[논문]이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 이론적 분석

최원기; 이강영; 이현근; 서승직

이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 이론적 분석
Theoretical Analysis on the Applications of the Double-Floor Ondol System 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.19 no.5, 2007년, pp.355 - 363

최원기 (베스텍) , 이강영 (인하대학교 대학원 건축학부) , 이현근 (인하대학교 대학원 건축학부) , 서승직 (인하대학교 건축학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The Korean traditional 'Ondol' system has been a target for innovation to meet the requirements of sustainable domestic building and low carbon emission energy utilization. Simulation techniques provide designers and researchers with powerful tools to predict heating load and thermal behaviour of Ondol systems installed in various contexts. However, there are few studies on Ondol models, especially associated with multi-stories buildings of which type covers about 50% of Korean housing stock. In this study, we analyzed the double floor Ondol system on the multi-stories buildings using the ESP-r program. On the basis of the double floor Ondol system, we suggested the new modelling method that is composed of the Vent zone and Ondol zone. Using the this model, sensitivity analysis was carried out to refine the applicability of the model taking account of control conditions, constructions, air change and air flow network method and CFD analysis using the FLUENT. The air layer has enough temperature to use in heating zone. It is suggested that the simplicity of the model will allow building designers and mechanical engineers easily to implement scenario-based assessments of design options as well as control strategies. Later, we will simulate the real buildings and analyze the air distributions using the Fluent according to the various conditions.

주제어

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문제 정의

수행하였다.°9> 특히 본 연구에서는 난방 운전 중 하부로'전달되는 열량을 이 중 바닥의 공기층을 통해 재이용하는 방안에 중점을 두고, 이를 ESP-의 온돌 모델링 기법을 이용하여 시뮬레이션 분석을 수행하였으며, 이 결과를 토대로 하여 기초적인 CFD 분석을 통해 그 가능성을 검증하고자 하였다.
그리고 개선된 온돌 시스템 가운데 내부에 공기층을 갖는 이 중 바닥 모델을 선정하고, 이에 관한 간단한 기초 연구를 선행하여 수행하였다.°9> 특히 본 연구에서는 난방 운전 중 하부로'전달되는 열량을 이 중 바닥의 공기층을 통해 재이용하는 방안에 중점을 두고, 이를 ESP-의 온돌 모델링 기법을 이용하여 시뮬레이션 분석을 수행하였으며, 이 결과를 토대로 하여 기초적인 CFD 분석을 통해 그 가능성을 검증하고자 하였다.
이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용하기 위한 이론적 분석을 ESPt을 이용하여 수행한 것이다.

가설 설정

ESP-r을 이용한 다층 벤트 존 모델의 분석 결과 가운데 각 존의 표면 온도를 축출하여 Fig. 9 와 같은 CFD 모델의 경계조건으로 가정하였으며, 입구측 팬은 벤트 존 환기횟수 0.5회/h, 입 . 출구 측 면적은 0.

제안 방법

ESP-r을 이용한 분석에 있어 마지막으로 수행한 것이 공동 주택에서의 다양한 설정 조건에 따른 위치별 열적 특성을 평가를 위하여 5개 층 모델을 Fig. 5와 같이 모델링하였다.
그 밖에 'casual gains'은 고려하지 않았으며, 'infiltration'은 최소 환기횟수 0.5회/h로 지정하였으며, 사용된 기상데이터는 ESP-r 포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며, 1분 간격(60회/시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다.그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지 분석 기간으로 정한 한정된 시뮬레이션만을 수행하였다.
그러나 본 연구는 아직까지 가능성 검증을 위한 기초 단계로 이 중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌의 활용 방안에 대한 이론적 분석에 초점을 맞춘 것이므로 실제 공동주택 모델을 이용한 것은 아니며, 단순 모델을 정립한 후 연구를 진행하였다. 그리고 이러한 이 중 바닥 구조의 모델링은 열원이 되는 온돌 존과 공기층을 각각의 존으로 구성하고, 이러한 모델링 기법의 검증 및 간단한 다층 모델을 만들어 중간층 세대의 영향을 중심으로 시뮬레이션 분석을 수행하였다.
그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 'Vent zone'이 하나 더 존재하기 때문에 Fig. 3과 같이 하나의 존을 더 삽입시켜 모델링을 하였다.
그러나 본 연구에서는 이러한 이 중 바닥 온돌시스템을 변형시켜 Fig. 1의 A-type과 B-type의 두 유형으로 구분하였으며, 이는 단열재의 위치에 따른 성능 평가를 수행하기 위함이다. 즉, A-type 은 발열면과 콘크리트 슬래브 하부에 단열재를 위치시킨 것이며, B-typee 발열면과 콘크리트슬래브 사이의 공기층 상부에 단열재를 위치시킨 것이다.
유닛화 된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥, 벽체, 천장에 설치가 가능한 패널 전면 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형 방식의 온돌시스템이다. 그리고 오픈하우징을 위한 Free Plan 설계기술과 연계하여 공간의 가변성을 수용할 수 있으며, 바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 Access Type, 그리고 에너지 성능, 바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능 (정보화 시스템 대응, 수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이 중 바닥구조를 적용하였다.
5회/h로 지정하였으며, 사용된 기상데이터는 ESP-r 포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며, 1분 간격(60회/시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다.그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지 분석 기간으로 정한 한정된 시뮬레이션만을 수행하였다.
그리고 이러한 이 중 바닥 구조의 모델링은 열원이 되는 온돌 존과 공기층을 각각의 존으로 구성하고, 이러한 모델링 기법의 검증 및 간단한 다층 모델을 만들어 중간층 세대의 영향을 중심으로 시뮬레이션 분석을 수행하였다. 결과의 검증을 위해 ESP-r 시뮬레이션 분석을 통해 얻어진 각 표면 및 내부 온도를 경계조건으로 한 간단한 CFD 분석을 병행하였다.
벤트 존 모델의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 Fig. 4와 같이 모델링한 후, 1층은 지표면 온도에 따른 영향을 제외시키기 위해 'Basic controller'2^, _2, 3, 4층은 lMulti~sensors con- trolle「'를 적용한 분석을 수행하였으며, 설정 환기 횟수 0.5회/h에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기횟수를 갖는 Air flow network 분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며, 그 타당성 검증 또한 병행하였다.
전체적으로 Type A의 경우 약 2~3% 정도 낮은 난방부하 분포 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나, 그 차이는 매우 미미하므로 본 연구에서는 단열재 위치는 시스템 구성에 중요한 고려사항에서 제외시키도록 하였다.

