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A Study on Feasibility Analysis and Optimum Range Calculation Model by Conversion of Water Supply System

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(1)

Journal of Korean Society of Water and Wastewater Vol. 31, No. 2, April 2017

177

1. 서 론

1)

우리나라는 과거 전쟁이라는 시대적인 상황에 따라 안정적인 물 공급의 필요성이 대두되어 왔으며 물 사

Received 20 February 2017, revised 5 April 2017, accepted 7 April 2017

*Corresponding author: Jayong Koo(E-mail: [email protected])

용량 변동에 유연하게 대처하고 비상용수의 확보가 가능한 저수조 급수방식이 보편적으로 사용되었다.

1960년대 급격한 경제성장이 이루어지면서 산업화 및 도시화가 이루어지고 도심으로 인구가 유입되면서 요 구되는 물 수요량이 증가하게 되었다. 이에 따라 우리 나라 상수도는 집중적으로 상수도 시설에 투자 및 양적

상수도 급수방식 전환의 타당성 분석 및 최적 범위 산정모델 연구

A Study on Feasibility Analysis and Optimum Range Calculation Model by Conversion of Water Supply System

박준열・신휘수・서지원・김기범・구자용*

Junyeol Park・Hwisu Shin・Jeewon Seo・Kibum Kim・Jayong Koo

*

서울시립대학교 환경공학과

Environmental Engineering, University of Seoul

ABSTRACT

This study concerned the analysis on the efficiency of the conversion of water tank type supply system to direct water supply system to examine the feasibility of the conversion, as well as the calculation of optimal conversion range that enables the supply of safe, high-quality water at stable pressure in accordance with the standards of water supply facility.

The results of this research showed that when converting water supply system from water tank type supply system to direct water supply system, more nodal points could be properly converted and more reduction of electricity usage was expected in case water pressure rather than residence time was fixed. This means that higher efficacy can be obtained by fixing water pressure when converting water supply system. However, since the number of the locations that received on-spot inspection was small and the electricity usage measured was not exclusively by water supply facility, it is difficult to judge that such reduction of electricity usage accurately represents reduced electricity usage by water supply facility alone. therefore, after having secured on-spot information about a larger number of locations in apartment complexes that have converted water supply system, and utilizing information about electricity usage exclusively by water supply facility, the proposed method of this research could be applied to accurately deducing expected reduction of electricity usage by water supply facilities of various other apartment complexes. It is also considered possible to deduce an effective operation method of water supply system by finding out an area that shows low pressure or low residual chlorine concentration in the optimal conversion range of water supply, followed by estimating the proper location of pumping station or the proper chlorine dosage at the power purification plant that supply water to the target area.

Key words: Energy savings, Nonlinear regression analysis, Pressure Driven Analysis, Water supply system

주제어: 에너지 저감, 비선형 회귀분석, PDA, 급수방식

(2)

확대를 이루었으며, 상수도 보급률도 지속적으로 증 가하여 2014년에는 98.6%를 달성하였다. 하지만, 최근 시민의식이 향상되고 절수기기 도입 등으로 인하여 LPCD가 감소, 유수율 제고를 위한 지속적인 노력으 로 수량적인 측면에서 저수조 급수방식에 대한 필요 성이 저하되었다. 또한, 상수도시설기준(KWWA(Korea Water and Wastewater works Association), 2010)에서 배 수지 유효용량을 계획 1일 최대급수량의 12시간분 이 상으로 규정하면서 배수시설의 용량이 증대됨에 따라 저수조 설치의 필요성도 낮아졌다. 저수조 급수방식을 급수방식으로 적용하는 경우 별도의 저수조 설치공간 이 필요하고 지하 저수조에서 고가 저수조로 양수할 때 필요한 에너지 소비가 추가적으로 발생한다. 또한, 저수조에서의 체류시간 및 저수조 관리 부실에 따라 잔류염소 농도가 감소하는 수질저하의 문제점이 거론되 고 있다. 이러한 저수조 급수방식의 문제점들을 해결하 기 위해서 최근 특・광역시 수도사업자를 중심으로 에너 지 절감과 수질 향상 등의 측면에서 상대적으로 우수한 직결 급수방식을 도입 및 확대하고 있다(KWWA(Korea Water and Wastewater works Association), 2014).

