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문제 정의
- 최근에는 부하변동에 따른 과잉유량을 바이패스시키는 방법으로 3방향(3-Way) 밸브를 이용한 온수 순환 분배기도 개발되었다.(4) 이 방법은 각 실에 들어가는 기존의 2방향(2-Way) 밸브를 3방향 밸브로 대체하여 각 실별 유량을 독립적으로 제어하는 것을 목적으로 한다. 한편, 온수 분배기에 적용하지는 않았지만 층간, 세대 간 압력 및 유량의 불균형을 해소하기 위하여 Pollet⑸은 자동 정유량 밸브를 세대입구에 설치하는 방법을 제시하였고, Lee(6)는 정유량 또는 가변유량 밸런싱밸브를 고층 아파트 난방배관에 적용한 바 있다.
- balancing val.,eX 개발하고, 현재 사용되고 있는 시스템분배기에 장착하여 그 성능을 평가하고자 한다. 본 연구에서 개발된 새로운 형태의 시스템 분배기를 스마트(smart) 시스템 분배기로 명명하였으며, 기존의 차압밸브를 장착한 시스템 분배기와 비교평가 하고자 한다.
- ,eX 개발하고, 현재 사용되고 있는 시스템분배기에 장착하여 그 성능을 평가하고자 한다. 본 연구에서 개발된 새로운 형태의 시스템 분배기를 스마트(smart) 시스템 분배기로 명명하였으며, 기존의 차압밸브를 장착한 시스템 분배기와 비교평가 하고자 한다. 유체역학적 성능으로서 우선 실제 난방시스템의 조건에서 각 실 밸브의 순차적 개폐에 따른 압력 및 유량의 변동 특성을 고찰하고, 각 위치별 압력의 동적 특성을 측정하여 캐비테이션 발생 가능성이 있는지를 알아본다.
제안 방법
- 초기의 온수분배기는 각 배관에 대한 미세유량조절이 불가능하여 배관의 길이를 50m 이내로구획하고 각 배관간의 밸런싱을 유도하는 방법을사용하였다. 전 배관을 길이가 비슷하게 설치할경우 어느 정도의 밸런싱은 유지할 수 있으나 설치 위 치별로 필요로 하는 온수 유량은 차이가 발생될 수 있으며, 이로 인한 실 온도에 대한 불균형이 발생한다.
- 본 연구에서 개발된 새로운 형태의 시스템 분배기를 스마트(smart) 시스템 분배기로 명명하였으며, 기존의 차압밸브를 장착한 시스템 분배기와 비교평가 하고자 한다. 유체역학적 성능으로서 우선 실제 난방시스템의 조건에서 각 실 밸브의 순차적 개폐에 따른 압력 및 유량의 변동 특성을 고찰하고, 각 위치별 압력의 동적 특성을 측정하여 캐비테이션 발생 가능성이 있는지를 알아본다.
- 1은 실험장치의 개략도이다. 전체 시스템은 온수탱크(hot-water tank), 펌프(pump), 보일러, 분배기, 각 실별 온수배관으로 주요 부분을구성하였다. 본 실험장치는 실제 주거 건물의 난방시스템과 동일하게 하기 위한 실제 보일러 운전조건과 분배기 성능 및 각 순환 요소별 압력 손실을 측정하기 위한 펌프 운전조건을 변환할 수있도록 설계되었다.
- 전체 시스템은 온수탱크(hot-water tank), 펌프(pump), 보일러, 분배기, 각 실별 온수배관으로 주요 부분을구성하였다. 본 실험장치는 실제 주거 건물의 난방시스템과 동일하게 하기 위한 실제 보일러 운전조건과 분배기 성능 및 각 순환 요소별 압력 손실을 측정하기 위한 펌프 운전조건을 변환할 수있도록 설계되었다. 펌프 운전조건에서는 바이패스용 볼밸브를 설치하여 난방용 온수의 공급 유량을 조절할 수 있도록 하였다.
