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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.

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ISSN : 1229-6422 (Print)
ISSN : 2465-7611 (Online)

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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean J. Air-Cond. Refrig. Eng. Vol. 30, No. 1, p.68-82

ISSN (print) :

1229-6422

ISSN (online) :

2465-7611

Received : 26 October 2017Revised : 12 December 2017Accepted : 15 December 2017

DOI :

http://dx.doi.org/10.6110/KJACR.2018.30.2.068

저온온수 모세유관 바닥복사 난방시스템의 성능에 관한 실험적 연구

Experimental Study on a Low-Temperature Hot Water Capillary Radiant Floor Heating System

조진균 (Jinkyun Cho) ¹ 박병용 (Beungyong Park) ¹^† 이용준 (Yongjun Lee) ² 정원호 (Wonho Chong) ³

한국건설생활환경시험연구원 (Energy & Environment Business Division, KCL(Korea Conformity Laboratories), Jincheon, 27872, Korea)
(주)비이엘테크놀로지 (Eco-Facade Eng. Lab, BEL Technology, Seoul, 05544, Korea)
유원엔지니어링(주) (Youone Engineering Co., Ltd., Seoul, 04799, Korea)

^†Corresponding author, E-mail: bypark@kcl.re.kr

License :

No part of this publication may be reproduced or distributed in any form or any means, or stored in a data base or retrieval system, without the prior permission of the publisher(www.sarek.or.kr).

Abstract

Radiant floor heating systems with capillary tubes are energy saving systems in which hot water is circulated into capillary tube with a small diameter. In this study, the heating performance of capillary tube system is investigated in an experimental study and a simulation model. The results of the study showed that, the capillary tube radiant floor heating system maintains a more stable floor surface temperature in comparison a PB pipe system. In terms of energy consumption, the capillary tube radiant floor heating system proved to be more efficient than the PB pipe heating system at 40℃ of low temperature hot water supply. The difference between water temperature and room temperature can be held low for heating which saves energy. Low temperature radiant floor heating system with capillary tubes have significant advantages such as health improvement, low energy cost, optimum use of heat source(boiler) and higher operational efficiency.

Key words

모세유관 바닥난방(Capillary radiant floor heating system), 시험평가(Test and Evaluation), 방열성능(Heat emission performance), 에너지효율(Energy efficiency), 배관매립깊이(Pipe placement depth)

기호설명

Q_hw：온수유량 [LPM]

△T_hw：온수온도차 [℃]

△q_ra：바닥난방에 의한 실내 공기 가열량의변화율 [%]

△q_hw：바닥난방의 온수공급 열량의 변화율 [%]

V：실(시험챔버) 체적 [m³]

△T_ra：실내공기온도차 [℃]

Cp：비열 [W/Kg·℃]

p：밀도 [kg/³]

1. 연구배경 및 목적

최근 전 세계적으로 기후변화문제가 심각하게 받아들여지고 있다. 유럽을 포함한 선진국들은 기후변화협약을 통한 온실가스감축이라는 새로운 에너지절약의 동기를 부여하고 있다. 2015년 유엔기후변화협약 당사국총회(COP 21)에서 우리나라는 2030년 온실가스 배출전망치(BAU) 대비 37% 감축 목표를 발표하였고, 건물에 사용되는 냉·난방에너지의 절감이 주요 전략으로 떠오르고 있다. 또한 2025년 제로에너지 빌딩 의무화에 따른 공동주택에서 기존의 전통적인 바닥복사 난방시스템에 대한 에너지 효율개선이 필요한 시점이다.⁽¹⁾ 바닥복사 난방시스템은 기존의 온돌 시스템을 활용할 수 있는 장점이 있으나 지연효과(time-lag)에 의한 초기 실부하의 처리 및 부하변동에 빠르게 반응하기 어렵다는 단점이 있다.⁽²⁾ 그리고 높은 온수공급온도에 따른 불필요한 에너지 소비가 증가하고 난방배관의 (피치)간격 및 배관길이의 증가로 균일한 방열량 확보가 어렵고 쾌적성 저하가 발생되고 있다. 온돌에 의한 복사난방은 비교적 저온의 열원에 의해 난방이 가능한 방식이나 통상 55℃ 이상의 온수를 생산하여 공급하는 것이 일반적이었다. 그러나 40℃ 이하의 비교적 낮은 온도의 온수를 온돌에 공급함으로써 얻을 수 있는 이득은 매우 크다.^(3,⁴⁾ 다양한 신재생에너지의 사용이 가능하여 지열히트펌프 등을 이용한 온돌난방에서는 응축기 온도를 낮추는 효과로 COP가 향상되고, 태양열 난방에서도 집열효율 향상으로 이어진다. 또한 콘덴싱 보일러의 경우 출구온도가 낮아질수록 콘덴싱 효과의 향상으로 효율이 증가한다.^(4,⁵⁾ 바닥 복사 난방시스템의 성능에 관한 연구는 국내뿐 아니라 국외 여러 국가에서 현재까지도 활발히 이루어지고 있다. 기존의 연구들^(6-⁹⁾은 다양한 실험방법을 채택하고 있으나 바닥 복사 난방시스템에 관한 연구는 공통적으로 시뮬레이션 기반 분석을 통해 발전되어 왔음을 파악할 수 있다.⁽¹⁰⁾ 또한 mock-up 실험을 통한 성능평가도 시스템별 동일한 조건으로 동시에 실험을 하는 것이 어렵기 때문에 실제 공동주택에 설치하고 장기실증으로 상대적인 성능평가를 진행하여 외기온도나 제어방식에 따른 오차 및 불확도에 대한 극복이 어려운 상황이었다. 기존 난방시스템(PB 배관)의 한계를 극복하고 동시에 환경 친화적이며 에너지 효율적인 난방시스템의 요구를 만족시키기 위하여, 기존 주택에서 난방의 수단으로 사용되어 왔던 온돌구조체를 이용한 폴리프로필렌 모세유관(Capillary-tube) 바닥복사 난방시스템을 제안하고, 기존 시스템과 비교시험을 통해 난방성능 및 에너지 소비량을 비교․분석하였다. 이를 토대로 모세유관 바닥복사 난방시스템의 공동주택 적용 가능성을 평가하고자 한다.

