KR20220086925A - Pcm을 이용한 수도 시설의 동파를 억제하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 PCM을 이용한 수도 시설의 동파를 억제하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수도관 및 수도 계량기 등을 포함하는 수도 시설의 동파를 억제할 수 있는 PCM을 이용한 수도 시설의 동파를 억제하는 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명은, 수도관 및 수도 계량기를 포함하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법에 있어서, 상기 수도 시설의 외부 노출을 억제하도록 상기 수도 시설의 외측에 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 배치하는 배치단계를 포함한다.
이러한 본 발명은, 수도관 및 수도 계량기를 포함하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법에 있어서, 상기 수도 시설의 외부 노출을 억제하도록 상기 수도 시설의 외측에 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 배치하는 배치단계를 포함한다.
Description
본 발명은 PCM을 이용한 수도 시설의 동파를 억제하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수도관 및 수도 계량기 등을 포함하는 수도 시설의 동파를 억제할 수 있는 PCM을 이용한 수도 시설의 동파를 억제하는 방법에 관한 것이다.
서울시의 상수도시스템은 고종황제의 명에 의해 미국인 콜브란(C.H.Collbran)과 보스트(H.R.Bostwick)가 설계한 뚝도 정수장이 1908년 9월 1일 준공되면서 시작되었으며, 당시 상수도 시설의 설치는 먹는 물의 위생적 관리로 수인성 전염병 등을 예방하여 시민 건강에 크게 기여하였다. 이후 서울시 인구의 폭발적인 증가와 생활수준 향상의 요구에 따라 추가적인 정수장 건설 등 인프라 구축 및 수질검사 항목을 늘리는 등 양적 ?? 질적 성장을 거듭하여, 현재는 6개 아리수 정수센터에서 오존과 숯으로 고도 정수 처리된 상수도를 1일 평균 320만 톤씩 서울시 전역에 공급해오고 있다.
상수도 시스템의 양적 ?? 질적 성장에 따라 다양한 효과와 함께, 수질 ?? 누수 ?? 동파 등의 몇 가지 문제점 또한 사회적 문제로 제기되었다. 이와 같은 문제점 중 수질관리의 경우 수질검사 항목을 현재 171가지로 까다롭게 관리하면서 상수도 수질에 대한 만족도가 매우 높아져 수질에 대한 민원은 거의 제기되지 않고 있으며, 누수 또한 각종 자동탐지장치의 설치 및 청음봉, 누수 판별봉 등을 통하여 과학적이고 체계적인 탐지 시스템을 구축하여 누수 최소화를 위한 노력을 하고 있다.
그러나 동파의 경우 상수도 시스템이 시작된 이래 현재까지 지속적인 사회적 문제로 대두되고 있다. 특히 최소 생활 단위인 가정으로 공급되는 수도계량기의 동파는 동파된 계량기 등이 복구되기 전까지 생활용수 및 난방용수를 사용할 수 없게 되어 정상적인 생활을 제한받게 되어 정상적인 생활을 영위할 수 없게 되며, 특히 시간적 ?? 금전적 여유가 없는 저소득층 및 사회취약계층의 경우 피해복구 및 대비에 취약할 수밖에 없어 피해의 정도가 더욱 크게 발생한다.
특히, 국민권익위의 결정에 따라 2014년부터 수도사업자가 동파에 대한 비용을 부담하는 것으로 수도조례가 변경되면서, 서울시에는 수도 계량기 동파를 방지하기 위한 시민홍보 및 동파 예보제, 시민 아이디어 모집 등 수도 계량기 동파율을 줄이기 위해 다양한 노력을 하고 있다.
한편, 종래의 기술인 공개특허 제10-0584654호(이하 종래기술)는 상수도 파이프 동파 방지장치에 관한 것으로 보다 상세하게는 지하에 매설되는 상수도 파이프의 외주면에는 반원형의 한쌍의 보온판넬을 착설시키고, 상기 보온판넬의 내부에는 보온오일파이프를 삽설시키며, 상기 보온오일파이프는 지상에 설치되는 태양열집열판에 구비된 오일순환파이프를 통해 집열오일관에 연결되고, 상기 집열오일관에 있는 오일이 태양열에 의해 가온되면 오일순환파이프에 의해 강제로 순환되어 보온판넬의 보온오일파이프로 공급되므로 보온판넬에 의해 감싸여진 상수도 파이프가 보온이 되어 상수도관의 동파를 방지하는 효과를 가지는 것이다.
그러나 이러한 종래기술은 고가의 태양광 패널의 장비가 요구되며, 지상에 상기 태양광 패널이 설치되는 공간이 요구되고, 태양광을 이용하기 때문에 야간 또는 날씨가 흐린 날에 상수도 파이프를 효과적으로 보온할 수 없으며, 상수도 파이프의 온도에 따라 동파 방지장치를 구동시킬 수 없어 효율적이지 않다는 등의 문제점이 있었다.
본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 수도 시설의 동파를 억제할 수 있는 PCM을 이용한 수도 시설의 동파를 억제하는 방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 태양광 패널과 같이 고가의 장비가 필요하지 않고, 태양광 패널과 같이 크기가 큰 장비의 설치 공간이 요구되지 않으며 수도 시설의 동파를 억제할 수 있는 PCM을 이용한 수도 시설의 동파를 억제하는 방법을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 흐린 날씨, 야간에도 수도 시설의 동파를 억제할 수 있는 PCM을 이용한 수도 시설의 동파를 억제하는 방법을 제공하고자 한다.
상기 과제의 해결을 목적으로 하는 본 발명은 다음의 구성 및 특징을 갖는다.
