KR20190129193A - 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템 - Google Patents

태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템 Download PDF

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안대희
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Abstract

본 발명은, 도로면상에 설치되는 노면 집열부; 도로면 지하에 설치되고, 액상 열매체가 유동함에 따라 상기 도로면을 가열시켜 도로 결빙을 방지하는 흡열/가열 배관부를 포함하는 결빙 방지부, 상기 액상 열매체는 상기 노면 집열부에 의해 가열되어 축열 액상 열매체가 됨; 상기 노면 집열부에 의해 가열된 축열 액상 열매체를 저장하며, 지표면 이하에 설치되며, 여름철의 열원을 저장한 후, 겨울철에 상기 가열된 액상 열매체를 사용하게 하는 계간 축열 저장조; 상기 계간 축열 저장조에서 상기 축열 열매체를 상기 흡열/가열 배관부로 공급하여 도로 결빙을 방지하기 위한 급수관; 상기 흡열/가열 배관부에서 도로 결빙 방지를 위해 방열된 열매체를 상기 계간 축열 저장조로 회수하기 위한 회수관; 및 겨울철 결빙 예상시에 상기 계간 축열 저장조에 있는 축열 액상 열매체를 상기 급수관을 통해 상기 흡열/가열 배관부로 공급하고, 상기 흡열/가열 배관부에서 사용된 액상 열매체를 상기 회수관을 통해 상기 계간 축열조로 복귀시키기 위한 제 1 순환펌프를 포함하는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템에 관한 것이다.

Description

태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템{SYSTEM FOR PREVENTING ROAD FROM BEING FROZEN BY USING SOLAR HEAT}
본 발명은, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템에 관한 것이다.
일반적으로 동절기에 눈이 내려 도로 표면이 결빙되는 경우에는 차량사고와 보행자의 교통사고가 발생할 수 있으며, 특히 터널 외부의 노면은 산악 지형이 경사지게 형성된 그늘로 인하여 눈이 녹는 속도가 일반 도로에 비해 대단히 느리기 때문에 터널 외부의 노면에 쌓인 눈을 신속히 제설하지 않으면 도로가 결빙되어 교통사고가 빈번하게 발생하게 된다.
따라서, 터널 외부의 노면의 결빙을 방지하기 위하여 인력으로 도로에 모래나 염화칼슘을 살포하는 방법을 사용하였는데, 많은 인력 및 장비가 투입되기 때문에 도로 제설을 위한 막대한 비용이 지출되는 것은 물론, 인력 투입과정에서 상당한 시간이 소요되기 때문에 도로 결빙을 방지하기 위한 신속한 대처가 어려운 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여 다양한 도로 결빙 방지 시스템이 개발되고 있는 가운데, 터널의 입구 및 출구 외부에 열선을 설치하여 열선을 통해 도로의 결빙을 방지하기 위한 시스템이 개발되었다.
선행 특허 출원 10-2014-0003816 에서는, 건물 입구의 경사로, 고속도로 인터체인지 경사로, 지하주차장 입구 경사로, 터널의 입구 및 출구 외부에 열선보호관을 매설하고, 열선보호관에 열선을 삽입하여 설치함으로써, 콘크리트 및 아스콘의 파손(크랙)에 따른 열선의 파손을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 열선보호관으로부터 열선의 일측을 잡아 당겨 인출이 가능하게 되므로, 도로의 파손이나 열선의 오작동시 도로의 포장을 제거하지 않고 유지보수가 용이한 열선을 이용한 도로결빙 방지 시스템이 개시되어 있다.
하지만, 이러한 도로 결빙 방지 시스템의 경우, 에너지원으로서 전기를 사용하게 되므로, 히팅을 위하여 많은 전력소모가 필수적이며 이에 따른 유지 관리 비용이 많이 발생하는 문제가 있다.
