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KR102209215B1 - 인라인 가열 태양열 집열기 - Google Patents

인라인 가열 태양열 집열기 Download PDF

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KR102209215B1
KR102209215B1 KR1020157030881A KR20157030881A KR102209215B1 KR 102209215 B1 KR102209215 B1 KR 102209215B1 KR 1020157030881 A KR1020157030881 A KR 1020157030881A KR 20157030881 A KR20157030881 A KR 20157030881A KR 102209215 B1 KR102209215 B1 KR 102209215B1
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시몬 클레어
마이클 아델
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티지 엘티디.
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Abstract

본 발명은 종래의 시스템에 비해 반응시간이 빠르고 저렴하며 열효율이 높고 에너지손실은 줄이며 편의성은 개선한 태양열 온수 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 4가지 주요 요소는 태양열 집열기, 열교환기, 인라인 히터 및 시스템 컨트롤러이다. 첫번째 유량발생기 G1이 1차루프용으로 작동하는 동안 1차루프내 첫번째 온도의 천이열 프로파일을 측정한다. 2차루프의 물의 가열은 1차루프내 첫번째 유량발생기와 2차루프내 인라인 히터를 작동시켜 2차루프내 물의 유량과, 현재의 첫번째 온도와, 첫번째 온도의 천이열 프로파일에 의거하여 이루어진다.

Description

인라인 가열 태양열 집열기{IN-LINE HEATED SOLAR THERMAL STORAGE COLLECTOR}
본 발명은 태양열 가열에 관한 것으로, 구체적으로는 태양열 온수 가열에 관한 것이다.
기존의 DHW(domestic hot water) 저장시스템은 태양열을 이용하는 것이 일반적이다. 도 1은 일반적인 태양열 온수시스템인 자연대류방식의 블록도이다. 자연대류방식은 비용이 저렴하고 온화하고 따뜻한 날씨에 사용할 수 있지만, 녹과 부식때문에 배관이 막히는 경우가 많다. 이 방식은 필요한 DHW 온도(많은 경우 레지오넬라 감염방지를 위해 65℃)까지 실외 탱크를 가열해야 하기 때문에 추운 날씨에는 비효율적이고, 더 추운 밤 동안에는 역방향 열대류로 인한 열손실도 일어난다.
도 2는 좀더 추운 날씨에 사용되도록 자연대류방식을 변형한 기존의 콤비-시스템의 블록도이다. 콤비-시스템은 탱크(200)와 집열기(202)를 분리하여 탱크(200)를 집 안에 둔다. 이 경우, 추운 날씨에서의 열손실은 줄이지만, 여전해 자연대류방식처럼 탱크 전체를 가열해야만 한다. 외부 집열판 루프(204)는 동결 온도에 노출될 우려가 있어 글리콜로 채우는 것이 일반적이다. 이 경우, 유럽 많은 국가에서는 음용수의 오염방지를 위해 추가로 열교환기(도시 안됨)를 설치하라는 규제를 채택하고 있다.
도 3은 기존의 다른 콤비-시스템의 블록도로서, 도 2의 시스템을 개량한 것이다. 여기서는 탱크속의 탱크로 규제조건을 피하지만 비용이 상승한다.
대부분의 종래의 시스템은 비교적 느린 반응시간과, 온수 꼭지를 열었을 때 요동치는 온도변화라는 문제를 겪고, 추가 유량발생기와 유동 루프가 없으면 비용이 더 상승되기도 한다. 이 문제의 해결책은 태양열 전달 루프 안에 글리콜이나 다른 동결방지제를 사용하는 것이다. 이 방식은 비용이 많이 들고, 글리콜의 주기적인 교체가 필요하며, 글리콜에 대한 파손방지를 위한 과열방지기가 필요함은 물론, 전술한 바와 같은 규제문제도 있다.
본 발명의 목적은 종래의 해결책들보다 저렴하고, 에너지 효율이 높으며, 반응시간이 빠른 태양열 온수 시스템을 제공하는데 있다.
요약
본 발명에 의하면,
1차루프;
1차루프에 연결되고 첫번째 온도를 측정하는 첫번째 온도센서;
1차루프에 유량을 일으키는 첫번째 유량발생기;
1차루프에 연결되고 열전달 유체의 유량을 측정하는 첫번째 유량센서;
1차루프와 2차루프에 연결되는 열교환기;
2차루프에 연결되고 입력과 출력을 갖는 인라인 히터; 및
1차루프내 첫번째 유량발생기와 2차루프내 인라인 히터를 작동시켜, 첫번째 유량발생기가 작동하는 동안 1차루프내의 첫번째 온도의 천이열 프로파일을 측정하고, 2차루프내 물의 유량과, 현재의 첫번째 온도와, 첫번째 온도의 상기 천이열 프로파일에 의거하여 2차루프의 물을 태양열 가열하는 시스템 컨트롤러를 포함하는 태양열 온수 시스템이 제공된다.
한편, 1차루프가 입력과 출력을 갖춘 태양열 집열기를 더 포함하고;
인라인 히터의 출력이 온수 출력에 연결되고;
첫번째 유량발생기는 입력이 열교환기 1차루프 출력에 연결되고, 출력은 집열기 입력에 연결되며, 작동되었을 때 집열기 출력에서 열교환기 1차루프 입력까지와 열교환기 1차루프 출력에서 첫번째 유량발생기를 통해 집열기 입력까지의 1차루프에 열교환 유체의 유량을 일으키도록 구성되고;
두번째 유량센서가 2차루프에 연결되어 2차루프내 물의 유량을 측정하며;
첫번째 유량발생기는 지정된 시간에 지정된 기간동안 작동하도록 할 수도 있다.
한편, 이런 집열기가 ISC(integrated solar thermal storage collector)일 수 있다. 이런 ISC는 투명하고 단열될 수도 있다. 또, 1차루프내 열전달 유체가 물일 수도 있다. 또, 2차루프가 음용수로서 DHW(domestic hot water)를 제공할 수 있다. 또, 첫번째 유량발생기가 가변형 유량발생기일 수 있다. 또, 시스템 컨트롤러가 PID(proportional integral deriviative) 컨트롤러일 수 있다.
