서 론
에너지경제연구원의 에너지통계연보(KEEI, 2024)에 따르면 2023년 기준 건물부문(가정,상업, 공공)의 최종 에너지소비량은 46,443천TOE로 국가 전체 에너지소비량의 약 22.3%를 차지한다. 건물부문 중 가정부문인 주택에서 소비하는 에너지는 47.5%에 이른다. 국토교통 통계누리(MOLIT, 2025)에 따르면 2023년 기준 국내 주거유형은 아파트(공동주택)가 52.4%로 가장 높고, 단독주택이 29.0%를 차지한다. 아파트 주거환경 통계의 난방 방식에 따른 분류에서는 2023년 기준으로 개별 가스보일러가 약 51.7%(6,035.5천호)로 높고, 지역난방 방식이 24.6%로 보고되고 있다. 공동주택의 난방 및 급탕 에너지 사용량을 계측한 선행연구(Lee et al., 2018)에서는 개별 난방하는 세대의 난방과 급탕의 에너지사용량 비율은 약 7:3으로 연간 급탕에너지 사용량이 평균 2,285 kWh/yr이고 원단위는 24~33 kWh/㎡yr로 제시되었다. 이에 급탕에너지 소비량은 공동주택 세대의 전체에너지 소비량 7,255.4 kWh/yr 대비 약 31.9%수준으로 난방 에너지 소비량 다음으로 매우 높은 것으로 나타났다. 앞으로 제로에너지 건축물 의무화 및 고단열 고효율 주택 건설로 인해 주택에서의 급탕 에너지의 중요성은 증가할 것으로 보인다. Lim et al. (2016)의 연구에 따르면 제로에너지 건축물의 경우 난방부하의 저감 및 난방 설비의 고효율화 등으로 난방 에너지(24%)의 소비보다 급탕 에너지(31%)의 소비 비중이 더 큰 것으로 제시되었다.
지역난방 방식의 경우, 중앙 기계실에서 난방 및 급탕 배관을 통해 각 세대에 온수를 공급한다. 에너지 절약적인 운전을 위해 한국지역난방공사는 동절기 급탕온도를 55℃, 중간기 및 하절기에는 50℃로 설정하여 공급하도록 하며, 높은 급탕 온도가 요구되지 않는 절약 모드 운전 시에는 급탕온도를 45℃로 낮추어 세대에 공급하도록 운전 가이드를 제시하고 있다.
본 연구는 가스보일러를 사용하는 개별 난방 방식에서 급탕에너지 절약을 위한 제어 방식을 개발하기 위해 개별 난방 보일러의 급탕온도 설정값을 임의로 변경하고 비교실험을 하였다. 이를 통해 변경된 설정온도 값에 따른 급탕에너지의 절감 가능성을 평가하였다. 비교실험은 공동주택 세대를 그대로 구현한 목업에서 실험을 수행하였고 그 결과를 분석하였다. 본 연구의 결과로부터 취득한 실제 측정 데이터를 토대로 개별 난방 보일러의 급탕 에너지 절약을 위한 제어기를 개발하기 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
개발하고자 하는 급탕온도 제어
개별난방 방식은 중앙공급식 또는 지역난방 방식이 아닌 세대 또는 주택에서 개별보일러를 통해 난방 및 급탕을 공급하는 방식이다. 본 연구에서 급탕은 세대 욕실 및 주방에서 사용하는 온수를 위해 개별 보일러에서 시수를 일정 온도로 승온시켜 공급하는 방식을 말한다. 주택의 거주자는 수전 또는 샤워기 말단에서 보일러로부터 공급받은 높은 온도의 급탕 온수를 시수 등과 혼합하여 사용자의 쾌적성에 맞는 온수로 사용하게 된다.
Park et al. (2018)의 연구는 외기온도와 급탕 에너지 소비량은 높은 상관관계를 갖는 것을 밝혔다. 이는 세대 재실자의 샤워, 세면 등의 위생활동에서 온수 온도가 외기 온도에 따라 영향을 크게 받기 때문인 것으로 제시하였다. 시수인 급수 온도는 2월에 최저(2℃), 7월에 최고(22℃)이나 샤워기 및 수전에서의 온수 사용 온도는 36℃에서 따뜻함을 느끼고, 40℃를 넘지 않는 것으로 나타났다. Lee (2012)는 지역난방 방식에서 아파트 세대에 공급되는 급수 및 급탕 사용량 측정을 통해 외기온도에 따라 변화하는 사용 패턴과 온도와의 관계를 분석한 바가 있다. 또한, Hirohisa et al. (2016)은 일본 주거건물에서 급탕 에너지 관리 시스템의 최적 제어를 위해 급탕 사용량, 사용 수온, 사용 시간, 재가열 시간, 동시 사용 확률을 물리적 변수로 고려하여 급탕 에너지 소비량을 예측한 바가 있다.
