1. 서 론

집단에너지의 열공급 시스템 중 매우 효율적이며 열공급 네트워크가 우수한 지역난방 열원 공급방식⁽¹⁾은 열원시설 및 열수송시설의 효율적인 열관리에도 불구하고 열사용 사용자측 시설에서 많은 열손실이 발생하고 있는 실정이다. 특히 2차측 유지관리는 지역난방 열공급자가 아닌 사용자측에 의하여 열교환기로부터 각 세대까지 열공급을 관리하고 있으며, 이러한 이유로 열공급 과정에서 손실되는 열량은 불확실성이 크다.

유사연구 사례로 Oh⁽²⁾은 공동주택 연중 급수 및 급탕사용량을 분석하여 기계설비에 활용할 수 있도록 사용량과 사용패턴을 분석한 결과, 세대당 하루 물 사용량은 0.58～0.67 톤이고 최대 급탕사용량은 1월 휴일 오전 9～10시 20.4 liter/h로 확인되었다. Jeon⁽³⁾은 각 세대에서 사용한 급탕을 공정하게 요금으로 환산하여 부과할 수 있는 방법을 분당에 있는 아파트의 실증실험을 통해 제시하였다. 급탕 사용 비율은 28.2%임을 확인하였다. Kim et al.⁽⁴⁾은 아파트의 급탕사용량, 급탕비 등 주택의 급탕에너지 소비 특성을 분석하여 태양열 온수 급탕의 경사각별 성능을 평가한 후, 시스템의 에너지 절약성 및 경제성을 검토한 결과, 바닥면적 102 ㎡ 기준 1인 1일 급탕사용량은 겨울철 59, 여름철 16 liter/(day․person)로 조사되었다. Lee⁽⁵⁾는 지역난방을 열원으로 사용하는 아파트의 급수 및 급탕사용량을 통해 외기온도에 따라 변화하는 사용자 사용패턴과 온도와의 관계에 대한 분석을 수행하였다. 급탕사용량 최대는 3월에 발생하여 월 평균 급탕사용량은 6,110 liter/(month․house)로 분석되었다. Park⁽⁶⁾은 난방배관을 통해 손실되는 열을 보온재별로 산출하였고, 경제성 분석을 위해 LCC 기법을 활용하였다. 열손실은 6～7%로 조사되었다.

본 연구에서는 지역난방을 열원으로 사용하는 서울 서부지역에 위치한 아파트를 선정하여 시간별, 요일별, 월별 급탕사용량 패턴을 도출하고, 동절기 최대 급탕사용량과 사용시간을 분석하여 외기온도 변화에 따른 급탕사용량과 및 손실량과의 상관성을 확인하였다. 또한 계절별 급탕사용량과 손실량을 분석하여, 공동주택의 사계절 변화에 따른 평균 급탕사용량과 손실율을 확인하고, 향후 공동주택의 지역난방 열원 사용 시 기계실 이후 사용자측 시설에서의 급탕사용량을 통하여 합리적인 급탕 시스템 설계, 설비의 효율적인 설치와 운영, 그리고 열손실 개선 및 단열재 적용 개선을 위한 자료로 활용하는데 연구의 목적이 있다.

2. 실측 단지 개요

실측 단지는 서울 서부지역에 위치한 약 660세대의 지역난방열원을 사용하고 있는 아파트이다. 본 연구 대상인 공동주택의 난방과 급탕 배관이 구분되어 있으며 각각 공급과 환수가 별도로 구분된 4관식이다. 실측 난방 데이터가 있으나 본 연구의 주 내용이 급탕사용량에 대한 분석이어서 본 논문에서는 난방 데이터는 포함시키지 않았다. 측정 대상 구간은 기계실에서 106동에 이르며, 구간별 난방 및 급탕 배관을 합한 총 길이는 185 m이다. Fig. 1은 대상 단지의 위치가 표시된 위성사진이며, Fig. 2는 기계실에서 106동까지 이어진 배관 구성을 나타내고 있다. 본 연구에서는 여러 평형 중 세대 수가 가장 많은 84 ㎡ 평형을 선정하여 분석을 수행하였다.

Fig. 1 Satellite view of the apartment.

Fig. 2 Piping system of the apartment.

3. 측정 센서 위치 및 장비 개요

각종 측정 센서의 설치 위치는 Fig. 3과 같다. 기계실 앞 지하 주차장의 수평 배관의 난방 및 급탕 배관 표면온도, 배관보온재온도, 지하주차장 공기온도, 111동 분기점에서 106동 측정 건물까지 30 m 구간의 난방 및 급탕 배관표면온도, 배관보온재표면온도, 유량, 주차장 공기온도, 백엽상에 센서를 설치하였다. 기계실부터 측정 대상 건물인 106동까지의 배관 길이는 185 m이나 본 연구에서는 30 m 구간에서 측정한 데이터로 급탕사용량을 분석하였다.

