2.1 실험 주택 및 장비

본 연구의 실증 실험은 세종시에 위치한 전용면적 84 m² 규모의 발코니 미확장형 실험 주택에서 수행되었다(Fig. 1(c) 참조)⁽⁸⁾. 실내 온도 만족을 확인하기 위해 거실을 포함한 침실 1, 2, 3, 4 총 5개 존을 대상으로 실내 온도를 측정했다. 동일한 환경에서 저온수 공급 방식과 고온수 공급 방식을 비교하기 위해 서로 접해 있는 두 세대를 대상으로 실험을 진행했다. 다만, 양측 세대 평면의 형태는 동일하나 세대 측면의 향이 서로 다르므로 일사의 영향을 최소화하기 위하여 세대 외부에 가림막을 설치했다.

난방 시스템은 1차 측 열원인 콘덴싱 보일러와 5개의 존으로 온수를 분배하는 헤더로 구성되며, 전체적인 시스템 계통도와 실제 설치 모습은 Fig. 1(b)와 Fig. 1(a)와 같다. 실험에서 사용되는 콘덴싱 보일러는 최대 공급 열량이 23.44 kW이며, 연료로 LPG를 사용했다. 이때, 투입된 열량은 LPG의 저위 발열량(LHV)을 기준으로 산정하였으며, TDR과 같은 보일러의 상세 사양과 실험 케이스별 외기 조건 및 운전 시간은 각각 Table 1과 Table 2에 정리했다.

추가적으로, 실온 및 유량 센서의 경우 National Instruments 사의 계측 장비를 사용하였으며, 보일러의 경우 컴퓨터와 직접 연결하여 제어를 진행했다. 온도 측정 센서는 T-Type의 열전대 센서를 사용하였으며 측정 온도 범위는 -40~125℃로 오차범위는 ± 0.5℃인 센서를 사용했다. 유량 센서의 경우 1.5~25 L/min 범위의 센서로 오차범위는 ± 3%인 센서를 사용했다. 또한, 외기온도 측정 센서의 경우 일사의 영향을 배제시키기 위하여 그늘진 곳에 설치하였고, 센서 주위 복사열에 의한 영향을 최소화하기 위해 알루미늄 캔 덮개를 설치했다.

Fig. 1 Experimental setup and schematic of the system in the test apartment ⁽⁸⁾ .

2.2 온수 온도별 공급 조건

고온수 공급 방식은 기존의 관행적인 운전 조건을 반영하여 80℃의 온수를 일정하게 공급하는 개폐 제어(BB; Bang Bang control)를 사용했다. 반면, 저온수 공급 방식은 외기온도($T_{out}$) 변화에 따른 실내 부하를 산정하고, 이에 맞춰 공급 온수 온도를 45~58℃ 범위에서 조절하는 외기보상제어(OR; Outdoor Reset control) 방식을 사용했다. 다음으로, 실내 온도 제어와 공급 유량은 고온수, 저온수 공급 방식 모두 동일하게 설정했다. 실내 온도 제어는 실온 기반의 온오프 제어 방식(On/Off Control)을 사용하였으며, 설정 실온은 24.5℃를 기준으로 했다. 이때, 잦은 기동․정지를 방지하고 안정적인 제어를 위해 ± 0.5℃ 범위에서 운전될 수 있도록 투 포지션 데드밴드(Two-Position Deadband)를 사용했다. 또한, 온수 공급 유량은 공급수 온도 조건과 무관하게 5 L/min 정유량으로 공급했다. 각 방식에 관한 상세 설정 조건은 Table 3에 정리했다.

2.3 에너지 성능 평가 지표

본 연구에서는 실험을 통해 고온수와 저온수 공급에 따른 열원의 에너지 성능을 보일러 효율을 통해 분석하고자 하였다. 효율은 식(1)에서 정의한 것과 같이 펄스 신호 한 번당 투입된 가스 발열량 대비 온수에 의해 실내로 공급된 열량의 비율로 계산하였다.

하지만, 수온에 따라 공급 열량의 차이로 가스 발열량당 펄스 주기는 달라질 수 있다. 따라서, $t_{operate}$를 통해 발열량당 펄스 주기를 동일하게 계산했다. 펄스 발생 주기는 미터기를 통해 신호를 측정하였으며, $G_{pulse}$를 통해 펄스 신호 1회당 가스 체적은 0.01 m³로 계산했다. 이때, 가스 발열량은 Table 1에서 제시된 LPG의 저위 발열량(LHV)인 100,500 kJ/m³를 적용했다.

