지역난방 공동주택에서 외기온도와 급탕사용량의 상관성 분석에 관한 연구 = Correlation Analysis Between Outdoor Temperature and Hot Water Usage in Apartment Housing with District Heating System

국문 초록 (Abstract)

현재 우리나라는 국토면적에 비해 높은 인구밀도를 보이고 있다. 그로 인해 효율적인 택지 이용을 위해 공동주택이 차지하는 주거비율이 높다. 공동주택은 건축기술의 발달로 점차 대형화, 고층화, 집단화 되어 가고 있으며, 새로 계획되는 신도시의 공동주택을 중심으로 지역난방시스템의 보급이 활발히 이루어지고 있다. 지역난방시스템은 첨단 오염방지설비가 갖추어진 열병합발전소등의 집중된 열원 플랜트 시설을 통해 경제적으로 생산된 열을 지역전체에 일괄 공급하는 방식이며, 지역난방시스템은 에너지의 효율적 이용 및 환경보호차원에서 우수하다.

본 연구는 지역난방을 사용하는 공동주택의 열사용량 중 급탕 사용량을 중심으로 연구 진행 하였고, 급탕 열사용량의 경우 외기온도와 같은 외부적 요인뿐만 아니라 거주자 생활패턴의 변화, 맞벌이 가정의 증가와 같은 환경․사회적인요인과 거주면적, 거주층수 등의 내부적인 요인들이 복합적으로 작용하여 그 특성을 보이고 있다. 보다 정확한 급탕 열사용량에 대한 특성 파악과 지역난방 공동주택 시스템의 개선을 위해서는 실제 사용자의 열사용 패턴에 관한 기초적인 데이터의 확보와 더 많은 연구가 필요한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 지역난방을 사용하는 공동주택의 급수․급탕 사용 특성을 분석하고, 외기온도변화에 따른 사용자 측의 급수․급탕 사용패턴과 외기온도 구간별 상관성에 관하여 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 월별 급수․급탕 사용량 분석에 있어 A-apt.단지와 B-apt.단지를 종합하여 비교 하였을 때, 월 세대당 급수 사용량이 최대치를 보이는 것은 7월이며 급탕 사용량의 최대치를 보이는 것은 3월임을 확인 할 수 있다. 또한 년도 별 급수 평균값이 2009년도 12,600ℓ/month, 2010년도 12,682ℓ/month로 큰 차이를 보이지 않으며 급탕 평균값도 2009년도 6,107ℓ/month, 2010년도 6,120ℓ/month로 큰 차이를 보이지 않는다. 이것은 유사한 조건의 전용면적일 경우 사용자의 급수․급탕 사용패턴이 비슷함을 나타낸다.

2. 일별 급수․급탕 사용량 분석에 있어 급수 사용량은 A-apt.단지와 B-apt.단지 모두 2010년 8월에 최고 사용량을 보였으며 그 원인은 2010년 8월의 기온이 전년도보다 높은 것으로 확인되었다. 반면 급탕 사용량은 A-apt.단지는 2009년 1월, B-apt.단지는 2010년 2월에 최고 사용량을 보였다.

3. 온도 구간별 전체 급수․급탕 평균 사용 비율분석에 있어 온도 범위 -10℃이상 0℃미만인 구간1에서의 급수 사용비율은 58.3%, 급탕 사용비율 41.7%. 온도 범위 0℃이상 10℃미만인 구간2에서의 급수 사용비율은 60.7%, 급탕 사용비율 39.3%. 온도 범위 10℃이상 20℃미만인 구간3에서의 급수 사용비율은 67.0%, 급탕 사용비율 33.0%. 온도 범위 20℃이상 30℃미만인 구간4에서의 급수 사용비율은 77.0%, 급탕 사용비율 23.0%로 나타났다.
구간1에서 16.6%로 급수 사용비율과 급탕 사용비율의 차가 가장 적게 나타났고, 구간4에서 54.0%로 급수 사용비율과 급탕 사용비율의 차가 가장 크게 나타나는데 그것은 외기 온도 변화에 따라 급수․급탕 사용량이 변화되고 있음을 알 수 있었다.