또한 태양열을 이용하여 도로 결빙 방지를 하기 위한 시스템들이 개발되고 있으나, 넓은 도로면을 가열하려면 엄청난 에너지가 필요하여 태양열로는 충분치 않고, 막대한 전기 에너지가 소모되는 단점이 있다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 도로면으로 쏟아지는 대면적의 여름철의 태양열 에너지를 축적한 후, 이를 이용하여 겨울에 결빙을 방지할 수 있도록 하여 친환경적인 에너지 효율을 높이는 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템을 제공하기 위한 것이다.
상술한 과제를 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템은, 도로면상에 설치되는 노면 집열부; 도로면 지하에 설치되고, 액상 열매체가 유동함에 따라 상기 도로면을 가열시켜 도로 결빙을 방지하는 흡열/가열 배관부를 포함하는 결빙 방지부, 상기 액상 열매체는 상기 노면 집열부에 의해 가열되어 축열 액상 열매체가 됨; 상기 노면 집열부에 의해 가열된 축열 액상 열매체를 저장하며, 지표면 이하에 설치되며, 여름철의 열원을 저장한 후, 겨울철에 상기 가열된 액상 열매체를 사용하게 하는 계간 축열 저장조; 상기 계간 축열 저장조에서 상기 축열 열매체를 상기 흡열/가열 배관부로 공급하여 도로 결빙을 방지하기 위한 급수관; 상기 흡열/가열 배관부에서 도로 결빙 방지를 위해 방열된 열매체를 상기 계간 축열 저장조로 회수하기 위한 회수관; 및 겨울철 결빙 예상시에 상기 계간 축열 저장조에 있는 축열 액상 열매체를 상기 급수관을 통해 상기 흡열/가열 배관부로 공급하고, 상기 흡열/가열 배관부에서 사용된 액상 열매체를 상기 회수관을 통해 상기 계간 축열조로 복귀시키기 위한 제 1 순환펌프를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템은 상기 도로면에 설치되어서, 도로면 온도를 측정하는 제 1 온도 센서; 및 상기 계간 축열 저장조에 설치되어서 상기 액상 열매체의 열저장온도를 측정하기 위한 제 2 온도 센서; 및 상기 도로면 온도가 상기 열저장 온도보다 소정온도 이상 높으면, 상기 제 1 순환펌프를 동작시켜서 상기 도로면에 의해 가열된 상기 축열 액상 열매체를 상기 계간 축열 저장조로 공급하도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템은 태양열을 모아서 액상 열매체를 예비적으로 가열하는 태양열 집열기; 및 상기 태양열 집열기에 의해 가열된 액상 열매체를 상기 계간 축열 저장조로 공급하기 위한 제 2 순환 펌프를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템은, 상기 태양열 집열기에 의해 가열된 액상 열매체의 집열 온도를 측정하기 위한 제 3 온도센서;를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 열저장 온도가 상기 집열 온도보다 소정 온도 이상 낮은 경우, 상기 제 2 순환펌프를 동작시켜, 상기 태양열 집열기에 의해 가열된 액상 열매체를 상기 계간 축열 저장조로 공급하도록 제어할 수 있다.
여기서, 상기 계간 축열 저장조는, 그 단면이 역사다리형태를 가질 수 있다.
여기서, 상기 급수관은 상기 계간 축열 저장조의 상부인 제 1 부에서 연결되고, 상기 회수관은 상기 계간 축열 저장조의 하부인 제 2 부에서 연결될 수 있다.
여기서, 상기 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템은, 상기 제 1 부와 상기 제 2부의 경계면이 되도록 상기 계간 축열 저장조에 수평으로 설치되는 다공판; 및 상기 다공판 위에 배치되는 다수의 구형 축열재를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 급수관과 상기 회수관은 노견에 설치되고, 상기 급수관은 제 1 높이에, 상기 회수관은 제 1 높이 보다 높은 제 2 높이에 설치될 수 있다.
여기서, 상기 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템은, 상기 급수관 또는 상기 회수관 중 적어도 하나에 설치되는 히트 펌프를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 회수 온도 및 상기 공급 온도 중 어느 하나가 기준 온도 또는 이하인 경우, 상기 히트 펌프를 동작시켜서 액상 열매체를 가열하도록 할 수 있다.
