KR100820650B1 - 난방장치 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 사용자가 설정한 실내온도를 기준으로 실내온도의 상하 변동폭이 작아지도록 제어할 수 있도록 난방정지온도와 난방가동온도를 가동환경에 따라 자동으로 조절함으로써 사용자가 쾌적함을 느낄 수 있는 난방장치 제어방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

이를 구현하기 위한 본 발명은, 사용자가 설정한 실내온도를 기준으로 난방장치의 정지와 가동을 제어하는 난방장치 제어방법에 있어서, 난방장치의 가동으로 실내온도가 상승되어 난방이 정지되는 온도는 직전 사이클의 난방정지온도에서 직전 사이클에서 발생된 오버슈트에 따라 결정된 보상값을 뺀 온도로 설정되고; 난방장치의 정지로 실내온도가 하강되어 난방이 가동되는 온도는 직전 사이클의 난방가동온도에서 직전 사이클에서 발생된 언더슈트에 따라 결정된 보상값을 더한 온도로 설정함으로써; 측정된 실내온도와 사용자가 설정한 실내온도의 편차를 줄이는 것;을 특징으로 한다.

난방장치, 실내온도, 오버슈트, 언더슈트

Description

난방장치 제어방법{METHOD FOR CONTROLLING HEATING APPARATUS}

도 1은 종래의 난방장치 제어방법에 따른 실내온도의 변화과정을 보여주는 그래프,

도 2는 본 발명의 제어방법에 따라 난방장치를 작동시 실내온도의 변화과정을 보여주는 그래프,

도 3은 본 발명의 제어방법을 보여주는 순서도,

도 4는 본 발명의 열량을 감소시키는 제어방법을 보여주는 그래프,

도 5는 본 발명의 제어방법에 따른 실내온도를 보여주는 그래프,

도 6은 본 발명의 제어방법이 적용될 수 있는 난방시스템의 일실시예를 보여주는 개략도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

110 : 난방장치 120 : 온수분배기

130 : 밸브 140 : 밸브콘트롤러

150 : 실내온도조절기

본 발명은 난방장치 제어방법에 관한 것으로, 사용자가 설정한 실내온도와 난방장치의 작동시 측정된 실내온도가 최소한의 편차를 갖도록 하는 난방장치 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 난방장치라 함은 난방시설 등에 더운물을 공급하는 장치를 말하며, 가스 등의 연료를 내부에서 연소시키고, 상기 연소에 의해 발생되는 연소열을 이용하여 난방수를 가열한 후, 상기 가열된 난방수를 실내의 바닥 등에 설치된 배관으로 순환시켜 실내를 난방하거나, 상기 가열된 난방수를 이용하여 온수를 공급하게 되는 것이다.

이와 같은 난방장치에서 실내온도를 사용자가 원하는 온도로 유지하기 위한 제어방법으로는 실내온도를 측정하여 난방장치의 동작을 온/오프(on/off)하는 방법, 난방배관수의 온도를 측정하여 난방장치의 동작을 온/오프(on/off)하는 방법, 사용자가 설정한 시간만큼 동작되고 사전에 설정된 시간만큼 운전이 정지되는 방법 등으로 나눌 수 있다.

그 중 실내온도를 측정하여 난방장치의 동작을 온/오프(on/off)로 제어하는 방법은, 실내온도조절기에 부착된 온도센서에서 측정된 실내온도와 사용자가 설정한 실내온도를 비교하여 난방장치의 동작을 온/오프(on/off)하는 제어방법이고, 그러한 방법으로 제어되는 과정이 도 1에 제시되어 있다.

도 1은 종래의 난방장치 제어방법에 따른 실내온도의 변화과정을 보여주는 그래프이다.

먼저, 사용자가 실내에 설치된 실내온도조절기로 원하는 실내온도를 설정하게 된다. 이 경우 설정된 실내온도는 T_{_ set}이 되고, 사용자가 설정한 실내온도(T_{_ set})를 기준으로 상하 소정의 범위를 갖도록 난방정지온도(T_{_ off})와 난방가동온도(T_{_ on})가 설정된다.

