2.1 분석 대상 공동주택 선정

본 연구에서 밝히고자 하였던 통합배관시스템(2-pipe)의 난방 및 급탕의 성능과 에너지 절감효과를 분석하기 위해서는 동일 대상에 기존 시스템(4-pipe)과 통합배관시스템(2-pipe)을 각각 적용하여 비교·분석할 필요가 있다. 서울 양천구의 ‘A’ 아파트 단지는 기존 시스템(4-pipe)에서 통합배관시스템(2-pipe)으로 개체공사를 한 단지로 각각의 시스템에서의 에너지 사용실적이 있기 때문에 이 같은 조건에 충족되므로 본 연구의 분석 대상으로 선정하였으며, 단지의 정보는 Table 1과 같다.

2.2 주요 분석 내용 및 연구방법

분석 대상 공동주택을 각각의 시스템으로 모델링하고, 이를 동특성 에너지 시뮬레이션 소프트웨어인 TRNSYS 17을 이용하여 비교․분석하였다. 첫째로 세대 난방성능을 분석하였다. Shin et al.⁽⁶⁾은 난방코일 공급온도와 방열량이 선형적 관계가 있음을 연구하였는데, 가열수를 이용하여 급탕과 난방을 동시에 하는 통합배관시스템 (2-pipe)의 특성상 급탕사용 시 난방코일의 공급온도 저하로 난방불량이 발생할 수 있으므로 급탕사용 시 에도 실내온도가 설정온도 이상으로 유지되는지 시뮬레이션으로 확인하였다.

두 번째로 가열 수 조건에 따른 급탕성능을 분석하였다. 통합배관시스템(2-pipe)을 TRNSYS 17에 모델링 후 가열수의 조건을 현재 대다수 공동주택에서 사용되고 있는 외기보상온도설정과 급탕온도 55~60℃로 설정한 방법을 각각 적용하여 그 결과를 비교․분석함으로써 통합배관시스템(2-pipe)의 급탕성능과 운영방안을 제시 하였다.

마지막으로 측정을 통해 얻은 분석대상 공동주택의 월별 에너지 사용량을 시뮬레이션 결과와 비교하여 통합 배관시스템(2-pipe)과 기존 시스템(4-pipe), 각 시스템에서의 에너지 사용량과 배관에서의 열손실량을 비교·분석 하여 통합배관시스템(2-pipe)의 에너지 절감요인을 분석하였다.

3.1 기존 시스템(4-pipe)과 통합배관시스템(2-pipe) 비교

기존 시스템(4-Pipe)은 Fig. 1과 같이 난방배관과 급탕배관이 분리되어 세대까지 연결되어있다. 하지만 통합 배관시스템(2-pipe)은 Fig. 2와 같이 난방과 급탕배관을 통합하여 하나의 배관으로 가열수를 공급하는 대신에 각 세대에 급탕을 공급하기 위한 세대열교환기가 설치된다.⁽⁷⁾ 통합배관시스템(2-pipe)은 배관이 통합되어 배관 개수가 감소하므로 열손실 감소가 기대됨과 동시에 시공비와 유지보수비용 절감이 기대된다.

3.2 세대열교환기

단지의 지하기계실에서 세대로 공급되는 가열수는 Fig. 3에서 보듯이 세대 급탕열교환기를 통과하여 급탕 에너지로 사용된 후 난방코일로 유입되어 난방에너지에 사용된다. 분석 대상 아파트의 1세대의 급탕부하⁽⁸⁾는 Table 2와 같으며, 분석 대상 공동주택에 설치된 세대열교환기 용량은 이에 충분한 용량임을 Table 3을 통해 확인할 수 있다.

4.1 난방부하 모델링

본 연구에서는 통합배관시스템(2-pipe)을 적용하였을 때 세대 난방 및 급탕성능과 배관열손실 감소에 대해 분석하고자 하였다. 먼저 난방성능을 분석하기 위하여 난방부하를 산정하여야 하는데, 이를 위한 설계조건은 Table 4와 같다. 그리고 벽체의 열적물성을 Table 5와 같이 적용하였고, 벽체구성은 Table 6과 같이 적용하였다.