2. 연구방법

본 연구는 정량적 (1)성능시험 및 (2)시뮬레이션 분석을 통한 모세유관 바닥복사 난방과 기존 표준 바닥복사 난방과의 비교평가를 기본으로 한다. 먼저, 간헐 운전에 대한 초기 난방 대응성, 온수분배를 통한 균일한 온도분포와 방열량 분석을 통해 난방효율과 에너지성능을 평가하였다. 여기에는 바닥난방의 국부적 과열 및 방열량 부족 등에 대한 불쾌적성을 평가하는데 주된 목적이 있다. 평가방법은 크게 시험평가와 시뮬레이션 평가로 단계를 구분하여 진행하였다. 시험평가는 폴리프로필렌 모세유관 바닥복사 난방시스템과 PB 배관 표준바닥복사 난방시스템의 시료를 제작하고 온수난방용 바닥패널시험법(KS B 8025 : 2010) 등에 준한 성능시험으로 2개의 온수공급온도를 설정하여 실험을 진행하였다. 그리고 3차원 구조체의 전열해석 시뮬레이션을 이용하여 시험의 2가지 온수공급온도 조건에 대한 결과와 시뮬레이션의 결과가 근사하도록 보정작업을 수행한다. 시험평가와 시뮬레이션 보정의 완료 후, 다시 모세유관 매립깊이 조건에 대한 난방효율과 에너지성능에 대한 시뮬레이션 평가를 통하여 종합적인 성능을 검증하였다. 국외의 경우 이미 모세유관을 이용한 난방방식이 활성화되어 다양한 방식으로 적용되고 있지만 국내에서는 모세유관 복사난방의 적용이 제한적인 실정이다. 모세유관은 90년대 중반 독일에서 처음 개발된 것으로 외경이 3.4~4.3 mm되는 매우 얇은 배관을 말한다.^(11,¹²⁾Fig. 1(b)와 같이 주로 복사패널의 형태로 난방에 적용이 가능한 모세유관은 배관사이의 간격을 10~30 mm로 유지하며 난방을 실시하므로 전체 방열면적에 균일한 온도분포를 나타낸다. 배관의 길이에 비례하는 펌프의 정압을 고려하면, 인체의 동맥, 정맥이 되는 주관을 통한 온수는 모세혈관과 같은 분지관을 통하여 온수가 골고루 빠르게 확산되는 순환구조이기 때문에 온수순환을 위한 펌프 동력이 증가하지 않는다.

Fig. 1. Standard test specimen specification.

3. 현장시험 성능평가

3.1 시험평가 방법 및 절차

3.1.1 시험체 구성

시험평가를 위한 ALT-1의 폴리프로필렌 모세유관 바닥복사 난방시스템과 ALT-2의 PB 배관 표준바닥복사 난방시스템의 시험체 구성은 Fig. 1과 같다. 시험체의 크기는 2,000(D)×2,000(L) mm의 4.0 m²이며, 실제 난방배관(튜브)이 매립되는 면적은 1,430(D)×1,800(L) mm의 2.7 m²이다. 배관간격은 모세유관이 20 mm 이하며, PB 배관은 200 mm가 유지 되도록 배치하였다. 시험체 측면과 하부는 100 mm 단열재 마감으로 열의 전달을 최소화 하였다. 시험체의 단면 구성은 Table 1에서와 같이, 국토교통부고시 표준바닥구조(제2015-319호 제4조)를 기준으로 제작하였다. Fig. 2의 주요구성은 하단부터 210 mm의 콘크리트 슬래브와 바닥충격음 전달을 방지하기 위한 완충재(단열재) 20 mm, 경량기포콘크리트 40 mm, 그리고 마지막으로 40 mm 마감모르타르 내부에 배관을 매립하여 총 310 mm의 두께로 구성된다. 단, 최상부의 바닥 마감은 다양한 재료로 구성이 가능하기 때문에 객관성을 고려하여 마감을 하지 않은 상태의 동일한 조건으로 상대비교를 수행하였다. Fig. 3은 2개의 시험체의 제작과정을 보여주고 있다.

Table 1. Standard floor slab configurations

NO. materials	Thickness(mm)
Concrete slab	210 or more
Cushioning material	20 or more
Aerated concrete	40 or more
Finishing mortar	40 or more

※ MOLIT Public Notice 2015-319.

Fig. 2. Standard floor slab structure.

Fig. 3. The process of making test specimens.