본 발명에 의하면,
태양열 집열기를 포함한 1차루프용의 첫번째 유량발생기가 작동하는 동안 1차루프내 첫번째 온도의 천이열 프로파일을 측정하는 단계; 및
1차루프내 첫번째 유량발생기와 2차루프내 인라인 히터를 작동시켜, 2차루프내 물의 유량과, 현재의 첫번째 온도와, 첫번째 온도의 상기 천이열 프로파일에 의거하여 2차루프의 물을 태양열 가열하는 단계를 포함하는 태양열 온수 가열 방법도 제공된다.
이 방법은,
입력과 출력을 갖춘 태양열 집열기, 입력과 출력을 갖춰 온수를 출력하는 인라인 히터, 열교환기, 집열기 출력에 연결되는 첫번째 온도센서, 첫번째 유량발생기, 첫번째 유량센서, 및 두번째 유량센서를 포함하는 시스템내의 첫번째 온도를 측정하는 단계;
첫번째 유량발생기를 지정된 시간에 지정된 기간동안 작동시키는 단계;
첫번째 유량발생기가 작동하는 동안 첫번째 온도센서로 첫번째 온도의 천이열 프로파일을 측정하는 단계; 및
첫번째 유량발생기와 인라인 히터를 작동시켜, 두번째 루프내 물의 유량과 현재의 첫번째 온도와 첫번째 온도의 천이열 프로파일에 의거하여 2차루프의 물을 태양열 가열해 온수를 출력하는 단계;를 더 포함하고,
열교환기는 1차루프 출력, 집열기에 연결된 1차루프 입력, 냉수공급원에 연결된 2차루프 입력, 및 인라인 히터 입력에 연결된 2차루프 출력을 갖춰, 냉수공급원에서 열교환기 2차루프 입력까지와 열교환기 2차루프 출력에서 인라인 히터를 거쳐 온수 출력까지의 2차루프를 형성하며;
첫번째 유량발생기는 입력은 열교환기 1차루프 출력에 연결되고, 출력은 집열기 입력에 연결되며, 작동되었을 때 집열기 출력에서 열교환기 1차루프 입력까지와 열교환기 1차루프 출력에서 첫번째 유량발생기를 통해 집열기 입력까지의 1차루프에 열교환 유체의 유량을 일으키도록 구성되고;
첫번째 유량센서는 1차루프에 연결되어 열교환 유체의 유량을 측정하며;
두번째 유량센서는 2차루프에 연결되어 2차루프내 물의 유량을 측정하고;
첫번째 온도가 첫번째 온도센서로 측정될 수 있다.
또, 이 방법 있어서, 일정 주기; 60분마다; 사전 설정된 시간; 시스템 측정치들의 평가에 의거한 시간; 반응 프로파일 예측을 개선하도록 천이열 응답 프로파일에 적용된 학습 알고리즘에 의거한 시간; 2차루프내 물의 유량의 프로파일에 의거한 시간; 및 시스템 사용자에 의한 온수 사용에 대응하는 온수 출력 평가에 의거한 시간으로 이루어지는 군에서 선택된 지정된 시간에 작동을 할 수 있다.
또, 시스템이 온수 출력에 연결되어 다섯번째 온도를 측정하는 다섯번째 온도센서를 더 포함하고; 다섯번째 온도에 의거하여 사전 설정된 출력 시간에 온수가 출력되도록 할 수도 있다.
또, 시스템이 두번째 유량발생기를 더 포함하고; 두번째 유량발생기는 입력은 온수 출력에 연결되고, 출력은 냉수 공급원에 연결되며, 작동되었을 때 2차루프에 물의 유량을 일으키드록 구성되고; 지정된 시간에 지정된 기간 동안 두번째 유량발생기를 작동시켜 온수를 출력할 수도 있다.
또, 시스템이 열교환기 2차루프 출력에 연결되어 네번째 온도를 측정하는 네번째 온도센서를 더 포함하고; 네번째 온도의 천이열 응답 프로파일에 의거해 온수를 출력할 수도 있다.
또, 두번째 유량센서가 유량의 부족을 측정하고; 다섯번째 온도센서가 사전설정 출력온도를 측정할 때까지 첫번째 유량발생기와 두번째 유량발생기를 작동시킬 수도 있다.
또, 두번째 유량센서가 유량의 부족을 측정하고; 첫번째 온도센서가 사전설정 탱크 사용온도를 측정할 때까지 첫번째 유량발생기와 두번째 유량발생기를 작동시킬 수도 있다.
또, 사전에 지정된 시스템 파라미터들이 수집될 때까지 첫번째 유량발생기 및/또는 두번째 유량발생기를 작동시킬 수도 있다.
또, 시스템이 주변온도를 측정하는 주변 온도센서를 더 포함하고; 주변온도에 의거하여 첫번째 유량발생기, 두번째 유량발생기 및 인라인 히터를 작동시켜, 2차루프에서 1차루프에 열을 전달해 열교환 유체의 온도를 높이도록 할 수도 있다.
또, 첫번째 온도에 의거해 첫번째 유량발생기를 작동시켜, 1차루프에서 2차루프에 열을 전달해 열교환 유체의 온도를 낮추고 집열기의 과열을 방지하도록 할 수도 있다.
또, 첫번째 온도에 의거해 첫번째 유량발생기와 두번째 유량발생기를 작동시켜, 1차루프에서 2차루프에 열을 전달해 열교환 유체의 온도를 낮추고 집열기의 과열을 방지하도록 할 수도 있다.
본 발명은 또한, 이상 설명한 특징들 중의 어느 하나를 구현하도록 구성된 시스템 컨트롤러도 제공한다.
