http://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2015.27.1.050
지역난방의 일반제어 및 열량제어 에너지 시뮬레이션
Energy Simulation for Conventional and Thermal-Load Controls in District Heating
이성욱(Sung-Wook Lee)1, 홍희기(Hiki Hong)2†, 조성환(Sung-Hwan Cho)3
1
경희대학교 기계공학과 대학원,
2경희대학교 기계공학과,
3전주대학교 기계자동차공학과
1
Graduate school, Kyung Hee University, Yongin 449-701, Korea
2
Mechanical Engineering, Kyung Hee University, Yongin 449-701, Korea
3
Department of Mechanical and Automotive Engineering, Jeonju University, Jeonju 560-759, Korea (Received July 19, 2014; revision received September 29, 2014; Accepted: September 30, 2014)
Abstract Korea district heating systems have mainly used setting temperature control and outdoor reset control. Different from such conventional normal methods, a thermal-load control proposed in Sweden can decrease the return temperature and reduce pump power consumptions because the control is able to provide the appropriate amount of required heat. In this study, further improved predictive optimal control in addition to the conventional controls were simulated in order to verify its effect in district heating system using TRNSYS 17. 200 m
2apartment housing which accounts for 25% in Korea and is used as a calculation model;. the number of households in the simulation was 9. As a result, a higher temperature difference and decreasing flow rate at primary loop were shown when using thermal-load control.
Key words Normal control(일반제어), Thermal-load control(열량제어), Outdoor reset control(외기보상제어), Setting temperature control(설정온도제어), Predicted heating load control(난방부하예측제어), Predictive optimal control(외기온예측/최적제어)
†Corresponding author, E-mail: [email protected]
기호설명
A : 면적 [m
2] C : 비열[kJ/kg℃]
K : 열관류율 [kJ/hrm
2℃]
M : 질량 [kg]
: 유량 [kg/hr]
: 열전달량 [kJ/hr]
T : 온도 [℃]
하첨자
1 : 1차측
2 : 2차측
amb : 외기온도 loss : 손실
pre : 2차측의 예상되는 필요열량 sup : 공급수온도
room_sp : 실내설정 rtn : 환수온도 wall : 벽체 water : 물
1. 서 론
건물에너지의 효율적 이용이 중요시되는 시점에서 지역난방 시스템은 다양한 에너지원으로 열을 얻을 수 있는 장점을 가지고 있다 . 세계적인 보급률은 선진국 중심으로 점차 증가하고 있으며, 국내에서도 총 난방 방식의 28%가 지역난방 시스템을 적용하고 있다.
(1)건 물에너지의 효율적 이용과 더불어 열적 쾌적성에 대한 요구가 증가하고 있어 새로운 지역난방 방식이 지속해 서 개발되고 있다. Friedlander and Adelman은 외기온도 가 올라가면 공급수온도를 낮추는 외기보상제어를 제 안하였다.
(2, 3)또한 스웨덴의 NordIQ사에서는 수용가측 의 필요난방부하를 예측하여 2차측의 환수유량과 환수 온도를 바탕으로 공급수온도를 재환산하는 난방부하 예측제어 방법을 제시한 바 있다 .
(4)Cho et al.은 변화하 는 외기온도의 기울기를 바탕으로 사용자측 열부하를 예측하는 외기온예측/최적제어를 연구하였다.
(5)본 연구에서는 설정온도제어와 외기보상제어 그리고
난방부하예측제어와 외기온예측 /최적제어에 따른 지역
난방 열원에서 아파트 기계실까지의 1차측과 아파트
Fig. 1 Apartment housing used in simulation.
기계실에서 세대까지의 2차측의 에너지 사용량 특성에 대해 알아보도록 하였다 . 건물의 동적 에너지 해석에 많이 이용되고 있는 TRNSYS 17를 사용하여 분석하였다.
2. 지역난방제어 시뮬레이션 2.1 대상공간 및 시뮬레이션 조건
대상공간은 국내 아파트의 약 25%를 차지하는 30평 대의 아파트로 Fig. 1과 같이 전용면적 119.7 m
2천장 높이 2.45 m이며, 측벽세대를 포함한 중간층세대 9개를 지정하여 모델링하였다.
