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문제 정의
- 본 연구에서는 주택 보일러배관의 동파방지용 발열선의 합리적인 에너지소비와 화재를 방지하기 위한 온도제어기를 개발하고 개발된 온도제어기의 적용 효과를 분석하는 데 그 목적이 있다.
제안 방법
- LED표시 기능은 전원공급과 발열선 동작, 외부온도센서와 발열선 온도센서의 불량을 알리는 기능을 갖도록 제작하였다.
- 개발된 발열선제어기의 적용효과를 분석하기 위해 온습도 챔버를 이용한 실험을 하였다. 기존의 발열선장치(외부온도센서스위치+발열선)와 개발된 발열선장치(제어기(외부온도센서+배관온도센서)+ 발열선)를 그림 5와 같이 수돗물을 채운 실험체 배관(길이 1m, 배관내경 15mm)에 각각 설치하고 하나의 챔버에 같이 넣은 후 하루의 온도를 시간별로 가변시키면서 두 발열선 장치에서 소비되는 전력을 비교하였다[10].
- 개발하고자 하는 발열선 제어기의 블록도는 그림 4와 같으며, 제어기에는 8bit 마이크로 컨트롤러(ATMEGA48PA)를 사용하였고 위상제어(Triac)를 통하여 On-Off시 전류가 급격하게 흐르지 않도록 하였다. 센서는 외부온도센서(보일러실 온도)와 발열선의 배관표면 온도를 측정하는 센서로 구성하였다 [7-9].
- 기존의 발열선 제어기(바이메탈에 의한 단순 온도제어)에는 보일러실 내부온도만을 감지하여 발열선의 동작을 제어한다. 그러나 본 연구에서 개발하고자 하는 발열선 제어기는 보일러실의 내부온도감지와 함께 배관의 표면온도를 함께 감지하는 시스템으로 구성된다.
- 개발된 발열선제어기의 적용효과를 분석하기 위해 온습도 챔버를 이용한 실험을 하였다. 기존의 발열선장치(외부온도센서스위치+발열선)와 개발된 발열선장치(제어기(외부온도센서+배관온도센서)+ 발열선)를 그림 5와 같이 수돗물을 채운 실험체 배관(길이 1m, 배관내경 15mm)에 각각 설치하고 하나의 챔버에 같이 넣은 후 하루의 온도를 시간별로 가변시키면서 두 발열선 장치에서 소비되는 전력을 비교하였다[10].
- 이는 보일러실의 온도가 0℃를 초과하면 배관이 얼지 않기 때문이다. 또한 급격히 외부온도가 저하될 경우 배관표면 온도가 빙점온도까지 내려가기 전에 충분한 열에너지를 공급하기 위하여 2℃에서 전원을 투입하도록 하였고 10℃에서는 동파의 우려가 없고 과열에 의한 화재를 방지할 수 있으므로 전원 차단 온도로 설정하였다.
- 발열선의 제어기 동작 알고리즘과 하드웨어를 개발하여 이를 온 ․ 습도 챔버 속에 설치하고 그 동작과 에너지절감 효과를 분석하였다.
- 발열선제어기는 그림 3에서 외부온도센서(보일러실 온도)가 0℃ 이하이면서 내부온도센서(배관 표면온도)가 2℃ 이하로 감지되면 발열선에 전원이 투입되고 배관의 표면온도가 10℃에 이르면 전원이 차단되는 동작 알고리즘을 가지도록 하였다[6].
- 발열선제어기의 형태는 기존 발열선의 외부온도 감지센서 장치와 동일 또는 유사한 상태를 유지하여 개발하였다. 전원공급과 온도센서(외부온도센서, 내부온도센서)의 동작 상태를 확인할 수 있는 램프 기능도 갖도록 하였다.
- 개발하고자 하는 발열선 제어기의 블록도는 그림 4와 같으며, 제어기에는 8bit 마이크로 컨트롤러(ATMEGA48PA)를 사용하였고 위상제어(Triac)를 통하여 On-Off시 전류가 급격하게 흐르지 않도록 하였다. 센서는 외부온도센서(보일러실 온도)와 발열선의 배관표면 온도를 측정하는 센서로 구성하였다 [7-9].
- 그림 3은 개발하고자 하는 발열선 제어기의 구성도를 나타낸다. 실제 제어기 제작에서는 배관의 표면온도를 한 지점만 측정하도록 제작하였다.
- 발열선제어기의 형태는 기존 발열선의 외부온도 감지센서 장치와 동일 또는 유사한 상태를 유지하여 개발하였다. 전원공급과 온도센서(외부온도센서, 내부온도센서)의 동작 상태를 확인할 수 있는 램프 기능도 갖도록 하였다.
- 실험은 2013년 겨울의 서울 외기온도에서 서로 다른 4가지의 하루 기온 유형을 실험 조건으로 설정하였다. 하루의 기온 변화패턴을 챔버에 입력하고 상대습도 90 %인 상태에서 1,000시간 동안 실험하였다. 세부적인 각 조건은 그림 6과 같다.
대상 데이터
- 실험은 2013년 겨울의 서울 외기온도에서 서로 다른 4가지의 하루 기온 유형을 실험 조건으로 설정하였다. 하루의 기온 변화패턴을 챔버에 입력하고 상대습도 90 %인 상태에서 1,000시간 동안 실험하였다.
성능/효과
- 개발된 발열선제어기는 보일러실 온도가 야간에는 영하로 유지되다가 낮에는 영상을 유지하는 온도변화 유형에서 에너지 절약효과가 큰 것으로 확인되었다. 이러한 발열선 제어기는 보일러의 배관뿐만 아니라 소방시설배관 등 다양한 배관의 동파를 방지하는데 활용[11]할 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 개발한 보일러배관 동파방지용 발열선 제어기는 전기에너지의 합리적 소비가 이루어지고 있음을 확인하였으며 이는 과열에 의한 화재도 방지할 수 있다. 이러한 기능은 보일러실 내부의 온도만을 이용하여 동작을 제어하였던 기존의 발열선제어기에 비해, 개발된 발열선제어기는 보일러실 내부의 온도와 함께 배관 표면의 온도를 검출하여 발열선의 동작을 합리적으로 제어함으로써 가능하게 되었다.
- 실험 조건별로 발열선에서 소비한 전력을 측정한 결과, 표 3과 같이 하루 중 온도가 영상에 머무르는 시간이 많은 수록 개발한 제어기의 전력에너지 절약효과가 큰 것으로 측정되었다. 이러한 결과는 동파방지를 위한 온도설정을 최적화함으로 예상되는 현상으로 볼 수 있다.
- 본 연구에서 개발한 보일러배관 동파방지용 발열선 제어기는 전기에너지의 합리적 소비가 이루어지고 있음을 확인하였으며 이는 과열에 의한 화재도 방지할 수 있다. 이러한 기능은 보일러실 내부의 온도만을 이용하여 동작을 제어하였던 기존의 발열선제어기에 비해, 개발된 발열선제어기는 보일러실 내부의 온도와 함께 배관 표면의 온도를 검출하여 발열선의 동작을 합리적으로 제어함으로써 가능하게 되었다.
후속연구
- 개발된 발열선제어기는 보일러실 온도가 야간에는 영하로 유지되다가 낮에는 영상을 유지하는 온도변화 유형에서 에너지 절약효과가 큰 것으로 확인되었다. 이러한 발열선 제어기는 보일러의 배관뿐만 아니라 소방시설배관 등 다양한 배관의 동파를 방지하는데 활용[11]할 수 있을 것으로 판단된다.
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