3.1.2 시험실 개요

시험평가는 Fig. 4의 12,000(D)×9,000(L)×3,200(H) mm 규모와 온도조건은 5℃(±0.5℃)의 항온실에서 수행되었다. 항온실 내부에는 2,500(D)×3,200(L)×2,500(H) mm 크기의 Inner Chamber 두 개가 설치되어 있고, 그 내부에서 동일한 난방 부하조건으로 난방효율과 에너지성능을 비교 평가하였다. 2개의 시험체로의 온수공급방식은 대형 항온수조에서 동일한 온수온도와 유량으로 공급한다. 난방효율을 평가하기 위해, 구조체의 표면온도, Inner Chamber의 실내온도와 적외선 카메라를 사용하여 바닥난방의 균일도를 시험하였다. 그리고 환수되는 온도차에 의한 에너지의 누적시간 공급량을 통하여 상대적인 에너지 소비량 평가를 진행하였다.

Fig. 4. Experimental test room and test/measurement equipment.

3.1.3 시험평가 방법

시험평가는 크게 2개의 시험으로 구분하여 진행했다. 별도의 난방설비가 없는 2개의 Inner Chamber는 출입문을 완전 개방하고 항온실의 온도(5℃)와 동일하게 되면 출입문을 닫고 항온실의 냉방기를 계속 가동한다. 그리고 Inner Chamber의 실내온도가 10℃에 근접하면 Inner Chamber의 시험체로 온수를 공급한다. 첫째, 간헐 운전에 대한 초기 난방 대응성은 초기 실내온도 18℃에서 22℃까지 4℃ 승온에 도달하는 시간을 기준으로 평가한다. 최근에는 1인 가구 및 맞벌이 가구의 증가로 주간과 야간의 연속난방보다는 주간에 난방을 가동하지 않고 야간에 가동하는 생활패턴의 변화로 이러한 초기 난방 대응성이 난방성능에서 중요한 요소로 작용한다. 둘째, 에너지 사용량 평가는 Inner Chamber 설정온도인 20℃에 도달 시 온수공급을 중단하고 실내온도가 다시 18℃까지 하강하면 온수공급을 가동하는 제어방식을 사용한다. 측정시간은 연속난방 기준인 총 60시간 1분 간격으로 실내온도와 온수공급/환수온도를 측정하였다. 여기서 에너지 사용량은 동일한 온수온도와 유량으로 실내의 설정온도의 도달 유무에 따라서 공급이 주기와 시간이 결정되고 이에 따른 공급온도와 환수 온도차에 의해 60시간 동안의 누적 에너지 사용량을 산출하게 된다. 시험조건은 온수공급온도 조건을 기준으로 각각의 시험을 총 2회 진행하였다. 1회차 시험조건은 현재 가장 보편적으로 적용되는 온수공급온도 55℃를 기준으로 하였고, 2회차 시험조건은 저온수 바닥난방의 적용성을 판단하기 위해서 40℃로 낮춰서 시험을 진행하였다. 그러나 1회차/2회차 시험조건에서 온수공급 유량은 3 L/min로 동일한 기준 값을 적용하였다. 시험체 및 Inner Chamber 온도센서 위치는 Fig. 5와 같다. 바닥 표면온도 측정센서는 시험체 중심에서 균일간격 총 8지점에 설치된다. 즉, 바닥난방 배관 상부지점과 배관사이의 온도차를 측정하는 것이 주목적이며, 열화상 카메라를 이용한 시각적인 결과 도출도 가능하다. Inner Chamber 내부의 공기온도는 수직높이 3개의 지점에서 측정하며, 제어 및 판단이 되는 주된 실내온도는 1,500mm 수직높이의 측정값을 기준으로 하였다.

Fig. 5. Test conditions of hot water supply temp. and locations of sensors installation.

3.2 시험결과

3.2.1 설정온도 도달시간(간헐운전 대응성)

간헐 운전에 대한 초기 난방 대응성 평가는 초기 실내온도 16℃에서 20℃까지 4℃ 승온에 도달하는 시간을 측정하였다. Fig. 6에서와 같이, 온수공급온도 55℃ 조건에서, ALT-1의 모세유관 바닥복사 난방시스템은 설정온도 20℃까지 20분이 소요되고 ALT-2의 표준바닥난방은 완만한 기울기로 약 60분 뒤에 도달하였다.

Fig. 6. Time of Concentration on initial room set temperature(16℃ → 20℃).

온수공급온도를 40℃로 변화시킨 후 시험한 결과, 각각 ALT-1은 31분, ALT-2는 110분으로 약 3배 이상의 도달시간이 차이가 났다. 이는 바닥복사 난방의 방열능력을 보여주며, 모세유관 바닥복사 난방시스템이 표준바닥 난방시스템에 비해 간헐운전에 대한 초기 대응성이 매우 우수한 것으로 분석되었다.

3.2.2 바닥온도분포(온도 균일도)

난방 가동시 바닥온도의 균일도는 Inner Chamber 설정온도인 20℃에 도달 시 온수공급을 중단하고 실내온도가 다시 18℃까지 하강하면 온수공급을 가동하는 제어방식으로 60시간을 연속운전하여 바닥온도의 분포를 시험하였다.