본 연구의 결과를 근거로 개발하고자 하는 급탕온도 제어 로직은 개별난방 방식에서 외기온도에 따라 급탕온도의 설정값을 낮추는 ‘외기 보상 제어’ 또는 일정한 외생조건에 부합할 경우 급탕온도를 1~5℃ 씩 낮추거나 40℃ 등의 정해진 온도 설정값으로 낮추는 방식(Setback 제어)이다. 이를 통해 급탕을 가열하는 온도차를 낮추어 소요되는 에너지를 절감하고자 하는 것이다. 향후에 본 연구의 목업 테스트, 시뮬레이션 연구, 실증 연구 등을 통해 제어 방법을 설정해 나갈 예정이다.
본 연구의 급탕온도에 의해 소비되는 급탕 에너지 소비량(열량)은 다음의 식 (1)과 같다.
여기서, ρ: 물의 밀도(㎏/㎥), c: 물의 비열(kJ/㎏․k), V: 유량 (㎥/h), ΔT: 온도차 (℃), Tset: 급탕 설정온도(℃) , Tcw: 급수(시수) 온도(℃) 이다.
이러한 급탕온도 설정값을 낮추어 얻을 것으로 판단되는 절감 효과는 먼저 가스보일러 내에서 급탕온수(Tset)의 빠른 공급을 위해 대기상태에서 일정 온도이상으로 데우는 온도를 낮추어 온도차(Δt1)를 낮게 하는 것, 두 번째는 가열된 급탕온수가 수전말단까지 흐르는 동안 급탕 배관을 통해 손실되는 열손실이 적어지도록 급탕 온수의 온도차(Δt2)를 적게 하는 것, 셋째 수전 말단에서 급탕 사용의 초기에 적정 온수온도로 낮추기 위해 빠져나가는 온수의 온도차(Δt3)를 낮추는 것, 마지막으로 사용자의 온수 사용 행태에 따라 높은 온도의 온수보다는 외기온도 등 기후 조건에서 적정한 온수 온도의 사용으로 간접적인 효과를 예상할 수 있다.
목업 테스트
목업 대상 세대 개요
본 연구에서 목업 실험은 한국토지주택공사 주택성능연구개발센터 내에 구축된 실증 실험동(A동)의 한 세대(101호)에서 실시하였다. 목업 대상 세대는 거실 1개, 침실 3개, 욕실 2개, 주방 1개로 구성된 84㎡ 규모이고 평면도 및 세대 욕실 내부는 Figure1과 같다.
목업 세대 보일러실에 설치된 가스 보일러를 통해 난방 및 급탕 공급이 이루어진다. 급탕은 급탕 배관을 통해 욕실 1과 욕실 2에 세면대와 샤워기, 주방의 수전에 연결되어 급탕 온수를 공급한다. 세대에 설치된 가스 보일러는 다음 Table 1과 같은 스펙을 갖는다. 보일러에서 세대로 공급하는 급탕온도의 설정은 실내 온도제어기로 60℃에서 40℃까지 설정이 가능하며, 60℃, 55℃, 50℃, 47℃ 단계로 설정되며 40℃까지는 1℃간격으로 설정이 가능하다.
Table 1.
Specification of gas-fired boiler for a mock-up test
| Manufacturer | Type | Capacity | Energy efficiency | Controller | ||
| Grade | Heating | Domestic hot water | ||||
| ‘R’ company |
Condensing LPG gas boiler | 23.7 kW | 1 grade | 93.0% | 91.5% |  |
측정방법
목업 세대에서의 급탕 에너지 소비량을 측정하기 위해 Table 2 및 Figure 2와 같이 측정 시스템을 구성하고 1초 간격으로 계측하였다. 각 수전 및 샤워기 출구에 T-type 열전대를 Figure 3의 a)와 같이 설치하여 5곳의 사용 온수의 온도를 측정하였다. 보일러실에 설치된 가스 보일러로부터 Figure 3의 (b)과 같이 공급되는 급탕의 유량을 전자식 유량계를 사용하여 실시간 급탕 소요량을 측정하였다. 또한 공급되는 급탕 온도와 보일러에 공급되는 시수(냉수)의 온도를 측정하였다. 급탕 사용에 의한 에너지 소비량은 초음파식 가스 유량 센서를 설치하여 소비되는 가스량(㎥/s)을 측정하였다 (Figrue 3(c)).
Table 2.
Configuration of a measuring device for a mock-up test
재실자에 의한 온수 사용은 2회에 걸쳐 실시되었다. 1차 실험은 급탕온도 설정값 40℃ 조건에서 5일간 진행하였다. 이 때 재실자는 온수의 사용을 15~20분 내에서 세면 및 사워 등을 전제로 온수를 사용하였다.