여기서, 상기 결빙 방지부는, 도로면을 형성하는 아스팔트부; 상기 아스팔트부 아래에 배치되는 제 1 서브레이어; 상기 서브레이어 아래에 배치되는 제 1 매쉬 금속층; 상기 제 1 매쉬 금속층 아래에 설치되는 제 2 매쉬 금속층; 상기 제 2 매쉬 금속층의 아래에 설치되는 제 2 서브레이어를 더 포함하고, 상기 흡열/가열 배관부는, 상기 제 1 매쉬 금속층과 상기 제 2 매쉬 금속층 사이에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제 1 서브레이어는, 30mm 이상 두께를 가지는 콘크리트층으로서, 도로면 축열 기능을 구비할 수 있다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면 여름철 태양열을 계간 축열 저장조를 통해 저장한 후, 겨울철에 도로 아래에 기설치된 가열 파이프로 축열 저장조의 액상 열매체를 유동시킴으로써, 겨울철 도로 결빙을 방지하도록 하여 별도의 전기 에너지 공급 없이도 친환경적으로 도로 결빙을 예방할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 계간 축열 저장조의 온도 및 태양열 집열기의 온도 및 도로면 온도를 비교하여, 축열 저장조를 가온할 수 있는 최대한의 에너지를 축열 저장조로 공급할수 있도록 구성하여 에너지 효율을 극대화할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 여름철에 도로면을 냉각시킬 수 있으므로, 도로면 가열로 인한 아스팔트 굴곡 현상 등을 예방 및 억제할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템의 전체적인 구성을 설명하기 위한 개념도.
도 2는 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템 중 급수관과 회수관의 설치 구조를 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템 중 노면 집열부 및 결빙방지부의 구조를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템의 전자적인 동작을 설명하기 위한 블록 구성도.
도 5는 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템에 사용되는 계간 축열 저장조의 구조를 설명하기 위한 개념 분해 사시도.
이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명을 한정하지 않는 실시 예를 통해 본 발명을 보다 상세히 설명하며, 일부 도면에서 동일한 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여한다.
도 1은 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템의 전체적인 구성을 설명하기 위한 개념도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지 시스템은, 노면 집열부(A), 태양열 집열기(10), 계간 축열 저장조(20), 도로면에 설치되는 흡열/가열 배관부(31)를 포함하는 결빙 방지부(30), 제 1 순환 펌프(40), 제 2 순환펌프(45), 급수관(50), 회수관(60)을 포함하여 구성될 수 있다.
노면 집열부(A)는 도로면에 조사되는 태양열에 의해 가열되어서, 노면 지하에 설치되는 흡열/가열 배관부(31)에 있는 액상 열매체를 가열하여 열저장하는 기능을 한다.
태양열 집열기(10)는 태양열을 모아서 액상 열매체를 가열하는 기능을 한다. 태양열 집열기(10)는 태양일사를 효과적으로 수집, 이용하기 위하여 설치한 시설물로서 흡열판, 투명덮개, 단열재 등으로 구성되어 있으며, 공기집열식, 액체집열식이 있다. 본 발명에서는 액상인 열매체에 태양열을 모으는 액체 집열식 태양열 집열기(10)가 이용될 수 있다. 여기서 열매체로는 오염 문제-*-가 발생될 여지가 없는 물을 사용할 수 있다. 한편, 본 발명에서 태양열 집열기(10)는 노면 집열부(A)의 집열 기능을 보조하여 예비적으로 태양열을 집열하여 액상 열매체를 가열하는 기능을 한다.
계간 축열 저장조(20)는 상기 태양열 집열기(10)에 의해 가열된 액상 열매체를 저장하며, 지표면 이하에 설치되며, 여름철의 열원을 저장한 후, 겨울철에 상기 가열된 액상 열매체를 사용하게 하는 기능을 한다. 계간 축열 저장조(20)는 태양열의 계절적 수급 격차를 대응하기 위한 시스템으로서, 지중에 설치되어서, 대용량의 열매체를 저장하고, 80~ 98℃ 까지 가열된 열매체를 저장하는 장치이다. 본 발명에서 계간 축열조(20)는 기본적으로 도로면으로 조사하는 태양열에 의해 가열되는 배관부(31)의 축열 열매체를 저장하고 예비적으로는 태양열 집열기(10)에 의해 가열된 축열 열매체를 저장한다.
