에너지절약형 주거건물을 위한 Hydronic Thermal Energy System의 난방수요 대응방안

Abstract

본 연구에서는 난방부하 감소와 운전 중 난방수요의 변화에 대한 대응 측면에서의 난방 및 에너지 성능 개선을 위한 대안으로서, 난방수요 특성 뿐 아니라 에너지절약형 주거건물에서의 열원통합 경향과 다양한 열 사용시설의 요구조건 차이 등을 고려한 Hydronic Thermal Energy System의 구성과 운전방안을 제안하고 그 적용 타당성을 검증하였다.

연구의 주된 결과는 다음과 같다.

(1) 난방설비의 난방수요 대응을 위해 요구되는 성능을 도출하기 위해 난방운전 및 열적 거동 특성에 영향을 미치는 인자를 도출하였으며, 난방수요 측면의 영향인자로 난방운전 방식을, 난방설비의 난방수요대응 측면의 영향인자로는 열에너지의 생산・전달・최종 공급과정을 고려하여 공급 온수온도, 바닥 복사난방 패널의 열적 특성, 건물외피의 열적 특성을 각각 선정하였다.

(2) 최대 난방부하를 기준으로 산정되는 설계 공급 온수온도의 특성 상 연속운전 중 대부분의 기간에 직면하는 부분부하 조건에서는 단위시간당 요구 열량에 비해 큰 열량이 공급됨으로써 과열현상이 발생하였다. 이러한 현상은 난방부하가 작은 에너지절약형 공동주택에서 두드러지게 나타났으나, 작은 난방부하로 인해 바닥 표면온도와 작용온도는 비교적 낮은 분포를 보였다. 따라서 에너지절약형 주거건물에서 높은 공급 온수온도에 의한 과잉열량 공급으로 인한 과열현상과 낮은 바닥 표면온도에 의한 불쾌적에 대한 고려가 필요하며, 복사 열전달 효과에 의한 복사난방의 장점은 크게 나타나지 않는 것으로 나타났다.

(3) 간헐운전이 적용된 경우, 난방부하에 비해 높은 공급 온수온도를 적용하여도 재실하지 않는 기간의 난방중단으로 인한 실내온도 하강을 회복하는 과정에서 설정실온 하한에 미달하는 시간이 크게 증가한다. 이러한 현상은 난방부하가 비교적 큰 기존 공동주택에서 두드러지게 나타나고, 난방부하가 작은 에너지절약형 공동주택에서는 난방중단 중 실내온도 하강 폭이 비교적 작기 때문에 난방 재가동 시 실내온도를 설정 값으로 빠르게 회복되었다.

(4) 연속운전을 적용할 때 복사난방 패널의 유형에 따른 열적 거동은 큰 차이를 나타내지 않았다. 간헐운전의 경우, 난방중단 중 실내온도의 하강 폭이 열용량이 비교적 작은 건식패널을 적용했을 때 크게 나타났으며, 열용량이 큰 습식패널의 경우 난방가동 중 패널에 축적된 열이 방열됨으로 인해 난방중단 시 실내온도 하강 폭이 건식패널에 비해 작게 나타났다. 그러나 동일한 이유로 난방 재가동 시 실내온도를 설정 범위로 회복하는 시간도 길게 나타났다. 에너지절약형 공동주택에서는 난방부하의 감소로 인해 간헐운전의 경우에도 실내온도 하강 폭이 작았으며, 건식패널의 경우 난방 재가동 시 회복시간이 매우 짧게 나타났다.

(5) 연속운전을 적용할 때 건물의 단열방식에 따른 열적 거동은 큰 차이를 보이지 않았으나, 실내온도의 변동 폭은 내단열에 비해 외단열을 적용했을 때 작게 나타났다. 이는 외단열의 경우 일사 또는 바닥 복사난방 패널로부터 많은 열량이 공간으로 유입될 때 건물외피에 열을 축적하고, 실내온도가 하강할 때 축적된 열을 공간으로 배열하는 과정에 의한 결과이다. 그러므로 건물 내부 건축자재의 큰 열용량은 과잉열량 공급에 의한 과열현상과 실온변동 편차를 완화시켜주는 효과를 얻을 수 있다.