2.4 실내 온도 평가 지표

실내 온열 환경 평가는 실내 온도 유지 성능을 기준으로 실내 쾌적 시간, 언더히팅, 오버슈팅 지속 시간 및 오버슈팅 피크 온도를 지표로 선정하여 평가하였다. 실내 쾌적 시간은 전체 실험 기간 중 실내 온도가 설정 실온 24.5℃ 대비 ± 0.5℃ 범위인 24~25℃ 내로 유지된 시간을 적산하여 산출하였다. 이때, 데이터 수집 및 적산은 30초 간격을 기준으로 이루어졌다. 쾌적 범위를 벗어나는 구간에 대해서는 실내 온도가 24℃ 미만일 경우를 언더히팅, 25℃를 초과할 경우에는 오버슈팅으로 정의했다.

오버슈팅 특성은 지속 시간과 피크 온도를 기준으로 상세 분석을 진행하였다. 먼저 오버슈팅 지속 시간($t_{os}$)은 식(2)과 같이 산정하였다. 지시함수 I는 실내 온도가 25℃를 초과하는 조건에서 1을 반환하며, 여기에 측정 간격인 30초를 곱하여 적산한다. 적산은 전체 실험 기간 동안 수행하여 총 오버슈팅 지속 시간을 도출하였다. 또한, 공급수 온도 조건에 따른 오버슈팅 정도를 확인하기 위해, 실내 온도 상한을 초과하는 최대 온도인 오버슈팅 피크 온도를 비교 분석하였다.

3.1 콘덴싱 보일러에서의 1차 측 에너지 성능 분석

공급수 온도 조건에 따른 효율 분석을 수행하기에 앞서, 실제 운전 환경에서도 환수 온도 변화에 따른 이론적인 효율 변화 양상이 나타나는지 검증하였다. Fig. 2(a)는 환수 온도에 따른 보일러 효율을 나타낸 그래프이다. 일반적으로 콘덴싱 보일러에서 응축 현상이 발생하는 온도인 55℃를 기점으로, 환수 온도가 낮아질수록 효율이 점진적으로 상승하는 경향이 뚜렷하게 확인되었다. 55℃ 이하의 응축 구간에서는 평균 효율이 87%에 달했으나, 응축 온도를 초과하는 구간에서는 평균 효율이 76%로 비교적 낮게 측정되었다. 이러한 결과는 실제 운전 조건에서도 콘덴싱 보일러의 효율이 응축 여부에 따라 유의미하게 변화한다는 사실을 입증한다.

그러나 이러한 효율 차이에도 불구하고 Table 4에서 볼 수 있듯이 두 케이스의 평균 환수 온도는 고온수 43.39℃, 저온수 41.91℃로 그 차이가 약 1.48℃에 불과한 것으로 나타났다. 즉, 두 조건 모두 평균적으로는 응축이 활발히 일어나는 저온 영역에서 운전되었음에도 불구하고, 실제 효율에서는 상당한 차이가 발생한 것이다.

이러한 효율 특성의 차이는 Fig. 2(b)의 박스 플롯 분포를 통해 이해할 수 있다. 저온수 공급 조건은 효율이 약 80~94% 범위에 밀집되어 안정적인 고효율 운전 양상을 보인 반면, 고온수 공급 조건은 68~92%의 넓은 범위에 걸쳐 효율 분포가 넓게 나타났다. 결과적으로 유사한 평균 환수 온도 조건임에도 불구하고 공급수 온도에 따라 유의미한 효율 격차가 발생하는 것으로 나타났다.

이러한 효율 격차의 원인을 규명하고자 공급수 온도 조건별 응축 발생 영역에서의 가동 빈도를 분석하였으며, 그 결과는 Fig. 3(a), (b)와 같다. 저온수 공급 조건은 전체 운전 시간의 약 96.3%가 이론적 응축 구간인 환수 온도 55℃ 이하 영역에 집중된 것으로 나타났다. 반면 고온수 공급 조건은 55℃ 이하 운전 비중이 75.6%에 그쳤으며, 나머지 24.4%는 응축 잠열 회수가 제한적인 55℃ 초과 구간에서 수행되었다.

이와 같은 운전 양상의 차이는 보일러 효율로 직결된다. 저온수 방식은 가동 시간 대부분이 고효율 영역에 포함되어 84.4%의 평균 효율을 기록하였으나, 고온수 방식은 가동 시간의 약 4분의 1이 저효율 구간에 해당하여 평균 효율이 78.4%에 머물렀다. 결과적으로 본 실험 조건에서 저온수 공급 방식은 콘덴싱 보일러의 응축 잠열 회수량을 증대시킴으로써 열원의 효율 향상에 기여한 것으로 판단된다.

