[논문]난방용 자동온도조절기 성능분석용 프로그램 및 패키지 개발

김용기; 우남섭; 이태원; 안병천

[국내논문] 난방용 자동온도조절기 성능분석용 프로그램 및 패키지 개발
A Development of the Performance Analysis Program Package of the Automatic Temperature Control System for Heating 원문보기

김용기 (한국건설기술연구원 설비플랜트연구실) , 우남섭 (한국건설기술연구원 설비플랜트연구실) , 이태원 (한국건설기술연구원 설비플랜트연구실) , 안병천 (경원대학교 건축설비공학과)

Various automatic temperature control systems have been used widely in Korea for the conservation of heating energy and the enhancement of thermal comfort in residential buildings. But the heating control performance for automatic temperature control systems extensively vary with the design and operational conditions of the heating system, the climate condition and others. It was introduced in this study a numerical calculation program package to analyze heating control characteristics of the automatic temperature control system. This package is able to analyze the room air temperature, return water temperature, supplied heating flux and flow rate, and so on. One the other hand, the simulation results were verified by comparing with the field test results.

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문제 정의

이에 본 연구에서는 선행연구^(1),(2)의 해석에 사용된 프로그램을 이용하여 세대 모델링, 난방수 공급특성, 기후조건, 밸브특성 등을 입력조건으로 하여 각 실의 실내공기온도, 환수온도, 공급열량 등을 출력 결과물로 산출할 수 있는 난방용 자동온도조절기 성능분석용 패키지를 개발하였고, 패키지의 구성 및 사용방법 등을 소개하고자 한다.

가설 설정

본 연구에서는 등가 R-C방법을 적용함에 있어 각 벽체에 대한 열용량이 벽체의 한 점에 집중되어 있다고 가정하였고, 이 집중점(central node) 에서 벽면안쪽 표면까지의 온도는 일정하다고 가정하였다. 여기서 벽체 내에서의 집중점 양쪽의 등가 열저항 값이 같도록 집중점의 위치를 선정하였다.
따라서 외기로의 열손실은 열용량 집중점과 내벽면 사이와의 양쪽 등가 열저항값이 같은 새로운 집중점을 선정하여, 이 점으로부터의 외기로의 열량손실을 고려하였다. 또한 방바닥 표면과 천정표면의 온도를 계산함에 있어서 온수관과 방바닥 표면, 온수관과 밑층천정표면 등의 구조체에 대해서는 열용량이 표면에 집중되어 있다고 가정하여 각각의 표면온도를 계산하였다. 각 부분의 온도를 계산하기 위한 관계식은 식 (2)와 같다.

