1.1 연구의 배경 및 목적

산업용 발전기, 보일러 또는 가정용 보일러는 석탄, 석유, 가스(LPG) 등과 같은 연료를 연소시켜 필요한 동력을 얻고 있으며, 이러한 연소에 의해 발생되는 배기가스는 굴뚝으로 배출하게 된다. 이러한 배기가스를 굴뚝으로 배출시키기 위한 관을 일반적으로 ‘연도’라고 한다. 설치장소 및 다양한 재질 및 판 크기에 따라 다수 분할된 연도를 접합시킬 필요가 있으며, 특히, 연도접합부의 경우 밀실하게 접합하지 않으면, 연도 내부의 유해한 가스와 열기가 누출되어 피해를 발생시키므로 연도 제작 및 설치 시 접합부 처리는 매우 중요하다. 접합부 처리가 부실한 경우, 접합부 주위로 누출되는 가스와 열기에 의하여 안전사고의 위험성이 있고, 누출이 누적되는 경우 내구성이 저하되어 인명과 재산에 피해를 야기시키는 대형사고로 이어질 수 있기 때문이다. 이와 같이 안전성을 고려하여 외부관 주위에 단열재 등을 감싸 연도관의 배기 누출을 줄이는 방법이 시도되었지만, 이것은 근본적인 해결방법이 되지 않는다. 따라서 본 연구에서는 결합력, 기밀성과 내구성을 개선한 개선한 STS 스프링 U-band 접합 방법을 제안하고 성능을 검증하는데 목적이 있다.

1.2 연구의 범위 및 방법

본 연구는 기존 V-band 방식 대비 U-band를 적용한 STS 이중관연도의 결합력과 기밀성을 정량적으로 분석하고, 건물에 적용 시 에너지 손실을 예측할 수 있는 덕트 누기량 예측 모델 개발하고자 한다. 이것은 추후 건물에 반영하여 덕트 내외부 압력차에 따른 누기량을 적용해 실제적인 부하손실과 에너지소비량이 건물에 미치는 영향을 판단하는데 기초자료로 사용 될 것으로 사료된다. 본 연구의 내용은 다음과 같다.

(1) 비슷한 시기에 준공된 적용대상 건물 2곳을 선정하여, V-band가 적용한 곳과 U-band가 적용한 곳의 현장조사를 통해 실험체 시료 채취.

(2) 적용대상 건물의 실험체 시료를 대상으로 시간에 따른 압력강하 측정 시험 실시.

(3) 이상기체 상태방정식을 적용하여 누설량과 누설률 계산.