(6)본 연구에서는 지역난방 열 공급 시스템에서 설정온도제어와 외기보상제어 그리고 난방부하예측제어와 외기온예측 /최적제어의 시뮬레이션 을 위해 일반 가정에서 쓰이는 온돌난방을 모델링하였 다. 난방이 적용되는 방1, 방2, 방3 그리고 거실의 온도 를 21℃(20∼22℃)로 유지하도록 운전 조건을 설정하였 다 . 또한 각 세대로 공급되는 유량은 전체 온돌 코일 중 열려 있는 방의 코일 길이의 비율로부터 메인유량밸브 의 개도를 조정하여 적절한 유량으로 공급된다. 상세한 온돌 시뮬레이션에 대한 방법은 인용문헌
(7)을 참고하 기 바란다 . 환기횟수는 시간당 0.7회로 설정하였다.
집단에너지 난방시뮬레이션을 모사하기 위해 공동 주택의 열부하 패턴을 고려하였다. Fig. 2와 같이 밤 12 시 이후로 새벽까지 난방부하가 점차 감소하다가 아침 시간에 급격히 상승한 후 다시 낮 시간대에는 크게 낮 아진다 . 일반인들이 하루의 일과를 마치고 귀가하는 저 녁 시간이 되면 열소비가 급증하게 되고 대개 22시 전 후에서 열소비 피크를 기록하였다.
(8)본 연구에서는 서울지역 표준기상 데이터를 사용하 여 한겨울 날씨인 영하권의 1월 1일부터 2주일간 시뮬 레이션을 진행하였으며 , 계산결과 분석을 위해 제어가 충분히 안정되는 5일부터 9일까지 5일간의 데이터를 바탕으로 정리하였다.
Fig. 2 Hourly heat consumption pattern.
Fig. 3 Primary and secondary loop in district heating system.
Fig. 3은 지역난방 시스템의 개략도이다. 공동주택 기계실 열교환기 기준으로 지역난방측(이하 1차측)과 사용자측 (이하 2차측)으로 나눈다. 열교환기 열매체로 중온수를 사용하며 열교환 방식은 물 대 물의 간접방 식을 사용한다. 1차측은 공급수온도가 일정하며 2차측 설정온도에 따라 1차측 유량을 제어하는 정온도 변유 량 방식이다 . 1차측 공급수온도는 지역난방 표준설비 기준인 115℃로 설정하였다. 1차측 유량은 2차측 설정 온도와 공급수온도차에 의해 온도조절밸브 (TCV)로 유 량이 제어된다. 시뮬레이션 구현을 위해 2차측 설정온 도와 환수온도 그리고 유량으로 열량을 구한 후, 열교 환기에서의 열손실이 없다는 가정 하에 1차측 유량을 구하여 실제 제어방법과 동일한 효과를 구현하였다 .
2.2 제어방법2차측의 공급수온도 제어방식에 따라 일반제어와 열 량제어로 나누었다. 일반제어에는 설정온도제어와 외기 보상제어가 있으며 열량제어에는 난방부하 예측제어 와 외기온예측 /최적제어가 있다.
일반제어는 계절별 특성 또는 외기온도 변화에 따라
공급수온도를 설정하지만 , 열량제어는 사용자의 열수요를
바탕으로 필요열량을 산출하여 공급수온도를 결정한다.
2.2.1 일반제어
지역난방제어로 많이 쓰이는 대표적인 제어로, 설정 온도제어와 외기보상제어가 있다. 설정온도제어(Setting Temperature Control, STC)는 2차측 공급수온도를 일정 하게 유지하는 방법이다 . 세대 난방온도는 계절별, 지 역별, 단지 특성에 따라 다소 차이가 날 수 있으나, 대 체로 겨울철에는 60℃ 내외로 운용한다. 본 시뮬레이 션에서의 설정치는 60℃이다.
외기보상제어 (Outdoor Reset Control, ORC)는 외기온 도가 낮아지면 2차측 난방 공급수온도(T
sup2)를 높이는 제어방법이다. 본 연구에서의 공급수온도는 외기온도 (T
amb)에 따른 식(1)에 의해 결정된다.
T
sup2 ·
(1)
2.2.2 열량제어
난방부하 예측제어 (Predicted Heating load Control, PHC) 는 스웨덴 NordIQ사의 특허로서 벽체의 온도변화를 바탕으로 식(2)를 통해 난방부하를 산출한다. 환수온도 와 공급유량 그리고 예측된 난방부하를 바탕으로 식 (3)을 통해 2차측 공급수온도를 결정한다. 2차측 필요 부하량을 예측하기 힘든 기존의 외기보상제어와 설정 온도제어의 단점을 보완한 제어방법이다.
