KR20130024584A - 중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법 - Google Patents

중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법 Download PDF

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Abstract

중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법은 난방순환수의 공급온도 및 공급유량의 반비례 관계에 의해 발생되는 열손실율 및 소비동력을 최소로 하기 위한 것으로서, 기설정된 초기 공급온도 및 공급유량에 따라 공급열량을 계산하고, 그 결과에 따라 난방순환수의 공급온도와 공급유량 사이의 관계식을 수립하고, 도출된 관계식을 이용하여 열손실율과 소비동력의 합이 최소가 되는 난방순환수 공급온도를 구하고, 구해진 공급온도에 의해 공급유량을 결정한다. 이와 같이 구성되는 중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법에 의하면,사용자는 정확하고 합리적인 난방비용을 책정받을 수 있고, 공급자는 열손실율 및 소비동력을 최소화하여 공급단가를 낮출 수 있는 이점이 있다.

Description

중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법{CALCULATING METHOD TO GET THE OPERATING CONDITION OF CENTRALIZED HEATING SYSTEM}
본 발명은 중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 난방운전 실측 결과를 기초로 하여 난방 순환수의 공급온도 변화에 따른 배관열손실과 공급유량 변화에 따른 반송동력의 변화에 기초하여 외기 또는 난방부하의 변화에 능동적으로 대응하는 난방시스템의 난방운전제어조건을 산출하기 위한 방법에 관한 것이다.
중앙집중식 난방시설에서 난방능력과 난방효율 또는 난방요금에 영향을 미치는 주요인자는 외기온도로 대표되는 난방부하와 난방수의 공급유량 그리고 공급온도 등의 운전조건을 예로 들 수 있다. 이들 이외에도 열교환기 계통 내에서의 열 및 유량의 밸런싱, 세대별 유량 밸런싱, 세대 내에서의 효율적인 열량의 제어와 난방에 소비된 열량의 계량 등과 같은 사항을 고려할 수 있다.
이와 같이, 난방효율에 영향을 미치는 많은 조건에도 불구하고, 종래에는 외기온도에 따라 공급수의 온도를 조절하는 방식을 사용해왔다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 난방 열교환기 출구 난방순환수 공급온도를 외기 온도의 변화에 따라 변동시키는 방식으로 난방조건을 조정해왔다.
그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에 의한 난방운전조건 제어방법에서는 다음과 같은 문제점이 있다.
일반적으로 난방을 위해 공급되는 열량은 난방을 위해 순환되는 열전달매체(난방순환수)의 유량과 난방순환수의 공급 및 귀환온도차의 상승적으로 결정된다. 즉, 난방순환수의 공급유량을 증가시키면 순환수의 공급온도를 낮출 수 있으나 그에 따라 배관계통의 마찰손실과 반송동력이 증가하게 되며, 난방순환수의 공급온도를 높여주면 순환수의 공급유량을 줄일 수 있으나 그에 따라 높은 배관온도로 인한 배관열손실이 증가하게 된다. 즉, 종래의 난방운전조건 제어방법은 난방 순환수의 공급유량과 공급온도의 상반된 관계를 고려하지 못한 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 난방 순환수의 공급유량과 순환수의 공급온도와의 상반된 관계를 고려한 난방운전조건 제어방법을 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명의 중앙집중식 난방시스템의 운전제어조건을 산출하는 방법은 각 수요처에 공급하는 난방순환수의 공급온도 및 공급유량에 따른 열손실율 및 소비동력을 최소화하도록 상기 난방순환수의 공급온도 및 공급유량을 결정하는 것이다.
