김성은
(Seong Eun Kim)
1
박진철
(Jin Chul Park)
2†
류형규
(Hyung-Kyou Ryu)
3
-
중앙대학교 박사과정
(
Ph.D. Course, Graduate School, Chung-Ang University, Seoul, 06974, Korea
)
-
중앙대학교 건축학부 교수
(
Professor, School of Architecture and Building Science, Chung-Ang University, Seoul,
06974, Korea
)
-
대한기계설비산업연구원 연구위원
(
Research fellow, Korea Research Institute of Mechanical Facilities Industry, Seoul,
06068, Korea
)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
Hot water pipe(온수배관), Insulation thickness of pipe(배관 단열 두께), Surface temperature(표면온도), Simulation(시뮬레이션)
기호설명
Q：
단위길이 당 열손실량 [W/m]
Ti：
온수 공급온도 [℃]
To：
외기 온도 [℃]
r1：
배관 반지름 [m]
r2：
보온재 포함 반지름 [m]
h1：
물 열전도율, 0.6 W/mK
h2：
공기 열전도율, 0.025 W/mK
k：
보온재의 열전도율 [W/mK]
1. 연구배경 및 목적
국내 건축물의 에너지 절약관련 기준은 녹색건축물의 보급 및 확대와 함께 2030년부터 500 ㎡ 이상 모든 건물을 대상으로 전면 시행되는 제로에너지
건축물 의무화로 인해 꾸준히 강화되고 있는 실정이다. 특히 창호 및 외벽의 단열기준은 2010년,(1) 2013년,(2) 2015년(3)에 각각 기존 대비 10~30%씩 지속적으로 강화되어 오면서, 건물의 열손실에 큰 부분을 차지하는 외피의 단열성능향상은 이미 적정 수준에 도달했다고
판단된다.
반면, 냉난방수 배관의 단열 기준은 2002년 건축기계설비공사표준시방서(이하 표준시방서)가 개정된 이후 2011년에 고무발포 보온판 1종의 단열재
1종이 추가되었을 뿐 그 외 변경 없이 사용되고 있다.(4) 냉난방수 배관의 단열은 냉난방에너지의 운송에 따른 손실을 최소화할 수 있음에도 관련 기준 및 성능 향상에 대한 연구가 미미한 수준이다. 따라서 제로에너지건축물
의무화 등 강화되는 기준에 부합하기 위해서는 추가적으로 관련 연구를 진행할 필요가 있다.
본 연구는 제로에너지 의무화에 따른 에너지 효율 향상을 목적으로 한 열손실을 최소화 할 수 있는 건축물의 배관 단열 설계 및 시공 기준 제안을 위한
기초연구 단계로서 국내외 배관 단열 두께 기준을 적용 시 각각의 표면온도를 비교를 위해 시뮬레이션을 수행하였다.
2. 연구방법
본 연구는 에너지 절약적인 배관의 적정 단열두께 기준을 제안하기 위한 기초 연구이다. 이를 위해 먼저 건축물의 배관 단열 기준의 현황을 파악하기 위해
국내외 온수배관 단열기준을 비교 검토하였다. 현재 국내 배관 단열 수준을 파악해 보고, 선진국과의 비교를 통해 국내 기준의 문제점을 확인하기 위해
각각의 기준을 적용한 외기 노출 배관의 시뮬레이션 해석을 실시하였다. 시뮬레이션 해석은 유동 및 전열 해석이 가능한 Star- CCM+ 2019.2(빌드
14.04.011)를 이용하였으며, 각 단열기준 적용 시의 열손실량 및 표면온도 차이를 비교 하였다.
3. 국내외 온수배관 단열기준 비교
국내 온수 배관에 관한 단열기준은 ｢건축물의 에너지절약설계기준｣ 제8조에 따라 표준시방서의 보온두께 기준 이상의 성능을 갖도록 규정(5)하고 있다. 표준시방서에서는 ‘KCS 31 20 05 : 2018 보온공사’에 급탕관, 온수관, 증기관의 보온재 및 보온두께가 명시되어 있다. 기준은
일반적인 경우와 중온의 경우로 분리되어 있으며, 각각 Table 1, Table 2와 같다. 두 경우 모두 주변온도 20℃, 표면온도 40℃ 이하의 조건에서 일반은 관내수온이 61~90℃, 91~120℃, 중온은 121~175℃,
220℃ 이상인 경우이다. 각 관내수온 조건에서 관경에 따른 단열재의 종류 및 두께가 규정되어 있다.