(2)
where,
⋅
·
⋅
T
sup2
·
(3)
Cho et al.이 제안한 외기온예측/최적제어(Predictive Optimal Control, POC)는 실내에 전달되는 열량이 구조 체의 축열현상에 의하여 지연되는 시간을 고려한 후 정확 하게 실내에 맞는 적정한 열량을 외기온 변화 기울기를 통해 미리 계산하여 공급함으로써 과잉난방이나 온수수 송에 발생하는 열손실을 최소화시키는 제어방법이다 . 외기온 변화 기울기는 현재 외기온도와 ∆ 시간 이 전의 외기온도의 차를 ∆ 로 나눈 값으로 식 (4)를 통해
계산된다 . 계산된 기울기를 통해 예측된 공급열량이 산 출되며 이를 토대로 난방부하예측제어에서 사용한 식 (3)을 통해 2차측의 공급수온도가 정해진다.
∆
(4)
(outdoor temp. will increase)
(outdoor temp. will decrease)
⋅⋅ (5) where, = proportional factor
T
1= previous temperature T
2= present temperature
3. 시뮬레이션 모델링3.1 지역난방 시스템
건물에너지 동적 해석 소프트웨어인 TRNSYS 17을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다 . Fig. 4는 지역난방 제어방법을 적용한 시뮬레이션 스튜디오의 모습이다.
화면을 편의상 Ⓐ∼Ⓕ의 구역으로 나누었다.
Ⓐ는 1차측 열원구성을 나타내며, Ⓑ는 2차측으로 대상건물의 정보가 입력된 TYPE 56이 포함된다. Ⓒ는 1차측의 밸브개도제어를 나타내며, Ⓓ는 2차측 유량제 어로 구성된다 . Ⓔ는 TYPE 698을 사용하여 각 세대별 실내온도를 따로따로 제어하며 , Ⓕ는 TYPE 14h를 통 해 난방부하패턴을 모사한다 . Ⓒ와 Ⓓ는 1차측 밸브개 도제어와 2차측 유량제어를 구현하기 위해 EES(Engi- neering Equation Solver)를 사용하였으며, TYPE 66을 사용하여 TRNSYS와 연동하였다.
식 (6)을 통해 2차측의 건물로 보내는 유량과 바이패 스되는 유량을 제어한다(Fig. 3 참조). 세대측으로 보내 는 유량신호와 바이패스 신호는 Fig. 4의 Ⓔ구역에 있 는 실내온도제어 신호와 Ⓕ의 난방부하패턴 그리고 Ⓓ 의 각 방으로 보내는 유량을 토대로 계산된다 .
1차측 유량은 식(7)을 통해 결정된다. 1차측 유량제어 방법은 뒤에서 상세히 다루기로 하며 , 이와 같은 1차측 및 2차측 유량 제어방법 그리고 실내설정온도는 앞서 언급 한 네 가지 제어 시뮬레이션에 동일하게 적용하였다 .
⋅
⋅
(6)
여기서
는 i번째 세대 j번째 방의 난방 여부로서
설정온도 범위에 따라 결정되며 ,
는 i번째 세대의 난
방 여부로서 Fig. 2의 스케줄에 의해 정해진다.
는 i
번째 세대 j번째 방에 공급되는 질량유량이다.
Fig. 4 Composition in Simulation studio.
Fig. 5 Heat loss at common duct.
Pipe no. Length(m) Size Pipe loss factor (W/m
2K)
1 250 40 A 2.96
2 50 40 A 2.96
3 250 40 A 2.96
4 250 40 A 2.96
Table 1 Pipe information for simulation Fig. 4 Composition in Simulation studio.
⋅
(7) where,
⋅
⋅
3.2 지역난방 공급수온도제어 모델링
제 2.2절에서 소개한 일반제어와 열량제어의 관련된 식들이 EES 프로그램에 내장되어 각 제어별로 2차측 공급수온도를 계산하게 된다 .
계산된 2차측 공급수 설정온도, 2차측 환수배관으로 부터 측정되는 환수온도와 환수유량 그리고 1차측 열 교환기 입구와 출구로부터 측정되는 공급수온도와 환 수온도로부터 1차측 유량은 식(7)을 통해 재환산한다.
