[논문]지역난방 아파트에 대한 난방에너지 실측 및 시뮬레이션

이은주; 이두영; 홍희기; 김영균

doi:10.6110/kjacr.2014.26.12.572

지역난방 아파트에 대한 난방에너지 실측 및 시뮬레이션
Measurement and Simulation of Heating Energy for Apartments with District Heating 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.26 no.12, 2014년, pp.572 - 578

이은주 (경희대학교 기계공학과 대학원) , 이두영 (경희대학교 기계공학과 대학원) , 홍희기 (경희대학교 기계공학과) , 김영균 (경동나비엔)

Abstract ▼ AI-Helper

Heating energy was measured in an apartment housing unit with a district heating system, varying the kind of hot water distributors. Ondol coils passing through a living room raised the temperature of the room where the heating was turned off. Including this characteristic of Ondol heating into the modeling, we performed simulations and showed a verification by comparison with the results of measurements. As a result, a main flow control method, which changes hot water flow rate supplied to a housing unit according to the thermal load, can reduce the supplied flow rate and lower the return temperature, compared with a constant flow method. That can result in decreased heat loss in utility-pipe conduits even though the heating energy supplied is almost the same. An outdoor reset control that raises the temperature of the supplied hot water if the outdoor temperature falls has the effect of a quicker response in heating than the reduced flow rate and return temperature.

주제어

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문제 정의

(1, 2) 이를 토대로 각 방으로 공급되는 온수의 양을 설정해주는 난방분배기의 개도 조정 방법을 검토해 보았다. 유량 쏠림으로 인한 과열, 과냉 및 소음 문제를 해결하기 위해서는 정유량 방식 중에서도 단순히 면적만을 고려하는 것보다 부하를 고려한 방식이 적절함을 보인 바 있다.
본 연구에서는 지역난방을 열원으로 하는 아파트 세대에 대해 난방에너지 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 또한, 실제 아파트에 적용한 실측 실험을 통해 해석의 신뢰도를 높이고자 하였다. Fig.
본 연구에서는 지역난방을 열원으로 하는 아파트 세대에 대해 난방에너지 시뮬레이션 해석을 수행하였다. 또한, 실제 아파트에 적용한 실측 실험을 통해 해석의 신뢰도를 높이고자 하였다.
건물에너지 시뮬레이션에서 결과에 큰 영향을 미치면서도 불확실성이 큰 변수는 환기횟수이다. 실측실험 결과와 비교하면서 적절한 환기횟수를 설정해주는 것으로 하였다.

