서 론

국내 주거 건물의 난방 제어는 주로 거실에 설치된 온도 조절기를 기준으로 전체 세대의 난방을 제어하는 대표실 제어가 널리 적용되어 왔다. 이는 제어 시스템 구성을 간편하게 할 수 있고, 주택의 실별 부하 차이가 크지 않아 존별 제어의 필요가 크지 않았기 때문에 비용과 효과 측면에서 현실적인 제어 대안이었다고 판단된다. 그러나 2000년대 이후 제어 시스템을 구성하는 온도 조절기, 제어밸브 등 개별 요소들에 대한 연구개발이 꾸준히 이루어져 왔으며(Kim and Rhee, 2005), 주거 건물의 평면이 다변화됨에 따라 실별 부하의 차이도 증가하게 되어 실별 제어의 필요성이 높아지게 되었다(Jin et al., 2004). 더욱이 생활 수준의 향상과 함께 개인별로 상이한 쾌적 조건에 대응하여 실별 온도를 제어해야 할 필요성이 높아지고, 녹색건축인증기준에서도 실별로 온도 제어가 가능한 시스템에 대해 높은 배점을 제시함(KICT, 2020)에 따라 실별 제어 시스템의 적용 비율이 점차 증가하고 있는 상황이다.

실별 제어는 불필요한 난방을 방지하는 측면에서는 에너지 절약적이나, 한 두 개의 실만 난방되는 부분부하 조건에서 차압의 증가로 과도 유량 공급 및 캐비테이션에 의한 소음 발생의 문제가 있다(Hong et al., 2006). 이에 대응하여 차압바이패스 밸브를 설치하는 대안도 있으나, 보일러 공급수가 바로 보일러로 환수됨으로써 보일러의 short cycling을 유발(Peterson, 2018)하는 단점이 있다. 한편 부분부하 시 과도유량 공급을 억제하기 위해 차압유량 조절밸브(Jin et al., 2013)나 압력독립식 밸브(Ahn et al., 2019)를 적용하기도 하나, 이는 지역난방 공동주택의 세대단위 제어에 적합한 대안으로 판단된다.

또한 열원이 개별 보일러인 경우 부분부하 시 열효율이 저하되는 문제(Yu et al., 2015)가 있는데, 실별제어 적용 시 대표실 제어에 비해 부분부하의 비율이 높아짐(Rhee et al., 2010)을 고려하면 실별제어의 에너지 절감 성능이 저하될 우려도 있다. 더욱이 에너지 절약설계기준의 강화로 주거건물의 난방부하가 지속적으로 감소하는 상황(Rhee and Jung, 2020)이므로, 실별제어 적용 시 부분부하 조건에서 열효율이 저하되는 문제가 심화될 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 저탕식 보일러를 적용(Peterson, 2018)하거나, 보일러의 Turn-down ratio를 증가시키는 방안(McGowan, 2021)을 고려할 수 있겠으나, 각각 설치공간의 제약 문제와 보일러 개선을 위한 초기투자비가 증가하는 문제가 있다.

따라서 본 연구에서는 기존의 개별 보일러를 기본적인 열원으로 이용하되, 매우 낮은 부분부하 조건에서는 보일러를 가동하지 않고 부하측에 온수를 재순환시키면서, 추가로 요구되는 열량은 소형 전기히터로 공급하는 방식의 바이패스 히팅 시스템을 제안하고 그 성능을 평가하고자 하였다. 이는 부분부하율이 높은 조건에서는 보일러를 가동하여 효율이 높은 상태에서 운전하도록 하고, 부분부하율이 낮아질 경우 작은 열량을 고효율로 공급할 수 있는 바이패스 히팅 시스템으로 절환하는 개념으로 볼 수 있다. 이러한 바이패스 히팅 시스템의 적용으로 부분부하 상태에서 나타나는 실별 제어 시스템의 효율 저하 문제를 해소하고, 전체적인 난방 에너지 소비량을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

바이패스 히팅 시스템 개요

시스템 개념

Figure 1(a)는 일반적인 실별 제어 시스템을 개념적으로 나타낸 것으로, 하나의 실이라도 난방이 되면 보일러 및 순환펌프가 작동하도록 되어 있다. 이 때 보일러 출력이나 펌프 유량이 비례제어가 되지 않는 경우에는 과도한 유량 공급 및 보일러의 short cycling으로 인한 효율저하가 발생할 수 있다(Osman and Lane, 2020). Figure 1(b)는 본 연구에서 제안하는 바이패스 히팅 시스템 개념으로, 초기 기동운전과 같이 많은 열량이 필요한 경우에는 보일러를 가동하되, 부분부하 상태로 전환되면 보일러 가동을 중단하고, 3방 밸브가 작동하여 온수가 바이패스 배관을 통해 부하측(난방되는 실)으로 재순환되는 구조이다.