계산된 1차측 유량은 지역난방 시스템에서 온도조절 밸브 (TCV)로 제어되나, TRNSYS에서 1차측 유량제어 구현을 위해 변유량 펌프인 TYPE 743과 연결하여 2차 측 설정온도에 맞춰 유량이 변화되도록 하였다.
3.3 공동구 열수송관의 열손실을 포함한 모델링
2차측 열수송관 열손실 시뮬레이션을 위해 파이프 컴포넌트를 Fig. 5와 같이 4개의 구간에 추가하여 시뮬 레이션을 진행하였다.
는 기계실 열교환기로부터 세대측 공급을 위한 2차측 열수송관에서의 열손실,
는 필요 난방유량 외 바이패스되는 환수관에서의
열손실 ,
는 세대측 환수관에서의 열손실이며
은 바이패스되는 환수관과 세대측의 환수관이 합
쳐진 부분의 열손실이다.
시뮬레이션을 위해 파이프 컴포넌트에 필요한 주요 입력정보로는 배관의 길이 , 안지름, 배관 단열재에 따른 열손실계수 (총괄열전달계수) 등이 있다. 배관의 내경과
단열재는 지역난방 열사용시설기술기준과 건축기계설 비공사 표준시방서를 참고로 하여 입력하였다 . 이해를 도모하기 위해 각 배관 번호별 배관 길이, 안지름 그리 고 배관 열손실계수를 Table 1과 같이 정리하였다.
배관에 노출되는 주변온도는 3가지 경우로 진행하
였다 . 첫 번째로 연평균 지중온도 15℃일 때와 두 번
째로 지역난방을 열원으로 하는 서울지역 공동구 지중
온도 실증 데이터 활용, 세 번째로 지중온도 대신 최
악의 조건을 고려하여 외기온도로 가정하여 시뮬레이
션을 진행하였다 (특별한 언급이 없으면 외기온도를 적
용한 결과임 ). Fig. 6은 위에 언급한 세 가지 조건에 대
한 온도데이터를 보여준다 .
(a) Setting temperature control
(b) Outdoor reset control
(c) Predicted heating load control
(d) Predictive optimal control
Fig. 7 The result of district heating controls at secondary loop.
Fig. 6 Common duct simulation condition.
4. 계산결과 및 분석
Fig. 7은 각 제어별로 계산된 설정온도, 2차측 공급수 온도, 환수온도 그리고 공급유량을 나타낸 그래프이다.
열수송관을 추가함으로써 2차측 공급수온도가 열손실
로 인해 설정온도보다 4℃ 정도 낮아지는 것을 알 수
있다(지중온도로 외기온도 사용). 또한, 건물로 공급되는
2차측 유량이 클수록 열사용량이 많은 것을 의미하며
환수온도가 내려가는 것을 알 수 있다 . 모든 세대가 난방
하지 않을 때에는 세대로 들어가는 유량이 0이 되며, 배관
내 공급수온도가 급격히 떨어지는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 8 Heat loss of pipe sections by heating controls.
Household no.
STC [GJ/day]
ORC [GJ/day]
PHC [GJ/day]
POC [GJ/day]
1 0.084 0.084 0.084 0.084 2 0.071 0.068 0.068 0.064 3 0.127 0.131 0.142 0.163 4 0.121 0.091 0.070 0.090 5 0.103 0.108 0.103 0.100 6 0.058 0.061 0.058 0.060 7 0.137 0.131 0.152 0.145 8 0.074 0.073 0.081 0.098 9 0.269 0.266 0.264 0.270 Total 1.043 1.013 1.023 1.074
Table 2 Supply heating load to households
*
STC : setting temperature control.
*
ORC : outdoor reset control.
*
PHC : predicted heating load control.
*
POC : predictive optimal control.
Control method
Primary loop Secondary loop
Average supply temp.
(℃)
Average return temp.
(℃)
overall mass flow rate
(×10
3kg/hr)
Average supply temp.
(℃)
Average return temp.
(℃)
overall mass flow rate
(×10
3kg/hr)
STC 115.4 60.7 10.77 57.5 50.2 11.80
ORC 115.6 54.7 10.02 52.4 47.0 12.43
PHC 115.6 53.3 8.98 51.1 45.0 13.64
POC 115.6 47.0 8.12 45.1 38.8 19.12
Table 3 Results of district heating control simulation 실내 난방설정온도는 21℃(20∼22℃)로 제어하였으며
Fig. 7은 Fig. 1의 중간층 중간세대 4, 5, 6번의 Room1 을 대표로 하여 정리하였다 . 방별로 난방설정 온도범 위 내에서 제어가 잘 이루어지는 것을 그래프를 통해 확인할 수 있다.