본 발명은 또한, 태양열 집열기를 포함한 1차루프용의 첫번째 유량발생기가 작동하는 동안 1차루프내 첫번째 온도의 천이열 프로파일을 측정하기 위한 프로그램 코드; 및 1차루프내 첫번째 유량발생기와 2차루프내 인라인 히터를 작동시켜, 2차루프내 물의 유량과, 현재의 첫번째 온도와, 첫번째 온도의 상기 천이열 프로파일에 의거하여 2차루프의 물을 태양열 가열하기 위한 프로그램 코드를 포함한 태양열 온수용 컴퓨터-리더블 코드를 내장한 컴퓨터-리더블 저장매체도 제공한다.
본 발명은 또한, 네트웍을 통해 클라이언트 컴퓨터에 연결된 서버에 로딩되는 컴퓨터 프로그램으로서: 이 컴퓨터 프로그램을 운용하는 상기 서버가 제1항 내지 제22항 중의 어느 하나에 따른 시스템의 시스템 컨트롤러를 구성하는 컴퓨터 프로그램도 제공한다.
본 발명은 또한, 네트웍을 통해 서버에 연결된 컴퓨터에 로딩되는 컴퓨터 프로그램으로서: 이 컴퓨터 프로그램을 운용하는 상기 컴퓨터가 제1항 내지 제23항 중의 어느 하나에 따른 시스템의 시스템 컨트롤러를 구성하는 컴퓨터 프로그램도 제공한다.
도 1은 종래의 자연대류방식의 블록도;
도 2는 종래의 콤비-시스템의 블록도;
도 3은 종래의 다른 콤비-시스템의 블록도;
도 4는 태양열 온수 시스템의 블록도;
도 5는 도 4의 다른 시스템의 블록도;
도 6A는 다른 실시예의 입출력을 설명하는 표;
도 6B는 다른 실시예의 시스템 파라미터들을 설명하는 표.
본 발명의 시스템은 종래의 시스템에 비해 저렴하고 높은 에너지 효율과 빠른 응답시간에 사용자에게 온수를 공급하면서도 에너지손실은 낮추고 사용자의 편의성은 높인다.
본 발명의 4가지 주요 요소는 아래와 같다:
태양열 집열기;
열교환기;
인라인 히터; 및
시스템 컨트롤러.
이런 4가지 요소들은 개별적으로는 물론 기존의 방식과도 같이 병용되지만, 본 발명은 태양열 온수 분야에서 오랫동안 요구된 해결책들을 제시하는 혁신적인 방식이다. 종래의 해결책들과 비교해, 본 발명의 특징은 아래와 같다:
1~2차 루프들을 분리하여 레지오넬라 감염 위험 방지;
동결방지기능 개선;
집적식 집열기의 비열로 인한 과열 방지;
1차루프나 2차루프에 글리콜 불필요;
폐쇄된 1차회로로 인한 녹이나 부식 방지;
예측제어 루프로 인한 신속한 온도반응;
펌프에너지 소비 감소;
초기비용 절감;
설치공간 절감;
유량요동 안정과 DHW 온도 편의성.
"레귤러"나 평판형 집열기를 포함한 모든 태양열 집열기를 본 발명에 이용할 수 있지만, 여기서는 ISC를 예로 들어 설명한다. ISC는 당 분야에 알려진 것으로 일반적인 ISC는 집적식 열저장 모듈이다. 물론, 당업자라면 1차루프나 2차루프내 다른 위치에 열저장 모듈을 적용하는 등의 다른 변형이나 변경도 예상할 수 있을 것이다. 이런 ISC는 주변으로의 복사, 대류 및 전도 열손실을 줄이기 위해 투명하면서 단열형인 것이 좋다. 투명하고 단열인 태양열 집열기의 예가 US2010000143201에 소개되었고, 본 발명에서는 이를 참고로 하였다. 본 발명에서는 DHW 공급을 포함해 다양한 분야에서 유체에 열을 전달하고, 설명의 편의상 ISC와 열교환기 사이의 1차루프내 열전달 유체로 물을 사용하는 것을 예로 든다.
도 4는 태양열 온수 시스템(400)의 회로도로서, 굵은 선들은 물 및/또는 열전달 유체의 흐름을 보여주고, 가는 선은 데이터 입출력 흐름을 보여준다. DCW(domestic cold water)가 시스템(400)의 2차루프(402)로 들어간다. DCW의 투입유량은 유량센서(F2)로 측정하고, 온도는 DCW 온도센서(T3)로 측정한다. 열교환기(HEX)(408)는 2차루프(402)와 1차루프(401)의 투입 DCW 사이의 열전달을 한다. 열교환기는 당 분야에 알려진 것으로서 시중에서 구입할 수 있다. 당업자라면 적절한 열교환기를 선택할 수 있을 것이다. HEX에서 2차루프(402)로 나가는 수온은 4번째 온도센서(T4)로 측정한다. DHW(domestic hot water)를 위해 HEX에서 나오는 물을 가열하는데는 인라인 히터(404)를 사용할 수 있다. DHW 온도센서(T5)가 DHW로 공급될 인라인 히터(404)의 수온을 측정한다. 공급된 DHW의 실제 온도는 배출온도 Tout으로 표시한다. 원하거나 필요한 DHW 온도(T_hot_water)는 55℃ 정도로 설정되는 것이 보통이다. 1차루프(401)에서, 열전달 유체(여기서는 물)의 유량은 1차루프 유량센서(F1)로 측정한다. HEX에서 나가 ISC로 들어가는 1차루프(401)내의 수온은 두번째 온도센서로 측정한다. 첫번째 온도센서(T1)는 ISC를 나가 HEX로 들어가는 1차루프(401) 내의 수온을 측정하고, 이 온도는 ISC 내부의 수온과 일치하는 것이 보통이다. ISC의 주변온도는 온도센서 Tambient로 측정한다. 1차루프 유량발생기(G1)는 유량센서(F1)와 두번째 온도센서(T2) 사이에 배치한다. G1에 의해 1차루프(401)내에 수류가 생겨, 1차루프내에 열흐름이 생긴다. 마찬가지로, 2차루프 유량발생기(G2)는 A) T5와 DHW 사이에서 B) F2와 T3 사이에 배치한다. G2에 의해서 2차루프(402)내 수류가 생겨 열흐름이 일어난다. 유량발생기들은 가변형이 바람직하다.
