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문제 정의
- 4) 실내 온도를 추출하여 유틸리티 배관 등의 동결유무를 분석하고 이에 대한 대책을 제시한다.
- 본 연구에서는 동결 원인을 규명하기 위해 실내장비 발열량을 조사하고 분석하여 이론적인 실내 평균 온도를 계산한다. 동파가 발생되고 있는 현장에 대해 여러 지점의 온도를 측정하고 현장 데이터를 수집하여 동파의 원인과 이에 대한 대책을 수립하는데 목적이 있다.
- 그러나 보일러의 효율을 높이려고 하는 이러한 방식으로 인하여 실내의 유틸리티 배관 및 각종 소구경으로 되어있는 계측기기 등이 저온의 외기공기로 동결될 수 있다. 본 연구에서는 동결 원인을 규명하기 위해 실내장비 발열량을 조사하고 분석하여 이론적인 실내 평균 온도를 계산한다. 동파가 발생되고 있는 현장에 대해 여러 지점의 온도를 측정하고 현장 데이터를 수집하여 동파의 원인과 이에 대한 대책을 수립하는데 목적이 있다.
- 본 연구에서는 열전용 보일러에 사용될 연소용 공기를 실내공기로 이용시 실내온도의 상태를 연구 및 규명을 위해 장비 발열체를 조사하고 발열량을 계산하였다. 현장 검침 데이터와 실내 열손실량을 고려하여 실내온도를 분석하였다.
- 본 연구에서는 열전용 보일러의 연소용 공기 이용 시 실내의 온도 상태를 규명하기위해 실내 장비 발열체를 조사하여 발열량을 계산하고, 실내 열손실량을 계산하여 발열량과 열손실량을 비교하여 실내온도를 분석하였다.
제안 방법
- 펌프운전 시 부하량에 따라 속도로 제어를 하므로 상사법칙을 적용하여 모터발열량을 산정하였다. 100% 운전시 회전속도가 1,156 rpm으로 기준하고 동력은 600 kW로 기준하여 동력을 산정하였고 발열량 계산시 운전비율도 적용하여 산출하였다. 지역난방 회수펌프는 1대가 운전 상태이며 시간대별 가장 크게 나타난 발열은 아래 표에 나타낸 바와 같이 오전5～6시 와 9～10시에 가장 크게 나타난 열량이 20,348 W이다.
- 2) 실내 발열장비를 조사, 분석한다.
- 3) 실내 열손실량을 계산하여 장비 발열량과 비교 분석한다.
- 가압송풍기(FD FAN) 전동기의 발열량은 340 kW용량에 2대 운전하는 것으로 계산하였고 이때 fr(부하율)을 100%로 계산하며 u(1시간당 사용률)도 100%로 계산하고 효율은 94.5%로 적용 하였다. 따라서 전동기의 발열량은 39,542 W로 산출되었다.
- 외기온도를 고정값으로 하여 발열량 및 손실열량을 계산하여 실내온도를 분석하였지만 실내온도가 0℃이하로 내려가지 않는다는 결론이 나왔다. 그럼에도 불구하고 실내배관이 동파하는 상황이 벌어졌으므로 이에 대해 실내온도를 명확하게 규명하기위해 현장을 방문하여 조사 및 실측을 하였다.
- 또한 실제로 현장 검침사항을 시간대별 데이터를 접수받아 실제 실내온도 분포도를 분석하였고, 이를 검증하기 위해 현장을 방문 실측을 하여 실내온도를 분석하였고 이에 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 운전모드 Case 중 가장 많은 열을 사용하는 겨울철 시기인 Case 3 포화년도 최대부하(A지사 비상)를 선택하여 예상운전 모드를 적용하여 발열량 및 손실량을 분석하였다. 또한 현지 운영요원들에 의해 작성된 장비운전 데이터를 접수받아 실제 운전상태도 비교, 검토하였고, 현장에 방문하여 직접 온도를 검침하여 운전사항을 조사하였다. 포화년도 최대부하시의 예상 발열 장비는 Table 4에 나타낸 바와 같고, 실제 운전데이터에 의한 발열장비는 Table 5와 같다.
- 보일러 자체 방열량은 방열량을 Gcal/h당 운전 비율에 따라 방열량을 구분하여 산정하여 계산하였고, 시간대별 보일러 자체 방열량을 계산하였다. 여기에서 새벽 1시간대 이후로 방열량이 점점 크게 나타내고 그중에 오전 11시간대가 가장 방열량이 크므로 11시간대를 선정하여 계산한다 (Fig.
- 본 연구에서는 운전모드 Case 중 가장 많은 열을 사용하는 겨울철 시기인 Case 3 포화년도 최대부하(A지사 비상)를 선택하여 예상운전 모드를 적용하여 발열량 및 손실량을 분석하였다. 또한 현지 운영요원들에 의해 작성된 장비운전 데이터를 접수받아 실제 운전상태도 비교, 검토하였고, 현장에 방문하여 직접 온도를 검침하여 운전사항을 조사하였다.