본 발명의 난방순환수의 공급온도 및 공급유량은 상기 난방순환수의 공급온도와 공급유량의 반비례관계에 의해 결정되는 열손실율 및 소비동력을 최소화하도록 결정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 운전제어조건 산출방법은 기설정된 초기 공급온도 및 상기 초기 공급온도에 의해 자동으로 결정되는 공급유량에 따라 공급열량을 계산하고, 상기 계산된 공급열량과 상기 난방순환수의 귀환온도에 의해 상기 난방순환수의 공급온도와 공급유량 사이의 관계식을 수립하고, 상기 난방순환수의 공급온도와 공급유량 사이의 관계식을 이용하여 열손실율과 소비동력의 합이 최소가 되는 난방순환수 공급온도를 구하고, 상기 난방순환수 공급온도에 의해 상기 공급유량을 결정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 공급열량은 상기 기설정된 초기 공급온도 및 상기 초기 공급온도에 의한 제어를 통해 자동으로 결정되는 공급유량 및 귀환온도에 따라 [수학식 1]
Figure pat00001
(q : 난방수행에 따른 공급열량, Q : 난방순환수의 공급유량, Cv : 난방순환수의 정압비열, Ts : 난방순환수의 공급온도, Tr : 난방순환수의 귀환온도)에 의해 계산하는 것이 바람직하다.
본 발명의 난방순환수의 공급온도와 공급유량 사이의 관계식은 상기 난방시스템에 대한 운전조건을 산출하고자 하는 시점에서 난방순환수의 공급온도, 공급유량 및 귀환온도를 수학식 1에 대입하여 공급열량(q)를 결정하고, 상기 공급열량(q)과 상기 난방순환수의 귀환온도(Tr)를 다시 수학식 1에 대입함으로써 수립되고, 상기 관계식은 [수학식 4]
Figure pat00002
로 표현되는 것이 바람직하다.
본 발명의 열손실율과 소비동력의 합이 최소가 되는 난방순환수 공급온도는 [수학식 2]
Figure pat00003
와(HL : 열손실율), [수학식 3]
Figure pat00004
과(P : 소비동력), 상기 수학식 4에 의해 결정되는 [수학식 5]
Figure pat00005
의 값이 최소가 될 때의 난방순환수의 공급온도(Ts)인 것이 바람직하다.
본 발명의 열손실율(HL)은 상기 난방시스템의 배관라인의 특성에 따른 난방순환수의 공급온도에 대한 함수인 것이 바람직하다.
본 발명의 소비동력(P)은 상기 난방시스템에 적용되는 순환펌프의 특성에 따른 난방순환수의 공급유량에 대한 함수인 것이 바람직하다.
본 발명의 열손실율과 소비동력이 같을 때의 난방순환수 공급온도는 [수학식 2]
Figure pat00006
와(HL : 열손실율), [수학식 3]
Figure pat00007
과(P : 소비동력), 상기 수학식 4에 의해 결정되는 [수학식 6]
Figure pat00008
에 의해 결정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 열손실율(HL)에 의한 소요금액과 상기 소비동력(P)에 의한 소요금액의 비가 HL : P = α : 1 이면, 상기 수학식 6은 [수학식 7]
Figure pat00009
로 대체되는 것이 바람직하다.
본 발명의 난방순환수의 공급유량은 상기 수학식 5에 의해 결정되는 공급온도를 수학식 4에 대입함으로써 결정되는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명에 의한 중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법에 의하면, 난방 순환수의 공급온도와 반비례하는 공급유량의 상반관계에 의해 결정되는 열손실율 및 소비동력을 최소화하여 결정되므로, 사용자는 정확하고 합리적인 난방비용을 책정받을 수 있고, 공급자는 열손실율 및 소비동력을 최소화하여 공급단가를 낮출 수 있는 이점이 있다.
도 1은 기존 방법에 의한 중앙집중식 난방 시스템의 공급온도를 결정하는 기준을 나타낸 그래프.
도 2는 난방 순환수의 공급온도에 따른 배관라인의 열손실율을 보인 그래프.
도 3은 난방 순환수의 공급유량에 따른 순환펌프의 소비동력을 보인 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법이 구현되는 난방 시스템을 보인 구성도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법에 사용되는 외기온도에 따른 공급수 온도 및 귀환온도를 나타낸 그래프.
도 7은 본 발명에 의한 중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법에 사용되는 순환펌프에서 공급유량에 따른 소비동력을 나타낸 그래프.