온도센서(T1~5,Tambient), 유량발생기(G1~2) 및 인라인 히터(404) 전체에 시스템 컨트롤러(406)를 연결한다. 시스템 파라미터에는 온도(T1~5,Tambient), 유량(F1~2), 소정의 값들, 작동중에 변하는 값들, 사용정보, 유저입력값 등과 같으 시스템 요소에서 구한 모든 정보가 포함되지만, 이에 한정되지도 않으며, 천이열 프로파일처럼 시간(t)에 따라 측정된 프로파일 값과 같은 유도값도 포함된다. 유량센서가 유량 부족을 측정하면, 이 유량센서의 루프가 정지중임을 나타내고, 이는 열전달 유체나 루프의 파이프를 흐르지도 순환하지도 않음을 나타낸다.
당업자라면 센서를 가감하거나 유량발생기의 위치를 바꾸거나 가감하거나 연결을 가감하는 등 필요에 따라 적절한 변경을 가할 수 있을 것이다.
본 실시예에서는 센서로 측정한 값들과 센서를 같은 부호로 표시했다. 예컨대, DCW 입력 온도센서(T3)가 측정한 온도를 T3로 표시한다.
측정된 값들의 프로파일은 시간(t)에 따라 변하고, 이를 예컨대 T3(t)로 표시하는데, 이는 DCW 입력 온도센서(T3)가 측정혼 온도 T3의 시변값을 말한다.
시스템 컨트롤러(406)는 주로 시스템(400)의 요소들에 관련된 전력량에 의거해 동작한다. 시스템(400)의 필요전력 Preq는 DCW 입력 온도 T3와 입력유량 F2에 의해 계산된다. DHW의 온도를 알면(예; Tout=65℃), 필요전력 Preq가 아래와 같이 결정된다.
Preq=CVF2(Tout-T3)
여기서 CV는 물의 비열이다. 이 필요전력은 주로 1차루프(401)를 통해 ISC로부터 오며 인라인 히터(404)에 의해 필요에 따라 보충되므로, Preq는 2차루프(402)의 전력인 P2와 인라인 히터(404)의 전력인 Ph의 합으로서, Preq=P2 + Ph 이다.
DHW 탭이 열리면, 유량센서(F2)와 시스템 컨트롤러(406)가 입력 유량 F2를 감지한다. 이 신호는 시스템 컨트롤러(406)에서 1차루프 유량발생기(G1)로 보내진다. 2차루프(402)의 전력 P2는 아래와 같이 계산된다:
P2=CVF2(T4-T3)
T1과 T2가 임의로 열교환기(HEX) 가까이에서 측정되면, 2차루프(402)에서 생긴 전력 P2는 1차루프(401)의 전력 P1과 같다고 보아
P1=P2이다.
따라서, 인라인 히터(4040에 필요한 전력 Ph는 아래와 같이 결정된다:
Figure 112015104078101-pct00001
안정상태에서, 이런 시스템의 동작에 의해 인라인 히터 전력 Ph를 결정할 수 있다. ISC 수온이 충분히 높으면, 필요한 1차루프 유량 F1이 2개 루프의 전력(P1~2)을 같게 하여 계산된다:
Figure 112015104078101-pct00002
예측제어 루프
인라인 히터 제어시스템은 표준 PID(proportional integral derivative) 컨트롤러 로직을 사용해 DHW 온도센서들의 온도 피드백에 의존하는 것이 일반적이다. 그러나, DHW 센서의 신호와 응답 사이의 시간지연을 피할 수 없는데, 이는 배관과 열교환기내 물의 유한한 체적과 온도 불확실성은 물론, 태양열 집열기에 저장된 열용량과 같은 미지의 온도 때문이다. 따라서, 기존의 태양열 온수 시스템의 성능을 개선하려면 예측제어가 필요하다.
실제로 Tout을 일정하게 하고 T3가 시간(일자나 계절)에 따라서만 변하도록 해도, T1과 T2는 집열기/열교환 모듈에 현재 저장되는 에너지량에 따라 급변할 수 있다. 태양열 온수기용 예측제어를 이용하는 실시예의 경우, 1차루프(401)의 주기적 작동을 특징으로 한다. 예컨대 예측제어기의 시스템 컨트롤러(406)가 60분마다 1차루프 유량발생기(G1)를 작동시켜, 단기간 동안 HEX에 열이 흐르게 한다. 이런 단기간은 정해진 것이거나, 시스템 파라미터에 의거해 G1의 작동주기로 계산된다. 주기적 작동에 의해 시스템 컨트롤러(406)는 2개의 파라미터, 즉 1) (전술한 T1에 대응하는) 집열기내 수온과, 2) (G1이 작동되어) 1차루프 유량 F1이 바뀌는 시간에서 온도 T1이 변하는 비율을 측정할 수 있다. 이들 2개 파라미터를 이용해, DHW 탭이 열리고 유량센서 F2가 유량을 감지했을 때의 1차루프(401)내의 1차루프 유량 F1(t)와 Ph(t)로부터의 인라인 히터 천이열 프로파일을 계산할 수 있다. 이 경우, 주기적인 흐름(1차루프의 주기적 작동) 사이의 시간에 천이열 프로파일 Ph(t)도 업데이트할 수 있다.
한편, 2차루프(402)에도 예측제어를 적용할 수 있다. 이 경우, G1과 G2 둘다 예컨대 60분 주기로 작동하여, 모든 시스템 파라미터들을 측정하고 시스템 컨트롤러(406)에 업데이트할 수 있다. 이런 업데이트는 1차루프(401)내 안정상 수온(즉, T1)과, 2차루프(402)내의 안정상태 수온(즉, T2)과, 유량이 바뀌는 시간에 T4가 상승하는 비율인 천이열 반응 프로파일 T4(t)의 업데이트를 포함한다. 이렇게 업데이트된 파라미터들을 시스템 컨트롤러(406)가 이용해, DHW 탭이 열리고 입력 유량센서 F2가 유량을 감지했을 때의 Ph(t) 및/또는 F1(t)로부터의 천이열 프로파일을 제어한다. 시간에 따른 천이열 반응 프로파일을 감시하고 반응 프로파일 예측을 개선하는 유전이나 신경망 알고리즘과 같은 학습 알고리즘을 이용해 이 실시예를 개선할 수도 있다. 이 경우, DHW 온도센서 T5의 반응을 기다리지 않고 Tout에서 T5가 안정될 때만 인라인 히터 전력 Ph를 설정할 수 있고, Ph를 시스템 컨트롤러(406)로 피드백할 수 있다.
