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10-1 지역냉난방방식
10-1 개요
지역냉난방이란 넓은 지역에 산재해 있는 각종 건물·시설에 열매(냉온수 및 증기)를 필요에 따라서 중앙열원 플랜트로부터 배관을 통해 공급하는 시설이다(규모가 적은 경우에는 그룹 또는 블록 냉난방이라고도 부른다).지역난방은 1870년대에 유럽 및 미국에서 증기기관의 배기를 주변 건물에 공급하여 난방이나 공업 프로세스에 이용하기 위해 출현된 것이 그 시초였다. 그 후, 20세기에 들어와 구미 각지에서 서서히 발전되기 시작하였으며, 특히 유럽에서는 제2차 세계대전 후의 전후 부흥과 주택단지 건설에 적극적으로 채용되게 됨으로써 급격한 보급·발전을 보게 된다. 이런 배경하에서, 현재는 구미 각국의 주요 도시에서 거의 지역난방이 설치되고 있다.
우리나라는 1973년에 대한주택공사가 건설한 서울의 반포아파트 단지에서 지역난방 방식을 최초로 채택하였으며, 이후 많은 새로운 아파트 단지에서 이 방식을 보급·발전시켰다. 이 가운데서, 가장 대규모라고 할 수 있는 것은 서울의 신시가지로 일컬어지는 목동지구 아파트단지로서 1987년에 열병합발전 설비의 형식으로 완공된 지역난방 방식이며, 이를 계기로 해서 대단위 주거단지의 난방을 위한 지역난방 방식을 기타 여러 지역 및 지구에서 활발히 채택하고 있는 실정이다.
지역냉난방의 특징은 집중에 의한 능률화와 관리의 합리화이며, 이들의 장점을 종합해 보면 표10-1에 나타낸 바와 같다.
표10-1 지역냉난방의 장점
지역냉난방 방식은 개별식 냉난방 방식보다는 열경제성 면에서 훨씬 유리하지만, 기후적 조건을 만족하고 있다고 해서(여름에는 고온다습, 겨울에는 한냉으로 모두 냉방 및 난방
10-2 熱媒 및 熱源 플랜트 方式
10-2-1 地域冷煖房의 熱媒
지역냉난방에서 고려되고 있는 열매는 다움과 같이 불류할 수 있다.
1) 난방용 열매
· 고 온 수 - 고압 고온수 (170℃∼230℃, 8∼30 기압)
- 중압 고온수 (100℃∼170℃, 1∼ 8 기압)
· 보통온수 - 100℃ 이하, 1기압 이하
· 증 기 - 고압 증기(3.5기압 이상)
- 저압 증기(3.5기압 이하)
2) 냉방용 열매
· 냉 수
· 저온 특수 열매
또한, 지역냉난방 설비에서는 중앙열원 플랜트에 보일러와 냉동기가 설치되지만, 열매로서는 다음의 조합방식
이 채용된다.
① 증 기 - 냉수 방식
② 고온수 - 냉수 방식
그 선정은 수요자의 사용목적 및 냉난방 설비에 의해 좌우되며, 각종 조건을 비교 검토해서 결정되어야 하는데, 이들 열매에 대한 공급온도, 압력 및 용도 등을 간략히 나타내면 다음과 같다.
(1) 증 기
미국의 지역난방은 고압(850kPa 이상)·중압(850∼220kPa)·저압(220kPa 이하)의 증기보일러를 단독 또는 조합해서 쓰고 있다. 고압증기는 증기터빈 구동형 원심식 냉동기, 중압·저압 증기는 흡수식 냉동기와 증기난방 등에 사용되고 있다.
(2) 고온수
미국과 일본에서는 공급관의 온도 150∼220℃, 환수관의 온도 70∼90℃ 정도의 고온수를 쓰고 있음에 대해, 유럽에서는 열병합발전 방식에 의한 지역난방이 많고, 일반적으로 공급관의 온도 110∼120℃, 환수관의 온도 70∼90℃ 정도의 온수가 사용되고 있다. 우리나라는 지역난방의 열매로서 대부분의 아파트 단지에서 고온수를 사용하고 있으며, 대략 120∼190℃ 범위의 중온수 및 고온수가 사용되고 있다. 표 10-2에 고온수를 열매로 사용했을 때의 특징을 나타낸다.
표10-2 고온수의 특징
(3) 냉 수
냉수의 공급관의 온도는 냉동기 성능의 면으로부터 4℃가 최저 온도이며, 환수관의 온도는 공조기의 감습성능, 송풍량 확보의 면으로부터 12∼14℃로 되어, 온도차는 7∼8℃ 정도 이다.
10-2-2 熱源 플랜트 方式
열원 플랜트 방식에는, 지역냉난방만을 목적으로 한 전용 열원 플랜트 방식과, 발전·쓰레기소각 등의 배열을 지역냉난방에 사용하는 다목적 열원 플랜트(또는 병용 열원 플랜트 방식)방식이 있다.