- 본 실험장치는 실제 주거 건물의 난방시스템과 동일하게 하기 위한 실제 보일러 운전조건과 분배기 성능 및 각 순환 요소별 압력 손실을 측정하기 위한 펌프 운전조건을 변환할 수있도록 설계되었다. 펌프 운전조건에서는 바이패스용 볼밸브를 설치하여 난방용 온수의 공급 유량을 조절할 수 있도록 하였다. 온수탱크와 보일러에는 각각 온도조절 스위치가 부착되어 있고이를 통해 온도를 제어하였으며, 온수탱크와 보일러 모두 60 ℃로 온도를 설정하였다.
- ,e)가 설치되어 있다. 이 밸브는 스마트 시스템 분배기를 위해 특별히 개발된 것으로 공급관과 환수관의 압력차에 따라 밸브 내부의 유로면적을 변화시켜 일정 차압을 유지하는역할을 하며, 본 연구에서는 OBV(optimum balancing val.,e)로 명명하였다. 온도조절밸브는 각실에 설치된 온도조절용 리모콘에 의해 자동으로 ON/OFF 방식으로 개폐되며, 유량조절밸브는 사용자가 수동으로 각 실에 공급되는 유량을 미세하게 조절하도록 설치된 것이다.
- 압력측정은 공급헤더 직전CPs), 각 온수 배관입구 4곳(Px)과 온수 배관 출구 4곳(PL), 환수헤더 직후(Pr)에 각각 측정하였고, 유량측정은 환수헤더 에서 온수탱크로 리 턴되기 전에 측정 하였다. 따라서 분배기 시스템 전체 차압CPr)은 다음과 같이 표현될 수 있다.
- 각 실에 연결된 온수배관의 길이가 다르기 때문에 공급되는 유량도 각 실별로 차등화된다. 본 연구에서는 유량조절밸브를 이용하여각 실에 공급되는 유량이 온수배관의 길이에 비례하도록 설정하였다. 즉, 모든 실의 온수 배관의 길이의 합이 300m이므로 각 실의 유량배분을 실 1부터 실 4까지 40/300(13.
- 본 연구에서는 유량조절밸브를 이용하여각 실에 공급되는 유량이 온수배관의 길이에 비례하도록 설정하였다. 즉, 모든 실의 온수 배관의 길이의 합이 300m이므로 각 실의 유량배분을 실 1부터 실 4까지 40/300(13.33%), 60/300(20%), 80/ 300 (26.67%), 120/300(40%)으로 조절하였다. 이때 유량조절밸브의 세팅은 본 실험 이전에 밸브개도에 따른 유량을 파악한 후 설정하였다.
- 이때 그실에 공급되던 유량은 가동되고 있는 다른 실에더해지게 된다. 본 실험에서는 온수가 모든 실에공급되는 상태에서 시작하여 실 4(120 m)부터 실 2(60 m)까지 순차적으로 밸브를 닫아가며 분배기전후의 차압의 변화와 전체 유량의 변화를 측정하였다. 실 4부터 닫아간 이유는 실 1의 유량이가장 작고 유량조절밸브의 개구가 가장 좁아 동적변동 특성이 가장 크게 나타나므로 실 1에 대한 모니터링을 주된 목적으로 하였기 때문이다.
- 따라서 각 실별로 유량계를설치하여 실별 유량을 계측하면 부하변동에 따른실 별 유량이 유량계에 의해 영향을 받게 된다. 이 문제를 해결하기 위하여 본 연구의 이전연구 (4)에서는 보일러 대신 유량조절이 가능한 펌프를사용하여 각 실별 차압-유량 특성곡선을 획득한후 실제 운전조건에서 측정된 차압으로부터 실별 유량을 산출하는 방법을 제안하였다. 이 방법을 본 연구의 일반 시스템 분배기와 스마트 시스템 분배기에 대해 적용하였으며 이때, 차압밸브는 보일러 바로 밑 부분에 설치되어 펌프운전조건에서는 사용이 불가능하기 때문에 차압밸브를적용한 시스템은 제외하였다.
