1.1 연구 배경 및 목적

정부는 2021년 10월 ‘2030 국가온실가스 감축목표(Nationally Determined Contribution, 이하 NDC)’를 상향 발표하였다. 2030년까지 감축해야 할 목표치가 2018년 대비 35% 이상에서 40% 이상으로 수정되었으며, 이에 따라 건물부문도 2018년 대비 19.5%에서 32.8%로 대폭 상향되었다.⁽¹⁾

정부는 건물부문의 온실가스 감축을 위해 그동안 건물 외피의 단열 및 기밀성능 기준을 지속적으로 강화시켜 왔으며, 신축 공동주택의 외벽 열관류율 기준은 2018년 9월부터 중부지역의 경우 0.15 W/㎡․K 이하로 독일의 패시브 하우스 기준과 동일한 수준까지 도달했다.^(2,3) 그러나 기존 정책은 에너지 절약 효과가 큰 건축물의 외피 성능 향상^(4,5) 중심으로 추진되어 왔다. 기계설비 분야에서는 신재생에너지의 도입, 고효율 기기 사용 등을 포함하고 있지만 열원설비로부터의 열수송, 열저장 과정에서의 에너지 손실에 대한 고려가 부족한 실정이다. 따라서 2030년까지 상향된 온실가스 감축 목표를 달성하기 위해서는 기존의 건축적인 접근 외에 기계설비적인 부문에서도 에너지 효율 향상을 적극적으로 고려할 필요성이 있다.

국내의 경우 국토교통부 2020 주거실태조사 결과에 따르면, 단독주택, 연립주택, 다세대주택 등의 주택 유형 중 아파트에 거주하는 비율이 51.1%로 가장 높았다. 이러한 아파트의 난방방식은 지역난방이 25.7%, 중앙난방이 4.2%로 단지 내 기계실을 통해 각 세대로 난방 및 급탕에너지를 공급하는 중앙공급방식이 29.9%를 차지한다.⁽⁶⁾ 중앙공급방식의 경우 기계실의 위치는 주로 지하공간에 계획되며, 지하주차장 상부에 난방배관을 설치하는 것이 일반적이다. 이러한 난방배관의 경우 파이프 덕트에 설치되는 경우와 달리 겨울철에는 차가운 외기에 노출되기 때문에 열에너지 손실이 커질 수 있다.⁽⁷⁾

따라서 본 연구는 겨울철 외기에 노출된 배관의 단열성능향상을 목적으로 국내외 배관의 단열두께 기준 비교를 통해 겨울철 외기 조건에 따른 열에너지 손실량을 비교하였다.

1.2 연구 방법 및 내용

본 연구의 연구방법 및 내용은 다음과 같다.

첫째, 외기에 노출된 배관의 단열 성능에 관한 기준을 확인하기 위해 국내 건축공사 표준시방서 기계설비 보온기준(KCS 31 20 05 : 2021)과 다른 선진국가에서 준용하고 있는 국제에너지절약기준인 2021 International Energy Conservation Code를 비교하였다. 이를 통해 국내․외 기준의 차이점 및 외기에 노출된 배관의 단열 두께를 산정 시 추가적으로 고려되어야 할 사항을 확인하였다.

둘째, 난방 배관이 겨울철 어떠한 외기온도 조건에 노출되는지 확인하기 위해 중앙 공급 방식의 아파트를 사례로 지하주차장 상부에 설치된 난방 배관의 주변 공기 온도 변화를 측정하였다. 이는 주변 공기 온도와 난방 공급수 온도의 차이가 열손실량과 비례하기 때문에 실제 외기에 노출된 난방배관의 주변 외기온도 검토 필요로 수행되었다.

셋째, 다음 식(1)과 같이 열전달 방정식을 활용하여 겨울철 배관의 열손실량을 계산하였다. 겨울철 조건을 반영하기 위해 기상청 기후데이터를 이용하여 전국 주요 도시의 최근 10년 간 12월, 1월, 2월 외기온을 분석하고, 실측값과의 비교를 통해 배관의 열손실량 산정에 필요한 배관 주변 공기 온도를 선정하였다. 또한 이 조건을 반영하였을 때, 일반적인 기준과 단열두께를 추가 적용했을 때의 열에너지 손실량을 비교하였다. 식(1)의 단위길이당 열손실량(Q)은 배관 내부표면 온도(T₁)와 배관 외부 주변 온도(T₂)의 온도차를 단열재의 열저항(Rins)과 대류열저항(Rconv)의 합으로 나눈 값이다. 열저항 산정 시, r₁은 배관의 내부 반경, r₂는 단열재를 포함한 배관의 외부반경을 말하며, L은 배관 길이, k는 단열재의 열전도율, h는 배관 외부 주변 공기의 대류 열전달계수를 말한다.