수도관 및 수도 계량기를 포함하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법에 있어서, 상기 수도 시설의 외부 노출을 억제하도록 상기 수도 시설의 외측에 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 배치하는 배치단계를 포함한다.
또한 상기 상변화물질은 파라핀(Paraffin)계일 수 있다.
또한 상기 상변화물질은 상변태 온도가 -3℃ 내지 -20℃가 되도록 운데칸(Undecane), 도데칸(Dodecane), 트리데칸(Tridecane), 테트라데칸(Tetradecane), 펜타데칸(Pentadecane), 헥사데칸(Hexadecane), 헵타데칸(Heptadecane), 옥타데칸(Octadecane), 노나데칸(Nonadecane) 및 에이코산(Eicosane) 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한 상기 배치단계 이전에, 물에 상기 상변화물질을 첨가하고 상기 상변화물질을 분쇄하는 파쇄단계, 상기 물 및 상기 상변화물질의 혼합물에 합성수지를 첨가하여 캡슐을 형성하는 쉘 형성단계 및 상기 혼합물에서 상기 캡슐을 분리하는 분리단계를 포함하는 캡슐화단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 캡슐화단계는, 상기 분리단계 이전에 상기 혼합물을 소정의 시간 동안 상온에서 유지시키는 방치단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 배치단계 이전에, 파우치의 내측에 상기 캡슐을 채우고 상기 파우치를 밀봉하는 충진단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 배치단계는, 내측에 상기 캡슐이 채워진 상기 파우치로 상기 수도관을 감싸는 랩핑단계를 포함할 수 있다.
또한 상기 수도 계량기는 수도 계량기함의 내부공간에 수용되고, 상기 배치단계는, 상기 내부공간을 형성하는 상기 수도 계량기함의 내측면과 상기 수도 계량기 사이에 상기 캡슐이 채워진 상기 파우치를 배치시키는 설치단계를 포함할 수 있다.
상기 구성 및 특징을 갖는 본 발명은 수도 시설의 외부 노출을 억제하도록 수도 시설의 외측에 상변화물질을 배치하는 배치단계를 포함함으로써, 전력을 공급할 필요 없이 수도 시설의 동파를 억제할 수 있으며, 전력을 공급할 필요가 없어 전력원을 공급하는 태양광 패널과 같은 고가의 장비를 필요로 하지 않고, 태양광 패널과 같은 장비의 설치 공간을 필요로 하지 않으며, 흐린 날씨 및 야간에도 수도 시설의 동파를 효과적으로 억제할 수 있다는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 동절기에 수도 시설의 동파 방지를 억제함으로써, 노후한 주거 환경에 거주하는 사회 취약 계층을 포함하는 시민 생활수준 향상에 기여한다는 효과를 갖는다.
또한 본 발명은 동절기에 수도 시설의 동파 방지를 억제함으로써, 수도 시설의 동파로 인한 수도 관련 대비 및 비상급수 차량, 제설, 시설물 관리 등을 위한 행정(인)력의 절감을 도모할 수 있다는 효과를 갖는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수도 시설의 동파를 억제하는 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 2는 어느 하나의 수도관과 파우치가 둘러싸인 다른 하나의 수도관이 항온 챔버의 내측에 배치된 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 제1실험에서 수도관을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 스트레인 게이지가 부착된 수도관을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제2실험에서 수도 계량기함에 써모커플이 설치된 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 제2실험에서 상변화물질이 배치된 수도 계량기함과 상변화물질이 배치되지 않은 수도 계량기함을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제2실험의 결과를 나타내는 도면이다.
도 2는 어느 하나의 수도관과 파우치가 둘러싸인 다른 하나의 수도관이 항온 챔버의 내측에 배치된 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 제1실험에서 수도관을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 스트레인 게이지가 부착된 수도관을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 제2실험에서 수도 계량기함에 써모커플이 설치된 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 제2실험에서 상변화물질이 배치된 수도 계량기함과 상변화물질이 배치되지 않은 수도 계량기함을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 제2실험의 결과를 나타내는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 구현예(態樣, aspect)(또는 실시예)들을 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 구현예(태양, 態樣, aspect)(또는 실시예)를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, ~포함하다~ 또는 ~이루어진다~ 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 명세서에서 기재한 ~제1~, ~제2~ 등은 서로 다른 구성 요소들임을 구분하기 위해서 지칭할 것일 뿐, 제조된 순서에 구애받지 않는 것이며, 발명의 상세한 설명과 청구범위에서 그 명칭이 일치하지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수도 시설의 동파를 억제하는 방법의 개략적인 흐름도이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 수도 시설의 동파를 억제하는 방법(PCM을 이용한 수도 시설의 동파를 억제하는 방법)은 수도관(WP) 및 수도 계량기를 포함하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법에 관한 것으로, 이하의 설명에서는 설명의 편의상 '본 방법'이라 칭하기로 한다. 본 방법(수도 시설의 동파를 억제하는 방법)은 배치단계(S3)를 포함한다.
배치단계(S3)는 수도 시설의 외부 노출을 억제하도록 수도 시설의 외측에 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 배치하는 단계이다. 여기에서 외측은 수도 시설에서 외부를 향하는 측을 의미하는데, 수도 시설의 외측에 상기 상변화물질을 배치하여 수도 시설이 외부로 노출되는 것을 최대한 억제한다.
상변화물질은 주변의 온도변화에 따라 상(Phase)이 변할 때, 온도의 변화 없이 잠열(Latent heat)의 형태로 외부 요인 없이 능동적으로 열을 저장ㅇ방출할 수 있는 에너지 저장 물질이다. 일반적으로 상변화가 일어날 때 온도변화 없이 출입하는 열인 잠열(Latent heat)은, 상변화를 수반하지 않고 온도변화를 보이며 출입하는 열인 현열(Sensible heat)에 비해서 현저하게 높은 열량을 갖는다. 이 특징을 이용해서 높은 양의 열에너지를 저장하거나, 온도를 유지 시키는데 이용할 수 있다.
