메탈히터를 이용한 옥외 수평 소방 배관 동파 예측 시스템 연구
Freezing-Prediction System of Outdoor Horizontal Fire Pipe Using Metal Heater
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Abstract
배관 내부 물의 유동이 거의 없는 옥외 소방 배관의 겨울철 한파로 인한 동파를 방지하기 위해 열선을 감고 보온재를 덮는 방식이 주로 사용되어왔다. 하지만 열선 외피의 경화, 누전 및 합선 등으로 인한 화재 발생, 유지ㆍ보수의 어려움 등의 단점을 해결하고자 메탈히터를 이용한 동파 방지 시스템이 개발되었다. ANSYS CFX를 기반으로 배관의 관경, 보온재 두께, 외기 온도를 변화시켜 열유동 해석을 수행하였으며, 이 결과를 토대로 Minitab 소프트웨어를 활용하여 수온 예측 회귀식을 도출하였다. 본 연구에서는 배관 중심부의 수온이 0 ℃ 이상으로 유지되는 지점까지를 동파 방지를 위한 메탈히터의 권장 설치간격으로 정의하였다. 실험과 동일한 조건에서 열유동 해석과 회귀분석을 통해 얻은 권장 설치간격은 각각 2.6 m, 2.7 m이었으며, 실제 실험을 통해 도출한 권장 설치간격인 2.9 m와 최대 0.3 m의 차이를 보였다.
Trans Abstract
The method of winding a heating wire and covering it with insulation materials has been widely used to prevent freezing during winter in outdoor firefighting pipes, which have a low amount of water flowing inside. However, several issues must be considered when using a heating wire, such as the hardening of its sheath, the outbreak of fire owing to electric leakage or short-circuiting, and difficulties in maintenance and repair. A freeze-protection system using a metal heater was developed to solve these problems. Thermal flow was analyzed using ANSYS CFX by varying the pipe diameter, insulation thickness, and outdoor temperature. Based on the obtained results, a regression equation was derived to predict the water temperature using the Minitab software. This study defined the recommended installation interval of the metal heater for frost prevention as the point at which the temperature inside the core of the pipe was maintained above 0 °C or higher. Under the same experimental conditions, the recommended installation intervals obtained via thermal fluid and regression analyses were 2.6 and 2.7 m, respectively. These values differed from the recommended installation interval of 2.9 m, derived from the actual experiment, by a maximum of 0.3 m.
1. 서 론
최근 이상기온으로 인한 겨울철 한파로 각종 배관이 동파되는 현상이 많이 발생되고 있다. 특히 건물 외부에 설치된 옥외 소방 배관은 배관 내부에 물이 항상 채워져 있고 물의 유동이 거의 없기 때문에 겨울철 외기 온도에 따른 동파에 민감할 수밖에 없다(1,2). 이러한 소방 배관의 동파를 막기 위하여 현재 열선을 시공하는 방식을 주로 사용하고 있으나 열선 외피의 경화, 전단에 의한 누전 및 합선 등으로 인한 화재 발생 위험성이 높다(3,4). 국가화재정보시스템의 ‘2021년도 화재통계연감’에 따르면, 계절용 기기로 인해 발생한 총 2,332 건의 화재가 발생하였다. 이 중에서 열선으로 인해 발생한 화재가 가장 빈번하게 나타났으며, 총 화재 건수 중 350 건으로 전체의 15.0%를 차지하였다(5).
Min 등(6)은 과열시험과 단락시험을 수행하여 열선 시공에 대한 화재 위험성을 평가하였다. 보온재 과다 사용으로 인한 열 축적에 의해 절연피복이 열화 될 수 있으며, 발열선의 단락으로 인한 화재의 위험성이 존재하였다. 또한, 열선 시공의 경우에 시공된 열선의 단락 지점을 찾거나 열선을 교체하기 위해서는 보온재를 전부 제거해야 하기 때문에 유지보수 시 어려움이 있다. 본 연구에서 사용된 메탈히터는 positive temperature coefficient (PTC) 히팅 방식을 채택하였다. PTC 히터는 온도가 상승함에 따라 저항이 증가하는 특성을 가지고 있다. 과열이 발생할 경우, 자체적으로 전류의 양을 줄여 과열을 방지할 수 있다. 또한, PTC 히터를 금속재로 몰딩 처리되었으므로, 히터가 직접적으로 접촉하는 부분이 없어 화재 위험을 크게 줄일 수 있다.
