KR101726571B1 - 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법 - Google Patents

에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 각 세대의 난방 목표 온도와 현재 온도를 이용하여 정확한 난방부하를 산출하고, 이 산출된 난방 부하에 따라 지역난방 시스템으로부터의 열에너지 공급량을 자동으로 조절할 수 있도록 함으로써 에너지 이용을 합리화할 수 있도록 하는 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법에 관한 것이다.

Description

에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법{METHOD FOR CONTROLLING MEDIUM-TEMPERATRE WATER FLOW FOR DISTRICT HEATING FOR IMPROVING ENERGY EFFICIENCY}
본 발명은 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 각 세대의 난방 목표 온도와 현재 온도를 이용하여 정확한 난방부하를 산출하고, 이 산출된 난방 부하에 따라 지역난방 시스템으로부터의 열에너지 공급량을 자동으로 조절할 수 있도록 함으로써 에너지 이용을 합리화할 수 있도록 하는 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법에 관한 것이다.
일반적으로 지역난방시스템은 집단에너지를 공급하는 사업자가 다수의 개별 사용자에게 난방 및 급탕을 위해 배관을 통해 집단에너지를 공급하는 시스템으로, 사용자가 개별적으로 난방설비를 갖추는 개별난방 시스템과는 차이가 있다.
즉, 지역난방은 하나의 도시 또는 일정한 지역 내에 있는 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장 등 각종 건물이 개별적으로 난방설비를 갖추지 않고, 대규모 열생산시설, 즉 열병합발전소를 건설하여 난방 및 급탕에 필요한 중온수(80~120℃)를 생산, 열수송관을 통해 각 수용가에 공급하는 시스템으로 집단에너지 공급방식 중 하나이다.
이러한 지역난방시스템은 전기와 열을 생산하는 열원시설과, 생산된 열을 수송하는 열수송시설과 그리고, 열수송시설에 의해 수송되는 열을 사용자에게 공급하는 열사용자설비로 구성된다.
지역난방에서 에너지 관리 및 최적화의 핵심은, 열 수요량을 반드시 만족 시키면서 열생산 원단위의 최소화를 달성하는 것이다. 따라서, 스팀의 필요 생산량, 인근 지역난방으로부터 수열 및 잉여 열의 공급, 잉여 전기의 판매 및 부족한 전기의 매입 등이 고려되어야 한다.
이러한 관점은 시스템 측면에서 수요량 예측 시스템과 에너지 판매 시스템의 필요성이 제시된다.
국내 특허등록공보 10-1075893호에는 지역난방시스템의 열에너지 공급 제어방법이 개시되어 있다.
상기 지역난방시스템의 열에너지 공급 제어방법은 대상 건물 내 각 세대별로 희망하는 목표실내온도를 설정하여 이로부터 건물의 목표실내온도를 산출하는 단계와; 산출된 건물의 목표실내온도, 외기온도 및 태양열을 반영하여 열저항-열용량법에 의해 열부하를 산출하는 단계 및; 상기 산출된 열부하를 지역난방시스템의 공급밸브의 개도를 제어하는 제어기에 입력하여 밸브의 개도를 산출하여 이 산출된 개도에 따라 밸브의 개도를 실시간으로 조절하는 단계로 이루어진다.
그리하여, 열저항-열용량법을 이용하여 전산방식에 의해 외기온도 변화에 따른 난방부하를 산출하고 이에 의해 열에너지의 공급량을 실시간으로 제어하여 공급하므로 태양의 운행에 따른 태양열의 변화와 같은 환경변화를 반영할 수 있는 동시에 필요한 만큼의 열에너지를 적절히 공급할 수 있어 열에너지 이용의 합리화를 달성할 수 있고, 열저항-열용량법에 의해 구해진 난방부하가 실제의 난방부하와 다를 경우 이를 쉽게 수정할 수 있도록 함으로써 실제에 가까운 열에너지의 공급을 달성할 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 지역난방시스템의 열에너지 공급 제어방법은 난방부하를 산정시 건물의 목표실내온도와 외부 인자(외기온도 및 태양)를 사용하기 때문에 각 세대별로 정확한 난방부하가 산정되지 못하는 문제점이 있다.
국내 특허등록공보 10-1075893호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 각 세대의 난방 목표 온도와 현재 온도를 이용하여 정확한 난방부하를 산출하고, 이 산출된 난방 부하에 따라 지역난방 시스템으로부터의 열에너지 공급량을 자동으로 조절할 수 있도록 함으로써 에너지 이용을 합리화할 수 있도록 하는 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
