A Study on the Heating System of a Vinyl House using Hardwood Charcoal Kiln Heat-Source
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(2) 황용하․김범재. cooling에 의해 다음과 같다.. 2.1.1 전도 열전달. 고체 또는 정지된 유체 내에 온도 구배가 존재할 때 발생하는 열전달. 물체에서 분자들의 회전운동, 진 동운동, 불규칙 병진운동에 의한 에너지의 확산에 의한 열전달로서 금속 막대, 건물 벽, 정지된 유체내, . q″ = h(T∞-Ts)/L. (4). h : convection heat transfer coefficient (w/m·k2). 사람의 접촉에 의한 열전달 등이다. 전도의 법칙은 Fourier's law에 의해 다음과 같다. q″ = -kdT/dx. (1). q″(heat flux, w/m 2) : heat transfer rate in the x direction per unit area perpendicular dT/dx : temperature gradient k : thermal conductivity (w/m·k). 온도분포가 선형적인 정상상태인 경우 열유속은 식 (2)와 같이 되고 전도에 의한 열 전달량은 식 (3)과 같이 된다.. Fig. 3 Convection heat transfer process. (a) Forced convection, (b) Natural convection, (c) Boiling, (d)Condencing.. q″ = -k(T₂-T₁)/L. (2). q = q″․A. (3). A : perpendicular area to heat flux (m 2). 2.1.3 복사 열전달. 유한한 온도의 모든 표면이 에너지를 방출하며 발생하는 열전달. 다른 열전달은 매질이 필요하나 복사는 필요 없으며 전자기파에 의해 전달된다. 복사의 법칙은 Stefan ‐ Boltzmann law에 의해 다음 과 같다. 흑체 (black body)의 최대 방사도(복사 열속)와 실 제물체의 방사는 각각 식(5)와 (6)으로 정의된다. Eb = Ts⁴. (5). E = Ts⁴. (6). Ts : absolute temperature of the surface (K) Fig. 2 1-dimensional heat transfer by conduction. : Stefan-Boltzmann const. (=5.67 x 10-8w/m² k⁴) : emissivity (0 ≤ ≤ 1 ). 2.1.2 대류 열전달. 물체표면과 이와 다른 온도를 가지는 이동 유체. 2.2 난방부하. 에서 발생하는 열전달. 뜨거운 금속판을 선풍기에. 난방은 구획된 공간(실내)으로 부터 외부(실외)로. 의한 빠른 냉각(강제 대류), 뜨거운 도로면과 접촉하. 손실되는 열량을 구획된 공간에 공급함으로써 구획. 고 있는 공기는 그 위의 찬 공기와 밀도차에 의한 순. 공간을 일정 온도로 유지하는 것이다.. 환형태(자유대류) 대류의 법칙은 Newton's law of 60. 한국교통대학교 융․복합기술연구소 논문집 제2권 제2호, 2012. 이때 손실열량 H Ｌ은 다음 식에 의하여 구한다..
(3) A Study on the Heating System of a Vinyl House using Hardwood Charcoal Kiln Heat-Source. HＬ = Ht - ( h₁+ h₂+ h₃) H t : 벽체, 천장, 바닥, 창 등을 통하여 손실되는 열량 (Kcal/h) h 1 : 실내거주 인체 발생열량 (Kcal/h) h 2 : 전등 기타 조명기구 발생열량 (Kcal/h) h 3 : 전동기 기타 기계에 의한 발생열량 (Kcal/h) 단, 일반 건축물이 아니고 비닐하우스이므로 h 1, h 2, h 3를 무시 하고 부하 계산을 한다.. 2.2.1 구조체의 손실열량. 열의 이동은 전도, 대류, 복사가 동시에 이루어진 다. 그 중 구조체의 전도에 의한 손실열량 Hcod는 다 음 식과 같다.. 8~16시 : 사무소, 은행, 학교 등 10~20시 : 극장 레스토랑 등 여기서 비닐하우스는 24시간을 적용한다.. 2.2.3 실내 온도 설정 (tr). 난방 설계용 실내 온도는 아래 표와 같다. 최근 에 너지 절약 차원에서 실내온도를 16~18 o C로 권장하 고 있다. 난방 설계용 실내온도( o C)는 인간의 호흡선(서 있 을 때는 바닥위 1.5m, 앉아 있을 때는 0.75m의 높이) 으로 하고 외벽에서 1m떨어진 위치로 한 것이다. 2.2.4 대기 복사로 인한 수정 온도( ta). Ht = KA( tr - to )/x. (7). 