Fig. 2 Average boiler efficiency by water temperature conditions.

Fig. 3 Data counts by operation condition for each case.

3.2 실내 설정실온 유지 평가

공급수 온도 조건에 따른 실내 쾌적 유지 성능을 Table 5를 통해 분석한 결과, 고온수 공급 시의 쾌적 시간은 평균 43.42시간인 반면 저온수 공급 시에는 56.10시간으로 나타나 저온수 조건에서 약 12.68시간 더 길게 유지되었다. 이러한 경향은 거실을 포함한 모든 존에서 동일하게 관찰되었다. 일반적으로 공급 온도가 낮을 경우 설정 온도 도달이 지연되는 언더히팅에 대한 우려가 있으나, 본 실험에서는 저온수 공급 시에도 평균 실내 온도가 24.64℃를 기록하며 설정 온도 하한값인 24℃를 상회하는 것으로 확인되었다.

저온수 공급에 따른 실내 온도 분포를 상세히 검토하고자 Fig. 4와 같이 온도 변화 양상을 분석한 결과, 가장 면적이 넓은 Room 1과 가장 좁은 Room 2를 포함한 전 존에서 실내 온도가 23.9℃ 이하로 하락하지 않는 것으로 나타났다. 이는 건축물의 단열 기준 강화로 인한 열손실 저감과 더불어, 실내 온도보다 약 20~30℃ 높은 온수가 충분히 공급되어 안정적인 열공급이 이루어졌기 때문으로 판단된다.

반면 고온수 공급 시에는 평균 실내 온도가 24.87℃로 나타나 설정 온도 상한값인 25℃에 약 0.13℃ 차이로 근접하였으며, 모든 방에서 저온수 대비 높은 실내 온도가 유지되는 경향을 보였다. 이는 고온수 공급 조건에서 실내 온도가 설정 범위를 초과하는 오버슈팅 발생 가능성이 상대적으로 높으며, 이로 인해 실내 쾌적 시간이 감소할 수 있을 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 4 Indoor temperature for each room.

실내 온도 분석 결과 언더히팅에 의한 영향은 미미한 것으로 확인됨에 따라, 쾌적 시간 감소의 주요 원인을 오버슈팅에 의한 것으로 판단할 수 있다. 이에, Table 6에 제시된 오버슈팅 지속 시간을 분석한 결과, 고온수 조건은 평균 33.01시간으로 저온수 조건의 20.55시간 대비 약 12.46시간 더 길게 유지된 것으로 나타났다. 이러한 경향은 모든 존에서 공통적으로 관찰되었으며, 오버슈팅 지속 시간의 증가는 재실자의 불쾌적을 야기하는 주요 요인으로 작용할 수 있다. 반면 저온수 조건에서는 오버슈팅 지속 시간이 상대적으로 짧게 나타나, 쾌적 시간 확보 측면에서 저온수 공급 방식이 더 유리함을 확인하였다.

또한 설정 온도를 초과하는 피크 온도가 상승할수록 재실자의 열적 불쾌감이 높아질 수 있으므로, 지속 시간뿐만 아니라 피크 온도에 대해서도 상세히 검토하였다. 분석 결과, 고온수와 저온수 조건의 피크 온도는 각각 25.78℃와 25.48℃로 측정되었다. 특히 고온수 조건은 설정 온도 상한값인 25℃ 대비 0.78℃ 과열된 것으로 나타났으며, 저온수 조건 또한 설정 온도를 약 0.48℃ 초과하는 오버슈팅이 발생하였으나 고온수 대비 상대적으로 낮게 나타났다.

이처럼 모든 실험 조건에서 오버슈팅이 발생하는 이유는 실내 온도가 설정치에 도달하여 보일러 가동이 중단되더라도, 바닥 슬래브에 축적된 잔열이 실내로 지속적으로 방출되기 때문이다. 특히 공급수 온도가 높을수록 실내로의 열전달 속도가 가속화되어 고온수 공급 시 오버슈팅의 정도와 지속 시간이 더욱 심화되는 것으로 판단된다. 결과적으로 과도한 오버슈팅은 공급 열량의 불필요한 증가를 야기하며, 이는 가스 소비량의 증대로 이어질 가능성이 존재한다. 따라서 이를 개선하기 위해서는 기존의 단순 개폐 제어 방식에서 탈피하여, 바닥 난방 시스템의 열적 관성과 축열량을 고려한 제어 알고리즘의 도입이 필요할 것으로 사료된다.