[논문]모세유관 바닥복사 냉·난방 시스템의 성능평가

서유진; 김태연; 이승복

[국내논문] 모세유관 바닥복사 냉·난방 시스템의 성능평가
Performance Evaluation of the Capillary Tube Radiant Floor Cooling & Heating System 원문보기

生態環境建築 = Journal of the Korea Institute of Ecological Architecture and Environment, v.12 no.4, 2012년, pp.89 - 95

서유진 (연세대학교 대학원) , 김태연 (연세대학교 건축공학과) , 이승복 (연세대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

At present, many countries are trying to reduce green gas emissions to mitigate the effects of these gases on climate change. Year after year, there have been efforts to cut energy use for heating and cooling. Heating and cooling systems, common in all forms of housing, are increasing due to the constant supply of new housing resulting from improvements in economic growth and the quality of life. Thus, studies related to the design of cooling and heating systems to improve energy efficiency are expanding. Among the new designs, radiant floor cooling and heating systems which use capillary tubes are becoming viable means of reducing energy use. Radiant floor cooling and heating systems which use capillary tubes are creative and sustainable systems in which cool and hot water is circulated into capillary tube which has small diameter. In this study, the cooling and heating performance of this type of capillary tube system is investigated in an experimental study and a simulation using TRNSYS. The results of the experimental study show that under a peak load, a capillary tube radiant floor cooling system using geothermal energy can achieve desired indoor temperature without an additional heat source. The set room air temperature is maintained while the floor surface temperature, PMV and PPD remain within the comfort range. Also, this system is more economic than a packaged air conditioner system due to its higher COP. The results of the simulation show that the capillary tube radiant floor heating system maintains set temperature more stable than a PB pipe radiant floor heating system due to its lower supply temperature of hot water. In terms of energy consumption, the capillary tube radiant floor heating system is more efficient than the PB pipe radiant floor heating system.

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AI 본문요약
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제안 방법

