제목: 온풍기능 및 지중난방을 겸한 온풍·온수보일러 개발

[꿀벌세상]

제목: 온풍기능 및 지중난방을 겸한 온풍·온수보일러 개발

목  차
Ⅰ. 서 언 ------------------------------------------	4
1. 현황과 문제점 ------------------------------------------	4
2. 기술개발의 필요성 --------------------------------------	5
3. 연구개발의 목적과 범위 ---------------------------------	6
가. 연구개발 목적 -----------------------------------------	6
나. 연구개발의 범위 ---------------------------------------	6
Ⅱ. 기술개발 수행내용 -------------------------------	8
1. 재료 및 방법 -------------------------------------------	8
가. 정보 및 자료수집 --------------------------------------	8
나. 온풍 및 온수보일러를 겸한 온풍 온수보일러 설계 -----------	9
다. 제작재료 및 연구기자재 선발 ----------------------------	11
라. 온풍기능 및 지중난방을 겸한 온풍·온수 보일러 -------------	15
마. 보일러 가동 및 성능검토 --------------------------------	22
바. 온풍기 가동 및 성능검토 --------------------------------	24
사. 현장적용 보일러 효율 및 성능조사 ------------------------	25
아. 현장적용 작물병해 발병 및 경제성 조사 -------------------	27
Ⅲ. 기술개발 결과 및 고찰 ---------------------------	28
1. 온풍, 온수겸용 보일러 특징 및 성능검토 ------------------	28
가. 보일러 구조 및 안전장치 조사 ---------------------------	28
2. 온풍, 온수겸용 보일러 기능별 성능검토 -------------------	28
가. 기름보일러 연소방식 구조변경에 따른 효율성 --------------	28
나. 온풍 열교환기 특성 및 효율성 ---------------------------	29
다. 우분(소똥)보일러 특성 및 효율성 ------------------------	29
라. 전기보일러 특성 및 성능검토 ----------------------------	30
3. 온풍 및 온수보일러 사양 및 효율성 -----------------------	30
가. 온풍 및 온수보일러 사양 및 난방면적 효율성 ---------------	30
나. 온풍 및 온수보일러 연소 배기가스 효율성 조사 -------------	30
다. 온풍 및 온수보일러 연료소모량에 따른 경제성 조사 ---------	31
4. 현장적용 보일러 효율 및 성능조사 -----------------------	32
가. 온풍, 온수 동시운전 성능조사 ---------------------------	32
Ⅳ. 활용방안 (기대효과) -----------------------------	35
1. 대체연료 사용으로 에너지절감기술 보급 ------------------	35
2. 온실작물 동해방지대책 방안강구	35
3. 지중 및 온풍 동시난방을 통한 재배기술 농가 보급 ---------	35
4. 온풍기능 및 지주난방을 겸하는 보일러를 이용한 재배농장을    교육장으로 활용 ----------------------------------------	35
Ⅴ. 참고문헌 ---------------------------------------	36

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Ⅰ. 서 언

1. 현황과 문제점

시설재배는 인위적인 환경조성의 농업생산을 통해 마음대로 작물을 재배하는 환경조정농업이다. 미생물분야에서는 이미 같은 형태의 공업화가 되고 있지만 작물은 녹색영양생물로서 스스로 태양 에너지를 고정하고 있기 때문에 이 에너지의 제어가 극히 곤란하다는 문제점이 있다.
이와 같이 작물의 생산시기를 바꾸거나 특수생산을 위하여 대부분 비닐하우스를 이용하며 특히 년 중 재배를 목적으로 할 때 환경조절은 주로
① 저온재배시 실내온도 유지를 위한 보온과 난방,
② 가스환경조절을 위한 탄산가스농도조절,
③ 제한된 수광량을 높이거나 높은 강광도 제한을 위한 광선조절,
④ 토양수분의 적절한 공급을 위한 관수조절,
⑤ 합리적인 작물영양보급을 위한 시비량 및 시비방법의 조절이 있다.
이와 같은 제어방법으로 년 중 작물을 재배할 수 있으며 저온기 비닐하우스 작물재배는 근본적으로 보온 및 가온이다.
비닐하우스 보온은 부직포 및 보온덮개를 주로 이용하지만, 가온은 실내온도 유지를 위한 온풍난방기와 토양온도 유지를 위한 지중온수보일러 등의 기계적 에너지를 이용하는 가온방법을 주로 사용하게 되는데, 이 기계적인 제어방법은 작물재배에 있어서 각각 장·단점이 있다.

