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공조냉동기계기사 실기 · 단열성능과 에너지사용량 관리

Insulation and Energy Use

관 · 덕트 · 기기 벽으로 새는 열은 Q = KAΔT 처럼 온도차와 넓이에 비례하고 열 저항에 반비례하므로, 단열 관리는 그 저항을 키우고 지키는 일이다. 관에 보온재를 감으면 열이 지나야 할 저항이 커지지만, 두께를 더할수록 줄어드는 폭은 점점 작아진다. 그래서 보온재 값과 새는 열의 값을 더한 비용이 가장 작은 두께를 경제적 보온 두께라 하고, 줄인 열은 한 해 사용량으로 모아 석유환산톤(TOE)으로 견준다. 그림은 50A 강관(바깥지름 60.5 mm) 1 m 의 열 손실을 보온 두께에 따라 그린 곡선과 관 단면이고, 유체 온도와 보온 두께 슬라이더로 곡선 위 점과 100 m 관의 한 해 손실이 바뀐다(보온재 열전도율 0.04 W/(m·K) · 운전 4,000 h · 보일러 효율 85 % 는 설명용 값).

유체 온도와 보온 두께 바꾸기

150 ℃
25 mm
💡 지금 값
①관 1 m 열 손실: 맨관 247.1 W/m → 보온 25 mm 일 때 48.4 W/m
②100 m 관이면 4.84 kW, 한 해 4,000 h 에 19,368 kWh
③보일러 효율 85 % 로 연료 열량을 잡으면 1.96 TOE(맨관은 10.00 TOE)
④두께를 처음 25 mm 감을 때 줄어드는 폭이 가장 크고, 그 뒤로는 같은 두께를 더해도 덜 줄어든다

계산식

평판 벽의 열통과율
1K = 1αi + Σ dλ + 1αo
αi · αo 는 안팎 겉 열전달률, d 는 층 두께(m), λ 는 열전도율 W/(m·K)이다. 보온재 층은 d/λ 가 커서 저항의 대부분을 맡는다
보온한 관 1 m 의 열 손실
q = t1 - t2ln(r2/r1)2πλ + 12π r2 αo
r1 은 관 바깥 반지름, r2 는 보온재 바깥 반지름이다. 원통이라 두께가 아니라 반지름의 비가 저항을 정한다
석유환산톤
1 TOE = 107 kcal ≈ 41.9 GJ
원유 1 t 이 가진 열량이다. 연료와 전력을 이 단위로 바꿔 한데 더하고, 바꾸는 계수는 에너지법 시행규칙의 열량 환산 기준을 따른다

보온재와 사용량 관리

📏 보온 · 보냉 · 방로
①보온재는 무기질(유리솜 · 암면 · 규산칼슘 · 펄라이트), 유기질(발포 폴리스티렌 · 경질 우레탄 폼 · 펠트), 금속질(알루미늄 박)로 나눈다
②무기질은 높은 온도에 견디고, 유기질 폼은 가볍고 열전도율이 낮아 보냉에 많이 쓴다
③찬 관은 겉면이 이슬점보다 차가워지면 맺히는 물을 막는 방로(결로 방지) 두께와 방습층이 함께 든다
④가는 관에서는 보온재 바깥 반지름이 λ/α_o(임계 반지름)보다 작으면 겉넓이가 늘어난 효과가 커져 오히려 손실이 늘 수 있다. 그림의 관은 반지름 30 mm 로 λ/α_o = 4 mm 보다 커서 감는 만큼 줄어든다
📏 에너지 사용량 관리
①검침값을 시간 · 일 · 월 · 계절 · 연 단위로 모으면 운전 습관과 계절 부하가 드러난다
②에너지 원단위는 사용량을 생산량이나 연면적으로 나눈 값이라, 규모가 다른 해와 건물을 견줄 수 있다
③연료 · 전력처럼 단위가 다른 에너지는 TOE 로 바꿔 더한다
④보온이 젖거나 벗겨지면 열전도율이 크게 올라, 사용량이 늘어난 원인을 찾을 때 보온 상태부터 살핀다

시험 포인트와 기출 유형

🎯 시험 포인트
①Q = KAΔT, 1/K = 1/α_i + Σ d/λ + 1/α_o
②관은 q = (t₁ − t₂) ÷ [ln(r₂/r₁)/(2πλ) + 1/(2π r₂ α_o)]
③경제적 보온 두께 = 보온재 비용 + 열 손실 비용이 가장 작은 두께
④1 TOE = 10⁷ kcal, 원단위 = 사용량 ÷ 생산량(또는 연면적)
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 열전도율 0.04 W/(m·K), 두께 50 mm 보온재 층만의 열통과율은? (답: 0.04 ÷ 0.05 = 0.8 W/(m²·K))
②[기출유형] 보온 두께를 정할 때 보온재 비용과 열 손실 비용의 합이 가장 작은 두께를 무엇이라 하나? (답: 경제적 보온 두께)
③[기출유형] 석유환산톤 1 TOE 의 열량은? (답: 10⁷ kcal)

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