KR20130089111A - 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법 - Google Patents

지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법 Download PDF

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김용은
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임용훈
정익희
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한국에너지기술연구원
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Abstract

본 발명의 목적은 복잡한 계산을 요하지 않고 간단한 계산을 사용하면서도 효과적으로 열손실을 평가할 수 있도록 하는, 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법을 제공함에 있다.
본 발명에 의한 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법은, 상수값인 상기 배관 총 열전달계수(U), 상기 배관 총 방열면적(A)과, 변수값인 공급열량(Q), 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T), 상기 시간 간격(t)을 사용하여 무차원수(Π)를 산출하고, 산출된 상기 무차원수(Π)의 정비례식으로 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실률(q)을 산출하는 것을 특징으로 한다.

Description

지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법 {Estimating method for heat loss of secondary pipeline for district heating of apartment complex}
본 발명은 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법에 관한 것이다.
지역난방(district heating)이란 일정 지역에 있는 아파트와 빌딩, 상가 등 건물에 유류, 가스보일러 등과 같은 개별 열 생산 시설을 갖추는 대신 열 병합 발전소, 열 전용 보일러, 쓰레기 소각로 등과 같은 집중된 대규모 열 생산 시설을 갖추고, 이러한 열 생산 시설에서 생산된 열(온수)을 지하에 매설된 열 배관을 통하여 일괄적으로 공급하는 난방 방식을 말한다. 개별난방 방식은 각 가구에서 원하는 대로 온도를 조절할 수 있어 편의성이 높은 장점이 있는 반면, 지역난방 방식은 장치가 대규모로 되기 때문에 개별난방 방식에 비하여 일반적으로 열원비가 훨씬 저렴해지는 경제적 장점이 있다. 한편, 지역난방의 전체적인 시스템은 크게는 열생산시설, 열수송시설, 열사용시설, 이 세 가지로 나눌 수 있다. 이 때, 열생산시설로부터 지역난방열을 공급받는 혹은 지역난방을 사용하는 공동주택은 열사용시설에 해당하며, 이 공동주택에 구비되는 배관은 (열생산시설과 대응하여) 2차측이라고 통상 칭하여진다.
이처럼 지역난방의 높은 경제성 효과 때문에 현재 많은 건물에서 지역난방 방식을 채택하여 난방을 수행하고 있다. 그런데, 열의 수요에 비해 열을 보내는 배관망이 길어질 때에는 불리해지는 문제점이 있다. 즉, 열원에서 목표 지점까지 열(온수)이 이동하는 과정에서 배관에서 열손실이 발생되는데, 이 거리가 길어질수록 열손실량이 늘어나 건물 전체적인 열효율이 떨어지게 되는 문제점이 있는 것이다.
이처럼 지역난방에서 배관에서 발생되는 열손실에 의하여 열효율이 떨어지는 문제점을 해결하기 위하여, 다양한 각도에서 여러 기술이 개발되어 왔다.
한국특허공개 제2011-0109041호(2011.10.06, "지역난방 네트워크 최적 공급온도 결정 방법")에서는, 과거 지역난방 네트워크의 공급온도, 대기온도, 연계열량 및 시간을 변수로 사용하여 역전달 방식(backpropagation method)로서 주어진 운전 조건에서 공급유량을 예측 할 수 있는 신경망 모델(neural network model)을 수립한 후, 이를 기반으로 하여 최적화 기법을 활용하여 허용 최소 공급온도를 결정하는 방법을 개시하고 있다. 또는, 한국특허공개 제2011-0109039호(2011.10.06, "지역난방 네트워크의 고급 프로세스 제어 방법")에서는, 플랜트 테스트(plant test)를 통한 실제 운전 데이터로부터 제어 대상의 지역난방 네트워크의 각 크리티컬 포인트(critical point)별 제어 변수의 파라미터를 구하고, 이를 이용하여 각 크리티컬 포인트별 제어 모델을 수립한 후, 이들을 연결하여 시뮬레이션 시스템을 구성하여 시뮬레이션을 수행함으로써 지역난방 네트워크의 열효율을 증가시키도록 하는, 지역난방 네트워크의 고급 프로세스 제어 방법을 개시하고 있다.