부하 존 내에 위치하는 각 세대에 설치된 온도 조절기로부터 세대별 목표 실내 온도를 메인 제어기에서 취득하여 전체 세대의 목표 실내 온도 평균을 산출하는 목표 실내 온도 평균 산출 단계와; 각각의 상기 온도 조절기로부터 세대별 현재 실내 온도를 상기 메인 제어기에서 취득하여 전체 세대의 현재 실내 온도 평균을 산출하는 현재 실내 온도 평균 산출 단계와; 상기 메인 제어기에서 산출된 전체 세대의 목표 실내 온도 평균값과 전체 세대의 현재 실내 온도 평균값을 이용하여 면적(㎡)당 공급하여야 하는 난방 부하량을 산출하는 난방 부하량 산출 단계와; 기계실에 설치된 유량계, 공급 온수 온도계, 환수 온수 온도계로부터 공급 유량, 공급 온수 온도 및 환수 온수 온도를 상기 메인 제어기에서 입력받고, 산출된 난방 부하량을 이용하여 온수 공급 유량을 산출하는 공급 유량 산출 단계; 및 온수 공급 유량이 산출되면, 상기 메인 제어기가 기계실에 설치된 온수 공급 난방밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어기에 입력하면, 상기 밸브 제어기에서 입력된 온수 공급 유량값을 기준으로 필요한 밸브 개도를 연산하여 상기 온수 공급 난방밸브의 개도를 조절하는 밸브 조절 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 메인 제어기는 부하존의 실내온도 변화를 실시간으로 모니터링하여 실내온도 변화에 따라 필요한 온수 공급 유량을 재계산하여 상기 밸브 제어기를 통해 상기 온수 공급 난방밸브의 개도를 조절한다.
여기에서 또한, 상기 목표 실내 온도 평균 산출 단계는 아래의 수학식에 의해 목표 실내 온도 평균을 산출한다.
Figure 112016047238791-pat00001
이때,
Figure 112016047238791-pat00002
는 부하존의 목표 실내온도 평균, n는 부하존 내의 세대 수,
Figure 112016047238791-pat00003
는 각 세대의 목표 실내온도이다.
여기에서 또, 상기 현재 실내 온도 평균 산출 단계는 아래의 수학식에 의해 현재 실내 온도 평균을 산출한다.
Figure 112016047238791-pat00004
이때,
Figure 112016047238791-pat00005
는 부하존의 현재 실내온도 평균, n는 부하존 내의 세대 수,
Figure 112016047238791-pat00006
는 각 세대의 현재 실내온도이다.
여기에서 또, 상기 난방 부하량 산출 단계는 아래의 수학식에 의해 난방 부하량을 산출한다.
Figure 112016047238791-pat00007
이때,
Figure 112016047238791-pat00008
는 부하 존의 난방부하(㎉/㎡ ·hr),
Figure 112016047238791-pat00009
는 난방 면적 구분별 단위 난방부하(㎉/㎡·hr),
Figure 112016047238791-pat00010
는 난방 면적(㎡)이다.
여기에서 또, 상기 온수 공급 유량 산출 단계는 아래의 수학식에 의해 온수 공급 유량을 산출한다.
Figure 112016047238791-pat00011
이때,
Figure 112016047238791-pat00012
는 난방 부하량, G는 공급 유량(lph), C는 비열(㎉/㎏℃),
Figure 112016047238791-pat00013
는 온수 온도변화(공급온도-환수온도)이다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법에 따르면, 각 세대의 난방 목표 온도와 현재 난방 온도의 차를 이용하여 온도차의 변화에 따른 난방부하를 산출하고, 이에 의해 열에너지의 공급량을 실시간으로 제어하여 공급하므로 필요한 만큼의 열에너지만을 적절히 공급할 수 있어 열에너지 이용의 합리화를 달성할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면 난방온도-현재온도의 차에 의해 구해진 난방부하가 실제의 난방부하와 다를 경우 이를 쉽게 수정할 수 있도록 함으로써 실제에 가까운 열에너지의 공급을 달성할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
이하, 본 발명에 따른 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
먼저, 본 발명에 따른 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 시스템(1)은, 온도 조절기(10), 유량계(20), 공급 온수 온도계(30), 환수 온수 온도계(40), 밸브 제어기(50), 메인 제어기(60) 및 메모리(70)로 구성된다.
먼저, 온도 조절기(10)는 각 세대별로 설치된다.
그리고, 유량계(20)는 기계실에 설치되고, 온수 공급 배관(SP)의 공급 유량을 측정한다.
또한, 공급 온수 온도계(30)는 기계실에 설치되고, 온수 공급 배관(SP)의 공급 온수 온도를 측정한다.
또, 환수 온수 온도계(40)는 기계실에 설치되고, 온수 환수 배관(RP)의 환수 온수 온도를 측정한다.
그리고, 밸브 제어기(50)는 기계실에 설치되고, 같은 위치에 설치된 온수 공급 난방밸브(V)의 개도를 제어한다. 이때, 밸브 제어기(50)는 온수 공급 유량값이 전송되면 이를 기준으로 필요한 밸브 개도를 연산하여 온수 공급 난방밸브(V)의 개도를 조절한다.