세대의 위치 또한 난방부하에 영향을 미칠 수 있으므로 대표로 단지의 1개 동을 선정하여 최하층(Zone 1), 중간층(Zone 2), 최상층(Zone 5)의 세대에 대하여 난방 및 급탕에너지 사용량을 분석할 수 있도록 Fig. 4와 같이 존을 구획하였으며, 입상관이 위치한 계단실(Zone 6~Zone 10)을 별도의 존으로 나누어 배관열손실의 외부환경 조건에 반영될 수 있도록 하였다. 실내의 존은 Fig. 5와 같이 구획하였으며, 실내(Room)의 바닥면은 난방코일을 Active layer로 모델링하여 바닥난방으로 설정하였고, Balcony와 계단실(Stair hall)은 비난방으로 설정하였다.

4.2 배관 모델링

배관에서의 열손실을 분석하기 위해서 분석대상 공동주택의 지하주차장배관과 입상관을 각 시스템별로 Table 7과 같이 적용하였으며, 배관보온재는 대상공동주택의 시공되어있는 NBR 고무발포보온단열재를 Table 8과 같이 적용하였다.

5.1 지역난방 시스템 모델링

통합배관시스템(2-pipe)과 기존 시스템(4-pipe)의 난방 및 급탕성능과 에너지 사용량을 비교·분석하기 위하여 각각의 시스템을 TRNSYS 17을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 세대의 난방 및 급탕성능 분석과 배관열손실을 구하기 위하여 멀티존의 열유동을 해석할 수 있는 Type 56 건물모델을 활용하였으며, 세대의 난방설정은 Type 2 제어를 이용하여 설정온도는 20℃(Dead band ± 1℃)로 설정하였다. 그 외 시뮬레이션에 적용되는 열교환기 및 펌프의 열적물성은 한국지역난방공사의 열사용시설기준을 반영하였다.

시뮬레이션 스튜디오의 구성은 크게 지역난방의 1차측 공급설비를 A구역, 사용자시설 기계실을 B구역, 세대설비 C구역으로 나누어 볼 수 있다. 배관은 지하주차장의 횡주관과 계단실에 위치한 입상관을 구분하였는데 횡주관의 주변 환경은 지하주차장에 노출되어 있음을 감안하여 외기온도를 적용하였고, 입상관은 계단실온도가 적용될 수 있도록 하였다.

5.2 세대 난방성능 분석

통합배관시스템(2-pipe)은 가열수를 이용하여 급탕과 난방을 동시에 하기 때문에 급탕사용 시 난방코일에 유입되는 가열수의 온도하락으로 난방성능에 문제가 발생할 것으로 예상되었다. 만약 급탕의 사용과 관계없이 설정온도(20℃) 이상으로 실내온도를 유지한다면 난방성능에 이상이 없다고 판단할 수 있으며, 이를 확인하기 위하여 각 시스템에 대해 시뮬레이션을 시행하고 비교·분석하였다.

시뮬레이션의 조건으로 통합배관시스템(2-pipe)에서의 가열수의 온도는 55~60℃로 설정하였는데, 이는 세대열교환기의 성능과 세대 급탕온도를 고려한 설정이다. 그리고 기존 시스템(4-pipe)의 난방수 온도는 지역난방 공동주택에서 통상적으로 사용되는 식(1)의 외기보상온도⁽⁹⁾를 적용하였으며, 그 온도 범위는 45~60℃이다.

시뮬레이션을 통해 얻은 각 시스템의 실내온도 결과를 Fig. 8과 Fig. 9의 그래프로 표현하였다. 실내온도와 외기온도를 구분하기 위해 실내온도는 왼편의 주축을 기준으로 하였으며, 외기는 오른편의 보조 축을 기준으로 하였다.