주위에 건물이나 차폐물이 없을 때는 대기 복사 로 인한 열 이득을 가산해야 한다. 수정 온도 t a 는 아래표를 이용 한다.. Ht : haet loss throuth structure(wall) (Kcal/h) K : heat transmission coefficient of structure(wall) (Kcal/m 2h oC) tr : inner temperature (oC) to : outer temperature (oC) x : wall thickness (m). Table 2 Modification temp. due to atmospheric radiation 외벽. 일반적인 경우, 위의 식을 사용하나 외벽의 일사 (insolation) 또는 복사(radiation)에 의한 영향을 고려. 4~9층 부위 3층 이하의 10층 주위에 건물 주위에 건물 이상 부분 있음 없음 ⊿ta. 한 손실열량 H t‘는. 0℃. 0℃. 2℃. 3℃. 수평 지붕 6℃. 2.2.5 열 관류율(열 통과율). Ht = kKA( tr - to - ta ). (8). 벽체를 사이에 두고 실내, 실외 공기에 접한 벽체 의 열 관류율(K)은 다음과 같다.. Ht : 구조체의 손실 열량 (Kcal/h) k : 방위계수 (N, W, NW : 1.2, E, SW, NE : 1.1, S, SE:1.0). 1/K = 1/ + /λ + 1/ . ta : 대기복사로 인한 수정온도 2.2.2 외기온도 설정 (to). 1/K : thermal resistance (m 2h℃/Kcal). 외기온도 설정은 최저 기온법과 매시 기온법이. : heat transfer rate at outer wall surface (kcal/m h ℃) : heat transfer rate at inner wall surface (kcal/m h ℃). 있는데 일반적으로 TAC온도(2.5%, 5%)를 취한다. 즉, TAC가 권장하는 온도로서 위험률 2.5%, 5%를 의미 한다.. (9). λ : conductivity of the wall (kcal/mh℃). : wall thickness (m) 일반적으로 벽체가 여러 재료로 구성되어 있고. Table 1 Design out air temp.(℃) Heating time. Seoul. Busan. Chuncheon. Jeju. 0~24. -10. -4.6. -13.3. -0.8. 4~23. -1.9. -1.1. -12.0. -0.4. 8~16. 0.1. 0.5. -9.9. 1.3. 10~20. 1.1. 2.1. -9.5. 3.3. ※ 사용시간(난방시간)은 다음과 같이 한다. 0~24시 : 주야 난방인 건물 (주택, 병원병실, 호텔객실 등) 4~23시 : 터미널, 병원 등. 중간에 공기층이 있는 경우 다음 식에 의한다. 1/k = 1/ + /λ₁+ /λ₂+....+ 1/ + 1/c (10) 1/c : thermal contact resistance in air wall (void) (m h ℃/kcal) λ1λ2 : conductivity of the wall(kcal/mh℃). : wall thickness(m). Journal of Institute of Convergence Technology Vol.2, No.2, pp. 59-65 (2012). 61.
(4) 황용하․김범재. 2.2.6 틈새 바람(극간풍)에 의한 손실 열량. 난방 부하에서 극간풍 부하는 현 열만을 계산함이 원칙이다. 왜냐하면 난방이란 습도를 고려하지 않고 온도만 조절하기 때문이다. 따라서 습도를 조절하는 가습 장치가 있는 경우에는 잠열 부하도 고려한다.. 2.2.10 창문 면적법. Q = A × qa. (15) 3. Q : 극간 풍량 (m /h) 2 A : 창문면적(m ) 3 2 qa : 단위 면적당 극간 풍량 (m /m .h). H = 1.2 × 0.24 × Q (tr- to). (11). 2.3 참숯. H = 597 × 1.2 × Q (xr- xo). (12). 2.3.1 참숯의 정의. 나무를 숯가마에 넣어서 구워낸 검은 덩어리로 재가 되기 이전의 탄소덩어리를 말하는데, 숯의 까. H s : 극간풍 현열 부하(Kcal/h) H L : 극간풍 잠열부하 Q : 극간 풍량 (㎥/h) tr-to : 실내 온도. 절대 습도 x r-x o : 실외 온도. 절대 습도. 만 색은 바로 숯의 주성분을 이루고 있는 탄소성분 때문이다. 참숯의 종류별 구조면에서 보면 흑탄(약 산성)/백탄(약알카리)/활성탄(약알카리)으로 숯을. 2.2.7 극간 풍량을 구하는 법. 구울때는 불을 나무에 직접 붙이는 것이 아니라 열. 극간 풍량은 창이나 문의 구조와 개폐 방법, 개폐. 에 의해 발생된 가스로 나무를 굽는데 이때 나무의. 