▲ 대한설비공학회 2023 하계학술대회 모습.

대한설비공학회(회장 정재동)는 6월21일부터 6월23일까지 용평리조트에서 열린 2023년 하계학술대회에서 ‘복사냉난방전문위원회’ 특별세션을 개최해 복사냉난방 문제점을 제시하고 문제점에 대한 해결방안 및 개선방안을 공유했다.

세션은 △복합밸브를 이용한 세대 난방 통합관리 개선방안연구(공병채 지텍이엔지 과장) △국내 중앙집중식 난방시스템 관리체계 문제점 및 개선방안(이태원 오산대학교 교수) △실험을 통한 저부하 난방기간의 바닥복사 난방시스템의 제어성능 및 에너지 비교분석(장휴산 건설환경종합연구소, 서울대학교 대학원 건축학과 대학원생) △복사냉난방과 태양열데시컨트(DOAS)시스템(이현종 에코엔하임 대표) △시뮬레이션을 통한 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 따른 제어성능 비교 및 에너지 평가(김찬규 서울대학교 공과대학 건축학과 학생) 등 순으로 진행됐다.

복합밸브 이용···세대별 효율적 난방관리 가능

공병채 지텍이엔지 과장은 ‘복합밸브를 이용한 세대 난방 통합관리 개선방안 연구’에 대해 발표했다. 

중앙집중식으로 각 세대에 유량을 분배하고 열량을 조절하기 위해 기존 세대 정유량밸브와 세대 난방온도저절기 등 이용하는 방식에 일부 문제점이 있는 것으로 지적됐다. 최근 지역난방 등 공급측의 배관환경에 관계없이 수요측의 유량과 압력을 동시에 안정적으로 조절해주는 복합밸브에 관한 관심이 크게 높아지고 있다.

지역난방열을 공급받는 주거용 건물 각 세대에 복합밸브를 이용해 난방순환수의 유량과 난방열량의 통합관리에 따른 난방시스템의 성능향상과 에너지절약효과를 실험을 통해 검토했다.

실험방법으로 정유량조절밸브와 구동기를 대신해 복합밸브를 설치했으며 실내온도를 설정온도로 유지하는 실험을 진행했으며 복합밸브를 설치해 실내온도를 30℃를 유지하도록 했다.

▲ 복합밸브 설치장면(좌) 유량, 공급환수 온도, 실내온도 및 외기온도 그래프 (공병채 제공).

실내온도는 설정온도인 30℃로 유지되고 있으며 유량은 외기온도가 낮아짐에 따라 증가하는 모습으로 사용량에 따라 유량을 제어하고 있다.

기존 개폐제어방식과 달리 비례제어가 가능한 복합밸브를 활용한 경우 부하에 따라 유량을 제어하는 비례제어방식을 적용했다. 부하에 알맞은 유량을 제어하기 때문에 난방이 효율적으로 이뤄지며 난방온수의 공급환수 온도차가 향상됐다.

공병채 지텍이엔지 과장은 “복합밸브를 이용한 제어시스템 통합을 통해 세대난방의 효율적 운영이 가능한 것을 확인했다”라며 “복합밸브를 이용해 실시간 데이터를 모니터링이 가능하며 사용자가 난방을 더 효율적으로 사용할 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.

난방비부과 공정성 대책마련

이태원 오산대학교 소방안전관리과 교수는 ‘국내 중앙집중식 난방시스템 관리체계 문제점 및 개선방안’을 발표했다.

난방비 논란은 난방기간 중 예년에 비해 상대적으로 낮았던 외기온도, 도시가스와 지역난방열 요금의 인상요인을 제외하면 과거에 비해 큰 차이는 없었다. 하나의 사례로 지난 12월 초 한 신혼부부가 이사한 59평 서울 소재 공동주택 12월 지역난방 요금이 거의 200만원에 달했다는 언론보도가 있었다.

이와 같은 문제를 해소하고 공정한 난방비부과를 위해 제도적 대책마련이 시급하다며 난방요금 대란을 계기로 그간 제시된 바 있는 국내 중앙집중식 난방시스템 관리체계에 내재돼 있는 문제점과 개선방안을 발표했다.

▲ 온수유량계 적용(좌) 열유량계 적용(우) (이태원 제공).

개선방안을 제시하기 위해 실험주택에서 동일한 기후조건(실내외 평균온도차 22℃) 및 운전조건으로 세대 전체(85㎡)를 난방한 경우와 난방에너지 절약을 위해 거실(42㎡)만을 난방한 경우 일간 공급열량과 유량을 비교했다.

난방면적이 절반으로 감소했을 때 공급된 열량은 60.7%정도 감소하는데 비해 난방순환수 유량은 38.5%정도만 감소하는데 그쳤다. 이 경우 난방을 위해 요구되는 열량을 공급하기 위해 필요한 난방순환수의 소비유량인 단위소비유량(ℓ/kcal)은 1.5배(156.6%)가량 증가했다.

결국 소비유량에 따라 난방요금을 부과하면 실제 소비한 열량에 비해 그만큼 비싼 요금이 부과되는 불합리한 결과가 나왔다.

이태원 오산대 교수는 “수온감지 비례제어방식을 적용하면 난방순환수 순환을 위한 반송동력의 절감이 가능하다”라며 “난방시스템 운영 시 고려해야 할 변수가 감소돼 중앙기계실 난방공급계통의 안정적인 운전에도 도움이 될 수 있어 난방용 에너지절약 측면에서 유리하다”고 말했다.