Table 2는 총 8개의 측정점에서 바닥온도가 최대로 가열되었을 때 최대 온도편차를 나타내고 있다. 온수공급온도 55℃와 40℃ 조건에서 ALT-1과 ALT-2의 바닥표면온도는 각각 최대 37℃와 35℃ 이상으로 비슷한 온도를 보이지만 온도편차는 ALT-1은 1.7℃로 매우 균일한 분포를 보이고 있지만, ALT-2는 온수공급온도 55℃, 40℃에서 각각 최대 17.6℃와 12.6℃로 매우 큰 온도편차를 보이고 있다. 이러한 현상은 ALT-2 표준바닥난방의 경우, 코일이 설치된 면적이 ALT-1 모세유관 바닥복사 난방시스템과 동일하여도 피치간격에 의해서 코일이 설치된 부위와 그렇지 않은 부위의 온도차가 상당하게 발생하게 된다. Fig. 7과 Fig. 8은 60시간을 연속운전을 실시하여 온수공급온도 55℃와 40℃의 조건에서 두 종류의 바닥난방 표면온도 분포를 보여준다. 실내의 설정온도 도달에 따라서 온수가 공급되고 중단되는 과정을 반복하면서 바닥의 표면온도가 주기적으로 변화하지만 ALT-1은 8개의 측정점에서 거의 동일한 분포로 변화하는 반면에 ALT-2는 온수가 공급되는 주기 동안에는 각각의 측정점 별로 상당한 온도차를 보이는 것으로 나타났다. 바닥복사 난방시스템에서 표면온도의 불균형은 재실자에게 불쾌적을 주는 가장 큰 원인이 되며, 실내온도 유지를 위한 바닥표면의 국부적인 과열 및 에너지의 과다공급에 대한 문제가 발생할 수 있다.

Table 2. Floor surface temperature distribution and maximum temperature difference

Hot water supply temperature condition		Floor surface temperature at measurement points(℃)								Max temperature difference(℃)
Hot water supply temperature condition		SP-1	SP-2	SP-3	SP-4	SP-5	SP-6	SP-7	SP-8	Max temperature difference(℃)
55℃	ALT-1 : Capillary tube mat	37.8	36.9	36.1	37.2	37.2	36.2	37.4	36.6	1.7
55℃	ALT-2 : PB(Polybutylene) pipe	37.6	38.7	33.4	22.9	37.4	36.8	22.0	24.5	17.6
40℃	ALT-1 : Capillary tube mat	35.3	34.3	33.9	34.4	34.6	33.6	34.4	34.0	1.7
40℃	ALT-2 : PB(Polybutylene) pipe	35.2	34.8	32.5	23.7	34.0	33.4	22.6	26.0	12.6

Fig. 7. Floor surface temperature distribution (Hot water supply temperature : 55℃).

Fig. 8. Floor surface temperature distribution(Hot water supply temperature : 40℃).

Fig. 9의 적외선 카메라 이미지는 온수공급전, 온수공급후 10분과 60분의 바닥표면온도의 분포를 시각적으로 볼 수 있다. ALT-1는 전체적으로 모세유관이 설치되어 균일한 온도분포는 나타내지만, ALT-2은 바닥코일의 피치간격에 따라 온도의 분균형이 명확하게 나타난다. 따라서 모세유관 바닥복사 난방시스템은 이러한 바닥난방의 가장 큰 단점을 보완할 수 있는 시스템으로 고려될 수 있다.

Fig. 9. Infrared images for floor surface temperature distribution.

3.2.3 실내온도분포와 공급열량

에너지 사용량은 동일한 온수공급온도와 유량으로 실내의 설정온도인 20℃에 도달되면 공급을 중단하고 다시 18℃에 도달하면 가동하는 방식으로 총 60시간 동간의 공급열량을 비교하였다. 그러나 각각의 시스템의 특성에 따라 실내설정온도에 도달하여 온수공급이 중단되어도 구조체가 가지고 있는 축열 성능에 따라서 실내온도는 계속 올라가는 현상이 발생한다.

(1) 온수공급온도 55℃

Fig. 10은 온수공급온도 55℃ 조건에서의 수직 1.5 m 지점의 공기온도를 나타내고 있다. 동일한 유량과 온도로 온수를 공급했을 때, ALT-1이 ALT-2에 비해 약 2.0℃ 이상 높은 온도를 보인다. 이는 설정온도에 도달하여 온수공급이 중단되었지만 배관내 잔여 온수열량과 축열된 구조체에 의해서 계속 방열효과가 나타난다. Fig. 11(a)의 60시간 동안 바닥난방으로 공급되는 총 열량은 ALT-1 870,675 W와 ALT-2 873,365 W로 약 0.3% 덜 투입되었다. 그러나 실내온도 분포로 볼 때 ALT-1의 방열량이 월등하게 많은 것으로 판단된다. 또한 Fig. 11(b)의 온수의 공급-환수 온도차 △T_hw는 ALT-2가 평균 10℃ 이하이지만 ALT-1는 18℃ 이상으로 짧은 시간동안 더 많은 열량을 공급할 수 있는 능력을 갖고 있다.

Fig. 10. Room air temperature distribution at 1.5 m above the floor(Hot water supply temperature : 55℃).

Fig. 10

Fig. 11. (a) Input energy to floor heating and (b) HWS-HWR temperature differential(HWS temp. 55℃).

Fig. 11

(2) 온수공급온도 40℃

Fig. 12는 온수공급온도 40℃ 조건에서의 수직 1.5 m 지점의 공기온도를 나타내고 있다. 온수공급온도 55℃ 조건에서와 동일하게, 온수공급이 시작되면 ALT-1이 ALT-2에 비해 약 2.0℃ 이상 높은 온도를 유지한다. Fig. 13(a)의 60시간 동안 바닥난방으로 공급되는 총 열량은 ALT-1 785,474 W와 ALT-2 772,976 W로 약 1.6% 더 투입되었다. Fig. 13(b)의 온수의 공급-환수 온도차 △T_hw는 ALT-2가 평균 6℃ 이하이지만 ALT-1은 13℃ 이상으로 실내 온도 분포를 동시에 고려해볼 때, ALT-1의 방열량이 상당이 많은 것으로 분석되었다. 또한 모세유관 바닥난방시스템은 고온(55℃)온수 조건에서보다 저온(40℃)온수에서 보다 효율적인 난방공급이 가능한 것으로 분석되었다.