(6) 단위시간당 요구 열량과 공급 열량의 차이로 인해 나타나는 과열현상 및 난방부족으로 인한 불쾌적, 과잉 열량 공급으로 인한 에너지 낭비를 개선하기 위해 공급 온수온도 조절을 통한 공급 열량의 조절이 요구된다. 한편, 간헐운전의 경우 최대 난방부하를 고려한 공급 온수온도에 의한 열량 공급에도 불구하고 난방부족 현상이 나타나므로 운전상태를 고려한 추가 열량 공급이 요구된다. 이를 충족할 수 있는 방법으로, 개별 난방방식에서는 생산된 열을 저장한 후 난방수요에 따라 조절하여 공급하는 방법이, 중앙 난방방식에서는 중앙 기계실로부터 공급되는 열에너지를 즉시 변환하여 공급하는 방법이 효율적인 것으로 판단된다.

(7) 외기보상에 의한 공급 온수온도에 운전상태를 추가적으로 반영한 온수온도를 공급 열매조건으로 산정하는 운전방안을 제안하였다. 운전상태를 고려하여 설정실온에 도달할 때까지는 외기조건에 예열부하에 의한 공급 열량을 반영하였으며, 설정실온 도달 후에는 외기조건만 반영하여 공급 온수온도를 산정하는 방안을 제안하였다.

(8) 열전달 매체로서의 복사패널의 열용량은 과열 및 에너지 소비를 증가시키며, 공간 내 건물외피의 열용량은 실내온도 변동 편차를 완화시켜주는 역할을 한다. 기존 및 에너지절약형 공동주택에서의 난방 및 에너지 성능 개선을 위해서는 난방설비의 반응속도 개선을 위해 비교적 열용량과 열시정수가 작은 복사난방 패널과 비교적 큰 열용량을 갖는 건물 내부의 건축자재 적용(외단열)이 건축적인 대응으로 적합하다고 판단된다.

(9) 기존 공동주택에서의 Hydronic Thermal Energy System 구성안과 운전방안 적용 난방운전 시, 실내온도 및 실내온도 변동 폭은 비교적 안정적으로 설정범위 내로 유지되었다. 또한 현재 일반적으로 적용되는 난방설비에 비해 Hydronic Thermal Energy System 구성안과 운전방안을 적용했을 때 난방에너지 소비를 저감할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 기존 공동주택에 Hydronic Thermal Energy System 적용 시 현재의 전형적인 난방설비에 비해 난방 및 에너지 성능의 개선이 가능한 것으로 나타났다.

(10) 외단열 및 건식패널이 적용된 에너지절약형 공동주택에서의 Hydronic Thermal Energy System 구성안과 운전방안 적용 난방운전 시, 실내온도 및 실내온도 변동 폭은 비교적 안정적으로 설정범위를 유지하였으며, 난방중단 후 재가동 시 설정실온으로 실내온도가 회복되는 속도도 빠르게 나타났다. 또한 난방에너지 저감 효과가 있는 것으로 나타났다. 따라서 에너지절약형 공동주택에 Hydronic Thermal Energy System 적용 시 난방 및 에너지 성능의 개선이 가능한 것으로 판단된다. 한편, 간헐운전에 비해 연속운전의 경우 실내온도가 약간 높게 유지되었고, 난방의 가동-정지도 연속운전의 경우가 더 빈번했다. 따라서 난방부하의 크기가 상대적으로 작은 에너지절약형 주거건물에서는 실내온도 분포 및 난방설비의 가동-정지 특성, 이로 인한 난방에너지 소비 측면에서 연속운전에 비해 간헐운전을 적용하는 것이 유리할 것으로 판단된다.