이러한 상변화물질은 자연계에서 얻을 수 있는 유기 또는 무기물질로 수천 종이 존재하고 있는 것으로 알려져 있는데, 미항공우주국(NASA)에서 우주 항공산업에 활용을 목적으로 실용화 가능한 물질에 대한 연구를 진행한 결과 약 100~200여종이 활용 가능한 재료로 파악되었으며, 연구결과를 바탕으로 다방면에서 실생활에 적용되고 있다.
현재 적용 가능하도록 개발된 PCM 물질들을 살펴보면 극저온 온도범위(-100℃ ~ -20℃)에는 알코올계열, 저온 온도범위(-65℃~0℃)에서는 파라핀류(paraffin), 공융화합물(eutectics) 그리고 상온~고온범위(0~167℃)에서는 폴리에틸렌글리콜(polyethylene glycol, PEG), 무기염수화물(Inorganic salt hydrates)등의 물질이 이용 가능하다.
이와 같이, 본 방법은 수도 시설의 외측에 상변화물질을 배치하는 배치단계를 포함함으로써, 태양광패널 등의 전력공급 장치 없이도 상변화물질의 잠열을 통해 수도 시설의 동파를 억제할 수 있다는 이점이 있다.
한편, 본 방법에서 상변화물질은 파라핀(Paraffin)계일 수 있다. 이와 같이, 본 방법에서 파라핀계의 상변화물질을 사용함으로써, 인체에 무해하다는 이점이 있다. 또한 파라핀계는 축열 및 방열량이 커 수도 시설의 동파를 보다 효과적으로 억제할 수 있고, 파라핀계는 탄소수에 따라 상변화 온도가 다양하여, 상변화물질의 상변태 온도를 조절하여 목적에 따라 본 방법을 다양하게 적용할 수 있다는 이점이 있다.
아래 표 1은 2012년 12월부터 2018년 02월까지(2014년 12월 ~ 2015년 02월은 데이터 없음) 서울시 정책지도 데이터베이스와 기상청 과거관측자료 데이터베이스를 근거로 하는 구간별 온도에 따른 수도 시설의 동파지점 개수(개소)를 나타낸 것이다.
[표 1]
위 표 1을 보면, 한파 일 수에 따라 수도 시설의 동파지점이 증가되는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 방법에서 상변화물질은 상변태 온도가 -3℃ 내지 -20℃가 되도록 운데칸(Undecane), 도데칸(Dodecane), 트리데칸(Tridecane), 테트라데칸(Tetradecane), 펜타데칸(Pentadecane), 헥사데칸(Hexadecane), 헵타데칸(Heptadecane), 옥타데칸(Octadecane), 노나데칸(Nonadecane) 및 에이코산(Eicosane) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 상변화물질의 상변태 온도는 -4℃ 내지 -15℃인 것이 바람직할 수 있다.
상기 표 1을 살펴보면, -10℃ 이하의 한파가 수도 시설의 동파 발생에 지배적인 영향을 미치고 있음을 확인할 수 있다.
또한 아래 표 2 및 표 3은 서울시 정책지도 데이터베이스와 기상청 과거관측자료 데이터베이스를 근거로 하는 것으로, 2017년 01월부터 02월까지 한파 발생일에 따른 수도 시설의 동파개소(건)를 나타낸 것이다. 표 2 및 표 3을 참조하면, -10℃ 이하의 온도가 3일차 지속될 때 동파 건수가 가장 크게 증대되는 것을 확인할 수 있다.
[표 2]
[표 3]
즉, 위의 표 1 내지 표 3을 참고하면, 한파가 지속됨에 따라 수도 시설의 동파건수는 증대되는 데, 특히 -10℃이하의 온도가 3일 이상 지속될 때 수도 시설의 동파 건수가 급격히 증가되므로, 상기한 상변화물질의 -10℃이하의 조건에서 수도 시설의 동결 시간을 수 시간 내지 수일 정도 연장할 수 있다면 수도 시설의 동파 발생 개소를 현저히 줄일 수 있는 것을 확인할 수 있다.
따라서 상기한 상변화물질은 상변태온도가 -5℃ 내지 -10℃가 되도록 운데칸(Undecane), 도데칸(Dodecane), 트리데칸(Tridecane), 테트라데칸(Tetradecane), 펜타데칸(Pentadecane), 헥사데칸(Hexadecane), 헵타데칸(Heptadecane), 옥타데칸(Octadecane), 노나데칸(Nonadecane) 및 에이코산(Eicosane) 중 하나 이상을 포함하는 것이 보다 바람직할 수 있다.
운데칸의 융점(상변태 온도)은 -25.6℃이고, 도데칸의 융점은 -12.0℃이며, 트리데칸의 융점은 -5.5℃이다. 테트라데칸의 융점은 5.5℃이다. 펜타데칸은의 융점은 10.0℃이다. 헥사데칸의 융점은 18.1℃이다. 헵타데칸의 융점은 22.0℃이다. 옥타데칸의 융점은 27.5℃이다. 노나데칸의 융점은 32.0℃이다. 에이코산의 융점은 36.5℃이다.
