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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 난방 성능분석 시뮬레이터를 이용한 히트파이프 온돌난방시스템의 성능평가를 통해 히트파이프 이용 건식 온돌난방시스템의 난방 특성(방열량, 실내 및 바닥온도 분포 등)을 분석하고, 기존의 가교화 폴리에틸렌관을 이용한 습식 난방시스템과의 난방 특성을 비교, 분석함으로써 히트 파이프 이용 난방시스템의 설계 및 운전 자료를 도출하고, 적용효과를 분석하고자 한다.
제안 방법
- 시험실 외부의 내측(거실 조건)의 온도는 19℃를 유지하였다. 공급수온도는 40℃, 50℃, 60℃, 순환유량은 1, 2, 3 L/min으로 설정하였다.
- 5 m의 위치에 온도센서를 설치하였다. 또한, 수온계와 열전대 및 순간유량계 등 각종 센서는 데이터 로거(YOKOGAWA, DA-100)를 이용하여 1분 간격으로 저장하였다.
- 먼저 국내 공동주택 설계 시 보편적으로 채택하고 있는 단위 난방구획의 면적과 제원을 가지는 난방공간을 구성하였다. 이 난방공간에는 난방용 온수가 공급되며 공급된 온수는 바닥에 설치된 배관을 따라서 흐르는 바닥 패널 복사난방 방식을 채택하였다.
- 바닥패널에 매설된 배관에 설정한 온도의 난방수를 공급하기 위하여 실험의 수행에 충분한 용량의 보일러 및 축열조를 설치함으로써 저장온수는 설정된 온도로써 일정하게 유지될 수 있도록 하였다. 실내공간의 난방수행 현황을 분석하기 위하여 바닥패널의 기하학적으로 중요하다고 판단되는 지점과 실내공기의 온도를 측정하기 위하여 각각의 지정된 위치에 열전대를 설치하였다.
- 본 연구에서는 난방 성능분석 시뮬레이터를 이용한 성능평가를 통해 히트파이프 이용 건식 온돌난방시스템의 난방특성을 분석하고, 기존 가교화 폴리에틸렌(PE-X)관을 이용한 습식 난방시스템과의 난방특성을 비교 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 바닥패널에 매설된 배관에 설정한 온도의 난방수를 공급하기 위하여 실험의 수행에 충분한 용량의 보일러 및 축열조를 설치함으로써 저장온수는 설정된 온도로써 일정하게 유지될 수 있도록 하였다. 실내공간의 난방수행 현황을 분석하기 위하여 바닥패널의 기하학적으로 중요하다고 판단되는 지점과 실내공기의 온도를 측정하기 위하여 각각의 지정된 위치에 열전대를 설치하였다. 특히, 실내온도의 측정을 위해서는 공간의 평면중앙, 지상으로부터 1.
- 이 난방공간에는 난방용 온수가 공급되며 공급된 온수는 바닥에 설치된 배관을 따라서 흐르는 바닥 패널 복사난방 방식을 채택하였다. 외부 기후조건의 영향을 배제하기 위하여 내부 실험공간의 각 외벽으로부터 일정거리 이상 떨어진 곳에 격벽을 설치함으로써 실험공간을 외기와 분리시켰다. 이와 아울러 실험공간을 둘러싸고 있는 외부 공간을 항온·항습 공간으로 만들기 위하여 냉동기와 온풍기 및 가습기를 설치하였다.
- 이와 아울러 실험공간을 둘러싸고 있는 외부 공간을 항온·항습 공간으로 만들기 위하여 냉동기와 온풍기 및 가습기를 설치하였다.