Figure 1.

Conceptual diagram of individual heating system

보일러 중지 시 내장된 순환펌프도 정지되므로, 바이패스 관에 설치된 별도의 소형 펌프가 가동되어 부하측의 온수순환을 담당하게 된다. 또한 부분부하 상태이더라도 실온 유지를 위해 열량은 계속 공급되어야 하므로, 바이패스 배관을 소용량의 전기 히터로 감싸 온수가 가열되도록 하였다. 바이패스 히팅 시스템 가동의 기준이 되는 부하 상태를 판단하는 것이 관건인데, 이는 난방되는 실의 개수, 실내온도와 설정온도와의 차이, 온수온도차(Ahn and Song, 2008) 등으로 판별할 수가 있다. 난방 실의 개수나 실온-설정온도 차이는 각 실의 제어밸브 구동 여부 및 실온 변화에 근거하여 부하 상태를 판단해야 하는 반면, 온수온도차는 각 실의 방열량, 즉 난방부하에 따라 비례적으로 변화하는 지표이므로, 세대 전체의 부하 상태를 판별할 수 있는 직관적인 지표라고 판단된다. 그러므로 본 연구에서는 온수온도차를 측정하여 이 값이 설정치 이하로 될 경우 바이패스 히팅 시스템이 가동하도록 제어 체계를 구성하였다.

시스템 구현

Figure 2는 바이패스 히팅 시스템의 물리적 구현 일례로, Figure 2(a)는 외형을, Figure 2(b)는 주요 component를 표시한 내부 구성을 나타낸 것이다. 온수 유로 변경을 위한 3-way 밸브는 전동식 구동기로 작동되며, 외부에서 그 상태를 확인할 수 있도록 하였다. 바이패스 순환펌프는 일반적인 33평형 아파트의 부분부하 조건을 감안하여 유량 10 lpm, 양정 5 mAq의 소형 펌프를 적용하였고, 온수 가열을 위해 소형 가열소자로 많이 쓰이는 PTC (Positive Temperature Coefficient) 히터를 바이패스 배관에 설치하였다.

Figure 2.

Component diagram of bypass heating system

이러한 바이패스 히팅 시스템을 패키지화하여 온수분배기 전단에 설치하고, 난방초기 단계에서는 온수 바이패스 없이 보일러에 의해 난방이 되도록 하였다. 난방이 지속되면서 측정된 온수온도차가 10℃ 이하로 떨어지는 경우에는 안정화 단계에 도달한 것으로 간주하여, 보일러 가동을 멈추고 3-way 밸브가 열려 바이패스 배관으로 온수 유로가 변경되고, PTC 히터로 온수가 가열되어 난방되는 실로 재순환되도록 하였다.

성능평가 방법

바이패스 히팅 시스템의 적용 가능성을 검증하기 위해 기존 시스템(보일러만을 열원으로 활용한 경우)과 바이패스 히팅 시스템을 적용한 경우의 난방에너지를 TRNSYS 시뮬레이션으로 분석하였다. Table 1은 분석대상 건물의 시뮬레이션 모델 정보를 요약한 것으로, 중부지역의 바닥면적 95.5 ㎡ 규모의 일반적인 판상형 공동주택으로서 남향의 중간층 중간세대를 상정하여 해석하였다. 외벽과 창호의 열관류율은 2018년 에너지절약 설계기준 중부2지역의기준을 적용하였고, 침기율은 0.5ACH를 가정하여 TRNSYS로 난방부하를 해석한 결과 실에 따라 24.1~33.9 W/㎡, 세대 전체로는 2,759 W (28.9 W/㎡)의 최대난방부하가 산출되었다.

Table 1.