도 8은 본 발명에 의한 중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법에 의해 결정되는 난방순환수의 공급온도, 공급유량 및 그에 따른 소비동력 및 열손실율과의 상관관계를 나타낸 그래프.
이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 8에는 본 발명에 의한 중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법의 바람직한 실시예가 도시되어 있다.
본 발명에 의한 운전제어조건 산출방법은 중앙집중식 난방시스템에서 외기 온도, 즉 난방부하의 변화에 따라 난방 순환수의 공급온도와 공급유량과 같은 난방운전조건을 최적의 값으로 설정하여 난방장치를 운영하기 위한 방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명에 의한 운전제어조건 산출방법은 난방순환수의 공급온도 및 공급유량에 따른 열손실율 및 소비동력의 변화를 고려하여 운전제어조건을 산출하는 것이다.
도 2는 운전제어조건을 산출함에 있어서, 외기온도가 일정할 때 공급온도에 따른 배관열손실의 변화를 기준상태 열손실량에 대한 비율로 표시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 공급온도와 외기온도의 차이가 증가할수록 배관계통에서의 열손실율은 기하급수적으로 증가하는 경향을 살펴볼 수 있다.
도 3은 운전제어조건을 산출함에 있어서, 공급유량에 따른 펌프의 소비동력변화를 각각의 수두에 대해 도시한 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 난방순환수의 공급유량이 감소하면 그에 따라 펌프에 의한 소비동력이 지수함수적으로 감소하는 경향을 살펴볼 수 있다.
여기서, 난방순환수의 공급온도와 공급유량은 서로 반비례관계에 있다. 즉, 공급온도를 증가시키면 그에 따라 공급유량을 감소시킬 수 있고, 공급유량을 감소시키면 그에 따라 공급유량을 증가시킬 수 있다.
따라서, 도 2 및 도 3에 도시된 결과에 의하면, 난방시스템의 운전조건에 대해 난방순환수의 공급온도를 높이고 유량을 감소시키면 도 3에 도시된 바와 같이 소비동력은 감소시킬 수 있으나, 도 2에 도시된 바와 같이 열손실율이 급격히 증가하게 된다.
반대로, 난방시스템의 운전조건에 대해 난방순환수의 공급온도를 낮추고 유량을 증가시키면 도 2에 도시된 바와 같이 열손실율을 감소시킬 수 있으나, 도 3에 도시된 바와 같이 소비동력이 급격하게 증가한다.
따라서, 본 발명에 의한 운전제어조건 산출방법은 난방순환수의 공급온도와 공급유량에 따라 열손실율 및 소비동력을 최소화함으로써 최적의 공급조건을 산출하는 방법을 제안한다.
본 발명에 의한 운전제어조건 산출방법은 도 4에 도시된 바와 같이 중앙집중식 난방 시스템을 운용함에 있어서 요구되는 운전제어조건을 산출하기 위한 것이다.
열공급부(10)에서 공급되는 열은 배관라인(11)을 통해 각 수요처(13)로 공급되고, 상기 배관라인(11)에는 공급수의 유량에 따라 공급수를 공급하는 순환펌프(15)가 연결된다. 그리고, 상기 배관라인(11) 중 수요처(13)로 공급되기 이전의 배관라인 및 공급된 이후의 배관라인에는 각각 온도계(17)가 연결됨으로써, 사용자시설(13)로 공급되기 이전의 공급온도(Ts)와 이후에서의 공급온도(Tr)를 측정할 수 있다.
일반적으로 수요처(13)에서 난방에 요구되는 열량, 즉 난방을 위해 공급되어야 하는 열량은, 아래의 수학식 1에 기재된 바와 같이 난방순환수의 공급 및 귀환 온도차와 난방순환수의 공급유량을 곱한 값에 비례한다.
Figure pat00010
(q : 난방수행에 따른 공급열량, Q : 난방순환수의 공급유량, Cv : 난방순환수의 정압비열, Ts : 난방순환수의 공급온도, Tr : 난방순환수의 귀환온도)
본 발명에 의한 운전제어조건의 주요 인자인 수요처(13)에 대한 난방순환수 공급온도와 외기온도의 차에 따른 배관열손실율(HL)은 각 수요처 배관라인에서 측정된 결과에 의해 얻어지며, 이는 아래의 수학식 2에서와 같이 난방순환수의 공급온도와 외기온도의 차(Ts)에 의한 함수로 표현된다.
Figure pat00011