- 전용 열원 플랜트
- 화력발전소와 병설
- 다목적 열원 플랜트 - 쓰레기소각로와 병설
- 공업용 보일러와 병설
- 원자력발전소와 병설
한편, 지역냉난방에 대한 열공급 목적으로서는, 난방용·냉방용·급탕용·공업 프로세스용의 4종류가 있지만, 이들 가운데서 어느 것과 어느 것을 조합해서 공급하느냐 하는 것은 그 공급 지역의기상 조건, 건물 용도, 경제 조건에 의해 결정된다. 여기에서, 난방용·냉방용·급탕용의 3종류로 제한한 경우, 열공급 목적에 의한 방식으로는 다음의 5종류를 생각할 수 잇다.
① 난방용 + 냉방용
② 난방용·냉방용 교체전환
③ 난방용 + 냉방용 + 급탕용
④ 난방·급탕겸용 + 냉방용
⑤ 난방용·냉방용 교체전환 + 급탕용
이들 가운데서, ①,③,④는 연간을 통해서 냉난방이 가능하지만, 더불어서 급탕부하에도 대응할 수 있는 ④의 방식이 현재 가장 일반적으로 사용되고 있다. 또한, ②,⑤는 봄, 가을의 적당한 시기에 난방용 열매와 냉방용 열매를 교체하는 것으로서 주과느이 개수가 적기 때문에 경제적이기는 하지만, 중간기라든가 동기에 냉방도 필요한 지역에서는 채용될 수 없다.
1. 전용 열원 플랜트 방식
전용 열원 플랜트 방식은 지역냉난방에 필요한 열매를 지역냉난방 전용의 열원 플랜트에서 생산하여 지역에 공급하기 때문에, 도시 재개발, 신도시 건설 등에서 지역냉난방을 채용하는 경우에 가장 전형적인 것이다. 전용열원 플랜트 방식에서는 중앙열원 플랜트에 난방·급탕용으로 보일러를, 냉방용으로 냉동기를 설치한다. 보일러는 압력과 발생열량에 의해 노통연관 보일러·수관 보일러가 쓰이며, 열매로 온수를 사용하는 경우에는 온수 보일러를 쓰든가, 증기를 냉동기의 구동용으로 사용하고 있을대는 열교환기에 의해 온수를 제조한다.
냉동기는 보일러 용량·설비비·운전비 등의 조건을 고려해서 선정해야 하는데, 일반적으로 냉동기로는 원심식과 흡수식이 사용되며, 이들을 분류하면 다음과 같다.
1) 원심식 냉동기
① 전동기 구동형
② 복수 증기 터빈 구동형
③ 배압 증기 터빈 구동형
④ 가스 터빈 또는 가스엔진 구동형
2) 흡수식 냉동기
① 단효용형(증기 또는 온수 가열형)
② 이중용형(증기 또는 온수 가열형)
3) 원심식-흡수식 냉동기 조합형
상기의 형식 가운데서, 비교적 소규모인 것에서는 전동기 구동 원심식 냉동기와 흡수식 냉동기가 많고, 대규모인 것에는 그림 10-1에 나타내는 바와 같이, 증기터빈 구동 원심식 냉동기와, 배압 증기터빈 구동 원심식 냉동기와 흡수식 냉동기의 조합방식 등이 사용되고 있다. 또한, 냉온열원 방식은 표 10-3에 나타내는 바와 같은 조합이 대상으로 되고 있다.
그림10-1 중앙플랜트 방식
2. 다목적 열원 플랜트 방식
다목적 열원 플랜트 방식은 화력발전·쓰레기 소각·공업 프로세스용 열원의 배열과 잉여열을 지역냉난방용의 열원으로서 이용하는 방식이다. 단, 지역난방과 전력을 동시에 공급하는 열병합발전 방식이 채용되고 있는 유럽 제도시에서는 통합적인 경제성을 얻을 수 있지만, 일본에서는 입지조건의 면으로부터 현재까지는 채용 예는 없고, 또는 쓰레기 소각도 지역난방열원의 주력으로는 될 수 없지만, 에너지 절약의 면으로부터 채용·보급하는 것으로 생각된다. 우리나라에서는 아주 제한적이긴 하지만 현재 이 방식이 일부 지역에서 부분적으로 적용되어 이용되고 있다.
그림 10-2에는 전용 열원 플랜트를 중심으로 하고 그 외에 쓰레기 소각이용 플랜트와 열병합발전 플랜트의 3가지로 구성된 방식선정 모델의 일반적인 흐름도의 일례를 나타내고 있다.
일반적으로 가장 많이 채용되고 있는 방식은 전동식 냉동기와 증기 또는 온수 보일러를 조합시키는 것이며 사용 에너지는 전력과 석유 도는 가스이다. 열펌프 방식은 전력만을 에너지원으로 하여 압축식 냉동기의 흡열측과 방열측을 냉온열원으로 이용하는 것이며, 열회수 열펌프 방식에서는 석유, 가스 등의 보조 에너지를 필요로 하는 경우가 있다.