직결 급수방식은 저수조를 거치지 않고 배수관압을 이용하여 일정 층수의 수도꼭지까지 급수하는 방식으 로 배수관압을 이용하는 직결 직압식과 가압급수설비 를 이용하여 일정 층수 이상의 수도꼭지까지 급수할 수 있는 직결 가압식으로 나눌 수 있다. Gomez et al (2015)와 Cheung et al (2013)은 급수방식을 저수조 급 수방식에서 직결 급수방식으로 전환하는 경우 저수조 후단에서 가압에 의해 소비되는 전력 사용량만큼의 에너지 절감이 가능하다고 언급하였다. 또한, 저수조 의 관리 미흡과 시설 노후화 및 저수조내의 체류시간 으로 인하여 발생할 수 있는 잔류염소 농도 저감 등 을 개선할 수 있다. 하지만, 선행 연구들에서는 저수 조 급수방식과 직결 급수방식의 장・단점을 비교하여 직결 급수방식 도입의 효과 등을 제시하고 있지만 급 수방식 전환에 따른 정량적인 효과 분석과 급수방식 전환 가능범위 산정 등에 대한 연구는 이루어지지 않 았다.

따라서 본 연구에서는 급수방식 전환 전・후의 시간 당 물 사용량 측정 및 PDA수리해석을 통하여 직결 급수방식으로 전환하는 경우 급수방식의 최적 전환 범위 산정에 관해 고찰하였다. 또한, 급수방식 전환에 따른 정량적인 효과를 제시하기 위해 비선형 회귀분

석을 이용한 전력 저감량 예측 모델을 개발하여 , 급수 방식을 전환하는 경우 저감할 수 있는 전력 저감량 및 이산화탄소배출량 예측결과를 도출하였다.

2. 연구방법

본 연구에서는 연구대상지역을 선정하여 급수방식 을 전환하는 경우 전환이 가능한 급수방식 전환율과 급수방식의 전환효과를 확인해보고자 하였으며, 본 연구의 연구 흐름도는 다음 Fig. 1과 같이 나타내었다.

Fig. 1. Research flow chart.

2.1 연구대상지역 선정

본 연구에서 급수방식의 최적 전환 범위 산정을 위 해 연구대상지역의 PDA(Pressure Driven Analysis)수리 해석을 실시하였으며, 신뢰성 있는 연구결과를 도출 하기 위해서 연구대상지역의 관말지역이나 가압장 전・후, 분기점 등 주요 지역의 수압 및 잔류염소 농도 를 실측하여 관망도를 검・보정하였다.

Fig. 2는 연구대상지역의 관망도를 나타내며 가압장

과 배수지의 위치를 별도로 표기하였다. Table 1은 연

구대상지역의 SJ배수지 현황정보를 나타낸다. 현재

연구대상지역의 경우 총 물 수요량 기준으로 약 56 %가

(3)

Journal of Korean Society of Water and Wastewater Vol. 31, No. 2, April 2017

179 Fig. 2. Pipe network of study target area.

직결 급수방식으로 공급되고 있으며, 약 46 %에 해당 하는 334개 절점에서 저수조 급수방식으로 공급되고 있는 것으로 조사되었다.

2.2 물 사용량 측정 및 시간계수 산정

급수방식에 따라 물 사용량 패턴이 상이할 것으로 판단되어 저수조에서 직결 급수방식으로 전환공사를 실시하는 공동주택단지를 대상으로 메인 수도계량기 에 촬상식 유량로거를 부착하고 측정간격을 1시간으 로 설정하여 물 사용량을 측정하였다. 그리고 측정된 시간단위 물 사용량을 이용하여 직결 급수방식의 시

간계수 및 패턴을 도출하였다. 시간계수 산정식은 식 (1)과 같이 정의한다.

 

  

  





   





(1)

여기서,

 

= time factor of direct water supply

  

= timely average water usage(m

3

/hr)

   

= water usage at time(m

3

/hr)

급수방식 전・후의 시간단위 물 사용량 측정 결과를 이용하여 급수방식 전환에 따른 요일별 물 사용패턴 및 시간계수의 변동에 대해 고찰하였다.

2.3 급수방식 전환에 따른 전력 저감량 예측 모델 개발

본 연구에서 급수방식을 전환한 공동주택단지들을 대상으로 현장조사를 통해 건축연도, 세대수, 동수, 층 수, 배수관압, 수도사용량, 전력사용량 등의 정보를 수 집하였다. 그리고 이러한 정보들을 활용하여 급수방 식 전환시 저감할 수 있는 전력 사용량 예측모델을 개발하고자 비선형 회귀분석을 실시하였다.