- 각 실 중 한 실만을 개방하여 그 실을 통해 순환하는 유량을 펌프 직후 바이패스 밸브의 조절을 통해 0-250 X 10-6 m3/s (0~15 1pm)까지 조절했을 때, 공급헤드, 밸브, 온수배관, 리턴헤드 등각 요소별 차압과 분배기 전후의 차압을 측정하여 실별 손실계수 특성곡선을 획득하였다. 실 4 부터 실 2까지 순차적으로 닫아가면서 측정된 차압을 바탕으로 특성곡선으로부터 계산된 실 별 유량 변화는 Table 1과 같이 나타났다.
- 3에 나타내었다. 분배기는 가변유량 밸런싱밸브를 적용한 스마트 시스템 분배기와 차압밸브를 적용한 일반 시스템 분배기, 그리고 차압밸브가 없는 일반 시스템 분배기를 비교하였다. 전실 난방 시 전체 차압(PT)은 스마트시스템 분배기가 약 0.
- 두 지점의결과로부터 분배기 시스템 내부도 어느 정도 예측 가능하다. 실 1의 배관 입구의 포화증기압은공급수 온도인 60 ℃에서의 값을 사용하였으며, 환수헤드 직후에서는 일반적인 설계온도차(△ T = 10℃)를 고려하여 50 ℃ 에 해당하는 포화증기압(PV50)과 비교하였다.
- 본 연구에서는 개별난방 시스템에서 각 실 제어 시 부하변동에 안정적이며 캐비테이션 발생을저감할 수 있는 가변유량 밸런싱밸브를 적용한스마트 시스템 분배기를 개발하였고, 기존의 일반 시스템 분배기와 부하변동에 대응하기 위해차압밸브를 설치한 경우와 유체역학적 성능을 비교 평가하였다.
- 이상의 펌프 운전조건에서의 결과를 바탕으로실제 사용조건인 보일러 운전조건으로 분배기의전체 차압 및 총 유량 변화를 실험하였다. 전실난방 시 유량이 133.
대상 데이터
- 분배기 공급헤더 (supply header)로 공급된 온수는 온도조절밸브를 통해 각 실로 분배되며, 각 실은 왼쪽부터 실 1, 실 2, 실 3, 실 4라 하였다. 각 실의온수배관은 실 1부터 실 4까지 40 m, ' 60 m, 80 m, 120m길이의 가교화 폴리에틸렌관(X-L pipe)을사용하였다. 가교화 폴리에틸렌관의 구경은 15mm,주 배관의 구경은 25 mm이다.
- 각 실의온수배관은 실 1부터 실 4까지 40 m, ' 60 m, 80 m, 120m길이의 가교화 폴리에틸렌관(X-L pipe)을사용하였다. 가교화 폴리에틸렌관의 구경은 15mm,주 배관의 구경은 25 mm이다. 각 방을 순환한 온수는 환수헤더 (return header)를 거쳐 보일 러 또는 온수탱크로 환수된다.
- 본 실험에 사용된 분배기는 기존의 널리 사용되어 온 일반 시스템 분배기와 본 연구를 위해개발된 Fig. 2의 스마트 시스템 분배기 두 가지이다. 일반 시스템 분배기의 경우 공급헤더에 유량조절 밸브, 환수헤 더 에 온도조절 밸브가 설치 되었으며, 보일러 밑 부분 공급관과 환수관 사이에차압밸브(PDCV, pressure difference control val.
- 압력손실에 해당한다. 본 연구에 사용된 유량계는 Rosemount사의 8711 Magnetic Flowtube 이며, 압력센서는 Sensys사의 PSHB-3BGAG 모델 (accuracy 0.1%)을 사용하여 초당 100개의 압력 데이터를 60초간 획득하였다.