회수 등에 따라 다르나 보통 환기회수법과 크랙길이. 세포벽이 타들어 가면서 수많은 미세한 구멍이 생긴. 법 그리고 창문면적법 등이 쓰인다.. 다. 이 구멍들은 자신의 빈 공간을 채우려고 강한 흡착 력을 발휘하는데 이는 해로운 바이러스나 박테리아. 2.2.8 환기 회수법. Q = V × n. (13). 독소 등을 선택적으로 흡수하는 힘도 가지게 된다. 2.3.2 참숯의 효능. Q : 극간 풍량 (m 3/h) v : 실내용적 (m 3, 천정고 사용) n : 환기회수 (시간당). 숯은 알카리성으로 산성화한 물질이나 식품등을 중화시켜 알칼리화 하는 효능과, 혈액을 알칼리로. 2.2.9 크랙 길이법. 중화하여 건강을 유지 하고, 산성 토양을 개량한다. . 실외 풍속과 창의 종류, 창문 틈새 등을 고려하여. 습도조절을 자연스럽게 해주는 습도조절효과를 가. 아래표에서 단위 크랙 길이 당의극간 풍량을 구하여. 지며, 숯은 탄소 85%, 수분 10%, 미네랄 3%(칼슘, 칼. 전체 크랙 길이에 곱한다.. 륨, 마그네슘, 철분 등) 등으로 구성된 탄소덩어리 물 질이다. 숯이 방사하는 원적외선은 방사율 기준으. Q = L × q. (14). 로 1로 놓고 볼 때 93%나 된다. 고온에서 구워진 숯 은 전자파를 차단한다. 이는 숯이 탄화되면서 통진. Q : 극간 풍량 (m 3/h) L : 크랙 길이(m) qc : 표에 의한 단위 크랙 길이 당 극간 풍량 (m 3/m.h). 성을 가지이로 인하여 각종 기기에서 발생된 전자파 를 흡수하여 내부에서 소멸시킨다.. Table 3 Infiltraction of steel sash windows(air volume/clack 3 length 1meter [m /h]) 창의 종류 목재 상하식창 목재 상하식창 강재 상하식창 강재 회천창 강재 밀어내기창. 62. 창 주위의 틈 새 1.6mm 2.4mm 1.6mm 1.2mm. 옥 외 풍 속(m/h) 2. 4. 0.8 2.2 1.6 4.4 1.6. 1.7 5.5 3.8 9.3 4.2. 6. 8. 10. 3.2 4.6 6.5 9.0 12.6 16.4 6.1 9.2 11.2 14.4 19.7 25.2 7.1 10.1 13.4. 한국교통대학교 융․복합기술연구소 논문집 제2권 제2호, 2012. Fig. 4 Construction dwg. of hardwood charcoal kiln.
(5) A Study on the Heating System of a Vinyl House using Hardwood Charcoal Kiln Heat-Source. 3. 실 험. 1) 벽돌의 규격에 따른 열전도율을 구한다. 2) 하우스 난방부하를 계산 한다. 3.1 참숯가마의 구조 숯가마의 구조는 구운 벽돌로 쌓아 만든 것으로 벽체 두께는 300mm이고, 가마 주위에 약 2m의 공간 을 두고 찰흙 벽돌 또는 돌로 이중 구조로 한다. . 3) 온수저장 탱크용량을 계산한다. 4) 참숯가마 1기당 전열면적을 계산한다. 5) 온수 순환펌프 용량을 계산한다. 6) Fig. 7에서 각 구간의 온도를 참숯에 불을 지펴서 완전 연소 시까지 시간 단위로 온도를 측정한다.. 4. 실험결과 분석 및 고찰 4.1 벽돌 한 장당 열 전도율 사용된 벽돌의 열전도율 : 1.59 Kcal/mh ℃, 두께 : 90mm 일때 K=1/R = kA/L K=0.9x1/1.59=17.66kcal/h. 4.2 하우스 난방부하 4.2.1 설계조건. 1) 난방 온습도 조건 o. ․외기 : 경기도 수원기준 ‐12.4 C, 70% RH . Fig. 5 Location of hardwood charcoal kiln. o. ․실내 : 12 C 60% RH, 온도차 : 24.4 o C 2) 구조체 열관류 율 2 o. 2 o. ․외벽 : 2.73 Kcal/m h C, 바닥 : 1.21 Kcal/m h C 3) 환기횟수 0.1회/h 4) 잠열부하 및 방위계수는 무시한다.. Fig. 6 Manufacturing location of kiln. Fig. 8 Vinyl house elevation Table 4 Calculation of heating load . Fig. 7 Hardwood charcoal kiln - Temperature measurement. 3.2 실험 계획. 구분. 면적 (㎡). K값 (Kcal/㎡h℃). 온도차 (℃). 부하 (Kcal/h). 외벽. 571. 2.73. 24.4. 38,035. 바닥. 400. 1.21. 12.2. 5,905. 합계. 971. 3.94. 36.6. 43,940. Journal of Institute of Convergence Technology Vol.2, No.2, pp. 59-65 (2012). 63.
