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표제지
목차
요약 5
I. 서론 10
1. 연구의 배경 및 목적 10
2. 연구의 범위 및 방법 13
3. 기존 연구 동향 14
II. 이론적 고찰 15
1. 복사난방의 개요 및 특징 15
1) 복사난방 15
2) 복사난방의 특징 17
3) 복사난방의 분류 17
2. 공동주택의 지역난방 설비의 구성 18
1) 지역난방 시설 개념 18
2) 공동주택 사용자측 설비 19
3) 세대 내 온수분배기 특징 및 종류 20
3. 관로유동에 대한 기초이론 22
1) 유동손실 22
2) 병렬 다관 시스템 24
4. 배관에서의 열전달 기초이론 25
1) 원형배관에서의 열전달 25
2) 배관 내·외면 대류열전달율 26
3) 대수평균온도차 27
III. 해석대상 모델링 및 동특성 시뮬레이션 30
1. 동특성 시뮬레이션의 개요 및 EES 프로그램 개요 30
1) TRNSYS 17 프로그램의 개요 30
3) EES 프로그램 개요 32
4) 시뮬레이션 구성 34
2. 해석대상건물의 개요 및 시뮬레이션 조건 35
1) 해석대상세대의 개요 35
2) 대상세대 시뮬레이션 시스템의 구성 36
3) 시뮬레이션 조건 37
3. 해석대상세대의 모델링 및 난방부하 계산 38
1) 해석대상세대의 모델링 38
2) 벽체 구성 및 열적물성 39
3) 난방부하 설계조건 40
4. 해석대상건물의 설계유량 및 부하에 따른 실별 유량변화 44
1) 대상건물의 설계유량 44
2) 대상세대 각 실 온도제어 45
3) 온수분배기의 유량분배 특성 모델링 46
4) 제어신호에 따른 온수 공급유량 48
5. 바닥 복사난방 시스템 모델의 고찰 50
IV. 시뮬레이션 결과 및 고찰 52
1. 세대 난방에너지 사용량 52
2. 열 공급에너지에 대한 배관 손실에너지 55
3. 온수 순환펌프의 소비동력 58
4. 전체 공급에너지 비용에 대한 에너지소비 비용 61
V. 결론 62
참고문헌 64
Abstract 66
Table 2.1. 복사난방의 분류 17
Table 3.1. 시뮬레이션 조건 37
Table 3.2. 벽체 및 바닥 구성 39
Table 3.3. 벽체요소 및 창호의 열적물성 39
Table 3.4. 외기 설정 조건 40
Table 3.5. 실내 설정 조건 40
Table 3.6. 열관류율 계산 시 적용되는 실내 및 실외측 표면 열전달 저항 41
Table 3.7. 벽체 및 바닥 구성 42
Table 3.8. 각 실별 난방부하 43
Table 3.9. 각 실의 온수 순환수량 및 난방코일 내역 44
Table 3.10. 실별 압력손실 및 미세유량조절밸브의 Kn(이미지참조) 47
Table 3.11. 정유량 방식 일 때 각 실별 온수공급유량 48
Table 3.12. 변유량 방식 일 때 각 실별 온수공급유량 49
Table 4.1. 세대 난방에너지 사용량 52
Table 4.2. 월별 세대 난방에너지 사용량 53
Table 4.3. 춘추절기 세대 난방에너지 비용 54
Table 4.4. 동절기 세대 난방에너지 비용 54
Table 4.5. 세대 난방에너지 비용 합계 54
Table 4.6. 열 공급에너지에 대한 배관 손실에너지 55
Table 4.7. 월별 배관 손실에너지 56
Table 4.8. 춘추절기 배관 손실에너지 비용 57
Table 4.9. 동절기 배관 손실에너지 비용 57
Table 4.10. 배관 손실에너지 비용 합계 57
Table 4.11. 온수순환수량 및 순환펌프 소비동력 58
Table 4.12. 월별 온수순환펌프 소비동력 59
Table 4.13. 춘추절기 온수순환펌프의 소비동력 비용 60
Table 4.14. 동절기 온수순환펌프의 소비동력 비용 60
Table 4.15. 온수순환펌프의 소비동력 비용 합계 60
Table 4.16. 전체 공급에너지 비용에 대한 비율 61
Table 4.17. 배관 및 펌프에서의 에너지소비 비용 61
Fig. 1.1. 부문별 최종 에너지 소비량 10
Fig. 1.2. 가정부문 주택형태별 에너지소비 10
Fig. 1.3. 국내 주택형태에 따른 분류 11
Fig. 1.4. 연구 흐름도 13
Fig. 2.1. 전통적인 구들오돌 구조 15
Fig. 2.2. 바닥 복사난방 개략도 16
Fig. 2.3. 표준 바닥복사난방 단면구조 16
Fig. 2.4. 지역난방 시설 구간 18
Fig. 2.5. 공동주택 사용자측 시설 구간 18
Fig. 2.6. 사용자측 세대 구간 개통 19
Fig. 2.7. 표준형 온수분배기 20
Fig. 2.8. 시스템 온수분배기 21
Fig. 2.9. Moody Chart 23
Fig. 2.10. 병렬 다관 시스템 24
Fig. 2.11. 원형배관에 대한 열전달 개념 25
Fig. 2.12. 열 저항 개념 25
Fig. 2.13. 대수평균온도차 정의에 대한 도해 28
Fig. 3.1. TRNSYS Simulation Studio 31
Fig. 3.2. TRNSYS 프로그램 개요 32
Fig. 3.3. Engineering Equation Solver 32
Fig. 3.4. EES 프로그램에 의한 연산 33
Fig. 3.5. TRNSYS 시뮬레이션 구성 34
Fig. 3.6. 대상세대 구조 35
Fig. 3.7. 대상세대 난방설비 구성도 36
Fig. 3.8. 대상세대 난방 시스템 흐름도 36
Fig. 3.9. 대상세대 실 구성 및 평면도 38