- 본 실험은 전용면적 112m2(34평형)인 국내 공동주택에 평균적으로 설치되는 온수배관의 길이를 채택하였으며, 개별난방조건에서 일반적인 주거 건물의 설계유량이 83.33 xl0*6~ 150 xW6m3/s (5~91pm)임을 감안하여 전실 난방시 총유량 133.33 X 10-6m3/s(81pm)일 때를 시험조건으로 설정하였다. 각 실에 연결된 온수배관의 길이가 다르기 때문에 공급되는 유량도 각 실별로 차등화된다.
데이터처리
- 8~Fig. 9에서 압력의 평균값에 RMS 값을 막대로 표시하여 포화증기압과 비교하였다. Fig.
성능/효과
- 이때 각 실에 분배되는 유량은 온수 배관 길이에 비례하여 설정한 유량배분과 4 % 이내에서 크게 차이나지 않는다. 이후 실 4부터 실 2까지 순차적으로 닫아간 결과 기존의 일반 시스템 분배기는 실 1의 유량이 전실 난방 시 13%에서 실 1만 난방 시 19.7%로 증가하였다. 반면, 스마트 시스템 분배기는 실 1의 경우 총 유량 대비 9.
- 1%로 거의 증가가 없는 것으로 나타났다. 따라서 스마트 시스템 분배기는 밸브가 순차적으로 닫힘에 따라 닫힌 실의 유량이 개방된 실에 재분배되는 유량집중현상이 훨씬 적어 전체적인 시스템이 안정적으로 작동함을 확인할 수 있다.
- 23bar로 높게 나타났다. 결론적으로 부하변동 측면에서 일반 시스템 분배기는 많은 문제점을 가지고 있으며, 차압 밸브를 적용하거나 가변유량 밸런싱밸브를 채택하면 안정적인 시스템이 된다.
- 따라서 이러한 유량 집중 현상을 해소하기 위해서는 가변유량 밸 런싱밸브 또는 차압 밸브와 같은 분배기 시스템의 안정화를 위한 특별한 장치가 필요하다. 또한 유량계를 통해 측정된 Fig. 4의 결과와 실 별 손실계수 특성곡선으로부터 계산된 Table 1의 전체유량을 비교해보면, 기존시스템 분배기는 4~5% 정도의 차이를 보이며 스마트 시스템 분배기는 1-2% 정도의 차이를 보인다.
- 하지만 각실을 닫아갈 경우 평균압력이 점차 감소하여 실하나 또는 세 개를 닫았을 때 순간압력의 최저치가 포화증기압 이하로 내려간다. 결과적으로 본연구에서 실험한 일반 시스템 분배기는 차압 밸브의 설치 여부와 관계없이 온수 배관 내 캐비테이션 발생 조건이 나타났다.
- 부하변동에 따른 압력 및 유량변동 특성 시험을 통하여 밸브가 순차적으로 닫힐 때 기존 실의 유량이 증가하는 유량집중현상을 정량적으로 평가한 결과 스마트 시스템 분배기가 매우 안정적임을 확인하였다. 일반 시스템 분배기에 차압 밸브를 적용해도 압력 및 유량 변동이 매우 적었으며, 스마트 시스템 분배기도 거의 동일한 수준의 성능을 나타내었다.
- 확인하였다. 일반 시스템 분배기에 차압 밸브를 적용해도 압력 및 유량 변동이 매우 적었으며, 스마트 시스템 분배기도 거의 동일한 수준의 성능을 나타내었다.
- 그러나 스마트 시스템 분배기는 전실 난방 시 포화증기압보다 훨씬 높은 압력이 유지되었으며, 밸브가닫혀 가면서 평균압력이 오히려 높아져 캐비테이션 발생 가능성이 거의 없는 것으로 나타났다.
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