[논문]지역난방 공동주택에서 급탕 2단 열교환기 용량의 적정성 평가에 관한 연구

사기용; 정광섭; 김영일; 나채문; 김성민; 김상호

지역난방 공동주택에서 급탕 2단 열교환기 용량의 적정성 평가에 관한 연구
A Study on the Design Capacity of 2-stage Hot Water Heat Exchanger in Apartment Housings with District Heating System 원문보기

사기용 (서울산업대학교 주택환경설비공학과) , 정광섭 (서울산업대학교 건축학부) , 김영일 (서울산업대학교 건축학부) , 나채문 (서울산업대학교 에너지기계설비공학과) , 김성민 (서울산업대학교 에너지환경공학과) , 김상호 (한국지역난방공사 기술연구소)

In connection with a recent research project dealing with heating system in apartment buildings by district heating, it was realised that in general very little information on the actual performance of heating and hot water systems in apartment buildings has been documented. In order to improve of district heating systems, a prediction of the heat demand first needs to be determined before a production plan. this is hot water heat system developed in this paper. this is also analyzed relation heat load with preheat load in hot water heating exchanger system.

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문제 정의

본 연구는 지역난방 공동주택의 기계실 급탕 2단 열 교환 방식의 재열 열교환기와 예열 열교환기의 적정용량 산정에 관한 기초자료를 수집하고, 실제 사용열량의 차를 분석하여 이를 통해 사업자와 사용자에게 열사용 설비에 대한 이해와 기준에 반영 할 것을 목적으로 진행하였다.
본 연구에서는 지역난방 공급자 측과 사용자 측의 에너지 교환이 이루어지는 기계실에 측정실험을 근래에 준공되는 공동주택에 주로 적용되는 급탕 2단열 교환방식의 재열 열교환기와 예열열교환기의 실제 열전달량을 통해 적정한 용량 배분에 관한 검토와 적정 용량 값을 적용하여 향후 신규 지역난방 설계 시 열공급자 측의 열 생산시설 효율화와 사용자 측의 합리 적인 사용요금 적용에 관한 방법을 모색하고자 한다.

제안 방법

10. 31까지 12개월간으로 정해 비교적 계절적 요인에 많은 영향을 받는 급탕 사용량의 변화를 고려하여 측정하였다.
본 연구의 측정대상은 건축물 에너지절약설계 기준이 개정되기 이후 건설된 2003년 이후 건설된 공동주택만 후보지로 선정한 후 급탕 열 공급 패턴에 영향을 미칠 수 있는 여러 요소들을 고려하여 최종적으로 서울시 상암지구의 공동주택 단지 3개소를 선정하여 연구를 수행하였다. 또한 급탕 2단 열 교환 방식의 구체적인 비교분석을 위해 단위면적별로 나누어 예열과 재열 열교환기의 사용량 데이터를 측정하였으며, 비교적 급탕사용 량의 변동 폭이 심한 적은 전용면적을 고층과 저층으로 나누어 좀 더 세부적으로 측정할 수 있도록 하였다.
압력계는 ±0.5% 정밀도의 계측기, 유량계는 정밀도 ±0.5%의 전자식 유량계를 사용하였으며.
온도센서 측정지점은 1단 급탕 열교환기 방식의 경우 급탕 열교환기의 효율 값 산정에 필요한 공급자 측 급탕 공급온도와 회수온도, 사용자측 급탕 공급온도와 회수 온도를 측정할 수 있는 지점으로 하고 2단의 경우는 재열과 예열열교환기 각각의 효율 산정을 위해 각각의 공급 및 회수온도 측정을 하였다. 압력 측정 포인트는 공급자 측배관에 공급압력과 회수 압력 2개소로 선정하였다.
위 Table 5 예열 열교환기 대비 재열 열교환기 사용열량의 비율 차를 바탕으로 급탕 재열과 예열 열교환기의 용량의 재분배를 통한 열교환기 판수의 절감효과를 가져올 수 있는 것으로 판단 하여 예측하여 보았다.
지역난방 공급 배관의 특성상 난방 공급 관과 급탕 공급관이 동일 관으로 공급되어 난방 열교 환기의 사용열량에 따라 급탕에 주는 영향의 분석이 필요한 것으로 판단하여 급탕 열교환기와 난방열교환기의 사용열량에 대한 상관성을 도출 하게 되었다.

