지역난방방식에서 난방, 냉방 원리, 계통도, 열원흐름도, 기계실 장비

  안녕하세요. 일시블맨입니다. 이번 시간에서는 지역난방시스템에 대해 알아보려고 합니다. 지역난방은 지역난방공사에서 중온수를 건축물로 보내 냉난방하는 시스템이라고만 알고 있으신 분이 많을 것입니다. 하지만 이는 너무 큰 개념으로 실제 냉난방을 이용하는 사용자에게는 그리 와닿지 못하는 설명일 것입니다. 따라서 오늘은 지역난방시스템에서 실제로 어떻게 재실자가 있는 공간까지 중온수를 이용한 냉난방이 가능한 것인지 열공급 계통도를 통해 차근차근 알아보도록 하겠습니다.

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1. 지역난방방식이란

  지역난방시스템은 아파트, 업무, 상업용 건물들에 개별 열생산시설을 설치하지 않고, 열병합발전소 등 열생산시설에서 생산된 열(중온수, 약 115℃)을 열수송관을 통해 대단위 지역에 일괄적으로 공급하는 시스템입니다. 이때 공급된 열인 115℃의 중온수는 건축물 내 열교환 장비에 의해 난방 또는 냉방에 사용된 뒤 60℃ 정도의 중온수로 열생산시설로 다시 회수되고, 다시 열생산시설에서 115℃ 중온수로 온도를 높혀 공급되게 됩니다.

  간단히 정리하면 열병합시설에서 115℃의 중온수를 만들어 각 건축물로 보내 냉난방에 사용한다는 것이 지역난방의 개념입니다. 이제 이러한 지역난방시스템에서 실질적으로 우리가 느끼는 냉방, 난방은 어떻게 이뤄지는 것인지 알아보겠습니다. 이를 이해하기 위해서는 건축물 내 기계실에서 작동하는 장비들을 알아보아야 하는데 계통을 통해 확인해 보겠습니다.

 

 

2. 지역난방 열공급 계통도(열원흐름도)

  아래 계통은 지역난방 시스템이 적용된 건축물 내 열이동을 나타낸 열공급 계통도, 열원흐름도 입니다. 이 계통은 크게 3가지 구역으로 나눠서 설명해 보겠습니다. 첫 번째는 지역난방 중온수가 인입 구간, 두번째는 기계실 내부, 세번째는 기계실 외부입니다.

사진1. 지역난방시스템 열공급 계통도

 

1) 지역난방 인입 구간

  위 계통도에선 분홍색 구간을 지역난방 인입구간으로 표기하였는데, 글자 그대로 지역난방 중온수가 건축물 대지의 외부에 있는 열수송관으로부터 건축물 내부로 인입하는 구간을 의미합니다. 중온수의 공급관과 환수관이 같이 있기 때문에 2개 관이 나란히 시공되며, 해당 배관에는 압력용 탄소강관인 KS D 3562 ((구)SPPS380) 중 흑관을 사용하며, 흑관에 경질 폴리우레탄 폼으로 보온 후 HDPE 재질의 캐이싱으로 한 번 더 감싼 이중보온관이 사용됩니다. 그리고 이중보온관을 통해 건축물 내부에 있는 기계실의 장비까지 중온수가 공급되고 환수됩니다.

사진2. 기계실내 지역난방 중온수 공급, 환수관 및 이중보온관 사진

 

2) 기계실 내부 구간

  기계실 내부는 위 계통도에서 노란색 구간으로 표기하였습니다. 실질적으로 중온수가 유입된 후 차압유량조절밸브와 적산열량계를 거친 후 건축물 내 열원 장비와 열교환을 하는 곳이라고 설명할 수 있습니다. 기계실 내부에 열원장비는 열교환기와 흡수식 냉동기가 있으며, 열교환기에서는 난방을 위한 55℃ 정도의 온수를, 흡수식냉동기에서는 냉방을 위한 10℃ 정도의 냉수를 지역난방에서 공급되는 중온수를 이용하여 생성합니다.

