온수매트의 온수 순환 방식별 특징과 차이점

2021.08.05. 15:48:58

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온수매트는 매트 내부에 호스 배관을 삽입하여 외부 온수 보일러에서 데워진 온수를 순환 시켜 가열하는 방식으로 사용하는 매트로 이때 사용하는 보일러의 종류에 따라서 무동력식, 동력식으로 구분한다.

무동력식은 자연순환 보일러(Natural Circulation Boiler)를 사용하며, 자연순환식이라고도 한다. 동력식은 강제순환 보일러(Control Ciculation Boiler)를 사용하며, 사용된 모터에 따라서 BLDC모터순환식과 모터순환식으로 구분된다. 이때 모터순환식의 모터는 Brush motor을 의미한다.

아래 표에서 무동력식, 동력식에 따른 특징을 한 눈에 보기 쉽도록 정리해보았다.

▶무동력식 온수매트와 동력식 온수매트 비교

종류	동력식	무동력식
모터 장착 여부	O	X
작동 원리	모터에 의한 강제대류	온도 차에 의한 자연대류
유입 온수 온도	비교적 저온	비교적 고온
내구성	좋음	나쁨
소음	규칙적인 큰 소음 (BLDC일 경우 저소음)	간헐적 저소음 (장기간 사용시 소음증가)
목표온도 도달까지의 소비전력①	(히팅 +모터) 무동력식보다 크거나 같음	(히팅) 동력식보다 작거나 같음
목표온도 도달이후 순환유지 소비전력②	①과 동일하거나 작아지는 경향 (모터)	①보다 커지는 경향 (히팅)
유체전단력	큼	작음
대류속도	빠르다	느리다.
예열시간	5분-10분	20분 내외
열손실	작다=열효율이 좋다	크다=열효율이 나쁘다
매트 내 온도 분포	균일	불균일
관막힘에 대한 민감도	낮음	높음
가격	고가 (모터 : 20~35만원선, BLDC : 30~40만원선)	저가 (10-20만원선)
보일러 부피	큼	작음

▶무동력식 온수매트 (자연순환식 온수매트)

자연순환식 온수매트는 호스 배관내 유체의 온도 차에 의해 발생한 압력 차를 이용하여 자연대류를 형성함으로써 온수를 순환시키는 방식의 온수 매트로 이에 대한 특징과 장단점은 다음과 같다.

1. 동력 장치(모터)를 사용하지 않는다.

→ 저소음, 저렴한 가격, 단순한 구조로 보일러의 크기가 작음.

자연순환식 온수매트는 자연순환 보일러를 통하여 온수를 순환시킨다. 동력장치 즉 모터를 탑재하지 않았기에 동력식 온수매트에 비하여 소음이 적고, 값이 저렴하며, 구조가 단순하여 보일러의 부피가 작다. 그러나, 보일러 내부의 물 끓는 소리, 관내 유체의 이동 소리 등 소음이 간헐적이며, 역류를 막는 내부 밸브가 경화되기 쉬워 오래 사용하면 큰 소음을 발생한다.

2. 설정 온도보다 고온의 온수를 유입한다.

→ 열에 의한 제품의 변형 가능성이 상승됨.

자연순환식 온수매트의 원리를 자세히 알아보면, 열역학 2법칙(Entropy 법칙)에 따라 열이 높은 온도에서 낮은 온도로 이동하게 되고 이를 원인으로 자유대류가 발생됨을 이용한 것이다. 따라서 관내 유체의 온도 차의 크기에 따라 대류의 속도가 결정되며, 효과적인 순환을 위하여 목표온도 보다 고온의 온수를 유입한다. 이 과정에서 열에 의한 제품의 변형이 발생할 가능성이 있으며, 다량의 열로 인한 큰 압력이 관에 작용하는 경우가 많아 부품에 무리를 주어 내구성이 좋지 못하다.

3. 자연대류의 원동력은 온도 차이다.

→ 매트 내 일정한 온도 유지가 어려움, 온도 유지를 위한 많은 전력 소모.