예열기능
DHW 탭이 열리는 순간과 온수를 사용할 수 있는 순간 사이의 대기시간을 최소화하려면, 예약기능을 사용한다. 이런 예약기능은 1차루프 유량발생기(G1)를 작동시킨 다음 (주기적 천이열 반응 프로파일 T4(t)에 의거하여) 단시간 뒤에 2차루프 유량발생기(G2)를 작동시켜 2차루프(402)에 흐름을 일으키면 된다. 한편, G1과 G2의 작동을 동시에 할 수도 있다. 이런 예약기능은 T5나 T1에 의거한 온도조절에 적용할 수도 있는데, 예컨대 미리 설정한 수시간 동안 온도가 설정온도 밑으로 내려갈 때 예약기능이 동작하도록 할 수 있다. 한편, 욕실내 전등스위치와 같은 외부 신호로 예약기능을 할 수도 있다.
동결방지 기능
1차(외부)루프(401)나 2차루프(402)의 배관이나 ISC에 동결방지 기능을 추가하거나 대체할 수도 있다. 이 경우 주변온도 Tambient나 온도 T1을 감시한다. 감시중인 온도가 일정 온도 밑으로 내려가면 시스템(400)이 역으로 동작한다. 시스템(400)의 역동작은 인라인 히터(404), 1차루프(401)의 유량발생기(G1) 및 2차루프(402)의 유량발생기(402)를 통해 2차루프(402)에 흐름을 일으키면 된다. 열교환기(HEX)가 역동작하여, 인라인 히터(404)에서 가열된 온수를 ISC에 보내 1차루프(401)내의 물(열교환 유체)의 동결을 방지한다. 동결방지 기능(작동모드)을 가동시키는 다른 표시기를 이용해 (예측제어기가 결정한대로) ISC의 온도가 소정 온도 밑으로 내려간 것을 표시할 수도 있다. 이런 동결방지 기능을 통해 1차루프(401)에 물/글리콜이 아닌 물만 사용할 수 있어, 동결방지액을 사용하지 않고도 1차루프를 작동시킬 수 있다.
태양열 온수 시스템은 1차루프와 2차루프를 갖는 것이 일반적이다. 1차루프는 아래를 포함한다:
- 1차루프에 연결되어 첫번째 온도를 감지하는 첫번째 온도센서;
- 1차루프에 유량을 일으키는 첫번째 유량발생기; 및
- 1차루프에 연결되고 열교환 유체의 유량을 측정하는 첫번째 유량센서.
열교환기는 1차루프와 2차루프에 연결된다. 2차루프는 입출력을 갖는 인라인 히터를 포함한다. 시스템 컨트롤러는 아래 기능을 한다:
- 첫번째 유량발생기가 작동하는 동안 1차루프내 첫번째 온도의 천이열 프로파일 측정;
- 2차루프내 물의 유량과, 현재의 첫번째 온도와, 첫번째 온도의 천이열 프로파일에 의거하여 2차루프의 물을 태양열 가열;
1차루프의 첫번째 유량발생기와 2차루프의 인라인 히터 작동.
다른 실시예
도 5는 도 4의 실시예의 다른 일례를 보여준다. 기본 시스템의 4개 메인 요소 외에, 본 실시예(501)는 아래 3가지 메인 서브시스템을 특징으로 한다:
- 투명단열형 태양열 집열기. 이 집열기는 집열면적 4.6㎡의 300리터 비압축 저장탱를 포함하지만, 집열부족 센서 및/또는 작동요소의 사용을 위한 온도센서나 가열요소는 갖지 않는다. 저장탱크내 물은 폐쇄순환 상태에 있고, 수도꼭지나 ㅁ무물/글리콜 혼합물을 이용하는 FWM(fresh water module)을 갖는다.
- HEX(508), 인라인 전기히터(504), (효율이 높고 속도가 조절되는) 1차 순환펌프(G3), 2차 순환펌프(G4), VFS(variable flow sensor) 유닛, 모든 센서용의 드라이웰, 팽창용기(528), 감압기(522), 혼합모듈(도시 안됨), 차단밸브(도시 안됨), (감압기(522,524)를 포함한) 안전밸브, (과열방지에도 사용되는) 공기방출기(520) 및 드레인밸브(526)를 포함하는 FWM(fresh water module).
- 컨트롤러(506).
본 실시예는 가능할 때마다 (집열기로부터의) 축적된 태양에너지를 이용하고, 최적의 편안한 사용을 위해 인라인 전기히터(504)로 필요한 열을 보충한다. 컨트롤러(506)는 효율적인 에너지 이용과 최적의 편의성을 유지하도록 설계되고, 전체 시스템의 신뢰성과 안전을 보장한다. 또, 컨트롤러는 사용자에게 친숙한 데이터를 디스플레이하며, 원격제어도 가능케한다. 편의상 센서와 다른 요소들에 대한 컨트롤러(506)의 연결은 생략한다.
이 실시예의 대부분의 요소들은 아래와 같이 전술한 요소들과 대응된다:
- 집열기(500) - ISC
- ("집열 사이클"로도 알려진) 1차루프(501) - 1차루프(401)
- ("DHW 사이클"로도 알려진) 2차루프(502) - 2차루프(402)
- 인라인 히터(404) - 전기히터 EH(504)
- 열교환기 HEX(408) - 열교환기 HEX(508)
- Sambient - Tambient
- S1 - T1
- S2 - T2
- S4 - T4
- VFS(T) - T5
- 세번째 유량발생기 G3 - 첫번째 유량발생기 G1
- 네번째 유량발생기 G4 - 두번째 유량발생기 G2
도 5는 아래 요소들을 추가로 포함한다:
- 첫번째 와 두번WO 유량센서 F1~2와 기능이 비슷하면서 DHW의 유량을 감지하는 VFS(F);
- 복귀 2차순환류의 온도를 측정하는 온도센서 S9;
- (열교환기로 들어가는) DCW의 온도를 측정하는 온도센서 S8;
- 전술한 FWM과 관련 요소들.