따라서 본 논문에서는 현장실험을 통해 모세유관 바닥 복사 냉방시스템의 적용 가능성과 동시에 지중열의 이용 가능성을 검토하였고, 건물 에너지성능 해석 시뮬레이션 프로그램인 TRNSYS를 이용하여 기존 온돌배관 시스템의 PB배관과 모세유관 바닥복사 난방시스템의 성능을 비교분석하였다.
실내 설정온도는 26℃(제어 편차 ± 0.5℃)로 실험기간(8월25일∼9월3일)동안 0.4ACH로 환기장치를 가동시켰으며 실험 전 하루동안 자연환기를 실시하여 실험 세대의 안정화를 시켰다.
그림5와 표2와 같이 지열을 열원으로 이용하여 바닥복사 냉방에 필요한 냉수를 20℃의 온도로 일정하게 공급할 수 있도록 설계하였다. 바닥패널에 일정한 유량(5LPM)을 공급하기 위해 2-Way 밸브를 설치하여 순환펌프에 의해 순환되도록 하였다.
그림5와 표2와 같이 지열을 열원으로 이용하여 바닥복사 냉방에 필요한 냉수를 20℃의 온도로 일정하게 공급할 수 있도록 설계하였다. 바닥패널에 일정한 유량(5LPM)을 공급하기 위해 2-Way 밸브를 설치하여 순환펌프에 의해 순환되도록 하였다. 제습 시스템은 별도의 제습기를 환기유닛과 통합하여 결로 발생 위험시 제습기 가동이 가능하도록 하였다.
바닥패널에 일정한 유량(5LPM)을 공급하기 위해 2-Way 밸브를 설치하여 순환펌프에 의해 순환되도록 하였다. 제습 시스템은 별도의 제습기를 환기유닛과 통합하여 결로 발생 위험시 제습기 가동이 가능하도록 하였다.
본 시스템은 LabVIEW 프로그램을 이용하여 설정온도에 제어편차(dead band)를 설정하여 분배기를 on/off 제어하였고, 결로 발생 위험시 제습기가 가동(노점온도+2℃)하여 실내습도를 제어할 수 있도록 구성하였다. 냉수의 공급·환수온도, 외기온 및 습도 등의 기상 데이터는 중앙 감시실의 모니터링 시스템을 통해 확보하였다.
냉수의 공급·환수온도, 외기온 및 습도 등의 기상 데이터는 중앙 감시실의 모니터링 시스템을 통해 확보하였다. 실내 온도 및 바닥 표면의 각 부위 온도는 T-type 열전대를 설치하여 측정, cDAQ를 통해 컴퓨터에 저장하였다.(그림 6)
또한 냉방 지속시간을 측정하기 위하여 냉방 종료 후 2일동안 추가적인 모니터링을 실시하였다.
35clo, 상대습도와 평균 복사온도 등은 실험기간동안의 측정결과를 그대로 사용하였다. 또한 재실자의 열적감각을 보다 쉽게 정량화 할 수 있도록 PPD지표를 통하여 특정지점의 열환경에 대한 사람들의 예상 불만족도를 알아보았다.
지열을 이용하여 바닥복사냉방을 하는 경우의 에너지 소비량과 시스템 효율을 분석하였다. 실험기간동안 세대 내 냉방부하를 제거하기 위해 필요한 열량은 0.
그러나 각 세대의 외피·단열 조건을 포함한 설계조건이 다르기 때문에 현장실험을 통한 시스템 배관 종류에 따른 성능비교가 불가능하다. 그러므로 시뮬레이션을 통하여 온돌배관으로 많이 사용하는 PB배관과 모세유관 바닥복사 난방시스템의 성능을 비교분석하였다.
그림10에 기존 PB배관(모르타르두께 45mm)과 모세유관(모르타르두께 30mm)을 이용한 바닥복사 난방구조체의 단면을 나타내었다. 각각 시스템의 성능을 비교분석하기 위하여 공급온수온도 변화에 따라 총 12개의 CASE(표5)에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션은 가장 외기조건이 낮은 1월의 조건을 대상으로 수행되었다.
본 연구에서는 모세유관 바닥복사 냉·난방 시스템을 제안하고, 현장실험과 시뮬레이션을 통해 시스템의 성능을 분석하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
총12개의 시뮬레이션 CASE 결과(그림11,12) 중에서 공급 온수온도와 온도편차를 고려하여 최적의 설계 CASE를 선정하였다. 에너지 사용량이 상대적으로 적으면서 실온 및 바닥온도를 가장 안정적으로 제어하고 있는 PB배관의 CASE5와 모세유관의 CASE8을 선정하였으며 두 가지 CASE의 난방특성 및 에너지 소비량을 비교분석 하였다.
본 연구를 통하여 모세유관 시스템을 현장에 적용하고 실험을 통해 냉방성능을 검증하였으며, 시뮬레이션을 통해 기존 바닥복사 난방시스템 배관과의 비교분석을 진행하였다. 이를 통해 시스템의 성능뿐 아니라 지열 활용 가능성에 대한 신뢰성을 확보하여 향후 해당 요소기술의 공동주택 적용 활성화를 위한 기술적 기반을 확립했다고 판단된다.

대상 데이터

연세대학교 송도 국제캠퍼스에 위치한 저에너지 친환경 공동주택 5세대 중 모세유관 바닥복사 냉·난방 시스템이 적용된 세대를 대상으로 실험을 수행하였다.
냉수의 공급·환수온도, 외기온 및 습도 등의 기상 데이터는 중앙 감시실의 모니터링 시스템을 통해 확보하였다.
본 연구에서 인체의 신진대사량은 1.0Met, 여름철 의복의 착의량은 0.35clo, 상대습도와 평균 복사온도 등은 실험기간동안의 측정결과를 그대로 사용하였다. 또한 재실자의 열적감각을 보다 쉽게 정량화 할 수 있도록 PPD지표를 통하여 특정지점의 열환경에 대한 사람들의 예상 불만족도를 알아보았다.
실험대상인 저에너지 친환경 공동주택에서 바닥복사 냉·난방 시스템이 적용된 세대는 총2세대로 PB배관과 모세유관이 각각 다른 세대에 설치되어 있다.
시뮬레이션 대상은 현장실험을 실시한 세대로 재료의 물성치 및 벽체는 실험조건과 동일하게 구성하였다. 난방열원은 국내 공동주택에서 많이 사용되고 있는 보일러이며, 구체적인 시뮬레이션 입력 데이터 조건은 표3, 4와 같다.
각각 시스템의 성능을 비교분석하기 위하여 공급온수온도 변화에 따라 총 12개의 CASE(표5)에 대해 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션은 가장 외기조건이 낮은 1월의 조건을 대상으로 수행되었다.
총12개의 시뮬레이션 CASE 결과(그림11,12) 중에서 공급 온수온도와 온도편차를 고려하여 최적의 설계 CASE를 선정하였다. 에너지 사용량이 상대적으로 적으면서 실온 및 바닥온도를 가장 안정적으로 제어하고 있는 PB배관의 CASE5와 모세유관의 CASE8을 선정하였으며 두 가지 CASE의 난방특성 및 에너지 소비량을 비교분석 하였다.