제안 방법

이에 따라 안 및 송 등^(1),(2)은 난방용 자동온도조절기의 성능해석에 대한 연구를 통해 실내 열 환경 및 난방열량에 대한 해석이 가능한 시뮬레이션 프로그램을 구성하여 자동온도조절기의 적용에 따른 난방제어특성을 연구하였으며, 바닥복사 난방시스템의 에너지 유동특성에 관한 시뮬레이션 및 실험적인 연구를 통해 프로그램에 대한 검증을 수행하였다.
그러나 이러한 방법들을 대단위 공동주택 온수난방시스템의 에너지해석에 적용할 경우 많은 전산시간이 소요된다. 따라서 본 연구에서는 전산시간이 적게 소요되고, 수치 해석이 간편한 등가 열저항-열용량(equivalent resistance-capacitance) 회로를 이용한 해석방법을 적용하여 세대 내의 열전달 특성을 해석하였다. Fig.
여기서 벽체 내에서의 집중점 양쪽의 등가 열저항 값이 같도록 집중점의 위치를 선정하였다. 따라서 외기로의 열손실은 열용량 집중점과 내벽면 사이와의 양쪽 등가 열저항값이 같은 새로운 집중점을 선정하여, 이 점으로부터의 외기로의 열량손실을 고려하였다. 또한 방바닥 표면과 천정표면의 온도를 계산함에 있어서 온수관과 방바닥 표면, 온수관과 밑층천정표면 등의 구조체에 대해서는 열용량이 표면에 집중되어 있다고 가정하여 각각의 표면온도를 계산하였다.
이를 위해 본 패키지는 먼저 기본적인 난방공간의 크기와 벽체의 구조 등의 입력을 통한 세대 모델링이 가능하고, 또한 세대의 난방 순환수의 공급방법과 공급온도 및 유량 등 서로 다른 난방 특성의 반영이 가능하며, 기후조건으로서 다양한 방법으로 외기온도를 선정할 수 있도록 하였다. 또한 제어를 수행하지 않는 경우를 포함하여 기온감지식, 수온감지식, 개폐식, 비례제어식 등 어떠한 제어방법에 대한 모델링도 가능하도록 하였다.
이를 위해 본 패키지는 먼저 기본적인 난방공간의 크기와 벽체의 구조 등의 입력을 통한 세대 모델링이 가능하고, 또한 세대의 난방 순환수의 공급방법과 공급온도 및 유량 등 서로 다른 난방 특성의 반영이 가능하며, 기후조건으로서 다양한 방법으로 외기온도를 선정할 수 있도록 하였다. 또한 제어를 수행하지 않는 경우를 포함하여 기온감지식, 수온감지식, 개폐식, 비례제어식 등 어떠한 제어방법에 대한 모델링도 가능하도록 하였다. 이와 같은 난방공간, 난방운전조건, 기후조건 및 제어특성에 대한 모델링 및 해석을 통해 각각의 난방용 자동온도조절기를 적용하는 경우의 실내 공기온도, 바닥온도, 환수온도, 공급유량, 실내 평균온도 등 다양한 정보의 예측과 동시에 제어 기의 성능해석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
세대 모델링 단계에서는 검토대상의 세대에 대한 평면 및 구조에 관한 정보를 입력한다. 사용자가 해석하고자 하는 세대의 전체 크기를 지정하고 방의 개수와 각각에 대한 바닥, 천장, 벽체의 구조들을 지정 혹은 입력한다. 먼저 Fig.
해석결과의 검증을 위해 인공기후실에 설치된 1개의 난방실험공간과 단일세대에 대한 열적 동특성을 살펴보고자, 3시간 동안 온수를 공급한 후에 5시간 동안 온수공급을 중단하는 실험을 수행하였다. 유량 및 공급온도, 외기온도 등 제어변수들의 다양한 운전조건의 변화를 주었음에도 불구하고 계산결과는 실험결과와 유사한 동특성을 나타내며 양호한 응답특성을 보여주었다.
세대 모델링, 난방수 공급특성, 기후조건, 밸브 특성 등을 입력조건으로 하여 각 실의 실내공기 온도, 환수온도, 공급열량, 공급유량 등을 출력할수 있게 해주는 난방용 자동온도조절기 성능분석용 상용 패키지를 개발하였으며, 그 결과를 정리 하면 다음과 같다.
⑴ 난방공간에 난방용 자동온도조절기를 적용할 때 제어특성에 따른 난방공간의 열적 거동과 에너지절약 성능을 분석하기 위해 질량집중 모델인 등가 열저항-열용량 회로를 적용한 난방공간의 해석모델을 통한 수치해석용 프로그램을 개발 하였고, 현장실험을 통해 해석결과의 검증을 수행하였다.

데이터처리

4(c)에 보인 것처럼 유량과 환수온도 사이의 관계식에 대해 4개의 상수를 입력해야 한다. 이 값은 실험을 통해 얻어지는 밸브의 유량-환수온도 특성곡선을 제시한 수식에 따라 회귀분석을 통해 입력한다. 유량-환수 온도 실제데이터 입력방법을 선택하는 경우에는 환수온도에 대한 유량데이터를 직접 입력하며, 이때 데이터는 온도가 큰 값부터 순차적으로 입력한다.

이론/모형

또한 본 연구에서는 난방공간 내에서 각 표면 사이의 복사열전달량을 계산하기 위하여 Gebhart 의 밀폐된 공간의 해석방법(enclosure analysis method)을 사용하였다. 먼저 복사에너지 해석을 위한 단순화한 공간모델에서 난방공간의 각 면 (k=1, 2, ‥,n : n개의 면)에서의 복사열전달량, qrk은 식 (1)로 표시할 수 있다.

