[논문]공동주택에서 바닥복사냉방의 시스템 구성과 제어 방안에 관한 연구

조영흠; 석호태; 김광우; 여명석

문제 정의

그러므로 본 연구에서는 바닥복사냉방의 운영을 위한 시스템의 구성 및 제어 방안을 마련하였다. 바닥 복사냉방 시스템은 바닥복사냉방만을 사용하는 구성과 바닥복사냉방과 제습 및 보조냉방 장치를 사용하는 구성으로 크게 나누었다.
바닥복사냉방의 실제 운영을 위한 제어 방안을 마련하기 위해 본 연구에서는 기존 현장 실험 결과 데이터와 시뮬레이션 결과 데이터의 타당성을 확인한 동적 열해석이 가능하고 제어 알고리즘의 검토가 가능한 프로그램인 TRNSYS를 선정하여, 냉방기간 중부하 발생이 큰 구간을 대상으로 제어 성능을 검토하였다. 시뮬레이션을 위한 구조체는 기존 현장 실험대상으로 선정된 공동주택의 설계도면과 동일하게 구성하여 결과 데이터의 정확성을 검토하였다.
그러므로 이를 해결하기 위해 보조냉방장치를 사용하는 방안이 있을 것이다. 바닥복사냉방이 제거할 수 없는 현열부하를 대류냉방 방식의 보조냉방장치를 이용하여 제거하도록 제어하는 방안이다.
본 연구에서는 바닥복사냉방의 실제 운영을 위한 시스템의 구성을 살펴보았으며, 시스템의 구성과 관련하여 다양한 제어방안을 마련하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.
본 장에서는 일반적인 공동주택 단위세대를 대상으로 바닥복사냉방만의 시스템 구성과 바닥 복사냉방에 제습 및 보조냉방 장치를 추가한 시스템 구성을 살펴보았다.

가설 설정

그림에서 오후 1시경인 A, B, C 구간에 대해<표 3>에서 제시한 인체 발열부하를 3배로 증가시켰다. 이는 ASHRAM] 서 제시한 부하 증가량을 기준으로 가정하였으며 시스템 용량을 초과하는 부하발생량은 고려하지 않았다. 이때 설정실온인 26℃ 를 초과하여 실내온도가 27.