본 발명에서는 도로 결빙 효율 및 축열 효율을 높이기 위하여, 계간 축열 저장조(20)의 단면이 역사다리꼴을 가지며, 상부와 하부를 구분하는 다공판(70: 도 5 참조)이 내장되며, 다공판(70)의 위에는 다수의 구형 축열재(80)가 배치되게 된다. 이 계간 축열 저장조(20)의 구조에 대해서는, 도 5에서 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도로면에 설치된 흡열/가열 배관부(31)를 포함하는 결빙 방지부(30)는, 계간 축열 저장조(20)에 저장된 고온의 액상 열매체가 유동하여 도로면을 가열시켜서 도로 결빙을 방지하는 구조를 가진다. 또한, 특히 여름철 주간에 도로면으로 조사되는 태양열에 의해 상기 흡열/가열 배관부(31)에 유동하는 액상 열매체는 가열되어서 회수관(60)을 통해 계간 축열 저장조(20)에서 저장되게 된다. 여름철 뿐 아니라 겨울철 주간에 열매체를 가열하여 저장한 후, 야간에 결빙 방지로 사용할 수도 있다. 이와 같이 상대적으로 넓은 면적의 도로면이라는 노면 집열부(A)로 조사되는 뜨거운 태양열을 액상 열매체에 저장함으로써 태양열 이용 효율을 극대화할 수 있게 된다.
제 1 순환펌프(40)는 계간 축열 저장조(20)에 있는 액상 열매체를 결빙 방지부(30)의 흡열/가열 배관부(31)로 공급하고, 다시 흡열/가열 배관부(31)에서 계간 축열 저장조(20)로 회수하기 위한 구성요소이다. 도시된 바와 같이 제 1 순환 펌프(40)는 계간 축열 저장조(20)와 급수관(50) 및 회수관(60) 사이에 설치된다. 이에 따라 제 1 순환 펌프(40)에 의해, 겨울철 도로면 결빙이 예상되는 경우, 급수관(50)을 통해 흡열/가열 배관부로 축열 액상 열매체를 흡열/가열 배관부(31)로 공급하여 도로면을 가열함으로서 결빙을 예방하거나 제거하게 된다. 또한, 여름철 주간과 같이 뜨거운 태양열이 도로면을 가열하는 경우, 흡열/가열 배관부(31)에 있는 액상 열매체는 축열되어서(즉, 흡열하여서) 제 1 순환 펌프(40)에 의해 계간 축열 저장조(20)로 공급되어서 저장되게 된다.
제 2 순환 펌프(40)는 계간 축열 저장조(20)와 태양열 집열기(10)간의 열매체간의 유동을 일으키는 역할을 한다. 즉, 태양열 집열기(10)에 의해 가열된 열매체가 계간 축열 저장조(20)로 이동시키고, 또한 계간 축열 저장조(20)의 가열이 필요한 열매체를 태양열 집열기(10)로 이동시키도록 한다.
급수관(50)은 계간 축열조에서 상대적으로 높은 온도를 가지는 액상 열매체를 흡열/가열 배관부로 공급하기 위한 구성요소이며, 계간 축열 저장조(20)의 상부인 제 1 부(21)와 흡열/가열 배관부(31) 사이에 연결되며 노견(S)에 설치된다.
회수관(60)은 흡열/가열 배관부(31)에서 노면의 결빙 방지를 위해 에너지를 소모한 냉각된 액상 열매체를 다시 계간 축열조로 공급하기 위한 구성요소로서, 계간 축열 저장조(20)의 하부인 제 2 부(22)와 흡열/가열 배관부(31) 사이를 연결하며, 노견(S)에 설치된다.