온풍기를 이용한 난방시 작물에 미치는 영향은
① 작물주변의 공기가 건조하여 토양표면위의 작물에 병해가 적다.

②

조기 가온시 뿌리부분의 지온상승이 늦어 생육에 필요한 양·수분 공급이 원활치 못해 수세약화의 원인이 된다.

또한 지중온수난방이 작물에 미치는 영향은
③ 지상보다 뿌리부분의 지온상승이 높아 뿌리의 수세가 좋다.
④ 지열상승으로 발생한 수증기로 작물주변의 공기가 다습하여 온풍난방 방법보다 병해에 약하다.
즉, 작물의 적절한 생육을 위해서는 이와같은 2가지 가온방법을 동시 병행하여야 한다. 그러나 현재는 2가지 기능을 겸비한 난방기가 개발된바 없으므로 각각의 난방기를 구입 설치함으로써 시설비 및 운영비가 가중되는 상태이다.
본 연구개발의 필요성은 이와 같은 이원화되어있는 가열온풍기와 온수보일러를 하나의 구성원으로 개발하여 토양 및 지상부의 온도를 동시 제어할 수 있도록 함으로써, 유류비 및 시설경영비가 절감되고 작물 병해의 발병율을 낮춤으로 농가소득이 향상되는 경영성과를 올릴 수 있다.

2. 기술개발의 필요성

(1) 연구개발의 현황

○ 비닐하우스 실내 난방은 온풍기로 제어한다.
○ 온풍기 사용은 지온 유지가 어렵다.
○ 지온 유지를 위해서 온수 보일러를 설치 제어한다.
○ 지중 온수난방의 단점은 지열 상승에 따라 발생하는 습기로 인하여 작물이 병해에 취약하다.
○ 가열온풍기와 온수보일러를 하나의 구성체로 개발된 바 없다.

(2) 연구개발의 문제점

○ 지온과 실온의 온도조절이 자유로워야 한다.
○ 지온유지는 지중배관 온수난방 방법이며, 실온유지는 온풍닥트시설 난방으로 한다.
○ 온풍기와 온수보일러가 하나의 몸체로 구성되어야 한다.
○ 개발한 보일러 사용시 작물에 병해가 없거나 기존 재배방법보다 현저하게 줄어야 한다.
○ 유류비용 및 시설경영비가 절감되어 농가소득이 향상되는 경영성과를 올릴 수 있어야 한다.

3. 연구개발의 목적과 범위

가. 연구개발 목적

현재 시설채소 재배 농가의 년 중 재배에 있어 저온기 재배의 지상부 난방은 가열온풍기, 지중 난방은 온수보일러를 각각 사용하고 있다.
본 연구개발은 각각 용도가 다른 열풍기와 온수보일러를 하나의 구성원으로 개발하여 토양 및 지상부의 온도를 동시 제어하여 적절한 재배환경을 유지, 병해로부터 작물이 보호되고 경영농가의 난방비용 및 시설경영비를 절감하는데 목적이 있다.

나. 연구개발의 범위

본 연구 과제는 기존의 기름보일러와 온풍기를 병합한 구조로 농업용전기, 화목 또는 우분(소똥)을 보조 연료로 사용하는 구조로 시대의 흐름에 따라 저가의 연료를 사용할 수 있도록 하며 이를 현장에 적용하여 연료비 절약과 농작물의 안정적 생산에 중점을 두었으며 추진 방법의 범위는 다음과 같다.
○ 가열온풍기와 온수보일러를 하나의 구성체로 개발하여 토양 및 지상부의 온도를 동시 제어한다.
○ 사용하는 에너지는 농업용전기, 우분(소똥), 난방유를 사용하여 연료비를 절약한다.
○ 저온기 작물 재배시 지온 및 실내온도를 동시에 제어하여 뿌리의 수세를 촉진한다.
○ 작물주변의 저온다습 원인을 제거하여 작물이 병해로부터 보호되는 효과가 있어야 한다.