Table 1 General case, Hot water pipe insulation(KCS 31 20 05:2018)
|
Water Temp. Range (℃)
|
61~90
|
91~120
|
|
Pipe size (A) (mm)
|
15~40
|
50~125
|
150≤
|
15~40
|
50~125
|
150≤
|
|
Insulation
type
(mm)
|
1
|
Mineral wool
|
25
|
40
|
50
|
40
|
50
|
75
|
|
2
|
Glass wool
|
25
|
40
|
50
|
40
|
50
|
75
|
|
3
|
foamed polyethylene
|
25
|
40
|
50
|
40
|
50
|
75
|
|
4
|
Rubber foam
|
25
|
32
|
40
|
-
|
-
|
-
|
※ ambient temperature 20℃, surface temperature ≤ 40℃.
Table 2 High temperature case, Hot water pipe insulation(KCS 31 20 05:2018)
|
Water Temp. Range (℃)
|
121~175
|
220
|
|
Pipe size (A) (mm)
|
≤ 25
|
32~65
|
80~300
|
300 ≤
|
20~40
|
50~150
|
200 ≤
|
|
Insulation
type
(mm)
|
1
|
Mineral wool, Glass wool,
Water repellent heat insulator made of perlite, Calcium silicate
|
40
|
50
|
75
|
100
|
50
|
75
|
100
|
|
2
|
|
3
|
※ ambient temperature 20℃, surface temperature ≤ 40℃.
Table 3 General pipe insulation thicknesses(JIS F 7008:2001)
|
Pipe size
Water Temp. (mm)
Range(℃)
|
~10
|
10~20
|
20~50
|
50~80
|
80~100
|
100~150
|
150~200
|
200~250
|
250~300
|
|
~115
|
10
|
10
|
10
|
10
|
10
|
10
|
25
|
25
|
25
|
|
115~185
|
10
|
20
|
20
|
20
|
25
|
25
|
25
|
25
|
25
|
|
185~205
|
10
|
20
|
25
|
25
|
30
|
30
|
30
|
40
|
40
|
|
205~250
|
10
|
25
|
25
|
40
|
40
|
40
|
40
|
40
|
40
|
|
250~300
|
10
|
40
|
40
|
50
|
50
|
50
|
50
|
50
|
65
|
※ The thickness of the insulation is based on the use of glass wool. If other insulation
materials are used, they should be calculated using a formula of JIS F 7008.
Table 4 Minimum pipe insulation thicknesses(ASHRAE 90.1:2013)
|
Water Temp. Range(℃)
|
Insulation
|
Pipe size(mm)
|
|
Heat conductivity(W/m℃)
|
Mean Temp.(℃)
|
≤ 25
|
25~40
|
40~100
|
100~200
|
200 ≤
|
|
41~60
|
0.032~0.040
|
38
|
25
|
25
|
40
|
40
|
40
|
|
61~93
|
0.036~0.042
|
52
|
40
|
40
|
50
|
50
|
50
|
|
94~121
|
0.039~0.043
|
66
|
65
|
65
|
80
|
80
|
80
|
|
122~177
|
0.042~0.046
|
93
|
80
|
100
|
115
|
115
|
115
|
|
177<
|
0.046~0.049
|
121
|
115
|
125
|
125
|
125
|
125
|
4. 시뮬레이션 결과 및 분석
4.1 시뮬레이션 개요
시뮬레이션 분석은 관경 100A 배관에 대해 관내 수온에 따라 저온(61~90℃)과 중온(91~120℃)에서의 국내 및 ASHRAE 단열 두께 기준을
적용하였을 때의 각각의 표면온도를 비교분석하였다.