  이렇게 생성된 온수와 냉수는 각각의 온수, 냉수순환펌프를 통해 냉난방 헤더를 거쳐 기계실 외부에 있는 냉난방기기(FCU, 공조기)에 공급된 뒤 다시 기계실로 환수됩니다.

  그리고 기계실 내에서 외부로 나가기 직전에 냉온수배관에는 계절전환밸브라는 것이 설치됩니다. 이는 FCU, 공조기와 연결된 냉온수배관에 열교환기에서 생성된 온수를 공급(난방) 할지, 흡수식냉동기에서 생성된 냉수를 공급(냉방) 할지 구분 시켜주는 밸브입니다. 겨울철 난방 시에는 난방헤더와 연결된 계절전환밸브는 열리고, 냉방헤더와 연결된 계절전환밸브가 닫혀 열교환기에서 생성된 온수만 공급될 수 있게 해주고, 여름철 냉방 시에는 냉방헤더와 연결된 계절전환밸브는 열리고, 난방헤더와 연결된 계절전환밸브가 닫혀 흡수식냉동기에서 생성된 냉수가 공급될 수 있게 합니다. 계절의 변화에 따라 냉방과 난방을 전환시켜주는 밸브라고하여 계절전환밸브라고 합니다.

사진3. 헤더와 연결된 냉온수공급관에 설치된 계절전환밸브 사진

 

3) 기계실 외부 구간

  기계실 외부는 계통도 상 하늘색 구간이며, 재실자가 있는 공간으로 실질적인 냉방과 난방이 이뤄지는 공간으로 볼 수 있습니다. 중앙공조방식의 시스템에서는 기계실에서 공급된 냉수(10℃) 및 온수(55℃)가 공조기 내 코일로 유입되어 공기의 온도를 조절하여 냉난방을 하며, FCU(팬코일유닛) 장비가 설치된 장소에서는 마찬가지로 냉수(10℃)와 온수(55℃)가 냉온수배관을 통해 FCU 내 코일로 들어가 시원하고, 따뜻한 바람이 나오게 합니다.

  그리고 기계실 외부 야외에는 냉각탑이 설치되어 흡수식 냉동기 내 응축기에서 흡수액의 냉각을 돕는 냉각수의 온도를 낮추게 됩니다.

 

 이렇게하여 지역난방 인입부터 기계실 내 열원장비, 그리고 각 실의 냉난방기기까지의 계통을 알아보았습니다. 그러나 아직까지는 어떻게 냉방과 난방이 상세하게 어떤 배관을 통해 이뤄지는지 파악하기 어려울 것입니다. 따라서 난방시, 냉방시 계통을 다시 나눠 설명해보도록 하겠습니다.

 

 

2. 지역난방시스템에서 난방원리 및 열원 계통도

  다음은 난방 시 열공급계통도입니다. 계통도를 통해 난방 시 열원흐름에 대해 정리해보겠습니다.

사진4. 지역난방시스템에서 난방 시 열원 흐름도, 계통도

 

• 지역난방 중온수공급관을 통해 중온수가 열교환기로 유입됩니다. 이 때 공급관에 차압유량조절밸브로 중온수의 유량이 조절됩니다.
• 열교환기로 유입된 중온수(115℃)는 장비 내 판형열교환기 등과 같은 열교환 장치에서 온수순환펌프를 통해 환수된 온수(30℃)와 열교환을 하여 온수의 온도를 55℃까지 높혀줍니다.
• 열교환을 마친 지역난방 중온수는 약 60℃의 온도로 중온수 환수관을 통해 열병합시설로 환수되고, 이 때 난방적산열량계를 통해 사용된 중온수량을 검침합니다.
• 열교환을 마친 55℃의 온수는 난방 공급헤더를 거쳐 온수공급관을 통해 FCU, 공조기 등 난방기기로 이동합니다.
• 이 때 기계실 내 계절전환밸브 중 난방헤더와 연결된 밸브는 열리고, 냉방헤더와 연결된 밸브는 닫혀 열교환기에서 나온 온수만 공급 가능하게 됩니다.
• FCU, 공조기에서 난방을 완료하여 30℃까지 낮아진 온수는 다시 난방환수헤더를 거쳐 열교환기로 유입되어 다시 55℃까지 온도를 높인 후 공급됩니다.