여기서 난방정지온도(T_{_ off})와 난방가동온도(T_{_ on})는 실내온도조절기에 미리 입력된 값으로서, 일례로 사용자가 원하는 실내온도를 25℃로 설정한 경우 난방정지온도(T_{_ off})는 26℃, 난방가동온도(T_{_ on})는 24℃로 하여 상하 1℃의 범위를 갖는 것으로 구성할 수 있다.

난방장치가 가동되면 실내온도가 상승하게 되는데, 실내온도는 실내온도조절기에 부착된 온도센서에서 검지된다. 상기 온도센서에서 검지된 실내온도가 난방정지온도(T_{_ off})인 26℃에 도달하게 되면 사용자가 원하는 온도에 도달한 것으로 판단하여 난방장치의 가동을 정지시킨다.

이 경우 난방장치의 가동중단으로 방바닥에 매설된 난방배관으로 열전달은 중단되지만, 방바닥에 축열된 열이 실내대기로 계속하여 방열되기 때문에 실내온도는 난방정지온도(T_{_ off})인 26℃보다 더 높은 온도(예를 들면 27℃)까지 상승 후 하강하게 된다. 이와 같이 실내온도가 설정된 난방정지온도(T_{_ off})보다 더 높이 상승되는 것을 오버슈트(overshoot)라 한다.

난방장치의 가동중단으로 실내온도가 하강하게 되고, 실내온도가 난방가동온 도(T_{_ on})인 24℃에 도달하게 되면 난방장치를 다시 가동시키게 된다.

이 경우 난방장치의 가동으로 방바닥에 매설된 난방배관으로 열전달은 이루어지지만, 방바닥의 온도가 상승하기까지는 시간이 걸리므로 실내온도는 난방가동온도(T_{_ on})보다 더 낮은 온도(예를 들면 23℃)까지 하강 후 다시 상승하게 된다. 이와 같이 실내온도가 설정된 난방가동온도(T_{_ on})보다 더 하강하는 것을 언더슈트(undershoot)라 한다.

상기와 같이 오버슈트(overshoot)와 언더슈트(undershoot)가 발생하게 되면 사용자가 설정한 실내온도(T_{_ set})인 25℃를 기준으로 23℃~27℃까지 상하 변동폭이 커지게 되므로 쾌적한 실내환경을 제공하지 못하게 되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상술한 제반 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 난방정지온도(T_{_ off})와 난방가동온도(T_{_ on})가 난방장치의 가동환경에 따라 자동으로 조절되도록 하여 사용자가 설정한 실내온도를 기준으로 실내온도의 상하 변동폭이 작아지도록 제어함으로써 사용자가 쾌적함을 느낄 수 있는 난방장치 제어방법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명의 난방장치 제어방법은, 난방장치의 가동으로 실내온도가 상승되어 난방이 정지되는 온도는 직전 사이클의 난방정지온도에서 직전 사이클에서 발생된 오버슈트에 따라 결정된 보상값을 뺀 온도로 설정되고; 난방장치의 정지로 실내온도가 하강되어 난방이 가동되는 온도는 직전 사이클의 난방가동온도에서 직전 사이클에서 발생된 언더슈트에 따라 결정된 보상값을 더한 온도로 설정함으로써; 난방장치의 설치환경에 따라 달라지는 언더슈트와 오버슈트 크기에 따라 자동으로 난방정지온도와 난방가동온도를 조절하여 측정된 실내온도와 사용자가 설정한 실내온도의 편차를 줄이는 것;을 특징으로 한다.

이 경우 상기 난방정지온도는 사용자가 설정한 실내온도를 기준으로 소정의 온도만큼 높은 온도를 최소난방정지온도로 하고; 상기 난방가동온도는 사용자가 설정한 실내온도를 기준으로 소정의 온도만큼 낮은 온도를 최대난방정지온도로 하는 것;이 바람직하다.