도 7A는 본 실시예의 입출력 값들을 설명하는 표이고, 도 6B는 기능과 타입과 범위에 대한 시스템 파라미터들을 설명하는 표이다.
본 실시예는 컨트롤러(506)가 하는 아래의 여러 기능들을 지원할 수 있다:
1. 정상 사용:
a. 태양열 지원 전기가열
b. 전기지원 없는 태양열 가열
c. 태양열 지원 없는 전기가열
2. 예상 사용을 위한 순환
3. 데이터 수집
4. 탱크예열
5. 동결방지
6. 과열방지(OHP; over-heating prevention)
a. 1차루프(501)만의 OHP1 순환
b. 1차루프(501)에서 물을 빼고 2차루프(502)로 냉각하는 OHP2
이런 기능들에 대해 설명한다.
기능 1: "정상 사용"
이 기능에서는 DHW용 수도꼭지를 열어 사용자가 온수를 소비한다. 꼭지를 열면, 집열기로부터의 온수가 순환되면서 필요한 온도의 물을 공급한다. 트리거, 입력, 파라미터, 출력은 아래 표와 같이 요약될 수 있다:
트리거 VFS(F) - "On"
입력 S8, S1, S4, VFS(T), VFS(F)
파라미터 T_hot_water; Xs 초(안정화 시간)
출력 G3, EH
메인펌프인 세번째 유량발생기(G3)와 전기히터 EH(504)가 최대 출력으로 작동되면 사용자가 DHW를 최대한 편하게 사용할 수 있다. VFS(T) 온도가 T_hot_water로 되면 EH(504)가 꺼지고, S4 온도가 T_hot_water+2도로 되면 메인펌프인 G3가 속도를 조절해 (EH의 요동을 피하기 위해) S4 온도를 유지한다. 필요하면 전기히터가 재작동할 수 있다. 집열기(500)의 온수의 온도 S1가 예컨대 30초의 안정화 시간(Xs)이 지나 DCW(S8)보다 낮아지면, G3가 꺼지고 필요에 따라 컨트롤러(506)에 의해 EH(504)를 통한 전기가열이 이루어진다.
기능 2: " 예상사용을 위한 순환"
이 기능에서는, 시스템이 예상되는 물틀기(DHW 사용)를 위한 물순환에 의한 예열을 한다. 1~2차 루프(501,502)의 물이 예상 물틀기에 대비해 가열된다. 루프내 물의 가열은 외부 트리거가 작동되었을 때(예; 욕실등 등화)나, 사전설정된 물틀기 시간에 되었을 때 시작하여, 사용자의 편의성과 반응시간을 개선한다.
트리거, 입력, 파라미터, 출력은 아래 표와 같이 요약할 수 있다:
트리거 외부트리거(예; 스마트홈 시스템의 신호나 전등켜기) 또는
사전 설정된 물틀기 시간
(tap_time_x)
입력 S9, S1, S4, S6, VFS(T)
파라미터 순환시간 Xc 초;
tap_time_1; tap_time_2; tap_time_3
출력 G3, G4
G3와 G4가 둘다 (1~2차 순환을 위해) 작동되어 온수가 순환되고 시스템이 가열된다. 이 순환은 일정 시간(Xc 초) 동안 계속된다.
기능 3: "데이터 수집"
이 기능에서는, 1차루프(501) 및/또는 2차루프(502)에 물을 순환시켜 센서로부터 데이터를 수집한다. 이 기능은 예상 사용을 대비하고, 동결이나 과열 방지를 위해 사용될 수 있다. 센서 전체나 일부로부터 측정한 데이터를 분석을 위해 컨트롤러에 저장한다.
트리거, 입력, 파라미터, 출력은 아래 표와 같이 요약할 수 있다:
트리거 Data_collect_time
입력 S9, S1, S4, S6, VFS(T), VFS(F)
파라미터 Data_collect_time; X_meas_length
출력 G3, G4
양쪽 루프(501,502)에서의 물 순환으로 (DCW-S8을 제외한) 모든 센서에서 온도를 측정한다. 안정화를 위해 양쪽 펌프가 일정 시간(X_meas_length) 동안 같은 속도로 동작한다. 측정값들을 "데이터 수집시간"(Data_collect_time)을 시작하는 컨트롤러에 저장한 다음, 예컨대 2시간 마다 계속한다.
이런 데이터에 의거하여, 동결방지, 과열방지, 탱크예열 같은 다른 기능들도 발휘할 수 있다.
기능 4: " 탱크예열 "
이 기능에서는, 컨트롤러의 탱크에서의 물의 역가열이 예상사용을 위해 실행된다. 이런 역가열은 물틀기 동안 필요한 온도에 도달하는데 필요하다.
트리거, 입력, 파라미터, 출력은 아래 표와 같이 요약할 수 있다:
트리거 Tap_time_x - Pre_heat_gap
입력 S1
파라미터 Tap_time_x - Pre_heat_gap,
Tank_use_temp,
Shower_number
출력 G3, G4, EH
집열기는 설정시간과 시스템 상태에 맞게 사용자에게 필요한 샤워기 수와 같은 정보에 의거해 역가열을 하기로 결정할 수 있다. 이 경우, 전기히터와 양쪽 펌프가 모두 작동되어, 전기히터에서 열교환기를 통해 오는 물로 컨트롤러내의 물이 가열된다. 가열 시작시간과 길이는 저장된 시간과, 최종 측정값과 예상 샤워시간 사이의 시간간격에 의거하여 결정되고, 1차루프내 열전달 유체는 소정의 탱크사용 온도(Tank_use_temp)로 가열된다.