2차 실험인 목업 실험은 1차 실험을 보완하여 Table 3와 같이 온수 사용 스케줄을 통해 각 1일간(1 day) 실시하였다. 이 때 적용된 변수는 급탕온도 설정값으로 40℃, 50℃, 60℃로 하였다. 본 실험을 통해 세대 내에서 온수의 사용에 따른 급탕에너지 사용량 즉, 가스 소비량을 측정하여 절감 가능성을 분석하였다.
Table 3.
Scenario of using domestic hot water by activity for mock-up test
목업 실험 동안 온수 사용 스케줄에 따른 사용 온수온도로 세면대 수전(세안 및 손씻기)은 30℃±1, 샤워기 말단(샤워) 온도는 38℃±1, 주방 수전(취사 및 그릇닦기)은 40℃±1 로 온수를 사용하였다. 각 수전 말단에서 일정한 온도로 온수를 사용함으로써 온수 사용온도의 변동으로 인해 가스 사용량에 영향을 주지 않도록 하였다.
결과 및 토의
1차 실험 –5일 실험
보일러의 급탕온도 설정을 40℃로 설정 후 다수의 재실자에 의해 5일간 급탕 사용을 실시한 실험이다. 1일에 급탕 사용은 세면과 샤워, 그릇닦기(설거지)를 하는 것으로 진행하였다. 욕실의 수전과 샤워기 말단, 주방 수전에서 사용된 온수의 온도는 Figure 4(a)와 같다. 최고 온도는 식기 세척 시에 사용된 주방 수전 온도로 60.8℃ 이고, 최저 온도는 20.1℃도로 욕실의 수전에서 측정되었다. 세면 및 손 씻기를 위한 욕실의 수전 사용은 평균 1분 58초이고, 평균 사용 온수 온도는 27.2℃ 이였다. 샤워용 온수 사용은 평균 14분 11초 사용되었고 평균 온수 온도는 30.1℃를 기록하였다. 욕실의 온수 사용에 대해 보다 상세한 분석을 위해 3일차의 욕실에서 사용된 온수를 Figure 5에 나타내었다.
Figure 4(b)에서 보일러에서 공급되는 급탕온도는 최고 65.3℃로 Figure 4(a)에서 재실자가 욕실 및 주방에서 수전의 온수를 오픈하였을 때 보일러가 가동되어 평균 63.7℃로 공급되었음을 알 수 있다. 또한 Figure 4(c)와 같이 보일러가 시수를 가열하기 위해 사용된 가스 사용량을 측정하였다. 재실자의 온수 사용 요구가 있을 시에 보일러가 가동 되면서 가스가 소비됨을 알 수 있다. 급탕을 위해 보일러가 순간 사용하는 가스 사용량은 최대 16.0 L/min (0.96 ㎥/h) 로 나타났다. 또한 연속 5일간 측정을 통해 확인할 수 있는 것은 온수의 빠른 공급을 위해 가스보일러 내 대기상태일 때 일정 온도이상으로 데우는 온도에 소요되는 가스 사용량이 없는 것을 확인하였다. 따라서 보일러의 급탕공급 대기 상태에서의 에너지 절감은 기대하기 어렵다는 것을 파악하였다.
급탕 공급이 약 15분간(15:51~16:05) 지속되었던 Figure 5의 샤워기 사용 순간의 급탕온도, 가스 사용량, 급탕 유량을 초당(Second) 측정하여 Figure 6에 나타내었다. 급탕온도는 보일러의 가열에 의해 온도가 높아지다가 3분 뒤에 64.7℃까지 상승하고 이후 63.7℃를 유지하였다. 보일러 가동에 의해 가스 사용은 초반에 순간 13.45 L/min 까지 소비되다 4.96 L/min에 수렴하여 작동하였다. Figure 6(c)와 같이 초반 욕실의 수전을 오픈하였을 때 4.27L/min까지 흐르고 평균 2.85 L/min으로 공급되었다. 샤워를 위해 공급된 급탕의 소비 열량을 식 (1)에 따라 계산하고 가스 사용량에 따른 효율을 산출하면 다음 Table 4와 같다. 즉, 급탕 공급에 따른 보일러의 에너지 효율은 약 90.6%로 나타났다. 이는 보일러의 제조사가 Table 1과 같이 제시한 급탕 효율 91.5% 보다 다소 낮으나 측정 온도차, 실험 환경 등을 고려할 때 유사한 결과로 판단된다.
Table 4.
Results of energy efficiency for heating domestic hot water of boiler
2차 실험 – 급탕온도 설정에 따른 급탕 사용 스케줄 실험
외기 온도가 일정온도(28℃) 이상이며, 실내 냉방을 하는 조건에서 보일러의 급탕온도 설정 값을 40℃ (Case 1), 50℃ (Case 2), 60℃ (Case 3)로 변경하였을 때 Table 3의 급탕 사용 스케줄에 따라 온수를 사용하는 실험을 하였다. 그 결과를 Figure 7, 8, 9에 나타내었다.
