[논문]습식온돌시스템과 전기온돌시스템의 열성능 평가

한병조; 구경완

doi:10.5370/kiee.2011.60.1.214

문제 정의

건물에너지효율등급 인증제도의 시행으로 인해 에너지분야의 23%를 차지하고 있는 건축물 분야에 대한 에너지절감이 요구되지만, 현행 습식온돌은 구조체의 축열성이 높기 때문에 온수가 공급되지 않는 비난방시간이 길어져 난방열량 및 반송 에너지측면에서 많은 손실을 초래하고 있다. 따라서 본 논문에서는 기타 변수를 최소화한 조건에서 정량적으로 전기온돌시스템의 온열성능 비교실험을 통하여 객관화 할 수 있는 자료를 마련하고자 하며 겨울철 난방 시 일정시간 동안만 공간을 이용하는 경우, 또는 세대별 개별난방시스템의 경우 조속한 가열이 필요하므로 PTC 원리가 적용된 발열체를 활용한 전기온돌의 열특성을 평가하였다.
본 논문에서는 기존의 전기저항을 이용한 판넬형 및 필름형 등의 전기온돌과는 차별성을 갖는 발열시트를 대상으로 하여 성능평가를 실시하였다.
1980년대에 주거환경 개선의 관점에서 바닥난방구조에 대한 다양한 연구와 기술개발이 활발하게 진행되었다. 주요 연구 내용은 바닥난방구조의 열특성, 특히 난방구조체의 전열특성이나 열성능 개선부문, 대체 재료에 관한 연구이며 바닥난방구조체의 열해석 부문과 온돌공간의 거주자의 온열감 및 쾌적온도 범위와 열환경에 대한 연구도 수행되었다. 국내 주요 온돌시스템의 주요연구는 온돌의 구조개선과 성능 향상을 위한 기초연구 위주로 이루어졌으나 체계화되지 못하고 연구결과가 실제 현장에 적용된 사례는 많지 않으며 현장 적용 시 발생하는 문제점과 그 개선 방안에 대해서는 여전히 체계적이고 지속적인 연구가 필요한 실정이다[1]-[3].

제안 방법

공급온수온도의 경우 최고 공급온수온도 60℃, 중간 공급 온수온도 50℃, 최저 공급 온수온도 40℃로 설정하여 실험을 실시하며 온수공급조건은 예비실험을 거쳐 최소한의 시간인 7시간 온수공급+7시간 온수공급중단으로 실시하였다.
온수공급은 보일러에 부착된 온도조절장치에 의해 설정온도 ±0.5℃ 범위 내에서 온수공급이 조절되고, 온돌실험체 내로의 온수공급은 보일러 내부의 순환펌프를 이용하여 온수가 공급되도록 하였다.
전기온돌시스템에 관한 성능평가를 위하여 발열시트 형태의 전기온돌을 선정하여 실험체를 구성한 후, 습식온돌과 전기온돌의 바닥표면온도, 도달시간, 소비전력량에 관한 성능 실험을 수행하였으며 다음과 같은 결과를 도출하였다.
축열 성능을 비교하기 위하여 온수 공급 개시부터 설정된 40℃, 50℃, 60℃의 온수 공급온도에서 바닥표면온도가 안정화되는 시간까지를 가열 실험하여 온도변화 및 소요시간을 비교 · 분석하도록 하였다.
그림 16은 습식온돌에 40℃의 온수를 공급할 경우 전기온돌과의 시간당 전력 사용량을 나타낸 것이다. 측정시간은 6시간의 가열시간을 대상으로 하였으며 1시간 간격으로 전력량 측정계를 이용하여 측정하였다.
표 1은 측정기기를 나타내며, 온도측정은 표면온도의 경우 50㎛두께의 은박테이프를 바닥표면에 붙이고 바닥표면온도 측정을 위한 T-type 열전대를 정착시키고 다시 은박테이프를 그 위에 덮어 부착시키며 공급, 환수온수온도는 T-type 열전대를 배관에 설치하여 5분 간격으로 측정하였다. 측정된 데이터는 Data logger를 통하여 수집된 후 컴퓨터에 저장하였다.