상술한 바와 같은 종래의 지역난방 제어 방법에 관한 기술들에서도 나타나고 있듯이, 지역난방에서의 열효율을 정확하게 계산하는 것은 매우 어려운 일이다. 현재 배관 열손실을 평가하기 위해 일반적으로 사용되는 상용 소프트웨어 등의 경우에도, 적용 대상 건물에 따라 달라지는 시스템 배관 정보에 따라 시스템 모델링을 다시 해야만 하며, 각 세대별로 사용되는 난방과 급탕에 대한 유량 정보가 필요하다. 이와 같이 시스템 전체 배관 정보, 시시각각으로 변화하는 유량 정보를 포함하는 방대한 양의 데이터를 이용하여 시뮬레이션을 해야만 하기 때문에, 시뮬레이션 계산 결과를 얻을 때까지 걸리는 시간이 매우 길어진다. 또한 이처럼 복잡한 계산을 수행할 수 있도록 하기 위해 다양하고 난해한 알고리즘을 사용하여야만 하므로, 이러한 시뮬레이션 툴은 상당히 고가가 되며, 이러한 툴을 잘 이용할 수 있기 위해서는 해당 툴에 대하여 전문적인 지식을 습득한 인력이 필요하다.
이처럼 종래의 지역난방 공동주택 2차측 배관에서의 열손실을 평가하기 위해서는, 복잡한 시뮬레이션이 이루어져야만 하는 문제 때문에 많은 시간, 비용, 인력 등의 자원이 낭비되는 문제가 있었다.
1. 한국특허공개 제2011-0109041호(2011.10.06, "지역난방 네트워크 최적 공급온도 결정 방법") 2. 한국특허공개 제2011-0109039호(2011.10.06, "지역난방 네트워크의 고급 프로세스 제어 방법") 3. 한국특허공개 제2011-0032474호(2011.03.30, "지역난방 시스템의 열에너지 공급 제어 방법") 4. 한국특허공개 제2011-0032477호(2011.03.30, "대표세대 모니터링에 의한 열에너지 공급 방법")
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 복잡한 계산을 요하지 않고 간단한 계산을 사용하면서도 효과적으로 열손실을 평가할 수 있도록 하는, 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법은, a) 지역난방 공동주택 2차측 배관의 총 열전달계수(U) 및 총 방열면적(A)이 산출되는 단계(S100); b) 미리 결정된 시간 간격(t) 동안, 공급열량(Q) 및 외기 온도와 배관 내를 유통하는 열매체 온도 간의 온도차(T)가 측정되는 단계(S200); c) 상수값인 상기 배관 총 열전달계수(U), 상기 배관 총 방열면적(A)과, 변수값인 공급열량(Q), 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T), 상기 시간 간격(t)을 사용하여 무차원수(Π)가 산출되는 단계(S300); d) 산출된 상기 무차원수(Π)의 정비례식으로 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실률(q)이 산출되는 단계(S400); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법은 상기 시간 간격(t)마다 상기 b) 내지 d) 단계들이 순차적으로 반복 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법은 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실률(q)이 하기의 무차원수(Π)의 비례식으로 산출되는 것을 특징으로 한다.
Figure pat00001
(여기에서, q: 열손실률, C: 비례상수, Π: 무차원수, Q: 공급열량, U: 배관 총 열전달계수, A: 배관 총 방열면적, T: 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차, t: 시간 간격)
또한, 상기 공급열량(Q) 및 상기 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T)는 상기 시간 간격(t)에 대한 평균값으로 계산되는 것이 바람직하다.