데이터처리

그리고 이러한 이 중 바닥 구조의 모델링은 열원이 되는 온돌 존과 공기층을 각각의 존으로 구성하고, 이러한 모델링 기법의 검증 및 간단한 다층 모델을 만들어 중간층 세대의 영향을 중심으로 시뮬레이션 분석을 수행하였다. 결과의 검증을 위해 ESP-r 시뮬레이션 분석을 통해 얻어진 각 표면 및 내부 온도를 경계조건으로 한 간단한 CFD 분석을 병행하였다.

이론/모형

그리고 모든 존들은 multi-sensors controller 를 적용하여 제어하였으며, air flow network 법을 이용하여 환기량을 설정 하였다.
먼저 ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 '온돌 조닝 모델링 기법'을 이용하였다. 이 방법은 단층 모델을 대상으로 온돌 구조의 발열면을 하나의 존으로 구성한 후, 이 존과 실내 존의 동시 제어를 한다.

성능/효과

1) 다양한 모델링 방식에 따른 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5% 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며, 충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다. 그리고 ESP-r 해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을 하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다[Table 3, Table 4 & p.
2) 상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어, basic controller 방식과 비교호]] air flow network 방식을 통해 multi-sensors controller를 적용한 경우 1층과 3층은 낮게, 2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며, 이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다[Table 6],
3) Basic controller 모델의 경우 에너지 소비량분석은 비교적 만족할만한 결과를 보이나, 각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있다. Multisensors controller 모델을 이용할 경우, 온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다 [Table 6, Table 7],
4) Multi-sensors controller 방식으로 환기회수법과 air flow network 법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있으며, 특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26℃ 내외로 충분히 활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다. 그러나 환기회수법보다는 air flow network 법의 경우, 지정된 환기횟수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며, 또한 이렇게 도입된 외기에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이방 식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다[Table 6, Table 7].
5) 다양한 제어 조건에 따른 분석 결과, 에너지소비량의 경우에는 공급 온수의 온도가 낮을수록 즉, 온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수 있었으나, 벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다. 또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다.
6) 간단한 기본 조건에 따른 CFD 분석 결과, 출구측 공기의 온도는 약 22.38℃로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며, 입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다[Fig. 7, Fig. 8].
Table 3과 Table 4의 분석 결과를 통해 알 수있듯이, 온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부 존의 경우 약 5.4% 높게, 상부존의 경우 약 3.4% 정도 낮게 분석되었으며, 이는 온돌 존 모델이 하부존으로 더 많은 열량 전달을 나타내는 것을 의미하며, 두 모델의 오차가 ±5% 내외 정도이다. 그리고 상.
또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다. 따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다[Table 8, Table 9].

후속연구

할 것이다. 그러나 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지 절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종 결정을 내려야 할 것이다.
(2002)의 연구에서 제시한 공동주택의 개별난방 방식의 경우, 온돌의 구조에 따라 아래층으로의 전달 열량이 20%를 초과하는 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구는 이러한 아래층으로 이동되는 약 20% 이상의 열량을 난방에너지로 재이용할 수 있는 방안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라, 이를 통해 세대별 난방 에너지 절감효과 또한 기대할 수 있을 것으로 판단된다.⑺
따라서 추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD 분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며, 실제 공동주택 평면을 이용한 air flow network 분석을 통해 보다 정밀한분석의 수행이 요구된다.
이러한 연구는 우리나라의 온돌난방방식을 한층 발전시켜 나갈 수 있는 새로운 대안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라, 겨울철 세대별 난방 에너지 소비 절감과 공기 배출구의 위치에 따른 창가의 콜드 드래프트 현상도 어느 정도 감소시킬 수 있을 것으로 사료된다.

참고문헌 (16)

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Yeo, M. S. and Kim, K. W., 1999, A study on the control methods of hydronic radiant floor heating systems in apartment buildings, Proceeding of Annual Conference in AIK, Vol. 15, No.3
Leigh, S. B. and Won, J. S., 2005, An evaluation of energy performance of radiant floor cooling and heating systems, Journal of the architectural institute of Korea planning & design, Vol. 21, No. 3

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