제안 방법

결로 방지를 위한 제습시스템의 작동은 바닥복사냉방과 결합하여 바닥복사냉방이 이루어지는 동안에 작동된다. 결로는 바닥표면온도가 실내 노점온도보다 낮을 때 발생하게 되며, 이를 사전에 방지하기 위하여 실내노점 온도(Td)를 기준으로 바닥 표면온도에 안전율을감안한 설정 노점온도(Tdset = Td + SF)를 결정하고,결정된 설정 노점온도와 실내 노점온도의 관계에 따라 냉수의 유량을 조절한다.
바닥 복사냉방 시스템은 바닥복사냉방만을 사용하는 구성과 바닥복사냉방과 제습 및 보조냉방 장치를 사용하는 구성으로 크게 나누었다. 그리고 이러한 시스템 구성을 바탕으로 시뮬레이션을 통해 바닥 복사난방의 제어 방식을 적용하는 단계부터 최종적으로 바닥 복사냉방과 제습 및 보조냉방을 적용하는 단계까지의 과정을 거쳐 실제 운영을 위한 제어방안을 제시하였다.
그러므로 쾌적을 위한 기준보다 바닥표면 온도가 계속해서 낮아질 경우 설정 바닥표면 온도(Tfset) 이하로 떨어지지 않도록 하는 냉수온도의최저값(Tw_min)을 공급하도록 제어한다. 기존 연구 결과를 바탕으로 최저 공급냉수온도를 13.5℃ 로 제한하여 공급하도록 알고리즘을 구성하였다. 실제 바닥 복사냉방의 운영시에는 거주자의 요구에 맞게 직접 최저 공급냉수온도의 입력이 필요할 것이다.
바닥 복사냉방 시스템은 바닥복사냉방만을 사용하는 구성과 바닥복사냉방과 제습 및 보조냉방 장치를 사용하는 구성으로 크게 나누었다. 그리고 이러한 시스템 구성을 바탕으로 시뮬레이션을 통해 바닥 복사난방의 제어 방식을 적용하는 단계부터 최종적으로 바닥 복사냉방과 제습 및 보조냉방을 적용하는 단계까지의 과정을 거쳐 실제 운영을 위한 제어방안을 제시하였다.
바닥복사냉방의 제어방안을 마련하기 위한 시뮬레이션은 바닥복사냉방만의 시스템을 적용한 경우와 바닥 복사냉방과 추가적인 시스템을 적용한 경우로 나누어 실시하였다.<그림 6>과 같이 각 시뮬레이션의 수행 결과 나타난 제어측면에서의 문제점들을 해결하는 과정을 반복하여 바닥복사냉방의 실제 운영에 적합한 제어방안을 마련하였다.
평가되었다. 설정실온에 대해 제어 편차 범위내에서 실온 제어 가능성을 확인하였고 바닥표면 온도와 노점온도와의 관계를 분석하여 표면결로 발생 유무에 따른 제어 성능을 분석하였다.
시뮬레이션을 위한 구조체는 기존 현장 실험대상으로 선정된 공동주택의 설계도면과 동일하게 구성하여 결과 데이터의 정확성을 검토하였다. 재실자의 인체, 조명, 각종 실내기기, 거주 및 운전 스케쥴은 재실자의 생활패턴을 반영하였으며, 조명, 발열 기기 등의 사용 스케쥴은 평일과 주말을 구분하지 않고 실별, 시간별 최대부하를 고려하였다.
중단하도록 해야 한다. 여기서 노점 온도 의안 전율을 임의로 결정할 수 있으나 시뮬레이션을 통해 다양한 실내 상황에 변화하는 실내 노점 온도에 따라 1~6사이의 안전율(SF)이 정해지도록 제어를 보완하였다. 이를 통해 실내 노점온도의 변화에 적절히 반응하여 제어할 수 있을 것으로 판단된다.
고려하여 이루어진다. 외기보상률에 의해서 실내에 공급되는 냉수의 온도를 결정하고 설정실온을유지하기 위해 바닥복사냉방을 위한 설정실온(Tset) 을 중심으로 제어 편차에 따라 냉수유량의 공급을 결정하는 것이다. 즉, 냉방을 하지 않다가 현재 실온이 바닥복사냉방을 위한 설정실온 상한치(Tset+d)가 되면 시스템을 작동하고 냉방을 하는 동안 현재 실온이 바닥복사냉방을 위한 설정실온 하한치(Tset-d) 가 되면 작동을 중단하는 on/off 제어를 한다.
우리나라의 전형적인 여름철 날씨인 고온 다습한 날을 대상으로 바닥복사난방 방식의 on/off 제어방식을 바닥복사냉방에 적용해 본 결과과 같은 결과를 나타내었다.
이를 위해 기존 연구에서 제시한 바닥표면 온도와 공급냉수온도의 상관관계를 바탕으로 바닥표면 온도를 예측하여 제어하도록 구성하였다. 이를 바탕으로 작성된 바닥복사냉방만의 제어 알고리즘은<그림 9>와 같다.
위험으로 인해 그대로 적용할 수 없다. 이에 바닥표면 온도와 실내노점온도와의 관계에서 결로 발생 구간을 예측하여 미리 냉수공급을 중단하여 결로 발생을 방지하는 제어방안을 제시하였다.
이와 같은 실내 발생부하의 변화를 모사해와 같이 바닥복사냉방과 제습의 제어 방식을 이용해 시뮬레이션을 실시하였다.
시뮬레이션을 위한 구조체는 기존 현장 실험대상으로 선정된 공동주택의 설계도면과 동일하게 구성하여 결과 데이터의 정확성을 검토하였다. 재실자의 인체, 조명, 각종 실내기기, 거주 및 운전 스케쥴은 재실자의 생활패턴을 반영하였으며, 조명, 발열 기기 등의 사용 스케쥴은 평일과 주말을 구분하지 않고 실별, 시간별 최대부하를 고려하였다. 시뮬레이션의 입력 조건은<표 3>과 같다.

대상 데이터

할 부분이 있다. 구성 장치로는 기존의 바닥 난방용 패널, 온수 분배기, 냉수 유량 그리고 냉열원, 냉수 배관 및 콘트롤러와 센서가 있다.

데이터처리

각각의 제시된 제어 알고리즘들은 Fortran에 의해 새로운 Type으로 작성된 후 TRNSYS 시뮬레이션을 통해 평가되었다. 설정실온에 대해 제어 편차 범위내에서 실온 제어 가능성을 확인하였고 바닥표면 온도와 노점온도와의 관계를 분석하여 표면결로 발생 유무에 따른 제어 성능을 분석하였다.

