서 론

연구의 배경 및 목적

최근 사람들의 삶의 질 향상으로 인해 건물 실내에서의 열쾌적에 대한 중요성이 높아지고 있으며, 실내 공간의 효율적 사용에 대한 요구 또한 증대되고 있다. 이로 인해 복사난방에 대한 관심이 높아지고 적용 사례 또한 많아지고 있다.

복사난방은 주로 복사열을 이용하여 난방하기 때문에 대류난방 시 발생할 수 있는 불쾌한 토출 기류나 팬에 의해 발생하는 소음 문제 및 공간 점유 문제 등을 해결할 수 있으며, 복사난방이 적용된 공간에서는 대류시스템이 적용된 공간에 비해 실내 온도가 같은 상황에서 난방 시에는 높은 작용온도(OT)를 얻을 수 있어 일정한 실내 설정온도로 난방 할 경우 열쾌적 측면에서 유리하다. 또한 환기를 위한 최소 외기만 공급하면 되므로 급배기 계통의 덕트 사이즈가 작아져서 건물의 층고도 절감할 수 있다.

복사난방은 주로 주거건물에 적용되어 왔으나 요즘에는 열쾌적 측면의 장점으로 인해 천장복사난방의 형태로 사무소 건물이나 상업 건물에서의 적용도 이루어지고 있다. 최근 지어지는 건물은 창문의 단열성이 높아져서 U-value 값이 향상된 창문을 적용하는 경우가 많기 때문에 실내의 난방을 위한 필요 열량이 감소하게 되어 이러한 복사난방의 활용도가 높아지고 있다. 그러나 복사난방은 부하 변동에 대한 빠른 대응이 어렵다는 단점이 있다. 이로 인해 겨울철 창에 근접해있는 실내 공기가 차가운 창문의 영향을 받아 냉각되면서 하강하게 되는데 이때 발생된 차가운 기류를 바로 차단하지 못할 경우, 차가운 기류가 거주 영역까지 침입하여 신체가 국부적으로 냉각됨에 따라 불쾌적을 느끼게 되는 downdraft와 같은 국부적 불쾌적의 발생이 문제가 될 수 있다. 다시 말해서, 복사난방은 차가운 공기에 열을 직접적으로 공급하는 것이 아니라, 자연 대류의 원리에 의한 차가운 기류와의 열교환 효과를 통해 열을 공급하기 때문에 downdraft를 실제로 저감할 수 있는지에 대한 검토가 필요하다.

이에 본 연구에서는 사무소 건물에 적용되고 있는 천장복사난방시스템을 대상으로 downdraft에 대한 평가를 수행하고자 한다.

연구의 범위 및 방법

본 연구에서는 천장복사난방이 적용된 사무소건물에서의 downdraft를 평가하기 위해 downdraft에 대한 개념을 정립하고 천장복사난방이 적용되었을 경우의 downdraft 저감 원리와 적용 방법을 분석하였다. 그리고 downdraft에 영향을 주는 천장복사난방의 영향인자와 실내 공간의 영향인자를 도출하였으며, 이와 같은 결과들을 바탕으로 CFD 시뮬레이션을 활용하여 건물에 천장복사난방을 적용할 경우 downdraft를 실제로 저감할 수 있는지에 대해 donwdraft 평가 기준에 따라 수행하였다.

예비적 고찰

천장복사난방시스템의 적용 방법

복사난방시스템 적용 시 고려해야 할 인자는 시스템이 적용된 위치, 방열량 및 방열 면적이다. 시스템의 적용 위치는 천장, 바닥 또는 벽체가 될 수 있는데 사무소 건물의 공간 사용 측면을 고려해 보았을 때 가구나 파티션 등 장애물의 영향을 받지 않고 넓은 방열 면적 및 방열 효율을 확보할 수 있는 천장 면으로 적용하는 것이 적합하다. 따라서 본 연구에서는 천장복사난방시스템을 기준으로 시스템과 downdraft의 발생 현상에 대한 관계성을 분석하고자 하였다.

천장복사난방시스템의 방열량은 창문을 통한 열손실량에 따른 난방부하(현열 기준)를 시스템이 전부 담당하는 것으로 적용하였으며 방열 면적은 천장복사난방시스템 표면의 단위면적당 허용 방열량을 고려하여 선정되었다.

