서 론

건물부문의 에너지소비량이 전체 에너지소비량의 40%가량 차지함에 따라 건물부문에서 발생하는 탄소배출량과 에너지소비량의 감축이 중요해지고 있다(Fernando et al., 2013). 이에 따라 신축건축물을 대상으로 많은 에너지 관련 정책과 기술이 도입되고 있지만, 신축건축물보다 더 많은 부분을 차지하고 있는 기존건축물에 대한 에너지저감이 더욱 요구된다. 특히, 난방에너지가 건물에너지소비 중 큰 부분을 차지하는 우리나라의 경우, 난방에너지 소비를 감축하는 것은 기존건축물 에너지소비량 절감에 큰 효과를 줄 수 있다.

우리나라에서 널리 사용되는 바닥 복사 난방시스템은 건축 후 노후됨에 따라 배관 용수 중 Ca++, Mg++ 이온과 염류들이 화학적 반응을 통해 불용성 물질을 생성하며 관석으로 석출되고, 기타 이물질의 응집으로 인해 배관 내부에 부착되고 쌓여 스케일을 형성한다(Liua et al., 2016). Hong and Choi (1999)의 연구는 스케일이 배관과 분배기 등 시스템 내부에 부착되어 시간이 지나면서 점점 두껍게 증가하며, 이는 총합열전달계수(Overall heat transfer coefficient)의 저하 즉 열전달 성능의 저하를 야기한다고 밝혔다(Hong et al., 1999). 또한 Seo et al. (2000)의 연구에서는 스케일이 배관 내부의 유효면적 감소시켜 설비 내에서 압력손실 및 유량 감소를 야기하는 것으로 나타났다.

본 논문은 노후 바닥 난방 배관 및 설비를 대상으로 내부 스케일 제거에 의한 실내 난방온도 상승 정도를 실험을 통해 분석하고, 이를 바탕으로 연간 난방에너지 소비량의 절감 가능성에 대하여 예측하고자 한다.

노후 배관을 활용한 스케일 제거 전 후 난방실험

실험실 구성

배관 및 난방설비 내부 스케일 제거에 의한 난방 효과 변화를 알아보기 위하여 실험실을 구성하였다. 주택 철거 현장에서 수집한 노후 난방배관(Table 1)을 이용하여 Figure 1와 같이 바닥 난방 실험체를 제작하였다. 바닥 난방 실험체의 구성은 Figure 2와 같으며, 이는 국토부 고시 제 2009-1217호 제 26조 관련 표준바닥구조에 의거하여 제작하였다. 제작한 바닥 난방 실험체를 항온항습실의 내실에 설치하였고 노후 온수분배기, 소형 보일러와 연결하여 난방 시스템을 구성하였다(Figure 3).

Table 1. Old heating pipe conditions

Figure 1.

Floor construction using old heating pipe in the chamber

Figure 2.

Floor composition using old heating pipe

Figure 3.

Schematic diagram of experimental design

실험방법

온도의 측정은 Figure 4와 같이 바닥 난방 실험체가 설치 된 내실의 공기온도가 9지점에서, 실험체의 표면온도가 3지점에서 각각 측정되었다. 온수 공급 온도는 60°C, 항온항습실의 외실은 동절기 조건을 모사하기 위하여 5°C로 설정하였다(Table 2).

Figure 4.

Temperature measure points

Table 2. Experimental conditions

실험은 내부 스케일제거를 위한 노후 난방배관과 분배기 세척 전, 세척 후로 2회 진행되었다. 세척 전 실험을 먼저 진행 후 고압 충격파로 세척수를 분사할 수 있는 배관 세척장치를 이용해 노후배관과 분배기를 세척하였다. 세척 후에는 세척 전과 동일한 방법으로 실험을 진행하였다. 세척 전 실험에서는 노후 주택의 조건을 모사하기 위하여 실제 노후 주택에서 채집한 난방 배관 내부 순환수를 난방 배관 순환수로 사용하였고, 세척 후 실험에서는 세척 과정에서 순환수가 교체됨에 따라 수돗물을 사용하였다. 세척 전과 세척 후의 노후 배관 및 분배기 내부 모습은 Figure 5와 같다.

Figure 5.

Before and after removing scale

실험결과

실험의 결과는 Figure 6, Figure 7과 같다. 온도의 측정은 180분 간 온도의 변화가 ±0.5°C 이하로 일정하게 유지 되는 구간을 분석 대상 구간으로 선정하였다.

Figure 6.

Air temperature inside chamber and floor surface -Before removing scale

Figure 7.

Air temperature inside chamber and floor surface -After removing scale

세척 전 실험에서 측정 높이별 평균 공기온도는 300mm, 1000mm, 1500mm 에서 각각 32.7°C, 32.4°C, 32.5°C로 측정되었다. 측정 된 표면온도 중 가장 높은 값은 44.9°C로 측정되었다. 세척 후 실험에서 측정 높이별 평균 공기온도는 300mm, 1000mm, 1500mm 에서 각각 35.0°C, 34.7°C, 34.9°C로 측정되었으며, 가장 높은 표면온도는 47.5°C로 측정되었다.

노후 배관과 분배기 세척에 의해 실내 공기온도는 최대 약 2.4°C, 표면온도는 약 2.6°C 상승한 것으로 나타났다. 이는 열전달 성능의 향상 뿐 아니라 넓어진 관경에 의해 유속과 유량의 변화가 야기한 결과 인 것으로 판단되었다.