시뮬레이션의 입력조건은 Table 5와 같다. 배관의 길이는 10 m를 기준으로 하였으며, 배관의 재질은 스테인리스 스틸, 단열재는 미네랄울인 것으로 가정하였다. 관내 수온은 국내 기준의
저온, 중온의 조건에서 각각의 평균값인 75℃, 105℃에 해당하는 국내 KCS 및 ASHRAE 단열 두께 기준을 적용하였다. 각 배관은 외기에 노출되었다는
것으로 가정하고 외기조건은 30년 평균 겨울철 최저기온인 -5.9℃를 적용하였다.
Table 5 Simulation input data
|
Item
|
Input data
|
modeling image
|
|
Pipe
|
Length
|
10 m
|
|
Size
|
100 A(external diameter 114.3 mm)
|
|
Material
|
stainless steel
|
|
Applied standard
|
Domestic
|
KCS 31 20 05 : 2018
|
|
Abroad
|
ASHRAE 90.1 : 2013
|
|
Hot water
|
Temp.
|
75℃/105℃
|
|
velocity
|
2 m/s(KDS 31 25 25 : 2016)
|
|
Outdoor Temp.
(Winter, 30-year average, Seoul)
|
the lowest temp. -5.9℃
|
|
Turbulent model
|
Realizable k-ε turbulence model
|
Table 6 Simulation case
|
Case
|
Water Temp.
|
Heat conductivity of applied materials
|
Thickness
|
|
Case-1-1
|
Low temp.
(75℃)
|
KCS
|
Mineral wool(0.036 W/m․K)
|
40mm
|
|
Case-1-2
|
ASHRAE
|
0.036 W/m․K
|
50mm
|
|
Case-2-1
|
Medium temp.
(105℃)
|
KCS
|
Mineral wool(0.036 W/m․K)
|
50mm
|
|
Case-2-2
|
ASHRAE
|
0.039 W/m․K
|
80mm
|
시뮬레이션은 Table 6과 같이 기준별로 저온에서 2개, 중온에서 2개 총 4개의 case에 대한 분석을 실시하였다. 기준에 따라 국내 KCS 기준은 열전도율 기준이 아닌
4종의 단열재를 적용하도록 되어 있는데, 본 연구에서는 미네랄울을 적용하였으며, 국내 B사의 미네랄울 제품(7)의 열전도율인 0.036W/m․K를 적용하였다.
4.2 Case별 열손실량 산정방법
각 Case별 배관의 단위길이 당 열손실량 Q(W/m)은 다음의 식(1)을 사용해 구할 수 있다.
Ti는 온수 공급온도(℃), To는 외기 온도(℃)이다. r1은 배관의 반지름(m), r2은 보온재를 포함한 배관의 반지름(m)이다. 열손실량의 계산
시, 배관의 두께가 얇기 때문에 배관 자체에 대한 열전도율은 고려하지 않았다. h1는 물 열전도율, h2는 공기 열전도율로 각각 0.6 W/mK,
0.025 W/mK를 적용하였다. k는 보온재의 열전도율(W/mK)이다.
4.3 표면온도 및 열손실량 비교
Table 7과 같이 시뮬레이션 해석을 통해 배관 유입구와 유출구의 중심점 온도, 배관의 바깥측 표면 온도, 단열재 표면 온도를 확인하였다. 표면온도가 더 낮을수록
단열재의 성능차이로 인해 내부의 열을 외부로 방출되는 양이 더 적다는 것을 의미한다. 따라서 단열재 외부 표면온도의 검토를 통해 각 기준에 따른 상대적인
성능 차이를 비교하고자 하였다. 또한 식(1)을 통해 각 Case에 대한 단위길이당 열손실량을 산정하여 비교하였다.