단위면적당 허용 방열량은 ASHRAE Standard 55P에 제시되어 있으며 이 기준에 따르면 복사불균등으로 인한 재실자의 불쾌감을 방지하기 위해 시스템 표면과 실내 벽체간의 온도차는 7°C이하가 되어야 한다. 따라서 천장복사난방시스템 적용 시 방열량에 따른 최대 표면온도는 벽체와의 온도차이가 7°C이하로 유지될 수 있는 조건으로 설정하였다.

천장복사난방시스템 적용 시의 downdraft 저감 매커니즘

천장복사난방시스템을 창문 근처에 적용하게 되면, 천장복사난방시스템의 자연 대류 원리를 통해 차가운 창문 근처에 형성된 차가운 공기에 열을 공급하므로 기류의 유동으로 인한 재실자의 불쾌함을 유발하지 않는다. 또한 천장복사난방시스템과 창문 표면간의 복사 열교환 효과로 인하여 창문 표면의 온도를 대류 시스템보다 상대적으로 높게 해줄 수 있으므로 downdraft의 발생 가능성을 낮추어준다. 그러나 downdraft를 저감을 위해 천장복사난방시스템의 표면온도를 실내 열평형 상태보다 높게 적용하게 되면, 실내가 과열되어 재실자의 불쾌적을 유발하고 에너지를 낭비할 수 있으므로, Figure 1과 같이 실내 요구 방열량에 맞추어 천장복사난방시스템의 표면온도를 높여 주기 위해서는 방열면적을 줄여서 적용해야 한다. 따라서 동일한 방영량 내에서는 방열면적이 좁을수록 표면온도가 높게 형성되는데, 표면온도가 너무 높아지게 되면 복사불균등과 같은 문제를 발생시킬 수 있으므로, downdraft 저감을 위한 천장복사난방시스템의 적정 방열면적과 이에 따른 표면온도를 도출해야 한다.

Figure 1.

Airflow by application of radiant ceiling heating system

Downdraft 평가 시뮬레이션

Downdraft 평가 기준

Downdraft 평가지표로써 Draft Rate를 적용하였다. Draft Rate는 Draft에 의해 불쾌적함(Percentage of dissatisfied)을 느끼는 사람의 비율을 계산하는 지표로 온도와 기류 속도, 난류강도의 영향을 받으며, ASHRAE Standard 55p에서 제시된 식(1)과 같이 계산한다.

     (1)

여기서, DR은 downdraft로 인한 불쾌감을 느끼는 사람의 비율, t_a는 실내 온도, v는 기류 속도, 그리고 t_u는 난류강도이다.

시뮬레이션 조건 설정

CFD 시뮬레이션 상용 프로그램인 Star CCM+ 를 사용하여 실의 온도와 기류 속도를 바탕으로 Draft rate을 평가하였다. 시뮬레이션 대상 공간은 일반적인 사무소건물의 형상을 구현하였으며, Downdraft 발생 가능성이 가장 높은 상태를 모사하기 위해 전면유리창으로 설정하였다. 그리고 사무소 건물 난방설정기준온도인 20°C를 실내설정온도로, 피크부하를 고려하여 열원장비 용량 산정 시 적용되는 설계 외기온인–11.3°C를 외기온으로 설정하여 시뮬레이션을 수행하였으며, 침기 및 일사의 영향은 고려하지 않았다. 천장복사난방시스템의 방열량과 창문에서의 부하량에 대한 경계조건 선정 시 패널에서 유리창을 통한 열손실을 모두 처리할 경우 그 열량을 계산하는 방법은 다음의 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

     (2)

여기서, Q_panel은 패널의 총 발열량, 그리고 Q_window는 창문을 통한 총 열손실량이다. Q_panel과 Q_window는 단위면적당의 열량과 면적의 관계에 따라 도출되므로, 식(2)를 아래의 식(3)과 같이 나타낼 수 있으며, 이를 설계인자에 따라 풀어주면 식(4)와 같다.

     (3)

     (4)

q_p는 패널의 단위면적당 방열량, q_w는 창문을 통한 단위면적당 열손실량, A_p는 패널의 방열면적, A_w는 창문의 면적, W_p는 패널의 적용 너비, D_p는 패널의 적용 깊이, T_in실내온도, T_out은 외부온도, K_w는 창문의 열관류율이다.

패널의 단위면적당 방열량인 q_p는 ASHRAE 기준에 따라 패널의 표면온도 인자로 구성되는 다음의 식 (5)와 같이 나타낼 수 있다.