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Ⅱ. 기술개발 수행내용

1. 재료 및 방법

가. 정보 및 자료수집

(1) 보일러 및 유사 제조공장 견학
경기도 화성시 팔탄면 덕우리 226-2번지에 소재한 (주)세광보일러 회사를 방문하여 진공온수식, 무압관수식, 노통연관식, 수관식, 증기보일러, 산업용, 화목보일러 등의 구조 및 특성, 운전방법에 대한 설명과 연소방식에서 2패스 또는 3패스 연소방식에 따른 제작비용 대비 경제성에 대하여 이해하였다.

그림 1. 보일러 회사 견학		그림 2. 보일러제작과정 설명

나. 온풍 및 온수보일러를 겸한 온풍 온수보일러설계

(1) 도 1 : 보일러를 설명하기 위한 정면도

(2) 도 2 : 보일러를 설명하기 위한 배면도

(3) 도 3 : 보일러 구조를 도시화한 개략도

(4) 도 4 : 온풍기 공기흐름을 도시화한 개략도

다. 보일러 제작재료 및 연구기자재 선발

(1) 보일러 제작이 용이한 강철판 및 강관 파이프 선발
(가) 보일러 제작에 있어서 일반적으로 사용되는 철판 및 파이프 종류는 다양하지만 본 개발에 있어서는 가격이 저렴하면서 보일러 제작에 적합한 일반적인 판재류와 강관류, 형강류를 선발하였다. 참고(표 1)

(표 1) 보일러제작 재료 선발

품 명		두께(mm)	규격(mm)	수량(EA)	용 도
판재류	냉간압연강관	9	1.219×2.438	18	몸통제작
			914×1.829	4
강관류	탄소강관	3.25	48.6×6,000	36	열교환기
형강류	ㄷ 형강	100	50×10,000	2	다이제작
	평철	6	50×6,000	6	팽창방지
		9		10

그림 3. 냉간압연강판		그림 4. 일반배관용 탄소강관

(나) 본 연구에서 기본이 되는 기름보일러 본체(정격열출력 200,000㎉, 가로760㎜ 세로1,560㎜ 높이1,600㎜)와 난방·급탕용 스테인레스 열교환기(온수순환량 15,000ℓ/h), 건타입버너(연료소모량 16~23kg/h), 시로코인라인팬(최대풍량 5,838㎥/h)을 선발하였으며 기타 부속품 및 소모품은 작업에 따라 각각 선발하여 사용하였다. 참고(표 2)

(표 2) 보일러 제작에 필요한 부속품 및 소모품 선발

품 명	규 격	단 위	수 량	용 도
보일러본체	200,000	㎉/h	1	보일러개조
난방열교환기	15,000	1ℓ/h	1	온수난방
급탕열교환기	3,300	ℓℓ/h	1	온수급탕
다관식후렌지	20-40	A/A	2	온수배관
건타입버너	10-25	kg/h	1	난방유사용버너
시리코인라인팬	5,838	㎥/h	1	배풍기
급수조절기	25	mm	1	수위조절
스테인레스연관	200	ø	2	연통
전기용접봉	3.2	mm	40	보일러제작용접
절단석	16	inch	25	파이프절단
연마석	4	inch	10	용접부위연마
기타배관자재

그림 5. 보일러 본체		그림 6. 온수·급탕용 열교환기
그림 7. 건타입버너		그림 8. 시리코인라인팬

(2) 연구기자재 현황 및 용도
연구개발에 필요한 기자재는 인버터에어프라즈마절단기(80A), AC아크용접기(5KW), 고속절단기(3HP), 산소절단기, 기타 핸드드릴 및 탁상드릴, 그라인더 등을 준비하였다.
○ 인버터에어프라즈마절단기 : 철판절단용으로 활용(그림 9)
○ AC아크용접기 : 보일러제작 용접용으로 활용(그림 10)
○ 고속절단기 : 강관파이프 절단용으로 활용
○ 산소절단기 : 강관파이프 삽입구 타공용으로 활용
○ 탁상드릴 및 핸드드릴 : 타공 및 탭작업에 활용
○ 핸드그라인더 : 용접부위 연마 및 연삭용으로 활용
○ 클램프메타 : 전기배선 측정 및 전기저항 측정(그림 11)
○ 적외선온도계 : 보일러 연소실 화력측정(그림 12)
○ 온도계 : 보일러 온수측정 및 지온측정(그림 13)
○ 풍량풍속계 : 온풍기의 풍량 및 풍속측정(그림 14)