Fig. 12. Room air temperature distribution at 1.5 m above the floor(Hot water supply temperature : 40℃).

Fig. 13. (a) Input energy to floor heating and (b) HWS-HWR temperature differential(HWS temp. 40℃).

4. 에너지효율 평가

4.1 에너지 사용량 및 효율분석

제 3장의 현장시험의 결과를 통하여 ALT-1의 폴리프로필렌 모세유관 바닥복사 난방시스템과 ALT-2의 PB배관 표준바닥복사 난방시스템의 난방성능평가를 하였다. 초기운전에 대한 간헐운전 대응성, 바닥온도분포에 대한 온도 균일도와 실내온도 분포 등 ALT-1이 상대적으로 매우 우수한 성능을 보였다. 그러나 에너지 효율 측면에서 두 바닥난방시스템의 특성과 제어의 한계에 의해서 동일한 실내의 설정조건에서 에너지 사용량을 평가하는 것은 한계가 있었다. 따라서 온수공급을 통한 바닥난방시스템의 공급열량과 실내의 온도를 유지하는 실내공기의 가열량의 비율로 각 시스템의 효율을 평가하였다.

바닥난방시스템의 열원(온수)공급 열량은 식(1)과 같이 바닥난방으로 공급되는 온수유량과 온수의 공급-환수의 온도차에 비례한다. 그리고 식(2)의 바닥난방에 의한 실내공기의 가열열량은 실내의 체적과 설정온도(20℃)와 실내온도의 온도차에 비례한다.

(1)

q_{h w} = Q_{h w} \times ∆ T_{h w} \times C p_{h w} \times ρ_{h w}

(2)

q_{r a} = V_{r o o m} \times ∆ T_{r a} \times C p_{a i r} \times ρ_{a i r}

Fig. 14(a)의 온수공급온도 55℃ 조건에서 ALT-1은 ALT-2와 비교하여 공급 에너지인 바닥난방의 온수공급 열량의 변화율(△q_hw) 약 0.3% 감소하였고 출력에너지인 실내 공기 가열량의 변화율(△q_ra)은 약 11.7% 향상되는 것을 확인할 수 있다. 동일한 패턴으로 Fig. 14(b)의 온수공급온도 40℃ 조건에서 ALT-1은 ALT-2와 비교하여 공급에너지인 바닥난방의 온수공급 열량의 변화율(△q_hw) 약 1.6% 증가에 비례하여 출력에너지인 실내 공기 가열량의 변화율(△q_ra)은 약 9.2% 향상되었다. 따라서 최종적으로 두 시스템에 대한 상대적인 에너지 효율증가는 식(3)과 같이, 바닥난방의 온수공급 열량의 변화율(△q_hw)을 기준으로 바닥난방에 의한 실내 공기 가열량의 변화율(△q_ra)의 비율로 판단할 수 있다.

Fig. 14. Input energy and output energy percentage difference; (a) HWS temp. 55℃, b) HWS temp. 40℃.

(3)

∆ ϵ = \frac{∆ q_{r a}}{∆ q_{h w}} = \frac{(q_{r a}^{A L T - 1} - q_{r a}^{A L T - 2}) / q_{r a}^{A L T - 2}}{(q_{h w}^{A L T - 1} - q_{h w}^{A L T - 2}) / q_{h w}^{A L T - 2}}

Table 3과 같이, 각 온수공급온도 조건에서 입력에너지비율 대비 출력에너지비율의 상대적인 효율증가는 온수공급온도 55℃ 조건에서 ALT-1 폴리프로필렌 모세유관 바닥복사 난방시스템이 ALT-2 PB 배관 표준바닥난방 대비 11.7%가 증가하였다. 이는 동일한 열량을 투입했을 때, 난방효율(방열량)이 12.1%가 향상된 것을 의미한다. 또한 온수공급온도 40℃ 조건에서도 ALT-1이 ALT-2 대비 9.2% 난방 효율이 향상됨을 볼 수 있다.

Table 3. The energy efficiency percentage difference of 2 floor heating cases

Hot water supply temperature condition	$q_{h w}^{A L T - 1}$	$q_{h w}^{A L T - 2}$	△q_hw	$q_{r a}^{A L T - 1}$	$q_{r a}^{A L T - 2}$	△q_ra	Efficiency percentage difference(△ε)
55℃	870,675	873,365	0.3% ↓	260,702	233,324	11.7% ↑	12.08% ↑
40℃	785,474	772,976	1.6% ↑	249,307	228,327	9.2% ↑	9.19% ↑

Hot water supply

temperature condition

$q_{h w}^{A L T - 1}$

$q_{h w}^{A L T - 2}$

△q_hw

$q_{r a}^{A L T - 1}$

$q_{r a}^{A L T - 2}$

△q_ra

Efficiency percentage difference(△ε)

55℃

870,675

873,365

0.3% ↓

260,702

233,324

11.7% ↑

12.08% ↑

40℃

785,474

772,976

1.6% ↑

249,307

228,327

9.2% ↑

9.19% ↑

표준바닥복사 난방시스템의 일반적인 온수온도조건인 55℃와 모세유관 바닥복사 난방시스템의 온수온도 40℃ 조건을 비교하면, 바닥표면온도분포 및 실내온도분포도 모세유관 바닥복사 난방시스템이 상대적으로 우수하며 에너지 사용량도 약 10% 이상 절감되는 것으로 분석되었다. 결론적으로, 모세유관 바닥복사 난방시스템은 표준바닥난방에 비해 난방효율이 좋은 것으로 평가되었으며 에너지 사용량을 고려할 경우, 저온온수인 40℃에서 보다 적합한 것으로 나타났다.