기능 5: "동결방지"
이 기능에서는, 배관, 특히 1차루프(501) 내부의 동결 방지를 위해 물이 순환된다. 배관내 동결과 물순환 차단 방지를 위해, 수온을 최소 온도(Water_min_temp)로 유지해야 한다. 필요할 때는 수집 데이터에 의거하여 양쪽 루프에서 물을 순환시켜 물을 가열하고 동결을 방지한다.
트리거, 입력, 파라미터, 출력은 아래 표와 같이 요약할 수 있다:
트리거 데이터 수집/물틀기;
Water_min_temp와 온도비교
입력 S9, S1, S4, S5, S6, VFS(T)
파라미터 Water_min_temp;
Data_collect_time
출력 G3, G4, EH
데이터 수집이나 물틀기 동안 측정된 온도에 이거해, 양쪽 루프에서 물을 순환시켜 동결을 방지할 수 있다. 모든 센서에서 필요한 최저 수온(Water_min_temp)을 얻을 때까지 G3와 G4의 양쪽 펌프가 작동된다. 주변온도가 아주 낮으면, 데이터수집 측정 사이의 시간간격을 일시적으로 줄일 수 있다(Critical_amb_temp).
기능 6: "과열방지"
이 기능에서는 집열기의 과열방지를 위해 물이 순환된다. 이를 위해 탱크내 물은 최대 수온((Water_max_temp) 밑으로 유지해야 한다. 필요할 때는, 수집 데이터에 의거해, 1차루프에서 물을 순환시켜 2차루프의 물에 에너지를 전달하는 한편 집열기의 수온을 낮춰야 한다. 더 혹독한 경우, 예컨대 이런 순환으로도 필요한만큼 온도를 낮출 수 없을 때, 냉수(DCW)를 추가하여 2차루프도 순환시킨다. 1차루프의 물은 열교환기를 통과하면서 냉각된다.
트리거, 입력, 파라미터, 출력은 아래 표와 같이 요약할 수 있다:
트리거 데이터 수집/물틀기;
Water_max_temp와 온도비교
입력 S1
파라미터 Water_max_temp
출력 G3, G4
데이터 수집이나 물틀기 동안 측정된 데이터에 의거해, 필요에 따라 1차루프나 양쪽 루프에 물을 순환시켜 집열기의 과열을 방지할 수 있다. 먼저, 메인펌프 G3가 작동되고 1차루프에서의 물순환이 시작한다. 이 동작으로도 불충분하면, 2차루프의 물도 순환시키면서 냉수를 추가한다. 집열기에서 나오는 물의 온도를 측정하는 온도센서(S1)의 온도가 최대 허용 수온(Water_max_temp)에 이를 때까지 펌프가 작동한다.

Claims (24)

  1. (a) 입력과 출력을 갖는 태양열 집열기를 포함하는 1차루프;
    (b) 1차루프에 연결되고 첫번째 온도를 측정하는 첫번째 온도센서;
    (c) 1차루프에 유량을 일으키는 첫번째 유량발생기;
    (d) 1차루프에 연결되고 열전달 유체의 유량을 측정하는 첫번째 유량센서;
    (e) 2차루프에 연결되고 2차루프내 물의 유량을 측정하는 두번째 유량센서;
    (f) 입력과 출력을 갖고, 상기 2차루프에 연결되는 인라인 히터; 및
    (g) (ⅰ) 1차루프 출력, (ⅱ) 집열기 출력에 연결되는 1차루프 입력, (ⅲ) 냉수 공급원에 연결되는 2차루프 입력, 및 (ⅳ) 상기 인라인 히터 입력에 연결되어, 냉수 공급원에서 열교환기 2차루프 입력까지와 열교환기 2차루프 출력부터 인라인 히터를 통해 온수 출력까지의 2차루프를 형성하는 2차루프 출력을 포함하는 열교환기;
    (h) 1차루프내 첫번째 유량발생기와 2차루프내 인라인 히터를 작동시켜, (ⅰ) 첫번째 유량발생기가 작동하는 동안 1차루프내의 첫번째 온도의 천이열 프로파일을 측정하고, (ⅱ) (A) 2차루프내 물의 유량과, (B) 현재의 첫번째 온도와, (C) 첫번째 온도의 상기 천이열 프로파일에 의거하여 2차루프의 물을 태양열 가열하는 시스템 컨트롤러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 인라인 히터의 출력이 온수 출력에 연결되고;
    상기 첫번째 유량발생기는 (ⅰ) 입력이 열교환기 1차루프 출력에 연결되고, (ⅱ) 출력은 집열기 입력에 연결되며, (ⅲ) 작동되었을 때 집열기 출력에서 열교환기 1차루프 입력까지와 열교환기 1차루프 출력에서 첫번째 유량발생기를 통해 집열기 입력까지의 1차루프에 열교환 유체의 유량을 일으키도록 구성되고;
    두번째 유량센서가 2차루프에 연결되어 2차루프내 물의 유량을 측정하며;
    상기 첫번째 유량발생기는 지정된 시간에 지정된 기간동안 작동하는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 집열기가 ISC(integrated solar thermal storage collector)인 것을 특징으로 하는 태양열 온수 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 ISC가 투명하고 단열되는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 1차루프내 열전달 유체가 물인 것을 특징으로 하는 태양열 온수 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 2차루프가 음용수로서 DHW(domestic hot water)를 제공하는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 첫번째 유량발생기가 가변형 유량발생기인 것을 특징으로 하는 태양열 온수 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 시스템 컨트롤러가 PID(proportional integral deriviative) 컨트롤러인 것을 특징으로 하는 태양열 온수 시스템.