비선형 회귀분석은 측정 데이터의 산포도가 비선형적인 추세를 보이는 경우 관측된 정보들의 적합한 비선형 관계를 결정하는 경우에 필요하며 (Alfredo et al, 2011), 비선형 회귀 함수의 일반적인 식은 다음 식 (2)와 같이 정의한다.

   

  

  

  ⋯  

 (2) Table 1. Status of SJ reservoir

Division Status

Construction year 1988(yr)

Reservoir volume 50,000m

3

(64m(W) × 43m(L) × 6m(H) × three locations) Reservoir operation level H.W.L : 60.8m, L.W.L : 55.0m

Supply area elevation Maximum : 38m, Minimum : 12m

Total pipe length 303,392m

Residence time in reservoir 10.90hr

Water supply status

Water supply area 2(gu), 19(dong) Water supply tap 26,427 tap Water supply household 74,621 household Water supply population 207,740 people

Daily average flow 110,173m

3

/d

(4)

여기서,

 = function of independent variable()

= coefficient

비선형 회귀분석을 실시할 때 전력 저감량을 종속변수 로 설정하고 전력 저감량에 영향을 끼칠 수 있는 인자들인 세대수, 층수, 물 사용량을 독립변수로 설정하였다. 비선형 회귀분석을 실시하기 위하여 사용한 통계분석 프로그램은 일반적으로 상용화 되어 있는 통계 분석 프로그램인 IBM SPSS Statistics 23.0을 이용하여 실시하였다. 또한, 도출한 회귀계수들의 유의성 검정을 실시하기 위하여 종속변수와 독립변수간의 t값과 p값, 결정계수들을 확인하였으며. 공 선성 검정을 위해 F값을 확인하여 검정을 실시하였다.

2.4 급수방식 전환의 타당성 분석 및 최적 전환 범위 산정 방법

본 연구에서는 선정한 연구대상지역의 관망내에서 비정상상태 시뮬레이션을 하는 경우 비현실적인 결과 를 도출할 수 있는 DDA(Demand Driven Analysis)수리 해석을 실시하지 않고 절점에서의 수압과 용수 공급 량간의 변화를 모의 할 수 있는 PDA(Pressure Driven Analysis)수리해석을 실시하였다. 또한, PDA수리해석을 실시하기 위해서 본 연구에서는 Bentley사의 WaterGEMS CONNECT Edition인 수리해석 프로그램을 활용하였다.

저수조 급수방식을 사용하고 있는 수용가들을 대상 으로 하여 수압과 체류시간을 고려한 급수방식 전환 시나리오를 설정하고, 직결 급수방식 전환율을 확대 하면서 그에 따른 모의 결과를 분석하였다.

첫 번째 시나리오는 수리해석 결과, 저수조 급수방식을 사용하고 있는 수용가 중 배수관압이 높은 수용가부터 순차적 으로 직결 급수방식으로 전환하는 시나리오로 설정하였으며 , 두 번째 시나리오는 수리해석 결과 , 저수조 급수방식을 사용 하고 있는 수용가 중 체류시간이 긴 수용가부터 순차적으로

직결 급수방식으로 전환하는 시나리오로 설정하였다 . 시나리 오별로 급수방식 전환율을 증가시키면서 분석을 실시한 결과 를 바탕으로 상수도 시설기준의 수압 기준을 충족하지 못하는 시점을 기준으로 하여 최적 전환 범위를 산정하였다 .

급수방식 전환의 타당성을 검증하기 위해 환경적 , 수 량적, 수질적 측면에서의 급수방식 전환 전・후의 효과 분석을 실시하였다. 환경적 측면에서의 효과 및 타당성 검증을 위해 최적 전환범위 시점에서 직결 급수방식으로 전환된 공동주택단지의 현황자료를 비선형회귀분석을 통 해 도출된 전력 저감량 예측 모델에 적용함으로써 예상되 는 전력 저감량 및 이산화탄소 배출량을 산정하였다 . 이산 화탄소 배출량 산정은 MOTIE(the Ministry of Trade Industry and Energy)에서 제시하고 있는 전력량에 따른 이산 화탄소 배출량 기준인 0.425 kgCO

2

/kWh를 활용하였다.

급수방식 전환에 따른 공급 안정성 검토를 위해 수리해석 결과를 이용하여 최적 전환범위에서의 용수부족량 , 배수지 유출량 변화 등을 시나리오별로 비교하여 제시하였다 . 또 한 , 급수방식 전환 전・후의 잔류염소 농도변화 분석을 통해 수질적 측면에서의 영향에 대해서도 고찰을 실시하였다.