이상과 같은 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면, 여름철 태양열을 계간 축열 저장조(20)를 통해 저장한 후, 겨울철에 도로 아래에 기설치된 가열 파이프로 축열 저장조(20)의 액상 열매체를 유동시킴으로써, 겨울철 도로 결빙을 방지하도록 하여 별도의 전기 에너지 공급 없이도 친환경적으로 도로 결빙을 예방할 수 있게 된다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 도로면 아래에 설치된 흡열/가열 배관부의 열매체에 의해 여름철 태양열을 흡열하여 도로면 냉각효과를 가지기 때문에 아스팔트면의 굴곡현상이나 녹아 내림 현상 등의 도로 파괴 현상을 완화시킬 수 있게 된다.
이하에서는, 급수관(50)과 회수관(60)의 설치 구조에 대하여 도 2를 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템 중 급수관(50)과 회수관(60)의 설치 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 급수관(50)과 회수관(60)은 노견(S)에 설치되고, 흡열/가열 배관부(31)는 도로면(A)의 아래에 설치되게 된다. 도시된 바와 같이 노견(S)에 급수관(50)과 회수관(60)을 설치하게 되면, 설치후 유지 보수가 편리하게 된다. 도시된 바와 같이, 회수관(60)은 상대적으로 높은 위치에, 급수관(50)은 상대적으로 낮은 위치에 설치된다. 이와 같이 설치하여, 급수관(50)에서 흡열/가열 배관부로 액상 열매체가 이동하는 중의 열손실을 최소화시킬 수 있게 되고, 이에 따라, 도로 결빙 방지 및 해빙 효과가 더욱더 강화될 수 있게 구성된다.
이하에서는, 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템 중 결빙 방지부(30)의 구조에 대하여 도 3을 참조하여 설명하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템 중 결빙 방지부(30)의 구조를 설명하기 위한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이 결빙 방지부(30)는, 제 1 서브 레이어(33), 제 1 메쉬 금속층(34), 흡열/가열 배관부(31), 제 2 메쉬 금속층(35), 제 2 서브 레이어(36)를 포함하여 구성될 수 있다.여기서 아스팔트부(32)는 노면 집열부(A)로서 기능을 할 수 있다.
노면 집열부(A)인 아스팔트부(32)의 아래의 제 1 서브 레이어(33)는, 30mm 이상 두께의 콘크리트 또는 모래 하층으로 이루어진다. 이를 통해 도로면의 축열 기능이 강화된다. 즉, 도로면을 향해 조사되는 태양열에 의해 가열된 아스팔트부(32)의 열을 제 1 서브레이어(33)가 흡수하면서 저장하게 된다.
흡열/가열 배관부(31)를 사이로 제 1 메쉬 금속층(34)과 제 2 메쉬 금속층(35)이 형성된다. 메쉬 금속층(34,35)은 구리 메쉬(bronze mesh)로서, 특히 여름철에 아스팔트부(32)의 태양열이 흡열/가열 배관부(31)로 보다 효과적으로 전달하는 역할을 하며, 겨울철 결빙이 예상되는 경우 흡열/가열 배관부(31)를 통해 공급되는 열매체의 열이 메쉬 금속층(34,35)을 통해 도로면의 상부 및 하부에 전달되도록 하여 아스팔트부(32)의 면을 고르게 가열하도록 한다. 또한, 제 2 서브 레이어(36)에서의 축열이 잘 이루어지도록 하여 도로면 하부 결빙 방지 및 해빙 효과를 강화시키는 기능을 한다.
제 2 서브 레이어(36)는, 150~300mm의 자갈층으로서, 흡열/가열 배관부(31)를 통해 공급되는 열을 축열하는 기능을 한다.
이와 같이 제 1 서브 레이어(33)와 제 2 서브 레이어(36)로 축열을 하게 되면, 가열 공급부에 고온의 열매체가 유동하지 않더라도, 이전에 공급된 열을 축열하고 있으므로, 갑작스런 기상 변화에 따른 결빙을 방지하는 효과를 가지게 된다.
이와 같은 결빙 방지부(30)는 다음과 같은 방식으로 시공이 되게 된다.