또한 상기 최소난방정지온도로 제어하는 경우에도 오버슈트가 발생하면 난방장치의 열량을 감소시키도록 제어하는 것으로 구성할 수 있고, 이 경우 오버슈트의 양에 비례하여 난방장치의 열량을 감소시키도록 제어하는 것이 바람직하다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명의 제어방법에 따라 난방장치를 작동시 실내온도의 변화과정 을 보여주는 그래프이고, 도 3은 본 발명의 제어방법을 보여주는 순서도이다.

본 발명은 실내온도조절기에 부착된 온도센서에서 측정된 실내온도와 사용자가 설정한 실내온도를 비교하여 난방장치의 동작을 온/오프(on/off)하는 경우 사용자가 원하는 실내온도를 기준으로 최소한의 온도차를 유지한 채 난방이 이루어질 수 있도록 난방장치를 제어하는 방법을 구현한 것이다.

먼저, 실내에 설치된 실내온도조절기를 통하여 사용자가 원하는 실내온도가 설정된다(S101). 이와 같이 설정된 실내온도가 도 2에서는 T_{_ set}으로 표시되어 있고, 일례로 25℃가 될 수 있다.

사용자에 의해 실내온도(T_{_ set})가 설정되면, 그 온도를 기준으로 상하 소정의 범위를 갖도록 최초 난방정지온도(T_{_ off1})와 최초 난방가동온도(T_{_ on1})가 설정된다(S103). 일례로, 최초 난방정지온도(T_{_ off1})는 25.5℃, 최초 난방가동온도(T_{_ on1})는 24.5℃가 될 수 있다.

사용자의 실내온도설정에 따라 난방이 가동되면 실내온도는 상승하게 되고, 실내온도가 최초 난방정지온도(T_{_ off1})에 도달할 때까지 난방은 계속 가동된다(S105).

난방 가동으로 인해 실내온도가 최초 난방정지온도(T_{_ off1})에 도달하면(S107), 난방장치의 가동을 정지시키게 된다(S109).

이 경우 난방장치의 가동을 정지시키더라도 방바닥에는 난방장치의 가동시 많은 열이 축열된 상태이므로 방바닥으로부터 실내대기로 열이 계속하여 방열된다. 이로 인해 실내온도는 최초 난방정지온도(T_{_ off1})보다 더 높은 온도까지 상승하는 오버슈트(overshoot)가 발생하게 된다.

이 때 온도센서에서는 오버슈트(overshoot)로 인해 실내온도가 상승하는 최고온도(T_{_ max1})를 측정하고, 제어부에서는 최고온도(T_{_ max1})와 최초 난방정지온도(T_{_ off1})와의 차이 즉, 오버슈트량을 연산하여 이 값을 A₁으로 정의한다.

또한 위 첫번째 사이클에서 발생된 오버슈트에 따라 보상값을 결정하고, 결정된 보상값을 이용하여 다음 사이클에서의 난방정지온도(T_{_ off2})를 결정한다.

T_{_ off2} = T_{_ off1} - (A₁/2) ----- (1)

A₁ = T_{_ max1} - T_{_ off1} ----- (2)

즉, 첫번째 사이클에서 발생된 오버슈트에 따라 결정된 보상값은 (A₁/2)으로 정의하고, 이 값을 최초 난방정지온도(T_{_ off1})에서 뺀 값을 다음 사이클에서의 난방정지온도로 정의한다. 이 경우 보상값은 (A₁/2) 또는 (A₁/3) 등 다양한 값으로 정의할 수 있다.

난방장치의 가동을 정지시킴으로 인해 실내온도는 하강하게 되는데, 실내온도가 최초 난방가동온도(T_{_ on1})에 도달하게 되면(S111), 난방장치를 다시 가동시키게 된다(S113).

