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문제 정의
- 본 연구에서는 설정온도제어와 외기보상제어 그리고 난방부하예측제어와 외기온예측/최적제어에 따른 지역난방 열원에서 아파트 기계실까지의 1차측과 아파트 기계실에서 세대까지의 2차측의 에너지 사용량 특성에 대해 알아보도록 하였다. 건물의 동적 에너지 해석에 많이 이용되고 있는 TRNSYS 17를 사용하여 분석하였다.
- (4) Cho et al.은 변화하는 외기온도의 기울기를 바탕으로 사용자측 열부하를 예측하는 외기온예측/최적제어를 연구하였다.(5)
제안 방법
- 45 m이며, 측벽세대를 포함한 중간층세대 9개를 지정하여 모델링하였다.(6) 본 연구에서는 지역난방 열공급 시스템에서 설정온도제어와 외기보상제어 그리고 난방부하예측제어와 외기온예측/최적제어의 시뮬레이션을 위해 일반 가정에서 쓰이는 온돌난방을 모델링하였다. 난방이 적용되는 방1, 방2, 방3 그리고 거실의 온도를 21℃(20∼22℃)로 유지하도록 운전 조건을 설정하였다.
- 1차측 유량은 식(7)을 통해 결정된다. 1차측 유량제어 방법은 뒤에서 상세히 다루기로 하며, 이와 같은 1차측 및 2차측 유량 제어방법 그리고 실내설정온도는 앞서 언급한 네 가지 제어 시뮬레이션에 동일하게 적용하였다.
- 2차측의 공급수온도 제어방식에 따라 일반제어와 열량제어로 나누었다. 일반제어에는 설정온도제어와 외기 보상제어가 있으며 열량제어에는 난방부하 예측제어와 외기온예측/최적제어가 있다.
- Ⓔ는 TYPE 698을 사용하여 각 세대별 실내온도를 따로따로 제어하며, Ⓕ는 TYPE 14h를 통해 난방부하패턴을 모사한다. Ⓒ와 Ⓓ는 1차측 밸브개도제어와 2차측 유량제어를 구현하기 위해 EES(Engineering Equation Solver)를 사용하였으며, TYPE 66을 사용하여 TRNSYS와 연동하였다.
- Ⓒ는 1차측의 밸브개도제어를 나타내며, Ⓓ는 2차측 유량제어로 구성된다. Ⓔ는 TYPE 698을 사용하여 각 세대별 실내온도를 따로따로 제어하며, Ⓕ는 TYPE 14h를 통해 난방부하패턴을 모사한다. Ⓒ와 Ⓓ는 1차측 밸브개도제어와 2차측 유량제어를 구현하기 위해 EES(Engineering Equation Solver)를 사용하였으며, TYPE 66을 사용하여 TRNSYS와 연동하였다.
- 계산된 1차측 유량은 지역난방 시스템에서 온도조절 밸브(TCV)로 제어되나, TRNSYS에서 1차측 유량제어 구현을 위해 변유량 펌프인 TYPE 743과 연결하여 2차측 설정온도에 맞춰 유량이 변화되도록 하였다.
- 난방이 적용되는 방1, 방2, 방3 그리고 거실의 온도를 21℃(20∼22℃)로 유지하도록 운전 조건을 설정하였다.
- 1차측 유량은 2차측 설정 온도와 공급수온도차에 의해 온도조절밸브(TCV)로 유량이 제어된다. 시뮬레이션 구현을 위해 2차측 설정온도와 환수온도 그리고 유량으로 열량을 구한 후, 열교환기에서의 열손실이 없다는 가정 하에 1차측 유량을 구하여 실제 제어방법과 동일한 효과를 구현하였다.
- 지역난방 시스템에 대한 설정온도제어, 외기보상제어, 난방부하 예측제어 그리고 외기온예측/최적제어에 대한 시뮬레이션을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 집단에너지 난방시뮬레이션을 모사하기 위해 공동주택의 열부하 패턴을 고려하였다. Fig.
- 배관에 노출되는 주변온도는 3가지 경우로 진행하였다. 첫 번째로 연평균 지중온도 15℃일 때와 두 번째로 지역난방을 열원으로 하는 서울지역 공동구 지중 온도 실증 데이터 활용, 세 번째로 지중온도 대신 최악의 조건을 고려하여 외기온도로 가정하여 시뮬레이션을 진행하였다(특별한 언급이 없으면 외기온도를 적용한 결과임). Fig.
대상 데이터
- 대상공간은 국내 아파트의 약 25%를 차지하는 30평대의 아파트로 Fig. 1과 같이 전용면적 119.7 m2 천장 높이 2.45 m이며, 측벽세대를 포함한 중간층세대 9개를 지정하여 모델링하였다.(6) 본 연구에서는 지역난방 열공급 시스템에서 설정온도제어와 외기보상제어 그리고 난방부하예측제어와 외기온예측/최적제어의 시뮬레이션을 위해 일반 가정에서 쓰이는 온돌난방을 모델링하였다.