3. 연구결과

3.1 물 사용량 측정 및 시간계수 산정 결과

급수방식의 전환에 따른 물 사용량과 패턴을 측정 하기 위하여 직결 급수방식으로 전환된 공동주택단지 4개소를 대상으로 현장측정을 실시하였다. A아파트와 B아파트의 경우 저수조 급수방식에서의 물 사용량과 직결 급수방식으로 전환된 이후의 물 사용량을 측정하 였다. 또한, 요일별, 급수세대수에 따른 패턴 비교를 위 해 직결 급수방식으로 물을 공급받고 있는 C아파트와 D아파트를 대상으로 시간단위 물 사용량 측정을 실시 하였다. 다음 Table 2는 물 사용량을 측정한 공동주택 단지의 현황정보와 측정주기 및 측정일을 나타낸다.

Table 2. Information of water demand measured point

Construction year House holds Floors Measuring period Date Water supply system

A apt 1988 560 15 1week 16.02.27~03.04 Water tank

1week 16.04.20~04.26 Direct water supply

B apt 1988 1,035 15 1week 16.01.21~01.27 Water tank

1week 16.03.28~04.03 Direct water supply

C apt 2002 15 13 1week 16.05.01~05.07 Direct water supply

D apt 1993 140 9 1week 15.12.16~12.22 Direct water supply

(5)

Journal of Korean Society of Water and Wastewater Vol. 31, No. 2, April 2017

181 3.1.1 저수조 급수방식의 시간계수 및 물 사용량 패턴분석 결과

Fig. 3과 Fig. 4는 각각 A아파트와 B아파트의 저수조 급수방식에서의 요일별 시간단위 물 사용량 측정결과 를 나타낸다. A아파트의 경우 상대적으로 사용량이 적 은 평일에는 일 6∼8회 정도 저수조로 물이 유입되었으 며, 일 평균 약 253∼339 m

3

이 저수조로 유입되었다. 상 대적으로 사용량이 많은 주말에는 일 9∼11회 정도 저 수조로 물이 유입되었으며 일일 저수조 유입량은 약 357∼414 m

3

으로 측정되었다. B아파트는 상대적으로 사용량이 적은 평일에는 일 5∼6회 정도 저수조로 물을 유입되었으며 일일 저수조 유입량은 약 586∼611 m

3

이 다. 상대적으로 사용량이 많은 주말에는 일 6∼7회 정 도 저수조로 물을 유입되었으며 일일 약 592∼723 m

3

의 수량이 저수조로 유입됨을 알 수 있었다. 저수조 운 영방식의 경우, A아파트의 경우 항시 최고 운영 수위를 유지도록 저수지를 운영하고 있었으며, B아파트의 경 우 최고 운영 수위와 최저 운영 수위를 기준으로 수돗 물을 공급하고 있어 저수조 운영 방식에 따라 물 사용 량 패턴 및 시간계수 등에 차이가 발생함을 알 수 있었 다. 다만, 본 연구에서는 측정주기를 1시간으로 설정함에 따라 실제 물 사용특성을 고찰하기에는 한계가 존재한다.

또한, 저수조의 용량, 세대수, 층수, 운영방식 등에 따라

Fig. 3. Water tank inflow pattern of A apt.

Fig. 4. Water tank inflow pattern of B apt.

저수조 유입 패턴, 물 사용패턴 등이 사용하게 나타날 수 있어, 추후 이러한 조건을 고려하여 더 많은 공동주 택단지를 대상으로 물 사용량을 측정한다면 보다 의미 있는 결과 도출이 가능할 것이라 판단된다.

3.1.2 직결 급수방식의 시간계수 및 물 사용량 패턴분석 결과 직결 급수방식으로 물을 공급받고 있는 4개의 공동 주택단지를 대상으로 시간단위 물 사용량을 측정한 결과 다음 Fig. 5, Fig. 6, Fig. 7, Fig. 8과 같이 요일별 시간계수 패턴이 도출되었다. 공동주택단지별로 거주 인구수가 상이하며 규모가 큰 순서로는 B아파트, A아 파트, D아파트, C아파트 순으로 조사되었다.

