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문제 정의
- 본 연구에서는 바닥난방용 자동온도조절기에 대해 간헐난방 및 연속난방방식에서 다양한 운전조건 및 환경조건에 대해 에너지특성 수치 시뮬레이션 해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 난방방식 중 연속난방의 운수공급시간은 하루 24시간동안이며, 간헐운전을 위한 온수의 공급시간은 선행 연구결과를 참조하여 하루 11시간 30분(4시간/3.5시간/4시간 3회운전)으로 설정하였다.
- 다음과 같은 운전조건으로 하여 시뮬레이션 해석을 수행한 후 각 조건별로 1일간 에너지 소비량 및 소비유량을 계산하고 이를 분석하여 난방방식에 따라 자동온도조절기가 적용되었을 경우에 대한 에너지 특성을 비교하였으며, 각 경우에 대한 차이를 살펴보기 위하여 실내공기평균온도가 다르게 나타날 경우 모든 경우에 대하여 실내공기평균 온도 20℃로 온도보정을 한 후에 차이점을 비교분석 하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 공동주택의 세대모델링을 비롯해 온수공급특성 및 외기온도, 자동온도조절기 특성을 적용할 수 있는 바닥난방용 자동온도조절기의 시뮬레이션 해석프로그램을 개발하고 이를 활용하여 간헐난방 및 연속난방의 난방방식에 대해 자동온도조절기를 적용함으로써 나타나는 에너지성능을 분석하였다.
- 표 1은 본 연구에서 수행한 시뮬레이션 해석 조건을 표시한 것으로써, 난방방식은 연속난방과 간헐난방, 자동온도조절기의 제어방식은 제어를 수행하지 않는 경우와 기온감지 비례제어 및 On-Off 제어, 수온감지 비례제어의 경우로 구분하였으며, 외기온도 조건은 24시간동안 sin그래프 형태로 변화하는 -10～0℃, -5～5℃, 0～10℃의 3가지 조건을 적용하였다. 또한 온수공급조건은 공급온수온도는 40℃, 50℃, 60℃, 70℃의 4가지 이며, 공급유량은 2LPM, 3LPM, 4LPM의 총 3가지의 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다.
- 시뮬레이션을 위한 에너지 해석 프로그램은 공급온수온도 및 공급유량 등의 여러 운전조건을 통하여 실내 공기 및 벽면 바닥 등의 온도를 해석할 수 있도록 하였으며, 환경조건인 외기온도변화에 대해 해석이 가능하도록 구성되어 있다.
- 위 장에서 자동온도조절밸브의 에너지 특성을 해석하기 위하여 사용한 소스프로그램을 활용하여 다음과 같은 패키지프로그램의 형태로 개발하였다. 본 프로그램은 난방용 자동온도 조절기에 대한 성능 분석용 프로그램으로써 바닥복사 난방시스템에 대해 난방용 자동온도 조절기를 적용함에 따른 세대 내실 별 공기 및 바닥 등의 온도 변화 특성을 포함하여 실별 에너지 유동 특성을 해석할 수 있으며 실별 운전기간 중 최고, 최저 온도 및 그에 따른 난방용 자동온도 조절기의 성능 예측 분석용으로 활용할 수 있다.
- 이와 같은 시뮬레이션 프로그램을 통해 자동온도조절기의 제어방식을 기온감지 비례제어, 기온 감지 On-Off제어, 수온감지 비례제어로 구분하고 이를 적용하였으며, 이를 연속난방과 간헐난방 방식에 대해 각각 적용함으로써 에너지 특성을 살펴 보았다.
- 표 1은 본 연구에서 수행한 시뮬레이션 해석 조건을 표시한 것으로써, 난방방식은 연속난방과 간헐난방, 자동온도조절기의 제어방식은 제어를 수행하지 않는 경우와 기온감지 비례제어 및 On-Off 제어, 수온감지 비례제어의 경우로 구분하였으며, 외기온도 조건은 24시간동안 sin그래프 형태로 변화하는 -10～0℃, -5～5℃, 0～10℃의 3가지 조건을 적용하였다. 또한 온수공급조건은 공급온수온도는 40℃, 50℃, 60℃, 70℃의 4가지 이며, 공급유량은 2LPM, 3LPM, 4LPM의 총 3가지의 조건으로 시뮬레이션을 수행하였다.
성능/효과
- 1) 연속난방의 경우 에너지 소비량은 외기온도 에는 큰 영향을 받으나 난방시스템의 운전조건 및 자동온도조절기의 제어방법에는 큰 영향을 받지 않으며, 비례제어방식이 On-Off방식보다 열량공급을 위한 반송동력을 크게 줄여주어 효과적인 난방을 수행할 수 있다.
- 7LPM까지 감소하였으며, 기온감지 On-Off제어의 경우는 유량의 공급과 중단이 계속적으로 반복되었다. 각 제어방법별 유량변화에 특성에서 살펴볼 때 기온감지 비례제어 및 수온감지 비례제어의 경우 실내공기온도나 환수온도를 일정하게 유지시킬 때 유량이 최고유량보다 적은 유량으로 충분히 제어가 가능한 측면을 보였다.