이어서, 메인 제어기(60)는 각각의 온도 조절기(10)로부터 세대별 목표 실내 온도를 취득하여 전체 세대의 목표 실내 온도 평균값 및 현재 실내 온도 평균값을 산출한 후 이들값을 이용하여 면적(㎡)당 공급하여야 하는 난방 부하량을 산출한 다음, 유량계(20), 공급 온수 온도계(30), 환수 온수 온도계(40)로부터 공급 유량, 공급 온수 온도, 환수 온수 온도 및 산출된 난방 부하량을 이용하여 온수 공급 유량을 산출해서 밸브 제어기(50)에 해당 값을 전송한다. 이때, 메인 제어기(60)는 부하존의 실내온도 변화를 실시간으로 모니터링하여 실내온도 변화에 따라 필요한 온수 공급 유량을 재계산하여 밸브 제어기(50)를 통해 온수 공급 난방밸브(V)의 개도가 조절되도록 한다.
한편, 메모리(70)에는 시스템에 필요한 각종 정보와 데이터가 저장된다.
이하, 본 발명에 따른 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법을 설명하기 위한 동작 흐름도이다.
본 발명에 따른 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법은 목표 실내 온도 평균 산출 단계(S10)와, 현재 실내 온도 평균 산출 단계(S20)와, 난방 부하량 산출 단계(S30)와, 공급 유량 산출 단계(S30) 및 밸브 조절 단계(S50)로 이루어진다.
《목표 실내 온도 평균 산출 단계-S10》
먼저, 메인 제어기(60)는 부하 존 내에 위치하는 각 세대에 설치된 온도 조절기(10)로부터 세대별 목표 실내 온도를 취득하여 아래의 수학식 1을 이용하여 전체 세대의 목표 실내 온도 평균을 산출한다.
Figure 112016047238791-pat00014
이때,
Figure 112016047238791-pat00015
는 부하존의 목표 실내온도 평균, n는 부하존 내의 세대 수,
Figure 112016047238791-pat00016
는 각 세대의 목표 실내온도이다.
《현재 실내 온도 평균 산출 단계-S20》
그리고, 메인 제어기(60)는 부하 존 내에 위치하는 각 세대에 설치된 온도 조절기(10)로부터 세대별 현재 실내 온도를 취득하여 아래의 수학식 2를 이용하여 전체 세대의 현재 실내 온도 평균을 산출한다.
Figure 112016047238791-pat00017
이때,
Figure 112016047238791-pat00018
는 부하존의 현재 실내온도 평균, n는 부하존 내의 세대 수,
Figure 112016047238791-pat00019
는 각 세대의 현재 실내온도이다.
《난방 부하량 산출 단계-S30》
이어서, 메인 제어기(60)는 산출된 전체 세대의 목표 실내 온도 평균값과 전체 세대의 현재 실내 온도 평균값을 아래의 수학식 3에 대입하여 면적(㎡)당 공급하여야 하는 난방 부하량을 산출하는데 아래의 표 1(공동 주택의 단위난방 기준)을 참고로 아래의 수학식3에 의해 부하존의 난방 부하량을 산출한다.
Figure 112016047238791-pat00020
이때,
Figure 112016047238791-pat00021
는 부하 존의 난방부하(㎉/㎡ ·hr),
Figure 112016047238791-pat00022
는 난방 면적 구분별 단위 난방부하(㎉/㎡·hr),
Figure 112016047238791-pat00023
는 난방 면적(㎡),
Figure 112016047238791-pat00024
는 부하존의 목표 실내온도 평균,
Figure 112016047238791-pat00025
는 부하존의 현재 실내온도 평균이다.
Figure 112016047238791-pat00026
이때, A, B, C, D 지역구분으로 A는 대전·춘천 지역, B는 수원·청주·세종지역, C는 서울 및 수도권·인천·안산·전주·광주·대구·강릉·나주 지역, D는 부산·양산·김해·울산·여수·목포 지역, 상기 이외의 지역은 인근 지역을 기준으로 적용하고 제주도는 따로 정함.
《온수 공급 유량 산출 단계-S40》
그런 다음, 메인 제어기(60)는 유량계(20), 공급 온수 온도계(30), 환수 온수 온도계(40)로부터 공급 유량, 공급 온수 온도, 환수 온수 온도 및 산출된 난방 부하량을 아래의 수학식 4에 대입하여 온수 공급 유량을 산출한다.
Figure 112016047238791-pat00027
이때,
Figure 112016047238791-pat00028
는 난방 부하량, G는 공급 유량(lph), C는 비열(㎉/㎏℃)로 난방에 온수가 사용되므로 상수 값 1이고,
Figure 112016047238791-pat00029
는 온수 온도변화(공급온도-환수온도)이다.
《밸브 조절 단계-S50》
온수 공급 유량이 산출되면, 메인 제어기(60)는 기계실에 설치된 온수 공급 난방밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어기(50)에 입력하면, 밸브 제어기(50)에서 입력된 온수 공급 유량값을 기준으로 필요한 밸브 개도를 연산하여 온수 공급 난방밸브의 개도(V)를 조절한다.
그리고, 메인 제어기(60)는 부하존의 실내온도 변화를 실시간으로 모니터링하여 실내온도 변화에 따라 필요한 온수 공급 유량을 재계산하여 밸브 제어기(50)를 통해 온수 공급 난방밸브(V)의 개도를 조절한다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 온도 조절기 20 : 유량계
30 : 공급 온수 온도계 40 : 환수 온수 온도계
50 : 밸브 제어기 60 : 메인 제어기
70 : 메모리 SP : 온수 공급 배관
RP : 온수 환수 배관 V : 온수 공급 난방밸브