성능/효과

(1) 습식온돌 평균바닥표면온도의 경우 온수공급온도에 일부 영향을 받지만 전반적으로 온수공급 개시 후 2시간 30분 이후에 안정화되었으며 전기온돌의 경우 18분～35분이 경과된 뒤 안정화되었다.
(2) 설정온도 도달시간 및 방열시간을 분석한 결과 난방 개시 후 실내온도 설정치(20℃) 도달시간은 전기온돌시스템의 경우 32분으로 습식온돌에 비하여 빠르게 나타났으며, 습식온돌의 경우 183분의 경과시간을 나타냈으며 방열시간의 경우는 실온이 18℃까지 떨어지는 시간을 기준으로 산정하였으며, 습식온돌의 경우 572분으로 나타났으며, 전기온돌의 경우 496분으로 나타났다.
(3) 시간당 소비전력량의 경우 습식온돌에서 소비하는 전력량은 1.62～1.77kwh의 분포를 나타냈으며, 동시에 측정한 전기온돌의 경우 1.32～1.48kwh의 전력량을 소비하는 것으로 나타났으며 6시간동안 소비한 전체 전력량은 습식온돌의 경우 10.21kw, 전기온돌의 경우 8.34kw로 나타나 전기온돌의 경우가 습식온돌에 비하여 18.4%의 전력에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
(4) 바닥표면온도의 변화에 따른 순시소비전력을 검토한 결과 전기온돌의 경우 일정 순시전력치에 이르면 PTC제어 기능에 의해 소비전력이 감소함으로써 에너지 절감을 실질적으로 확인할 수 있었다.
(5) 각 위치별 수평 바닥표면온도분포를 분석한 결과 습식온돌의 경우 온수 유입부분과 환수부분의 바닥표면온도차가 전기온돌보다 크게 나타나며, 이에 비해 전기온돌의 경우 발열체의 상부에 P.E.과 P.P.의 설치로 인해 열을 바닥 전체로 고루 확산시킬 수 있는 것으로 나타났다.
각 온돌실험실의 실험전 초기 바닥표면온도는 온수공급온도가 40℃일 경우 9.1℃±0.8℃로 나타났고, 50℃, 60℃일 경우에는 각각 10.6℃±1.1℃, 10.3℃±0.5℃ 정도로 나타나 각 실험실에 대해 실험전의 초기조건이 동일하였음을 알 수 있다.
특히 실내 설정온도에 도달하는 시간, 전력소비량을 감안하면 습식 온돌보다 월등히 뛰어난 성능을 나타냈다. 그러나 일정 열량의 공급 후에 나타나는 온돌구조체의 축열성은 열용량이 더 큰 습식온돌이 전기온돌 보다 더 우수하게 나타났다. 따라서 중앙난방과 지역난방방식이 많이 채용되고 있는 경우 구조체의 축열로 실온이 유지되는 습식온돌이 더 에너지 효율적일 수 있다.
따라서, 온수중단 후의 방열시 온돌구조체의 축열효과에 의한 바닥표면온도의 유지측면에서는 습식온돌이 좀더 우수한 것으로 나타났다. 그리고 온수공급온도에 관계없이 습식온돌에서 공급 및 환수온도에 비해 평균바 닥표면온도가 상당히 낮게 유지되는 것으로 나타났다. 이것은 모르타르의 열용량으로 인해 온수 공급시 온도상승폭이 적고, 온수공급중단시 축열효과가 길게 유지되는 것으로 설명할 수 있다.
그림 21은 PTC제어 기능에 의한 온도와 통과전류의 관계를 나타낸 것이다. 그림에 나타낸 바와 같이 자기제어 저항 발열물질의 경우 온도의 증가에 따라 저항이 증가하면서 전류를 차단하는 것을 알 수 있으며 전기온돌의 경우 PTC제어 기능에 의해 일정 전력에 이르면 이후에 저항 증가에 따른 전류량 감소로 전력량을 절감할 수 있는 것으로 나타났으며, 실험 조건에 따라 일정 수준의 오차를 감안하더라도 전반적인 에너지 절감효과는 약 20% 전후로 예측할 수 있다.
온수공급 중단 후, 바닥표면온도의 일반적인 쾌적 하한값인 25℃까지의 냉각시간은 습식온돌의 경우 약 1시간 30분～6시간 정도인데 비하여, 전기온돌은 약 30분～45분으로 냉각시간이 약 4배 정도 짧게 나타났다. 따라서, 온수중단 후의 방열시 온돌구조체의 축열효과에 의한 바닥표면온도의 유지측면에서는 습식온돌이 좀더 우수한 것으로 나타났다. 그리고 온수공급온도에 관계없이 습식온돌에서 공급 및 환수온도에 비해 평균바 닥표면온도가 상당히 낮게 유지되는 것으로 나타났다.
본 논문에서 성능평가에 적용하고자 하는 발열시트의 기본적인 구조 및 발열체는 그림 1과 같으며 발열시트는 폴리에틸렌과 발열체, 하부반사판으로 구성되어 있으며 특히 발열체는 PTC(자기제어 저항 발열물질) 원리를 적용하여 전압증가에 따른 전류 감소로 전력량 감소효과를 가지고 있다.
습식온돌 평균바닥표면온도의 경우 온수공급온도에 일부 영향을 받지만 전반적으로 온수공급 개시 후 2시간 30분 이후에 안정화되었으며 전기온돌의 경우 18분～35분이 경과된 뒤 안정화되었다.
온수공급 중단 후, 바닥표면온도의 일반적인 쾌적 하한값인 25℃까지의 냉각시간은 습식온돌의 경우 약 1시간 30분～6시간 정도인데 비하여, 전기온돌은 약 30분～45분으로 냉각시간이 약 4배 정도 짧게 나타났다. 따라서, 온수중단 후의 방열시 온돌구조체의 축열효과에 의한 바닥표면온도의 유지측면에서는 습식온돌이 좀더 우수한 것으로 나타났다.
43kwh의 전력량을 소비하는 것으로 나타났다. 이 시간대 시간당 평균소비 전력량은 습식온돌의 경우 1.45kw, 전기온돌의 경우 1.18kw 로 나타났으며, 6시간동안 소비한 전체 전력량은 습식온돌의 경우 10.14kw, 전기온돌의 경우 8.24kw로 나타나 전기온돌의 경우가 습식온돌에 비하여 18.6%의 전력에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 그림 18에서 습식온돌에 60℃의 온수를 공급할 경우 전기보일러에서 소비하는 전력량은 1.
48kwh의 전력량을 소비하는 것으로 나타났다. 이 시간대 시간당 평균소비전력량은 습식온돌의 경우 1.46kw, 전기온돌의 경우 1.19kw로 나타났으며, 6시간동안 소비한 전체 전력량은 습식온돌의 경우 10.25kw, 전기온돌의 경우 8.34kw로 나타나 전기온돌의 경우가 습식온돌에 비하여 19.3%의 전력에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 그림 17은 습식온돌에 50℃의 온수를 공급할 경우 전기온돌과의 시간당 전력 사용량을 나타낸 것이다.
49kwh의 전력량을 소비하는 것으로 나타났다. 이 시간대 시간당 평균소비전력량은 습식온돌의 경우 1.46kw, 전기온돌의 경우 1.20kw로 나타났으며, 6시간동안 소비한 전체 전력량은 습식온돌의 경우 10.24kw, 전기온돌의 경우 8.41kw로 나타나 전기온돌의 경우가 습식온돌에 비하여 17.9%의 전력에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
전기온돌은 빠른 예열시간과 높은 바닥표면온도분포, 적은 전력소비량에도 불구하고 습식온돌 보다 높은 바닥표면 온도, 에너지 효율적인 특징을 보였다. 특히 실내 설정온도에 도달하는 시간, 전력소비량을 감안하면 습식 온돌보다 월등히 뛰어난 성능을 나타냈다.
전기온돌은 빠른 예열시간과 높은 바닥표면온도분포, 적은 전력소비량에도 불구하고 습식온돌 보다 높은 바닥표면 온도, 에너지 효율적인 특징을 보였다. 특히 실내 설정온도에 도달하는 시간, 전력소비량을 감안하면 습식 온돌보다 월등히 뛰어난 성능을 나타냈다. 그러나 일정 열량의 공급 후에 나타나는 온돌구조체의 축열성은 열용량이 더 큰 습식온돌이 전기온돌 보다 더 우수하게 나타났다.