본 발명에 의하면, 종래에 지역난방 공동주택 2차측 배관에서의 열손실을 평가하기 위하여 시스템 전체 배관 정보, 유량 정보 등의 방대한 데이터를 사용하여 복잡한 계산을 통한 시뮬레이션을 해야 했던 것과는 달리, 무차원상수를 도입함으로써 단순화된 계산이 가능하게 하는 장점이 있다. 이와 같이 평가 과정이 단순화됨으로써, 본 발명에 의하면 열손실 평가에 걸리는 시간, 인력, 비용 등의 자원이 크게 단축되는 장점이 있다. 또한 빠르게 얻어지는 신뢰성 높은 데이터를 이용하여 평가된 건물과 유사한 구조의 다른 건물에 쉽게 적용하는 등의 활용이 가능하다.
뿐만 아니라 본 발명에 의하면, 종래의 시뮬레이션 방식 등과 같은 복잡한 방법에 비하여 훨씬 빠르게 계산이 가능하기 때문에, 열손실률의 실시간 모니터링 또한 가능하게 되는 큰 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법의 흐름도.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
앞서 설명한 바와 같이, 지역난방에서 배관에서 발생되는 열손실에 따라 전체 시스템의 열효율이 큰 영향을 받기 때문에, 지역난방 공동주택 2차측 배관에서의 열손실을 평가하는 것은 매우 중요하다. 그러나 종래에는 이를 평가하기 위하여 전체 시스템 배관 정보를 모델링하고, 시시각각으로 변화하는 유량 정보 등을 사용하여 매우 복잡한 계산을 통해 시뮬레이션을 수행하여야만 했기 때문에, 이러한 부분에서의 시간, 비용, 인력 등의 자원이 상당히 낭비되는 문제가 있었다.
본 발명에서는 이러한 문제를 해소하기 위하여, 가능한 한 단순하고 쉬운 계산을 하면서도 신뢰성 높은 데이터를 얻을 수 있는 열손실 평가 방법을 제시한다. 본 발명의 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법을 개념적으로 설명하자면 다음과 같다. 본 발명의 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법은, 다양한 실험 및 데이터의 분석을 통하여 배관 열손실률에 가장 직접적인 영향을 끼치는 상수 및 변수들을 도출하고, 이를 이용하여 무차원수를 산출하며, 상기 무차원수를 이용하여 열손실률을 평가하는 것을 특징으로 한다.
본 출원인은 본 발명의 열손실 평가 방법을 도출하기 위한 다양한 실험 및 데이터 분석을 통하여, 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실률에 가장 직접적인 영향을 끼치는 파라미터들이 배관 총 열전달계수(U), 배관 총 방열면적(A), 공급열량(Q), 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T), 시간 간격(t)이라는 결론을 도출하였다. 도 1을 통해 이를 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다.
먼저, 도 1에 도시된 바와 같이 먼저 평가하고자 하는 대상인 건물에 대하여 a) 지역난방 공동주택 2차측 배관의 총 열전달계수(U) 및 총 방열면적(A)이 산출된다(S100). 이 때 상기 대상 건물의 배관 정보 자체는 변화하는 것이 아니므로, 이와 같이 산출된 상기 배관 총 열전달계수(U), 상기 배관 총 방열면적(A)은 한 번 산출하고 나면 이후 계속 사용할 수 있는 상수값이다. 또한, 본 발명에서는 총 열전달계수 및 총 방열면적을 산출하는 것이기 때문에, 배관 형태를 모델링하는 등의 복잡한 작업을 할 필요가 없어, 종래에 비해 이러한 준비 과정에서만도 작업 시간이 훨씬 단축될 수 있게 된다.