성능/효과

(3) 기존 바닥복사난방용에 보편적으로 사용 중인 외기보상 on/off에 의한 제어방식을 바닥 복사냉방에 그대로 적용하였을 경우 실온제어는 가능하였으나 바닥표면의 결로가 발생하여 냉방이 불가능하였다.
(4) 바닥복사냉방만의 제어방식은 고온 건조한 날에는 결로가 발생하지 않았으며 실온제어가 가능하였다. 그러나 고온 다습한 날에는 결로 방지를 위해 냉수공급이 중단되어 냉방이 불가능한 것으로 나타났다.
(5) 바닥복사냉방과 제습에 의한 제어방식은 결로 발생이 예상되는 구간에 제습을 실시하여 설정 실온을 안정적으로 유지할 수 있었다. 그러나 쾌적을 위한 바닥표면온도의 제한을 통해 부하증가에 대해 느린 반응을 보임으로써 이를 해결하기 위해 초기 부하 제거 시간이 빠른 냉방 방식을 겸용하여 사용할 필요성이 있는 것으로 나타났다.
(6) 바닥복사냉방과 제습 및 보조냉방(대류 방식) 에 의한 제어방식은 실온제어가 안정적이며 결로 발생을 방지할 수 있었으며 부하제거 시간이 빠르게 나타나 실제 바닥복사냉방의 운영시 다양한 냉방 운영 상황에 대처하기에 적합할 것으로 판단된다.
실시하였다.<그림 6>과 같이 각 시뮬레이션의 수행 결과 나타난 제어측면에서의 문제점들을 해결하는 과정을 반복하여 바닥복사냉방의 실제 운영에 적합한 제어방안을 마련하였다.
안정적으로 유지할 수 있었다. 그러나 쾌적을 위한 바닥표면온도의 제한을 통해 부하증가에 대해 느린 반응을 보임으로써 이를 해결하기 위해 초기 부하 제거 시간이 빠른 냉방 방식을 겸용하여 사용할 필요성이 있는 것으로 나타났다.
냉수 유량은 기존 현장 실험결과를 통해 난방용 설계 유량을 냉방용으로 사용이 가능한 것으로 나타났으며 이와 함께 공급된 냉수 유량으로 냉수 온도를 변화 시켜 실온을 제어할 수 있었던 것으로 나타나 기존의 난방용 설계 유량을 냉방용으로 사용이 가능할 것으로 판단된다. 냉열원 및 냉수 배관은 기존의 공동주택에 바닥복사냉방의 적용시 추가적인 장치의 설치가 필요 없고 시공이 간편한 개별식 냉열원을 적용하는 것이 유리할 것으로 판단되며 중앙식의 냉열원을 채택할 경우에는 각 세대별로 냉수를 공급하기 위한 배관의 설치에 의한 시공의 어려움이 발생할 수도 있을 것이다.
이에 바닥복사냉방에 제습장치를 추가함으로써 <그림 13>과 같이 설정실온을 안정적으로 유지할 수 있을 것으로 판단된다. 바닥복사냉방만으로 실 온의 제어가 불가능하였던 8월 3일 18시경(A부분) 바닥 복사냉방에 의해 실온이 25.8℃를 나타냄으로써 제어가 가능함을 알 수 있었다. 이는 바닥표면 온도와 실내노점 온도와의 관계에서 결로 발생이 예상되는 구간에서 미리 제습장치가 작동하여 결로 발생을 방지함으로써 바닥복사냉방에 의해 실온을 안정적으로 유지시킬 수 있었던 것으로 판단된다.
결과를 나타내었다. 시뮬레이션 결과 설정실온인 23C에 맞게 실온을 안정적으로 유지할 수 있었다. 그러나 바닥패널로 공급된 차가운 냉수 온도에 의해 바닥표면 온도가 실내 노점온도보다 낮아져 8월 2일 12시경(A구간)과 8 월 3일 18시경 (B구간) 및 8월 4 일 12시경 (C구간)어】 표면결로현상이 발생하였다.
이에 바닥복사냉방에 제습장치를 추가함으로써 과 같이 설정실온을 안정적으로 유지할 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