후속연구

방열시간의 경우는 실온이 18℃까지 떨어지는 시간을 기준으로 산정하였으며, 습식온돌의 경우 572분으로 나타났으며, 전기온돌의 경우 496분으로 나타났다. 기존의 습식온돌과 달리 전기온돌의 경우 축열층이 없으므로 방열시간이 대체로 빠르며, 축열층의 과다로 인한 불필요한 축열로 인해 발생되는 에너지 낭비를 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PTC는 무엇인가?	일반적으로 PTC는 티탄산바륨계 도자기로서 소자내의 온도가 상승하면 전기저항이 급격히 커지는 반도체 소자로서 니크롬선을 대신하는 안전 발열체로 알려져 있다. 온도에 따라 저항이 달라지게 되면 스위치 작용 등을 할 수도 있으므로 헤어드라이기, 의류건조기 등에 적용되고 있으며, 이외에도 TV 섀도마스크(Shadowmask)의 소자용, 에어컨의 모터 기동용으로도 사용되고 있다.
	습식온돌과 전기온돌 중, 일정 열량의 공급 후에 나타나는 온돌구조체의 축열성이 더 우수한 것은?	특히 실내 설정온도에 도달하는 시간, 전력소비량을 감안하면 습식 온돌보다 월등히 뛰어난 성능을 나타냈다. 그러나 일정 열량의 공급 후에 나타나는 온돌구조체의 축열성은 열용량이 더 큰 습식온돌이 전기온돌 보다 더 우수하게 나타났다. 따라서 중앙난방과 지역난방방식이 많이 채용되고 있는 경우 구조체의 축열로 실온이 유지되는 습식온돌이 더 에너지 효율적일 수 있다.
	PTC는 어떤 용도로 사용되고 있는가?	일반적으로 PTC는 티탄산바륨계 도자기로서 소자내의 온도가 상승하면 전기저항이 급격히 커지는 반도체 소자로서 니크롬선을 대신하는 안전 발열체로 알려져 있다. 온도에 따라 저항이 달라지게 되면 스위치 작용 등을 할 수도 있으므로 헤어드라이기, 의류건조기 등에 적용되고 있으며, 이외에도 TV 섀도마스크(Shadowmask)의 소자용, 에어컨의 모터 기동용으로도 사용되고 있다. 본 논문에서 적용하는 발열시트의 PTC원리는 그림 2와 같다.

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