Simulation model information of investigated apartment building

Building description
General information	Location	Inchon
	Orientation	South
	Floor area	95.5 ㎡
Building envelope	External wall	U=0.166 W/㎡K
	Window	U=1.0 W/㎡K
	Infiltration rate	0.5 ACH
Heating system	Heat source	Gas-fired boiler
	Control scheme	On/Off
	Set-point	22±1℃
Heating load
	Living room	Main bedroom	Bedroom 1	Bedroom 2
Maximum	1,537 W	421 W	452 W	373 W
Floor area	53 ㎡	17.5 ㎡	14 ㎡	11 ㎡
Unit heating load	29.0 W/㎡	24.1 W/㎡	32.3 W/㎡	33.9 W/㎡

이와 같은 공동주택 모델에 대하여, 가스보일러(Type 751), 순환펌프(Type 114), 실별 써모스탯(Type 166)을 조합하여 실별제어 난방시스템을 구현하였다. 써모스탯은 설정온도 22±1℃의 단순 On/Off 제어를 하도록 설정하였고, 하나의 실이라도 난방수요가 있을 경우 보일러와 펌프가 작동하도록 하였다. TRNSYS 시뮬레이션에 바이패스 히팅 시스템을 위한 별도의 Type은 존재하지 않으므로, Figure 3과 같이 바이패스 히팅 작동을 결정하는 Controller, 온수를 가열시키는 Heater 모듈을 추가하였다. Controller는 매 타임스텝의 환수온도를 입력받아 온수온도차를 계산한 후 이 값이 10℃보다 작은 경우 Heater를 가동시키는 것으로 재현하였으며, Heater는 PTC 히터의 용량만큼의 열량을 온수에 추가하여 Type 56의 Active layer에 공급하도록 구성하였다.

Figure 3.

TRNSYS simulation model for bypass heating system

또한 실별제어 시스템의 에너지 성능 평가에 있어서 보일러의 부분부하 효율이 중요한 입력정보이므로, CIBSE Guide B (CIBSE, 2005) 및 Hendersen et al. (1999)의 연구를 참조하여 Type 751의 보일러 부분부하 효율 데이터를 Figure 4와 같이 적용하였다. 이는 부분부하에서 효율이 급격히 낮아지는 소형 가스 보일러의 특징(Lazarrin, 2014)을 충분히 재현한 것으로 판단된다. 해석 대상 건물에 적용된 보일러는 33평형 주택에 일반적으로 권장되는 25 kW의 일반 고효율 보일러이며, 보일러 출수온도는 50℃로 설정하였다.

Figure 4.

Boiler part load efficiency curve

이렇게 구성한 바이패스 히팅 시스템 모델에 대해, 12월부터 3월까지 난방기간 동안의 에너지 소비량을 기존 실별 제어시스템과 비교하여 에너지 절감 가능성을 검토하였다. 해석을 위한 기상데이터로는 인천 EPW 파일을 적용하였고, 시스템의 동적 거동을 충분히 해석할 수 있도록 타임스텝을 15분으로 설정하였다. 출력변수에는 보일러 및 순환펌프, 바이패스 히팅 시스템의 히터와 순환펌프의 에너지 소비량을 포함하였다.

성능평가 결과

시스템 부하 및 바이패스 히터 용량 검토

바이패스 히팅 시스템은 낮은 부분부하에서 난방 효율을 개선하는 것이 핵심적인 목표이므로, 난방기간 중 시스템 부하가 어느 정도의 범위에서 분포하는지 분석하여, 바이패스 히팅 시스템으로 전환되는 부분부하의 기준을 먼저 선정하는 것이 필요하다. Figure 5는 난방기간 동안의 시스템 부하 분포를 나타낸 것으로, 난방기간 중 27.7%에 해당하는 805시간은 난방 시스템이 가동하지 않고(시스템 부하=0), 12.4%에 해당하는 361시간 동안 1,000 W 이하의 낮은 시스템 부하가 나타나는 것으로 분석되었다.

Figure 5.

Annual distribution of system load

바이패스 히팅 시스템의 히터는 전기를 에너지원으로 활용하므로, 용량을 너무 크게 하면 전기 에너지 소모가 크고, 너무 작을 경우 원하는 만큼의 온수 가열 효과를 얻기 힘들 수 있다. 그러므로 본 연구에서는 Figure 5의 시스템 부하가 1,000 W 이하인 영역 중에서, 특히 600 W 이하인 경우의 비율이 높은 것을 감안하여 바이패스 히팅 시스템의 PTC 히터 용량을 600 W로 설정하였다.