시간 최대계수 산정 결과, B아파트는 1.9884(목요일 오전 7∼8시), A아파트는 2.0752(금요일 오전 9∼10시), D아파트는 2.1102(금요일 오전 7∼8시), C아파트는 2.2535(수 요일 오전 7∼8시)로 거주인구수가 큰 아파트 일수록 시간 최대계수가 점차 작아짐을 확인할 수 있었다 . 이는 Jeong(2004) 와 Lee(2006)의 선행연구에서 인구 규모가 클수록 일최대급수 량 /일평균급수량의 비, 즉, 시간 최대계수가 감소한다고 제시 한 결과와 부합하는 결과가 도출된 것이라 판단된다 .

한편 , 시간 최대계수는 인구 규모에 따라 상이한 결과 를 나타내나 시간계수 패턴은 사회적인 활동 및 일상적인

Fig. 5. Time factor patterns of A apt(direct water supply system).

Fig. 6. Time factor patterns of B apt(direct water supply system).

(6)

Fig. 7. Time factor patterns of C apt(direct water supply system).

Fig. 8. Time factor patterns of D apt(direct water supply system).

생활 패턴이 유사함에 따라 직결 급수방식에서는 4개의 공동주택단지에서 모두 유사한 패턴을 가지는 것이라 판단

된다 . 평일에는 오전 7∼8시 시간대와 오후 7∼8시 시간대 에서 시간계수가 높은 시간대로 나타났으며 , 주말에는 오전 8∼9시 시간대와 오후 8∼9시 시간대에서 시간계수가 높은 것으로 나타났다 . 하지만, 4개소의 공동주택단지를 대상으 로 도출한 결과로 직결 급수방식의 물 사용패턴으로 일반화 하기에는 측정 개소수가 적어 신뢰성 있는 결과라 판단하기 에는 한계가 있다 . 따라서, 신뢰성 있는 패턴을 도출하기 위해서는 다양한 조건의 공동주택단지를 대상으로 물 사용 량 실측을 실시할 필요가 있을 것이라 판단된다.

3.2 전력 저감량 예측 모델 개발 결과

급수방식을 전환한 공동주택단지들을 대상으로 급 수방식 전환 전・후의 월별 전력 사용량을 조사하였으며, 이를 토대로 급수방식 전환 전・후 전력 저감량을 산 정하였다. 조사한 해당 공동주택단지들의 정보를 활 용하여 전력 저감량 예측 모델을 도출하기 위해 통계 분석 프로그램인 IBM SPSS Statistics 23.0를 활용하여 비선형 회귀분석을 실시하였다. 다음 Table. 3은 현장 조사를 실시한 공동주택단지의 현황정보를 나타낸다.

다음 Table. 4는 비선형 회귀분석 결과를 나타내며, ANOVA 분석결과는 Table. 5와 같다.

Table 3. Information of apartments at converted to water supply system Construction

year House holds Buildings Floors Pipe pressure

(kgf/cm

2

)

Pipe diameter (mm)

SSD 1995 42 1 11 3.2 200

YYH 1981 47 1 8 6.0 300

KDJ 1997 110 1 9 3.7 100

DDS 1991 225 1 15 4.5 150

KDD 1992 244 2 14 4.4 150

KSS 1992 270 2 15 4.2 300

SSC 1993 293 2 21 4.5 150

DDD 1994 487 3 26 4.0 300

KGD 1993 660 10 15 4.0 600

DSW 1993 1080 8 15 3.5 400

YMM 1988 1595 19 15 4.0 700

GSH 1993 1634 12 15 6.5 400

Table 4. Result of parameter analysis

Coefficient Standard error T-value P-value R-square

(Constant) 3.765 1.017 3.702 0.006025

0.987

Floors 0.021 0.054 0.389 0.077504

Households 0.002 0.000271 7.380 7.77E-05

Water pressure 0.371 0.045 8.244 3.51E-05

(7)

Journal of Korean Society of Water and Wastewater Vol. 31, No. 2, April 2017

183 분석 결과, F값이 168.68인 것으로 보아 독립변수들

이 종속변수로 설정한 전력 저감량에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 또한, 독립변수와 종속변수간의 관 계를 파악하고자 t값과 p값을 확인해본 결과, 배수관 압과 세대수가 층수보다 전력 저감량에 더 영향을 미 치는 것으로 나타났으며, 층수는 상대적으로 종속변 수에 끼치는 영향이 낮은 것으로 도출되었다.

위와 같이 도출된 분석 결과를 바탕으로 각각 모수 추정 값들을 독립변수의 계수로 산정하였으며, 급수 방식을 전환하는 경우 전력 저감량을 예측하는 회귀 식을 다음 식 (3)와 같이 도출하였다. 도출된 회귀식 의 R-square는 0.982로 상당히 유의한 회귀식이 도출 된 것으로 판단된다.