대상 데이터
- 생산되고 있는 제품은 크게 온수온돌 패널을 이용하는 방식과 전기온돌 패널을 이용하는 방식으로 구별될 수 있다. 구체적인 개발 사례로는 액세스 플로어 시스템을 온수관을 매설할 수 있는 바닥판으로 이용한 이중바닥 온수온돌 패널 이용 난방시스템과 온수관을 매설하지 않고 방열체 속에 온수가 흐를 수 있도록 관로를 형성한 패널이용 난방시스템, 또한 바닥판을 이중구조로 만들어 아래 판에 단열재를 부착하는 온수온돌 난방시스템과 차음성능을 향상시킨 온수온돌 난방시스템 등을 들수 있다. 또한, 조립식 온돌시스템의 한 종류로서 전기온돌 난방시스템이 있으며, 발열체에 직접 전기를 투입하여 발열을 하는 원리로 온수를 사용하지 않는다.
- 72 ㎡(W3900×L4800)이고, 층고는 3000 mm, 바닥구조체는 슬라브 120 mm, 단열재(발포 폴리스티렌) 20 mm, 경량기포콘크리트 60 mm, 모르타르 40 mm로 구성되어 있다. 모르타르 구조체 하단에 온수순환배관(PE-X관, 15 A)을 매설하였으며, 온돌시공후 마감은 장판으로 하였다. 또한, 시험실은 바닥측의 항온유지를 위하여 항온실 바닥으로부터 500 mm 이격시켰으며, 바닥면과 천장면 사이의 천장고는 2400 mm이다.
- 시험실은 바닥면적이 18.72 ㎡(W3900×L4800)이고, 층고는 3000 mm, 바닥구조체는 슬라브 120 mm, 단열재(발포 폴리스티렌) 20 mm, 경량기포콘크리트 60 mm, 모르타르 40 mm로 구성되어 있다.
- 2는 시험실에 설치된 히트파이프 이용 건식난방시스템의 시공 모습을 보여주고 있다. 실험에 사용된 건식난방시스템은 최하층에 8 mm의 단열재를 설치하고, 그 위에 두께 20 mm의 바닥판을 설치한다. 히트파이프는 바닥판에 매립되고, 전열효과를 높이기 위하여 파이프 직상부를 아연도 강판으로 덮는다.
- 3에 보인 바와 같다. 실험에 사용된 히트파이프는 재질이 구리이고, 외경은 15.88 mm, 두께는 0.7 mm, 내부에 설치된 윅(wick)의 재질은 메쉬(mesh) 윅(구리 99.9%)과 다공성 윅으로 구성되어 있다.
- 여기에 사용된 히트파이프는 총 44개(2000 mm×22개, 1800 mm×22개)가 설치되었으며, 자세한 배관 연결방법 및 바닥 표면온도의 측정지점은 Fig. 3에 보인 바와 같다.
성능/효과
- (2) 히트파이프 이용 건식 난방시스템의 최적 운전 조건(난방면적이 18.72 ㎡일 경우)은 난방수 순환유량이 1.5 L/min 부근(0.08 L/min․㎡)이며, 난방수 공급온도는 50～60℃의 경우이다.
- (3) 히트파이프 이용 건식 난방시스템은 동일조건(난방면적：18.72 ㎡, 난방수 공급온도：50℃, 유량：1～3 L/min, 외기조건：표준부하)에서 가교화 폴리에틸렌관을 이용한 습식 난방시스템 대비 4～31% 정도의 난방수 절감효과가 있으며, 이는 공동주택 기계실에서의 난방수 펌핑동력의 절감효과를 수반한다.
- (4) 히트파이프 이용 건식 난방시스템은 동일조건에서 가교화 폴리에틸렌관을 이용한 습식 난방시스템 대비 1～11% 정도의 에너지절감효과가 있으나, 이는 건식 난방시스템의 시공 특성상 기존에 설치된 습식 난방시스템의 상부에 설치됨으로써, 바닥 구조체 하부로의 단열효과에 기인한다. 이러한 시공특성 및 단열효과를 고려하면, 히트파이프 이용 건식 난방시스템은 공동주택의 최하층 세대 또는 측벽세대에 설치될 경우 에너지 절감 측면에서 기존의 습식 난방시스템에 비하여 유리할 것으로 판단된다.
