입구온도 및 출구 온도를 일정하게 유지하면서 에너지 절감이 이루어지도록 한 것에 특징이 있다.
본 발명의 다른 특징으로서, 집열기와 축열부의 온도차를 이용한 차온 제어와 집열부와 축열부의 각 온도차이에 따라 축열펌프의 구동전류를 다르게 하여 불필요한 펌프 구동에 따른 에너지 소비를 절감하도록 한 것이다.
이를 위해, 시스템 제어기(700)는 단계 S101에서 전원부(740)를 통해 공급되는 구동 전원을 각각의 부분에 공급하고, 단계 S102에서 운전신호가 검출되는지를 확인한다. 여기서 운전신호 검출은 운전신호 검출부(750)에서 검출한다.
상기 운전신호가 검출되면 단계 S103에서 터미널(710)을 통해 상기 집열기(100) 온도인 집열 온도(S1)와 상기 축열조(200)의 하단 온도인 축열 온도(S2)를 검출한다. 여기서 온도는 온도 센서나 수온 센서를 이용할 수 있다. 이어, 상기 시스템 제어기(700)는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차를 산출하여, 그 차이가 5℃ 이상이 되면, 일단 인버터(770)를 통해 최대 구동 전류(20mA)로 모터(501)를 구동시켜, 집열 펌프(500)를 초기에는 최대로 구동시킨다. 즉, 상기 집열 온도와 축열 온도의 온도 차이가 5℃ 이상이 나면 무조건 펌프 구동 에너지를 최대로 하여 집열 펌프(500)를 구동시킨다. 집열 펌프(500)를 최대로 구동시키기 위해서는 운전신호 검출부(750)의 포토커플러(PC1)에 의해 검출한 운전신호를 이용하여 스위칭소자(Q2)를 턴-온 시켜, 온도 편차 산출부(730)의 연산증폭기(OP3)의 비례 대를 크게 하여 집열 펌프(500)를 최대로 구동시킨다. 상기 집열 펌프(500)를 최대 전류로 구동시킬 때는 미리 설정된 시간(30초) 동안만 집열 펌프(500)를 구동시킨다(S104).
상기 집열 펌프(500)를 최대 구동 전류로 구동시킨 상태에서 설정된 시간이 지나면, 단계 S105로 이동하여 다시 집열 온도(E2)와 축열 온도(E12)를 온도 검출부(720)를 통해 검출한다. 여기서 온도 검출은 연산증폭기(OP1)를 통해 축열 온도(E1)를 검출하고, 연산증폭기(OP2)를 통해 집열 온도(E2)를 검출한다.
다음으로, 단계 S106에서 상기와 같이 검출한 축열 온도(E1) 및 집열 온도(E2)를 온도 편차 산출부(730)에서 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출한다.
즉, 온도 편차 산출부(730)는 연산증폭기(OP3)에서 입력되는 축열 온도(E1) 및 집열 온도(E2)를 미리 설정된 시정수 비례대로 곱하여 온도 편차(VP1)를 출력하게 된다. 여기서 연산증폭기(OP3)의 출력(VP1 = R2/R1(E1 -E2)은 연산증폭기(OP4)의 +단자에 입력된다. 연산증폭기(OP4)는 상기 +단자에 입력되는 값과 -단자로 입력되는 축열 온도(E1)를 연산하고 그 차이를 최종 온도 편차(VP2)로 출력한다. 이때, 온도 편차가 5℃에서 15℃ 범위가 되도록 시정수를 조정하는 것이 바람직하다. 이를 위해 최종 온도 편차(VP2)의 출력 전압이 약 0.4V에서 2.0V가 되도록 하는 것이 바람직하다.
다음으로, 상기 온도 편차 산출부(730)에서 출력되는 온도 편차(VP2)는 펌프 구동전류 제어부(760)로 인가된다. 상기 펌프 구동전류 제어부(760)는 단계 S107 내지 단계 S111에서 상기 온도 편차(VP2)에 따라 집열 펌프(500)의 구동 전류를 가변하여 제어한다.