에너지 절감 성능 분석

Figure 6은 기존 실별제어 난방 시스템의 동절기 3일간(1/7~1/9)의 실온, 방열량, 온수온도 및 보일러 에너지 소비량을 나타낸 것이다. 실온이 설정온도를 초과하는 것은 주간 시간대 일사의 유입으로 인한 것이며, 북쪽에 위치한 Bedroom 2 (BR2)의 경우 일사 유입이 되지 않아 다른 실에 비해 난방이 지속적으로 가동되는 것을 볼 수 있다. 그에 따라 Figure 6에서 음영으로 표시한 부분과 같이 BR2만 난방되는 경우에는 세대에 필요한 방열량이 감소하여 환수온도가 40℃이상으로 상승하게 된다. 이 경우 보일러가 낮은 부분부하 상태에서 지속적으로 가동되어, 전부하 상태에 비해 상대적으로 많은 난방에너지가 소비될 것으로 예상된다.

Figure 6.

Simulation result of conventional (boiler-only) heating system

Figure 7은 바이패스 히팅 시스템의 해석 결과로, BR2만 난방되어 환수온도가 40℃이상으로 증가할 때 보일러의 가동이 멈추고 바이패스 히터가 가동된 결과를 볼 수 있다. BR2의 난방에 필요한 열량만 공급하면 되므로, 600 W의 PTC 히터 용량으로도 온수가 충분히 가열되어 공급수 온도가 50℃를 약간 상회하는 것으로 분석되었다. 또한 전기로 가동되는 PTC 히터는 가스 연소로 열을 생산하는 보일러와 달리 효율을 1 (SEL, 2017)로 볼 수 있으므로, 바이패스 히터가 가동된 구간에서는 보일러가 운전된 경우와는 달리 에너지 소비량이 대폭 저감된 것을 확인할 수 있다.

Figure 7.

Simulation result of bypass heating system

Figure 8은 에너지 소비량만을 비교한 결과로, BR2만 난방되는 부분부하 상태에서 바이패스 히팅 시스템의 가동으로 에너지 소비량이 절반 이하(약 60%)로 감소되는 결과를 확인할 수 있다. 난방 기간 전체로 확대해서 보면, 바이패스 히팅 시스템이 가동되는 시간은 Table 2에서와 같이 연중 342시간으로, 이 시간 동안에는 보일러 가동없이 바이패스 히팅 시스템만으로 난방 부분부하에 대응가능한 것으로 분석되었다. 바이패스 히팅 시스템의 가동 시간이 추가되었으나, 보일러의 가동시간은 약 19.6% 감소되어 난방 운전시간의 총합에는 큰 변화가 없는 것(0.11% 감소)으로 나타났다. 그러나 보일러 효율이 낮은 부분부하 조건에서 바이패스 히팅 시스템이 가동됨으로써, 난방에너지는 기존 시스템에 비해 약 4% 감소되는 결과로 이어졌다.

Figure 8.

Comparison of heating energy consumption

한편 바이패스 히팅 시스템은 보일러에 내장된 펌프보다 용량이 작은 순환펌프로 구동되므로, 순환동력의 절감 효과도 얻을 수 있다. 난방에너지에 비해 순환동력의 절대적인 크기는 작으나, 바이패스 히팅 시스템 적용 시 15.1%의 순환동력이 절감되어, 전체 에너지 소비량은 4.12% 절감되는 것으로 분석되었다.

이렇게 난방에너지가 절감되는 요인은 해석 대상 공동주택의 부하 빈도와 보일러의 부분부하 효율 특성에서 찾을 수 있다. Figure 9(a)와 같이 해석 대상 공동주택의 난방부하는 보일러의 정격용량인 25 kW보다 낮은 8.5 kW 이하에서 분포하며, 특히 1 kW 이하의 낮은 부하가 발생하는 비율도 적지 않은 것을 볼 수 있다. Figure 9(b)와 같이 부분부하 1 kW 미만, 즉 부분부하율이 2~4%인 조건에서 보일러를 가동하게 되면 효율이 매우 저하되었을 것이나, 바이패스 히팅 시스템을 가동함으로써 효율 저하가 방지되고 그에 따른 에너지 절감효과를 얻게 된 것으로 판단된다.

Figure 9.