(1) 추가적인 장치 없이 기존의 난방 배관을 유효하게 이용하는 바닥복사냉방만으로 시스템을 구성할 경우, 현열 부하를 제거하는 바닥복사냉방용 장치로는 기존 난방용 바닥패널, 난방용 온수 분배기, 냉열원 및 냉수 배관 그리고 이를 제어하기 위한 콘트롤러와 센서가 필요할 것으로 판단된다.
(2) 다양한 실제 운영 상황에 대처하기 위해 바닥 복사냉방과 제습 및 보조냉방 장치에 의해 시스템을 구성할 경우, 현열 부하를 제거하는 바닥 복사냉방용 장치와 함께, 잠열부하를 제거하는 제습용 장치로는 기존의 패키지 에어컨을 이용하는 경우와 AHU를 이용하는 경우로 나뉘며 각각에 제습용 실별 분배 장치가 추가적으로 설치되어야 할 것이다. 그리고 제습 및 보조냉방 장치의 운전을 위한 콘트롤러와 센서가 필요할 것이다.
그러나 바닥패널로 공급된 차가운 냉수 온도에 의해 바닥표면 온도가 실내 노점온도보다 낮아져 8월 2일 12시경(A구간)과 8 월 3일 18시경 (B구간) 및 8월 4 일 12시경 (C구간)어】 표면결로현상이 발생하였다. 그러므로 실제 적용에는 문제가 있으며 바닥표면의 결로 발생을 방지할 수 있는 제어방안이 필요할 것으로 판단된다.
추가적으로 설치되어야 할 것이다. 그리고 제습 및 보조냉방 장치의 운전을 위한 콘트롤러와 센서가 필요할 것이다.
것으로 판단된다. 냉열원 및 냉수 배관은 기존의 공동주택에 바닥복사냉방의 적용시 추가적인 장치의 설치가 필요 없고 시공이 간편한 개별식 냉열원을 적용하는 것이 유리할 것으로 판단되며 중앙식의 냉열원을 채택할 경우에는 각 세대별로 냉수를 공급하기 위한 배관의 설치에 의한 시공의 어려움이 발생할 수도 있을 것이다.
본 연구는 시뮬레이션에 의하여 도출되어진 결과이기 때문에 앞으로는 실험에 의해서도 시뮬레이션 결과를 다시 한번 재검증하는 것이 필요할 것으로 사료된다.
5)를 초과하여 바닥 복사냉방과 동시에 보조냉방이 약 15분 정도 작동하여 발생된 부하를 제거한 후 설정실온을 유지할 수 있었다. 이를 통해 볼 때 보조냉방을 사용함으로 써 바닥복사냉방에 의한 부하제거 시간이 느린 단점을 보완할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 고온 건조한 날인 8 월 14일부터 16일 구간에서는<그림 11>과 같이 실내 노점온도가 낮아 설정실온을 안정적으로 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 이를 통해 볼때 결로 발생을 방지하기 위해 제습 장치를 사용하지 않고 바닥 복사냉방만으로 실내 노점온도가 낮고 현열 부하의 발생이 큰 구간에서는 설정실온을 유지하여 냉방이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 다양한 냉방 운영 상황이 발생하는 전체 냉방기간 동안 냉방을 하기 위해서는 제습장치를 통해 잠열부하를 제거해야 할 것이다.
설치되어야 할 것이다. 이와 함께 추가적인 장치로 각 실별 콘트롤러와 습도 및 냉수 온도 센서의 설치가 필요할 것이다.
콘트롤러 및 센서는 바닥복사냉방의 운영을 위해서 기존의 난방에 사용중인 실온 센서와 콘트롤러외에 바닥표면의 결로 발생을 제어할 수 있는 추가적인 센서와 콘트롤러가 필요할 것이고 현재 대표실에 설치된 하나의 콘트롤러 외에 각 실별로 센서와콘트롤러가 설치되어야 할 것이다. 이와 함께 추가적인 장치로 각 실별 콘트롤러와 습도 및 냉수 온도 센서의 설치가 필요할 것이다.
이를 통해 볼 때 복사냉방방식을 사용하는 경우 설정실온이 안정적인 장점이 있으나 부하제거 시간이 느린 단점이 있는 것을 알 수 있다. 해결 방법으로 낮은 냉수온도를 공급하여 부하 제거 시간을 줄일 수 있으나 바닥표면온도가 낮아짐에 따라 표면결로의 위험과 재실자의 불쾌 적함을 유발할 수 있을 것이다. 그러므로 이를 해결하기 위해 보조냉방장치를 사용하는 방안이 있을 것이다.
현재와 같이 초고층 주상 복합 건물들은 환기 시스템과 병용된 멀티 에어컨의 보급이 확대되고 있는 추세이므로 기존에 설치된 패키지 에어컨을 제습용으로 적극 활용하는 방안이 있을 것이다.

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