성능/효과

실행이 종료된 후에는 출력버튼을 클릭함으로써 계산결과를 검토할 수 있다. 계산 결과로는 실내공기온도, 바닥온도, 공급유량, 환수온도, 공급열량의 총 5가지를 얻을 수 있다. 데이터의 화면출력 방법으로는 직접 수치데이터를 볼 수도 있고 그래프의 형태로 출력할 수도 있으며, 그래프 형태로 출력하는 경우에는 최소값과 최대값을 입력하여 그래프의 출력범위를 변경할 수도 있다(Fig.
유량 및 공급온도, 외기온도 등 제어변수들의 다양한 운전조건의 변화를 주었음에도 불구하고 계산결과는 실험결과와 유사한 동특성을 나타내며 양호한 응답특성을 보여주었다. 수치적으로 검토해 본 결과 정상상태에서의 실험결과와 계산 값의 최대오차는 0.1℃ 정도로서 계산결과의 값이 실험결과에 잘 추종함을 알 수 있다.
또한, 하나의 세대에 대하여 각 실에 대한 열적 동특성을 살펴보고자 운전조건에 따라 1일간의 실험을 실시하고 실험을 통해 얻어낸 데이터를 시뮬레이션에 적용하여 실험값과 시뮬레이션에 따른 결과 값을 비교한 결과, 시뮬레이션 에너지해석을 용이하게 하기 위해 단순화 해석 모델을 적용했음에도 불구하고 실험값과 유사한 동특성을 나타내었다(Fig. 6).

후속연구

본 연구에서 개발된 패키지는 난방용 자동온도조절기의 성능분석용 도구로서 바닥복사 난방시스템에 대해 난방용 자동온도조절기를 적용함에 따른 세대 내 난방구획별 공기온도 및 바닥 등 주요 구조체의 온도변화 특성을 포함하여 난방구획별 에너지 유동특성을 해석할 수 있으며, 세대 전체는 물론 난방구획별로 운전기간 중 최고, 최저온도 및 공급유량의 변화 등을 통해 난방용 자동온도조절기의 제어특성과 에너지소비율 등 성능을 예측하기 위해 활용할 수 있을 것이다.
또한 제어를 수행하지 않는 경우를 포함하여 기온감지식, 수온감지식, 개폐식, 비례제어식 등 어떠한 제어방법에 대한 모델링도 가능하도록 하였다. 이와 같은 난방공간, 난방운전조건, 기후조건 및 제어특성에 대한 모델링 및 해석을 통해 각각의 난방용 자동온도조절기를 적용하는 경우의 실내 공기온도, 바닥온도, 환수온도, 공급유량, 실내 평균온도 등 다양한 정보의 예측과 동시에 제어 기의 성능해석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

난방용 자동온도조절기에 대한 수요 및 기술향상의 필요성도 증대된 이유는?

최근 들어 국민의 생활수준이 향상되면서 쾌적한 주거공간의 요구가 증가하게 되었고 난방용 자동온도조절기에 대한 수요 및 기술향상의 필요성도 증대되었다. 이에 따라 근래에 들어 전동모터를 이용한 기온감지식 제품과 형상기억합금을 이용한 수온감지식 제품 등이 생산되어 유통되고 있으나, 이들 난방용 자동온도조절기의 제어특성및 난방열량 제어효과, 에너지절약 성능에 관한 자료 및 연구는 아직까지 부족한 실정이다.

일반적인 건물 구조체에 대한 비정상 열전달해석을 위해서 무엇을 사용해왔는가?

한편 일반적인 건물 구조체에 대한 비정상 열전달해석을 위해서는 유한차분해석법(FDM: Finite Deference Method)이나 응답계수법(response factor method)을 사용해 왔다. 그러나 이러한 방법들을 대단위 공동주택 온수난방시스템의 에너지해석에 적용할 경우 많은 전산시간이 소요된다.

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