열부하 패턴 실증 분석에 의한 지역난방 특수 열사용시설의 시스템 개선 연구

Abstract

최근 증가하고 있는 지역난방 사용자 중 목욕탕이나 수영장과 같은 특수열사용시설은 부하 변동이 심하여 열공급자가 열수요를 예측하는데 어려움이 있다. 또한 급탕온도를 권장온도보다 높게 설정하여 운전함으로써 지역난방의 회수온도가 상승하고 공급자의 열생산시설의 효율이 저하되는 문제점이 발생하고 있다. 이러한 문제점을 해결하고 지역난방 시스템을 특수시설에 확대 보급하기 위해서는 열사용 패턴에 관한 기초적인 데이터의 확보가 필수적이다. 본 연구에서는 지역난방을 이용하는 특수사용자 설비를 대상으로 설문 조사를 통해 기초 이용 실태를 파악하고, 실측을 통해 열사용 패턴을 분석함으로써 지역난방 특수 열사용시설의 시스템 개선 방안을 제시하고자 하였다. 설문 조사를 통해 지역난방 특수사용자의 기초적인 열사용실태를 분석한 결과 난방연결부하가 지나치게 높게 산정된 사용자가 존재하였으며 과도한 난방 열교환기 용량 설계로 인한 사용자의 초기 투자비 및 열요금을 줄여야 할 것이다. 또한 특수사용자들의 대부분이 열요금에 대해 가장 많은 불만을 나타냈으며 합리적인 요금 체계 방안이 요구되었다. 특수 열사용시설의 난방 열교환기 설계 및 난방부하 수요 예측시 적용 가능한 외기온도에 따른 단위난방부하 예측식을 도출하였다. 중·대규모, 24시간 가동 성격을 지닌 특수사용자는 위도와 외기 온도에 따른 난방 부하 특성이 잘 나타나며 동절기 난방 부하는 아침과 밤 시간에 집중되는 경향을 보였다. 그러나 집중적인 난방사용을 피하고 현재 설정온도보다 낮은 2차측 난방 공급온도로 연속난방을 하는 것이 에너지 및 운전비 절감 측면에서 더 효율적일 것으로 판단된다. 소규모, 제한적 가동 성격의 특수사용자는 영업시간 이외에도 지속적인 난방 사용과 높은 난방 공급온도 설정으로 인하여 과도한 열사용량을 나타냈으며 특히 외기온도가 높은 지역임에도 불구하고 동절기에 2차측 난방 공급온도가 높아 현재보다 낮게 설정하여 운전하는 것이 바람직하다. 난방사용의 경우 단위난방부하 기준치를 초과하는 사용자는 없었으나 단위부하 기준치에 비해 동절기에도 60% 이하의 수준으로 사용되어 난방열교환기 용량이 과대 설계되었다. 최근 단열성능 향상과 지구 온난화로 인해 현행 단위난방부하 기준치를 그대로 적용할 경우 과대 설계 가능성이 높으므로 단위난방부하 기준의 하향 조정에 관한 검토가 필요하다. 소규모, 제한적 가동 성격을 지닌 특수사용자는 동절기에 단위급탕 부하 기준치에 비해 2배 이상 급탕을 사용하는 것으로 나타나 새벽시간의 집중 부하와 주간시간의 사용부하 대응을 위해서는 급탕 열교환기의 용량과 저탕조의 용량을 2배 이상 증가시킬 필요가 있다. 예열 열교환기 대비 재열 열교환기 사용 열량은 평균 1.44배 정도 많은 패턴을 보였다. 따라서 현행 예열과 재열 열교환기의 용량을 50:50으로 분배하는 방식을 예열 열교환기의 용량은 줄이고 재열 열교환기의 용량은 증가시켜 40:60으로 분배하는 것이 효과적이라 판단된다. 엑서지를 도입한 새로운 열요금 산정 방식을 제안하였으며, 엑서지 사용량은 주위온도, 공급온도, 압력손실의 영향이 거의 없으며 최대 공급-회수 온도차에 큰 영향을 받는다. 실제 개선 요금안 적용 결과 계절에 따라 요금 차등으로 기존 요금에 비해 합리적인 대안이 될 것으로 사료된다.; Both from an economical and an environmental point of view, district heating(DH) has widely used to supply cities with heat from a common heating system. However, it is difficult to predict the heat demand of special facility as a spa, swimming pool due to variable heat load. To investigate this problem, the actual energy analysis of a special facility is necessary. In this study, the survey to special facility user and the heat load analysis based on actual data were performed to improve the district heating system. As a result of survey, there were the special facility users which had the heat exchanger of excessive capacity compared to unit heating load standard. This causes to the increase of a initial cost of facility and usage cost on DH user. Actual heat consumption data in three special facility users supplied by DH for six months was validated to compare the KDHC data. As a result of heating load analysis, the typical characteristics on the heating load with outdoor temperature in Suwon and Cheongju was founded. While it was not founded the relation to between the outdoor temperature and heating load in Daegu. Averaged heating load in all regions was constant for a week. All heating load of three users in winter was used about 60% level compared to unit heating load standard. Therefore, the capacity of heating heat exchanger should be lower. Hot water supply heating load was concentrated on the early time at 2-4 AM for a day, the heat consumption in Daegu, Cheongju and Suwon on weekend was about 92%, 53% and 78% level, respectively, than that of 5 days. Averaged hot water supply heating load in Daegu was two times as much as standard load. Therefore, it is necessary to increase the capacity of heat exchanger and hot water storage tank for stable hot water supply. New cost assessment method was proposed to improve the special facility system by exergy. It was reasonable for evaluating the heat consumption on DH user.