장비 개요는 다음과 같다. 데이터로거(정밀도 : 전압은 ±0.01%, 열전대는 종류에 따라 ±0.02℃ $\sim$ ±1.5℃)는 요코가와 제품을 사용하였다. 유량계(정밀도 : ±2%)는 터빈식 유량계로 흐르는 유량의 총합을 표시하며, 유량 센서의 출력을 시간적으로 적분하여 표시하고 있다. 컨버터(정밀도 : 0.05%)는 일반적으로 회로망 변환기라고 하며, 본 연구에서는 터빈식 유량계에서 보낸 값을 변환하는 역할로 사용되었다. OPTO센서(정밀도 : 유량계의 배관 직경과 냉·온수에 따라 다름)는 터빈식 유량계에 부착하여 순간 유량을 측정하는 센서이다. Testo 온습센서(정밀도 : 온도 ±0.5℃, 습도 ±2%∼±4%)는 백엽상, 지하주차장의 온습도를 측정하였다. 측정 센서 설치 위치는 111동 분기 지점과 106동 입구까지 30 m 수평배관 구간에 설치하였으며, 전체 배관 길이는 기계실부터 측정 대상인 106동까지 185 m이나 본 논문에서는 30 m 구간에서 측정한 데이터로 급탕사용량을 분석하였다.

Fig. 3 Sensor locations for measurement of hot water supply pipe system.

4. 실험결과에 따른 급탕열 사용 분석

4.1 시간대별 급탕사용량 분석

급탕사용량 측정은 11월부터 3월까지 동절기 기간 동안 시간대별 급탕사용량을 분석하였다. 급탕량 계산⁽⁷⁾은 식(1) - 식(5)와 같이 나타낼 수 있고, 급탕의 공급 및 환수에 대한 흐름도는 Fig. 4와 같이 나타낼 수 있다.

급탕사용량 분석에 있어 적용된 입출구 온도 변화와 유량 데이터는 Table 1과 같이 평균값으로 나타내었다. 급탕은 1년 내내 24시간 사용하므로 항상 공급과 수요가 발생한다. 따라서 운전 및 비운전 시간의 온도차 구분은 없다.

(1)

$\dot{Q}_{1,\: loss}=\rho_{w}\dot{V_{1}}C(t_{1}-t_{2})$

(2)

$\dot{Q}_{3,\: loss}=\rho_{w}\dot{V_{3}}C(t_{3}-t_{4})$

(3)

$\dot{Q}_{loss,\: t o t a l}=\dot{Q}_{1,\: loss}+\dot{Q}_{3,\: loss}$

(4)

$\dot{Q}_{consumption}=\rho_{w}\dot{V_{1}}C t_{2}-\rho_{w}\dot{V_{3}}C t_{3}$

(5)

$\dot{Q}_{hot water}=\dot{Q}_{loss,\: t o t a l}+\dot{Q}_{consumption}$

식(1)∼(5)에서 $\dot{Q}_{loss}$은 손실량, $\rho_{w}$은 물의 밀도, $\dot{V}$은 유량, $C$은 물의 비열, $t$은 온도를 의미한다.

시간대별 급탕사용량을 살펴보면 일반적으로 오전 6~9시 사이에 급탕사용량이 많았고, 오후에는 19~22시 사이에 급탕사용량이 많은 것을 살펴볼 수 있었는데, 이와 같은 결과는 공동주택의 일반적인 피크 사용시간으로서 출근 전/퇴근 후, 등교 전/하교 후, 기타 등 주로 급탕을 사용하는 시간대가 집중되는 일반적인 생활패턴에 의한 것으로 볼 수 있다(Fig. 5~Fig. 10).

피크 시간대별⁽⁸⁾ 최대 사용량을 분석한 결과, 사용량이 가장 많은 2월의 6~9시와 19~22시 6시간 동안의 시간당 평균 급탕 열사용량은 15.5 kWh/house였고, 사용량이 가장 적은 11월의 6~9시와 19~22시 6시간 동안의 시간당 평균 급탕 열사용량은 11.6 kWh/house를 나타냈다(Table 2~3).

종합하면 Fig. 11의 결과와 같이, 동절기 기간 동안 6~9시와 19~22시 6시간 동안의 시간당 평균 급탕 열사용량은 14 kWh/house을 사용하는 것을 알 수 있었다.