다음으로, b) 미리 결정된 시간 간격(t) 동안, 공급열량(Q) 및 외기 온도와 배관 내를 유통하는 열매체 온도 간의 온도차(T, 식으로 나타내자면 T = 외기 온도 - 열매체 온도)가 측정된다(S200). 여기에서의 상기 시간 간격(t)은 사용자가 원하는 대로 설정할 수 있는데, 예를 들어 1일, 1주, 1달 등과 같이 적절하게 설정할 수 있다. 일반적으로 잘 알려져 있는 바와 같이 지역난방에서는 대형 보일러나 발전소, 소각로 등과 같은 하나의 집중 열원이 존재한다. 또한, 대부분의 경우 이와 같은 열원에 의하여 가열된 온수가 배관을 통해 각 가구로 공급됨으로써 가구별 난방이 수행되는 과정에서, 배관으로부터 얼마간의 열량이 외기로 손실되어 빠져나가게 된다. 따라서 이 두 변수를 측정함으로써 열손실률의 파악이 가능하게 될 것이라는 것을 잘 알 수 있다. 상기 공급열량(Q)은 상술한 바와 같은 열원에서 발생되는 열량을 측정하기만 하면 되며, 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T) 역시 적절하게 분배 설치된 온도 센서 등을 이용하여 쉽게 측정할 수 있다. (참고로 여기에서의 열매체 온도란, 열생산시설로부터 지역난방 공동주택 2차측 배관으로 공급되는 온수의 온도를 말하는 것으로, 단일 건물에 대하여 단일 개의 데이터가 얻어지게 된다.)
이 때, 상기 공급열량(Q) 및 상기 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T)는 당연히 시시각각으로 변화하는 값으로, 예를 들어 1일 중에도 낮-밤 간의 외기 온도차, 각 개별 가구에 살고 있는 사람의 생활 패턴 등 수많은 조건에 따라 다양하게 변화할 가능성이 있다. 종래에는 이와 같은 복잡한 상황들을 모두 조건화하여 시뮬레이션을 수행해야만 했기 때문에, 시뮬레이션의 조건을 설정하는 것조차도 전문적인 지식을 가지는 인력이 아니면 수행하기 어려웠다. 또한 이러한 복잡한 시뮬레이션을 차질없이 수행할 수 있도록 하기 위해서, 매우 복잡하고 난해한 알고리즘들을 사용한 복잡한 시뮬레이션 툴을 사용해야만 하며, 이에 따라 시뮬레이션 툴(소프트웨어) 자체의 가격이 매우 고가를 형성하게 되었다.
본 발명에서는, 상기 공급열량(Q) 및 상기 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T)가 상기 시간 간격(t)에 대한 평균값으로 계산되도록 한다. 즉 본 발명의 방법에서는 단순히 평균값을 구하는 계산만 수행하면 되기 때문에 전문 지식을 가지는 인력이나 복잡한 계산을 수행하는 소프트웨어를 필요로 하지 않으므로, 시간, 인력, 비용 등의 자원의 낭비를 비약적으로 저감할 수 있다.
이처럼 어떤 미리 결정된 특정 시간 간격(t)에 대한 측정이 완료되면, c) 상수값인 상기 배관 총 열전달계수(U), 상기 배관 총 방열면적(A)과, 변수값인 공급열량(Q), 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T), 상기 시간 간격(t)을 사용하여 무차원수(Π)가 산출된다(S300). 이 때 상기 무차원수(Π)는, 버킹엄의 파이 정리를 이용하여 하기의 수학식 1으로 산출될 수 있다. (여기에서, Π: 무차원수, Q: 공급열량, U: 배관 총 열전달계수, A: 배관 총 방열면적, T: 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차, t: 시간 간격)
Figure pat00002
본 출원인은 이러한 본 발명의 방법을 통해 산출된 무차원수(Π)와, 현재 상용화되어 사용되고 있는 시뮬레이션 툴을 이용하여 산출된 열손실률(q) 값을 비교한 결과, 두 값 간에 정비례 관계가 도출됨을 확인하였다. 이에 따라, 본 발명의 열손실 평가 방법에서는 마지막으로, d) 산출된 상기 무차원수(Π)의 정비례식으로 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실률(q)이 산출된다(S400). 이 관계는 하기의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다. (여기에서, q: 열손실률, C: 비례상수) 여기에서의 비례상수 C 값은 실험적 및 통계적인 방법을 통하여 적절하게 결정이 가능하다.