제안 방법

(1) 실증 실험과 시뮬레이션의 비교를 통해 시뮬레이션 및 모델링 타당성을 검토해 보았다. 거실에서의 추가열량 획득 등을 정확히 예측하기 어려웠으나 실험과 시뮬레이션의 차이는 6% 이내이다.
2012년 기상청의 인천 기상데이터를 사용하여 1월 1일부터 7일까지 1주일에 걸쳐 계산을 수행하였다. 0.01시간과 0.1시간 간격으로 시뮬레이션 했을 때의 에너지 소비량이 거의 동일하기 때문에 계산의 편의상 0.1시간 간격으로 시뮬레이션을 수행하였다. 외기보상 유무 및 유량조절 방식에 따른 결과를 Table 3에 정리하였다.
또한, 실제 아파트에 적용한 실측 실험을 통해 해석의 신뢰도를 높이고자 하였다. Fig. 2의 각 세대에 항상 일정한 유량을 공급하는 정유량 제어방식과 부하에 비례하여 세대에 유량을 공급하는 메인유량조절방식을 적용하고 분석하고자 하였다. 그리고 일정온도 공급방식과 외기 보상제어에 따른 공급수온도의 영향도 파악하였다.
건물에너지 동적 해석 소프트웨어인 TRNSYS 17을 사용하였다. TYPE 56에서 필요로 하는 건물정보는 TRNBuild에서 입력하며, 온돌에 공급되는 메인유량, 각 방의 온수공급량, 입구수온 등은 EES 프로그램에서 계산된 결과를 제공 받는다.⁽³⁾ 제어방식에 대한 상세한 로직은 이전연구 결과를 참고하기 바란다.
시뮬레이션 대상공간인 30평형대 아파트에 열전대 (K-type)와 유량계(SeaMetrics, S-series) 및 일사계(EKO, MS-602) 등을 설치하여 각 방식별로 3일간 난방실험 후 바꾸어가며 실험을 진행하였다. 가장 중요한 공급 열량을 정확히 측정하기 위해 세대 입출구 배관에서 공급수온도와 환수온도를 계측하였다. 온도센서는 기존 주택을 대상으로 하였으므로 삽입형 대신 배관표면에 부착하고 단열을 강화하여 오차를 최소화하였다.
거실에 설치된 온도제어기는 온도조절 최소단위가 1℃로서, 24±1℃로 설정하여 실험을 수행하였다.
거실의 간격은 원래 230 mm이나 TRNSYS TYPE56 active layer의 제약조건인 ‘온돌 모델링시 온돌의 상하부의 층이 같은 재질이어야 하며, 온돌 상하부 층의 두께는 온돌 중심간 거리의 30% 이상’을 만족하기 위해 200 mm로 온돌이 설치된 것으로 모델링한 것이다.
5 m가 방 1에만 설치된 것으로 단순화시켰다. 그리고 방 1의 순 코일길이 l_net1, 거실을 지나는 길이 l_pass1이라면 l₁에서 방 1로 방출되는 열량 Q₁ 중 l_pass1/l₁은 거실의 획득열량으로 모델링 하였다. 즉 방 1의 온수코일로 인하여 거실이 추가로 획득한 열량은
2의 각 세대에 항상 일정한 유량을 공급하는 정유량 제어방식과 부하에 비례하여 세대에 유량을 공급하는 메인유량조절방식을 적용하고 분석하고자 하였다. 그리고 일정온도 공급방식과 외기 보상제어에 따른 공급수온도의 영향도 파악하였다.⁽⁵⁾
01시간 간격으로 데이터를 수집하였다. 본 검증 실험은 2012년 3월 9일부터 11일까지 메인유량제어방식과 3월 14일부터 16일까지 정유량 조절방식으로 진행하였다.
시뮬레이션 대상공간인 30평형대 아파트에 열전대 (K-type)와 유량계(SeaMetrics, S-series) 및 일사계(EKO, MS-602) 등을 설치하여 각 방식별로 3일간 난방실험 후 바꾸어가며 실험을 진행하였다. 가장 중요한 공급 열량을 정확히 측정하기 위해 세대 입출구 배관에서 공급수온도와 환수온도를 계측하였다.
실증 실험은 계속해서 난방이 이루어지고 있는 건물을 대상으로 하였기 때문에 시뮬레이션은 동일한 날부터 계산하지 않고 24시간 전부터 계산하여 초기조건의 영향이 배제되도록 하였다.
으로 나타낼 수 있다. 실측실험에서 측정한 값은 Q₁, Q₂, Q₃, Q_L에 해당되는 값이므로 이들을 비교하기로 한다.
이를 통해 실제로 공급된 열량값을 시뮬레이션 값과 비교하도록 하였다. 데이터로거(Agilent 34970A)를 통해 0.
지역난방 세대에 대해 난방에너지량을 실측하였고, 외기보상 유무와 유량제어 방식에 따른 시뮬레이션을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

2012년 기상청의 인천 기상데이터를 사용하여 1월 1일부터 7일까지 1주일에 걸쳐 계산을 수행하였다. 0.
기상청에서 제공하는 기상데이터 중 측정 지점인 부천에 가장 가깝게 위치한 인천의 2012년 기상데이터를 사용하여 실증 실험과 동일하게 0.01시간 간격으로 시뮬레이션을 수행하였다. 실제 아파트에서 외기보상제어를 통해 공급수 온도를 조절하고 있어 시뮬레이션에서도 식(3)을 적용하였다.
이를 통해 실제로 공급된 열량값을 시뮬레이션 값과 비교하도록 하였다. 데이터로거(Agilent 34970A)를 통해 0.01시간 간격으로 데이터를 수집하였다. 본 검증 실험은 2012년 3월 9일부터 11일까지 메인유량제어방식과 3월 14일부터 16일까지 정유량 조절방식으로 진행하였다.
하지만 자연환기에 의존하는 경우 환기횟수는 풍속 등의 외기조건, 건물의 기밀성, 거주자의 행동패턴에 따라 달라지며 정확한 실측이 쉽지 않다. 실험대상의 아파트는 준공후 10년 정도 경과된 건물(2002년 준공)로서 실내와 발코니의 환기횟수를 각각 0.7, 1.1회/ 시간로 설정하였으며, 비교적 실험과 비슷한 경향을 보였다.⁽⁸⁾
우리나라 아파트의 약 1/4을 차지하는 30평형대의 아파트(부천 소재)를 대상으로 하며, Fig. 3의 전용면적 119.7 m²(천장 높이 2.45 m)를 발코니 미확장 상태로 모델링하였다. 초기 조건은 실내 및 벽체 온도 20℃, 각 방의 온도는 평균적으로 23.

이론/모형

건물에너지 동적 해석 소프트웨어인 TRNSYS 17을 사용하였다. TYPE 56에서 필요로 하는 건물정보는 TRNBuild에서 입력하며, 온돌에 공급되는 메인유량, 각 방의 온수공급량, 입구수온 등은 EES 프로그램에서 계산된 결과를 제공 받는다.