상기한 바와 같이 파라핀계는 탄소수에 따라 다양한 융점(상변태 온도)을 가지므로, 상변화물질의 성분 및 조성비를 달리하여 잠열 방출 온도를 조절할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 방법은 배치단계(S3) 이전에, 물에 상변화물질을 첨가하고 상변화물질을 분쇄하는 파쇄단계, 물 및 상변화물질의 혼합물에 합성수지를 첨가하여 캡슐을 형성하는 쉘 형성단계 및 상기 혼합물에서 상기 캡슐을 분리하는 분리단계를 포함하는 캡슐화단계(S1)를 포함할 수 있다.
예시적으로 파쇄단계는 뜨거운 물에 상변화물질을 투입하여 교반함으로써 상변화물질을 분쇄할 수 있다. 예시적으로 쉘 형성단계는 파쇄단계 이후의 혼합물에 합성수지를 첨가하여 교반함으로써, 합성수지가 파쇄된 상변화물질을 둘러싸며 쉘을 형성하도록 할 수 있다. 즉, 캡슐은 파쇄된 상변화물질을 합성수지가 둘러싸는 것일 수 있다. 분리단계는 통상적으로 사용되는 방식으로 수행될 수 있다. 상기 캡슐의 크기는 마이크로 크기인 것이 바람직할 수 있다.
이와 같이, 본 방법은 캡슐화단계(S1)를 포함함으로써, 상변화물질이 액상 등으로 상변태 하여도 유실되는 것을 억제할 수 있고, 가공이 보다 용이하다는 이점이 있다. 특히 종래에는 건축물 패널 등에 상변화물질을 적용할 때, 상변화물질을 석고 등의 고형화가 가능한 소재에 혼입하여 가공하였는데, 이러한 경우 수도 계량기를 수용하되 다양한 크기를 가지는 수도 계량기함(MB)에 유연한 적용이 어려운 문제점이 있었다. 그러나 본 방법에서 상변화물질을 포함하는 캡슐을 제조하는 캡슐화단계(S1)를 포함함으로써, 다양한 크기를 가지는 수도 계량기함(MB)에 적용할 수 있다는 이점이 있다.
상기한 캡슐화단계(S1)는 상기 분리단계 이전에 상기 혼합물을 소정의 시간 동안 상온에서 유지시키는 방치단계를 포함할 수 있다. 상기 방치단계는 쉘 형성단계 이후에 수행되는 것이 바람직할 수 있다.
상술하였듯이 상변화물질은 파라핀계일 수 있다고 하였는데, 파라핀계는 물보다 비중이 작아 상온에서 시간이 지남에 따라 물 위로 뭉쳐지며 떠오르게 된다. 따라서 본 방법에서 캡슐화단계(S1)가 방치단계를 포함함으로써, 혼합물에서 물과 캡슐을 용이하게 분리할 수 있기 때문에 분리단계가 보다 수월하게 수행될 수 있다는 이점이 있다.
후술하는 설명에서 보다 자세히 설명하겠지만 상기 캡슐은 후술하는 파우치(1)에 수용될 수 있는데, 캡슐이 건조되지 않은 상태에서 후술하는 파우치(1)에 수용될 경우 영하의 온도에서 캡슐에 부착되어 있는 물이 얼어 후술하는 파우치(1)의 부피를 크게 하거나 후술하는 파우치(1)를 손상시킬 수 있다. 이때 본 방법에서 캡슐화단계(S1)가 방치단계를 포함하기 때문에 캡슐의 건조 시간을 단축하고 캡슐의 건조를 보다 용이하게 수행하여 파우치(1)의 부피 상승을 억제하고 파우치(1)의 손상을 억제할 수 있다는 이점이 있다.
도 2는 어느 하나의 수도관과 파우치가 둘러싸인 다른 하나의 수도관이 항온 챔버의 내측에 배치된 상태를 도시한 도면이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 방법은 배치단계(S3) 이전에 파우치(1)의 내측에 상기 캡슐을 채우고 파우치(1)를 밀봉하는 충진단계(S2)를 포함할 수 있다. 충진단계(S2)는 상기한 캡슐화단계(S1) 이후에 수행되는 것이 바람직하다.
예시적으로 충진단계(S2)에서 파우치(1)에 채워지는 캡슐은 파우치(1)의 내측에서 어느 한 방향으로 쏠리는 것을 억제하도록 파우치(1)의 내측에 채워지는 것이 바람직하다. 이때 캡슐은 미세한 크기로서 파우치(1) 내측에서 캡슐간의 공간(기공) 사이로 이동할 수 있어 파우치(1)가 접힘 또는 수도관(WP) 등을 램핑할 수 있도록 형상이 변화할 수 있다.
이와 같이 본 방법은 충진단계(S2)를 통해 캡슐 팩(캡슐이 충진된 파우치(1))을 형성할 수 있기 때문에 수도관(WP)을 감쌀 수 있는 동시에 다양한 크기를 갖는 수도 계량기함(MB)의 내측에 배치시킬 수 있다는 이점이 있다. 즉, 본 방법은 충진단계(S2)를 포함함으로써 범용성이 향상된다는 이점이 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 배치단계(S3)는 내측에 캡슐이 채워진 파우치(1)로 수도관(WP)을 감싸는 랩핑단계를 포함할 수 있다. 이하에서는 영하의 조건에서 노출(외부 노출)된 수도관(WP)과 상변화물질이 충진 된 파우치(1)로 감싸진(외부 노출이 억제된) 수도관(WP)의 동결시간을 조사하여 상변화물질 적용 시(캡슐이 채워진 파우치(1)로 감싸진) 수도관(WP)의 동파 지연정도를 파악하는 제1실험에 대해 설명하기로 한다.
시중에 사용되는 수도관(WP)은 덕타일 주철관, 고밀도 폴리우레탄관, 내충격 수도관, 폴리에틸렌 에폭시 피복강관 등이 사용되는데, 벽체 매립형 수도 계량기의 경우 일반적으로 강관계열(폴리테틸렌 에폭시 피복강관과 가장 유사)이 설치된다.