Table 2는 세대별 공급열량을 제어별로 정리하였다.
열수송관을 지나 세대로 공급되는 열량은 위와 동일한 제어 순으로 1.043, 1.013, 1.023, 1.074 GJ/day이다. 세 대로 공급되는 열량은 제어방식과 무관하게 거의 동일 한 것을 알 수 있다.
Table 3은 제어별로 1차측과 2차측의 평균 공급수온 도와 환수온도 그리고 공급유량을 정리한 표이다 . 일반 제어에 비하여 열량제어는 1차측 유량과 환수온도가 낮았다 . 그리고 2차측 공급수온도가 낮아지며, 세대의 난방설정온도인 21℃(±1℃)를 유지하기 위해 공급되는 2차측 유량은 높게 나오는 경향을 보였다. 이는 난방조 건을 충족시키기 위해 2차측 공급수온도가 낮은 만큼 공급되는 2차측 유량은 높아지는 것으로 보충하게 된 다고 볼 수 있다 . 결국 2차측 펌프 소요동력의 증가로 이어질 수 있으므로 인버터제어 등을 추가로 도입하여 소요동력을 감소시키는 방안을 모색할 필요가 있다.
한편 열량제어에서 1차측 환수온도 감소는 1차측의 차온 증대로 이어지며 지역난방 열이용률 증가와 이에 따른 지역난방 순환유량이 감소하는 것을 뜻한다. 기 존에 가장 널리 사용해온 설정온도제어의 1차측 차온 은 54.7℃인데 반해 가장 최근에 제안된 열량제어 방 식인 외기온예측 /최적제어에서는 68.6℃로서 차온폭이 13.9℃ 증가함을 알 수 있다.
Fig. 8은 구역별 열수송관의 열손실을 제어별로 정 리하였다. 배관들 중 제일 높은 온도가 흐르는 주 열 수송배관 ①이 주변과의 열손실이 가장 크다는 것을 알 수 있다 . 또한 제어별로 비교할 때 낮은 공급수로 공급되는 열량제어가 공동구 배관의 열손실이 상대적 으로 낮은 것을 알 수 있다 .
합쳐진 환수배관 ④ 또한 전체 공동구 열손실에서 비교적 큰 비중을 차지한다. 따라서 주요 공급배관과 환수배관의 단열재를 보완한다면 , 열손실 감소 효과를 얻을 수 있을 것이다 .
공동구 배관에서 손실되는 총열량은 설정온도제어
기준으로 배관의 주변온도로 연평균 지중온도, 공동구
실측 온도, 외기온도를 사용했을 때 각각 1.06, 1.09,
1.43 GJ/day이며 주변온도가 낮을수록 손실되는 열량
이 크다는 것을 알 수 있다 .
5. 결 론
지역난방 시스템에 대한 설정온도제어, 외기보상제어, 난방부하 예측제어 그리고 외기온예측/최적제어에 대한 시뮬레이션을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다 .
(1) 열량제어는 일반제어보다 1차측 유량과 환수온 도 그리고 2차측 공급수온도가 낮았으며, 세대 의 난방설정온도를 유지하기 위해 공급되는 2차 측 유량은 높게 나오는 경향을 보였다 .
(2) 외기온예측/최적제어를 시뮬레이션한 결과, 필요 난방부하에 따라 공급수온도가 결정되며, 1차측 의 차온이 설정온도제어에 비해 13.9℃ 증가하였 다. 이는 지역난방 열이용률 증가와 이에 따른 지역난방 순환유량이 감소하는 것을 뜻한다 . (3) 구간별 배관의 열손실 정도를 비교하기 위해 진
행한 시뮬레이션 결과 주 공급배관에서의 열손 실이 가장 크게 나왔으며, 제어별로 비교하였을 때 , 외기온/최적제어가 가장 낮은 공동구 열손실 을 보였다 .
후 기
본 연구는 지식경제부 에너지․자원기술개발사업의 연구비(과제번호 : 20121867) 지원에 의해 수행되었음.
References
