[논문]주거건물의 개별급탕방식 환탕배관 적용에 따른 급탕성능 평가에 관한 연구

차민철; 여명석; 석호태

문제 정의

따라서 본 연구에서는 급탕배관에서 환탕배관적용 방식을 고찰한 후, 국내 공동주택 규모에서 가장 일반적인 30평형대 아파트를 기준으로 개별급탕 방식의 급탕배관에 환탕배관을 1:1 스케일로 배관을 구성하고, 1세대의 1일 수전 사용 스케줄을 기준으로 성능평가를 실시하였으며, 기존안과급탕대기시간, 물 소비량 및 에너지 사용량의 비교 분석을 통해 고층 주거건물 개별급탕방식의환탕배관 적용 가능성을 검토하였다.
평가하였으며, 개별급탕방식에서 환탕배관 적용 가능성을 검토하였다. 또한, 개별급탕 방식에 환 탕 배관 시스템 적용시 발생될 수 있는 문제점에 대한 개선 방안을 제시하였다.
본 논문은 추후 개별급탕방식의 환탕배관 시스템 적용시 기초자료 제공을 위한 선행연구로서 기존 급탕 시스템과 환탕배관 시스템의 급탕 성능 분석과 환탕배관 시스템 적용시 문제점 분석 및 개선 방안을 제시하는 것을 본 연구의 범위로 한다.
3)에 대해 Mock-up test를 통하여 급탕 사용시 급탕 대기시간, 버 려지는 물의 양 및 가스 소비 량을 비교. 평가하였으며, 개별급탕방식에서 환탕배관 적용 가능성을 검토하였다. 또한, 개별급탕 방식에 환 탕 배관 시스템 적용시 발생될 수 있는 문제점에 대한 개선 방안을 제시하였다.

가설 설정

각 수전별 사용 스케줄은 기존연구를 토대로 하여 작성하였으며, (2)$ 하절기에는 샤워와 목욕시에만 급탕을 사용하는 것으로 하였고, 중간기 및 동절기에는 모든 수전에서 급탕을 사용하는 것으로 설정하였다. 목욕 및 세탁은 월 4회 사용되는 것으로 가정하여 가스 소비량 및 버려지는 물의 양을 산정하였다.
물의 양에 대한 비교 . 분석은 각 수전별 급탕 적정온도에 도달할 때까지 걸리는 시간을 측정하고 이때 토출되는 유량은 사용되지 않고 버려지는 유량으로 가정하여 산정 후 평가하였다. 그리고 급탕대기시간, 버려지는 물의 양 및 에너지 소비량은 계절을 고려하여 하절기 20℃, 중간기 15℃, 동절기 10℃로 급수 온도를 설정하였으며, 일반적인 실험 조건은 Table 2와 같다.