성능/효과

(2) 외기보상 유무와 유량제어 방식과 상관없이 세대에 공급되는 난방에너지 소비량 차이는 1.3% 이내로 거의 차이가 없다.
(3) 메인유량조절방식은 정유량 제어방식에 비해 공급 유량이 절반 정도로 감소한다. 이는 펌프 소비 동력을 줄일 수 있고 환수온도가 낮아져 공동구에서의 에너지 손실량 감소로 이어질 것으로 판단된다.
1의 지역난방은 열교환기에서 물은 섞이지 않고 열만 전달되는 방식으로 열생산을 대규모로 하며 열병합발전 배열, 쓰레기 소각열, 매립가스 등 다양한 열원을 사용하므로 효율적인 에너지 사용 및 절약을 할 수 있는 장점이 있다. 소비자가 난방 방식에 대해 가지고 있는 가치를 분석한 결과 지역난방 아파트의 선호도가 가장 높아 더욱 증가할 것으로 판단된다. 따라서 점유율이 지속적으로 증가하고 있는 지역난방 아파트에 대한 에너지 저감은 파급효과가 매우 크다.
특기할 사항으로, 실증 실험에서 거실측으로는 전혀 온수가 공급되지 않아 난방이 이루어지지 않았음에도 불구하고 실내 온도 24℃를 유지하였다. 그 이유는 Fig.
이 방식에서 실측과 계산의 열에너지 공급량 총합의 차이는 6%이나 전반적인 경향은 메인유량방식과 유사하다. 특히 첫째 날 일사상태가 좋지 않고 외기온도도 비교적 낮은 조건에서 실험과 계산 모두 다른 날에 비해 다소나마 크게 나온 것은 결과의 신뢰를 높여준다. 방별 비교에서의 적지 않은 차이는 실측 대상 건물의 특성 및 불확실성을 시뮬레이션 모델링에 충분히 반영하지 못한 한계로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국가 총에너지의 특징은?	국가 총에너지의 약 30%를 건물에서 소비하고 있고, 총에너지의 97%를 해외에 의존하고 있는 현실에서, 건물 특히 공동주택에서의 에너지 절약 및 효율적 관리는 국가 총 에너지 저감에 지대한 효과를 가져온다.
	한국의 난방 특성상, 주로 사용되는 난방 방식은?	한국의 난방 특성상 아파트 및 단독주택을 포함하여 대부분의 주거용 건물에서 온돌이 사용되고 있다. 난방방식은 주로 개별난방, 지역난방, 중앙난방의 세가지 형태인데, 2008년 현재 각각의 비율은 64, 28, 8% 이다.
	한국의 난방 방식은 어떤 형태인가?	한국의 난방 특성상 아파트 및 단독주택을 포함하여 대부분의 주거용 건물에서 온돌이 사용되고 있다. 난방방식은 주로 개별난방, 지역난방, 중앙난방의 세가지 형태인데, 2008년 현재 각각의 비율은 64, 28, 8% 이다. Fig.

참고문헌 (10)

Hong, H. K. and Kim, S. W., 2010, Method and analysis of dynamic simulation for Ondol heating, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 22, No. 6, pp. 375-382.
Kim, S. K., Hong, H. K., Kim, S. W., and Kim, J. T., 2010, Method and analysis of a dynamic simulation of Ondol heating, Indoor and Built Environment, Vol. 20, No. 1, pp. 112-119.
Hong, H. K. and Kim, S. W., 2010, Adjustment of valve opening in Ondol hot water distributor, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 22, No. 6, pp. 460-467.
Won, D. H. and Kim, H. G., 2008, The economics value of residential heating systems in house price, Korean Energy Economic Review, Vol. 7, No. 2, pp. 75-101.
Kim, J. W., Ryu, J. S., Cho, S. H., and Lee, Y. S., 2011, An experimental study on application of outdoor reset control for apartment house by district heating system, Proceedings of the SAREK 2010 Summer Conference, pp. 221-226.
Hong, S. K., Kim, J. W., Lyu, S. B., and Cho, S. H., 2011, An experimental study of predictive optimal control for apartment house, Proceedings of the SAREK 2011 Summer Conference, pp. 1343-1348.
Park, Y. W., Yoo, H. S., and Hong, H. K., 2005, Analysis of heating energy in a Korean-style apartment building 3 : The effect of room condition settings, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 17, No. 8, pp. 722-728.
Jang, H. J., 2009, Study on the optimum air change rate in residences, Korean Journal of the KARSE, Vol. 26, No. 2, pp. 73-76.
Lee, B. J., Chung, D. Y. and Hong, H. K., 2004, Analysis of heating energy in a Korean-style apartment building 2 : the difference according to heating type, Korean Journal of Air-conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 16, No. 5, pp. 459-466.
Jin, H. G., Yoo, M. H., Jeong, C. H., Yeo, M. S., and Kim, K. W., 2013, Analysis of water supply characteristics of the heating system in an apartment house complex using district heating source, Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 29, No. 4, pp. 267-274.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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