Fig. 4 Hot water flow path.

Fig. 5 Hourly hot water consumption in November.

Fig. 6 Hourly hot water consumption in December.

Fig. 7 Hourly hot water consumption in January.

Fig. 8 Hourly hot water consumption in February.

Fig. 9 Hourly hot water consumption in March.

Fig. 10 Average hot water consumption per hour.

Fig. 11 Monthly hot water consumption on Mondays.

Table 1 Inlet and outlet temperatures and flow rate

Temperature	Nov.	Dec.	Jan.	Feb.	March	Flow rate [lpm]
Inlet [℃]	49.91	49.92	49.78	49.80	49.92	79
Outlet [℃]	48.80	48.65	48.61	48.69	48.89

Table 2 Hot water consumption during peak 6 hours (Time 6~9 and 19~22 hour)

Month	Hot water consumption during peak 6 hours [kWh/house]
November	11.6
December	13.7
January	13.9
February	15.5
March	15.3

Table 3 Maximum hot water consumption during peak 6 hours

	Nov.	Dec.	Jan.	Feb.	March
Peak consumption [kW]	23.74	27.07	21.04	23.09	27.44
Day of week	Friday	Monday	Sunday	Wednesday	Monday
Time	7:00 $\sim$ 8:00	7:00 $\sim$ 8:00	21:00 $\sim$ 22:00	20:00 $\sim$ 21:00	7:00 $\sim$ 8:00
Average consumption [kW]	6.79	6.80	9.17	9.63	9.79

4.2 요일별 급탕사용량 분석

11월부터 3월까지 동절기 기간 동안 요일별로 급탕사용량을 분석하였다. 매월 요일별로 급탕사용량을 보면 월요일과 주말에 사용량이 많았으며, 하루 평균 급탕사용량은 8.9 kWh/(house·day)인 것을 확인하였다. 그리고 화요일부터 금요일까지의 하루 평균 급탕사용량은 8.0 kWh/(house·day)인 것을 확인하였다. 급탕사용량이 주말에 많은 이유는 세대수 인원이 다 같이 있고, 평일에 비하여 취사량과 개인 물 사용량이 많기 때문에 주말에 사용량이 평일 사용량보다 많은 것을 확인할 수 있었다(Fig. 11-16, Table 4).

평균 외기온도 0℃를 기준으로, 외기온도가 영상일 때 급탕사용 증감률을 보면 외기온도 0℃ ~ +3℃ 구간에서 1℃ 상승할 때 마다 평균 급탕사용량은 평균 21% 감소하는 것을 확인하였고, 외기온도가 +3℃ 이상이 되면, 급탕사용량은 평균 35% 이상 급격하게 감소하는 것을 확인하였다. 이와 비교하여, 외기온도가 영하일 때 급탕사용 증감률을 보면 외기온도 0℃ ~ -3℃ 구간에서 1℃ 감소할 때 마다 평균 급탕사용량은 평균 16.7% 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 외기온도에 따라 급탕사용량의 변화가 있는 것을 확인하였고, 이에 대한 결과 값을 정리하면 Table 5와 같다.

Table 4 Hot water consumption with respect to ambient temperature

Date	Average outdoor temperature [℃]	Daily average hot water consumption [kWh/(house·day)]
		Monday	Tuesday	Wednesday	Thursday	Friday	Saturday	Sunday
November	5.5	5.7	5.7	6.2	6.2	6.7	6.7	6.5
December	-1.1	9.6	9.1	7.8	7.5	6.7	7.5	10.9
January	-1.3	8.8	8.3	10.1	9.8	9.3	8.0	9.1
February	1.1	9.6	9.8	9.6	9.3	8.8	8.8	10.8
March	7.3	9.8	7.6	8.3	7.5	7.0	9.3	11.6

Table 5 Hot water consumption change rate with respect to ambient temperature

Average outdoor temperature [℃]	Daily hot water consumption [kWh/(house·day)]	Consumption change with respect to outdoor temperature [%/℃]
-3.0 ~ -2.0	10.4	-20.0
-2.0 ~ -1.0	9.6	-17.6
-1.0 ~ 0.0	9.2	-12.5
0 ~ +1.0	8.7	-
+1.0 ~ +2.0	8.1	-7.1
+2.0 ~ +3.0	7.3	-21.4
Above +3.0	6.3	-34.6

Fig. 12 Monthly hot water consumption on Tuesdays.

Fig. 13 Monthly hot water consumption on Wednesdays.

Fig. 14 Monthly hot water consumption on Thursdays.