 

 

3. 지역난방시스템에서 냉방원리및 열원 계통도

  다음은 냉방에 대해 알아보겠습니다. 그러나 계통을 알아보기 전 중온수를 사용하여 냉방을 한다는 개념이 이해가 한 번에 되지 않을 것입니다. 그 이유는 흡수식냉동기에 대해 이해가 부족하기 때문입니다. 따라서 아래 설명을 먼저 보고 계통도를 확인해보겠습니다.

 

※ 흡수식 냉동기에 중온수가 사용되는 이유

 여기서 흡수식 냉동기에 중온수가 필요한 이유에 대해 알아보도록 하겠습니다. 흡수식 냉동기에는 재생기라는 장치가 있으며, 재생기에서는 흡수제와 냉매의 혼합물을 높은 온도로 가열하여 냉매인 물을 흡수제로부터 분리하여 고온고압의 과열증기로 만들어 줍니다. 이 때 재생기에서 혼합물을 가열할 때 지역난방 중온수를 이용하여 하게 되는데 이는 흡수식 냉동기에 지역난방의 중온수가 공급되는 이유입니다. 이 내용을 머리 속에 담고 계통을 이해해 보도록 하겠습니다.

 

사진5. 지역난방시스템에서 냉방 시 열원 흐름도, 계통도

 

• 지역난방 중온수공급관을 통해 중온수가 흡수식냉동기로 유입됩니다. 이 때 공급관에 차압유량조절밸브로 중온수의 유량이 조절됩니다.
• 흡수식냉동기로 유입된 중온수(115℃)는 장비 내 재생기에서 혼합물을 가열하여 물을 고온고압의 과열증기로 만들어 흡수액과 분리시켜줍니다. 사용된 중온수는 환수관을 통해 열병합시설로 환수되며, 이 때 냉방적산열량계를 통해 사용된 중온수량을 검침하게 됩니다.
• 고온고압의 과열증기로 바뀐 냉매는 응축기 내 냉각수를 통해 온도가 낮아지며 저온고압의 포화액의 상태가 되며 증발기로 유입됩니다. 이 때 사용되는 냉각수는 냉각수순환펌프를 통해 냉각탑으로 유입됩니다.
• 흡수식냉동기에는 증발기라는 장치가 있으며, 증발기에서는 흡수식냉동기의 냉매인 물이 증발하면서 잠열을 냉수로부터 흡수하여 냉수 온도를 10℃까지 내려주게 됩니다.
• 이렇게 생성된 10℃의 냉수는 냉방 공급헤더를 거쳐 냉수공급관을 통해 FCU, 공조기, 등 냉방기기로 이동합니다.
• 이 때 기계실 내 계절전환밸브 중 냉방헤더와 연결된 밸브는 열리고, 난방헤더와 연결된 밸브는 닫혀 흡수식냉동기에서 발생한 냉수만 공급 가능하게 됩니다.
• FCU, 공조기에서 냉방을 완료하여 18℃ 정도로 높아진 냉수는 다시 냉방환수헤더를 거쳐 흡수식냉동기로 유입되어 다시 10℃까지 낮아진 후 공급됩니다.

 

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 이렇게하여 지역난방시스템에서 난방 및 냉방 계통에 대해 알아보았습니다. 사실 우리의 생활과 밀접하게 연관되어 있는 부분이었지만 상세히는 어떻게 지역난방 중온수를 통해 냉난방이 되는지 이해가 어려웠지만 이번 기회를 통해 정리가 잘 되었으면 좋겠습니다. 다음에는 계통을 내 흡수식 냉동기나, 헤더에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.