     (5)

t_p는 패널의 표면온도이다. 동일한 시점에서의 시뮬레이션 평가를 위해 온도경계조건인 외기온도와 실내온도를 일정하게 유지시켰으며, 이때 천장복사난방시스템의 방열량은 앞선 가정에 따라 창문의 단열성, 즉 창문의 U-value 값에 따른 열손실량에 따라 결정되므로 창문의 열관류율을 변수로 선정하였다. 그리고 천장복사난방시스템의 단위면적당 허용 방열량에 따라 시스템의 방열면적을 선정하였다. 이와 같은 시뮬레이션의 경계조건을 정리한 것은 Table 1과 같다.

Table 1. Results of linear regression fits of various broadband useful-to-detrimental sound ratio measures to STI values

시뮬레이션 Case 선정

시뮬레이션 Case는 downdraft 저감을 위한 창문의 단열성에 따른 천장복사난방시스템의 적용성을 평가하고, 이를 바탕으로 외주부 깊이에 따른 downdraft의 영향을 평가하기 위한 Case로 구성하였다. 시뮬레이션 Case는 Table 2와 같다. 창문의 단열성 및 외주부 깊이의 특성에 따른 비교 평가를 위해서 Case (3)과 Case (6)은 동일하게 구성되었다.

Table 2. Simulation Cases

시뮬레이션 결과

창문의 단열성에 따른 Downdraft 평가

천장복사난방시스템의 방열면적을 고정하고 창문의 단열성에 따라 총 방열량이 다를 경우에 대해 실내의 downdraft 발생 정도를 평가한 결과는 Figure 2~Figure 4와 같다.

Figure 2.

Distribution of Temperature

Figure 3.

Distribution of Airflow

Figure 4.

Draft rate distribution

천장복사시스템을 통한 난방은 시스템 표면의 방열을 통한 자연대류효과를 이용하므로 대류난방시스템의 토출기류로 인한 불쾌감이나, 기류 공급의 불균형문제가 없으며 또한 복사열전달효과로 인해 실내온도가 낮아도 대류난방과 동일한 난방효과를 얻을 수 있다.

창문의 단열성이 좋을수록 창문 근처의 온도가 높고 기류속도가 낮았으며, 이에 따라 downdraft의 발생 양상도 차이를 보였다. 창문의 단열성 1.44 w/m²K조건으로 천장복사난방스템에 요구되는 방열량이 가장 적은 조건에서 downdraft가 발생했다고 판단할 수 있는 Draft Rate의 체적은 13.1 m³으로 가장 적게 나타났다. 이러한 결과는 창문의 단열성이 높아질수록 창문 표면의 온도가 높아진 결과로 판단할 수 있다. 그러나 본 연구에서 분석한 모든 Case의 시뮬레이션 결과에서 창문의 단열성과 관계없이 재실영역(Interior zone, 내주부 – 본 연구에서는 ISO 11855의 기준에 따라 창문면을 기준으로 1m 떨어진 지점까지를 외부주, 그 외의 공간을 내주부로 판단하였다)에서 downdraft가 Draft Rate의 수치가 발생했다고 판단할 수 있는 기준을 초과하지 않았다.

따라서 창문근처에 천장복사난방시스템을 적용하여도 downdraft를 발생시키지 않는다고 판단할 수 있으며, 다만 창문의 단열성이 일반유리와 같은 경우에는 비재실영역(Perimeter zone, 외주부)에서의 Draft Rate 수치가 기준 범위 이상으로 나타나기도 하므로 창문의 단열성이 높을수록 천장복사난방시스템을 적용성이 높아진다고 판단된다.

외주부 깊이에 따른 downdraft 평가

일정한 열관류율을 가지는 창문을 적용하여 천장복사난방시스템의 총 방열량이 고정된 경우의 방열면적, 즉 외주부 깊이에 따른 downdraft 발생 정도를 평가한 결과는 Figure 5~Figure 7과 같다.

Figure 5.

Distribution of Temperature

Figure 6.

Distribution of Airflow

Figure 7.

Draft rate distribution

방열면적이 상대적으로 가장 큰(또는 깊이가 가장 깊은) Case (4)의 3.9 m에서의 조건에서는 downdraft가 발생되었다고 판단되는 부분의 체적은 1.3 m³으로 Case (6)의 깊이 2.1 m에서의 체적 13.1 m³보다 낮은 수준으로 나타났다. 이는 천장복사난방시스템이 좁은 면적에서 높은 온도로 방열할 때는 천장복사난방시스템을 통해 방열되는 따뜻한 기류와 창문 및 창문의 인접한 부근에서 형성되는 차가운 기류의 온도차가 커서 자연대류의 효과를 증폭시켜 기류 속도가 상승한 결과로 판단된다(이는 온도차가 클수록 기류속도도 빨라지는 기류 혼합의 이론에 따른다).