전 연료 방식은 석유, 가스 등의 연료 에너지의 연소에 의하여 보일러에서 증기를 발생시켜서 난방에 이용하고 흡수식 냉동기 또는 증기터빈 구동 원심식 냉동기에 의하여 냉방을 행하는 방식이며, 전력에너지를 사용하지 않으므로 수전설비가 필요없다는 이점이 있다.
태양열이용 방식은 겨울이나 여름에 집열기에서 태양 일사열을 집열하여 흡수식 냉동기 또는 랭킨 사이클 냉동기를 구동하는 방식이며, 자원절약적이지만 열밀도가 적어서 대용량에는 적합하지 않다.
열병합발전 방식은 소위 토탈 에너지방식(total energy system)으로 코제네레이션 시스템(cogeneration system)이라고도 하며, 가스, 서유 등의 연료를 에너지원으로 하여 터빈 또는 엔진을 구도시켜서 발전하고 그 배열을 이요하여 냉방·난방·급탕을 행하는 방식으로, 조건에 따라서는 에너지 절약성이 높아서 최근 많은 분야에서 보급·이용되고 있다.
10-3 地域冷煖房의 配管計劃
10-3-1 配管方式
지역냉난방의 배관방식은 사용하는 열매체(온수·냉수·증기), 열공급 목적(난방·냉방·급탕)의 조합에 의해, 단관식, 2관식, 3관식, 4관식, 5관식, 6관식 등이 있다. 이들 배관 방식을 그림 10-3에 나타내는데, 지역난방만을 하기 위해서는 종래에 2관식이 많이 채용되었다. 그러나, 냉난방을 겸용할 목적으로는 거의 모두가 4관식 채용하고 있는데, 이 방식은 1년 중 항상 냉온수를 공급하기 때문에 여름의 재열부하와 겨울의 냉방부하 및 연간을 통해서의 급탕부하에도 대처할 수 있으므로 완전 공조를 필요로 하는 지역에서는 가장 바람직하다고 할 수 있다.
그림 10-3 지역냉난방의 배관방식
또한, 지역열매로 증기를 사용할 때는, 증기주관과 환수주관을 배관하는 복관식이 사용되지만, 증기사용 후 응축수를 폐기하는 단관식도 있다. 이것은 보일러 급수의 수처리비가 환수관 설치비용보다 싼 경우에 사용된다(그림(a)).
고온수(또는 냉수)를 열매로 할 때에는, 공급관과 환수관을 배관하는 복관식이 일반적이다. 이것에 대해서 그림(c)는 공급관의 큰 관과 작은관 또는 온수관과 급탕관을 나누어서 배관하고, 환수관은 공통으로 하는 방식이다. 그림(d)는 온수배관과 냉수배관의 공급 및 환수관을 각각 2개씩 배관하는 방식이며, 중·대규모의 지역냉난방에 많이 사용되고 있다.
한편, 지역배관 내를 흐르는 열매의 유량은, 열수요의 변화에 대해서 공급열매 온도를 변화시켜, 유량 일정으로 보내는 定流量式과, 공급열매 온도를 일정으로 하고 열매 유량을 변화시키는 變流量式이 있다. 전자는 지역배관의 압력 분포가 일정하게 되므로, 공급열량은 안정되지만, 저부하시에도 펌프 동력비가 변하지 않고, 열원 측에서 바이패스(bypass) 제어를 하지 않으면 저부하시의 경제 운전을 기대할 수 없다.
이것에 대해서 후자는, 지역배관의 압력 변화가 있으므로, 시스템에 압력조절 장치를 조입할 필요가 있지만, 열원기기의 저부하시의 경제운전이 가능하고, 에너지절약 면에서 봐도 현재는 변유량식이 많이 사용되고 있다.
10-3-2 配管敷設 方式
架空배관, 지상배관 및 매설배관이 있다. 가공배관·지상배관은 공사비가 싼 이점이 있지만, 동결과 외관상 문제가 있고, 공장·학교 등 블록난방에 사용되는 정도이며, 지역냉난방의 주배관은 거의 지중에 매설배관된다.
매설배관에는 그림 10-4에 나타내는 바와 같은 종류가 있고, 터널 배관은 전기·가스·수도배관 등과 공동구를 이용하는 것이 이상적이지만, 입지조건과 경제적인 면으로부터 불가능하고, 대부분은 경제적이며 시공이 용이한 지중직접 매설배관으로 하는 일이 많다. 직접매설의 공법은 배관의 강도, 열손실, 보수관리, 매설장소의 조건과 시공성을 고려해서 결정하지만, 특히 토양에 의하 외면 부식에 대해서 충분하 주의를 기울여야 한다.
또한, 배관망의 형식으로서는, 글미 10-5에 나타내는 바와 같이 방사형·장방형·환형·격자형 등의 배관이 있고, 소규모인 것은 방사형 배관으로 하고, 열원 플랜트를 다수 설치하는 경우에는, 환형과 장방형 배관으로 한다.
배관망의 결정은 열수요의 현상과 장래를 예측하여, 지질조건·기설 매설물 등을 고려해서 시공이 용이하며 경제적인 것으로 한다.
첫댓글 정보 감사합니다