Choi 등(7)은 열선 시공 방법에 따른 동파방지 효과를 비교하기 위하여 해석적 연구를 수행하였다. 이와 같이 현재까지 열선을 이용한 동파 방지 방식의 화재 가능성 혹은 성능 평가에 대한 연구가 많이 이루어져 왔다. 하지만 메탈히터를 이용한 동파 방지 시스템에 관한 연구는 아직 미미하다. 따라서 본 논문에서는 옥외 수평 소방관에 메탈히터를 부착하는 동파 방지 시스템의 해석적 연구를 통해 열유동 특성을 확인하고 다중 회귀 분석을 통한 배관 내 수온 예측을 실시하였다. 실험 결과와 비교하여 신뢰성을 검증하였으며, 배관의 크기, 보온재 두께, 외기 온도에 따른 메탈 히터 시스템의 최적 설치 조건을 찾아내었고 이를 통해 메탈히터 시스템 설계와 유지보수 분야에 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
2. 메탈히터 동파 방지 시스템 열유동 해석
2.1 지배방정식
본 연구에서 밀폐된 원형 배관내의 열전달특성을 고찰하기 위해 적용한 지배방정식은 다음과 같다(8).
연속방정식
모멘텀 방정식
총 에너지 방정식
복합 열전달 식
본 연구에서 지배방정식에 적용한 가정으로서 배관 내 유체는 정상상태 3차원 유동이고, 부력항의 유체의 밀도에 대해서는 boussinesq 근사치를 적용하였다. 물과 배관, 배관과 메탈히터, 배관과 보온재, 메탈히터와 보온재 사이에 general connection 접촉조건을 적용하여 해석을 수행하였다.
2.2 열유동 해석
20 A, 25 A, 32 A 배관에 대한 열유동 해석을 진행하였다. 보온재는 현장에서 사용하는 발포고무(9)의 물성을 사용하였으며 발포고무의 두께는 13 mm, 19 mm, 25 mm, 38 mm이다. ‘건축물의 에너지절약설계기준’에 따른 ‘냉ㆍ난방설비의 용량계산을 위한 설계 외기온ㆍ습도 기준’의 건구온도 범위는 제주 지역에서 최대 0.1 ℃, 춘천 지역에서 최소 –14.7 ℃로 표기되어 있다(10). 본 연구에서는 극한 상황에서 안전설계를 위해 외기온도 조건을 –10 ℃와 –20 ℃로 선정하여 연구를 수행하였다. 메탈히터의 온도는 70 ℃로 고정하였으며, 해석 시간의 단축을 위해 좌우 대칭 조건을 적용하였다. 10 m 배관의 중심에 메탈히터를 부착한 상황을 모사하여 길이 방향으로 대칭 조건을 적용하여 메탈히터가 부착된 부분으로부터 5 m 길이의 배관으로 시스템을 단순화시켰다.
Figure 1에서는 메탈히터 부착 지점에서의 단면을 나타내었다. Figure 2는 메탈히터 시스템을 해석을 위해 단순화한 모습이고, Figure 3은 단순화 모델의 격자 모습을 나타내었다. 격자는 tetra, wedge, hexa mesh를 사용하였으며, Table 1에서 메탈히터 시스템의 열유동 해석을 위한 각 구성의 주요 물성을 나타내었다. 또한, Table 2에는 각 요소의 Mesh의 크기를 나열하였다.
A schematic of the pipe at the metal heater attachment point.
Geometry for simulation of the horizontal firefighting pipe.
Mesh and boundary conditions for metal heater system.
Material Properties
Mesh Sizes of Water and Solids
2.3 열유동 해석 결과
2.1에서 설명한 각각의 조건에 대한 전산해석을 수행하였다. 먼저 20 A 소방 배관의 해석 결과를 Figure 4에 나타내었다. 메탈히터에서 멀어질수록 물의 온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 특히 보온재의 두께에 따라 차이가 있지만, 메탈히터로부터 약 2.5 m~3 m 지점에서 최저 온도에 도달하여 수렴하였다. 물이 0 ℃에서 빙결된다고 가정했을 때 외기 온도 –10 ℃ 조건과 –20 ℃ 조건 모두에서 배관 내 물의 동결을 방지할 수 없을 것으로 판단된다. 따라서 배관의 동파를 방지하기 위해서는 메탈히터의 설치간격을 좁히거나 메탈히터의 온도를 높여야 한다.