우선, 제 2 서브 레이어(36)로서 자갈 하층을 150~300mm 깐다. 자갈층(제 2 서브 레이어(36))의 위에 동메쉬(제 2 메쉬 금속층(35))을 설치한 후, 그 위에 흡열/가열 배관부(31)를 설치한다. 다시 흡열/가열 배관부(31) 위에 동메쉬를 다시 설치하여 가열 기능을 강화하고, 그 위에 30mm 정도의 콘크리트 또는 모래 하층(제 1 서브 레이어(33))을 형성한다. 그리고 도로면을 형성하는 아스팔트부(32)를 시공한다.
이하에서는 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템의 전자적인 동작을 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템의 전자적인 동작을 설명하기 위한 블록 구성도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예인 도로 결빙 방지 시스템은, 순환 펌프(40'), 제 1 온도 센서(90), 제 2 온도 센서(100), 제 3 온도 센서(110), 히트 펌프(120), 그리고, 제어부(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
순환 펌프(40')는 상술한 바와 같이 제 1 순환펌프(40) 및 제 2 순환펌프(45)를 포함하는 개념이다. 제 1 순환 펌프(40)는 계간 축열 저장조(20)와 흡열/가열 배관부(31) 간의 액상 열매체의 유동을 일으키는 구성요소이고, 제 2 순환 펌프(45)는 계간 축열 저장조(20)와 태양열 집열기(10) 간의 액상 열매체의 유동을 일으키는 구성요소이다.
제 1 온도 센서(90)는, 상기 도로면 또는 도로면 인근에 설치되어서, 도로면 온도를 측정하는 기능을 하고, 제 2 온도 센서(100)는 계간 축열 저장조(20)에 설치되어서 계간 축열 저장조(20) 내의 열매체의 열저장온도를 측정하는 기능을 하며, 제 3 온도 센서(110)는 상기 태양열 집열기(10)에 의해 가열된 액상 열매체의 집열 온도를 측정하는 기능을 한다.
그리고 히트 펌프(120)는 급수관(50) 또는 상기 회수관(60) 중 적어도 하나에 설치되어서, 액상 열매체를 추가적으로 가열하는 기능을 한다. 즉, 급수관(50)측에 설치되는 경우, 계간 축열 저장조(20)에 저장되어 있는 축열 액상 열매체의 온도가 결빙 해제를 위해 충분한 온도로 가열되어 있지 않으면, 급수관(50)에 설치된 히트펌프(120)에 의해 결빙 방지부로 공급되는 열매체의 온도를 높혀 결빙 해제 효과를 높일 수 있다. 한편, 회수관(60)을 통해 공급되는 액상 열매체의 온도가 너무 낮은 경우, 계간 축열 저장조(20) 내의 열매체의 온도를 과도하게 낮출 우려가 있으므로, 회수관(60)에 설치된 히트펌프를 동작시켜서 계간 축열 저장조(20)의 액상 열매체의 온도나 낮아지는 것을 방지하기 위하여 회수되는 액상 열매체의 온도를 높여준다.
제어부(130)는, 우선, 제 1 온도 센서(90)와 제 2 온도 센서(100)에서 특정되는 도로면 온도와 열저장 온도를 비교하여 상기 열저장 온도가 상기 도로면 온도보다 소정 온도 이상 낮은 경우, 상기 제 1 순환 펌프(40)를 동작시켜, 상기 도로면에서 조사되는 태양열에 의하여 (10)에 의해 가열된 액상 열매체를 상기 계간 축열 저장조(20)로 공급하도록 한다. 또한, 제어부는, 제 3 온도센서(110)으로부터 획득되는 집열 온도와 열저장온도를 비교하여 열저장온도가 집열 온도보다 소정 온도 이상 낮은 경우, 제 2 순환 펌프(45)를 동작시켜서 가열된 흡열/가열 배관부(21)의 축열 액상 열매체를 계간 축열 저장조(20)에 저장할 수 있게 된다.