5. 시뮬레이션 성능평가

5.1 시뮬레이션 개요 및 방법

시뮬레이션 평가는 모세유관 바닥복사 난방시스템 배관의 최적 매립 깊이를 도출하는 것을 목적으로 한다. 이를 위하여 3차원 비정상 상태 전열해석을 실시하여 배관의 매립 깊이에 따른 난방효율의 변화를 해석하였다. 시뮬레이션 해석 결과의 신뢰성 검증을 위하여, 현장시험 성능평가와 동일한 조건으로 해석하여 도출된 결과와 비교하여 검증하였고 이후 검증된 시뮬레이션 모델을 활용하여 모세유관 매립 깊이를 변화시키면서 난방 효율의 변화를 분석하였다. 시뮬레이션 모델은 3차원 비정상상태 해석 프로그램인 PHYSIBEL을 사용하였다. 본 해석 프로그램은 건물 전체 또는 상세부분의 열류, 전열, 투습 등의 열 성능을 평가할 수 있는 전산 시뮬레이션 프로그램이며, 이 중 VOLTRA 모듈을 이용하여 3차원 비정상상태 전열해석을 실시하였다.

시뮬레이션 해석 모델은 모세유관의 현장 시험을 위해 구성한 난방바닥 구조와 구성 및 크기가 동일하게 설정하였다. 시뮬레이션 모델링은 공기온도 변화를 확인할 수 있는 [SP-1], 온수공급관 상부 표면온도를 확인할 수 있는 [SP-2], 환수관 상부 표면온도를 확인할 수 있는 [SP-3]을 설정하였고 실내 공기 측으로 전달되는 공급열량을 산출할 수 있도록 구성하였다. 해석 Case 및 조건은 Table 4와 같이 설정하였다.

Table 4. Simulation cases and conditions

		Simulation conditions
		HWS temperature(℃)	Pipe placement depth(mm)
Verification	Case-1	55	30
Verification	Case-2	40	30
Comparison analysis	Case-3	55	20
	Case-4	55	10
	Case-5	40	20
	Case-6	40	10

5.2 시뮬레이션 모델의 검증

5.2.1 실내 공기온도 변화

Fig. 15의 온수공급온도에 따른 실내 공기의 온도 변화를 현장 시험과 비교한 결과, 공급되는 온수공급온도에 따른 공기온도 변화는 해석 시점에 따라 최대 1.0℃ 내외(온수공급온도 55℃ : 0.68℃, 40℃ : 1.06℃) 평균 0.3℃ 이내(온수공급온도 55℃ : 0.30℃, 40℃ : -0.11℃)의 온도차를 나타내어 현장시험의 온도변화 경향을 비교적 잘 반영하고 있는 것으로 확인되었다. 또한 가동 후, 실내온도 20℃에 도달하는 시점도 온수공급온도 40℃의 경우 약 5분의 오차를 나타내고 있으며, 55℃인 경우 동일한 시점으로 나타나 현장시험과 매우 유사한 경향을 보이는 것으로 판단되었다.

Fig. 15. Air temperature comparisons of field measurement and simulation results.

5.2.2 표면온도 및 방열량 비교

바닥표면온도는 난방 가동 후 도달하는 최고 온도와 실내로 공급되는 방열량을 비교하였다. Table 5와 같이, 온수공급온도 55℃인 Case 1은 표면온도가 시뮬레이션 결과에서 다소 낮은 온도로 도출되었으나 방열량은 실측 대비 0.7%로 매우 유사한 결과가 나타났다. 온수공급온도 40℃인 Case 2는 각각의 표면온도 차이가 약 0.58℃로 매우 유사한 경향을 보이며 방열량은 현장시험 대비 약 9.4% 높게 예측되어 시뮬레이션 결과가 바닥표면온도 대비 다소 방열량이 높게 해석되는 경향이 있는 것으로 나타났다. 온도차에 따라 방열량의 차이가 증감하는 것을 볼 수 있으며 표면온도 및 방열량에서 약간의 오차가 발생하지만 온도차에 따른 방열량의 차이가 발생되는 경향은 비교적 적절히 반영되는 것으로 사료된다.

Table 5. Comparisons of field measurement and simulation results

		Floor surface temperature(℃)			Output energy(W/m²)
		Field measurement	Simulation results	Temperature differential	Field measurement	Simulation results	Error rate (%)
Verification	Case-1	44.8	41.7	-3.14	2,907	2,926	0.7
Verification	Case-2	36.3	36.9	0.58	2,420	2,647	9.4

5.3 모세유관 매립 깊이 변화에 따른 난방 성능평가

시뮬레이션 해석 결과와 현장시험 결과의 비교를 통하여 시뮬레이션 해석 모델이 시스템 성능 특성을 비교적 잘 반영하고 있음을 확인하였으며, 본 시뮬레이션 모델을 활용하여 모세유관 매립깊이에 따른 바닥 표면온도 및 방열량의 변화를 해석하였다. 모세유관 매립 깊이 변화에 따른 난방 성능평가를 위하여 동일한 시간 동안 온수가 공급되도록 해석하였으며, 이때 발생되는 온도 및 방열량의 차이를 비교하였다. 이는 매립 두께에 따른 열전달 특성의 차이를 명확히 비교하고 제어에 따른 차이를 배제하기 위한 것이다. 모세유관 매립 깊이는 기준 모델인 30 mm를 20 mm, 10 mm로 변경하여 분석하였다.