3.1 측정 대상 개요

실제 겨울철 외기에 노출된 배관의 열손실량을 검토하기 위해 서울 강남구에 위치한 아파트를 대상으로 배관 주변 온도를 측정하였다. 측정대상은 2014년에 준공된 아파트로, 지역난방을 이용해 중앙에서 각 세대로 난방수를 공급하는 사례이다.

난방수는 기계실에서 지하주차장 천장에 수평으로 설치된 난방배관을 통해 각 주동으로 공급되며, 지하주차장은 별도의 단열조치 없이 배관이 천장에 그대로 노출된 형태이다. 이 단지는 Fig. 1과 같이 경사지에 시공된 단지로 지하 1층 주차장의 일부가 외부에 개방된 형태로 외부 기온에 직접적인 영향을 받는다. 지하주차장의 입구로부터의 깊이는 약 48 m이며, 외부로 개방된 길이는 약 44 m이다.

Fig. 1 BF1 plan and ambient temperature measurement location.

3.2 측정 결과

지하주차장에 설치된 배관 주변 온도를 측정한 결과는 Table 3과 같다. 측정기간동안 T1~T5 지점의 평균 기온은 3.1℃로 평균 외기온인 1.5℃와 약 1.6℃의 차이를 보였다. 최저기온은 -8.1℃로 외기온 -10.8℃보다 2.7℃ 높았으며, 최고기온은 9.2℃로 외기온 12.6℃보다 3.4℃ 낮게 나타났다. 지하주차장 내부는 일부 외부에 개방된 부분을 제외하고 지반 아래 있어 외기온보다 온도변화폭이 작은 것으로 나타났다. 그러나 가장 바깥쪽의 T5는 6.6℃, 안쪽 T1은 1.9℃로 바깥쪽 측정점일수록 평균 온도는 상승하였다. 이는 바깥쪽일수록 낮시간 동안 일사 및 상대적으로 높은 온도의 외부 공기 유입으로 인해 안쪽보다 높은 것으로 판단된다.

4.1 열손실량 산정을 위한 주변 온도 기준 선정

아파트 지하주차장에 대한 배관 주변 온도 측정 결과, 겨울철 외기의 영향을 많이 받는 것으로 확인되었다. 따라서, 단열두께별 열손실량 산정을 위해 필요한 배관의 주변 온도 기준을 설정하기 위해 겨울철 국내 외기온 데이터를 분석하였다. 분석에 활용된 데이터는 기상청의 최근 10년(2011년~2020년)간 겨울철(12월, 1월, 2월)의 시간별 온도 관측값이며, 총 9개의 지역을 대상으로 하였다. 분석 지역은 에너지절약설계기준의 지역구분을 인용하여 전국의 주요 도시 중 중부1지역은 원주, 춘천, 중부2지역은 서울, 대전, 전주, 남부지역은 광주, 대구, 부산, 제주지역은 제주를 선정하였다.

국내 겨울철 평균 외기온 분석결과는 Table 4와 같다. 전국 평균 외기온은 1.5℃이며, 남부지방으로 갈수록 상승한다. 특히, 부산과 제주는 타 지역에 비해 평균 외기온이 높았다. Fig. 2는 최근 10년간 겨울철 온도 관측값의 출현빈도를 누적한 그래프로, 평균 1.5℃, 표준편차 5.9를 갖는 정규분포를 보인다. 또한 빈도수가 높은 순서로 1~8순위까지의 범위는 -2~5℃로, 이 온도값의 출현비율이 전체 49.8%로 나타났다.

Fig. 2 Frequency of appearance by temperature range

4.2 겨울철 외기 노출 배관의 열손실량 산정 결과

손실량은 공동주택에 주로 이용되는 관경 100 mm의 스테인리스 배관일 때, 관내 수온이 50℃ 조건에서 배관 주변 온도 및 배관의 단열두께에 따라 배관의 전열해석 방정식을 이용하여 산정하였다. 전열해석 방정식에 입력되는 단열재 열전도율 기존 조건은 관내수온이 40~60℃ 범위일 때, KCS, IECC 열전도율 기준 범위 내에 모두 속하는 0.035 W/(m․K)인 미네랄울을 사용한다고 가정하였다. 또한 배관 주변 온도 조건은 KCS 기준인 30℃와 앞에서 도출한 겨울철 온도인 3.1℃ 일 때 배관의 단열두께별 열손실량을 비교하였다. 단열재 두께는 KCS 기준 두께인 40 mm부터 10 mm씩 추가하였다.

배관의 열손실량 산정 결과는 Table 5와 같다. 배관 주변 온도가 KCS에서 제시하는 30℃ 기준에서의 단열두께가 40 mm일 때 열손실량 7.3 W/m이다. 그러나 겨울철 주변 온도인 3.1℃의 열손실량은 17.1 W/m로 30℃ 기준대비 약 2.3배 증가하는 것을 확인할 수 있다. 겨울철에는 170 mm까지 단열두께를 상승시켜야 30℃ 기준과 동일한 수준을 만족하는 것으로 나타났다.