서울시 정책지도 데이터베이스에 따르면 공동주택에 설치된 벽체매립형 수도계량기함체에서 동파가 가장 많이 발생된 것으로 확인되었다. 이는 '서울지역의 수도 계량기 동파방지방안 연구(건축도시연구정보센터, 2007)'의 연구결과로도 확인 할 수 있었다. 따라서 제1실험과 후술하는 제2실험에서 수도관(WP) 및 수도 계량기함(MB) 각각은 벽체 매립형 수도 계량기의 수도관과 벽체매립형 수도계량기 함체를 모사하여 수행하였다.
상기한 강관의 경우 동파가 발생되는 부위의 예측이 불가능하여 스트레인 게이지(SG)의 부착이 어렵기 때문에, 제1실험에서는 폴리염화비닐 수도관을 사용하여 플라스틱판으로 한 쪽의 개구된 부분을 막아 응력이 집중되게 함으로써 파손 부위를 예측가능하도록 하였다.
도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 양 측이 개구된 수도관(WP)에서 일 측(도 3의 좌측)에 개구된 부분을 PVC 전용 본드를 사용하여, 마감캡으로 밀봉한 후 수도관(WP)내에 수돗물을 가득 채우고 타 측(도 3의 우측) 개구된 부분을 PE계열 플라스틱판을 PVC 전용본드를 사용하여 밀봉하였다. 이를 통해 수도관(WP)과 플라스틱판이 결합된 부분이 수도관(WP)의 다른 부분에 비하여 상대적으로 취약하기 때문에 응력이 집중되고 따라서 플라스틱판 마감 부위에 스트레인 게이지(SG)를 부착하였다(도 4 참조). 상기한 과정으로 수도관(WP)이 2개 제작되었다.
서울시 정책지도 데이터베이스에 따르면 수도관(WP)의 전체 동파 발생횟수 11,491회 중 수도관(WP)의 관경이 15mm일 때 동파 발생횟수가 8,918회(77.6%)인 것으로 확인되어 수도관(WP)의 관경이 20mm, 25mm, 30mm, 32mm, 40mm, 50mm 일 때보다 많이 발생된 것으로 확인되었다. 또한 시중에서 15mm의 수도관(WP)이 벽체식 계량기 함체에 가장 많이 사용되는 것으로 조사되어 따라서 제1실험에서 수도관(WP)의 관경은 15mm로 채택하였다.
이후에 제1실험에서 28cm 길이의 파우치(1)(예시적으로 지퍼백)에 상변화물질 1kg을 투입한 뒤 고르게 펴서 균등한 두께로 수도관(WP)을 감쌌다(도 2 참조). 제1실험에서 사용된 상변화물질은 헵타데칸 및 테트라데칸을 포함하는 것으로, -5℃에서 동결이 시작되면서 약 영하 -8.7℃에서 동결이 완료된다(DSC(시차주사열량계) 분석 결과). 상기하였듯이 제1실험에서 파우치(1)의 길이가 28cm 이므로 수도관(WP)의 길이는 20cm인 것으로 하였다.
이후에 2개 중 어느 하나의 수도관(WP)과 2개 중 캡슐이 채워진 파우치(1)가 감싸진 다른 하나의 수도관(WP)을 상기 항온 챔버(CH)에 각각 배치하고 -15℃에서 유지하여 수도관(WP)의 동결발생시간을 확인하였다. 아래 표 4는 상기한 제1실험 조건에서 2개의 수도관(WP) 각각의 스트레인 게이지(SG)에 데이터 로거인 TC-32K 장비를 연결하여 2개 수도관(WP) 각각의 동파지연시간을 나타낸 것이다.
[표 4]
위 표 4의 시험편 항목에서 '비교시편'은 2개의 수도관(WP) 중 외부에 노출된 수도관(WP)을 나타내며, '상변화물질 보온'은 캡슐이 충진된 파우치(1)가 감싸진 수도관(WP)으로 외부의 노출이 억제된 수도관(WP)을 나타낸다.
위 표 4를 참조하면, 외부에 노출된 수도관(WP)은 동파지연시간이 43분이고, 캡슐이 채워진 파우치(1)로 감싸진 수도관(WP)의 동파지연시간은 457분으로써, 상변화물질로 외부의 노출이 억제된 수도관(WP)은 -15℃에서 외부에 노출된 수도관(WP) 대비 10.6배의 동결지연 효과가 있는 것을 확인할 수 있다.
제1실험은 빠른 실험 진행을 위해 -15℃에서 진행한 것을 감안할 때, 실제 -5℃ 내지 -10℃에서 실험이 진행된다면 외부에 노출된 수도관(WP)과 비교하여 보다 확실한 보온 효과를 기대할 수 있을 것이다.
도 1을 참조하면, 수도 시설의 수도 계량기는 수도 계량기함(MB)의 내부공간에 수용되고, 배치단계(S3)는 상기 내부공간을 형성하는 수도 계량기함(MB)의 내측면과 수도 계량기 사이에 캡슐이 채워진 파우치(1)를 배치시키는 설치단계를 포함할 수 있다.
이하에서는 상기 수도 계량기함(MB)의 내부에 캡슐이 채워진 파우치(1)의 설치 여부에 따른 수도 계량기함(MB)(수도 계량기함(MB)에서 파우치(1)보다 내측 공간)의 온도변화를 확인하는 제2실험에 대해 설명하기로 한다.