  

    

(2) 여기서,  = electricity usage savings(kWh)

= floors

= households

= pipe pressure(kgf/cm

2

)

3.3 급수방식 최적 전환 범위 산정 결과

본 연구에서는 저수조 급수방식에서 직결 급수방식 으로 급수방식을 전환하기 위한 최적 범위를 산정하 기 위해 현재 연구대상지역 내에서 저수조 급수방식 을 사용하고 있는 334개소의 절점을 대상으로 수리해 석을 실시하였다. 시나리오는 경제적인 효과를 고려 하여 수압이 높은 순으로 전환을 실시한 경우와 수질 적인 개선 효과를 고려하여 체류시간이 긴 절점부터 순차적으로 전환을 실시한 경우로 설정하여 분석을 실시하였다.

3.3.1 수압적인 측면을 고려한 급수방식 한계 전환 범위 산 정 결과

경제적인 급수방식의 최적 전환 범위를 산정하기 위하여 용수 수요량을 가진 절점 중 수압이 높은 절

점부터 순차적으로 급수방식의 전환을 진행하였다.

Fig 9와 Fig 10은 시나리오 1에 따라 급수방식 전환시 최초로 기준치 미만의 수압이 발생하는 시점에서의 수압 분포도와 잔류염소 농도 분포도를 나타낸다. 수 압을 기준으로 하여 급수방식을 전환하는 경우 유량을

Fig. 9. Pressure diagram in Scenario 1.

Fig. 10. Residual chlorine diagram in Scenario1.

Table 5. Result of ANOVA

Degree of freedom Sum of square Mean squares F-value

Regression 4 228,214,454 57,053,613

168.686378

Residual 8 2,367,564 295,945

Unadjusted sum 12 230,582,019 -

(8)

기준으로 하여 전환율이 68.32 %인 시점부터 상수도 시설기준의 수압 범위에 적합하지 않은 절점들이 도 출되었으며, 이때 총 급수 방식을 전환한 지역은 저수 조 급수방식을 사용하고 있는 총 334개의 절점 중 91 개의 절점이 전환되었다. 수압 범위에 적합하지 않아 출수량 부족으로 판단되는 절점들의 총 부족 공급량 은 약 3.3 m

3

으로 계산되었다.

3.3.2 수질적인 측면을 고려한 급수방식 한계 전환 범위 산정 결과

수질적인 측면을 고려한 급수방식의 최적 전환 범 위 산정을 하기 위하여 저수조 급수방식인 절점 중 체류시간이 긴 절점부터 순차적으로 급수방식의 전환 을 진행하였다. Fig 11과 Fig 12은 체류시간을 기준으 로 급수방식을 전환하는 경우 최초로 수압 부족이 발 생하는 전환율의 수압분포도와 잔류염소 농도 분포도 를 나타낸 것이다.

체류시간을 기준으로 급수방식을 전환하는 경우 유 량을 기준으로 하여 전환율이 64.56 %인 시점부터 상 수도 시설기준의 수압 범위에 적합하지 않은 절점들 이 도출되었으며 이때 총 급수 방식을 전환한 지역은 저수조 급수방식을 사용하고 있는 총 334개의 절점 중 82개의 절점이 전환되었다. 수압 범위에 적합하지 않아 출수량 부족으로 판단되는 절점들의 총 부족 공 급량은 약 3.2 m

3

으로 계산되었다.

Fig. 11. Pressure diagram in Scenario2.

Fig. 12. Residual chlorine diagram in Scenario2.

시나리오 1과 시나리오 2에서 상수도 시설기준의 수압 범위에 적합하지 않아 출수량 부족으로 판단되 는 지역은 관말지역이었으며 표고가 약 35 m로 연구 대상지역내에서 표고가 높은 지역에 해당하는 지점이 었다. 또한, 소형 가구나 단독 주택과 같은 소형 주거 지역이었다. 이는 절점에 요구되는 용수량을 충분한 수압으로 출수량 부족 없이 공급하기엔 배수관압이 낮은 것으로 판단되며, 이러한 경우 가압장, 소배수지 설치 등 도입 확대 방안에 대해 추가적인 분석이 필 요할 것이라 판단된다.