- 2℃ 크게 발생하는 것은 바닥구조체의 축열효과가 습식난방 보다 적으므로 실내공기온도의 빠른 가열과 빠른 냉각에 기인한다. 건식난방의 경우 전반적으로 습식 난방보다 온도조절기 개폐 회수가 증가하였고, 히트파이트에 의한 열전달 효율의 증대로 환수온도가 습식 난방보다 낮게 유지되었다. 즉, 건식난방의 경우 난방패널의 입출구 온도차가 증가하게 되어 습식 난방보다 난방열을 효율적으로 사용하고 있음을 알 수 있다.
- 13은 습식과 건식 난방시스템 간의 난방수 순환유량 변화에 따른 일간 적산열량 변화를 보여주고 있다. 두 난방방식 모두 난방수 순환유량이 증가함에 따라 일간 적산 열량이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 히트파이프 이용 건식 난방시스템은 동일조건에서 습식 난방시스템 대비 1～11% 정도의 에너지절감효과가 있으나, 이는 건식 난방시스템의 시공 특성상 기존에 설치된 습식 난방시스템의 상부에 설치됨으로써, 바닥 구조체 하부로의 단열효과에 기인한다. 이러한 시공특성 및 단열효과를 고려하면, 히트파이프 건식 난방시스템은 공동주택의 최하층 세대 또는 측벽세대에 설치될 경우 에너지 절감 측면에서 기존의 습식 난방시스템에 비하여 유리할 것으로 판단된다.
- 12는 습식과 건식 난방시스템간의 난방수 순환유량 변화에 따른 일간 적산유량 변화를 도시한 것이다. 두 난방방식 모두 난방수 순환유량이 증가함에 따라 일간 적산유량이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 히트파이프 이용 건식 난방시스템은 동일 조건(난방면적：18.72 ㎡, 난방수 공급온도：50℃, 유량：1～3 L/min)에서 가교화 폴리에틸렌관 이용 습식 난방시스템 대비 4～31% 정도의 난방수 절감 효과가 있으며, 이는 공동주택 기계실 난방수 반송 동력의 절감효과를 수반한다. Fig.
- 바닥표면온도 TS1은 온수분배기 출구에서 약 1 m 떨어진 히트파이프 직상부 온도이고, 쉽게 예측할 수 있듯이 표면온도 측정지점 중 가장 높은 최대 30℃의 온도를 보여주고 있으며, 이는 습식난방에서의 최대 바닥표면온도와 비슷한 온도 분포를 가진다. 따라서 건식난방의 경우 일반적으로 습식난방보다 바닥표면온도가 높게 유지되나, 본 적용제품은 온수가 히트파이프에 간접적인 열전달을 통해 열을 수송함으로써 바닥표면에서 상대적인 고온이 발생하지 않아 바닥표면온도제어에 유리한 측면이 있다.
- 두 난방방식 모두 난방수 순환유량이 증가함에 따라 일간 적산 열량이 증가하는 것을 볼 수 있으며, 히트파이프 이용 건식 난방시스템은 동일조건에서 습식 난방시스템 대비 1～11% 정도의 에너지절감효과가 있으나, 이는 건식 난방시스템의 시공 특성상 기존에 설치된 습식 난방시스템의 상부에 설치됨으로써, 바닥 구조체 하부로의 단열효과에 기인한다. 이러한 시공특성 및 단열효과를 고려하면, 히트파이프 건식 난방시스템은 공동주택의 최하층 세대 또는 측벽세대에 설치될 경우 에너지 절감 측면에서 기존의 습식 난방시스템에 비하여 유리할 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한, 건축물을 해체할 때 발생하는 건축 폐기물을 감소시킬 수 있으며, 건물의 경량화를 도모할 수 있어 고층화에 유리하다는 장점을 지니고 있다. 향후 건축물의 새로운 경향은 건식 공법을 채택하는 것이며, 조립식 온돌시스템을 적용할 경우 건물의 완전 건식화가 가능할 것으로 판단된다.(1)
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