Analysis results of 20 A fire pipes.
다음으로 25 A 소방 배관 유동 해석 결과를 Figure 5에 나타내었다. 25 A 소방 배관도 20 A 소방 배관과 마찬가지로 메탈히터가 부착된 부분에서 멀어질수록 물의 중심부 온도가 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 20 A에 비해 완만한 기울기로 최저 온도에 도달했다. 또한, 0 ℃ 이하로 도달하는 위치가 메탈히터로부터 약 2.5 m 이후로 확인됐다. 이는 20 A 소방 배관보다 약 1 m 멀어진 지점으로 20 A와 마찬가지로 소방 배관의 동파를 방지하기 어려우나 외기 온도에 의한 영향을 비교적 덜 받는다는 것을 확인할 수 있었다.
Analysis results of 25 A fire pipes.
마지막으로 32 A 소방 배관 해석 결과를 Figure 6에 나타내었다. 32 A 소방 배관 내 물의 온도 변화는 다른 관경의 소방 배관에 비해 비교적 완만한 기울기로 메탈히터로부터 5 m 떨어진 소방 배관의 끝 지점에서 최저 온도에 도달하였다. 또한, 32 A 소방 배관은 조건과 관계없이 최저 온도가 0 ℃ 보다 높은 것을 확인하였다.
Analysis results of 32 A fire pipes.
다른 소방 배관의 해석 결과와는 다르게 최저 온도에서 수렴하는 모습을 보이지 않았다. 이는 32 A 소방 배관에서는 메탈히터의 온도가 일정할 때 외기 온도와 보온재 두께에 따라 메탈히터의 설치간격을 기존 5 m 보다 길게 설치하여 배관의 동파를 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
메탈히터 시스템을 적용한 경우 20 A, 25 A, 32 A 소방 배관의 열유동 해석 결과 비슷한 경향을 나타내었다. 모든 조건에서 메탈히터를 중심으로 열이 퍼져나가며 동시에 소방 배관의 길이 방향 유동이 발생한다. 메탈히터 부착부에서의 열유동 속도와 방향을 Figure 7을 통해 확인하였다. 또한, 보온재 두께가 두껍고 소방 배관의 관경이 커질수록 소방 배관 내 물의 최저 온도가 높아지는 경향을 보였다.결과적으로, 32 A 소방 배관은 외부 온도에 관계없이 모든 영역에서 동결 위험으로부터 안전함을 확인하였으며 권장 설치 간격은 5 m 이상으로 나타낼 수 있다. 하지만 20 A와 25 A 소방 배관의 경우, 설치 간격을 줄여야 동결 위험을 방지할 수 있으며 이에 대한 권장 설치 간격은 Table 3에 나타내었다.
Temperature and velocity of the fluid.
Recommended Installation Interval for Metal Heater
3. 메탈히터 동파 방지 시스템 예측
3.1 회귀 분석
회귀 분석은 주어진 데이터 집합으로부터 독립변수와 종속변수 사이의 상관관계를 나타내는 관계식을 구하고, 현재 데이터 집합에 존재하지 않는 새로운 값을 추정하거나 예측하는 분석 기법이다. 회귀 분석은 독립변수가 1개인 단일 회귀 분석과 독립변수가 2개 이상인 다중 회귀 분석이 있다.
본 연구에서는 메탈히터 설치간격, 보온재 두께, 외기 온도를 독립변수로 설정하고 유체의 중심부 온도를 종속변수로 설정하는 다중 회귀 분석을 진행하여 선정 조건에 대한 회귀식을 도출하였다. 또한, 회귀식을 통해 예측값을 구하고 열유동 해석 결과와의 비교를 통해 회귀식의 신뢰성을 검증하였다.
3.2 회귀 분석 결과
20 A, 25 A, 32 A 배관에 대하여 측정 지점으로부터 메탈히터와의 거리와 그 제곱값, 보온재의 두께와 그 제곱값, 그리고 외기 온도를 독립변수로 선정하였다. 이러한 독립변수들을 기반으로 통계학 소프트웨어 Minitab을 사용하여 다중 회귀분석을 진행하였고, 이를 통해 회귀식을 도출하였다. 본 논문에서 도출한 각 배관의 회귀식은 다음과 같이 정의된다.