Case 1 ~ Case 3의 측정값 모두 급탕 사용 스케줄에 대응하는 패턴을 나타냈다. 이에 급탕 사용에 따라 보일러 가동 및 가스 사용, 급탕온도 상승 및 유지, 유량 증가 및 유지 등의 사용 소비패턴을 확인할 수 있다. 다만, 모든 Case에서 순간 급탕온도가 84.8℃ ~ 88.6℃까지 상승하는 것으로 나타나, 보일러의 급탕 온도의 순간 제어 능력은 다소 낮은 것으로 판단된다. 반면, Case 1 (40℃)의 평균 급탕공급 온도는 약 55.5℃, Case 2 (50℃)는 평균 급탕온도 59.1℃, Case 3 (60℃)은 평균 급탕온도 60.0℃로 나타났다. 순간 급탕온도가 크게 상승하는 것은 보일러의 급탕 공급 능력인 20.5 L/min에 크게 못 미치는 급탕 사용량인 2~4 L/min 사용에 기인한 것으로 순간 과다 가열로 판단된다. 보다 세부적인 원인은 향후 보일러 제조사와 협업을 통해 검토할 필요가 있다. 각 Case에 따른 가스 소비량을 분석하여 급탕온도 설정값 변화에 따른 절감 가능성을 분석하고 그 결과는 Table 5에 제시하였다.
Table 5.
Results of saving of domestic hot water energy consumption by cases
| Case | Measured gas consumption (L/min) | Energy saving (%) |
| Case 1 (40℃) | 23,764.6 | 15.4 |
| Case 2 (50℃) | 26,218.3 | 6.7 |
| Case 3 (60℃) | 28,104.0 | - |
목업 실험을 통해 본 연구에서 급탕온도 설정값을 낮춤으로써 온도차 10℃인 경우는 약 7%, 20℃인 경우는 15%의 급탕 에너지 절감 가능성을 확인하였다. 이러한 절감은 시수를 설정된 급탕온도로 높이기 위해 보일러의 가열 에너지가 감소하고, 급탕 배관을 통해 손실되는 열손실, 수전 말단에서 급탕 사용의 초기에 적정 온수온도로 낮추기 위해 빠져나가는 온수의 온도가 낮은 원인으로 파악된다. 향후 온수의 동시 사용부하를 높여 급탕 사용량을 증가시키는 추가 실험과 실제 환경의 아파트 세대에서 실증 실험을 통해 본 연구의 결과를 보완하고 개선해 나갈 필요가 있다.
결 론
본 연구는 가스를 사용하는 개별 난방 보일러에서 급탕에너지 절약을 위한 제어 방식을 제안하고자 목업 테스트를 수행하고 에너지 절감의 가능성을 분석하였다. 본 연구는 개별 가스보일러의 급탕 에너지 절약을 위한 제어기를 개발하기 위한 기초자료로 활용하는데 연구의 목적이 있다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 다음과 같다.
5일간 급탕을 사용한 목업 실험에서 온수의 빠른 공급을 위해 온수 대기 상태에서 가스보일러 내 급탕온수를 일정 온도 이상으로 데우는 가스 소비는 발생하지 않는 것을 확인하였다. 이는 제안된 제어 로직의 절감 효과에 대한 검토 시 반영이 필요한 사항으로 파악되었다. 본 목업 테스트에 사용된 가스 보일러는 급탕 공급에 따른 급탕 에너지 효율이 90.6%로 분석되었다. 평균적으로 세면을 위해 약 2분, 샤워에는 약 14분 동안 급탕을 사용하였고, 이는 선행 연구결과(Park et al., 2018)와 유사한 결과로 나타났다.
2차 목업 실험을 통해 보일러의 급탕온도 설정 값이 낮아짐에 따라 본 연구의 1일 급탕사용 스케줄에서 절감되는 급탕에너지는 온도차 10℃인 경우 약 6.7%, 20℃인 경우 15.4%의 절감 가능성을 확인하였다. 따라서 제안된 급탕온도 제어로직을 계속 개발할 근거를 본 연구를 통해 확보하였다. 급탕 에너지의 절감 효과와 급탕 온도 제어 방법을 보다 명확하게 하기 위해 실증 세대에 의한 온수의 동시 사용율을 높이는 연구, 연간 사용량 등의 장기간 급탕 사용 조건에 대한 연구, 제어 로직을 최적화하는 연구가 요구되며, 상기 연구 결과들을 반영하여 개발될 제어기를 실증 적용하는 연구가 후속연구로 이루어져야 할 것으로 보인다.
