이 연구는 가스보일러와 관련한 인명사고가 거의 대부분 CO중독임을 감안, 이를 막기 위해 진행되는 것으로 공동연구 수행기관인 롯데기공은 이 연구결과에 근거, 2002년에는 CO차단 기술이 접목된 가스보일러를 출시할 계획이다. 이에 현재까지 보고된 연구결과를 본지에 실어 CO차단 기술에 대한 이해를 돕고자 한다. 단 지면관계상 연구결과의 결론부분만 게재토록 한다.
<편집자 주>
CO중독사고는 가스보일러의 급배기방식(CF, FE, FF type)에 관계없이 배기연통의 부식 또는 연결부 탈락 등으로 배기가스가 실내로 흡입하여 CO중독사고가 발생하고 있다.
특히 2000년도 CO중독사고는 전년동기 대비하여 약 33.3%(’99년 6건, ’00년 8건)가 증가되었다. 이러한 CO중독사고를 방지하기 위하여 순간식 강제배기방식(FE type) 또는 강제급배기방식(FF type) 가스보일러에 CO농도를 직접 감지하여 일정농도 이상 CO발생시 공급가스 밸브를 차단할 수 있는 불완전연소방지 시스템을 개발하게 되었고 그 결과 불완전연소(CO) 발생시 연소상태를 중지시킬 수 있었다.
본 연구의 주요 결과 및 향후대책을 요약하면 다음과 같다.
1. 사고사례 조사 및 분석
CO중독사고에 의한 인명피해는 87년부터 현재까지 총 사망 181명, 부상 234명으로 사고 1건당 1.2명 사망으로 나타났다. CO중독사고 원인은 보일러 설치불량 49%, 보일러 자체결함 33%, 사용자 취급부주의 11%, 기타 7% 등으로 분석되었다.
CO중독사고는 가스보일러 급배기방식에 관계없이 배기연통의 설치불량으로(이탈, 풍압대, 공동배기구 등) 배기가스가 실내로 유입되어 CO중독사고가 발생하는 것으로 나타났다.
2. 배기가스 조성에 관한 연구
연료와 공기의 비에 따라 배기가스의 조성에 대하여 열역학적으로 살펴보았다. 배기가스 중의 산소농도를 측정함으로써 연료가스와 공기의 혼합비를 예측할 수 있고, 일산화탄소와 수소농도의 비를 측정함으로써 연소실의 대표적인 온도를 예측할 수 있음을 제시하였다.
연료에 비하여 공기가 부족할 때 배기가스중의 일산화탄소 농도는 급격히 증가하며 연소실 온도에 큰 영향을 받지 않는다. 그러나 공급되는 공기가 연료의 당량비보다 크게 되면 배가스 중의 일산화탄소 농도는 급격히 감소하고 연소실 온도에 크게 의존한다.
과잉 공기량이 20% 이상이면 화학 평형상태에서 일산화탄소의 농도는 700ppm 이하임을 알 수 있었다. 실재 설치되어 있는 보일러들의 배기가스를 측정한 결과 대부분 연료에 대하여 과잉공기를 55∼110% 사용하지만 연료와 공기의 불균일 혼합과 주변에 의한 화염의 냉각으로 일산화탄소가 과량 발생할 수 있음을 알 수 있었다.
3. 연소기기의 불완전연소 검출장치(특허출원)
본 발명은 배기가스 중에 있는 일산화탄소의 농도를 검지하여 연소기기의 불완전연소상태를 검출에 관한 것으로 센서의 사용시간 및 환경에 따른 경연변화로 발생하는 출력특성 변화를 보정하여 불완전연소상태를 검출의 신뢰성 향상과 센서의 수명을 연장시킨 기술이다.
다양한 환경에 사용되고 있는 가스기기에 부착되어 있는 CO센서가 가스기기의 수명과 거의 같을 수 없을 것이며, 경년 변화를 일으킬 수 있으므로 센서가 정상적으로 작동하는지 감지하는 기능이 반드시 필요하다.
따라서 본 발명에서는 CO센서의 경년 변화에 의한 출력치를 보정할 수 있도록 구성하여 배기 가스 중의 CO농도를 보다 정확하게 검지하고, 불완전연소 감지기능의 신뢰성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 불완전연소 검출장치의 사용기간을 연장하고 또한 센서의 기능저하로 불완전연소 검출장치 수명을 다한 것을 판단할 수 있게 구성한 것이 본 발명의 특징이다.
4. CO차단형 시험시료 및 CO센서 성능실험
온수성능시험으로 열효율은 약 81.42%이며, 배기가스온도는 162.5℃, CO센서 부착위치의 온도는 126℃로 측정되었다. 또한 일본 불완전연소방지기능 검사방법(JIA) 기준에 의거 배기가스 CO농도가 300ppm이 될 경우 가스차단실험을 한 결과 대략 CO농도가 280∼300ppm에서 가스가 차단됨을 확인 할 수 있었다.
가스 내에 포함된 CO와 H2비율에 따른 CO센서의 감도특성은 아래 표와 같다.
5. 가스차단 제어회로 설계사양 결정
국내 가스보일러 16Bit에 적용하도록 CO센서 전용 마이콤을 개발하여 보일러 Main unit와 호환성이 있도록 구성하였다. 단계별 세부사양은 다음과 같다.
(1) Main unit 전원 ON시 CO센서 전원은 항상 ON으로 한다.
(2) Heat up 관리사양으로 30초 과열시킨 후 self cleaning시간을 30초로하여 1분동안 dead time을 둔다.
(3) CO센서의 단락, 단선 검지기능
(4) CO센서의 zero point 조정기능: 전원공급 6sec 후 system 가동이 일전기간 중지된 상태에서 실시한다.
배기팬 운전정지, flow s/w off, flame rod off 상태인 경우 가스차단 제어회로의 기본조건으로 한다.
6. 국내 가스보일러 적용실험
CO센서 부착용 연도설계: CO센서의 사양에 맞게 배기가스 속도, 수분, 온도 등을 고려하고, 또한 CO농도를 측정할 수 있도록 포집기 기능이 포함된 연도를 제작하였다.
적용 국내 가스보일러의 PCB를 CO센서 전용Micom soft program과 호환성 있게 수정하였으며, 배기가스 CO농도 측정실험을 위하여 CO센서의 변화표시를 볼 수 있도록 CO unit control board를 개발하였다.