즉, 단계 S107 및 S108과 같이 상기 집열 온도(E2)와 상기 축열 온도(E1)의 온도 편차(VP2)가 제1 설정온도(15℃) 이상이면 집열 펌프(500)를 최대 구동 전류인 제1 설정 전류(20mA)로 제어하고, 단계 S109 및 S110과 같이 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차가 제2 설정온도(3℃ ~ 15℃) 범위이면 집열 펌프(500)를 제2 설정 전류(4 ~ 20mA)로 제어한다.
온도 편차(VP2)에 따라 집열 펌프(500)의 구동 전류를 차등적으로 제어하는 과정을 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기 펌프 구동전류 제어부(760)의 연산증폭기(OP5)는 상기 온도 편차 산출부(730)에서 산출한 온도 편차(VP2)가 15℃ 이상일 경우, 그에 대응하는 전압(Vi, 2.0V)을 20mA로 변환하여 스위칭소자(Q1)를 통해 인버터(770)에 전달한다. 인버터(770)는 입력되는 최대 전류를 이용하여 모터(501)를 구동함으로써, 집열 펌프(500)를 최대 전류로 구동하게 된다.
즉, 축열 온도와 집열 온도의 온도 편차(VP2)가 15℃ 이상이면, 연산증폭기(OP5)를 통해 최대 출력 전류로 변환하고, 이를 스위칭소자(Q1)를 통해 인버터(770)로 전달하여, 모터(501)를 최대 구동 전류로 구동시켜 집열 펌프(500)를 최대로 구동하게 된다.
또한, 상기 펌프 구동전류 제어부(760)의 연산증폭기(OP5)는 상기 온도 편차 산출부(730)에서 산출한 온도 편차(VP2)가 3℃ ~ 15℃ 범위일 경우, 그에 대응하는 전압(Vi, 0.4V ~ 2.0V)을 대응하는 전류(4 ~ 20mA)로 변환하여 스위칭소자(Q1)를 통해 인버터(770)에 전달한다. 인버터(770)는 입력되는 전류를 이용하여 모터(501)를 구동함으로써, 온도 편차가 낮을 경우에는 구동 전류를 낮추어 집열 펌프(500)를 구동하게 된다.
즉, 축열 온도와 집열 온도의 온도 편차(VP2)가 3℃ ~ 15℃ 범위이면, 연산증폭기(OP5)를 통해 그에 대응하는 출력 전류로 변환하고, 이를 스위칭소자(Q1)를 통해 인버터(770)로 전달하여, 모터(501)를 온도 편차에 대응하는 구동 전류로 구동시켜 집열 펌프(500)를 구동하게 된다.
상기와 같은 온도 편차에 따라 집열 펌프(500)의 구동 전류를 가변하여 제어하는 상태에서, 상기 온도 편차(VP2)가 3℃ 미만이 되면, 모터(501)의 구동 전류를 차단하여 집열 펌프(500)를 정지시키게 된다(S111).
한편, 본 발명에 따른 태양열 시스템은 시스템 제어기(700)에서 축열조(200) 상부의 온도(S3)를 측정하여 92℃ 이상이고, 축열조(200) 하부의 온도(S2)를 측정하여 87℃에서 집열 온도와 축열 온도 간에 차온이 발생하면, 과열 밸브(수냉식 냉각방식)를 작동시켜 시스템 과열을 방지하여 안전성을 도모한다.
이와 같이 본 발명은 집열기 온도(집열 온도)와 배관 내 유체온도(축열 온도)의 온도 편차를 감지하여, 온도 편차에 따라 순환펌프(집열 펌프)의 구동 전류를 가변하여 구동전력 소모 최소화와 안정적인 동파 대응 시스템을 제공하게 된다. 아울러 집열기와 축열부의 온도차를 이용한 차온 제어와 집열부와 축열부의 각 온도차이를 영역별로 구분하여 축열펌프의 구동전류를 가변함으로써 불필요한 펌프 구동에 따른 에너지 소비를 절감하게 되는 것이다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
100: 집열기
200: 축열조
300: 열 교환기
400: 축열 펌프
500: 집열 펌프
600: 보조 보일러
700: 시스템 제어기
710: 터미널
720: 온도 검출부
730: 온도 편차 검출부
740: 전원부
750: 운전신호 검출부
760: 펌프 구동전류 제어부
770: 인버터