  9. (a) 태양열 집열기를 포함한 1차루프용의 첫번째 유량발생기가 작동하는 동안 1차루프내 첫번째 온도의 천이열 프로파일을 측정하는 단계; 및
    (b) 1차루프내 첫번째 유량발생기와 2차루프내 인라인 히터를 작동시켜, (ⅰ) 2차루프내 물의 유량과, (ⅱ) 현재의 첫번째 온도와, (ⅲ) 첫번째 온도의 상기 천이열 프로파일에 의거하여 2차루프의 물을 태양열 가열하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    (a) 입력과 출력을 갖춘 태양열 집열기, 입력과 출력을 갖춰 온수를 출력하는 인라인 히터, 열교환기, 집열기 출력에 연결되는 첫번째 온도센서, 첫번째 유량발생기, 첫번째 유량센서, 및 두번째 유량센서를 포함하는 시스템내의 첫번째 온도를 측정하는 단계;
    (b) 첫번째 유량발생기를 지정된 시간에 지정된 기간동안 작동시키는 단계;
    (c) 첫번째 유량발생기가 작동하는 동안 첫번째 온도센서로 첫번째 온도의 천이열 프로파일을 측정하는 단계; 및
    (d) 첫번째 유량발생기와 인라인 히터를 작동시켜, 두번째 루프내 물의 유량과 현재의 첫번째 온도와 첫번째 온도의 천이열 프로파일에 의거하여 2차루프의 물을 태양열 가열해 온수를 출력하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 열교환기는 1차루프 출력, 집열기에 연결된 1차루프 입력, 냉수공급원에 연결된 2차루프 입력, 및 인라인 히터 입력에 연결된 2차루프 출력을 갖춰, 냉수공급원에서 열교환기 2차루프 입력까지와 열교환기 2차루프 출력에서 인라인 히터를 거쳐 온수 출력까지의 2차루프를 형성하며;
    상기 첫번째 유량발생기는 입력은 열교환기 1차루프 출력에 연결되고, 출력은 집열기 입력에 연결되며, 작동되었을 때 집열기 출력에서 열교환기 1차루프 입력까지와 열교환기 1차루프 출력에서 첫번째 유량발생기를 통해 집열기 입력까지의 1차루프에 열교환 유체의 유량을 일으키도록 구성되고;
    상기 첫번째 유량센서는 1차루프에 연결되어 열교환 유체의 유량을 측정하며;
    상기 두번째 유량센서는 2차루프에 연결되어 2차루프내 물의 유량을 측정하고;
    상기 첫번째 온도가 첫번째 온도센서로 측정되는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  11. 제10항에 있어서, ⒜ 일정 주기; ⒝ 60분마다; ⒞ 사전 설정된 시간; ⒟ 시스템 측정치들의 평가에 의거한 시간; ⒠ 반응 프로파일 예측을 개선하도록 천이열 응답 프로파일에 적용된 학습 알고리즘에 의거한 시간; ⒡ 2차루프내 물의 유량의 프로파일에 의거한 시간; 및 ⒢ 시스템 사용자에 의한 온수 사용에 대응하는 온수 출력 평가에 의거한 시간으로 이루어지는 군에서 선택된 지정된 시간에 작동을 하는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 시스템이 온수 출력에 연결되어 다섯번째 온도를 측정하는 다섯번째 온도센서를 더 포함하고; 상기 다섯번째 온도에 의거하여 사전 설정된 출력 시간에 온수가 출력되도록 하는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 시스템이 두번째 유량발생기를 더 포함하고; 두번째 유량발생기는 입력은 온수 출력에 연결되고, 출력은 냉수 공급원에 연결되며, 작동되었을 때 2차루프에 물의 유량을 일으키드록 구성되고; 지정된 시간에 지정된 기간 동안 두번째 유량발생기를 작동시켜 온수를 출력하는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  14. 제13항에 있어서, 상기 시스템이 열교환기 2차루프 출력에 연결되어 네번째 온도를 측정하는 네번째 온도센서를 더 포함하고; 네번째 온도의 천이열 응답 프로파일에 의거해 온수를 출력하는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  15. 제13항에 있어서, 상기 두번째 유량센서가 유량의 부족을 측정하고; 다섯번째 온도센서가 상기 사전설정 출력온도를 측정할 때까지 첫번째 유량발생기와 두번째 유량발생기를 작동시키는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  16. 제13항에 있어서, 상기 두번째 유량센서가 유량의 부족을 측정하고; 첫번째 온도센서가 사전설정 탱크 사용온도를 측정할 때까지 첫번째 유량발생기와 두번째 유량발생기를 작동시키는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  17. 제13항에 있어서, 사전에 지정된 시스템 파라미터들이 수집될 때까지 첫번째 유량발생기 및/또는 두번째 유량발생기를 작동시키는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 시스템이 주변온도를 측정하는 주변 온도센서를 더 포함하고; 상기 주변온도에 의거하여 첫번째 유량발생기, 두번째 유량발생기 및 인라인 히터를 작동시켜, 2차루프에서 1차루프에 열을 전달해 열교환 유체의 온도를 높이는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  19. 제10항에 있어서, 첫번째 온도에 의거해 첫번째 유량발생기를 작동시켜, 1차루프에서 2차루프에 열을 전달해 열교환 유체의 온도를 낮추고 집열기의 과열을 방지하는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  20. 제13항에 있어서, 첫번째 온도에 의거해 첫번째 유량발생기와 두번째 유량발생기를 작동시켜, 1차루프에서 2차루프에 열을 전달해 열교환 유체의 온도를 낮추고 집열기의 과열을 방지하는 것을 특징으로 하는 태양열 온수 가열 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중의 어느 하나를 구현하도록 구성된 시스템 컨트롤러.
  22. (a) 태양열 집열기를 포함한 1차루프용의 첫번째 유량발생기가 작동하는 동안 1차루프내 첫번째 온도의 천이열 프로파일을 측정하기 위한 프로그램 코드; 및
    (b) 1차루프내 첫번째 유량발생기와 2차루프내 인라인 히터를 작동시켜, (ⅰ) 2차루프내 물의 유량과, (ⅱ) 현재의 첫번째 온도와, (ⅲ) 첫번째 온도의 상기 천이열 프로파일에 의거하여 2차루프의 물을 태양열 가열하기 위한 프로그램 코드;를 포함한 태양열 온수용 컴퓨터-리더블 코드를 내장한 컴퓨터-리더블 저장매체.
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