이론/모형

온열 쾌적성의 평가는 ISO Standard 7330에서 규정하고 있는 PMV 계산식을 사용하였다.

성능/효과

또한 냉방 종료 후에도 축냉된 구조체에 의해 약 36시간(실내온도<26.5℃) 냉방이 지속됨을 확인할 수 있었다.
실험기간동안 설정온도 26℃를 유지하기 위한 바닥 표면온도는 최고 25.4℃, 최저 21.9℃, 평균 23.3℃로 ASHRAE에서 제시한 쾌적 범위를 만족하는 것으로 나타났다.(그림7) 또한 냉방기간동안 총 제습량은 11.
9℃의 실내온도를 기록하였다. 이는 실험기간동안 모세유관을 이용한 바닥 복사냉방이 설정실온을 모두 유지한 것으로 피크부하에 대한 냉방능력이 충분한 것으로 나타났다.
평균 PMV는 -0.12, 평균 PPD는 6.46%로 ISO 7730에서 권장하는 쾌적범위 -0.5<PMV<0.5, PPD<10%에 만족함을 알 수 있었다.
전체 냉방 시스템 효율을 분석한 결과 냉방COP는 6.2로 국내 주거용 건물에 대부분 설치되어 있는 일반적인 패키지에어컨의 COP인 3.4∼4.4에 비해 상대적으로 높은 시스템 효율을 보였다.
지열을 이용하여 바닥복사냉방을 하는 경우의 에너지 소비량과 시스템 효율을 분석하였다. 실험기간동안 세대 내 냉방부하를 제거하기 위해 필요한 열량은 0.7kWh이고 냉방을 위해 가동된 순환펌프의 전력사용량은 열원측 550W, 부하측 110W, 제습기 220W로 9일간의 실험기간 동안 소비된 에너지량은 0.1kWh으로 나타났다. 전체 냉방 시스템 효율을 분석한 결과 냉방COP는 6.
29℃로 안정적으로 제어되고 있었으며 결로발생 위험구간에서 제습장치가 작동함에 따라 설정 실온 유지 및 결로 제어가 가능한 것으로 나타났다. 실험기간동안 평균 PMV는 -0.12, 평균 PPD는 6.46%로 쾌적 측면에서도 우수한 것으로 나타났다. 또한 지열을 이용한 바닥복사 냉방시스템의 에너지 소비량은 0.
46%로 쾌적 측면에서도 우수한 것으로 나타났다. 또한 지열을 이용한 바닥복사 냉방시스템의 에너지 소비량은 0.1kWh로 나타나 일반적인 패키지에어컨에 비해 상대적으로 많은 에너지 절감이 가능한 것으로 판단되었다.
(2) 동절기 시뮬레이션을 통하여 기존 온돌배관 시스템의 PB배관과 모세유관 바닥복사 난방시스템의 성능을 비교 분석한 결과 난방 개시 후 실내온도 설정치(20℃) 도달시간은 모세유관의 경우 12시간으로 PB배관에 비해 빠른 것으로 나타났으며 난방기간 동안 적은 온도 편차의 안정적인 난방 특성을 나타내었다. 또한 배관특성에 따른 바닥복사 난방시스템의 에너지 소비량을 비교 분석한 결과 모세유관 7.
(2) 동절기 시뮬레이션을 통하여 기존 온돌배관 시스템의 PB배관과 모세유관 바닥복사 난방시스템의 성능을 비교 분석한 결과 난방 개시 후 실내온도 설정치(20℃) 도달시간은 모세유관의 경우 12시간으로 PB배관에 비해 빠른 것으로 나타났으며 난방기간 동안 적은 온도 편차의 안정적인 난방 특성을 나타내었다. 또한 배관특성에 따른 바닥복사 난방시스템의 에너지 소비량을 비교 분석한 결과 모세유관 7.7㎾/㎡월, PB배관 25.8㎾/㎡월로 모세유관이 PB배관에 비하여 많은 에너지 절감이 가능한 것으로 나타났다.
(1) 하절기 실험기간동안 실내평균온도 25.91℃, 바닥평균표면온도 23.29℃로 안정적으로 제어되고 있었으며 결로발생 위험구간에서 제습장치가 작동함에 따라 설정 실온 유지 및 결로 제어가 가능한 것으로 나타났다. 실험기간동안 평균 PMV는 -0.