5.3.1 실내 공기온도 변화

모세유관 매립 깊이에 따라 공기온도의 상승시간이 단축되는 것으로 나타났으며, 공급되는 온수 온도가 55℃일 경우 매립 두께 10 mm 축소 시 약 5분의 시간 단축 효과가 나타났으며, 온수 온도가 40℃일 경우 매립 두께 10 mm 축소 시 약 7~8분의 시간 단축 효과가 나타났다. Fig. 16에서와 같이, 온수공급온도 55℃인 경우, Case 3(매립두께가 20 mm)은 약 2.0℃, Case 4(매립깊이 10 mm)는 약 3.2℃ 공기온도가 상승하는 것으로 나타났다. 온수온도 40℃인 경우, Case 5(매립깊이 20 mm)는 약 0.8℃, Case 6(매립깊이 10 mm)은 약 1.1℃ 더 상승하는 것으로 나타나 매립두께 축소는 실내온도를 빠르게 상승시키는데 효과적인 것으로 판단된다.

Fig. 16. Air temperature distribution by pipe placement depth; (a) HWS : 55℃ and (b) HWS : 40℃.

5.3.2 표면온도 및 방열량 비교

Table 6은 온수공급온도와 모세유관 매립깊이에 따른 Case별 바닥 표면온도를 비교한 것이며, 비교한 온도는 각 Case별 최고 표면온도를 비교한 것이다. 바닥 표면온도의 상승은 온수공급온도가 55℃인 경우, Case 3은 약 3.8℃, Case 4는 약 5.6℃ 상승하는 것으로 나타났다. 또한 온수공급온도가 40℃인 경우, Case 5는 약 1.1℃, Case 6은 약 1.9℃ 상승하는 것으로 나타나, 온수온도가 높은 Case에서 표면온도 상승 영향이 보다 큰 것으로 나타났다. 즉, 온수공급온도가 높은 Case에서 표면온도 상승 영향이 보다 큰 것으로 나타났고 이는 운영 중 바닥난방의 과열로 쾌적성을 저하할 수 있기 때문에 저온 온수인 40℃로 공급하는 것이 보다 안정적인 것으로 판단된다. 최대 방열량 기준으로 온수공급온도 및 매립깊이에 따른 방열량 변화는 Table 7과 같다. Fig. 17은 난방가동 후 30분 후의 바닥표면온도를 매립깊이에 따른 Case별 시뮬레이션 결과를 보여준다. 바닥난방시스템의 초기부하 대응에 대한 성능이며, 매립두께가 작을수록 실내의 설정온도에 보다 빨리 도달하여 간헐 운전의 대응성이 증가하게 된다. 또한, 배관의 매립두께가 감소함에 따라 실내로 전달되는 방열량도 증가하는 것으로 나타났으며, 온수공급온도와 관계없이 매립두께가 20 mm로 감소되면 약 4.0%, 10 mm로 감소될 경우 약 6.0%의 열량 공급 효과가 향상되는 것으로 나타났다. 이는 배관 매립두께 감소가 실내 공기에 대한 난방 효율을 향상하는데 효과적인 것으로 판단된다.

Table 6. Maximum floor surface temperature by pipe placement depth

	Hot water supply temperature : 55℃			Hot water supply temperature : 40℃
	Case 1	Case 3	Case 4	Case 2	Case 5	Case 6
Pipe placement depth(mm)	30	20	10	30	20	10
Max floor surface temperature(℃)	44.8	48.6	50.5	36.31	37.38	38.19
Temperature differential(rise)(℃)	-	3.79	5.62	-	1.07	1.88

Table 7. Maximum output energy by pipe placement depth

	Hot water supply temperature : 55℃			Hot water supply temperature : 40℃
	Case 1	Case 3	Case 4	Case 2	Case 5	Case 6
Pipe placement depth(mm)	30	20	10	30	20	10
Max output energy(W/m²)	2,926	3,044	3,110	2,647	2,753	2,802
Increasing rate(%)	-	4.0	6.3	-	4.0	5.8

Fig. 17. Floor surface temperature distribution contour by pipe placement(30 min).

6. 결 론

본 연구에서는 현장 시험평가를 통하여 기존의 표준바닥복사 난방시스템과 모세유관 바닥복사 난방시스템의 난방성능을 검증하고 바닥표면온도와 실내온도분포를 통한 온열환경을 분석하였다. 또한 시뮬레이션 분석은 현장시험 성능평가와 동일한 조건으로 해석하여 도출된 결과와 비교하여 검증하였고 이후 검증된 시뮬레이션 모델을 활용하여 모세유관 매립 깊이를 변화시키면서 난방 효율의 변화를 분석하였다. 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

(1) 간헐운전 대응성 : 간헐 운전에 대한 초기 난방 대응성 평가는 초기 실내온도에서 4℃ 승온에 도달하는 시간을 측정하였다. 온수공급온도 55℃ 조건에서, 모세유관 바닥복사 난방시스템은 20분이 소요되고 표준바닥 난방시스템은 약 60분이 뒤에 도달하였다. 온수공급온도 40℃ 조건에서는 각각 31분, 110분으로 약 3배 이상의 도달시간이 차이가 났다. 즉, 모세유관 바닥복사 난방시스템이 표준바닥 난방시스템에 비해 간헐운전에 대한 초기 대응성이 매우 우수한 것으로 분석되었다.