이 경우 실내온도는 실내공기의 비열 때문에 즉시 상승하지 않고 최초 난방가동온도(T_{_ on1})보다 낮아지는 언더슈트(undershoot)가 발생하게 된다. 이 때 온도센서에서는 언더슈트(undershoot)로 인해 실내온도가 하강하는 최저온도(T_{_ min1})를 측정하고, 제어부에서는 최저온도(T_{_ min1})와 최초 난방가동온도(T_{_ on1})와의 차이 즉, 언더슈트량을 연산하여 이 값을 B₁으로 정의한다.

또한 위 첫번째 사이클에서 발생된 언더슈트에 따라 보상값을 결정하고, 결정된 보상값을 이용하여 다음 사이클에서의 난방가동온도(T_{_ on2})를 결정한다.

T_{_ on2} = T_{_ on1} + (B₁/2) ----- (3)

B₁ = T_{_ on1} - T_{_ min1} ----- (4)

즉, 첫번째 사이클에서 발생된 언더슈트에 따라 결정된 보상값은 (B₁/2)로 정의하고, 이 값을 최초 난방가동온도(T_{_ on1})에서 더한 값을 다음 사이클에서의 난방가동온도로 정의한다. 이 경우 보상값은 (B₁/2) 또는 (B₁/3) 등 다양한 값으로 정의할 수 있다.

난방장치를 가동하여 실내온도가 다시 상승하게 되어 실내온도가 두 번째 사이클의 난방정지온도(즉, (1)번 식에서 결정된 T_{_ off2})에 도달한 것으로 온도센서에서 검지되면 난방을 정지하게 된다(S115, S117).

이와 같이 첫 번째 사이클에서 발생된 오버슈트량(A₁)에 의해 보상값(A₁/2) 만큼 뺀 온도에서 난방장치의 가동을 정지시키게 되므로 두 번째 사이클에서는 실내온도의 최고온도(T_{_ max2})가 낮아지게 된다. 따라서 종래 실내온도 편차가 크게 되는 문제점의 해결이 가능하다.

이 때 온도센서에서는 두 번째 사이클에서 오버슈트(overshoot)로 인해 실내온도가 상승하는 최고온도(T_{_ max2})를 측정하고, 제어부에서는 최고온도(T_{_ max2})와 두 번째 난방정지온도(T_{_ off2})와의 차이 즉, 오버슈트량을 연산하여 이 값을 A₂로 정의한다.

또한 위 두 번째 사이클에서 발생된 오버슈트에 따라 보상값(A₂/2)을 결정하고, 결정된 보상값을 이용하여 다음 사이클에서의 난방정지온도(T_{_ off3})를 결정한다.

T_{_ off3} = T_{_ off2} - (A₂/2) ----- (5)

A₂ = T_{_ max2} - T_{_ off2} ----- (6)

난방장치의 가동을 정지시킴으로 인해 실내온도는 하강하게 되는데, 실내온도가 두 번째 난방가동온도(T_{_ on2})에 도달하게 되면, 난방장치를 다시 가동시키게 된다(S119, S121).

이 때 온도센서에서는 두 번째 사이클에서 언더슈트(undershoot)로 인해 실내온도가 하강하는 최저온도(T_{_ min2})를 측정하고, 제어부에서는 최저온도(T_{_ min2})와 두 번째 난방가동온도(T_{_ on2})와의 차이 즉, 언더슈트량을 연산하여 이 값을 B₂로 정의한 다.

또한 위 두 번째 사이클에서 발생된 언더슈트에 따라 결정된 보상값(B₂/2)을 결정하여 다음 사이클에서의 난방가동온도(T_{_ on3})를 결정한다.

T_{_ on3} = T_{_ on2} + (B₂/2) ----- (7)

B₂ = T_{_ on2} - T_{_ min2} ----- (8)

상기와 같은 방법으로 난방정지온도(T_{_ off})와 난방가동온도(T_{_ on})를 결정하여 난방의 정지와 가동을 반복하게 되면 사용자가 설정한 온도(T_{_ set})와 온도센서에서 측정된 실내온도의 편차를 줄일 수 있게 되어 쾌적한 실내환경을 제공할 수 있게 된다.