한편, 상기 회수관(60) 또는 상기 급수관(50)에 설치되어서 공급 온도 또는 회수 온도를 측정하는 제 4 온도 센서(115)가 더 포함될 수 있다. 이에 따라, 제어부(130)는, 회수 온도 또는 공급 온도가 기준온도 이하인 경우, 히트 펌프(120)를 동작시켜서, 상기 회수 온도 및 상기 공급 온도 중 어느 하나가 기준 온도 또는 이하인 경우, 상기 히트 펌프(120)를 동작시켜서 액상 열매체를 가열하도록 할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템에 사용되는 계간 축열 저장조(20)에 대하여 도 5를 참조하여 보다 상세하게 설명하도록 한다.
도 5는 본 발명의 일실시예인 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템에 사용되는 계간 축열 저장조(20)의 구조를 설명하기 위한 개념 분해 사시도이다,
도 5에 도시된 바와 같이, 계간 축열 저장조(20)의 내부를 보면, 중앙부에 수평으로 설치되는 다공판(70)이 있다. 이 다공판(70)을 기준으로, 상부를 제 1 부(21)라 하고, 하부를 제 2 부(22)라 한다. 제 1 부(21)에는 급수관(50)이 연결되고, 제 2 부에는 회수관(60)이 연결된다. 액체의 성질상 상대적으로 높은 온도의 액상 열매체는 제 1 부(21)에 위치하게 되고, 상대적으로 낮은 온도의 액상 열매체는 제 2 부(22) 에 위치하게 된다.
제 1 부(21)와 제 2 부(22)를 구분하는 다공판(70)은, 제 1 부(21)와 제 2 부(22)를 구분하는 기준이 되며, 제 2 부(22)에 있는 상대적으로 온도가 낮은 열매체가 자유롭게 제 1 부(21)로 대류하는 것을 방해하여서 제 1 부(21)의 액상 열매체가 상대적으로 좀더 높은 온도를 유지하도록 한다. 이와 더불어서 다공판(70) 위에는 다수의 구형 축열재(80)가 위치하게 된다. 이에 따라 제 2 부에 위치하는 열매체가 제 1 부(21)로 이동하는것이 제한되게 된다.
상술한 구성을 가진 본 발명의 일실시예에 따르면 여름철 태양열을 계간 축열 저장조를 통해 저장한 후, 겨울철에 도로 아래에 기설치된 가열 파이프로 축열 저장조의 액상 열매체를 유동시킴으로써, 겨울철 도로 결빙을 방지하도록 하여 별도의 전기 에너지 공급 없이도 친환경적으로 도로 결빙을 예방할 수 있게 된다.
또한 본 발명의 일실시예에 따르면, 계간 축열 저장조의 내부 공간 중 상부에는 상대적으로 높은 온도의 액상 열매체가 위치하게 되므로, 이를 흡열/가열 배관부에 공급하고, 상대적으로 낮은 온도의 액상 열매체는 흡열/가열 배관부의 하부에 배치되므로, 흡열/가열 배관부에서 회수되는 액상 열매체가 이 하부에 공급되게 함으로써, 보다 높은 온도의 액상 열매체가 흡열/가열 배관부로 공급되게 될 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 계간 축열 저장조의 온도 및 태양열 집열기의 온도 및 도로면 온도를 비교하여, 축열 저장조를 가온할 수 있는 최대한의 에너지를 축열 저장조로 공급할수 있도록 구성하여 에너지 효율을 극대화할 수 있게 된다.