제안 방법

2)과 Alt. 2에 환탕배관을 설치한 환탕배관 시스템 적용 안(Alt. 3)으로 모두 3가지 배관방법으로 구성하였으며, Fig. 3과 같이 급수 . 급탕 배관의 길이 및 관경을 동일하게 모델링하여 실험을 수행하였다.
Mock-up 실험는 Fig. 6 및 Table 1과 같이 각 수 전 사용 스케줄에 따라서 1일간 및 월간 대안별 급탕대기시간, 수전별 급탕 적정온도 이하의 버려지는 물의 양 및 소비되는 에너지 사용량을 비교 분석하였다. 각 수전별 사용 스케줄은 기존연구를 토대로 하여 작성하였으며, (2)$ 하절기에는 샤워와 목욕시에만 급탕을 사용하는 것으로 하였고, 중간기 및 동절기에는 모든 수전에서 급탕을 사용하는 것으로 설정하였다.
6 및 Table 1과 같이 각 수 전 사용 스케줄에 따라서 1일간 및 월간 대안별 급탕대기시간, 수전별 급탕 적정온도 이하의 버려지는 물의 양 및 소비되는 에너지 사용량을 비교 분석하였다. 각 수전별 사용 스케줄은 기존연구를 토대로 하여 작성하였으며, (2)$ 하절기에는 샤워와 목욕시에만 급탕을 사용하는 것으로 하였고, 중간기 및 동절기에는 모든 수전에서 급탕을 사용하는 것으로 설정하였다. 목욕 및 세탁은 월 4회 사용되는 것으로 가정하여 가스 소비량 및 버려지는 물의 양을 산정하였다.
개별급탕방식에서 환탕배관 시스템은 Fig. 4와 같이 환탕배관을 헤더시스템과 보일러의 급수 공급 관에 설치하였으며, 환탕배관의 온수 순환 및 on/off 제어를 위해 순환펌프와 서모스탯을 설치하여 환탕배 관의 온수 온도가 42 ℃ 가 되면 순환 펌프가 정지되도록 설정하였다.
분석은 각 수전별 급탕 적정온도에 도달할 때까지 걸리는 시간을 측정하고 이때 토출되는 유량은 사용되지 않고 버려지는 유량으로 가정하여 산정 후 평가하였다. 그리고 급탕대기시간, 버려지는 물의 양 및 에너지 소비량은 계절을 고려하여 하절기 20℃, 중간기 15℃, 동절기 10℃로 급수 온도를 설정하였으며, 일반적인 실험 조건은 Table 2와 같다.
3과 같이 급수 . 급탕 배관의 길이 및 관경을 동일하게 모델링하여 실험을 수행하였다.
1) 및 급수 . 급탕 분기 헤더에 정유량조절밸브 및 3-way 믹싱밸브를 적용한 방안(Alt. 2)과 환탕배관 적용안(Alt. 3)에 대해 Mock-up test를 통하여 급탕 사용시 급탕 대기시간, 버 려지는 물의 양 및 가스 소비 량을 비교. 평가하였으며, 개별급탕방식에서 환탕배관 적용 가능성을 검토하였다.
급수 . 급탕 분기헤더만 설치한 기존안(Alt. 1) 및 사용수전의 필요 유량 및 온도를 일정하게 유지하기 위해 정유량조절밸브와 3-way 믹싱 밸브를 급수 . 급탕 분기 헤더에 설치한 방안(Alt.
대안별 급탕대기시간 및 급탕시 사용되지 않고 버려지는 물의 양에 대한 비교 . 분석은 각 수전별 급탕 적정온도에 도달할 때까지 걸리는 시간을 측정하고 이때 토출되는 유량은 사용되지 않고 버려지는 유량으로 가정하여 산정 후 평가하였다.
설치하였다. 또한, 계절에 따른 급탕 사용시 대안별 가스 소비량 측정을 위해 습식 가스미터기를 부착하였다.
본 연구에서는 고층 주거건물의 1일 급탕 사용스케줄 및 계절에 따라서 급수 . 급탕 분기 헤더만 설치한 기존안(Alt.
수전 사용에 따른 압력, 유량 및 온도를 측정하기 위해 부스터펌프 및 감압밸브 전후와 수전말단배 관에 디 지 털 압력센서 (Keller 21Pro)를 부착하였고, 측정 대상 수전의 토출구에 터빈타입유량계를 부착하였으며, 수전의 말단배관 및 토출구에 열전대(K-type thermocouple)> 설치하였다. 또한, 계절에 따른 급탕 사용시 대안별 가스 소비량 측정을 위해 습식 가스미터기를 부착하였다.
순환방식에 있어서 기존 연구의 고찰 결과(2), 항시 온수를 순환하는 방식은 급탕대기시간을 최대한 줄일 수 있는 장점이 있는 반면, 급탕 배관을 통한 열손실이 커서 많은 에너지 손실을 초래하므로, 본 연구에서는 개별급탕방식에 환 탕 배관을 적용하여 사용자 요구에 의한 순환방식을 위주로 평가를 실시하였다.
정확한 실험을 위하여 압력제어가 가능한 인버터 형 부스터 펌프를 설치하였고, 급수공급압력은 고층 주거건물의 최상층에 대한 설계압력이 0.147 Mpa, 최대허용 급수공급압력이 0.294 ~0.392Mpa 인 것을 고려하여 0.245Mpa 의 압력으로. 실험을실시하였다.

대상 데이터

배관의 관경은 급수배관의 경우 부스터 펌프에서 급수분기지관 및 헤더까지는 20A, 그 이후는 15A로 설치하였고, 급탕배관은 부스터 펌프에서 보일러까지는 20A, 그 이후의 모든 배관은 15A 로 설치하였으며, 배관의 사용 재질은 모두 폴리 뷰틸렌 관을 사용하였다.
본 실험에서는 국내 공동주택 규모에서 가장 일반적인 32평형을 기준으로 하여, 실험안의 경우 급수 . 급탕 분기헤더만 설치한 기존안(Alt.