Fig. 15 Monthy hot water consumption on Fridays.

Fig. 16 Monthly hot water consumption on Saturdays and Sundays.

4.3 월별 급탕사용량 분석

월별⁽⁹⁾ 평균 급탕사용량을 분석한 결과, 2월 하루 평균 열사용량이 10.6 kWh/(house·day)로 가장 높았고, 11월 하루 평균 열사용량은 7.0 kWh/(house·day)로 가장 적은 것을 확인하였다. 이와 같은 결과는 평균 외기온도와 비교해볼 때, 2월에 사용량이 많은 것은 외기온도가 낮기 때문이며, 외기온도가 높은 11월에 급탕사용량이 적은 것을 알 수 있다. 외기온도가 낮을수록 급탕사용량이 증가하고, 외기온도가 높을수록 급탕사용량이 감소하였다(Fig. 17~Fig. 18). 그리고 이에 대한 결과 값을 정리하면 Table 6과 같다. 선행 연구⁽⁵⁾에서 동절기 최대 급탕사용량이 3월임을 알 수 있었고, 다른 선행 연구⁽¹⁰⁾에서 급탕사용량과 외기온도의 상관계수 $R^{2}$은 세대 면적에 따라 0.77, 0.82가 됨을 확인하여 상관성이 높음을 확인할 수 있었다.

Table 6 Monthly hot water consumption

Month	Average outdoor temperature [℃]	Daily hot water consumption [kWh/(house·day)]
November	5.5	7.0
December	-1.1	9.4
January	-1.3	10.1
February	1.1	10.6
March	7.3	9.8

Fig. 17 Average hot water consumption by day.

Fig. 18 Monthly hot water consumption.

4.4 외기온도에 따른 월별 급탕손실율 분석

11월부터 3월까지 동절기 기간 동안 평균 외기온도에 따른 급탕사용량과 열손실율을 분석한 결과, 급탕 사용량은 평균 외기온도가 낮은 2월에 10.6 kWh/(house·day)로 가장 높았고, 열손실율도 5.1%로 확인할 수 있다. 이와 비교하여 평균 외기온도가 높은 11월 급탕사용량은 7.0 kWh/(house·day)로 가장 적었고, 열손실율도 4.6%로 가장 적은 것을 확인할 수 있다. 외기온도가 낮을수록 온도차가 커지고 급탕사용량이 많아지므로 열손실율도 증가한다. 반면에 외기온도가 높으면 온도차가 작아지고 급탕사용량이 감소하므로 열손실율은 감소한다. 즉, 외기온도는 열손실율은 높은 상관성이 있음을 알 수 있다. 월별 급탕사용량과 열손실율에 대한 결과는 Fig. 19, 외기온도 변화에 따른 급탕사용량과 손실량에 대한 결과는 Fig. 20, 그리고 이에 대한 결과 값을 정리하면 Table 7과 같다. 외기온도에 따른 급탕 공급온도와 세대 입구온도의 비교는 Table 8에 나타냈고 결과 그래프는 Fig. 21과 같다.

Table 7 Average hot water consumption and heat loss percentage according to average outdoor temperature

Date	Average outdoor temperature [℃]	Hot water consumption [kWh/(house·day)]	Heat loss [kWh/(house·day)]	Heat loss percentage [%]
November	5.5	7.0	0.32	4.6
December	-0.9	9.4	0.49	5.2
January	-1.3	10.1	0.55	5.4
February	1.1	10.6	0.54	5.1
March	7.3	9.8	0.49	5.0

Table 8 Outdoor and hot water supply and inlet temperatures

Month, Year	Outdoor temperature [℃]	Supply temperature [℃]	Inlet temperature [℃]	Temperature difference [℃]
Nov., 2013	5.53	49.91	48.80	1.11
Dec., 2013	-0.94	49.92	48.65	1.27
Jan., 2014	-1.32	49.78	48.61	1.17
Feb., 2014	1.14	49.80	48.69	1.11
March, 2014	7.32	49.92	48.89	1.03

Fig. 19 Monthly average hot water consumption and heat loss rate.

Fig. 20 Average hot water consumption and heat loss according to change in average outdoor temperature.

Fig. 21 Hot water supply temperature and inlet temperature according to outdoor temperature.