서울시 정책지도 데이터베이스에 따르면 공동주택에 설치된 벽체매립형 수도계량기함체에서 동파가 가장 많이 발생된 것으로 확인되었다. 이는 '서울지역의 수도 계량기 동파방지방안 연구(건축도시연구정보센터, 2007)'의 연구결과로도 확인 할 수 있었다. 따라서 제2실험에서 수도 계량기함(MB)은 벽체매립형 수도계량기 함체를 모사하여 수행하였다.
아래 표 5는 상용화되어 판매 중인 수도 계량기함체(A제품 내지 D제품)를 나타낸 것이다. 아래 표 5를 참조하면, 매립형 수도 계량기함체는 외함과 내함을 포함하고, 외함의 경우 스테인레스 재질로써 1.2mm 두께로 제작되고, 내함의 경우 합성수지 또는 방청 처리된 철제 함체로 제작되는 것을 확인할 수 있다. 특히 모든 수도 계량기함체 내부에는 약 10mm 두께의 내장 보온재 또는 스티로폼 형태의 보온재가 내장되어있는 것을 확인할 수 있다.
[표 5]
따라서 제2실험에서 상기 상용화되어 판매(시판)되는 수도 계량기함체의 1/2 크기의 모형(수도 계량기함(MB))을 제작하였다. 시판되는 수도 계량기함체는 스테인레스, 합성수지, 철제이지만 제2실험에서는 시판 중인 수도 계량기함체의 모형 함체인 수도 계량기함(MB)에 보온재(우레탄 폼)가 제대로 채워졌는지 확인하기 위해 투명한 아크릴판으로 제작하였다.
이후에 수도 계량기함(MB)(아크릴판 함체)에서 개구된 입구를 제외한 외측에 시판되는 수도 계량기함체의 보온재 역할을 수행하는 우레탄 폼을 형성시켰다(도 5 참조). 상기 수도 계량기함(MB)의 내부공간 중앙에 K-Type의 써모커플(TC)을 설치하였다. 상기 수도 계량기함(MB)의 내부공간에서 상기 써모커플(TC)이 설치되는 장소는 수도 계량기가 설치되는 장소일 수 있다. 상술한 제1실험과 같이 상변화물질 적용 유무에 따른 동파지연효과를 파악하기 위해 상기한 수도 계량기함(MB)을 2개 준비하였다.
2개의 수도 계량기함(MB) 중 어느 하나에는 입구 측에 상변화물질 500g이 채워지고 20mm의 균일한 두께를 가지는 파우치(1)(예시적으로 지퍼백)가 배치(입구를 폐쇄하도록 배치)되고, 덮개(MB1)를 통해 수도 계량기함(MB)의 입구를 폐쇄하도록 상기 파우치(1)의 외측에 배치하였다(도 6의 [A] 참조). 2개의 수도 계량기함(MB) 중 다른 하나에는 상변화물질을 배치하지 않고 덮개(MB1)를 통해 입구를 덮어 폐쇄했다(도 6의 [B] 참조).
제2실험에서 상변화물질의 조성비는 제1실험의 상변화물질의 조성비와 동일할 수 있다. 제1실험과 같이 제2실험에서 2개의 수도 계량기함(MB) 각각을 항온 챔버(CH)의 내측에 배치하였고 항온 챔버(CH)의 내측을 -10℃에서 약 28시간 동안 유지하였다. 제2실험에 사용된 온도 데이터 로거는 TES-1384를 사용하였고, 온도 측정 주기는 제1실험과 같이 1분으로 세팅하였다.
도 7은 제2실험의 결과를 나타낸 도면으로, 가로축은 시간을 나타내고 세로축은 온도를 나타낸다, 도 7에서 초록색 선은 대기의 시간에 따른 온도의 변화를 나타내고, 빨간색 선은 상변화물질이 배치되지 않은 수도 계량기함(MB)의 시간에 따른 온도 변화를 나타낸다. 파란색 선은 상변화물질이 배치된 수도 계량기함(MB)의 시간에 따른 온도 변화를 나타낸다.
제2실험의 결과를 도 7을 참조하여 설명하면, 2개의 수도 계량기함(MB) 중 상변화물질이 배치되지 않은 것은 약 5시간 50분 이후에 온도 하강이 완료(대기 온도와 비슷)된 것을 확인할 수 있다. 그러나 상변화물질이 배치된 수도 계량기함(MB)은 28시간이 지나서야 온도 하강이 완료(대기 온도와 비슷)된 것을 확인할 수 있다.
상변화물질이 배치된 수도 계량기함(MB)의 제2실험 결과를 보다 구체적으로 설명하면, Ⅰ구간(14:00~20:36)에서 대기의 온도가 급격히 감소됨에 따라 상변화물질이 배치되지 않은 수도 계량기함(MB)과 상변화물질이 배치된 수도 계량기함(MB)의 내부공간의 온도가 완만하게 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이때 상변화물질이 채워진 파우치(1)가 배치된 수도 계량기함(MB)의 온도(내부공간의 온도) 하강이 그렇지 않은 수도 계량기함(MB)의 온도 하강 보다 더욱 완만하게 이루어지는데 이는 캡슐이 채워진 파우치(1)가 단열재의 역할을 수행하기 때문이다.
Ⅱ구간(20:36~8:49)에서 상변화물질이 배치되는 수도 계량기함(MB)의 온도는 대기의 온도인 -10℃와 비슷해지는 반면에, 상변화물질이 배치된 수도 계량기함(MB)은 Ⅱ구간 초기에 Ⅰ구간 말기보다 오히려 온도가 증가되어 Ⅱ구간 전체에 걸쳐 약 -5℃보다 높은 온도를 유지하였다. 이는 상변화물질이 동결되면서 잠열을 방출한 것이 원인인데 수도 계량기함(MB)의 온도를 약 -5℃보다 높게 유지시킨 시간은 약 12시간 13분(약 20:36분 ~ 약 08시 49분)인 것으로 확인되었다.