Claims (6)

  1. 부하 존 내에 위치하는 각 세대에 설치된 온도 조절기로부터 세대별 목표 실내 온도를 메인 제어기에서 취득하여 전체 세대의 목표 실내 온도 평균을 산출하는 목표 실내 온도 평균 산출 단계와;
    각각의 상기 온도 조절기로부터 세대별 현재 실내 온도를 상기 메인 제어기에서 취득하여 전체 세대의 현재 실내 온도 평균을 산출하는 현재 실내 온도 평균 산출 단계와;
    상기 메인 제어기에서 산출된 전체 세대의 목표 실내 온도 평균값과 전체 세대의 현재 실내 온도 평균값을 이용하여 면적(㎡)당 공급하여야 하는 난방 부하량을 산출하는 난방 부하량 산출 단계와;
    기계실에 설치된 유량계, 공급 온수 온도계, 환수 온수 온도계로부터 공급 유량, 공급 온수 온도 및 환수 온수 온도를 상기 메인 제어기에서 입력받고, 산출된 난방 부하량을 이용하여 온수 공급 유량을 산출하는 공급 유량 산출 단계; 및
    온수 공급 유량이 산출되면, 상기 메인 제어기가 기계실에 설치된 온수 공급 난방밸브의 개도를 제어하는 밸브 제어기에 입력하면, 상기 밸브 제어기에서 입력된 온수 공급 유량값을 기준으로 필요한 밸브 개도를 연산하여 상기 온수 공급 난방밸브의 개도를 조절하는 밸브 조절 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 메인 제어기는,
    부하존의 실내온도 변화를 실시간으로 모니터링하여 실내온도 변화에 따라 필요한 온수 공급 유량을 재계산하여 상기 밸브 제어기를 통해 상기 온수 공급 난방밸브의 개도를 조절하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 실내 온도 평균 산출 단계는,
    아래의 수학식에 의해 목표 실내 온도 평균을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법.
    Figure 112016047238791-pat00030

    이때,
    Figure 112016047238791-pat00031
    는 부하존의 목표 실내온도 평균, n는 부하존 내의 세대 수,
    Figure 112016047238791-pat00032
    는 각 세대의 목표 실내온도이다.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 현재 실내 온도 평균 산출 단계는,
    아래의 수학식에 의해 현재 실내 온도 평균을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법.
    Figure 112016047238791-pat00033

    이때,
    Figure 112016047238791-pat00034
    는 부하존의 현재 실내온도 평균, n는 부하존 내의 세대 수,
    Figure 112016047238791-pat00035
    는 각 세대의 현재 실내온도이다.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 난방 부하량 산출 단계는,
    아래의 수학식에 의해 난방 부하량을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법.
    Figure 112016047238791-pat00036

    이때,
    Figure 112016047238791-pat00037
    는 부하 존의 난방부하(㎉/㎡ ·hr),
    Figure 112016047238791-pat00038
    는 난방 면적 구분별 단위 난방부하(㎉/㎡·hr),
    Figure 112016047238791-pat00039
    는 난방 면적(㎡),
    Figure 112016047238791-pat00040
    는 부하존의 목표 실내온도 평균,
    Figure 112016047238791-pat00041
    는 부하존의 현재 실내온도 평균이다.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 온수 공급 유량 산출 단계는,
    아래의 수학식에 의해 온수 공급 유량을 산출하는 것을 특징으로 하는 에너지 효율 향상을 위한 지역난방용 중온수 유량 조절 방법.
    Figure 112016047238791-pat00042

    이때,
    Figure 112016047238791-pat00043
    는 난방 부하량, G는 공급 유량(lph), C는 비열(㎉/㎏℃),
    Figure 112016047238791-pat00044
    는 온수 온도변화(공급온도-환수온도)이다.
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