그림 9. 인버터에어프라즈마절단기		그림 10. AC아크용접기
그림 11. 클램프메타		그림 12. 적외선온도계
그림 13. 온도계		그림 14. 풍속계

라. 온풍기능 및 지중난방을 겸한 온풍. 온수보일러 개발

온풍기와 온수보일러를 하나의 구성체로 하고 시대적 흐름에 따른 저비용 에너지를 사용하기 위하여 우분(소똥), 장작, 조개탄, 석탄, 가연성 쓰레기 등 고체 연료를 연소시키는 화실과 기름을 연소시키는 화실이 분리되어 있으며 또한 전기히터가 내장되어 1대의 보일러에 3개의 가열기능과 추가적으로 온풍기 기능이 포함되어 있는 온풍. 온수보일러를 다음과 같이 고안 제작하였다.
(1) 난방유를 사용하는 온수보일러
일반적인 보일러구조를 살펴보면 보일러본체는 연소실, 열교환기, 연소가스배출구로 이루어지며 수관식 보일러에 다관식 관류보일러의 구조 특성을 채용하여 노내는 수냉벽을 이루고 전면에 부착된 버너에 의하여 연소되며 연소가스는 수관 전열면을 3회 거쳐 지나가는 3패스 연소방식의 구조로 개량하여 보일러 효율을 높이기 위한 방안을 모색하였다.

그림 15. 보일러구조:3패스연소방식

(가) 온수난방용 기름보일러 연소방식 구조변경
현재 난방유를 사용하는 기름보일러는 1개의 연소실을 구성하고, 수관 전열면을 1~2번에 거쳐 지나가는 1 또는 2패스 연소방식이 대부분이다.
본 연구개발에 사용되는 기름보일러는 열효율 200,000㎉/h의 2패스 연소방식 온수보일러를 3패스 연소방식으로 개조하여 보다 열효율을 높이고자 한다.
(그림 16)과 같이 연소가스 배출구가 온수열교환기 상단 쪽에 위치하고 있으므로 열효율이 떨어지는 것을 알 수 있다.
본 개발에서는 (그림 16)의 연소가스 배출구를 (그림 18)과 같이 제거하고 열교환기 전체를 커버하여 연소가스가 (그림 19)와 같이 보일러 하단에서 배출하도록 개조하였다.

그림 16. 개발에 사용되는 온수보일러		그림 17. 연소가스배출구 제거작업
그림 18. 제거된 연소가스 배출구		그림 19. 개량된 연소가스 배출구

(2) 온풍난방을 위한 열교환기
(가) 온풍 열교환기 제작
온풍 열교환기는 상기 (그림 19)와 같이 개량된 기름보일러 연소가스 배출구 일면과 접촉하여 연소가스 열을 흡수하도록 하였다.
온풍기 구조는 기름보일러 구격과 동일한 가로760㎜ 세로1,560㎜ 높이1,600㎜의 사각 탱크를 용접하여 만들고, 가로760㎜의 앞면과 뒷면에 사방 70㎜간격으로 균일하게 펀칭 한 다음 산소 절단기를 이용 (그림 20)과 같이 50Ø 크기로 타 공 작업하고 강관파이프 길이 1,570㎜로 절단 타 공 구멍에 삽입 용접하여 (그림 21)과 같이 기름보일러 본체와 일체하는 열교환기 본체를 제작하였다.

그림 20. 교환기 제작을 위한 타공		그림 21. 온풍열교환기 강관파이프 용접

(나) 온풍 열교환기 본체 이음새 점검을 위한 공기압력측정
온풍열교환기의 이음새 용접부위 용접불량 점검을 위하여 공기압축기인 콤프레샤를 이용, 밀폐되어있는 열교환기 내부에 (그림22)와 같이 100㎏/㎠ 의 공기압력을 가하고 (그림 23)과 같이 용부위에 비눗물을 칠하여 공기방울이 발생하는 부위를 찾아 보수 용접하였다.

