대한기계설비산업연구원(원장 유호선)은 2014년 기계설비산업의 지속가능한 성장을 통해 국가발전을 견인하기 위해 국토교통부로부터 설립허가를 받은 연구기관이다.
기계설비분야의 유일한 전문 연구기관으로서 기계설비산업계가 당면하고 있는 각종 현안문제에 능동적으로 대처할 수 있는 합리적인 대안을 제시하고 기계설비분야의 국제경쟁력 제고와 신시장 개척을 위한 각종 정책적·기술적 연구개발을 추진한다.
최근 기계설비 기술기준, 유지관리기준 등 기계설비산업과 관련한 기준정립을 위한 연구와 관련 지원을 담당하고 있다.
특히 그간 건물에너지효율과 관련해 주목받지 못했던 배관단열분야에 대한 연구에 착수, 실무용 계산프로그램 ‘KRIMFI PIE’를 개발하고 무료배포에 나섰다. 이번 프로그램 개발을 주도한 류형규 기계설비산업연구원 연구위원을 만나 개발배경과 의미에 대해 들었다.
■ KRIMFI PIE 개발배경은배관단열 연구를 시작하게 된 계기는 두 가지 간단한 질문에서 시작됐다. 첫 번째 질문은 건축물의 단열기준은 지속적으로 강화되는데 왜 기계설비 배관단열은 그대로인지, 두 번째는 건축물 부하계산 과정에서 배관에 의한 열손실을 약 10% 할증하는데 이에 대한 근거는 무엇인지 등이었다. 이 두 질문에 답을 내기 위해서는 배관을 통한 정확한 출입열량 계산이 필요했다.
기계설비 배관단열 두께에 따른 출입열량 계산을 위해서는 대류 및 복사과정에서의 열전달과 전도에 의한 열전달과정을 서로 만족하는 배관 표면온도를 구하기 위해 반복계산이 필요하다.
이에 따라 단순한 계산기로는 그 결과를 도출하기 어렵다는 문제가 있다. 이를 위해 KS F 2803과 ASTM C680-89 등 기존이론을 참조할 필요가 있었으며 이를 근거로 실무에 적용할 수 있도록 프로그램 개발이 필요하다고 판단했다.
배관단열 연구초기에는 기존 문제를 엑셀 프로그램의 특수기능을 이용해 해결했으며 기계설비 배관의 적정 단열두께 산출과정에서 기준마련을 위한 출입열량 계산용도로만 사용했다.
이후 건축물 부하계산 프로그램 형태로 개발하면 기계설비산업계에 에너지절감을 위한 하나의 이슈를 제시할 수 있겠다는 판단이 들었다.
2019년 국토부 산하 국토교통과학기술진흥원에서 진행하는 국토교통기술촉진연구사업에 연구를 제안, 중앙대, 구성이앤드씨 등과 함께 약 3년간 공동연구를 수행해 이번 프로그램을 완성하게 됐다.
■ 주요기능을 소개하면프로그램을 간단하게 설명하면 먼저 원통전열 계산을 위한 배관 내부온도, 주변온도, 기류속도 등 배관관련 입력정보를 필요에 따라 생성해 해당 배관에 적용할 수 있다. 또한 조건에 따른 KCS 기준 배관단열 두께가 자동으로 지정되며 해당 조건에 따른 열출입량을 계산할 수 있다.
프로젝트 시작 시 EPI 기준 또는 목표하는 에너지절감률을 입력하면 그에 따른 개선 두께를 제안해 준다. 두께는 향후 미세하게 조정할 수 있어 현장에 맞는 설계도 가능하다. 또한 추가 기능으로 동절기에 현재 단열상태로 배관이 동파되는 시간을 예측하는 계산기를 넣었으며 이는 업계 조사과정에서 요구기능을 제안함에 따라 별도의 계산기로 기능을 추가한 것이다.
프로그램 작동방식을 살펴보면 냉난방배관을 겸용으로 사용하는 지열시스템의 경우 배관 내부온도 5℃, 주위온도 30℃, 상대습도 75%에서는 단열두께 40mm를 적용한 냉방배관 표면에 결로가 발생하지 않는다. 그러나 상대습도가 80% 또는 85%로 증가하는 경우 결로가 발생하며 이때는 각각 44mm, 62mm로 두께를 증가시켜야 한다.
이 배관을 난방배관으로 사용하는 경우에는 배관 내부온도 50℃, 주위온도 20℃에서 법정 단열두께 25mm를 적용하는 경우 손실열량은 8.05W/m가 된다. 그러나 실제 주위온도가 5℃일 경우 손실열량이 12.32W/m로 증가하게 되며 이를 20℃ 기준으로 맞추기 위해서는 단열두께를 63mm로 해야 한다. 이때 냉난방조건을 동시에 충족할 수 있는 조건은 63mm이므로 해당 두께를 적용할 수 있다.
프로그램에서 ‘냉난방배관’을 선택하는 경우 이러한 프로세스가 적용돼 단열재 두께가 선정되므로 이번 프로그램을 통해 에너지성능 기반의 설계에 활용이 가능할 것으로 판단된다.
KRIMFI PIE 프로그램은 대한기계설비산업연구원 홈페이지(www.krimfi.re.kr)에서 내려받아 설계에 활용할 수 있다.