성능/효과

8과 같이 환탕배관 적용안이 Alt. 1에 비해 각 수전별로 버려지는 물의 양을 중간기 약 69~80%, 동절기 약 75-81% 정도 감소시킬 수 있는 것으로 나타났으며, 한달 동안 총 누적 양은 중간기와 동절기에 약 76% 및 77% 적은 것으로 나타났다.
3)의 경우 계절 및 하루 급탕 사용 스케줄에 관계없이 약 10~17초로 급탕대기시간이 일정한 것을 알 수 있으며, 환탕배관 적용안이 Alt. 1에 비해 급탕 대기시간을 중간기에 약 69~85%, 동절기에 약 77~86% 정도 줄일 수 있는 것으로 나타났다. Fig.
1과 Alt. 2 및 환탕배관 적용안(Alt. 3) 모두 하절기 및 중간기에 비해 동절기 때 가스 소비량이 보다더 큰 것으로 나타났다. 계절별 한달간 소비된 가스 소비량을 비교해보면 Alt.
1은 최대 108초, Alt. 2는 101초로 나타났고, 8시간 이후 급탕 사용이 이루어지는싱크수전에서의 급탕대기시간은 각각 최대 81초 및 77초인 것으로 분석되었다. 연속된 급탕 사용에서는 Alt.
1 및 Alt. 2는 하절기 및 중간기에 비해 동절기에서 급탕대기시간에 비례하여 급탕 시 버려지는 물의 양이 증가되는 반면, 환탕배관 적용 안(Alt. 3)의 경우 버려지는 물의 총 누적 양의 변화가 크지 않으며, 기존안(Alt. 1)에 비해 한 달 동안 버려지는 물의 총 누적 양을 각 수전별로 중간기 약 69~80%, 동절기 약 75-81% 정도 감소시킬 수 있는 것으로 나타났으며, 한달 동안 총 누적 양은 중간기와 동절기에 약 76% 및 77% 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.
1 및 Alt. 2에 비해 환탕배관 적용안(Alt. 3)이 가스 소비량 증가율이 약 42~49% 정도 낮은 것으로 분석되어 동절기 때 환탕을 이용한 급탕시 기존 안에 비해 보다 경제적일 것으로 판단된다.
2에서는 세면수전이 36~47초, 싱크 수전이 24~32초, 샤워 수전이 33~59초로 나타났다. 따라서 하절기 및 중간기에 비해 동절기 때 급탕대기시간이 최소 4초, 최대 23초 정도 더 긴 것으로 분석되었다.
2는 하절기 및 중간기에 비해 동절기에서 급탕대기시간이 최대 약 24초 정도 더 길게 나타났다. 반면 환탕배관 적용안 (Alt. 3)의 경우 계절 및 하루 급탕 사용 스케줄에 관계없이 약 10~17초로 급탕대기시간이 일정하며, 급탕대기시간을 기존안(Alt. 1)에 비해 중간기에 약 69~85%, 동절기에 약 77~86% 정도 줄일 수 있는 것으로 나타났다.

후속연구

이는 개별급탕방식에서 환 탕 배관은 보일러의 급수 인입관에 연결되어 순환펌프에 급수 압력이 영향을 미쳐 환탕배관 내 온수의 순환 유속을 감소시켜 급탕 적정 사용 온도까지의 가열 시간을 지연시키고, 이로 인해 환탕 효율이 낮아져서 발생된 것으로 판단된다. 따라서 보일러 급수 공급 배관 전 후와 환탕배관에 3-way 밸브를 설치하여 Fig. 9와 같이 환탕배관의 순환 펌프 작동시 보일러 급수 공급 배관을 폐쇄시켜환탕배관으로의 급수 유입을 차단할 수 있는 방법을 적용한다면 환탕배관 시스템 적용에 따른 급탕 효율을 높여 환탕배관내 온수설정 온도까지의 가열시간 및 가스 소비량을 보다 더 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다. Fig.
이는 환탕을 위해 순환펌프 작동시 환 탕 배관으로 급수가 유입되어 급수 압력이 역으로 영향을 미쳐 온수의 순환 유속 감소 등이 초래되어 급탕 적정온도까지의 가열 시간의 지연으로 인해 가스 소비량이 다소 높게 나타난 것으로 판단된다. 따라서 환탕배관 내 온수 순환을 위해 환 탕 배관의 순환 펌프 가동시 환탕배관으로 급수 유입을 차단할 수 있는 방안을 적용한다면 개별급탕방식의환탕배관 시스템 적용시 급탕 효율을 보다 높일 수 있을 것으로 판단된다.
우리나라의 경우 화석연료의 대부분을 수입에 의존하고 있고, 국제인구행동단처](UN-PAD에서 물 부족 국가로 분류하고 있어 급탕에 따른 에너지 및 물을 절약할 수 있는 방안을 모색해야 할 것으로 판단된다.

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