상기와 같이 설명된 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템은 상기 설명된 실시 예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시 예들의 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시 예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
10 : 태양열 집열기
20 : 계간 축열 저장조
30 : 결빙 방지부
40 : 순환 펌프
50 : 급수관
60 : 회수관
70 : 다공판
80 : 구형 축열재
90 : 제 1 온도 센서
100 : 제 2 온도 센서
110 : 제 3 온도 센서
115 : 제 4 온도센서
120 : 히트 펌프
130 : 제어부

Claims (11)

  1. 도로면상에 설치되는 노면 집열부;
    도로면 지하에 설치되고, 액상 열매체가 유동함에 따라 상기 도로면을 가열시켜 도로 결빙을 방지하는 흡열/가열 배관부를 포함하는 결빙 방지부, 상기 액상 열매체는 상기 노면 집열부에 의해 가열되어 축열 액상 열매체가 됨;
    상기 노면 집열부에 의해 가열된 축열 액상 열매체를 저장하며, 지표면 이하에 설치되며, 여름철의 열원을 저장한 후, 겨울철에 상기 가열된 액상 열매체를 사용하게 하는 계간 축열 저장조;
    상기 계간 축열 저장조에서 상기 축열 열매체를 상기 흡열/가열 배관부로 공급하여 도로 결빙을 방지하기 위한 급수관;
    상기 흡열/가열 배관부에서 도로 결빙 방지를 위해 방열된 열매체를 상기 계간 축열 저장조로 회수하기 위한 회수관; 및
    겨울철 결빙 예상시에 상기 계간 축열 저장조에 있는 축열 액상 열매체를 상기 급수관을 통해 상기 흡열/가열 배관부로 공급하고, 상기 흡열/가열 배관부에서 사용된 액상 열매체를 상기 회수관을 통해 상기 계간 축열조로 복귀시키기 위한 제 1 순환펌프를 포함하는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 도로면에 설치되어서, 도로면 온도를 측정하는 제 1 온도 센서; 및
    상기 계간 축열 저장조에 설치되어서 상기 액상 열매체의 열저장온도를 측정하기 위한 제 2 온도 센서; 및
    상기 도로면 온도가 상기 열저장 온도보다 소정온도 이상 높으면, 상기 제 1 순환펌프를 동작시켜서 상기 도로면에 의해 가열된 상기 축열 액상 열매체를 상기 계간 축열 저장조로 공급하도록 제어하는 제어부를 포함하는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    태양열을 모아서 액상 열매체를 예비적으로 가열하는 태양열 집열기; 및
    상기 태양열 집열기에 의해 가열된 액상 열매체를 상기 계간 축열 저장조로 공급하기 위한 제 2 순환 펌프를 더 포함하는 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 태양열 집열기에 의해 가열된 액상 열매체의 집열 온도를 측정하기 위한 제 3 온도센서;를 더 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 열저장 온도가 상기 집열 온도보다 소정 온도 이상 낮은 경우, 상기 제 2 순환펌프를 동작시켜, 상기 태양열 집열기에 의해 가열된 액상 열매체를 상기 계간 축열 저장조로 공급하도록 제어하는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템.
  5. 제 1 항에 있어서
    상기 계간 축열 저장조는, 그 단면이 역사다리형태를 가지는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 급수관은 상기 계간 축열 저장조의 상부인 제 1 부에서 연결되고, 상기 회수관은 상기 계간 축열 저장조의 하부인 제 2 부에서 연결되는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 부와 상기 제 2부의 경계면이 되도록 상기 계간 축열 저장조에 수평으로 설치되는 다공판; 및
    상기 다공판 위에 배치되는 다수의 구형 축열재를 더 포함하는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 급수관과 상기 회수관은 노견에 설치되고, 상기 급수관은 제 1 높이에, 상기 회수관은 제 1 높이 보다 높은 제 2 높이에 설치되는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 급수관 또는 상기 회수관 중 적어도 하나에 설치되는 히트 펌프를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 회수 온도 및 상기 공급 온도 중 어느 하나가 기준 온도 또는 이하인 경우, 상기 히트 펌프를 동작시켜서 액상 열매체를 가열하도록 하는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 결빙 방지부는,
    상기 노면 집열부 아래에 배치되는 제 1 서브레이어;
    상기 서브레이어 아래에 배치되는 제 1 매쉬 금속층;
    상기 제 1 매쉬 금속층 아래에 설치되는 제 2 매쉬 금속층;
    상기 제 2 매쉬 금속층의 아래에 설치되는 제 2 서브레이어를 더 포함하고,
    상기 흡열/가열 배관부는, 상기 제 1 매쉬 금속층과 상기 제 2 매쉬 금속층 사이에 배치되는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 서브레이어는, 30mm 이상 두께를 가지는 콘크리트층으로서, 도로면 축열 기능을 구비하는, 태양열을 이용한 도로 결빙 방지시스템.
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