3.1 인접 세대 간의 열전달

상하좌우 세대의 영향을 파악하기 위해서 Fig. 1과 같이 세대 5를 포함하여 9세대를 동시에 시뮬레이션의 계산 대상으로 취하였다. 전술한 바와 같이 이상적인 난방조건이라 함은 설정온도를 유지하기 위해 필요한 열량을 즉시 공급할 수 있다는 의미로서, 실내 공기를 직접 덥히게 되므로 이상적인 대류난방이라 할 수 있다. 따라서 좌우 세대의 경우에는 실제 상황과 거의 차이가 없겠지만, 온돌을 공유하는 상하 세대는 상당히 차이가 날 것이다. 즉 이상적인 난방조건에서는 비난방세대 5로 인해 윗세대 2와 아랫세대 8이 동일하게 손실을 입겠지만, 실제의 온돌을 포함하게 되면 상황이 달라질 것이며, 이에 대해서는 다음 절에서 다루기로 한다.

대한설비공학회 서울 지역 표준기상 데이터의 1월 1일 0시부터 1주일간 시뮬레이션을 수행하였다. Table 1에 1주일간의 난방 에너지 총량을 나타내었는데, (a)는 모든 세대가 난방을 하였을 때로서 거의 동일한 값을 보이며, (b)는 중간에 포함된 세대 5가 난방을 하지 않았을 때인데 인접세대의 소비량이 증가한 것을 알 수 있다. 측면 세대의 손실은 무시할 수 있을 정도로 작은데 비해, 위아래 세대는 각각 무려 19% 증가한 수치를 보인다. 이는 측면 세대와 접하는 면적보다 위아래 층으로 접하는 면적이 6배 이상 넓어 열손실이 훨씬 크기 때문이다.

Fig. 4에는 모든 세대가 난방할 때와 중간세대(세대 5)가 난방하지 않을 때 위아래 및 좌우세대의 월별 에너지 소비량을 정리하였다. 앞서 1주일 간 정리한 결과와 경향은 매우 유사하며 비난방세대의 위아래 세대가 20% 정도 큰 난방 소비량을 보인다.

Fig. 4 Heating energy consumption with and without non-heating house at 20℃.

주변세대가 20℃인 경우 월별로 다소 차이는 있지만 비난방세대는 14.4∼16.3℃, 24℃인 경우 15.3∼18.8℃ 정도를 유지한다. 전혀 난방을 하지 않아도 인접세대가 정상적으로 난방을 하면 유입되는 열로 충분히 견딜 수 있는 온도를 유지할 수 있다.(11)

3.2 상하 세대 간의 온돌에 의한 열전달

온돌을 통해 위 아래쪽으로 전달되는 열량을 파악하기 위해 Fig. 5와 같이 5세대를 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 앞서 살펴본 바와 같이 좌우세대의 영향은 상대적으로 매우 작아 상하세대만 포함한 것이다. 각 세대의 측벽 및 최상층의 천장과 최하층의 바닥 바깥면은 모두 실내온도와 같은 경계조건을 부여하였다. 따라서 외부로의 열손실은 없다. 다만 최하층 바닥은 온돌이기 때문에 실내온도보다 높으므로 하부로의 열손실이 발생한다.

Fig. 3(b)를 보면 알겠지만 온돌의 온수코일은 상부 모르타르층에 위치하고 있어 주로 자신의 세대에 열이 공급되는 구조를 취하고 있지만, 일부는 콘크리트층을 거쳐 의도하지 않게 아래층으로 전달된다. Fig. 3(b)의 온수코일을 중심으로 위와 아래 방향의 열저항은 각각 0.344, 0.778 K․㎡/W로서, 공급된 열의 약 70%는 상부로 30%는 하부로 이동하게 됨을 추정할 수 있다.

5세대를 모두 난방하였을 때와 세대 3이 비난방일 때의 1월 1일부터 7일까지의 난방 에너지의 총합을 Fig. 5Fig. 6 Fig. 7에 보였다. 1, 2, 3층의 난방 에너지는 거의 같으며 편의상 2층의 2.01 GJ을 기준값으로 취하기로 한다. 5층은 천장으로부터 받은 열이 없이, 바닥온돌로부터만 열을 공급받아야 하므로 2.44 GJ로서 21.4% 추가된다. 이로 인해 난방이 켜져 있는 시간이 길어지고 바닥 온도도 높아진다. 이 덕분에 4층은 다른 층보다 더 많은 열을 천장으로부터 얻게 되고, 4층 바닥온돌에서 공급하는 열은 약간 줄어든다.

Fig. 5 Heating energy consumption at 20℃.

Fig. 6 Heating energy consumption at 24℃.

Fig. 7 Heating energy according to floor and set temperature.