System load distribution and part load efficiency

Figure 10은 난방 전체 기간 중 공급열량에 따른 열효율을 나타낸 것으로, 보일러만 가동하는 기존 시스템의 경우 부분부하율 감소에 따른 열효율 저하 경향을 뚜렷이 확인할 수 있다(Figure 10(a)). 반면 바이패스 히팅 시스템을 가동한 경우에는 가장 낮은 부분부하에서 효율이 큰 폭으로 상승하여(Figure 10(b)의 점선 표시 부분), Table 2와 같은 에너지 절감 효과를 얻을 수 있게 된 것으로 판단된다.

Figure 10.

Comparison of thermal efficiency distribution

결과 논의

본 연구에서는 TRNSYS 시뮬레이션을 통해 바이패스 히팅 시스템 적용 시 저부하 상태에서의 보일러의 효율 저하를 완화함으로써 에너지 절감이 가능한 것을 확인하였다. 공동주택 에너지 절약 설계 기준이 지속적으로 강화됨에 따라 난방 부분부하가 더 감소할 수 있고, 구성원별 재실 스케쥴의 차이, 1인 거주의 확대 등으로 하나의 실만 가동되는 부분부하 조건은 더욱 빈번하게 발생할 수 있다. 그러므로 실별 제어가 적용된 주거 건물에서 바이패스 히팅 시스템을 활용할 수 있는 여지는 더욱 증가할 것으로 예상된다.

본 연구에서는 약 4%의 에너지 절감 효과를 확인하였으나, 보다 다양한 조건에서의 성능 검토를 통해 에너지 성능에 대한 데이터 축적이 필요하다. 즉, 난방 시스템 운전 측면에서는 외기온에 따른 온수온도 변화, 재실 스케쥴 및 설정온도의 변화를 추가적으로 고려해야 하며, 건물 측면에서는 건물의 방위나 면적, 건축 위치에 따른 난방부하의 변화를 감안하여 바이패스 히팅 시스템의 에너지 성능을 평가할 필요가 있다.

또한 본 연구에서는 CIBSE 가이드 및 기존 연구의 보일러 효율 곡선을 적용하였으나, 실제 보일러의 효율 데이터를 적용하여 부분부하에서의 에너지 성능을 비교 검토할 필요가 있다. 이러한 한계를 고려하여 바이패스 히팅 시스템의 에너지 성능에 대한 판단이 이루어져야 할 것이며, 향후 목업 실험을 통해 실제 공동주택의 운전 조건을 반영한 에너지 성능 및 현장 적용성을 검토할 예정이다.

결 론

본 연구에서는 실별 제어 난방 시스템의 부분부하 효율 향상을 목적으로 바이패스 히팅 시스템을 제안하고, TRNSYS 시뮬레이션으로 난방 에너지 소비량을 분석하여 그 적용 가능성을 검토하였다. 본 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)부분부하 조건에서 3-way 밸브 및 별도의 순환펌프를 통해 부하측으로 온수를 재순환 시키고, 그 과정에서 PTC 히터로 온수를 가열시키는 바이패스 히팅 시스템의 개념을 제안하였다. 바닥면적 95.5 ㎡ (33평형)의 공동주택 부하 해석 결과를 통해 바이패스 히팅 시스템의 적정 용량을 600 W로 설정하였고, 부분부하 조건의 판단 기준은 온수온도차 10℃이하인 조건으로 설정하였다.

(2)바이패스 히팅 시스템을 TRNSYS로 모델링하여 12월~3월 난방기간에 대한 시뮬레이션을 수행한 결과, 하나의 실만 난방되어 온수온도차가 10℃ 이하로 감소하는 조건에서 바이패스 히팅 시스템이 가동되는 것을 확인하였고, 이 경우 해당 구간에서 기존 보일러에 비해 난방에너지 소비량이 60%까지 절감되는 것으로 분석되었다.

(3)해석 대상 공동주택의 경우 바이패스 히팅 시스템이 가동되는 조건은 연간 342시간이며, 보일러 가동시간은 19.6% 감소되는 것으로 나타났다. 그 결과 난방에너지는 4.02%, 펌프에너지는 15.1% 절감되어 전체적인 에너지는 4.12% 절감되는 것으로 분석되었다.

본 연구에서는 시뮬레이션을 통해 바이패스 히팅 시스템의 에너지 절감 가능성이 확인되었으나, 다양한 운전 조건 하에서 바이패스 히팅 시스템의 열적 거동과 에너지 소비량을 분석할 필요가 있다. 후속 연구로서 추가 시뮬레이션과 Mock-up test를 통해 바이패스 히팅 시스템의 실제 적용성을 검증할 예정이다.