통합배관시스템(2-pipe)의 실내온도 분석결과 Fig. 8에서 볼 수 있듯이 거의 모든 구간에서 설정온도인 20℃ 이상의 온도를 보임을 알 수 있다. 난방설정의 Dead band(±1℃)를 벗어나 19℃ 이하로 실내온도가 떨어진 시간은 1년 8,760시간의 1.0%인 89시간이었으며, 최저온도는 최상층에서의 18.2℃였다. 기존 시스템(4-pipe)에서의 실내 온도 역시 Fig. 9에서 볼 수 있듯이 통합배관시스템(2-pipe)의 실내온도인 Fig. 8과 유사한 결과를 보였다. 기존 시스템(4-pipe)에서는 1년 8,760시간의 0.6%인 53시간 동안 Dead band(±1℃)를 벗어나 19℃ 이하로 실내온도가 하락하였으며, 최저온도는 최하층에서의 18.6℃였다.

이 같은 결과로 통합배관시스템(2-pipe)에서의 난방성능은 기존 시스템(4-pipe)과 비교하여 유사한 성능을 발휘하는 것으로 보이며, 급탕사용과 무관하게 정상적인 성능을 발휘한다고 볼 수 있다.

5.3 세대 급탕성능 분석

건축기계설비설계기준에서의 급탕온도 기준은 목욕, 샤워 시 43℃, 세면 시에는 40℃로 정하고 있다.⁽⁸⁾ 그러므로 급탕온도를 40~43℃ 이상으로 공급한다면 급탕성능이 양호하다고 볼 수 있으며, 이를 확인하기 위하여 가열수의 온도조건에 따른 급탕공급온도를 시뮬레이션을 통해 확인하고자 하였다.

급탕사용시간은 오전 6~8시, 오후 6~8시로 설정하여 모든 시뮬레이션에 동일하게 적용하였다. 1세대 당 급탕유량 설계치는 15 LPM이지만 월별 1세대 당 급탕유량은 외기온도에 따라 달라지므로 실제 연간급탕사용량 대비 월별급탕사용량을 반영한 월별급탕사용계수 R_month를 도출하여 Table 9에 나타내었다. 월별 1세 당 급탕유량 Q_hw은 식(2)에 의해 산출된다.

세대 급탕온도에 직접적인 영향을 끼칠 수 있는 가열수의 온도조건은 2가지로 시뮬레이션 하였다. 첫 번째는 기존 시스템(4-pipe)에서 일반적으로 사용되는 식(1)의 외기보상온도에 의한 가열수온도 설정이고, 두 번째로는 세대 급탕열교환기의 성능과 급탕사용시간을 고려하여 가열수 온도를 55~60℃로 설정하여 각각의 결과를 비교하였다.

먼저 가열수를 외기보상온도를 적용하여 시뮬레이션 한 결과 Fig. 10에서 볼 수 있듯이 1년 중 급탕사용시간 1,460시간의 50.8%인 741시간 동안 적정급탕온도인 43℃ 이하로 하락하였으며, 40℃ 이하로 하락한 시간은 전체의 11.3%인 165시간이었다. 이 같은 결과와 보아 통합배관시스템(2-pipe)에서 가열수의 온도조건을 기존 시스템(4-pipe)에서 사용되는 외기보상온도를 적용하면 세대에 적정온도로 급탕을 공급할 수 없다고 볼 수 있다.

이 같은 결과에 따라 가열수의 온도를 연중 55~60℃로 좀 더 높게 설정하여 세대 급탕온도를 확인하였다. 그 결과 급탕온도분포가 Fig. 11과 같이 대부분 적정 급탕온도인 43℃ 이상으로 분포하고 있음을 볼 수 있다. 1년 중 급탕사용시간 1,460시간 중 14.0%인 204시간 동안 적정급탕온도인 43℃ 이하로 하락하였으나, 40℃ 이하로 하락한 시간은 2.1%인 31시간에 불과하다.

세대의 급탕사용시간을 연속 2시간으로 설정하여 시뮬레이션 하였음에도 불구하고 양호한 성능을 발휘하는 것으로 보아 통합배관시스템(2-pipe)의 급탕성능은 양호하다고 볼 수 있으며, 세대의 급탕성능을 보장하기 위해서는 가열수의 온도를 연중 55~60℃로 비교적 높은 온도로 공급할 필요가 있음을 알 수 있다.

5.4 에너지 사용량 및 배관에서의 에너지 손실량 비교분석

통합배관시스템(2-pipe)은 난방과 급탕배관을 하나로 통합하였기에 배관 수 감소로 인한 열손실 감소가 기대된다. 이로 인한 에너지 절감을 확인하기 위하여 분석대상 공동주택의 실제 지역난방사용량과 시뮬레이션 결과를 통해 얻은 에너지 사용량 및 배관 열손실량을 분석하여 비교하였다. 실제 지역난방 열사용량은 단지의 기계실에 설치된 적산열량계로 측정된 값이며, 이 적산열량계는 형식승인 받은 제품으로 Fig. 12와 Fig. 13과 같이 해당지역의 집단에너지 공급사가 설치하였다.

에너지 사용량을 비교하기 위하여 분석 대상단지가 개체공사를 하기 전인 2013년과 개체공사 후인 2016년의 지역난방 열에너지 사용량과 시뮬레이션을 통해 얻은 각각의 시스템의 에너지 사용량을 Table 10과 같이 비교하였다. 비교결과 분석대상 공동주택의 열에너지 사용량은 통합배관시스템(2-pipe)으로 개체공사 후 연간 12.7% 감소하였으며, 시뮬레이션으로 각 시스템의 에너지 사용량을 비교한 결과 통합배관시스템(2-pipe) 적용 시 기존 시스템(4-pipe) 대비 연간 5.7%의 에너지 절감효과가 있음을 확인하였다. 이 같은 결과로 보아 통합배관시스템(2-pipe) 적용 시 에너지 절감효과가 있음을 알 수 있다.

비교결과 배관에서의 열손실은 기존 시스템(4-pipe)은 전체 열에너지 사용량의 13.5%인 411.36 MWh, 통합 배관시스템(2-pipe)은 전체 열에너지 사용량의 10.3%인 294.92 MWh의 열에너지가 배관에서 손실되는 것으로 나타났으며, 통합배관시스템(2-pipe)이 기존 시스템(4-pipe) 대비 배관 열손실이 28.3% 감소됨을 확인 할 수 있다.

통합배관시스템(2-pipe)의 에너지 절감효과의 주된 원인을 밝히기 위하여 시뮬레이션을 통해 얻은 난방 및 급탕 열에너지 사용량과 배관에서의 열손실량을 Table 11과 같이 비교하였다. 각 부분별 열에너지 사용량의 비교결과 통합배관시스템(2-pipe)의 에너지 절감효과의 주된 원인은 배관에서의 열손실 감소임을 알 수 있다.

Table 10의 분석 대상단지의 실제 에너지 사용량과 시뮬레이션을 통한 결과를 토대로 월별 열에너지 사용량을 분석한 결과 통합배관시스템(2-pipe) 적용 시 동절기에는 에너지 절감이 나타나는 반면에 난방 사용이 적거나 없는 시기에는 에너지 사용량이 기존 시스템(4-pipe)보다 더 많음을 알 수 있다. 이 같은 이유는 난방 및 급탕 에너지 사용량과 배관열손실을 비교한 Table 11에서 볼 수 있듯이 난방과 급탕의 계통이 분리된 기존 시스템 (4-pipe)의 경우 난방을 사용하지 않는 시기에는 난방배관에서의 열손실이 발생하지 않으므로 배관 열손실이 크게 감소하는 반면, 통합배관시스템(2-pipe)의 경우 통합된 배관으로 가열수를 연중 동일한 조건으로 공급하기 때문에 난방을 사용하지 않는 시기에도 배관 열손실량이 크게 감소되지 않기 때문이다. 이러한 특성 때문에 난방사용량이 적은 시기에는 통합배관시스템(2-pipe)이 기존 시스템(4-pipe)보다 배관 열손실량이 더 많이 발생하며, 이로 인해 이 시기에는 통합배관시스템(2-pipe)에서의 열에너지 사용량이 더 많음을 알 수 있다.

이처럼 연간 에너지 사용량에서는 통합배관시스템(2-pipe)의 에너지 절감효과를 볼 수 있었으나, 하절기에는 통합배관시스템(2-pipe)의 배관계통으로 인한 배관 열손실량 저감효과의 감소로 인하여 기존 시스템(4-pipe) 대비 에너지 사용량이 더 많은 것으로 나타났으며, 이는 통합배관시스템(2-pipe)의 단점으로 볼 수 있다.