- 보일러 자체 방열량은 방열량을 Gcal/h당 운전 비율에 따라 방열량을 구분하여 산정하여 계산하였고, 시간대별 보일러 자체 방열량을 계산하였다. 여기에서 새벽 1시간대 이후로 방열량이 점점 크게 나타내고 그중에 오전 11시간대가 가장 방열량이 크므로 11시간대를 선정하여 계산한다 (Fig. 5). 이때 보일러의 열 생산량은 76Gcal/h 이며, 이에 따라서 방열량은 545,697 W로 계산되었다.
- 이때 방열량 계산은 관내온도 115℃, 외기온도 –12.4℃로 기준으로 하였고, 보온 두께기준은 50 mm이며, 보온재는 규산칼슘 보온통 기준으로 하였다.
- 펌프의 전동기는 지역난방 회수펌프 2 세트와 지역난방 축열조 펌프 1 세트, 지역난방 예비펌프 1 세트를 계산하였다. 이때 fr(부하율)은 100%로 계산하며 u(1시간당 사용률)는 100%로 계산하며 효율은 94.
- 한편, 외기온습도 설계조건은 국토해양부 고시기준을 따랐고 인근지역인 수원 지역을 적용하였다. 이에 대한 사항은 Table 1에 나타낸 바와 같다.
- 본 연구에서는 열전용 보일러에 사용될 연소용 공기를 실내공기로 이용시 실내온도의 상태를 연구 및 규명을 위해 장비 발열체를 조사하고 발열량을 계산하였다. 현장 검침 데이터와 실내 열손실량을 고려하여 실내온도를 분석하였다. 예측된 실내온도를 검증하기 위해 현장실측을 하여 비교, 분석하였다.
대상 데이터
- 2012년 01월 12일 현장에서 실측하였다. 위치는 서울시 근교 수도권인 경기도 용인지역으로 날씨는 맑고 외기온도는 -9 ℃였다.
- 따라서 총 배관열손실량은 외기온도가 가장 낮은 온도 -13.0℃인 274,845 W로 선정하여 적용한다.
- 보일러 운전시 각각의 펌프나 송풍기의 전동기에서 열이 발생하는데 부하율과 1시간당 사용률은 100%로 계산하며 전동기의 효율은 펌프업체 데이터에 의해 94.5%로 선정하였으며 발열 계산식은 아래와 같다.
- 본 연구에서 제시하는 시설은 2000년대 중반에 준공된 수도권 경기지역에 설치된 열생산 시설이며, 건축은 PLC로 마감 처리된 구조이다. Fig.
- 실내온도를 측정하기 위해 Fig. 9와 같이 위치 및 높이에 따라 6개 지점을 선정하였다. 측정 지점 6개 중 3개 지점은 연소공기 유입을 위한 루버 댐퍼가 설치되어있는 장소이고, 2개 지점은 개구부가 있으며, 마지막 1개 지점은 설비 장비 출납을 위한 셔터문이 위치한 지점이다.
- 가압송풍기(FD Fan) 전동기 발열량은 340 kW 용량에 2대를 운전하며, 가압송풍기를 부하량에 따라 토출댐퍼제어로 송풍량을 조절하므로 송풍량은 변화가 있지만, 동력변화는 없다. 이에 따라서 발열량을 계산하여 선정하였고 발열량은 8시～9시에 가장 큰 수치로 나온 30,709 W로 선정하였다.
- 9와 같이 위치 및 높이에 따라 6개 지점을 선정하였다. 측정 지점 6개 중 3개 지점은 연소공기 유입을 위한 루버 댐퍼가 설치되어있는 장소이고, 2개 지점은 개구부가 있으며, 마지막 1개 지점은 설비 장비 출납을 위한 셔터문이 위치한 지점이다.
데이터처리
- 현장 검침 데이터와 실내 열손실량을 고려하여 실내온도를 분석하였다. 예측된 실내온도를 검증하기 위해 현장실측을 하여 비교, 분석하였다.
이론/모형
- 3과 같다. 펌프운전 시 부하량에 따라 속도로 제어를 하므로 상사법칙을 적용하여 모터발열량을 산정하였다. 100% 운전시 회전속도가 1,156 rpm으로 기준하고 동력은 600 kW로 기준하여 동력을 산정하였고 발열량 계산시 운전비율도 적용하여 산출하였다.
성능/효과
- 그렇지만 현장조사와 실측을 통해 나타난 실내온도 분포도를 분석하면 실내 중앙부분 및 상부에는 영상을 유지하고 있으나, 외벽의 루버댐퍼와 개구부가 위치한 지점의 평균 실내 온도는 –2.0℃로 나타났으며, 이 현상이 개구부 및 바닥의 유틸리티 배관을 동파시키는 것을 알 수 있었다.
- 여기에서, 총발열량과 총손실량을 비교하면 실내에서의 총 열부하는 164,946 W이다. 따라서 발열량이 손실량보다 크기 때문에, 예상 운전모드에 의한 실내온도는 0℃ 이상인 것을 확인할 수 있었다.