3.4 급수방식 전환에 따른 효과 분석

3.4.1 급수방식 전환에 따른 경제적, 환경적 효과 분석 앞서 도출된 회귀식을 활용하여 시나리오별로 급수 방식의 전환율에 따른 전력 저감량을 예측한 결과는 다음 Table 6, Table 7과 같다. 시나리오 1에서 도출된 최적 전환범위는 68.32 %로 예상 전력 저감량은 511,545 kWh로 도출되었으며, 세대수와 층수가 큰 공 동주택단지일수록 예상되는 전력 저감량이 크게 산정 되는 것으로 나타났다.

Table. 7은 시나리오2를 기준으로 하여 저수조 급수

방식에서 직결 급수방식으로 전환하는 경우 예측 모

델을 통해 산정된 예상 전력 저감량을 나타낸다 . 시나

리오 2의 경우 급수방식의 전환 범위가 64.56 %일 때

상수도 시설기준 상의 수압기준을 충족하지 못하는

(9)

Journal of Korean Society of Water and Wastewater Vol. 31, No. 2, April 2017

185 것으로 나타났으며 이 때 급수방식 전환에 따른 예상

전력 저감량은 60,823 kWh로 산정되었다.

직결 급수방식 도입에 따른 환경적인 측면에서의 효과 검토를 위해 이산화탄소 배출 저감량을 시나리 오별로 산정한 결과 시나리오 1에서는 217,406 kgCO

2

, 시나리오 2에서는 25,849 kgCO

2

으로 도출되어, 급수 방식 전환은 에너지 절약과 환경적인 측면에서 모두 타당할 것으로 판단된다.

다만, 수압을 기준으로 전환하는 시나리오 1에서 더 많은 개소수의 전환이 가능하고, 그에 따라 더 많 은 전력 저감량 및 이산화탄소 저감이 가능하여, 경제 적인 측면과 환경적인 측면에서는 수압이 높은 순으 로 급수방식을 전환하는 것이 타당하다고 판단된다.

반면, 소비자의 요구수준과 안전성, 수돗물 신뢰도 향 상 등을 고려한다면 더 높은 수질 개선효과가 기대되 는 시나리오 2와 같은 방법을 적용함이 타당할 것이 라 판단된다. 더불어 수압을 기준으로 급수방식을 전 환하는 경우 전환 개소수와 함게 용수 부족량도 증가 하므로 인근 수용가의 출수 불량 등의 민원 발생 가 능성도 있다. 따라서, 직결급수 최적 범위 산정은 보 다 세밀한 수질해석 및 현장조사가 선행되어야 하며, 추후 발생가능한 문제점들을 미연에 방지할 수 있도 록 블록 단위로 관망정비, 소배수지 설치, 가압/증압장 설치, 노후관로 개량 등의 방안을 추가적으로 고려할 필요가 있다고 판단된다.

3.4.2 급수방식 전환에 따른 수질 개선 효과 분석 위의 수리해석 결과를 바탕으로 현재 저수조 급수 방식을 사용하고 있는 334개소에서 직결 급수방식으 로 급수방식을 전환하는 경우 잔류염소 농도 확보 가 능성을 확인해보고자 잔류염소 감소식을 활용하여 연 구결과를 산정하였다. Rossman et al(1994)에서의 연구 방법으로 총 잔류염소 감소계수를 도출하였으며, 도 출한 결과는 다음 Table. 8과 같이 나타내었다.

Table 8. Calculation result of total residual chlorine decay coefficient

R S

c

S

h

K

bulk

K

wall

K

total

192,000

(/day) 900 35628.07 -0.3493 -0.142 -0.817831

Fig. 13. Residual chlorine comparison according to convert water supply system.

총 잔류염소 감소계수는–0.817831로 설정하였고 초 기 잔류염소 농도는 SJ배수지에 물을 공급하는 Y정수 장 유출수의 평균 잔류염소 농도인 0.42 mg/L를 적용 하였다. 334개의 절점까지 도달하는데 소요되는 체류 시간은 수리해석 프로그램으로 산정하였으며 저수조 내의 체류시간은 Kim(2016)의 연구에서와 같이 8시간 으로 가정하였다. Fig. 13은 저수조 체류시간 유무에 따라 저수조 급수방식과 직결 급수방식의 수용가별 잔류염소 농도 분포를 나타낸다.