4. 회귀방정식에 의해 결정계수의 값은 0에서 1사이에 있으며, 종속변인과 독립변인 사이에 높은 상관관계가 있을수록 1에 가까워진다. 즉 R²의 값이 0에 가까운 값을 가지는 회귀모형은 유용성이 낮은 반면 R²의 값이 클수록 회귀모형의 유용성이 높다. 본 연구에서는 R²의 값에 대한 정확한 학문적 기준 값이 없어 최소 0.5로 기준하며 분석한 결과 값이 0.5이상 일 때 만족하는 것으로 한다.
A-apt. 와 B-apt. 합산량에 의한 온도범위 -10℃이상 0℃미만인 구간1의 산출식. y = 1.7703x + 6.6694와 구간1에서의 시간당 급수․급탕 사용량과 시간당 급탕 사용량의 결정계수는 0.7233이며, 온도범위 0℃이상 10℃미만인 구간2의 산출식. y = 0.3882x + 0.0605와 구간2에서의 시간당 급수․급탕 사용량과 시간당 급탕 사용량의 결정계수는 0.6942의 값을 얻었다.
또한 온도범위 10℃이상 20℃미만인 구간3의 산출식. y = 0.3136x + 0.1983과 x구간3에서의 시간당 급수․급탕 사용량과 시간당 급탕 사용량의 결정계수는 0.5744이며, 온도범위 20℃이상 30℃미만인 구간4의 산출식. y = 0.2247x + 0.1022와 구간4에서의 시간당 급수․급탕 사용량과 시간당 급탕 사용량의 결정계수는 0.4849의 값을 얻었다.
구간4를 제외한 구간3에서 구간1까지 모두 결정계수 값이 0.5이상 이므로 외기온도 변화에 따른 급수․급탕 사용량의 상관관계가 상당히 높으며 사용량을 예측하는 정확도가 높다고 할 수 있다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Given that Korea's population density is currently high relative to its land size, the proportion of households living in an apartment house is high in order to use housing land effectively. Particularly among apartment houses in new cities, district heating systems are being distributed. District heating is a system for distributing heat economically generated in a centralized heating plant such as a cogeneration plant that provides better pollution control with state of the art technology.

This study focuses on the amount of heat used for hot water in households living in an apartment house with a district heating system. When it comes to the amount of heat used for hot water, a combination of factors is considered: an external factor such as outdoor air temperatures as well as environmental and social factors such as changes in daily patterns of residents and an increase in the number of dual-income families and internal factors such as how large the living floor space is and what story the residents live on. To find out an exact factor in determining the amount of heat used for hot water and improve district heating systems used in apartment houses, more basic data on patterns of heat use and more research are required.

Therefore, this study has analyzed characteristics of cold and hot water use in apartment houses with a district heating system. Also, the study has analyzed patterns of cold and hot water use according to the variation of outdoor air temperatures and a correlation at different outdoor air temperatures and drawn an equation from it.

I hope that this study will make a contribution to helping business owners and operators of district heating systems calculate thermal load for hot water supply by considering the variation of outdoor air temperatures, and in turn the desired amount of heat can be offered to residents.

목차 (Table of Contents)

• 요 약 ⅰ
• 표 목 차 ⅳ
• 그림목차 ⅵ
• 기호설명 ⅶ
• I. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 목적 1
• 2. 연구의 방법 및 범위 2
• 3. 선행연구 4
• II. 이론적 고찰 7
• 1. 지역난방시스템 7
• 1) 지역난방의 정의 7
• 2) 지역난방의 열원설비구성 7
• 3) 국내․외의 지역난방 설치현황 8
• 4) 지역난방 급탕량 산정 방법 12
• 2. 건물별 급탕사용 특성 15
• Ⅲ. 조사 및 분석개요 21
• 1. 조사대상 공동주택 21
• 2. 연구 분석 데이터 22
• 3. 용어 정리 22
• 1) 회귀분석(Regression Analysis) 22
• 2) 회귀분석과 민감도 23
• 3) 결정계수와 적합도 24
• Ⅳ. 측정 결과 및 분석 25
• 1. 외기온도 변화 25
• 2. 급수․급탕 사용량 분석 26
• 1) A-apt. 단지 단위 세대당 월별 급수․급탕 사용량 분석 26
• 2) A-apt. 단지 단위 세대당 일별 급수․급탕 사용량 분석 29
• 3) B-apt. 단지 단위 세대당 월별 급수․급탕 사용량 분석 31
• 4) B-apt. 단지 단위 세대당 일별 급수․급탕 사용량 분석 33
• 5) 측정 대상 공동주택 단위세대당 월 사용량비교분석 36
• 6) 측정 대상 공동주택 단위세대당 월평균 1일 급수․급탕 사용량 비교 분석 37
• 7) 온도 구간별 급수․급탕 평균 사용량 비교 분석 39
• 3. 급수․급탕 사용비율 분석 41
• 1) A-apt. 단지 급수․급탕 사용비율 분석 41
• 2) B-apt. 단지 급수․급탕 사용비율 분석 42
• 3) 월별 전체 급수․급탕 사용 비율 44
• 4) 온도 구간별 전체 급수․급탕 평균 사용 비율 45
• 4. 급수․급탕 사용량 상관관계 및 산출식 47
• 1) A-apt. 단지 온도 구간별 시간당 급탕 사용량 산출식 47
• 2) B-apt. 단지 온도 구간별 시간당 급탕 사용량 산출식 51
• 3) 온도 구간별 시간당 급탕 사용량 산출식 54
• Ⅴ. 결론 62
• 참고문헌 64
• Abstract 66
• 감사의글 68