대상 데이터

데이터 측정 장비는 압력계, 유량계 및 컨버터, 온도측정센서, 데이터로거도 구성 하였다.
압력 측정 포인트는 공급자 측배관에 공급압력과 회수 압력 2개소로 선정하였다. 또한 측정데이터를 저장하고 전송할 수 있는 데이터로거를 각 공동주택단지 마다 1개소씩 설치하였다.
본 연구에 활용된 분석 데이터는 각 공동주택 단지에서 측정된 데이터의 평균 급탕 부하값이다.
본 연구의 측정대상은 건축물 에너지절약설계 기준이 개정되기 이후 건설된 2003년 이후 건설된 공동주택만 후보지로 선정한 후 급탕 열 공급 패턴에 영향을 미칠 수 있는 여러 요소들을 고려하여 최종적으로 서울시 상암지구의 공동주택 단지 3개소를 선정하여 연구를 수행하였다. 또한 급탕 2단 열 교환 방식의 구체적인 비교분석을 위해 단위면적별로 나누어 예열과 재열 열교환기의 사용량 데이터를 측정하였으며, 비교적 급탕사용 량의 변동 폭이 심한 적은 전용면적을 고층과 저층으로 나누어 좀 더 세부적으로 측정할 수 있도록 하였다.
온도센서 측정지점은 1단 급탕 열교환기 방식의 경우 급탕 열교환기의 효율 값 산정에 필요한 공급자 측 급탕 공급온도와 회수온도, 사용자측 급탕 공급온도와 회수 온도를 측정할 수 있는 지점으로 하고 2단의 경우는 재열과 예열열교환기 각각의 효율 산정을 위해 각각의 공급 및 회수온도 측정을 하였다. 압력 측정 포인트는 공급자 측배관에 공급압력과 회수 압력 2개소로 선정하였다. 또한 측정데이터를 저장하고 전송할 수 있는 데이터로거를 각 공동주택단지 마다 1개소씩 설치하였다.
온도측정센서는 +극 니켈 · 크롬합금, -극 니켈 · 알루미늄 합금으로 되어있으며, 측정온도 범위가 -200∼1200℃인 K-type 열전대를 사용하였다.

데이터처리

회귀분석 데이터 난방열교환기 사용열량의 경우 전용면적별로 동절기(11,12,1,2월)의 월 평균값을 사용하였으며, 또한 재열과 예열 열교환기 사용열량도 전용면적별로 동절기의 월 평균값을 사용하였다. 아래 Fig.

이론/모형

본고는 한국지역난방공사 과제인 “지역난방 공동주택 열사용자 실태 분석 및 평가연구”의 일환으로 작성되었다.

성능/효과

(1) 급탕 2단 열 교환 방식의 급탕 재열 열교환기 사용열량이 예열 열교환기 사용열량보다 전용 면적별로 59.92m²와 84.84m²는 약 20%, 104.35m²는 10% 큰 것으로 나타나 용량 분배 기준을 현행 50:50에서 전용면적별로 좀 더 세부적인 재분배할 필요가 있다.
(2) 난방 열교환기 사용열량 당 급탕 예열 열교환기 사용열량은 모든 전용면적별로 95%이상의 상관성을 보이고 있어, 예열 열교환기 용량 산정에 있어 각 공동주택 난방 부하 패턴의 적용이 가능할 것으로 보인다.
(3) 급탕 재열 열교환기와 예열 열교환기 용량의 재분배를 통한 실제 설치된 각각의 열교환기 열판수의 절감 효과를 나타낸 것으로 59.92m₂의경우 6 SH, 84.84m²의 경우 8 SH, 104.35m²의 경우 4 SH의 열판 감소를 가져올 수 있는 것으로 보인다. 이러한 열판수의 감소로 인해 초기 설치비의 절감이 가능 할 것으로 보인다.
실제 급탕 재열 열교환기와 예열 열교환기 열량을 나타낸 Table 4 를 살펴보면 전용면적 59.92㎡ 의 경우 예열대비 재열 열교환기 평균 열량이 약 1.40배, 전용면적 84.84㎡의 경우는 약 1.36배, 전용면적 104.35㎡의 경우는 약 1.94배로 전용면적 104.35㎡는 평균 약 2배 가까운 차이를 보였음을 알 수 있다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

평균 외기온도 1℃ 상승에 따른 단위면적당 평균 난방 열사용량의 비는 어떻게 달라지는가?

선행 연구들에 의해 외기온도와 단위 난방열사 용량과의 상관성은 90%이상으로 나타났고, 평균 외기온도 1℃ 상승에 따라 단위면적당 평균 난방 열사용량의 비율은 약 7.1%정도 낮아지는 것으로 나타났다(1). 이로써 지구온난화로 인한 외기온도의 상승으로 난방열사용량의 감소추세는 불가피한 것으로 보인다.

데이터 측정 장비의 스펙은 어떠한가?

압력계는 ±0.5% 정밀도의 계측기, 유량계는 정밀도 ±0.5%의 전자식 유량계를 사용하였으며. 온도측정센서는 +극 니켈 · 크롬합금, -극 니켈 · 알루미늄 합금으로 되어있으며, 측정온도 범위가 -200∼1200℃인 K-type 열전대를 사용하였다.

외기온도와 단위 난방열사 용량의 상관성은 선행 연구들에 의하여 몇 %로 나타났는가?

선행 연구들에 의해 외기온도와 단위 난방열사 용량과의 상관성은 90%이상으로 나타났고, 평균 외기온도 1℃ 상승에 따라 단위면적당 평균 난방 열사용량의 비율은 약 7.1%정도 낮아지는 것으로 나타났다(1).

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