- 또한 제어방법별로 살펴봤을 때 비례제어방식의 경우가 On-Off제어의 경우보다 전체적으로 단위 에너지 소비량 당 소비유량이 적게 나타나는 것을 알 수 있는데 이로써 미루어볼 때 연속난방방식에서 자동온도조절기의 비례제어방식을 채택할 경우 On-Off방식보다 난방시스템에 열량을 공급하기 위한 반송동력을 크게 줄여줄 수 있어 효과적인 난방을 할 수 있음을 알 수 있었다.
- 8LPM의 유량변화특성을 보였다. 수온감지 비례제어방식의 경우는 초기에 환수온도 설정치에 도달할 때까지 빠른 속도로 유량이 줄어든 이후 환수온도 설정치에 도달했을 때부터 점차적으로 느린 유량 변화 감소특성을 나타내었으며, 약 0.7LPM까지 감소하였으며, 기온감지 On-Off제어의 경우는 유량의 공급과 중단이 계속적으로 반복되었다. 각 제어방법별 유량변화에 특성에서 살펴볼 때 기온감지 비례제어 및 수온감지 비례제어의 경우 실내공기온도나 환수온도를 일정하게 유지시킬 때 유량이 최고유량보다 적은 유량으로 충분히 제어가 가능한 측면을 보였다.
- 우선 표 2에서 살펴볼 때 외기온도에 따른 변화를 보면 제어의 수행여부나 제어방법에 관계없이 온수의 공급온도 및 공급유량 등 모든 운전변수의 변화 범위에서 외기온도가 증가함에 따라 난방부 하가 감소하므로 1일간의 난방용 에너지의 소비량이 감소하는 경향을 나타내었으며, 일반적으로 잘 알려져 있는 바와 같이 외기온도가 증가함에 따라 너지 절감율도 증가하는 경향이 나타났다.
- 또한 그림에서는 나타나지는 잘 나타나지는 않으나 총 공급열량을 살펴보았을 때 기온감지 On-Off방식 또한 다른 제어방식과 마찬가지로 제어를 하지 않은 경우보다 열량이 적게 나타났다. 이로써 살펴볼 때 바닥복사 난방시스템에서 밸브를 통하여 공급유량을 제어할 경우 실내의 과도난방을 줄여줄 수 있으며, 또한 에너지 절감에 있어서 충분한 효과를 나타낼 것으로 보인다.
- 표 3에서 단위에너지 소비량 당 소비유량을 살펴볼 때 먼저 제어를 수행하지 않는 경우 외기온도 변화에 대해서는 증가하는 경향은 보이나 큰 차이는 나타나지 않았으며, 공급온수온도와 공급 유량의 차이로 인하여 단위에너지 소비량 당 소비 유량의 차이가 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.
- 한편 각각의 외기온도 하에서 제어를 하지 않는 경우에는 온수의 공급온도 및 공급유량이 증가할수록 에너지소비량이 증가하는 반면, 제어를 수행하는 경우에는 온수의 공급온도와 공급유량 등 운전조건은 물론 제어방법에도 관계없이 그다지 큰 차이를 보이지 않고 거의 비슷한 에너지소비량을 보여주고 있음을 알 수 있다. 이로써 미루어 볼 때 연속난방의 경우 에너지소비량은 외기온도에는 큰 영향을 받으나 난방시스템의 운전조건 및 자동 온도조절기의 제어방법에는 큰 영향을 받지 않음을 알 수 있다.
후속연구
- 3) 본 연구에서 개발된 자동온도조절기의 성능 해석용 프로그램을 활용할 경우 자동온도조절기의 제어설정치의 선정이나 적용설계를 위한 시간 및 비용절감 등에 있어서 많은 도움이 될 것이라 사료된다.
- 따라서 각 난방방식에 따라 자동온도조절기의 적용에 있어서 세심한 주의가 요구되며, 수많은 실험과 연구를 통하여 이를 해결해 나가야 할 것이다.
- 그림 3은 이에 대한 프로그램의 예시화면을 나타낸 것으로 세대의 평면 및 구조에 관한 정보는 물론, 난방운전조건, 기후조건, 밸브의 제어특성 등에 관한 자료를 입력하고 실행 후 계산결과의 확인이 가능하도록 구성되었다. 따라서 앞서 설명한 자동온도조절밸브의 제어설정치 재설정 등의 어려움 해소 및 자동온도조절밸브업체의 적용설계를 위한 시간 및 비용절감 등의 측면에서 많은 효과를 가져 올 수 있을 것으로 사료된다.
- 위 장에서 자동온도조절밸브의 에너지 특성을 해석하기 위하여 사용한 소스프로그램을 활용하여 다음과 같은 패키지프로그램의 형태로 개발하였다. 본 프로그램은 난방용 자동온도 조절기에 대한 성능 분석용 프로그램으로써 바닥복사 난방시스템에 대해 난방용 자동온도 조절기를 적용함에 따른 세대 내실 별 공기 및 바닥 등의 온도 변화 특성을 포함하여 실별 에너지 유동 특성을 해석할 수 있으며 실별 운전기간 중 최고, 최저 온도 및 그에 따른 난방용 자동온도 조절기의 성능 예측 분석용으로 활용할 수 있다.
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