여기서 xdis는 메탈히터 설치간격(mm), xt는 보온재 두께(mm), T는 외기 온도(℃)를 의미한다.
20 A, 25 A, 그리고 32 A 소방 배관에 대한 회귀 분석 결과와 열유동 해석 결과를 비교하여 각각 Figures 8과 9, 그리고 Figure 10에 나타내었다.
Comparisons of analysis and regression of 20 A fire pipes.
Comparisons of analysis and regression of 25 A fire pipes.
Comparisons of analysis and regression of 32 A fire pipes.
20 A 소방 배관에 대한 회귀 분석 결과 예측값은 열유동 해석 결과에 비해 최저 온도가 낮고 메탈히터로부터 가까운 곳에서 최저 온도에 도달하였다. 하지만 전체적으로 비교적 유사한 경향을 나타냈으며 두 결과를 비교했을 때 최소 0.006 ℃에서 최대 7.60 ℃의 오차가 발생하였다. 25 A 소방 배관에 대한 회귀 분석 결과 예측값은 최소 0.003 ℃에서 최대 6.32 ℃의 오차가 발생했다. 메탈히터 부착 부분에서 유체의 온도가 최고 온도인 것을 확인하였으며 열유동 해석에 비해 회귀 분석 결과가 높았다. 하지만 이후 열유동 해석 결과와 비슷한 경향을 보이며 최저 온도에 도달했다. 또한, 열유동 해석과 마찬가지로 약 3 m 지점 이후로는 소방 배관의 동파를 방지할 수 없을 것으로 판단된다. 32 A 소방 배관에 대한 회귀 분석 결과 예측값은 최소 0.002 ℃에서 최대 6.23 ℃의 오차가 발생했다. 전체적으로 유사한 경향으로 최저 온도에 도달했으며 다른 소방 배관 예측 결과와 마찬가지로 메탈히터 부착 부분에서 가장 높은 온도를 보였다. 또한, 열유동 해석 결과와 마찬가지로 32 A 소방 배관에 적용된 모든 조건에서 0 ℃ 보다 높은 최저 온도를 확인할 수 있었다. 이를 통해 열유동 해석 결과와 회귀 분석 모두에서 메탈히터를 이용한 소방 배관의 동파를 예측할 수 있었다.
4. 메탈히터 동파 방지 시스템 실험
4.1 실험 구성
메탈히터 동파 방지 시스템을 이용하여 수평 소방 배관의 동파를 모사하기 위해 냉동 챔버를 구성하였다. Figure 11은 냉동 챔버의 외부와 내부를 보여주는데, 내부에는 수평 소방 배관의 메탈히터 시스템이 구성되어 있다. Figure 12는 메탈히터 시스템의 구성을 위한 도면이다. 10 m 소방 배관을 공중에 설치하고 소방 배관의 중앙인 5 m 지점에 메탈히터를 부착하였다. 배관의 중심을 따라 1 m 간격으로 총 10개의 온도 센서를 설치하여 배관 내부 물의 온도를 측정할 수 있도록 구성하였다. 실험은 Table 4와 같이 25 A 소방 배관에 13 mm의 보온재를 시공한 후 외기 온도는 –20 ℃, 메탈히터의 온도는 70 ℃ 조건에서 수행되었다. 정상 상태 실험을 위해 초기 수온 약 22 ℃에서부터 물 의 온도가 변화가 없는 상태에 이를 때까지 20 h 동안 실험을 수행하였다. 안정화된 상태에서의 물의 온도를 해석 및 회귀 결과의 검증에 사용할 기준 데이터로 결정하였다.
Refrigeration chamber: (a) External view and (b) Configuration.
Composition of a freeze prediction system using a metal heater.
Conditions of the Experiment
4.2 실험 결과
메탈히터를 이용한 수평 소방 배관 동파 방지 시스템을 이용하여 외기 온도가 –20 ℃일 때 실험 결과를 Figure 13에 나타내었다. Figure 13을 보면 메탈히터가 설치된 지점을 기준으로 양방향이 비교적 대칭적인 모습을 보였다. 최저 온도는 소방 배관의 양 끝단에서 측정되었으며 메탈히터로부터 2.5 m ~3.5 m 지점에서 0 ℃ 이하로 온도가 떨어지는 것을 확인하였다. 실험 결과를 통해 25 A 배관에 13 mm 보온재를 시공했을 때 메탈히터의 온도가 70 ℃이고 외기 온도가 –20 ℃이면 메탈히터로부터 2.5 m~3.5 m 지점에서부터 물의 동결이 발생하는 것을 확인할 수 있다.