1.3 유사 연구 사례

유사 연구 사례로 가스켓의 밀봉과 보수를 통한 기밀성을 향상 시켰을 때, 건물에 에너지가 미치는 영향을 다음과 같이 조사되었다. Aydin et al.⁽¹⁾은 누설 모델을 통해 유량계수(C)와 흐름지수(n)를 도출하여 실내환경 의 영향력을 분석하였다. Carrie et al.⁽²⁾은 덕트 누수 측정 데이터를 통해 피크전력 시 덕트 누설로 인한 난방에너지 소비량은 연간 0.75 TWh이고, 사무실 및 주택의 경우 연간 7.5 TWh로 나타났다. 이는 본 연구의 추 후 나가야하는 방향과 부합된다. Modera et al.⁽³⁾은 에어로졸 실링이 적용된 현장 시험을 통해 덕트시스템의 누출이 감소되었음을 알 수 있었다. 밀봉을 통해 덕트 섹션의 크기를 늘리고, 팬 유량의 잠재적인 감소를 통해 에너지를 절약할 수 있었다. 실험과 에너지 검증을 통해 기밀성이 유지됨을 증명시켰다. Wills⁽⁴⁾는 공기 누출률이 5%라고 가정 시 공급 측의 팬 에너지가 17% 증가하고, 누출이 조절된 공간 외부로 유출되는 경우 5%의 추가적인 냉난방에너지가 손실되었고, Craig et al.⁽⁵⁾은 예제 시뮬레이션을 통해 누출 덕트가 팬 전력을 상당히 증가시킨다는 것을 알 수 있었으며, John Proctor⁽⁶⁾는 연구문헌을 근거로 덕트 실링은 에너지를 절약하고, 최대 전력 소비를 줄인다고 밝혔다. 이는 평균 에너지 절감량이 17%이고, ASHRAE 152-2004를 사용하여 계산하였으며, 개조 후 에너지 소비를 측정하였다. 이와 같이 기밀성이 유지됨으로서 에너지가 감소되는 사례는 본 연구에서 크게 배울점이라 할 수 있다. Fisk et al.⁽⁷⁾은 유효 누출 영역(ELA, effective leakage area)의 공기누출률 및 열전도를 조사하였고, 공급 덕트의 ELA는 단위면적당 0.4~2.0 ㎠/㎡ 덕트의 단위면적당 1.0~4.8 ㎠/㎡ 범위로 확인되었고, Cummings et al.⁽⁸⁾은 덕트 누수 수리를 통해 가구당 평균 20 미국달러의 비용으로 덕트 수리는 2년 내 투자비용이 회수되었으며, 덕트 수리는 새로운 발전 용량을 구축하는 비용의 약 1/6로 동절기 피크 수요를 가구당 1.6 kW까지 절감시킬 수 있었다. 노후화된 덕트 수리로 에너지를 절약한 사례이다. Lee et al.⁽⁹⁾은 고층건물에서 오염물질 발생 위치에 따른 수직적 세대별 오염물질 농도를 검토하였으며, 건물 내 오염물질 확산의 경우 연돌효과에 의한 공기유동이 지배적으로 작용하였고, 오염물질 발생위치에 따라 확산경향이 다르게 나타났다. 본 연구진도 추후 과제로 연돌효과에 의한 오염물질 확산을 추가로 연구 할 계획이다. Kim et al.⁽¹⁰⁾은 고온의 배기가스를 이송하면서 부식, 누수, 발열 등 하자 사례가 많이 발생하고, 발전기 가동시간도 늘어 더 많은 주의와 관리가 요구된 기존 연도의 문제점을 제기하였고, 현 조립식 스테인리스 연도의 기술동향에 대해 소개하였고, Yeon et al.⁽¹¹⁾은 플랜지에 불연패킹이 설치된 조립식 연도를 소개하였고, 삼중 차단구조로 기밀성 강화, 플랜지의 체결력 향상, 연도의 구조적 강도를 향상시켜 누설 하자에 대한 고충을 해소하였다. 본 연구에서 다루고 있는 조립식 스테인리스 연도에 대한 전반적인 내용을 기술하였고, 특장점에 대해 기술적으로 집약시켰다.

3.1 실험방법

본 연구에서는 비슷한 시기인 2010년에 V-band가 적용된 건물(Table 1)과 U-band가 적용된 건물(Table 2)에 대하여 약 10년이 경과한 길이 2 m, 내경 0.45 m 연도를 채취하여 기밀성 시험을 수행하였다. 실험의 객관성과 정확성을 높이기 위해 유사한 크기의 건물을 선정하였다. 시료를 채취한 대상건물의 발전기 사양은 동일하다. 발전기 제작사는 두산 인프라코어, 모델명은 P222LE 이다. 발전기 출구온도는 606℃, 풍량은 137 ㎡/min, 가스 유량은 173.5 $\ell$/h 이며, 운전은 월 1회 가동하였다. V-band 에 사용된 기밀재의 인장능력은 23℃일 때, 0.5 N/㎡, 탄성복원력은 93%이다. 기밀재는 연도에서 발생하는 열과 배기가스에 의해 경화되어 시간경과에 따라 성능저하가 예상된다.