또한 난방가동시 발생되는 오버슈트량과 언더슈트량은 난방장치의 설치환경에 따라 달라지므로 이를 설계적으로 예측하기는 어렵다. 따라서 상기와 같이 측정된 오버슈트량과 언더슈트량에 따라 결정되는 보상값을 이용하게 되면 실내 온도 편차가 적게되는 난방정지온도(T_{_ off})와 난방가동온도(T_{_ on})를 자동으로 설정하는 것이 가능해진다.

상기와 같은 방법으로 제어하는 경우 난방정지온도와 난방가동온도를 연산하는 식 (1) 내지 (8)을 일반식으로 표현하면 다음과 같다.

T_{_ off (n)} = T_{_ off (n-1)} - (A_(n-1)/2)

T_{_ on (n)} = T_{_ on (n-1)} + (B_(n-1)/2)

A_(n-1) = T_{_ max (n-1)} - T_{_ off (n-1)}

B_(n-1) = T_{_ on (n-1)} - T_{_ min (n-1)}

여기서, (n)은 현재 제어하고자 하는 사이클에서의 값이고, (n-1)은 현재 제어하기 직전 사이클에서 결정된 값을 말한다.

한편, 상기 난방정지온도는 사용자가 설정한 실내온도(T_{_ set})보다 높은 온도로 제어되어야 하고, 난방가동온도는 사용자가 설정한 실내온도(T_{_ set})보다 낮은 온도로 제어되어야 오류 없이 제어가 가능하다.

따라서 난방정지온도는 사용자가 설정한 실내온도(T_{_ set})를 기준으로 소정의 온도만큼 높은 온도인 최소난방정지온도(T_{_ off _ min}) 이상으로 제어하는 것이 바람직하다. 일례로, 사용자 설정 실내온도(T_{_ set})가 25℃인 경우 최소난방정지온도(T_{_ off _ min})는 25.2℃인 것으로 정의할 수 있다.

또한 난방가동온도는 사용자 설정 실내온도(T_{_ set})를 기준으로 소정의 온도만큼 낮은 온도인 최대난방가동온도(T_{_ on _ max}) 이하로 제어하는 것이 바람직하다. 일례로, 사용자 설정 실내온도(T_{_ set})가 25℃인 경우 최대난방가동온도(T_{_ on _ max})는 24.8℃인 것으로 정의할 수 있다.

도 4는 본 발명의 열량을 감소시키는 제어방법을 보여주는 그래프이다.

최소난방정지온도(T_{_ off _ min})로 제어하는 경우에도 오버슈트가 발생하면 난방장치의 열량을 감소시킴으로써 온도편차를 줄이는 것이 가능하다.

즉, 난방정지온도(T_{_ off})를 지속적으로 감소시켜 최소난방정지온도(T_{_ off _ min})에서도 오버슈트가 발생하는 것으로 판단되면, 제어부에서는 가스를 공급하는 가스밸브(도면에 미도시)를 조절하여 공급되는 가스압을 줄임(즉, 열량의 감소)으로써 오버슈트의 발생을 방지할 수 있다.

이 경우 열량의 감소비율은 도 4에 도시된 바와 같이, 오버슈트의 양에 비례하여 감소되는 것으로 구성할 수 있다. 즉, 오버슈트가 없는 경우에는 열량 100%로 제어하고, 오버슈트가 일정 비율을 초과하는 경우에는 열량 50%로 제어하게 된다. 여기서 오버슈트의 비율은 A/(T_{_ off} - T_{_ set})으로 정의할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제어방법에 따른 실내온도를 보여주는 그래프이다.