그림 22. 온풍 열교환기 압력측정		그림 23. 용접이음새 비눗물 점검

(다) 온풍 열교환기 본체 팽창방지용 지지대 부착 온풍 열교환기의 본체는 사각형으로 제작되어 원형으로 제작된 열교환기보다 수압에 견디는 힘이 약하다. 본 개발에 의하여 제작한 열교환기는 수압에 의하여 본체가 팽창하므로 팽창 방지를 위하여 평철판(폭 50㎜×두께 6㎜)을 열교환기 본체 외부에 20㎝ 간격으로 (그림 24)와 같이 부착 수압에 의한 열교환기 본체의 변형이 없도록 제작하였다.

그림 24. 수압팽창 방지용 지지대 부착

(라) 온풍 열교환기 환풍구 및 공기통로 제작
본 개발에 의하여 제작한 온풍 열교환기는 보일러 온수에 의하여 열교환기 파이프가 가열되고 배풍기에 의하여 파이프로 공기를 강제 통과시켜 열 교환하는 장치로써 (그림 25)와 같이 공기흐름을 유도하는 흡기통로와 배기통로의 구조에 배풍기가 설치되도록 제작하였다.(그림 26)

그림 25. 공기흐름을 나타낸 개략도		그림 26. 환풍구제작

(3) 화목 및 소똥(우분)을 연료로 하는 화목보일러
(가) 3패스 연소식 화목보일러 제작
본 개발에 의한 화목보일러는 화목 또는 우분(소똥)을 보조 연료로 다양한 연료를 사용할 수 있는 구조와 보일러 내부청소가 용이한 점, 1회의 연료 투입으로 24시간 연소 가능하고 3패스 연소방식으로 열효율을 높이는 구조로 기름보일러와 일체하는 가로760㎜ 세로1,560㎜ 높이1,600㎜의 크기로 (그림 27), (그림 28)과 같이 제작하였다.

그림 27. 화목보일러 제작		그림 28. 화목보일러 3패스연소방식

(나) 진공흡수식 연소가스 배출기 부착
화목보일러 연소가스 배출 및 화력조절을 위한 배출기는 연통내부에 빠른 공기 흐름을 주어 화실내부 공기를 외부로 배출하기 위한 수단이며 화목보일러 연소구 외부에 (그림 29)와 같이 설치하였으며 배출기 운전은 설정한 온수온도 및 타이머 설정에 따라 작동되도록 하였다.(그림 30)

그림 29. 화목보일러 연소가스배출기		그림 30. 배출기 운전 콘트롤

(다) 급속난방을 위한 전기히타 부착
상기와 같이 기름보일러, 온풍열교환기, 화목보일러가 일체하는 보일러의 일면에 전기 히타를 부착하여 시대적 흐름에 따라 저비용 에너지를 사용할 수 있도록 고안하였으며 히타 용량 15㎾/h×3개를 보일러 난방출구와 인접한 위치에 부착하여 보조난방에 사용할 수 있도록 제작하였다.(그림 31)

그림 31. 전기히타 설치

마. 보일러 가동 및 성능검토

(1) 보일러 운전 적합성 조사
개발에 의하여 각각 제작한 기름보일러, 화목보일러, 전기보일러, 온풍기를 하나의 구성체로 조립하여 버너, 배풍기, 전기히타 등 보일러 구성부품의 운전 적합성 및 안전성을 계측기를 이용하여 조사하였다.
(가) 기름보일러 운전 및 안전장치 성능검토
기름보일러 작동에 따른 안전장치(과열센서, 수위조절센서, 버너운전센서, 전기히타센서, 온풍작동센서)의 감지에 의한 콘트롤 작동여부를 조사하였다.(그림 32), (그림 33)

그림 32. 보일러조립 앞면		그림 33. 보일러조립 뒷면

(나) 소똥(우분)보일러 운전 및 성능검토
소똥(우분)을 연료로 사용하였으며 소똥의 수분에 따른 화력조사 및 연소시간을 조사하였다.(그림 34), (그림 35)

그림 34. 젖은 소똥 연소상태		그림 35. 건조 소똥 연소상태

(다) 전기보일러 운전 및 성능검토
보조난방용으로 농업용 전기를 사용하였으며 소똥보일러 열량이 약화되었을 때 전기보일러가 작동하며 전기부하 및 안전성을 검토하였다.(그림 36), (그림 37)