Claims (7)

  1. 소용량 태양열 시스템에서 온도 편차에 따라 순환펌프의 구동 전류를 가변하여 에너지를 절감하기 위한 장치로서,
    태양열을 집열하는 집열기;
    상기 집열기에 집열된 태양열을 열 교환하도록 각각의 배관으로 연통되는 열 교환기;
    상기 열 교환기와 각각의 배관으로 연통되어 상기 배관을 통해 전달되는 열을 저장하는 축열조;
    상기 축열조에 저장된 열 매체를 상기 열 교환기에 강제 순환시키는 축열 펌프;
    상기 열 교환기를 통해 열 교환이 이루어진 열을 상기 집열기에 강제 순환시키는 집열 펌프; 및
    상기 집열기의 집열 온도와 상기 축열조의 하단 온도인 축열 온도를 비례적분미분 연산을 통해 온도 편차를 산출하고, 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전류를 가변하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 시스템 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치.
  2. 청구항 1에서, 상기 시스템 제어기는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차에 따라 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전류를 차등적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치.
  3. 청구항 1에서, 상기 시스템 제어기는 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 편차가 제1 설정온도 이상이면 집열 펌프의 구동 전류를 제1설정 전류로 제어하고, 상기 온도 편차가 제2 설정온도 이내이면 집열 펌프의 구동 전류를 제2설정 전류로 제어하고, 상기 온도 편차가 제3 설정온도 미만이면 집열 펌프의 구동을 오프하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치.
  4. 청구항 1에서, 상기 시스템 제어기는 검출 온도를 입력받으며, 집열 펌프 및 축열 펌프를 구동하는 모터의 전류를 차등으로 공급하는 모터 제어신호를 발생하는 터미널; 상기 터미널을 통해 입력되는 축열 온도 및 집열 온도를 검출하는 온도 검출부; 상기 온도 검출부에서 검출한 축열 온도 및 집열 온도를 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 온도 편차 산출부; 운전 신호를 검출하는 운전신호 검출부; 상기 운전신호 검출부에서 검출한 운전신호 및 상기 온도 편차 산출부에서 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프 및 축열 펌프의 구동 전류를 차등으로 제어하는 펌프 구동전류 제어부; 상기 펌프 구동전류 제어부의 제어에 따라 집열 펌프 및 축열 펌프의 모터에 구동 전류를 공급하는 인버터를 포함하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치.
  5. 청구항 4에서, 상기 펌프 구동전류 제어부는 상기 온도 편차 산출부에서 산출한 온도 편차와 기준 전류를 연산하여 그 차이를 모터 구동 전류로 출력하는 연산 증폭기; 상기 연산증폭기의 출력으로 동작하여 모터 구동 제어전류를 출력하는 스위칭소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치.
  6. 소용량 태양열 시스템에서 온도 편차에 따라 순환펌프의 구동 전류를 가변하여 에너지를 절감하는 방법으로서,
    (a) 태양열 시스템 제어 초기에 운전신호를 검출하여, 운전신호가 검출되면 집열 펌프를 일정시간 동안 최대로 구동시키는 단계;
    (b) 상기 일정시간이 지나면, 상기 집열 온도와 축열 온도를 검출한 후 비례적분미분(PID) 연산을 통해 온도 편차를 산출하는 단계; 및
    (c) 상기 산출한 온도 편차를 기초로 상기 집열 펌프의 구동 전류를 가변 제어하여 펌프 구동 에너지를 절감하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감방법.
  7. 청구항 6에서, 상기 (c)단계는 (c1) 상기 집열 온도와 상기 축열 온도의 온도 편차가 제1 설정온도 이상이면 집열 펌프를 제1 설정 전류로 구동시키는 단계; (c2) 상기 온도 편차가 제1 설정온도 미만이고, 제2 설정온도 범위이면 상기 집열 펌프를 상기 제1 설정 전류보다 낮은 제2 설정 전류로 제어하는 단계; (c3) 상기 온도 편차가 제3 설정온도 미만이면 집열 펌프의 구동을 정지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감방법.
KR1020180040467A 2018-04-06 2018-04-06 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법 KR102048257B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180040467A KR102048257B1 (ko) 2018-04-06 2018-04-06 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180040467A KR102048257B1 (ko) 2018-04-06 2018-04-06 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190117227A true KR20190117227A (ko) 2019-10-16
KR102048257B1 KR102048257B1 (ko) 2019-11-25