Experiment results for 25 A, 13 mm at –20 ℃.
메탈히터 시스템 열유동 해석과 회귀 분석을 통한 예측 결과를 실험 결과와 비교하여 예측 신뢰성을 검증하였다. 열유동 해석 및 회귀 분석 예측 결과, 실험 결과의 비교를 Figure 14에 나타내었다. 실험 결과가 메탈히터를 기준으로 비교적 양방향 대칭성을 보여 결과의 평균값을 구하여 해석 및 예측 결과와 비교하였다. 실험 결과와 회귀 분석 결과 예측값은 최소 0.3 ℃에서 최대 11.1 ℃의 오차를 갖는다. 배관 중심부에서 물의 온도가 0 ℃ 이하로 떨어지면 동결 위험성이 높다. 따라서, 본 연구에서는 0 ℃ 이상을 유지하는 지점까지를 메탈히터의 권장 설치간격으로 정의하였다. 외부 온도가 -20 ℃인 조건에서 25 A 소방배관에 13 mm 두께의 보온재를 시공했을 경우, 실험 결과로 얻어진 권장 설치간격은 2.9 m, 열유동 해석으로 도출된 간격은 2.6 m, 그리고 회귀분석 결과는 2.7 m로 나타났다. 따라서, 실험 결과와 비교하여 열유동 해석과 회귀분석을 통한 권장 설치간격에 대한 오차 범위는 0.3 m 이내로 확인하였다. 이를 통해, 열유동 해석 및 회귀분석 결과가 일정 수준의 신뢰성을 가지고 있다는 결론을 내릴 수 있었다.
Comparison of analysis and regression and experiment.
5. 결 론
본 연구에서는 수평으로 설치된 20 A, 25 A, 32 A 소방배관에 메탈히터를 이용한 동파 방지 시스템을 시공할 때 메탈히터의 설치간격, 보온재 두께, 외기 온도에 따른 소방 배관 내 물의 온도 변화를 열유동 해석, 다중 회귀 분석, 실험을 통해 예측하고 신뢰성을 검증하였다.
1) 메탈히터 시스템에 대해 열유동 해석을 진행하여 소방 배관의 관경이 크고 보온재 두께가 두꺼울수록 배관 중심에서 물의 온도가 0 ℃에 도달하는 위치가 메탈히터로부터 멀어졌으며 최저 온도가 높아지는 경향을 확인하였다. 32 A 관경에서는 외부 온도에 관계없이 모든 영역에서 동결 위험으로부터 안전함을 확인할 수 있었다. 20 A와 25 A 소방 배관의 경우, 극한의 조건인 보온재 두께 13 mm, 외기 온도 –20 ℃ 조건에서는 각각 1.5 m, 2.6 m 이하의 설치간격이 권장됨을 확인하였다.
2) 회귀식을 통해 각 소방배관과 조건에 대한 예측값을 도출하였다. 열유동 해석 결과와 유사한 경향을 나타내며 최대 7.60 ℃의 오차가 발생하였다. 20 A 소방 배관은 1.8 m 지점, 25 A 소방 배관은 2.7 m 지점까지 모든 조건에서 물의 동결을 방지할 수 있었다. 32 A 소방 배관은 모든 조건에서 0 ℃ 이상의 물 온도를 확인할 수 있었다.
3) 열유동 해석과 다중 회귀분석의 결과에 대한 신뢰성을 확인하기 위해 동일한 조건에서 실험 결과와 비교하였다. 메탈히터로부터 배관을 따라 배관 중심부의 수온이 0 ℃ 이상으로 유지되는 지점까지의 거리를 측정하였고, 이때 실험은 2.9 m, 열유동 해석은 2.6 m, 회귀분석은 2.7 m로 확인되었다. 이를 통해 본 연구에서 실험 결과와 비교했을 때 최대 0.3 m의 오차를 보이는 것을 확인하였다.
후 기
본 연구는 한국생산기술연구원 자체연구과제(UR230005)의 지원을 받아 수행되었습니다.