5. 계절별 평균 급탕사용량 및 손실율 분석

봄(4월), 여름(7월), 가을(10월), 겨울(1월)의 사계절 변화에 따른 급탕사용량과 손실량을 살펴보면, 외기온도가 가장 낮은 겨울에는 1월 급탕사용량이 10.1 kWh/(house·day)로 가장 많았고, 1월 중, 12일 일요일의 사용량이 가장 높게 나타났다(Fig. 22). 그리고 봄에는 4월 급탕사용량이 7.6 kWh/(house·day)로 4월 중, 6일 일요일의 사용량이 가장 높게 나타났고(Fig. 23), 가을에는 10월 급탕사용량이 4.6 kWh/(house·day)로 10월 중, 19일 일요일의 사용량이 가장 높게 나타났다(Fig. 24). 또한 외기온도가 가장 높은 여름에는 7월 급탕사용량이 2.9 kWh/(house·day)로 가장 적었고, 7월 중, 5일 토요일의 사용량이 가장 높게 나타났다(Fig. 25).

종합하면, 계절별 급탕사용량은 겨울, 봄, 가을, 여름 순으로 많으며, 외기온도가 낮을수록 급탕사용량은 증가한다. 그리고 열손실율은 평균 4.6~5.4%로 나타났다. 이에 대한 결과값을 정리하면 Table 9와 같다.

Fig. 22 Hot water consumption ad loss due to changes in ambient temperature in January.

Fig. 23 Hot water consumption and loss due to changes in ambient temperature in April.

Fig. 24 Hot water consumption and loss due to changes in ambient temperature in July.

Fig. 25 Hot water consumption and loss due to changes in ambient temperature in October.

6. 결 론

본 연구는 지역난방을 열원으로 사용하는 서울 서부지역에 위치한 아파트를 선정하여 시간별, 요일별, 월별 급탕사용량 패턴을 분석하고, 동절기 최대 급탕사용량과 사용시간을 분석하여 외기온도 변화에 따른 급탕 사용량과 손실량과의 상관성을 분석하였다. 또한 계절별 급탕사용량과 손실량을 분석하여, 공동주택의 사계절 변화에 따른 평균 급탕사용량과 손실율을 확인하였고, 향후 공동주택의 지역난방 열원 사용 시 급탕 시스템 설계와 열손실 개선을 위한 기초자료로 활용하는데 연구의 목적이 있다. 본 연구의 분석결과를 종합하면 다음과 같다.

(1) 동절기 기간(11월 ~ 3월)의 피크 시간대별 급탕사용량을 분석하였다. 시간대별 급탕사용량을 살펴보면 일반적으로 오전 6~9시, 오후에는 19~22시 사이에 급탕사용량이 많은 것을 알 수 있었다. 시간대별 최대 사용량을 분석한 결과, 사용량이 가장 많은 달은 2월로 6~9시, 19~22시 6시간 동안의 시간당 평균 급탕 사용량이 15.5 kWh/house, 사용량이 가장 적은 달은 11월로 6~9시, 19~22시 6시간 동안의 시간당 평균 급탕사용량은 11.6 kWh/house를 나타냈다. 동절기 동안의 피크 시간대인 6~9시, 19~22시 6시간 동안의 평균 급탕사용량은 14 kWh/house을 사용하는 것을 알 수 있었다.

(2) 11월부터 3월까지 동절기 기간 동안 요일별로 급탕사용량을 분석하면 월요일과 주말에 사용량이 많았으며, 하루 평균 급탕사용량은 8.7 kWh/(house·day)으로 나타났다. 화요일부터 금요일까지의 하루 평균 급탕사용량은 8.0 kWh/(house·day)으로 확인되었다. 급탕사용량이 주말에 많은 것은 세대수 인원이 다 같이 있어 취사를 위한 용도와 개인 물 사용량이 많기 때문이다.

(3) 11월부터 3월까지 동절기 기간 동안 평균 외기온도에 따른 급탕사용량과 열손실율을 분석한 결과, 급탕사용량은 평균 외기온도가 낮은 2월에 10.6 kWh/(house·day)로 가장 높았고, 열손실율은 5.1%로 확인되었다. 이와 비교하여 평균 외기온도가 높은 11월 급탕사용량은 7.0 kWh/(house·day)로 가장 적었고, 열손실율도 4.6%로 가장 적었다.

(4) 계절별 급탕사용량은 겨울(1월), 봄(4월), 가을(10월), 여름(7월) 순으로 사용량이 많은 것을 볼 수 있었고, 외기 온도가 낮을수록 급탕사용량이 증가하였다. 이 기간 동안의 열손실율은 평균 5.4~7.2%로 나타났다.

향후 연구에서는 거주자의 생활 패턴과 재실 인원, 사용자의 열사용 패턴에 대한 데이터의 확보, 그리고 이 요인들과 급탕사용량과의 상관성을 찾는 연구가 필요하다고 판단된다.