도 5에 도시된 바와 같이 상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 의해 난방장치를 제어하게 되면 실내온도의 상하 편차가 줄어들게 되어 사용자가 설정한 실내온도(T_{_ set})를 중심으로 진폭이 작은 그래프를 형성하게 된다.

도 6은 본 발명의 제어방법이 적용될 수 있는 난방시스템의 일실시예를 보여주는 개략도이다.

난방시스템은 연료의 연소에 의해 난방수를 공급하는 난방장치(110), 상기 난방장치(110)에서 공급되는 난방수를 각방마다 분배하는 온수분배기(120), 상기 온수분배기(120)에 의해 분배된 난방수를 각방마다 공급/중단을 제어하기 위한 밸 브(130), 상기 밸브(130)를 구동을 제어하기 위한 밸브콘트롤러(140), 상기 밸브콘트롤러(140)와 연결되어 각방마다 원하는 실내온도를 설정할 수 있는 실내온도조절기(150)가 설치된다.

상기 밸브(130)는 온/오프(On/Off)형 밸브 또는 난방수의 양을 조절하는 비례제어밸브가 사용될 수 있다.

상기 난방장치(110)와 밸브콘트롤러(140) 및 실내온도조절기(150)는 통신선으로 연결되어 필요한 데이터를 주고받는다.

상기 실내온도조절기(150)를 통해 설정된 난방온도보다 현재온도가 낮으면 밸브콘트롤러(140)는 난방장치(110)에 신호를 송신하고 해당되는 방의 온도를 올리기 위해 밸브(130)를 구동시킨다.

이 경우 실내온도의 상승과 하강에 따른 오버슈트와 언더슈트를 제어하는 방법은 상기에서 기술된 제어방법과 동일하다.

또한 난방을 위한 온수를 외부에서 공급하는 지역난방, 중앙난방 시스템에서 각방의 온도를 제어하는 방법도 상기에서 기술된 제어방법을 통해 오버슈트와 언더슈트를 제어함으로써 쾌적한 실내환경을 조성하는 것이 가능하다.

이상, 본 발명을 실시 예를 사용하여 설명하였으나 이들 실시예는 예시적인 것에 불과하며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상에서 벗어나지 않으면서 다양한 수정과 변경을 가할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 난방장치 제어방법에 의하면, 난방정지온도와 난방가동온도를 가동환경에 따라 자동으로 조절되도록 하여 실내온도의 상하 변동폭이 작아지도록 함으로써 난방장치 사용자에게 쾌적한 실내환경을 제공할 수 있는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 사용자가 설정한 실내온도를 기준으로 난방장치의 정지와 가동을 제어하는 난방장치 제어방법에 있어서,

   난방장치의 가동으로 실내온도가 상승되어 난방이 정지되는 온도는 직전 사이클의 난방정지온도에서 직전 사이클에서 발생된 오버슈트에 따라 결정된 보상값을 뺀 온도로 설정되고;

   난방장치의 정지로 실내온도가 하강되어 난방이 가동되는 온도는 직전 사이클의 난방가동온도에서 직전 사이클에서 발생된 언더슈트에 따라 결정된 보상값을 더한 온도로 설정함으로써;

   측정된 실내온도와 사용자가 설정한 실내온도의 편차를 줄이는 것;

   을 특징으로 하는 난방장치 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 난방정지온도는 사용자가 설정한 실내온도를 기준으로 소정의 온도만큼 높은 온도를 최소난방정지온도로 하고;

   상기 난방가동온도는 사용자가 설정한 실내온도를 기준으로 소정의 온도만큼 낮은 온도를 최대난방가동온도로 하는 것;

   을 특징으로 하는 난방장치 제어방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 최소난방정지온도로 제어하는 경우에도 오버슈트가 발생하면 난방장치의 열량을 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 난방장치 제어방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 최소난방정지온도로 제어하는 경우에도 오버슈트가 발생한 경우 오버슈트의 양에 비례하여 난방장치의 열량을 감소시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 난방장치 제어방법.

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