수학식 2에 기재된 함수는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 공급온도 또는 귀환온도와 외기온도와의 관계에 의해 결정되며, 이러한 관계는 각 사용자시설의 배관라인의 특성 및 기타 요인들에 의해 결정되는 특이함수이다.
그리고, 운전제어조건에 영향을 미치는 유량에 따른 펌프 소비동력(P) 변화관계는 난방시스템에 채택된 배관라인의 형태와 순환펌프의 운전특성에 따라 상이하다. 즉, 도 7에 도시된 바와 같이 펌프 소비동력(P)의 변화관계는 펌프의 개별적인 운전특성에 따라 변경되는 특이함수로서 아래의 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure pat00012
난방 운전 개시 직후에는 기존과 동일한 방법으로 제어를 수행하는데, 예를 들어, 미리 설정한 초기 공급온도로 난방순환수를 공급하고, 공급유량은 차압밸브 등을 이용하여 바이패스시키거나 인버터를 이용한 변유량 제어 등의 방법에 의해 자동으로 제어량을 결정한다.
그리고, 난방시스템에 대한 운전조건을 산출하고자 하는 시점에서 난방순환수의 공급온도, 공급유량 및 귀환온도를 수학식 1에 대입하여 공급열량(q)를 결정한다.
상기에서 계산된 공급열량(q)과 난방순환수의 귀환온도(Tr)를 다시 수학식 1에 대입하여 난방순환수 공급온도(Ts)와 공급유량(Q) 사이의 관계식을 수립하면 아래의 수학식 4와 같다.
Figure pat00013
여기서, 열요금 및 전기요금의 차이와 이들 에너지원별 생산에 따른 변환효율 등을 무시하면, 동일한 난방공급열량, 즉 난방부하에서 배관계통에서의 열손실율(HL)과 난방순환펌프의 소비동력(P)의 합이 최소가 될 때, 난방열의 운반에 필요한 에너지 손실도 최소가 되므로 아래의 수학식 5를 통해 난방순환수의 공급온도(Ts)를 산출할 수 있다.
Figure pat00014
상기 수학식 5는 난방순환수의 공급온도(Ts)에 대한 함수로 정의되므로 P+HL의 최소값을 형성할 때의 Ts를 산출함으로써 난방순환수의 공급온도를 산출할 수 있다.
또는, 단순히 동일한 난방공급열량, 즉 난방부하에서 배관계통에서의 열손실율(HL)과 난방순환펌프의 소비동력(P)이 동일할 때의 난방순환수 공급온도(Ts)는 아래의 수학식 6에 의해 결정된다.
Figure pat00015
위와 같이 난방순환수의 공급온도(Ts)가 설정되면, 미리 설정한 초기 공급온도를 상기에서 구한 난방순환수의 공급온도(Ts)로 대체한 후, 이후 과정을 반복수행함으로써 최종 난방순환수의 공급온도(Ts)를 산출할 수 있다.
만약, 열요금과 전기요금의 차이를 고려하여 운전조건을 산출하기 위해서는, 하나의 에너지원에 대한 다른 에너지원의 가중 환산계수를 적용하여 아래의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00016
(α: 단위당 전력요금에 대한 열요금의 배수)
상기와 같이 산정되는 난방시스템 운전조건에 따른 소비동력 및 배관열손실에 대한 변화에 대한 일 예가 아래의 표 1에 기재되어 있다.
Figure pat00017
상기 표 1에 의하면, 기준온도 44도를 기준으로 공급온도의 변화에 따른 소비전력의 증감비 및 배관열손실의 증감비를 살펴볼 수 있다.
그리고, 도 8에는 난방순환수의 공급온도(Ts)와 공급유량(Q) 및 그에 따른 펌프의 소비동력(P)과 배관열손실(HL)의 상관관계가 도시되어 있다. 도 8에 의하면, 최종 공급유량(Q)은 공급온도(Ts)에 종속되는 함수로 표현됨을 알 수 있다. 즉, P+HL의 최소값에 의해 공급온도(Ts)를 결정하면, 상기 공급온도(Ts)에 의해 공급유량(Q)도 결정됨을 알 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
상기에서 설명한 중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법은 난방 시스템을 운용하는 중앙관리소에 의해 실시될 수 있으며, 보다 구체적으로 난방 공급수의 온도를 결정하고 공급 유량을 결정하는 제어장치에 의해 구현될 수 있음은 당업자라면 누구라도 이해될 수 있는 것이다.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
10 : 열공급부 11 : 배관라인
13 : 수요처 15 : 순환펌프
17 : 온도계