334개의 저수조 급수방식을 사용하고 있는 수용가를 대상으로 분석한 결과, 상수도시설기준인 0.1 mg/L를 충족하지 못하는 수용가의 개수는 334개 중 9개로 도출 되었다 . 하지만, 직결 급수방식으로 전환됨에 따라 저수 조 체류시간이 없는 조건에서는 0.1 mg/L를 충족하지 못 하는 수용가의 개수가 3개로 줄어듬을 확인할 수 있었 다.체류시간이 증가함에 따라 감소하는 잔류염소의 특 성을 고려할 때 직결 급수방식으로 전환시 저수조 체류 Table 6. Calculation result of electricity savings(Scenario 1)

Conversion ratio 56.18% 60% 67% 68.32% 74% 80% 86% 93% 100%

Electricity savings (kWh) 0 58,981 498,475 511,545 685,521 685,961 737,226 740,361 753,163

Table 7. Calculation result of electricity savings(Scenario 2)

Conversion ratio 56.18% 61% 64.56% 68% 75% 82% 90% 94% 100%

Electricity savings (kWh) 0 48,449 60,823 343,037 365,235 444,495 541,696 550,308 753,163

(10)

시간만큼 농도감소가 발생하지 않음으로써, 수질적으 로 보다 안전한 수돗물 공급이 가능할 것이라 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 급수방식을 전환하는 경우 수압 및 체류시간을 기준으로 하여 급수방식의 전환을 실시하 였으며, 다음과 같이 요약할 수 있다.

급수방식 최적 전환 범위산정 결과, 연구대상지역의 수요량을 기준으로 하여 급수방식 전환율이 수압을 기준 으로 전환하는 경우 68.32 %, 체류시간을 기준으로 하는 경우 64.56 %일 때 상수도시설기준에 충족하지 못하는 절점들이 도출되었다. 이 때 저수조 급수방식을 사용하고 있는 334개의 절점 중에서 수압을 기준으로 하는 경우 91개, 체류시간을 기준으로 하는 경우 82개를 전환하였으 며 , 부족한 수요량은 각각 약 3.3 m

3

, 3.2 m

3

으로 산정되었다 . 급수방식 전환 효과 분석 결과, 급수방식 전환율에 따른 예상 전력 저감량은 수압을 기준으로 전환하는 경우 511,5451 kWh, 체류시간을 기준으로 전환하는 경우 60,823 kWh로 산정되었다. 또한, 산정된 전력 저감량으로 이산화탄소 배출 저감량을 산정한 결과, 수압을 기준으로 하는 경우 217,406 kgCO

2

, 체류시간을 기준으로 하는 경우 25,849 kgCO

2

저감되었다. 또한, 급수방식의 전환이 수용가 에서 잔류염소 농도 개선효과가 있는 것을 확인할 수 있었다 . 본 연구에서는 급수방식을 전환한 결과 수압을 기 준으로 급수방식을 전환하는 경우 더 많은 개소를 전 환할 수 있었으며, 산정되는 예상 전력 저감량도 더 많이 저감할 수 있는 것으로 도출되어 급수방식을 전 환하는 경우 수압을 기준으로 전환할 때 더 많은 효 과를 보는 것으로 나타났다. 하지만, 현장 조사한 개 소수가 미흡하고 조사한 전력 사용량이 순수하게 급 수설비에 사용된 전력 사용량이 아니기 때문에 명확 하게 급수설비에 사용된 전력량이 저감하였다고 판단 하기엔 다소 어려움이 있을 것으로 판단된다.

따라서 추후 급수방식의 전환을 검토하고 있는 공동 주택단지들을 대상으로 하여 충분한 개소수의 현장 정 보 수집이 가능하고, 엘리베이터, 가로등의 전력사용량 이 포함되지 않고 기존의 급수펌프와 부스터펌프에서 사용된 전력사용량만을 수집할 수 있게 된다면, 본 연구 에서 제안한 방법으로 좀 더 현실적인 급수방식 전환 효과 분석 및 타당성 검증이 가능할 것이라 판단된다.

또한, 보다 면밀한 수리해석을 통해 블록별로 관망

정비 및 가압, 재염소 등의 방안을 추가적으로 검토한 다면 급수방식 전환에 따라 발생할 수 있는 문제점들 을 해결하고 도입 범위를 확대할 수 있는 현실성 있 는 대안을 마련할 수 있을 것이라 판단된다.

사 사

본 연구는 환경부 “글로벌탑 환경기술개발사업(2016 002120006)”으로 지원 받았습니다.

References

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수치

Fig. 1. Research flow chart.
Table 2. Information of water demand measured point
Fig. 3. Water tank inflow pattern of A apt.
Table 3. Information of apartments at converted to water supply system Construction
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참조

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