자연대류의 원동력이 온도 차인 이유로 설계적으로 자연대류가 진행되는 동안에 매트는 일정한 온도분포를 가지기 어렵다. 따라서 매트 내에 부분적으로 온도가 다른 현상이 발생할 수 있다. 또한 순환을 유지하기 위해선 지속적으로 온도 차를 만들어 주어야 하기에 목표 온도 도달 이후에 순환유지에 보일러의 많은 히팅 전력이 사용되어 소비전력이 더 커지기도 한다.

▶동력식 온수매트 (모터순환식 온수매트, BLDC모터순환식 온수매트)

동력식 온수매트는 동력 장치를 이용하여 강제대류를 형성함으로써 온수를 순환시키는 방식의 온수매트로, 사용되는 모터의 종류에 따라서 모터(Brush motor)순환식과 BLDC모터(Brushless motor)순환식으로 구분된다. 동력식 온수매트의 전체적인 특징 및 장단점을 살펴보면 다음과 같다.

1. 온수 순환에 모터를 사용한다.

→ 모터에서 발생하는 소음, 높은 가격대, 모터 사용 전력소비, 보일러의 크기가 큼.

모터순환식 온수매트는 강제순환 보일러를 통하여 온수를 순환시키며, 보일러 내부에 모터가 탑재되어 있기 때문에 보일러의 부피가 크며, 모터 작동에 의한 기계적소음, 전기적소음 등이 추가적으로 발생하여 소음이 크고, 가격이 자연순환식 온수매트에 비하여 비싸며 보일링 과정 외에 모터 작동에도 전류가 필요하여 추가적인 소비전력이 필요하다. (BLDC의 경우 소음은 작은 편.)

2. 자연순환식 대비 비교적 저온의 온수를 유입한다.

→ 열로 인한 제품 변형 가능성이 줄어듬.

모터순환식 온수매트의 원리는 모터로 인한 강제대류이기에 자연순환식 온수매트와 같이 고온의 온수를 생성할 필요성이 없다. 따라서 비교적 저온의 온수를 유입하여 열에 의한 제품 변형의 가능성이 작다.

3. 모터로 인한 대류의 원동력.

→ 온수 순환 및 유지에 적은 전력과 적은 열손실로 빠른 예열.

강제대류의 원동력이 모터이기 때문에 매트의 설정 온도 도달 이후 온도 유지에 소요되는 전력은 모터 전력뿐이며, 일반적으로 보일러가 히팅하는 전력보다 모터 전력이 훨씬 적으며 이로 인해 소비전력이 적다. 그리고 유입된 온수의 대류가 빠르게 진행되여 열손실이 적고 짧은 예열 시간으로 설정온도에 빠르게 도달한다.

그 외 동력식 온수매트의 종류인 모터 순환식과 BLDC모터 순환식의 특징과 장단점을 정리해보았다.

*특징 비교

모터 종류	Brush motor (모터 순환식)	Brushless motor (BLDC모터 순환식)
브러시 유무	유	무
기계적 접점	유	무
가격	저가	고가
추가적 구동 회로	필요 없음	필요함

*장점과 단점 비교

모터순환식	장점	· 모터 가격이 저렴하다. · 추가적인 구동회로가 불필요하여 단가가 절약된다.
모터순환식	단점	· 소음이 크다. · 접점이 존재하여 마찰이 생성, 에너지 손실이 있다. · 브러시로 인한 마모가 생성, 유지보수가 필요하다. = 수명이 비교적 짧다.
BLDC 모터순환식	장점	· 저소음이다. · 접점이 없어 마찰에 의한 에너지 손실이 없다. = 효율이 좋다. = 전력 절약 · 마모에 대한 유지보수가 불필요하다 = 수명이 길다. · 고속회전이 가능하다.= 출력이 좋다. = 빠르게 목표온도 도달 가능
BLDC 모터순환식	단점	· 모터 가격이 비싸다. · 추가적인 구동회로가 필요하여 단가가 고가이다.

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