Claims (11)

  1. 중앙집중식 난방시스템의 운전제어조건을 산출하는 방법에 있어서,
    각 사용자 시설에 공급하는 난방순환수의 공급온도 또는 공급유량에 따른 열손실율 및 소비동력을 최소화하도록 상기 난방순환수의 공급온도 및 공급유량을 결정하는
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 난방순환수의 공급온도 및 공급유량은
    상기 난방순환수의 공급온도와 공급유량의 반비례관계에 의해 결정되는 열손실율 및 소비동력을 최소화하도록 결정되는
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
  3. 제2항에 있어서,
    기설정된 초기 공급온도 및 상기 초기 공급온도에 의해 자동으로 결정되는 공급유량에 따라 공급열량을 계산하고,
    상기 계산된 공급열량과 상기 난방순환수의 귀환온도에 의해 상기 난방순환수의 공급온도와 공급유량 사이의 관계식을 수립하고,
    상기 난방순환수의 공급온도와 공급유량 사이의 관계식을 이용하여 열손실율과 소비동력의 합이 최소가 되는 난방순환수 공급온도를 구하고,
    상기 난방순환수 공급온도에 의해 상기 공급유량을 결정하는
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 공급열량은
    상기 기설정된 초기 공급온도 및 상기 초기 공급온도에 의한 제어를 통해 자동으로 결정되는 공급유량 및 귀환온도에 따라
    [수학식 1]
    Figure pat00018

    (q : 난방수행에 따른 공급열량, Q : 난방순환수의 공급유량, Cv : 난방순환수의 정압비열, Ts : 난방순환수의 공급온도, Tr : 난방순환수의 귀환온도)
    에 의해 계산하는
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 난방순환수의 공급온도와 공급유량 사이의 관계식은
    상기 난방시스템에 대한 운전조건을 산출하고자 하는 시점에서 난방순환수의 공급온도, 공급유량 및 귀환온도를 수학식 1에 대입하여 공급열량(q)를 결정하고,
    상기 공급열량(q)과 상기 난방순환수의 귀환온도(Tr)를 다시 수학식 1에 대입함으로써 수립되고, 상기 관계식은
    [수학식 4]
    Figure pat00019

    로 표현되는
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열손실율과 소비동력의 합이 최소가 되는 난방순환수 공급온도는
    [수학식 2]
    Figure pat00020
    와(HL : 열손실율),
    [수학식 3]
    Figure pat00021
    과(P : 소비동력),
    상기 수학식 4에 의해 결정되는
    [수학식 5]
    Figure pat00022

    의 값이 최소가 될 때의 난방순환수의 공급온도(Ts)인
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 열손실율(HL)은
    상기 난방시스템의 배관라인의 특성에 따른 난방순환수의 공급온도에 대한 함수인
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 소비동력(P)은
    상기 난방시스템에 적용되는 순환펌프의 특성에 따른 난방순환수의 공급유량에 대한 함수인
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 열손실율과 소비동력이 같을 때의 난방순환수 공급온도는
    [수학식 2]
    Figure pat00023
    와(HL : 열손실율),
    [수학식 3]
    Figure pat00024
    과(P : 소비동력),
    상기 수학식 4에 의해 결정되는
    [수학식 6]
    Figure pat00025

    에 의해 결정되는
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 열손실율(HL)에 의한 소요금액과 상기 소비동력(P)에 의한 소요금액의 비가 HL : P = α : 1 이면,
    상기 수학식 6은
    [수학식 7]
    Figure pat00026

    로 대체되는
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
  11. 제6항에 있어서,
    상기 난방순환수의 공급유량은
    상기 수학식 5에 의해 결정되는 공급온도를 수학식 4에 대입함으로써 결정되는
    중앙집중식 난방 시스템에 대한 운전제어조건 산출방법.
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