그림 36. 전기보일러		그림 37. 전기히타 콘트롤

(2) 보일러 효율성 및 연료소모량 조사
보일러 작동순서는 보일러 컨트롤러(R/C)를 이용해 화목보일러, 전기보일러, 기름보일러를 각각 작동하여 보일러 효율 및 연료소모량을 아래와 같이 조사하였다.
(가) 열 효율성 조사
조사방법은 보일러 컨트롤러(R/C)를 이용해 보일러 물 온도가 일정하게 유지되도록 보일러를 운전하여 연소구로 배출되는 연소가스의 온도 값을 측정했다.
(나) 연료소모량 조사
조사방법은 보일러 컨트롤러(R/C)를 이용해 보일러 물 온도 80℃로 가열하여 일일 소모되는 연료량을 화목보일러, 전기보일러, 기름보일러로 나누어 측정하였다.

바. 온풍기 가동 및 성능검토

(1) 온풍기 운전 적합성 조사
온풍 열교환기 구조 및 관체 물 온도 80℃일 때 흡입구 공기온도 대비 풍량, 풍속에 따른 토출구 공기 온도를 풍량. 풍속계로 측정하였다.(그림 38), (그림 39)

그림 38. 온풍기 토출온도 및 풍량 조사		그림 39. 측정에 사용한 풍량풍속계

사. 현장적용 보일러 효율 및 성능조사

(1) 온풍, 온수 동시운전 성능조사
(가) 온풍닥트 및 온수배관 설치
현장적용 보일러 성능을 조사하기 위하여 비닐하우스 면적 165㎡에 온풍기(그림 40)와 비닐하우스(그림 41)에 닥트를 설치하였으며 보일러 온수배관은 (그림 42)과 같이 지면에 설치하고 보온덮개로 (그림 43)과 같이 피복 단열하여 지온을 유지하도록 설치하였다.

그림 40. 온풍기 닥트설치		그림 41. 비닐하우스 닥트설치
그림 42. 지중난방용 온수배관		그림 43. 온유지를 위한 단열상태

(나) 난방방법에 따른 온도 및 습도변화 조사
비닐하우스 면적 165㎡에 온풍기와 보일러를 배관하고 온도 컨트롤러(R/C)를 이용하여 실내온도 및 지온유지와 습도의 변화를 조사하였다.(그림 44)

그림 44. 지온 및 실내온도 측정

아. 현장적용 작물병해 발병 및 경제성조사

(1) 온풍, 온수 동시운전에 따른 환경조건 및 경제성조사
(가) 하우스 안개발생 여부 및 습도조사
지중 난방에 따른 환경상태에서 온풍기를 가동하여 환경이 변화되는 온, 습도 상태를 조사하였다.
(나) 작물재배에 따른 경제성조사
지중 난방 및 온풍기 동시운전에 따른 작물재배의 경제성조사는 연구기간내의 작황조사 미흡으로 익년 봄철 채소재배에서 조사한다.

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Ⅲ. 기술개발 결과 및 고찰

1. 온풍, 온수겸용 보일러 특징 및 성능검토

가. 보일러 구조 및 안전장치 조사

본 과제를 통해 개발한 온풍, 온수보일러의 구조는 기름보일러, 화목보일러, 전기보일러, 온풍기가 일체형으로 보일러 팽창, 파열, 폭발 등 안전성에 중점을 두고 조사 저수위센서, 과열방지스위치, 시미스타, 가용전등 4중 안전장치를 표준 장착하여 안전한 것으로 조사되었다.

2. 온풍, 온수겸용 보일러 기능별 성능검토

가. 기름보일러 연소방식 구조변경에 따른 효율성

본 연구개발에서 사용한 기름보일러는 열효율 150,000㎉/h의 2패스 연소방식에서 3패스 연소방식으로 개조하여 보일러 컨트롤러(R/C)를 이용 보일러 물 온도 80℃를 일정하게 유지되도록 보일러를 운전하여 연도로 배출되는 연소가스의 폐열온도 값을 측정했다.

(표 3) 연소 배기가스 온도에 따른 효율성

구 분	물온도(℃)	폐열온도(℃)	효율성(%)
일반보일러	80	160	100
온풀보일러	80	120	133

상기 (표 3)과 같이 연소배기가스 온도는 일반보일러보다 온풍보일러가 33% 높은 효율성을 보이고 있다.