Fig. 3.10. 대상세대 SketchUp 모델링 38
Fig. 3.11. 개폐식 on-off 제어 알고리즘 45
Fig. 3.12. 온수공급유량의 균형분배 설정 절차 46
Fig. 3.13. 정유량 방식 일 때 각 실별 변화 50
Fig. 3.14. 변유량 방식 일 때 각 실별 변화 51
Fig. 4.1. 모델별 세대 난방에너지 사용량 52
Fig. 4.2. 월별 세대 난방에너지 사용량 53
Fig. 4.3. 모델별 열 공급에너지 및 배관 손실에너지 55
Fig. 4.4. 월별 배관 손실에너지 56
Fig. 4.5. 온수순환수량 및 순환펌프 소비동력 비교 58
Fig. 4.6. 월별 온수순환펌프 소비동력 59
초록보기 더보기
본 연구에서는 바닥 복사난방 시스템이 사용된 대상세대에서 10월부터 다음 해 4월까지 7개월의 난방기간 동안 각 실별 온도에 따른 온-오프 제어방식에 따른, 과잉 온수유량 분배특성을 갖는 정유량 온수분배방식의 Excess모델과 설계유량으로 온수유량 분배를 하는 변유량 온수분배방식의 Design모델에 대하여 동적 에너지해석을 목적으로 개발된 TRNSYS 프로그램을 활용한 시뮬레이션을 수행하여, 세대 내 실별 부하변화에 의한 온수유량분배 변동에 따른 기계실과 세대를 연결하는 온수 공급배관 및 환수배관에서 발생하는 열손실과 순환펌프의 소비동력을 정량적으로 비교분석하여 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
1. 세대로 공급되는 난방에너지는 이론적으로 유량분배 변동에 의한 차이는 없어야 하나, 시뮬레이션 결과 Excess모델이 26,863.28 MJ, Design모델이 27,065.55 MJ로 Design모델이 Excess모델에 비하여 202.27 MJ 증가하였으며, 두 모델에 대한 난방에너지의 오차는 0.75%를 보였다.
2. 난방기간에 대한 세대 난방에너지 비용은 Excess모델이 515,554원, Design모델이 519,417원이었으며, 그 차이는 3,863원으로 Design모델이 Excess모델에 비하여 0.75% 증가를 보였다.
3. 열 공급에너지는 Excess모델이 31,642.36 MJ, Design모델이 31,482.54 MJ로 Design모델이 Excess모델에 비하여 159.82 MJ (0.51%) 감소되는 것을 확인 하였으며, 이때 열 공급에너지에 대한 온수 공급배관 및 환수배관에서 발생한 열에너지 손실은 Excess모델의 경우 4,779.08 MJ로 공급된 열에너지에 대하여 15.10%의 손실이 발생하였으며, Design모델의 경우 4,416.98 MJ로 공급된 열에너지에 대하여 14.03%의 손실이 발생하는 것을 확인하였다. 이에 대한 결과로 Design모델이 Excess모델에 비하여 배관에서의 에너지 손실이 362.09 MJ (7.58%) 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
4. 온수 공급배관 및 환수배관에서 발생되는 에너지손실 비용은 Excess모델이 91,327원, Design모델이 84,431원이였으며, 그 차이는 6,896원으로 Design 모델이 Excess모델에 비하여 7.55%의 에너지손실 비용이 절감되는 것을 확인하였다.
5. 온수 순환펌프의 소비동력은 Excess모델이 149.19 kWh, Design모델이 97.12 kWh이였으며, 그 차이는 52.07 kWh로 Design모델이 Excess모델에 비하여 34.90% 감소되는 것을 확인하였다.
6. 온수 순환펌프의 소비동력에 대한 에너지 비용은 Excess모델이 9,839원, Design모델이 6,411원이였으며, 그 차이는 3,428원으로 Design모델이 Excess모델에 비하여 34.84% 절감되는 것을 확인하였다.
7. 전체 공급에너지 비용은 Excess모델이 616,721원, Design모델이 610,260원이었으며, 그 차이는 6,461원으로 Design모델이 Excess모델에 비하여 1.05% 절감되는 것을 확인할 수 있었으며, 세대 난방에너지 비용이 동일하다고 가정하면, Design모델이 Excess모델에 비하여 2.01%의 전체 공급 에너지 비용이 절감되는 것으로 확인할 수 있다.
8. 전체 공급에너지에 대하여 배관에서의 에너지손실 비용과 순환펌프의 소비동력 비용의 합은 Excess모델이 101,167원, Design모델이 90,843원이었으며, 그 차이는 10,324원으로 Design모델이 Excess모델에 비하여 10.2%로 에너지소비비용이 절감됨을 확인하였다.
본 연구를 통해서 세대 내 온수분배기의 유량분배 변동이 온수공급배관 및 환수배관에서 발생하는 열에너지손실과 온수 순환펌프의 소비동력 증가에 미치는 영향을 정량적으로 알아보았고, 세대 유량분배 시 설계유량으로 분배되어 공급되는 것이 사용자 세대만이 아니라 공급자 및 설비관리자 측면에서도 에너지절감 효과가 있음을 알 수 있었다.
그러나 설계유량으로 분배되어 공급된다 할지라도 공급되는 열에너지의 14.03%의 에너지가 공급배관 및 환수배관에서 손실되는 것을 본 연구를 통하여 알 수 있었으며, 이에 대한 추가적인 연구를 통하여 배관에서 발생되는 에너지손실의 저감 및 대책방안 도출의 계기가 되기를 기다한다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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