(2) 바닥표면온도 균일도 : 온수공급온도 55℃와 40℃ 조건에서 모세유관 바닥복사 난방시스템과 표준바닥 난방시스템의 바닥표면온도는 각각 최대 37℃와 35℃ 이상으로 비슷한 온도를 보이지만 온도편차는 모세유관 바닥복사 난방시스템은 1.7℃로 매우 균일한 분포를 보이고 있지만, 표준바닥 난방시스템은 온수공급온도 55℃, 40℃에서 각각 최대 17.6℃와 12.6℃로 매우 큰 온도편차를 보이고 있다.

(3) 에너지 효율 : 온수공급온도 55℃와 40℃ 조건에서 각각 모세유관 바닥복사 난방시스템이 표준바닥 난방시스템 대비 12.1%, 9.2% 난방 효율이 향상됨을 볼 수 있다. 모세유관 바닥복사 난방시스템은 에너지 사용량을 고려할 경우, 저온온수인 40℃에서 보다 적합한 것으로 나타났다.

(4) 모세유관의 매립깊이 분석 : 모세유관의 매립 깊이가 감소함에 따라 실내 공기로 전달되는 공급열량도 증가하는 것으로 나타났다. 공급 온수온도와 관계없이 매립두께가 20 mm로 감소되면 약 4.0%, 10 mm로 감소될 경우 약 6.0%의 열량 공급 효과가 향상되는 것으로 나타났다. 이는 배관 매립두께 감소가 실내 공기에 대한 난방 효율을 향상하는데 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 모세유관의 매립 깊이로 감소시킬 경우, 바닥표면온도의 과열을 방지하기 위해서는 온수공급온도를 40℃ 이하로 공급하는 것이 바람직하다.

모세유관 바닥복사 난방시스템의 종합적인 성능을 현장시험 및 시뮬레이션 분석을 한 결과, 간헐운전 대응성, 바닥표면온도 균일도 및 에너지 효율 측면에서 기존의 표준바닥복사 난방시스템 보다 우수하였다. 또한 모세유관의 매립두께는 10 mm에서 가장 우수한 난방성능을 발휘하는 것으로 평가되었고 바닥표면온도의 과열을 방지하기 위해 40℃ 이하의 저온온수를 사용하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.

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KJACRKorean Journal ofAir-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.

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Journal Information

Experimental Study on a Low-Temperature Hot Water Capillary Radiant Floor Heating System

Abstract

Key words

기호설명

1. 연구배경 및 목적

2. 연구방법

Fig. 1. Standard test specimen specification.

3. 현장시험 성능평가

3.1 시험평가 방법 및 절차

3.1.1 시험체 구성

Table 1. Standard floor slab configurations

Fig. 2. Standard floor slab structure.

Fig. 3. The process of making test specimens.

3.1.2 시험실 개요

Fig. 4. Experimental test room and test/measurement equipment.

3.1.3 시험평가 방법

Fig. 5. Test conditions of hot water supply temp. and locations of sensors installation.

3.2 시험결과

3.2.1 설정온도 도달시간(간헐운전 대응성)

Fig. 6. Time of Concentration on initial room set temperature(16℃ → 20℃).

3.2.2 바닥온도분포(온도 균일도)

Table 2. Floor surface temperature distribution and maximum temperature difference

Fig. 7. Floor surface temperature distribution (Hot water supply temperature : 55℃).

Fig. 8. Floor surface temperature distribution(Hot water supply temperature : 40℃).

Fig. 9. Infrared images for floor surface temperature distribution.

3.2.3 실내온도분포와 공급열량

Fig. 10. Room air temperature distribution at 1.5 m above the floor(Hot water supply temperature : 55℃).

Fig. 11. (a) Input energy to floor heating and (b) HWS-HWR temperature differential(HWS temp. 55℃).

Fig. 12. Room air temperature distribution at 1.5 m above the floor(Hot water supply temperature : 40℃).

Fig. 13. (a) Input energy to floor heating and (b) HWS-HWR temperature differential(HWS temp. 40℃).

4. 에너지효율 평가

4.1 에너지 사용량 및 효율분석

(1)

(2)

Fig. 14. Input energy and output energy percentage difference; (a) HWS temp. 55℃, b) HWS temp. 40℃.

(3)

Table 3. The energy efficiency percentage difference of 2 floor heating cases

5. 시뮬레이션 성능평가

5.1 시뮬레이션 개요 및 방법

Table 4. Simulation cases and conditions

5.2 시뮬레이션 모델의 검증

5.2.1 실내 공기온도 변화

Fig. 15. Air temperature comparisons of field measurement and simulation results.

5.2.2 표면온도 및 방열량 비교

Table 5. Comparisons of field measurement and simulation results

5.3 모세유관 매립 깊이 변화에 따른 난방 성능평가

5.3.1 실내 공기온도 변화

Fig. 16. Air temperature distribution by pipe placement depth; (a) HWS : 55℃ and (b) HWS : 40℃.

5.3.2 표면온도 및 방열량 비교

Table 6. Maximum floor surface temperature by pipe placement depth

Table 7. Maximum output energy by pipe placement depth

Fig. 17. Floor surface temperature distribution contour by pipe placement(30 min).

6. 결 론

References

Article Information (continued)

Key words

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