나. 온풍 열교환기 특성 및 효율성

온풍 열교환기는 원통 다관식 열 교환기 방법으로 동체 내부에 많은 전열관을 갖추고 이들의 관벽을 거쳐서 동체측 유체와 관내를 통과하는 공기와 열교환을 행하는 것으로 동체의 물 온도 80℃일 때 흡입구 공기온도 대비 풍량, 풍속에 따른 토출구 공기 온도를 측정하였다. 측정기구는 풍속계, 풍량계, 적외선온도계를 사용하여 측정값을 아래 (표 4)와 같이 구하였다.

(표 4) 온풍기 동체온도 80℃일 때 토출온도 및 효율성 조사

풍량(㎥/h)	정압(maq)	흡입온도(℃)	토출온도(℃)	효율성(%)	비 고
5,838	50	0	35	43
		5	47	58
		10	54	67

다. 우분(소똥)보일러 특성 및 효율성

우분(소똥)보일러의 구조는 일반 화목보일러와 유사하다. 단, 기름보일러와 일체하는 구조로 화목 또는 소똥을 연료로 사용하여 1차적인 가열수단으로 보일러 온도가 70℃ 이하에서 전기 히타가 작동하며 60℃ 이하에서는 기름보일러가 작동하는 순서에 의하여 운전된다.
우분(소똥)을 연료로 사용할 시 발열량은 1㎏당 3,500㎉이며, 경유 1ℓ당 9,200㎉로 경유 1일 사용량 대비 1,296㎏의 우분을 사용하여야 한다. 본 개발에서 우분보일러의 용량은 1일 최대 600㎏의 우분을 연소할 수 있다. 따라서 연료로 사용할 시 유류사용량을 약 40% 절감하는 효과가 있다.

라. 전기보일러 특성 및 성능검토

전기보일러는 소똥보일러의 열량감소에 따라 작동되며 보일러 컨트롤러(R/C)의 설정에 의하여 운전 순서를 자유자재로 조절할 수 있도록 하였다. 보일러에 사용한 전기 히타는 소비전력 45㎾/h로 난방면적 210㎡(70평)을 사용할 수 있는 용량이다.

3. 온풍 및 온수보일러 사양 및 효율성

가. 온풍 및 온수보일러 사양 및 난방면적 효율성

아래 표 와 같이 최대 열출력은 330.000k㎈/hr이며 최대 난방면적은 670평으로 하우스 400평(1,210㎡) 기준으로 난방 효율성을 조사한 결과 41%의 여유 난방면적을 보유하였다.

(표 5) 온풍 및 온수보일러 사양

구 분		단 위	경 유	소 똥	전 기
열출력		kg/hr	200,000	100,000	30,000
구 조		수관식
난방면적		평	400	200	70
열효율		%	90	70	230
제어방식			ON-OFF
전 원		3ø × 380V/220V × 60H
연료소비량			20.8ℓ/hr	25kg/h
소비전력		kW	0.4	0.15	45
제품중량		kg	3,100
연 도		ømm	200	250
외형	가로(W)	mm	2,280
	세로(L)		1,560
	높이(H)		1,600

나. 온풍 및 온수보일러 연소 배기가스 효율성조사

보일러 물 온도 80℃일 때, 일반보일러는 연소 버너가 보일러 하부에 위치 가열된 열을 상부로 이동 배기가스를 외부로 배출하는 구조로 연소가스의 배출온도는 200℃이다.
본 개발의 보일러는 연소버너가 상부에 위치 가열된 열은 3패스로 유체관을 통과하여 하단부로 이동 연소 배기가스가 외부로 배출하는 구조로 연소가스 배출온도는 120℃다. 따라서 일반보일러 보다 80℃가 낮은 배출온도를 확보하여 열 손실 효율성을 40%저감하는 효과가 있다.

다. 온풍 및 온수보일러 연료소모량에 따른 경제성조사

조사방법은 경유사용 대비 소똥 및 전기 사용시 절감되는 유류량과 절감에 따른 절약비용을 아래 (표 6)과 같이 조사하였다.