Figure pat00003
이와 같이 어떤 하나의 시간 간격(t)에 대하여 무차원수(Π) 산출을 통한 열손실률(q) 산출이 완료되고 나면, 다음 시간 간격(t)에 대해서 다시 이 과정을 반복 수행함으로써 각 시간 간격(t)에 대한 열손실률(q) 데이터를 누적 관리할 수 있다. 즉, 본 발명의 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법에서는 상기 시간 간격(t)마다 상기 b) 내지 d) 단계들이 순차적으로 반복 수행되도록 할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 방법을 이용하여 산출된 무차원수(Π)와, 복잡한 시뮬레이션을 통해 산출된 열손실률(q) 값이 정비례 관계에 있다는 것으로부터, 본 발명의 방법으로 산출된 무차원수(Π)를 이용하여 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실을 상당히 높은 신뢰도로 평가할 수 있음을 알 수 있다. 만일 시뮬레이션을 해 보지 못하여 비례상수 C 값을 결정할 수 없다 해도, 상술한 바와 같이 시간 간격(t)마다 상기 무차원수(Π)를 구하여 누적 저장해 두고 그 추이를 분석함으로써 상기 무차원수(Π) 값만으로도 상대적인 열손실 평가를 할 수 있다.
이처럼 본 발명의 열손실 평가 방법은, 매우 간단한 계산을 통해 높은 신뢰도로 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실을 평가할 수 있게 해 주어, 고가의 장비나 시뮬레이션 툴에 드는 비용, 전문 지식을 가진 인력, 평가 과정에 드는 시간 등의 여러 자원을 크게 절약해 주는 큰 장점을 갖는다.
특히 본 발명의 열손실 평가 방법은, 상술한 바와 같이 간단한 계산을 통해 얻어지는 무차원수(Π)를 이용하여 열손실률(q)을 평가하므로 계산 시간이 종래의 시뮬레이션 방식 등과 같은 복잡한 방법에 비해 비약적으로 짧아진다. 이에 따라 본 발명을 이용하면, 시간 간격(t)을 짧게 하여 변수값인 공급열량(Q), 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T)를 실시간 측정하고, 실시간으로 상기 무차원수(Π)를 계산해 낼 수 있어, 궁극적으로는 열손실률(q)의 실시간 모니터링이 가능하게 된다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
S100~400: 본 발명의 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법의 각 단계

Claims (4)

  1. a) 지역난방 공동주택 2차측 배관의 총 열전달계수(U) 및 총 방열면적(A)이 산출되는 단계(S100);
    b) 미리 결정된 시간 간격(t) 동안, 공급열량(Q) 및 외기 온도와 배관 내를 유통하는 열매체 온도 간의 온도차(T)가 측정되는 단계(S200);
    c) 상수값인 상기 배관 총 열전달계수(U), 상기 배관 총 방열면적(A)과, 변수값인 공급열량(Q), 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T), 상기 시간 간격(t)을 사용하여 무차원수(Π)가 산출되는 단계(S300);
    d) 산출된 상기 무차원수(Π)의 정비례식으로 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실률(q)이 산출되는 단계(S400);
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법은
    상기 시간 간격(t)마다 상기 b) 내지 d) 단계들이 순차적으로 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법은
    지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실률(q)이 하기의 무차원수(Π)의 비례식으로 산출되는 것을 특징으로 하는 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법.
    Figure pat00004

    (여기에서, q: 열손실률, C: 비례상수, Π: 무차원수, Q: 공급열량, U: 배관 총 열전달계수, A: 배관 총 방열면적, T: 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차, t: 시간 간격)
  4. 제 1항에 있어서, 상기 공급열량(Q) 및 상기 외기 온도 및 열매체 온도 간 온도차(T)는
    상기 시간 간격(t)에 대한 평균값으로 계산되는 것을 특징으로 하는 지역난방 공동주택 2차측 배관의 열손실 평가 방법.
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