그리고 이때 혼합된 공기는 온도가 상승하면서 밀도는 낮아져 천장면으로 공기가 상승하게 되고, 상승된 공기는 천장효과로 인해 창문 근처로 재유입되어 기류의 속도를 증폭시키는 영향도 반영되었기 때문으로 판단된다. 따라서 차가운 공기의 흐름을 억제하고, 실에 요구되는 열을 공급하기 위해 높은 온도의 방열 조건으로 천장복사난방시스템의 방열량을 설정하게 되면, 오히려 downdraft로 인한 불쾌감을 유발할 수도 있다. 이러한 결과로 보면 천장복사난방시스템의 방열면적을 최대한 넓게 하는 것이 유리하다고 판단할 수도 있지만, 방열면적이 넓어질수록 표면온도는 낮아지기 때문에, 낮은 표면온도는 창문 근처의 차가운 공기를 충분히 가열하지 못해서 차가운 공기가 실내로 유입될 수 있다. 따라서 차가운 공기가 실내로 유입되지 않는 적정 표면온도 내에서 방열면적을 적용하는 것이 downdraft를 저감하는데 가장 유리할 것이다.

결 론

본 연구에서는 천장복사난방시스템이 적용된 사무소 건물을 대상으로 downdraft의 발생을 창문의 단열성 및 외주부의 깊이에 따라 평가하였으며, 결과는 다음과 같다.

(1) 천장복사난방시스템에서 방열되는 따뜻한 기류는 창문에 인접해 있는 차가운 기류와 혼합하여 하강하면서 기류 속도가 증폭되었지만, 재실영역에서 downdraft로 인한 불쾌감이 발생했다고 판단되는 수치(10%) 이하로 나타났으며, 특히 재실영역에서의 온도 및 기류 속도는 창문에 인접해 있는 부분을 제외하고는 쾌적 범위(온도는 20±1°C, 기류속도 0.05±0.01 m/s) 내로 형성되는 결과를 보였다. 이는 천장복사난방시스템이 적용된 경우, 시스템의 자연대류 현상으로 인하여 실 상부에 공기가 정체되는 경향을 보이지만 쾌적 범위 이상의 draft rate 값을 형성하지 않으므로 downdraft로 인한 불쾌감이 발생하지 않았다고 판단할 수 있다.

(2) 창문의 단열성능이 최근에 주로 적용되는 창문의 u-value값(약 1.44 W/m2K) 수준으로만 적용되어도 천장복사난방시스템의 방열조건에 관계없이 downdraft 수치가 재실영역에서는 기준치 이하의 결과를 나타내었다. 따라서 창문의 단열성능이 최근에 건물에 적용되는 u-value값 이상으로만 확보된다면, 천장복사난방시스템의 자연대류를 이용한 방열만으로도 차가운 기류가 하강하여 재실영역으로의 유입되는 downdraft 현상을 억제할 수 있다.

(3) 외주부의 깊이에 따른 downdraft의 발생 경향을 분석한 결과, 천장복사시스템에서의 필요 방열량을 만족시키는 조건에서 시스템의 방열면적을 넓게 적용했을 때 draft rate의 수치와 기준값 이상을 보이는 체적이 더 낮게 나타났다. 이는 창문의 방열면적이 상대적으로 좁고 방열 온도가 높은 경우에는 시스템 표면 및 방열되는 따뜻한 기류와 창문 및 창문 부근 기류의 온도 차이가 커져서 즉, 창문에 인접한 부근에서 형성되는 차가운 공기와의 혼합으로 하강하는 기류 속도가 상승하고 천장효과로 인해 창문 근처로 기류가 재유입 되면서 하강기류를 증폭시키기 때문이다. 또한 천장복사난방시스템의 방열면적을 넓게 하고 상대적으로 낮은 온도로 방열할 경우에는 시스템을 통해 방열되는 따뜻한 기류가 창문 근처의 차가운 기류에 충분한 열을 공급하지 못해서 하강기류가 실내로 유입되어 downdraft가 발생할 수 있다. 따라서 천장복사난방시스템의 방열면적을 천장효과 등으로 인한 하강기류를 증폭시키지 않는 범위 내에서 상대적으로 높은 온도로 방열하는 것이 draft rate의 수치를 낮춰서 downdraft의 발생을 차단하는데 효과적이다.