Ⅲ구간(08:49~18:38)에서는 상변화물질이 배치된 수도 계량기함(MB)의 온도가 완만하게 하락하는데, 18:38분에는 상변화물질이 배치되지 않은 수도 계량기함(MB)의 온도와 비슷한 것을 확인할 수 있다. Ⅲ구간에서 상변화물질이 배치된 수도 계량기함(MB)의 온도가 완만하게 하락하는 이유는 상변화물질이 잠열 방출을 완료한 이후에도 단열재 역할을 지속적으로 수행하는 것으로 판단된다.
이와 같이 본 방법은 상변화물질을 이용하여 수도 시설의 동파 발생을 억제할 수 있다는 이점이 있다.
참고로, 캡슐이 채워지는 파우치(1)는 일반적으로 가요성을 부가하기 위해 수지 재질일 수 있으며, 장기간 사용됨에 따라 세균이 증식되어 수지 재질의 파우치(1)는 미생물에 의해 분해되어 손상이 발생될 우려가 있다.
뿐만 아니라 파우치(1)는 설치부터 유지보수 하는 과정에서 인체와 접촉될 경우 증식된 세균이 인체로 전파될 수 있어, 파우치(1)의 외면의 세균의 증식을 억제할 필요성이 요구된다.
따라서 파우치(1)는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로 외면에 구비되는 보호제를 포함할 수 있다.
보호제는 무기화합물 및 티트리 오일을 포함하는 살균제 100 중량부를 포함하는데, 무기화합물은 살균제로서 통상적으로 사용되는 것으로서, 예시적으로 황산구리, 산화아연, 붕산 등일 수 있다. 티트리 오일(Tea tree oil)은 티트리 잎과 잔가지에서 추출한 에센셜 오일로 박테리아, 진균류에 효과적으로 작용하는 것이다. 티트리 오일은 보호제의 용매로서 작용할 수 있다.
또한 보호제는 항균제를 포함할 수 있고, 예시적으로 항균제는 무기항균제인 제올라이트, 실리카겔, 인산칼??, 인산지르코늄 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
보호제는 4-디시안메틸렌-2-메틸-6-(p-디메틸아미노스티릴)-4H-피란(DCM), 6-프로피오닐-2-(디메틸아미노)나프탈렌(PRODAN) 및 N-메틸-2-니트로아닐린(NM2NA)을 포함하는 균반응제 20 중량부를 포함할 수 있다.
상기한 균반응제는 용매에 용해된 상태로 용매를 제1색상(예시적으로 청색)으로 유지시킨다. 이후에 상기 균반응제가 균, 미생물 등과 접촉할 경우, 제1색상의 용매를 약 10초 이내에 제2색상(예시적으로 무색)으로 변화시킨다.
균반응제는 상기 파우치(1)에서 균들이 있는 부분을 용매의 색상 변화를 통해 사용자가 인지할 수 있도록 하기 위한 용도로 사용되었으며, 균반응제가 20 중량부 미만일 경우, 균반응제가 균과 접촉 하여도 색상의 변화가 뚜렷하지 않고, 균반응제가 20 중량부를 초과할 경우 경제적이지 않다.
균반응제는 4-디시안메틸렌-2-메틸-6-(p-디메틸아미노스티릴)-4H-피란(DCM) 10 중량부 대비 6-프로피오닐-2-(디메틸아미노)나프탈렌(PRODAN) 5 중량부, N-메틸-2-니트로아닐린(NM2NA) 5 중량부가 포함되는 것이 바람직하다.
한편, 용매가 소량 휘발될 경우, 상기한 균반응제가 균과 접촉하여도 용매의 색상 변화 시간이 보다 오래 소요되며, 용매의 색상 변화의 차이가 크지 않고, 균반응제의 감도가 저하될 수 있다.
건식유지제는 균반응제의 상기한 문제 발생을 억제하기 위한 것으로, 균반응제가 세균과 접촉된 상태에서, 용매가 소량 휘발할 경우에도 상기한 균반응제의 감도와 색상 대비의 차이를 유지하고, 용매의 색상 변화 시간을 유지할 수 있다.
건식유지제가 1 중량부 미만일 경우, 용매가 소량 증발될 경우에 균반응제의 성능을 충분히 유지할 수 없다는 문제점이 있다.
건식유지제는 하이드록시프로필셀룰로오스-베타-사이클로덱스트린(hydroxypropyl-beta-cyclodextrin)을 포함한다.
균반응제는 염소산 나트륨, 염소, 황산나트륨 등과 같은 불순물과 접촉할 경우, 균과 접촉하지 않아도 색상이 변화될 수 있다.
선별향상제는 상기한 균반응제의 문제점을 극복하기 위한 것인데, 2,2 ', 5,5'- 테트라메틸벤지딘(Tetramethylbenzidin)은 무색의 상태에서 염소 또는 염소산 나트륨과 접촉하여 빨간색으로 변화하며, 전분과 요오드는 염소산염과 반응하여 흑색으로 변화한다.
예를 들어 선별향상제는 2,2 ', 5,5'- 테트라메틸벤지딘(Tetramethylbenzidin) 0.5 중량부 전분 및 요오드의 혼합물이 0.5 중량부를 포함할 수 있다.
상기 선별향상제가 1 중량부를 초과하는 경우 염소(또는 염소산 나트륨) 및 염소산염과 동시에 반응하였을 때 염소의 검출이 어려울 수 있으며, 상기 선별향상제가 1 중량부 미만일 경우, 염소 및 염소산염과 동시에 반응하였을 때 염소산염의 검출이 어려울 수 있다.