(6) 황용하․김범재. 1) 가마 1기당 점화하여 완전 연소시까지 온수 저장. Table 5 Warm water‐Storage tank capacity 구분. 부 하 (Kcal/h). 난방부하. 43,940. 배관부하(10%). 4,394. 예열부하(10%). 4,394. 합계. 52,720 → 60,000. 용량은 4시간 가영하여 저장용량은 5,000 Lit 볼 때 ․5000 x (85 o C ‐ 30 o C) = 275,000 Kcal/h. 2) 위에서 가열량이 275,000 Kcal/h이므로 4시간 동 . 안 참숯 가마로 충분이 온수를 생산할 수 있다. 3) 따라서 하우스가 여러 동 이므로 가마와 온수 저장 탱크를 순차적으로 가동 할 수 있도록 설계를 한다.. 4.2.2 참숯가마 전열면적. ․보일러 정격출력 60,000 Kcal/h . 4) 난방 시스템은 아래 그림과 같다.. ․상당가열면적 (EDR : ㎡). . ․EDR = = 92.3m 2 4.2.3 온수 순환펌프용량. ․온수저장탱크에서 하우스까지 순환 배관길이는 100m 로 본다. ․압상고 는 1m로 본다. Fig. 9 Flowing dwg. of heating pipe line o. ․유량 : 60,000 / 60분 / 10 C= 100 LPM ․양정 : 배관손실 (300m x 0.03 ) ‐‐‐‐ 9.0 m. 부속저항 (관저항의 (50%) ‐‐ 4.5 m 온수저장 탱크 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 1.0 m 밸 브 류 ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 2.0 m S.F(10%) ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ 1.7 m ‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐‐ TOTAL 18.2 m → 20m × ․동력 = x 1.1 (SF) = 0.8 HP × . Fig. 10 Detail dwg. kiln coil. ∴ 순환펌프 용량. 5. 결 론. 62 LPM x 20m x 1 HP ‐ 단상 x 220V x 60Hz. 본 연구에서는 참숯가마에서 참숯을 만들 때 열. 4.2.4 참숯가마 온도측정. 원을 이용하여 비닐하우스 난방에 이용 가능 여부. 참숯가마에 점화하여 완전 연소후 까지 온도를. 와 수익성에 대한 연구하였다.. 측정한 경과 아래와 같은 결과를 얻을 수 있다.. 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 하우스의 난방에는 대규모의 경우는 1차 경유보. Table 6 Result for temp. measurement of kiln . 일러로 초기 난방을 한 뒤 연탄보일러로 지속 난방. 구분. A 점 (oC). B 점 (oC). C 점 (oC). 점회시작 1시간. 103. 56. 37. 2시간 경과. 325. 189. 124. 가져오므로 난방비 절감이 최우선적이다. 참숯을. 3시간 경과. 786. 254. 191. 생산 할 때 열원을 이용 온수를 생산하여 농업용 비. 4시간 경과. 820. 259. 195. 닐하우스의 난방용으로 사용 할 수 있음을 실험을. 5시간 경과. 791. 249. 193. 통하여 얻을 수 있었다. . 완전 연소후. 135. 132. 128. 을 하는 시스템을 구축인한 난방비가 원가의 상승을 . 따라서 비닐하우스의 농작물 생산원가 중 난방 비가 차지하는 비율로 보이는 약 10 ∼20%의 생산비. 4.3 하우스 난방시스템 64. 한국교통대학교 융․복합기술연구소 논문집 제2권 제2호, 2012. 를 절약 할 수 있으며, 이는 난방에 필요한 연료비의.
(7) A Study on the Heating System of a Vinyl House using Hardwood Charcoal Kiln Heat-Source. 절감과 저탄소 녹색기술 농업에 기여 할 것으로 본다.. Acknowledgement 이 논문은 2012년도 한국교통대학교 교내학술연구 비의 지원을 받아 수행한 연구입니다.. References. 2) J.H. Joe and H.I. Kang. “Practical construction equipment articles”, Gimoonsa, p. 1-3~8, 2009 3) Y.H. Hwang, “A theoretical and Experimental Study on Volumetric Solar Collectors Using Porous Medium”, Phd, p. 19~20, 1993. 4) Y.H. Hwang. “ Heat Transfer. Kyungmunsa”, chapt2, p. 41~50.. 1) I.K. Choi, “Air conditining & Refrigeration machine”, Tamguwon, p. 13~18, 2000.. Journal of Institute of Convergence Technology Vol.2, No.2, pp. 59-65 (2012). 65.
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수치
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