Family

ID=68421591

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180040467A KR102048257B1 (ko) 2018-04-06 2018-04-06 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102048257B1 (ko)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090051431A (ko) * 2007-11-19 2009-05-22 한국에너지기술연구원 변유량 차온제어 장치가 형성된 태양열 장치 및 이에 따른 제어방법
KR101256869B1 (ko) * 2011-03-09 2013-04-22 삼중테크 주식회사 태양열을 이용한 하이브리드 흡수식 냉난방 시스템
JP2013083397A (ja) * 2011-10-07 2013-05-09 Hitachi Plant Technologies Ltd 太陽エネルギ利用システム
KR20140135879A (ko) 2013-05-16 2014-11-27 (주)동호엔지니어링 태양열을 이용한 공동주택용 개별 난방 및 급탕시스템
KR101527391B1 (ko) 2013-09-02 2015-06-09 경희대학교 산학협력단 코일 내장형 축열조를 구비한 변유량 제어식 태양열 시스템
KR101790294B1 (ko) * 2016-08-23 2017-10-26 한국지역난방공사 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20090051431A (ko) * 2007-11-19 2009-05-22 한국에너지기술연구원 변유량 차온제어 장치가 형성된 태양열 장치 및 이에 따른 제어방법
KR101256869B1 (ko) * 2011-03-09 2013-04-22 삼중테크 주식회사 태양열을 이용한 하이브리드 흡수식 냉난방 시스템
JP2013083397A (ja) * 2011-10-07 2013-05-09 Hitachi Plant Technologies Ltd 太陽エネルギ利用システム
KR20140135879A (ko) 2013-05-16 2014-11-27 (주)동호엔지니어링 태양열을 이용한 공동주택용 개별 난방 및 급탕시스템
KR101527391B1 (ko) 2013-09-02 2015-06-09 경희대학교 산학협력단 코일 내장형 축열조를 구비한 변유량 제어식 태양열 시스템
KR101790294B1 (ko) * 2016-08-23 2017-10-26 한국지역난방공사 복수개의 축열조와 태양열 집열기를 구비한 히트 펌프 구동 지역난방 열공급 시스템

Also Published As

Publication number Publication date
KR102048257B1 (ko) 2019-11-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN209027121U (zh) 一种高效太阳能集热联合电能供热系统
CN102644957B (zh) 一种太阳能采暖控制系统及其控制方法
CN102997443B (zh) 热泵与燃气热水器组合的优化控制方法
CN106468477A (zh) 一种太阳能热泵热水器及控制方法
KR20170105257A (ko) 지열과 태양광 연계 제어를 통한 냉난방 온수 보일러 시스템 및 그 제어 방법
CN110779239A (zh) 一种基于预测模型的太阳能-空气源热泵控制系统及节能控制方法
AU2011342551B2 (en) Cooling system
KR101527391B1 (ko) 코일 내장형 축열조를 구비한 변유량 제어식 태양열 시스템
KR102048257B1 (ko) 소용량 태양열 시스템의 에너지 절감장치 및 그 방법
CN202915464U (zh) 一种太阳能采暖控制系统
CN111442328A (zh) 一种电供暖设备及其控制方法
CN207975720U (zh) 一种电锅炉和太阳能联用供暖装置
KR101250466B1 (ko) 변유량 태양열 집열 제어장치 및 이를 이용한 제어방법
KR102048256B1 (ko) 소용량 태양열 시스템의 변유량 제어장치 및 그 방법
CN114046615B (zh) 一种氢燃料电池与热泵互联系统
CN202012982U (zh) 多热源互备互补的生活热水系统
JP6280787B2 (ja) コージェネレーションシステム
KR100435832B1 (ko) 태양열보일러시스템
JP5800490B2 (ja) 熱源装置、熱源制御方法及び熱源制御プログラム
CN105157225A (zh) 一种热泵热水器及其控制方法
CN204923479U (zh) 一种太阳能热水与沼气联供系统
CN204100618U (zh) 一种可防止真空管破裂的太阳能热水系统
CN104266386A (zh) 一种可防止真空管破裂的太阳能热水系统及控制方法
CN108870742A (zh) 一种新型双能源热水系统及控制方法
CN217844082U (zh) 一种温控系统及独立式水循环供热系统

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
N231 Notification of change of applicant
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant