1. 서 론

정부(국토교통부)에서 발표한 2025년 제로에너지 건축물 의무화를 위한 단계적 로드맵에 따라, ‘에너지절약형 친환경주택의 건설기준’의 목표 에너지 절감율은 2009년 15%, 2012년 30%, 2017년 60%로 지속적으로 강화 되어 왔다.⁽¹⁾ 이러한 정책적 노력으로 과거에 비해 고단열, 고기밀의 에너지 절약형 주택 보급이 활성화되었고, 특히 열손실이 높은 외부에 면한 벽체 및 지붕, 창호 등의 분야를 중심으로 개선연구 및 개발이 진행되어 왔다. 그러나 바닥복사난방 시스템은 기존의 전통적인 온돌방식을 고집하여 시멘트모르타르를 이용한 온수난방 방식으로서 새로운 구조 및 기술적인 변화가 거의 없었다.

상변화물질(Phase Change Material, 이후 PCM)은 상변화 시에 일반적인 물질에 비해 더 많은 양의 열에너지를 축적하거나 저장할 수 있는 물질이다. 따라서, 최근에는 에너지절약기술 개발 등의 새로운 항목으로 상변화 물질을 이용한 바닥재, 벽재, 천장재 등에 적용하는 다양한 연구가 진행 중에 있다.⁽²⁾ 즉, PCM을 바닥난방 시스템에 적용할 경우 기존의 온수난방시스템에서 열을 저장하는 역할을 하는 시멘트모르타르 재료보다 더 많은 열을 저장할 수 있어 실내 온열환경의 쾌적도를 향상시킬 수 있고,⁽³⁾ 효과적으로 시스템을 제어한다면 비용과 에너지를 절감할 수 있을 것으로 연구되었다.⁽⁴⁾

그러므로 본 연구는 PCM 바닥난방시스템에서 난방스케줄에 따른 축열성능, 특히 타임랙(Time-lag)을 기존방식과 비교 분석한 것으로 추후 주거 분야의 실내환경 쾌적 향상 연구를 위한 기초자료가 될 것으로 기대한다.

2. 시스템 구성 및 Mock-up 개요

2.1 바닥난방시스템 구조

국내 공동주택의 바닥난방시스템은 1970년대 이후 바닥구조체 내에 온수배관을 매설하고 온수를 열원으로 사용하는 온수식이 정착 및 보급되어왔으며, 현재 대부분의 공동주택에서 이 방식을 적용하고 있다.⁽⁵⁾ 이와 같은 온수식 온돌 방식은 국토교통부의 ‘건축물의 설비기준 등에 관한 규칙 제12조’에 따라 바탕층, 단열층, 채움층, 배관층, 마감층 등으로 구성되며, ‘녹색건축물 조성 지원법’의 에너지절약설계기준에 따른 열성능을 만족하는 구조여야 한다. 또한 공동주택의 층간소음으로 인한 문제를 해결하기 위해 바닥충격음 차단성능을 갖는 표준 바닥구조가 지정되었는데, 대부분의 공동주택 바닥구조는 Table 1과 같은 표준바닥구조⁽⁶⁾를 채택해 적용하고 있다.

기존 바닥난방시스템은 경량기포콘크리트를 축열재로 이용한다. 축열성능은 지역난방에 의한 연속난방운전 방식과 단열 및 기밀성능 향상에 따른 실내 온열환경 개선 등에 따라 축열재료 열용량에 대한 재검토가 필요한 시점이다. 따라서 바닥난방시스템의 축열성능을 향상시키기 위해 PCM을 적용한 바닥난방시스템 구조를 제안하며, 이를 Mock-up으로 구축하여 기존 바닥난방시스템과 축열성능을 비교하였다.

PCM 바닥난방시스템은 일반적으로 공동주택에 적용되는 표준바닥구조 1-Ⅰ의 시스템(Fig. 1)을 기반으로 경량기포콘크리트층에 PCM을 삽입하는 방식(Fig. 2)이다. 이 시스템은 온수파이프 하부에 PCM 용기를 설치해 기존 시스템보다 축열성능을 향상시킨 시스템이다.

Table 1 Standard floor structure(Minimum thickness, mm)

Type	Structure	Structure 1(①-②-③-④)				Structure 2(①-③-②-④)				Structure 3(①-②-④)
		①	②	③	④	①	③	②	④	①	②	④
Ⅰ	Wall-type and mixed	210	20	40	40	210	40	20	40	210	40	50
	Ramen	150				150				150
	Flat plate	180				180				180
Ⅱ	Wall-type and mixed	210	20	-	40	210	-	20	40	-
	Ramen	150				150
	Flat plate	180				180

① Concrete slab ② Cushioning material ③ Lightweight foamed concrete ④ Finishing mortar.

Fig. 1 Standard floor structure 1-I of Ministry of Land, Infrastructure and Transport.

Fig. 2 PCM floor radiant heating system.

Table 2 Summary of mock-up room

Volume		8.3 ㎥(2.1 m × 1.8 m × 2.3 m)
Floor area		3.6 ㎡
Floor structure	Room 1	Traditional floor radiant heating structure (Standard floor structure 1-I)
	Room 2	Insertion of PCM at the bottom of the heating pipe

3. 실험 방법

가동(On)-정지(Off) 사이클 반복으로 짜여진 보일러 난방운전스케줄에 따라 바닥표면온도, 실내공기온도를 측정하여 분석함으로써 기존 바닥난방시스템과 PCM 바닥난방시스템의 축열성능을 비교하였다. 온수 공급온도는 70℃로 설정하였으며, 난방스케줄은 Table 3과 같다. 30분 동안 보일러 가동 후 4시간, 5시간 정지된 시간 동안의 온도변화 추이 분석을 통해 PCM 바닥 난방시스템의 축열성능을 분석하였다. 실험을 위해 난방배관, 바닥표면, PCM 표면에 T-type 열전대 센서를 Fig. 3과 같이 설치하였다.

Fig. 3 Sensor location and measurement point.

PCM 온도변화를 측정할 수 있도록 PCM 용기 표면 위에 센서(①)를 설치하였으며, 온수배관의 열이 복사되어 방출되는 것을 확인하기 위해 마감 모르타르 상부 바닥표면에 센서(②)는 설치하였다. 또한 실내공기온도의 변화를 확인하기 위해 실 중앙 바닥으로부터 1.2 m의 높이에 센서(③)를, 온수의 공급온도를 확인할 수 있도록 온수 유․출입구에 센서(④)를 설치하였다. 바닥표면온도는 각각 바닥 면적을 등분한 지점에 5개의 센서를 설치하여 측정하였다. 데이터는 데이터로거를 이용하여 1분 단위로 측정하였고 결과는 10분 평균값을 사용 하였다.

4. 실험 결과 및 분석

Fig. 4~Fig. 5은 각 운전모드에 따른 온도변화 그래프이며, Table 4는 결과를 요약한 표이다.

Fig. 4는 4시간 운전모드(30분 가동 후 4시간 정지)일 때 온도변화 그래프이다. 실내공기온도는 첫 번째 가동- 정지 사이클에서 기존 바닥난방시스템이 적용된 Room 1이 전체 시간동안 평균 23.1℃, PCM 바닥난방시스템이 적용된 Room 2이 평균 22.8℃로 Room 1이 Room 2보다 평균 0.3℃ 높았다. 시각별 온도 그래프를 각각 비교했을 때는 최대 0.9℃ 높았지만 이후 사이클부터는 거의 유사하게 나타났다. 반면, 바닥표면온도는 Room 1보다 Room 2가 0.4~1.4℃로 항상 높게 나타났고, 평균 바닥표면온도는 Room 1이 26.7℃, Room 2가 27.5℃로 Room 2에서 평균 0.8℃ 높게 나타났다.

Fig. 5는 5시간 운전모드(30분 가동 후 5시간 정지)일 때 온도변화 그래프이다. 평균 실내공기온도는 Room 1이 23.8℃, Room 2가 24.4℃로 Room 2가 0.6℃ 높게 나타났고, 평균 바닥표면온도는 각각 26.4℃, 27.4℃로 Room 2가 1.0℃ 높게 나타났다. 호흡기 높이에서의 실내공기온도는 Room 1보다 Room 2에서 높게 유지되고 있었다.

Fig. 4 Temperature change in 4 hour mode.

Fig. 5 Temperature change in 5 hour mode.

또한 보일러를 처음 가동 후 다음 가동되기 전까지를 한 사이클로 보고, 이때의 타임랙을 검토 즉, 각각의 사이클에서 바닥표면온도가 최고온도에서 1℃하락하는데 걸리는 시간은 다음과 같다. 즉, 4시간 운전모드에서 Room 1은 125분, Room 2는 145분으로 PCM을 적용한 경우 20분의 타임랙이 더 길게 발생하였다. 5시간 운전모드에서는 Room 1은 115분, Room 2는 140분으로 25분의 타임랙이 발생하였다.

바닥표면온도와 실내공기온도의 변화를 비교하면 바닥표면온도는 Room 1보다 Room 2가 빠르게 상승하지만, 실내공기온도는 Room 1이 더 빨리 상승하고 있다. 이는 난방 온도 상승 시 모르타르의 경우 열을 실내로 방출하지만, PCM은 열을 내부에 축열하였다가 난방 중지 시 열을 서서히 방출하기 때문인 것으로 보인다.

각 운전모드별 실험결과를 종합하면, Room 1보다 Room 2가 평균 실내공기온도는 평균 0.25℃, 바닥표면 온도는 평균 1.05℃로 높게 나타났다. 특히, 타임랙의 경우 4시간 모드일 때 20분, 5시간 모드일 때 25분으로 나타나 PCM을 적용했을 경우 PCM의 축열성능 효과로 인해 평균 22.5분의 온도지연효과가 발생하는 것으로 나타났다.

5. 결 론

본 연구는 난방 운전 스케줄을 적용할 경우 PCM을 적용한 바닥난방시스템의 축열성능을 일반 바닥난방 시스템과 비교함으로써 PCM의 적용 가능성 및 추후 쾌적성 향상을 위한 연구의 기초자료로 활용하고자 하였다. 이를 위해 보일러를 30분 가동 후 일정시간(4시간, 5시간) 정지하고, 운전 정지 시간 동안의 온도변화를 확인하였다. 실험결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.

첫째, 운전모드별(30분 가동 후 4시간 및 5시간 정지) 바닥표면온도는 기존 바닥난방시스템을 적용한 Room 1보다 PCM 바닥난방시스템을 적용한 Room 2가 평균 1.05℃ 항상 높게 나타났다. 평균 실내공기온도도 Room 1보다 Room 2에서 평균 0.25℃로 높게 나타났다.

둘째, 보일러를 처음 가동 후 다음 가동되기 전까지를 한 사이클로 보고, 바닥표면온도가 최고온도에서 1℃ 하락하는데 걸리는 타임랙은 PCM을 설치한 Room 2인 경우 Room 1보다 평균 22.5분의 온도지연효과가 발생 하는 것으로 나타났다.

따라서, 지금까지의 연구결과 바닥복사난방시스템에서 PCM을 설치한 실이 일반실보다 바닥표면온도와 실내 공기온도 모두 높게 나타났음을 확인하였다. 또한 축열성능을 표시하는 타임랙에서 바닥표면온도가 최고온도 에서 1℃ 하락하는데 걸리는 시간은 PCM을 설치한 실이 일반실보다 온도지연효과(평균 22.5분)가 발생하고 있음을 확인하였다.