후속연구

향후 지속적인 주택 공급과 경제 성장, 삶의 질 향상으로 인해 건축물의 기본적이고 대표적인 설비 시스템인 냉·난방 시스템에 대한 수요 증가와 쾌적의 질적 수준 향상에 대한 요구가 증가함으로 인해 향후 냉·난방 시스템에 대한 투자비용과 냉·난방 에너지 소비는 더욱 증대될 것으로 예측되고 있다.
실내온도 설정치(20℃) 도달시간은 모세유관(CASE8)의 경우 12시간으로 PB배관(CASE5)의 21시간에 비하여 빠른 것으로 나타났으며 저온의 공급온수온도에도 불구하고 적은 온도 편차의 안정적인 난방 특성을 나타내었다. 이러한 시뮬레이션 결과에서 알 수 있듯이 모세유관은 기존 PB배관에 비해 저온의 공급온수로도 충분한 난방성능을 확보할 수 있어 지열시스템 등의 대체 에너지를 효율적으로 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구를 통하여 모세유관 시스템을 현장에 적용하고 실험을 통해 냉방성능을 검증하였으며, 시뮬레이션을 통해 기존 바닥복사 난방시스템 배관과의 비교분석을 진행하였다. 이를 통해 시스템의 성능뿐 아니라 지열 활용 가능성에 대한 신뢰성을 확보하여 향후 해당 요소기술의 공동주택 적용 활성화를 위한 기술적 기반을 확립했다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모세유관 시스템이란?	모세유관 시스템은 자연에서 모세관을 통하여 물이 이동하는 원리를 이용하여 개발된 시스템으로 직경이 작은 모세유관에 냉·온수를 순환시키며, 천정이나 바닥 또는 벽에 설치되어 복사 에너지를 통해 열을 전달하는 냉·난방 시스템이다. 이 시스템은 아래와 같은 특징을 가지고 있다.
	모세유관 시스템은 얼마나 에너지 절약이 되는가?	• 에너지 절약 : 기존의 냉·난방 시스템에 비해 저온수 난방 및 고온수 냉방으로 에너지 절약에 크게 기여한다. 또한 냉매로서 물을 사용하는 모세유관 시스템은 공기식 시스템에 비해 전기 에너지 소비가 약 50% 감소한다.
	모세유관 시스템의 특징 중 공간확보의 증가는 어떻게 되는 것인가?	• 공간확보의 증가 : 모세유관이 바닥이나 천장 등에 설치되므로 거주 공간 내에서 추가적으로 설치되는 기기의 면적이 줄어들어 거주공간을 효과적으로 이용할 수 있다.

참고문헌 (10)

Wilson, A., Radiant floor heating warms up, Architecture Journal, July 124-126, 1989
조동우, 강재식, 공동주택 바닥난방시스템의 성능개선 연구, 한국건설기술연구원 연구보고서,1995
이주연, The Effect of Water Cooled Floor on Thermal Comfort of the Human Body, 한국생환환경학회지 제7권 제2호, p.21, 2000
조영흠, 공동주택 현장실험을 통한 바닥복사냉방의 성능평가, 2004
B. W. Olesen, International standares of the indoor environment, 2004
S.B. Leigh, A Study for Evaluating Performance of Radiant Floor Cooling Integrated with Controlled Ventilation, 2005
이영주, 폴리프로필렌 모세유관 냉방시스템의 적용에 관한 실험적 연구, 2005
원종서, 초에너지 절약주택에서 바닥복사냉방시스템의 적용성 평가, 2008
홍희기, 김시환, 온돌 난방에 대한 동적 시뮬레이션, 대한설비공학회, 2009
김진옥, 저에너지 친환경 공동주택에서 모세유관 바닥복사냉방 시스템의 성능평가, 2010

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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