Fig. 5(b)와 같이 3층이 난방을 하지 않으면 5층은 거의 그대로이고, 4층은 앞서와 마찬가지로 천장에서 더 많은 열을 공급받지만, 바닥온돌로 더욱 많은 열을 빼앗기게 되는데 3층의 실내온도가 떨어지기 때문이다. 24.1%가 증가하게 된다. 가장 큰 피해는 비난방세대의 바로 아래층인 2층이다. 천장으로부터 받아야할 열이 없어질 뿐 아니라, 오히려 천장을 통해 3층으로 빠져나가게 된다. 난방 에너지 증가량은 무려 42.3%이다. 따라서 난방시간이 길어지고, 이 영향으로 1층은 천장으로부터 받은 열이 증가해 난방에너지는 감소하게 된다.

비난방 세대가 1층 및 2층인 경우에도 매우 비슷한 현상이 발생함을 확인할 수 있었다. 층간바닥에 단열재가 시공되지 않은 경우 온돌에 공급한 열의 30%는 아래층으로 전달되기 때문에 비난방세대가 존재하면 바로 그 아래층 세대의 난방 에너지가 매우 커진다.

난방을 많이 하는 세대가 바로 위층일 때는 이득을 보지만, 위층에서 난방을 하지 않는 경우에는 큰 피해를 보게 된다. 결론적으로 상하세대 간의 열적 연계성이 매우 큰 것이 아파트 온돌난방의 특징이라 할 수 있다. 이를 최소화하는 방법은 결국 단열강화에 있다.

3.3 층간바닥 단열재 강화

앞서 최상층인 5층 세대는 상부로부터 열을 받지 못해 평상시에도 다른 층에 비해 에너지 소비량이 크다. 실제로는 박공지붕 공간의 온도가 실내온도보다 낮기 때문에 천장으로의 열손실이 발생하며 에너지소비량은 더욱 커진다. 1층 바닥의 지하공간 역시 실내온도보다 낮아 바닥으로 빠져나가는 열손실은 계산값보다 클 수밖에 없다. 2012년 2월부터 발효된 건축법의 단열기준에 따라 단열재 설치가 강화된 상태이다. 이미 검토한 바와 같이 위아래 세대의 강한 열적 연계성은 아파트 온돌난방의 특징이지만 합리적인 에너지 사용을 위해서는 최상층, 최하층의 단열재 보강과 더불어 중간층의 층간바닥에도 적용이 필요하였고 신축건물에는 의무화된 상태이다.

중부지역의 공동주택 층간바닥에 열전도율이 0.035∼0.04 W/m․K의 단열재를 적용하면 두께 35 mm를 규정하고 있다. 아래쪽으로의 열저항은 0.928 K㎡/W이 되며 공급된 열의 73%는 상부로, 27%는 하부로 이동하게 되어 다소 단열이 미흡한 것을 알 수 있다. 참고로 강화된 단열기준보다 3배 정도 두꺼운 89 mm의 폴리스티렌을 적용할 때 아래 방향의 열저항이 3.096 K㎡/W이 되어 10%만이 하부로 이동하게 된다. 이와 같은 조건으로 실내온도 20℃에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며, 그 결과를 Table 2에 정리하였다.

5세대 모두 난방했을 때의 결과를 단열재가 없는 경우와 비교해보면 최상층을 제외하고는 상당히 균일해진 것을 알 수 있다. 세대 3이 난방을 하지 않을 때 가장 큰 피해가 예상되는 세대 2의 에너지 소비량은 비단열시 42.3%의 증가에서, 35 mm 단열재를 사용하면 19.5%로 상당히 감소한다(89 mm 단열재 적용시 10.0%로 대폭 감소). 난방을 하지 않는 세대 3의 실내 온도는 단열재가 없을 때의 평균 온도 16.3℃에 비해 단열재 35 mm 강화로 위아래 세대로부터 보다 적은 열을 공급받아 14.4℃로 떨어지게 되며 상당히 낮은 온도를 유지한다.

35 mm로 단열 조건을 강화한 신축 건물의 경우 비난방 세대의 여부에 따라 위아래 세대의 에너지 소비량의 증가가 상대적으로 작게 나타난다. 그러나 강화된 단열조건에도 불구하고 상하세대 간의 열적 연계를 약화시키기에는 여전히 충분치가 않다. 결국 공정한 난방사용량 부과를 위해 요금체계와 연동하는 방안을 진지하게 고려할 필요가 있다. 현재에도 지역난방에서 배관공동구 손실, 공동시설에의 열공급 등을 기본요금으로 산정하게 된다. 앞서 검토한 바와 같이 비난방세대가 있는 경우 인접세대는 추가로 적지 않은 열을 소비하게 되며, 지역난방을 사용하지 않고 전기매트 등의 국소난방 등으로 절감하는 경우 결국 주위로부터 이득을 본 것이므로 이를 기본요금에 포함시키는 검토가 필요할 것으로 판단된다.