해석결과 각각의 배관 안에 온수가 빠른 속도로 흐르고 있어 중심점 온도는 Case-1-1과 Case-1-2, Case-2-1과 Case-2-2가 각각
동일한 온도 변화로 나타나 큰 차이가 없었다. 그러나 단열재 표면온도에서는 큰 차이를 보였다. 저온의 경우, Table 8과 같이 KCS 기준을 적용한 Case-1-1의 유입구와 유출구의 단열재 표면온도 평균은 44.3℃, ASHRAE 기준을 적용한 Case-1-2는
38.3℃로 KCS 기준이 6℃ 높게 나타났다. 이때 단열재의 열전도율은 동일하지만, 10 mm의 단열 두께 차이로 인해 ASHRAE 기준의 열관류율이
0.72 W/㎡․K로 KCS인 0.9 W/㎡․K 보다 낮아 표면온도가 더 낮게 나타났다. 이때의 단위길이당 열손실량은 Case-1-1은 4,525.6
W/m, Case-1-2는 4,110.6 W/m로 국내기준인 Case-1-1이 약 1.1배 더 큰 것으로 나타났다.
중온의 경우, 단열재의 열전도율은 KCS 기준이 ASHRAE 기준보다 낮지만, 적용 두께 차이로 인해 KCS의 열관류율은 0.72 W/㎡․K, ASHRAE는
0.488 W/㎡·K이다. 따라서 표면온도 또한 큰 차이가 나타났는데, Case- 2-1의 표면온도는 56.1℃, Case-2-2의 표면온도는 38.1℃로
18℃의 차이가 나타났다. 단위길이 당 열손실량 또한 Case-2-1와 Case-2-2 각각 5,635.0 W/m, 4,519.4 W/m로 국내기준을
적용한 Case-2-1이 약 1.25배 더 큰 것으로 나타났다.
특히 KCS 기준을 적용한 Case 모두 표면온도는 40℃ 이상으로 겨울철 외기온을 적용했음에도 기준인 표면
온도 40℃ 이하의 조건을 만족시키지 못하고 있었다. 또한 저온과 중온 모두 ASHRAE 기준에 비해 KCS 기준의 표면온도가 높아 열손실이 더 많이
발생되고 있으며, 특히 중온의 표면온도 차이가 크게 나타나 중온에 대한 단열두께 상향이 필요할 것으로 판단된다.
Table 7 Result of simulation
|
case
|
image
|
Location
|
Input temp.
|
Output temp.
|
|
low temp.
|
Case-1-1
|
|
Center
|
75℃
|
69.8℃
|
|
Outer surface of pipe
|
71.7℃
|
68.8℃
|
|
Outer surface of insulation
|
45.1℃
|
43.5℃
|
|
Case-1-2
|
|
Center
|
75℃
|
69.9℃
|
|
Outer surface of pipe
|
71.4℃
|
68.9℃
|
|
Outer surface of insulation
|
38.9℃
|
37.7℃
|
|
Medium temp.
|
Case-2-1
|
|
Center
|
105℃
|
99.9℃
|
|
Outer surface of pipe
|
101.3℃
|
98.5℃
|
|
Outer surface of insulation
|
56.8℃
|
55.4℃
|
|
Case-2-2
|
|
Center
|
105℃
|
99.9℃
|
|
Outer surface of pipe
|
100.6℃
|
98.5℃
|
|
Outer surface of insulation
|
38.4℃
|
37.9℃
|
Table 8 Difference of insulation surface temp.
|
Water
temp.
|
Input
temp.
|
Heat conductivity of applied materials
|
Thickness
(mm)
|
Outer surface mean temp.
of insulation
|
Difference
of temp.
(②-①)
|
Heat Loss
(W/m)
|
Ratio of heat loss
(①÷②)
|
|
Low temp.
(61~90℃)
|
75℃
|
① KCS
|
Mineral wool(0.036 W/m․K)
|
40
|
44.3℃
|
-6.0℃
|
4,525.6
|
110.1 %
|
|
② ASHRAE
|
0.036W/m․K
|
50
|
38.3℃
|
4,110.6
|
|
Medium temp.
