A Study on the Applicability of Low-temperature Heating System for Maintaining Thermal Comfort and Reducing Heating Energy in High-Insulation, High-Tightness Apartment Houses

Abstract

According to relevant statistics, residential buildings such as apartments in buildings account for 43.4% of the energy consumption of the entire building sector. In addition to the energy consumption of the electrical system, the next most important energy consumption system is the heating system. By examining and analyzing the literature of related studies, this thesis discovered that, while the thermal insulation and tightness of apartment building envelopes have greatly improved in recent years, the heating load has been reduced to a relatively low level. Regardless of whether individual or district heating is used, hot water at a higher temperature is still used to transfer heat for the room through radiant floor heating panels to meet the indoor heating load. The strengthening of the thermal insulation of the envelope has led to a continuous decrease in the heating load of apartments, which provides theoretical possibilities for the application of low-temperature heating systems in residential buildings. Therefore, in this thesis, two low-temperature heating systems using individual gas boilers as heat sources and three low-temperature district heating systems were constructed by referring to the forms of related existing heating systems. To analyze the applicability of low-temperature heating systems in high - insulation high-tightness apartment buildings, a model of the relevant building and heating system was created using the dynamic simulation software EnergyPlus 9.5 as a research tool. For assessing the applicability of the low-temperature heating system, an assessment strategy was constructed from three perspectives: heating performance, thermal comfort, and energy consumption. Finally, according to the evaluation system, by comparing with the existing heating systems. The main results of this study are as follows. (1) It was confirmed that all low-temperature heating systems can meet the indoor heating demand. Floor surface temperatures and room temperatures tend to be lower than those of existing heating systems. And the floor surface temperature does not exceed the upper limit 29℃ required in the ASHARE HANBDBOOK. (2) Both low-temperature individual heating systems can improve the heating performance, low temperature individual heating system that use outdoor reset control to regulate water temperature can further improve heating performance. In the assessment about low-temperature district heating systems, it was found that the low-temperature district heating systems with HIU equipment has the most significant improvement in heating performance. (3) As the supply water temperature decrease, the low-temperature heating systems often require longer operating times to meet the indoor heating load. That is why individual low-temperature heating systems with outdoor reset control and district low heating systems with HIU have the longest operating times. In contrast to the runtime scenario, however, energy savings in the study period of the two longest-running low-temperature heating systems that use different heat sources are the most significant.

관련 통계에 따르면 건물 내 아파트 등 주거용 건축물이 전체 건축부문 에너지 소비량의 43.4%를 차지하고 있다. 전기 시스템의 에너지 소비 외에 다음으로 주목할 만한 것은 난방 시스템의 에너지 소비이다. 본 논문은 관련 연구문헌을 살펴보고 분석함으로써 최근 아파트 건물 외피의 단열성능과 기밀성은 개선되는데 난방 부하가 상대적으로 낮은 수준으로 감소하였음을 발견했다. 하지만 개별 난방이든 지역 난방이든 상관없이 기준 난방시스템에서 높은 온도의 온수를 이용하고 복사 바닥 난방 패널을 통해 실내의 열을 전달하는 데가 유지하고 20세대 초반과 큰 변화는 없다. 외피 단열성능의 강화로 아파트의 난방 부하가 지속적으로 감소하면서 주거용 건물에 저온 난방 시스템을 적용할 수 있는 이론적 가능성을 제공하고 있다. 이에 본 논문에서는 개별 가스보일러를 열원으로 사용하는 저온 난방시스템과 기존 지역난방시스템을 참고하여 저온 지역 난방시스템을 구축하였다. 단열성과 기말성이 좋은 아파트 내 저온난방시스템의 적용가능성을 분석하기 위해 동적 시뮬레이션 소프트웨어 EnergyPlus 9.5를 연구 도구로 사용하여 해당 건물 및 난방시스템의 모델을 만들었다. 그리고 저온 난방 시스템의 적용 가능성을 평가하기 위해 난방 성능, 열적 쾌적성, 에너지 소비의 세 가지 관점에서 평가방범을 구축하였다. 마지막으로 평가 시스템에 따라 기존 난방 시스템과 비교하였다. 본 연구의 주요 결과는 다음과 같다: (1) 모든 저온 난방 시스템이 실내 난방 수요를 만족시킬 수 있음을 확인하였다. 바닥 표면 온도와 실내온도은 기존 난방 시스템보다 낮은 경향이 있다. 그리고 바닥면 온도는 ASHARE HANBDBOOK에서 요구하는 상한 29℃를 초과하지 않다. (2) 저온 개별 난방 시스템의 경우에서 난방 성능을 향상시킬 수 있으며, 실외 리셋 컨트롤을 사용하여 수온을 조절하는 저온 개별 난방 시스템은 난방 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 저온지역난방시스템에 대한 평가에서 HIU 장비를 갖춘 저온지역난방시스템이 난방성능을 가장 크게 향상시킨 것으로 나타났다. (3) 공급 온수온도가 낮아짐에 따라 저온 난방 시스템은 실내 난방요구를 만족하기 위해 더 긴 작동 시간을 필요로 하는 경우가 많다. 그렇기 때문에 실외 리셋 제어 기능이 있는 개별 저온 난방 시스템 및 HIU 기능이 있는 지역 저난방 시스템의 작동 시간이 가장 길다. 그러나 런타임 시나리오와 달리, 서로 다른 열원을 사용하는 가장 오래 지속되는 두 저온 난방 시스템의 연구 기간 중 에너지 많이 절약이 된다.