TRNSYS 시뮬레이션을 통한 난방에너지 소비량 예측

선행연구 조사 및 프로그램 선정

본 연구를 수행하기 위해서는 보다 상세한 실험 또는 바닥 난방 열 해석 모델이 필요하다. 기존 국내외 바닥 난방 관련 선행 연구 분석 결과 이종의 시뮬레이션 프로그램을 병행하여 사용하거나, 실험과 시뮬레이션 프로그램을 병행하는 등 다양한 형태로 진행되었다. 이용된 상용 시뮬레이션 도구로는 FHSim, TRNSYS, EnergyPlus 등이 있으며, 그 중에서도 TRNSYS를 이용한 연구가 다수이다.

TRNSYS는 건물 모델을 구성할 수 있는 Type 56 컴포넌트를 제공하고 있어 주거 및 비주거 건물에 대한 모델링이 가능하며, 해당 컴포넌트 내에는 바닥, 벽, 천장 등에 유체가 흐르는 코일이 매립된 활성층(Active Layer) 모델이 탑재되어 있다. 이 모델은 코일 수, 파이프 간격, 작동유체의 열성능 및 파이프 열전도율 등 비교적 상세한 열 물성치 입력이 가능하여 본 연구에서는 시뮬레이션 도구로 TRNSYS를 선정하였다.

열전도율 도출을 위한 시뮬레이션

연간 난방에너지 소비량을 예측하기 위한 시뮬레이션을 수행하기 전에, 실험 결과를 시뮬레이션으로 모사하여 열전도율을 도출하고자 하였다. 모든 조건들을 Table 3과 같이 선행된 실험과 동일하게 입력하여 시뮬레이션을 진행한 결과, Table 4와 같이 1%미만의 오차를 나타냈으며, 이 때 각 케이스에서 활성층 모델의 열전도율 값은 세척 전 0.272W/m·K, 세척 후 0.36W/m·K로 분석되었다.

Table 3. Simulation input data

Table 4. Comparison of experiment and simulation data

연간 난방에너지 소비량 예측을 위한 시뮬레이션

공동주택에서는 바닥 복사 난방 시스템을 주로 사용하고 있으며, 일반적인 우리나라의 주거 형태 중 약 60%가 공동주택이다[1]. 이에 따라 국토교통부 고시(2010년 기준) 친환경 주택의 건설기준 및 성능평가 지침서[2]의 친환경 성능평가대상 기준공동주택 84m²의 평면형을 분석 대상 건물로 선정하였다(Figure 8).

Figure 8.

Standard house (84m²) and zoning

시뮬레이션을 위한 TRNSYS템플릿은 Figure 9과 같이 구성하였다. 모델링을 위한 입력 데이터는 Table 5와 같으며, 이는 친환경 주택 건설기준 및 성능평가 지침서, 건축물 에너지 효율등급 인증제도 운영규정, 에너지절약 설계기준 해설서를 참고하여 입력하였다. 시뮬레이션을 위한 입력 데이터는 Table 1, Table 2, Table 3에 나타난 바와 같이 모두 선행된 실험과 동일하게 입력하였다.

Figure 9.

Heating system TRNSYS template

Table 5. Modeling input data

시뮬레이션 결과를 통한 연간 난방에너지소비량 예측

바닥 난방 배관 및 분배기 세척 전·후의 에너지소요량을 도출하기 위해 앞서 언급된 입력 값 및 모델 데이터를 바탕으로 TRNSYS 시뮬레이션을 수행하였다. Figure 10은 연간 냉난방을 통한 실내온도 조절 결과와, 난방 배관 및 분배기 세척 전·후의 에너지 사용량을 나타낸다. 분석 결과, 세척 전에 비해 세척 후의 연간 난방 에너지소비량은 약 7.86kWh/m², 6.2% 감소하는 것으로 분석되었다(Table 6).

Figure 10.

Indoor temperature and heating energy consumption (year)

Table 6. Heating energy saving rate

결 론

본 연구에서는 노후 바닥 난방 배관 및 설비를 대상으로 내부 스케일 제거에 의한 실내 난방온도 상승 정도를 실험을 통해 분석하고, 이를 바탕으로 연간 난방에너지 절감량을 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1)노후 배관과 분배시스템을 세척함에 따라 실내 공기온도는 최대 약 2.4°C, 표면온도는 약 2.6°C 상승하였다. 이는 배관에서의 열전달 성능의 향상 뿐 아니라 스케일 제거에 의해 넓어진 관경에 의해 유속과 유량의 변화가 영향을 준 것으로 판단되었다.

(2)실험 결과를 바탕으로 시뮬레이션을 통해 세척 전과 세척 후 노후 난방배관의 열전도율을해석한 결과 각각 0.272W/m·K, 0.36W/m·K로 나타났다. 이 결과는 시뮬레이션 상에서는 실험처럼 실시간으로 변화하는 유속 및 유량의 변화를 구현할 수 없지만, 이에 의한 열전달 성능의 향상 정도가 모두 포함된 결과 값으로 볼 수 있다. 즉, 난방시스템 전반의 열전달 성능이 0.088W/m·K 향상되었다고 볼 수 있다.

(3)연간 난방에너지 절감량을 분석하기 위하여 친환경 주택의 건설기준 및 성능평가 지침서의 친환경 성능평가대상 기준 공동주택 84m²의 평면을 대상으로 에너지 해석 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과, 세척 전에 비해 세척 후의 연간 난방 에너지소비량은 각각 126.67kWh/m², 118.81kWh/m²로 노후 배관 및 분배시스템 내 스케일 제거로 인해 약 7.86kWh/m², 6.2%의 난방 에너지가 감소하는 것으로 분석되었다.