(90~120℃)
|
105℃
|
① KCS
|
Mineral wool(0.036 W/m․K)
|
50
|
56.1℃
|
-18.0℃
|
5,635.0
|
124.7 %
|
|
② ASHRAE
|
0.039W/m․K
|
80
|
38.1℃
|
4,519.4
|
5. 결 론
본 연구는 제로에너지 의무화를 대비하여 건축물 배관의 에너지 절약적인 단열 기준을 제안하기 위한 기초연구 단계로서, 국내외 배관 단열 두께 기준을
조사하고, 각각의 두께 기준을 적용했을 경우 각각의 표면
온도를 비교하였다. 본 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 국내 배관 단열기준(KCS 31 20 05)은 관내수온 및 관경에 따라 단열재의 종류와 두께를 규정하고 있다. 그러나 미국의 경우 국내와 달리
열전도율 기준으로 규정되어 있으며, 건물에너지 절약을 위해 배관 단열 기준(ASHRAE 90.1)이 2010년 상향 개정되어 국내보다 더 높은 수준의
단열성능을 규정하고 있다.
(2) 국내 KCS 기준과 미국 ASHRAE 기준에 따라 배관의 단열두께를 각각 적용하고 시뮬레이션 해석을 통해 차이를 비교하였다. 저온(61~90℃)의
경우 열관류율은 KCS가 0.9 W/㎡․K, ASHRAE가 0.72 W/㎡․K로 표면 온도 차이는 KCS가 6℃ 높았다. 중온의 경우 KCS의 열관류율은
0.72 W/㎡․K, ASHRAE는 0.488 W/㎡․K로 표면온도 차이 또한 KCS가 18℃ 높게 나타났다.
(3) 이때의 단위길이당 열손실량은 저온인 경우 KCS가 4,525.6 W/m, ASHRAE는 4,110.6 W/m로 국내기준을 적용했을 경우의 열손실이
약 1.1배 더 큰 것으로 나타났다. 고온인 경우, KCS는 5,635.0 W/m, ASHRAE는 4,519.4 W/m로 마찬가지로 국내기준을 적용한
경우가 약 1.25배 열손실이 더 큰 것으로 나타났다.
(4) 국내 KCS 기준 대비 ASHRAE 기준의 단열재의 열관류율이 높아 더 낮은 열손실이 발생하고 있었으며, 특히 중온에서의 표면온도 차이는 저온보다
더 크게 나타나 단열두께 향상의 필요성이 더 크다고 할 수 있다. 또한 기존의 단열재의 종류를 지정할 것이 아니라 국내 실정에 맞는 열전도율 기준의
단열두께로 변경할 필요가 있다고 판단된다.
본 연구에서 진행한 배관의 길이 및 크기 조건은 실제 건축물에 적용되는 것보다 많이 축소된 것으로 표면온도의 단순 비교에는 유용할 수 있으나, 실제
건축물의 배관 열손실량을 추산하기는 어렵다 . 따라서 추후 연구를 통해 실제 건축물의 배관 길이 및 환경을 모사하여 에너지 효율화 문제점을 분석함으로써
적정 단열 두께 기준을 제안할 예정이다. 또한 외기에 노출된 경우뿐만 아니라 피트 공간과 같이 비난방 공간에 노출되는 경우 등 다양한 조건에 대한
평가도 수행할 예정이다.
Acknowledgements
본 연구는 국토교통기술촉진연구사업의 일환으로 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원을 받아 수행되었음(과제번호 19CTAPC15308301000)
References
Notice No. 2010-371 of the Ministry of Land, Infrastructure and Transport.
Notice No. 2013-149 of the Ministry of Land, Infrastructure and Transport.
Notice No. 2015-1108 of the Ministry of Land, Infrastructure and Transport.
Choi S. H., Gim Y. S., Yun H. W., Ryu H. K., 2017, A Standard Study for Improving
Thermal Performance of the Hot and Cold Water Pipe Insulation in Buildings, Korea
Society of Geothermal Energy Engineers, Vol. 13, No. 4, pp. 21-30
Notice No. 2017-881 of the Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Standard
for Energy Saving Design of Buildings.
Gordon H. Hart, 2010, ASHRAE Standard 90.1-2010 Increases Minimum Pipe Insulation
Thicknesses, Insulation Outlook(National Insulation Association).
2010, Product catalog(Mineral wool), Byucksan, http://www.byucksan.kr/02_customer/catalogue.asp.