Fig. 3에서와 같이 각 현장에 사용된 지 약 10년 된 연도 시료를 대상으로 내부온도와 압력 변화를 1초 단위로 40분간 데이터를 수집했으며, 두 실험체 내부 체적은 동일하다. Table 3과 4는 실험에 적용된 차압계와 데이터로거의 사양을 정리하였다. 실험 대상 연도 양단을 막음판으로 용접하여 기밀화 후 2,500 Pa의 압력을 가압하여 중간 연결부에서 발생하는 누기량에 의한 압력강하를 서로 비교했다. 또한, 각각의 실험 초기 및 종료 시점에서 온도, 압력 데이터를 수집하여 이상기체 상태방정식을 적용하여 누설량과 누설율을 계산하여 기밀성을 정량적으로 비교하였다. 연도의 기밀성을 시험하는 표준화된 실험방법은 없으나, 한국설비기술협회SPS-KARSE B 0054-2079⁽¹²⁾ 및 SPS-KARSE B 0016-1278⁽¹³⁾ 기밀도 시험 중 압력 형태에 따른 시험압력과 허용누기량을 참고 하였고. 연도의 경우 고압이 아니고, 저압이라 200 Pa로 실험해도 되지만, 본 연구에서는 2,500 Pa로 실험하였다. 실제 연도는 상부가 개방상태로 배기가스가 유출되므로 조건이 유사하지 않다. 다만, V-band와 U-band 연도의 기밀 성능을 정확하기 측정하기 위해 2,500 Pa의 큰 정압을 가하여 실험하였다.

Fig. 3 Leakage measurements of V-band and U-band joints.

3.2 실험결과

3.2.2 누설량과 누설율 분석

누설량과 누설율 분석을 위해 식(1)$\sim$(4)과 같이 이상기체 상태방정식과 상태조건을 적용했고, 초기압력(P1), 초기온도(T1), 최종압력(P2), 최종온도(P2), 초기부피(V1)는 측정값을 사용하였다. 또한, 공기기체상수 0.287 kJ/(kg K), 공기밀도 1.293 kg/㎥을 적용하여 누설된 공기 질량과 누설된 부피를 계산하였다.

계산 결과, Table 5와 같이 V-band 누설량 2.23 g(1.727ℓ)으로 누설율 23.3%로 나타났고, U-band 누설량은 0.33 g(0.249ℓ)으로 누설율 3.5%로 나타나 U-band 누설율이 상대적으로 85%로 낮아 기밀성이 우수한 것으로 나타났다.

Fig. 4 Pressure drop with respect to time.

Table 5 Measurement results

	V-band	U-band
P1 [kPa]	2.50	2.48
T1 [K]	284.3	284.3
P2 [kPa]	1.88	2.36
T2 [K]	285.0	285.0
V1 = V2 [㎥]	0.32	0.32
m1 [g]	9.57	9.52
m2 [g]	7.34	9.19
Leaked mass [g]	2.23	0.33
Leaked volume [ℓ]	1.727	0.249
Leakage rate [%]	23.3	3.5

(1)

$PV=m RT$

(2)

$P_{1}V_{1}=m_{1}RT_{1}$ , $P_{2}V_{2}=m_{2}RT_{2}$

(3)

$m_{1}=\dfrac{P_{1}V_{1}}{RT_{1}}$, $m_{2}=\dfrac{P_{2}V_{2}}{RT_{2}}$

(4)

$V_{1}=V_{2}$

누기량의 오차 분석은 식(5)를 사용하여 수행하였다.⁽¹⁴⁾

(5)

$(w_{m})^{2}=\left(w_{P}\dfrac{\partial m}{\partial P}\right)^{2}+\left(w_{T}\dfrac{\partial m}{\partial T}\right)^{2}$

여기서 $w_{m}$는 질량 측정 오차, $w_{P}$는 압력 측정 오차, $w_{T}$는 온도 측정 오차를 의미한다. Table 3에서 압력 측정 오차는 $w_{P}$ = 0.1 mmH$_{2}$O(또는 0.9807 Pa), 온도 측정 오차는 $w_{T}$ = 0.5℃이다. Table 5에 의하여 기준값으로 압력은 2500 Pa, 온도는 284.3 K, 체적은 0.32 m3, 공기 기체상수는 $R$ = 287 J(kg K)를 사용하였다. 식(8)과 이상기체 상태식을 이용하여 계산하면 누기량 오차는 $w_{m}$ = 0.0177 g 이다.