- 본 연구에서는 서울지역 표준기상 데이터를 사용하여 한겨울 날씨인 영하권의 1월 1일부터 2주일간 시뮬레이션을 진행하였으며, 계산결과 분석을 위해 제어가 충분히 안정되는 5일부터 9일까지 5일간의 데이터를 바탕으로 정리하였다.
이론/모형
- 건물에너지 동적 해석 소프트웨어인 TRNSYS 17을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
- 본 연구에서는 설정온도제어와 외기보상제어 그리고 난방부하예측제어와 외기온예측/최적제어에 따른 지역난방 열원에서 아파트 기계실까지의 1차측과 아파트 기계실에서 세대까지의 2차측의 에너지 사용량 특성에 대해 알아보도록 하였다. 건물의 동적 에너지 해석에 많이 이용되고 있는 TRNSYS 17를 사용하여 분석하였다.
- 시뮬레이션을 위해 파이프 컴포넌트에 필요한 주요 입력정보로는 배관의 길이, 안지름, 배관 단열재에 따른 열손실계수(총괄열전달계수) 등이 있다. 배관의 내경과 단열재는 지역난방 열사용시설기술기준과 건축기계설비공사 표준시방서를 참고로 하여 입력하였다. 이해를 도모하기 위해 각 배관 번호별 배관 길이, 안지름 그리고 배관 열손실계수를 Table 1과 같이 정리하였다.
성능/효과
- (1) 열량제어는 일반제어보다 1차측 유량과 환수온도 그리고 2차측 공급수온도가 낮았으며, 세대의 난방설정온도를 유지하기 위해 공급되는 2차 측 유량은 높게 나오는 경향을 보였다.
- (2) 외기온예측/최적제어를 시뮬레이션한 결과, 필요 난방부하에 따라 공급수온도가 결정되며, 1차측의 차온이 설정온도제어에 비해 13.9℃ 증가하였다. 이는 지역난방 열이용률 증가와 이에 따른 지역난방 순환유량이 감소하는 것을 뜻한다.
- (3) 구간별 배관의 열손실 정도를 비교하기 위해 진행한 시뮬레이션 결과 주 공급배관에서의 열손실이 가장 크게 나왔으며, 제어별로 비교하였을때, 외기온/최적제어가 가장 낮은 공동구 열손실을 보였다.
- 공동구 배관에서 손실되는 총열량은 설정온도제어 기준으로 배관의 주변온도로 연평균 지중온도, 공동구실측 온도, 외기온도를 사용했을 때 각각 1.06, 1.09, 1.43 GJ/day이며 주변온도가 낮을수록 손실되는 열량이 크다는 것을 알 수 있다.
- 그리고 2차측 공급수온도가 낮아지며, 세대의 난방설정온도인 21℃(±1℃)를 유지하기 위해 공급되는 2차측 유량은 높게 나오는 경향을 보였다.
- 배관들 중 제일 높은 온도가 흐르는 주 열수송배관 ①이 주변과의 열손실이 가장 크다는 것을 알 수 있다. 또한 제어별로 비교할 때 낮은 공급수로 공급되는 열량제어가 공동구 배관의 열손실이 상대적으로 낮은 것을 알 수 있다.
- 열수송관을 추가함으로써 2차측 공급수온도가 열손실로 인해 설정온도보다 4℃ 정도 낮아지는 것을 알 수 있다(지중온도로 외기온도 사용). 또한, 건물로 공급되는 2차측 유량이 클수록 열사용량이 많은 것을 의미하며 환수온도가 내려가는 것을 알 수 있다. 모든 세대가 난방 하지 않을 때에는 세대로 들어가는 유량이 0이 되며, 배관 내 공급수온도가 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
- 또한, 건물로 공급되는 2차측 유량이 클수록 열사용량이 많은 것을 의미하며 환수온도가 내려가는 것을 알 수 있다. 모든 세대가 난방 하지 않을 때에는 세대로 들어가는 유량이 0이 되며, 배관 내 공급수온도가 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 이는 난방조건을 충족시키기 위해 2차측 공급수온도가 낮은 만큼 공급되는 2차측 유량은 높아지는 것으로 보충하게 된다고 볼 수 있다. 결국 2차측 펌프 소요동력의 증가로 이어질 수 있으므로 인버터제어 등을 추가로 도입하여 소요동력을 감소시키는 방안을 모색할 필요가 있다.
- 합쳐진 환수배관 ④ 또한 전체 공동구 열손실에서 비교적 큰 비중을 차지한다. 따라서 주요 공급배관과 환수배관의 단열재를 보완한다면, 열손실 감소 효과를 얻을 수 있을 것이다.
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