점도가변제는 시간이 흐름에 따라 보호제의 점도를 향상시키기 위한 용도로 사용되었다. 점도가변제는 예를 들어 보호제의 각 성분(상기 점도가변제를 제외한 성분)의 혼합 과정에서는 배제되어, 보호제의 점도를 낮게 유지함으로써 보호제에 포함되는 각 성분(상기 점도가변제를 제외한 성분)들이 혼합이 잘 이루어지도록 한다.
보호제의 혼합 이후에, 점도가변제가 첨가되고 점도가변제에 전단력이 발생되는 경우, 시간이 지남에 따라 점도가 향상되는데, 상기한 전단력은 분무 장치의 노즐과의 접촉 또는 파우치(1)와의 접촉 등에 의해 발생되는 것일 수 있다.
또한 공정 상 보호제의 각 성분이 혼합되는 과정에서 점도가변제가 첨가될 수도 있는데, 점도가변제는 시간이 흐름에 따라 점도가 증가하는 것으로 혼합 과정에서 초기에 보호제의 점도를 낮게 유지하여 혼합을 용이하게 하고 혼합 공정 이후에는 점도를 향상시키도록 해 보호제가 파우치(1)에 보다 쉽게 도포되도록 할 수 있다.
이와 같이, 점도가변제가 시간이 지남에 따라 보호제의 점도를 증가시킴으로써, 보호제가 파우치(1)에 도포된 상태에서 쉽게 흘러내리지 않게 되고, 따라서 보호제의 기능을 장시간 유지할 수 있다.
특히 보호제가 점도가변제에 의해 점도가 증가됨에 따라 파우치(1)와의 접촉력이 향상됨으로써, 보호제에 포함되어 있는 균반응제 또한 균과 장시간 용이하게 접촉할 수 있고, 따라서 파우치(1)에서 균이 증식된 부분을 보다 용이하게 파악할 수 있다.
파우치(1)에서 균반응제에 의해 색상이 변한 부분은 세균이 많이 있는 곳으로 인지되고, 이후에 세균이 많다고 파악되는 부분에 보호제를 더 도포하여 효과적으로 살균을 수행할 수 있다.
이상에서 첨부된 도면을 참조하여 설명한 본 발명은 통상의 기술자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
파우치: 1
수도관: WP
수도 계량기함: MB 덮개: MB1
항온 챔버: CH 스트레인 게이지: SG
써모커플: TC
수도 계량기함: MB 덮개: MB1
항온 챔버: CH 스트레인 게이지: SG
써모커플: TC
Claims (9)
- 수도관 및 수도 계량기를 포함하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법에 있어서,
상기 수도 시설의 외부 노출을 억제하도록 상기 수도 시설의 외측에 상변화물질(Phase Change Material, PCM)을 배치하는 배치단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 상변화물질은 파라핀(Paraffin)계인 것을 특징으로 하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법. - 청구항 2에 있어서,
상기 상변화물질은 상변태 온도가 -3℃ 내지 -20℃가 되도록 운데칸(Undecane), 도데칸(Dodecane), 트리데칸(Tridecane), 테트라데칸(Tetradecane), 펜타데칸(Pentadecane), 헥사데칸(Hexadecane), 헵타데칸(Heptadecane), 옥타데칸(Octadecane), 노나데칸(Nonadecane) 및 에이코산(Eicosane) 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 배치단계 이전에,
물에 상기 상변화물질을 첨가하고 상기 상변화물질을 분쇄하는 파쇄단계, 상기 물 및 상기 상변화물질의 혼합물에 합성수지를 첨가하여 캡슐을 형성하는 쉘 형성단계 및 상기 혼합물에서 상기 캡슐을 분리하는 분리단계를 포함하는 캡슐화단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법. - 청구항 4에 있어서,
상기 캡슐화단계는, 상기 분리단계 이전에 상기 혼합물을 소정의 시간 동안 상온에서 유지시키는 방치단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법. - 청구항 4에 있어서,
상기 배치단계 이전에,
파우치의 내측에 상기 캡슐을 채우고 상기 파우치를 밀봉하는 충진단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 배치단계는,
내측에 상기 캡슐이 채워진 상기 파우치로 상기 수도관을 감싸는 랩핑단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 수도 계량기는 수도 계량기함의 내부공간에 수용되고,
상기 배치단계는, 상기 내부공간을 형성하는 상기 수도 계량기함의 내측면과 상기 수도 계량기 사이에 상기 캡슐이 채워진 상기 파우치를 배치시키는 설치단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 파우치는 외면에 구비되는 보호제를 포함하되, 상기 보호제는 기화합물 및 티트리 오일을 포함하는 살균제 100 중량부,
4-디시안메틸렌-2-메틸-6-(p-디메틸아미노스티릴)-4H-피란(DCM), 6-프로피오닐-2-(디메틸아미노)나프탈렌(PRODAN) 및 N-메틸-2-니트로아닐린(NM2NA)을 포함하는 균반응제 20 중량부,
하이드록시프로필셀룰로오스-베타-사이클로덱스트린(hydroxypropyl-beta-cyclodextrin)을 포함하는 건식유지제 1 중량부,
2,2 ', 5,5'- 테트라메틸벤지딘(Tetramethylbenzidin) 0.5 중량부 및, 전분 및 요오드 0.5 중량부를 포함하는 선별향상제 1 중량부 및,
고농축 전분 및 석고 페이스트를 포함하는 점도가변제 10 중량부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수도 시설의 동파를 억제하는 방법.
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