(표 6) 사용 연료에 따른 효율성조사

구 분	경 유	소 똥	전 기
연료발열량	9,200kcal/ℓ	3,500kcal/ℓ	860/kcal/kw
보일러열출력	200,000kcal/h	100,000kcal/h	30,000kcal/h
난방면적	400평	200평	70평
소비연료가격	720원/ℓ	60원/kg	36.40원/kw
열효율	80%	70%	230%
연료소비량	20.8ℓ/h	25kg/h	120kw/h
일일사용량	200ℓ/12h	600kg/24h	1800kw/15h
월사용연료비	4,320,000	1,080,000	1,960,000
면세유대비절감	100%	25%	45%

비닐하우스 면적 400평(1,210㎡)을 난방하기 위한 경유보일러의 열출력은 200,000kcal/h로 일일 12시간 운전시 연료소비량은 200ℓ이며 월 사용연료비는 432만원이다. 난방면적 대비 연료 절감을 위하여 소똥, 전기, 경유의 순서로 연료를 병행 사용할 경우 270평의 난방면적을 대체연료로 사용할 수 있다. 소똥연료사용으로 200평의 난방면적을 대체하며 소요비용은 108만원, 전기난방은 난방면적 70평을 대체하며 소요비용 196만원으로 총 대체비용(소똥+전기) 304만원으로 경유대비 36%의 절감효과이며 월 128만원의 난방비용을 절감할 수 있다. 참고(표 7)

(표 7) 대체 연료에 따른 효율성조사

구 분	일반보일러	온풍·온수보일러
연료구분	경 유	경 유	소 똥	전 기
난방면적	400평	130평	200평	70평
소비연료가격	720원/ℓ	720원/ℓ	60원/kg	36.40원/kw
연료소비량	20.8ℓ/h	7ℓ/h	25kg/h	120kw/h
일일사용량	200ℓ/12h	178	600kg/24h	1800kw/15h
월사용연료비	4,320,000	1,281,600	1,080,000	1,960,000
면세유대비절감	100%	30%	25%	45%

4. 현장적용 보일러 효율 및 성능조사

가. 온풍, 온수 동시운전 성능조사

(1) 온풍, 온수 동시운전에 따른 환경조건 및 경제성조사
(가) 하우스 안개발생 및 습도조사
지중 난방의 경우 실내온도 10℃일 때 지중난방온도 20℃로 설정, 보일러 물 온도 80℃로 지중난방을 하여 변화되는 실내 습도를 조사한 결과 아래 표와 같이 온풍난방보다 습도가 높게 유지되었으며 지중 및 온풍 동시 난방의 경우 지중난방과 온풍난방의 중간정도의 습도를 유지하였으나 안개발생 현상은 없었다.

(표 8) 난방방법에 따른 습도변화

난방방법	지중난방	온풍난방	동시난방
습도(%)	84	61	70

그림 45. 지중난방 안개발생		그림 46. 동시난방 30초
그림 47. 동시난방 60초		그림 48. 동시난방 90초

(나) 작물재배에 따른 경제성조사
지중 난방 및 온풍기 동시운전에 따른 작물재배의 경제성조사는 연구개발의 시기와 적절치 않은 관계로 익년 봄철 채소재배를 통하여 경제성을 조사하고자 한다.

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Ⅳ. 활용방안(기대효과)

1. 대체연료 사용으로 에너지절감기술 보급

저비용 대체연료(소똥, 나무, 톱밥, 전기) 사용으로 경영비용을 대폭 절감하는 난방방법이 가능해 졌다.

2. 온실작물 동해방지대책 방안 강구

지중난방시설 이용, 지중온수 가온재배 및 온수를 이용한 물주머니 보온방법 등을 통한 한파대비책 강구

3. 지중 및 온풍 동시난방을 통한 재배기술 농가 보급

작물의 저온다습 피해 발병원인 및 조치방법 등을 홍보하여 작물이 병해로부터 보호되도록 한다.

4. 온풍기능 및 지중난방을 겸하는 보일러를 이용한 재배농장을 교육장으로 활용

지중난방, 온풍난방, 동시난방을 통한 작물의 생육상태 및 대체연료 사용에 따른 에너지 절감효과를 홍보하기 위한 교육장으로 활용.

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Ⅴ. 참고문헌

1. 열펌프 공기조화 시스템. 전력공조연구회 지음. 2006
2.		화력발전 실무. 1 : 보일러 종류별 구성 및 특징. 한국전력공사지음. 2006
3. 화력발전 실무. 2 : 보일러 터빈제어. 한국전력공사지음. 2006