- 여기에서, 총발열량과 총손실량을 비교하면 실내에서의 총 열부하는 164,946 W이다. 따라서 발열량이 손실량보다 크기 때문에, 예상 운전모드에 의한 실내온도는 0℃ 이상인 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서 총 실내벽체 열손실 부하량은 실내온도 0℃ 기준시 외기온도가 가장 낮은 온도 -13.0℃인 71,444 W로 나타났다.
- 따라서 총 연소용 공기에 의한 열손실량은 실내온도 0℃ 기준 시 외기온도가 가장 낮은 온도-13.0℃인 607,546 W로 나왔다.
- 그리고 배관 근처에는 루버댐퍼를 설치하지 않아야 하며, 연소용 공기흡입구 가까운 곳에 루버댐퍼를 설치하여 외기공기로 인하여 배관에 영향을 미치는 것을 최소화 하도록 하는 것이 필요하다. 또한 연소용 공기 흡입구를 공기의 온도가 약 7.1℃인 보일러실 최상부(높이 15m 지점)에 설치하게 되면, 하부에 설비되어있는 유틸리티 배관의 동파를 최소화 할 수 있고, 상온의 연소용 공기를 이용할 수 있으므로 보일러의 효율 또한 높일 수 있을 것으로 사료된다.
- 0℃로 나타났다. 실내 발열량 및 손실열량 분석결과에 나타난바 와 같이 기기의 발열량이 높아 실내 평균온도가 0℃ 이상인데도 불구하고, 루버댐퍼와 개구부가 위치한 지점의 평균 온도는 영하로 나타났다.
- 실내 외벽체 및 지붕에서 손실되는 부하는 시간대별로 실내온도 변화에 따라 열부하계산을 하였으며 결과를 분석하면 외기온도가 낮을수록 손실열량이 큰것으로 나타났으며, 이때 실내온도를 0℃ 기준으로 계산하였다 (Fig. 6).
- 실내의 각 측정 지점 중에 루버댐퍼가 위치한 높이 1.5m 지점의 평균 실내 온도는 –2.0℃로 나타났고, 높이 6m 지점의 경우는 1.5m 지점보다 6.2℃ 상승한 4.2℃로 측정되었으며, 15m 지점은 1.5m 지점보다 9.2℃가 높은 7.1℃로 측정되었다.
- 실외온도 -13.0℃ 기준으로 분석하면 실내온도를 0℃로 유지 할 경우 총발열량과 손실량의 차를 계산하면 192,610 W의 열량이 남는다, 이것은 실내 평균온도가 0℃ 이상에서 유지되는 것으로서 평균온도가 영상의 온도가 된다는 결론을 얻었다.
- 실외온도가 -12.4 ℃이하로 내려가지 않는다는 가정하에 분석하면 실내온도를 0℃로 유지 할 경우 열량이 164,946 W가 남는다, 따라서 실내온도는 0℃ 이상에서 유지되므로 평균온도가 영상의 온도가 된다는 결론을 얻었다.
- 실제 운전데이터에 의한 발열량 및 손실열량을 계산하여 분석하면 Table 9에 나타난바 와같이 실내 평균온도가 영상의 온도로 유지되는 것으로 결론을 얻었다.
- 예상 운전모드, 실제 운전데이터, 현장 실측에 의한 실내온도 분석에서 나타난 수치를 확인하면 보일러 운전 시 가동되는 장비에서 발생되는 자체 발열량이 외벽체 및 외기공기 도입 시 발생되는 손실량보다 크기 때문에 실내온도가 영상의 온도를 유지하는 것으로 확인 할 수 있다. 그렇지만 현장조사와 실측을 통해 나타난 실내온도 분포도를 분석하면 실내 중앙부분 및 상부에는 영상을 유지하고 있으나, 외벽의 루버댐퍼와 개구부가 위치한 지점의 평균 실내 온도는 –2.
- 외기온도를 고정값으로 하여 발열량 및 손실열량을 계산하여 실내온도를 분석하였지만 실내온도가 0℃이하로 내려가지 않는다는 결론이 나왔다. 그럼에도 불구하고 실내배관이 동파하는 상황이 벌어졌으므로 이에 대해 실내온도를 명확하게 규명하기위해 현장을 방문하여 조사 및 실측을 하였다.
- 이에 따라 예상 운전모드에 의한 총발열량은 펌프전동기의 발열량 154,814 W + 가압송풍기 전동기의 발열량 39,542 W + 보일러 자체 방열량 512,092 W + 지역난방수 배관 내에서의 방열량 273,523 W = 979,914 W로 나타났다.
- 지역난방수 배관 내에서의 방열량은 시간대별로 변화하는 외기온도에따라 계산하였으나 외기온도에 따라 크게 변화는 없는 것으로 파악되었으며, 4시에서부터 8시 사이에 방열량이 가장 크게 나타나는 것으로 분석되었다 (Table 7).
- 펌프 전동기 발열량 20,348 W + 가압송풍기 전동기 발열량 30,709 W + 보일러 자체 방열량 545,697 W + 지역난방수 배관 내에서의 방열량 274,845 W = 871,600 W로 나타났다.
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