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지텍이엔지, 지역난방 문제점 복합밸브로 해결

평균 중온수 온도차 5.8℃ 향상 확인

상수도, 지역난방, 빌딩냉난방, 해수담수화분야에서 컨트롤 밸브와 제어장치를 공급하고 있는 엔지니어링 전문기업인 지텍이엔지(대표 안준성)는 최근 지역난방을 둘러싼 이슈들의 근본적인 문제점을 분석하고 대안을 제시해 화제가 되고 있다.

지역난방을 사용하는 사용자측의 0원 난방비와 열수송배관 파열로 인해 발생한 인명사고를 비롯한 관련내용들이 뜨거운 사회적 이슈가 되고 있다. 지텍이엔지는 이러한 이슈들의 근본적 원인을 지역난방 열공급 배관계통의 열원 공급시스템을 지목하고 있다.

지역난방은 열사용시설 기준에서 복사난방기준 중온수 공급온도 115℃, 회수온도는 40℃로 65℃의 온도차로 열전달이 되도록 설계돼 있지만 대부분의 사용자시설에서 비효율적인 열교환으로 회수온도가 높아짐으로써 이와 같은 설계기준을 충족시키지 못하고 있다. 

이러한 중온수의 높은 회수온도는 여러 가지 문제의 직·간접적인 원인이 되고 있다. 온도차가 낮아질 경우 중온수 순환유량이 증가되고 이는 펌프상사법칙에 의해 양정과 동력이 증가됨을 의미한다. 양정상승은 열수송배관의 압력을 상승시켜 열수송배관의 안정성을 저하시키고 사용동력의 증가는 펌프의 전기에너지 소비를 증가시킨다. 

이와 함께 발전설비의 가동률이 증가되므로 결국 중온수를 생산하고 수송하기 위한 비용이 증가되며 지역난방의 대부분을 차지하는 열병합발전 설비는 중온수가 높은 온도로 회수될 경우 발전효율이 저하돼 전기생산량이 감소된다. 

이처럼 중온수의 높은 회수온도 문제로 발생되는 에너지낭비는 매우 크기 때문에 시급한 개선이 요구되는 상황이다.

다수 연구결과 통한 검증
한국지역난방공사에서 2006년도에 발표한 ‘지역난방 열사용시설 자동제어시스템 개선을 통한 회수온도 저감연구’에 따르면 높은 회수온도의 원인이 자동제어기기임을 알 수 있다. 

4,335개의 사용자시설 기계실을 대상으로 동절기, 하절기, 연간으로 계측된 중온수 온도차를 범위별로 분류하고 이 중 온도차가 매우 낮은 기계실을 선별해 원인을 분석한 결과 대부분이 자동제어기기인 온도조절밸브(TCV)의 문제인 것을 알 수 있었다.

지텍이엔지의 관계자는 “자동제어기기의 일시적인 수리 및 교체는 근본적인 해결방안이 될 수 없다”라며 “기존의 제어밸브로는 개선할 수 없는 지역난방 운영시스템이므로 이에 따른 악영향은 사용자 시민 300만호에게 지속 반복적으로 문제가 발생할 것”이라고 설명했다.

또한 2014년 한국건설기술연구원과 공동으로 수행한 ‘압력변동시 열사용시설 제어기기의 안정성 확보에 관한 연구’에서는 복합제어밸브 시스템은 높은 공급 환수 온도차(△T)로 순환유량이 감소시켰다고 밝혔다. 이로 인해 공급압력까지 낮출 수 있어 열배관의 안정성을 높일 수 있었으며 실제 오피스 건물을 대상으로 한 실증실험 결과에서도 평균 중온수 온도차는 5.8℃ 향상, 소비유량은 약 9.2% 감소됨을 나타냈다.

복합제어밸브 시스템은 중온수 유량 감소에 따른 순환펌프 동력 약 48% 감소, 1차측 배관 안정성 향상, 중온수 공급온도 감소 및 시설용량 축소 가능, 열병합발전 추기량 감소에 따른 발전효율 증가 등을 기대할 수 있다.



지텍이엔지는 기존 수행된 연구과제들을 통해 자동제어기기의 문제점과 고차압 구간에서 복합제어밸브의 적용 및 제어성 여부를 확인했다.

이를 토대로 실제 지역난방 열원을 공급받는 공동주택에 복합제어밸브를 적용하는 실증실험이 2016년 11월~2017년 1월까지 약 50일간 진행, 기존 제어밸브 대비 복합제어밸브가 높은 온도차 성능을 보였다. 또한 1차측 중온수의 안정적인 제어는 2차측 난방 온도차의 증가로 결국 열교환효율 향상에 영향을 미치며 이를 통해 사용자시설 난방 순환유량 감소로 순환펌프의 동력감소 효과를 기대할 수 있었다.



하지만 이러한 복합제어밸브를 지역난방에 적용하기 위해서는 지역난방공사가 정하고 있는 열사용시설기준 규정에 걸리는 부분이 있다. 

지텍이엔지의 관계자는 “실제 지역난방에서 형성되는 차압은 최대 10bar에 가깝지만 설계기준에는 최대 차압이 5bar로 명시돼 있어 만약 5bar의 차압성능을 가진 복합제어밸브가 5bar 이상의 차압이 형성되는 고차압 구간의 현장에 적용될 경우 앞서 기술한 여러 가지 문제가 발생하게 될 것”이라며 “효율적인 열원공급 시스템의 개선을 위해 복합제어밸브의 적용은 매우 고무적이지만 시스템 효율과 안정성이 뒷받침 되도록 설계기준을 수정, 보완해야 하는 문제가 매우 시급하다”고 말했다.

이어 “2000년대 초반부터 최근 까지 진행된 연구과제 및 실증실험을 통해 지역난방 중온수의 높은 회수온도 원인과 이를 해결할 수 있는 개선방안은 제시됐다”라며 “앞으로 기술효율향상의무화제도(EERS)가 지역난방에도 적용되는 만큼 압력독립식밸브를 활용한 열공급시스템의 개선을 위해 열사용시설기준의 수정, 보완 등 신속한 이행과 실행이 필요한 단계”라고 강조했다. 또한 “이에 따른 이행과 실행을 할 경우 현 국가에너지의 비효율적 운영, 소비자의 경제적 부담, 열수송시설의 위험성 등을 낮추게 됨으로써 보다 향상된 생활환경을 맞이할 수 있다”고 말했다.