이어 “난방계량기로 열량계를 설치하면 난방비부과에 따른 공정성은 확보될 수 있지만 에너지절약 관점에서 중앙집중식 난방시스템의 세대 난방제어기의 성능과 효과는 별개의 문제”라고 밝혔다.

난방시스템 제어방식 에너지 비교 분석

장휴산 건설환경종합연구소 및 서울대학교 대학원 건축학과 대학원생은 ‘실험을 통한 저부하 난방기간의 바닥복사 난방시스템의 제어성능 및 에너지 비교분석’에 대해 발표했다.

온수온도 제어방법 및 난방시스템 제어방법에 대한 제어방식 간 특징 및 적용성 연구와 외기보상 실온 피드백 제어 및 개폐식 펄스제어 우수함에 대한 연구 결과가 있으나 제어방법에 따른 에너지 투입량에 대한 언급과 제어방법에 따른 전체 에너지 평가에 대해 미미하다. 이번 실험을 통해 저부하 난방기간의 바닥 복사 난방시스템 제어특성 및 이에 따른 에너지 투입량 차이를 분석했다.

▲ 실험을 위한 난방시스템 다이어그램 (장휴산 제공)

실험방법으로 외기보상 뱅뱅(Outdoor Reset and Bang bang, 이하 OR+BB)제어와 일정 온수온도 뱅뱅(Bang bang, 이하 BB)제어를 적용해 OR제어 효용성을 파악하고자 했다. 다른 실험방법으로 변유량(Variable flow, 이하 VF)제어와 BB를 적용해 VF제어의 효용성 및 실내온도 오버슈팅의 정도를 파악하고자 했다.

장휴산 서울대 대학원생은 “OR+BB제어는 BB제어와 비교했을 때 방열량이 적어 실내온도 오버슈팅을 줄일 수 있으나 펌프 작동시간이 많아 총 투입 열량은 비슷하게 되며 펌프에너지는 더 많이 소요돼 총에너지가 불리하다”고 말했다.

이어 “VF제어는 실내 설정온도와 오차값 기준으로 공급유량을 PID제어 할 시 촉열제로 인해 반응속도가 더 지연됨에 따라 오버슈팅 할 가능성이 높다”라며 “펌프를 계속 가동하기 때문에 BB제어에 비해 총 에너지가 더 소요될 수 있다”고 밝혔다.

태양열에너지 효율적 활용 방법 제시

이현종 에코엔하임 대표는 ‘복사냉난방과 태양열데시컨트(DOAS)시스템’에 대해 발표했다.

에어컨이나 공조기는 잠열부하가 높아도 에어컨 냉방해야되고 현열부하가 높아도 냉각부위가 돌아가는 항상 에너지를 많이 쓰는 시스템이다. 복사냉난방시스템과 데스컨트 제습 환기 장치를 통해 온도 따로 습도 따로 필요할 때마다 돌아가면 에너지를 훨씬 더 절감할 수 있다.

▲ VAV시스템이 적용된 팬과 DOAS팬 비교 (좌) VAV시스템과 DOAS+복사냉각시스템 비교 (우) (이현종 제공)

VAV시스템에 사용되는 팬이 항상 DOAS 팬보다 더 많은 전력을 필요로 한다는 것을 명확하게 보여주고 있으며 VAV시스템대비 DOAS의 연간 총 팬 에너지 소비량은 1년 동안 29%에 불과하다.

이에 따라 VAV시스템과 DOAS+복사냉각시스템 총에너지 소비량은 각각 18.92MWh/y와 10.98MWh/y로 DOAS/복사패널 냉각시스템은 공기를 사용하는 기존 전공기 VAV시스템에 비해 연간 42%를 절약했다.

이현종 에코엔하임 대표는 “현장에서 움직일 때 돈 때문에 에너지가 피해를 입고 에너지 때문에 사람이 피해를 입는다”라며 “에너지가 너무 부각돼 사람의 피해는 입지 않는 좋은 환경으로 우리가 좋은 지구환경을 후배들한테 물려주면 좋겠다”고 밝혔다.

바닥복사 난방시스템 제어방식···방열량 비교

김찬규 서울대 건축학과 학생은 ‘시뮬레이션을 통한 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 따른 제어성능 비교 및 에너지평가’에 대해 발표했다.

실험 기준은 실외 최대 난방 부하는 50W/㎡로 산정했으며 실내온도 제어범위는 19.5~20.5℃로 설정해 진행했다. 뱅뱅제어(Bangbang Control, 이하 BB) 경우 19.5~20.5℃ 사이의 two position on/off 제어했으며 외기보상 뱅뱅제어(Outdoor reset and Bangbang Control, 이하 OR+BB) 경우 2차측 온수온도를 외기온도에 따라 조절했다.

또한 외기보상 실온피드백 제어(Outdoor rest and Room Temperature Feedback Control, 이하 OR+FB)는 먼저 외기보상 제어를 통한 2차측 온수온도를 설정한 다음 실내온도와 실내 설정온도인 20℃ 사이 오류를 추적해 온수온도를 재조정해 공급했다.

▲ 오버슈팅 시간 및 2차측 시스템분석(위) 난방시간에 따른 에너지평가 (아래) (김찬규 제공)

난방기간 전체에 대한 펌프에너지 사용량 데이터는 일정한 유량을 공급하는 OR+BB의 펌프에너지 사용량이 다른 제어방식에 비해 크다는 것을 알 수 있다. 또한 OR+BB, BB순으로 펌프 가동시간이 길어 펌프에너지 사용량이 더 높다는 것을 확인했다.

이를 토대로 BB는 높은 방열량을 짧은시간 동안 제공한다는 특징을 갖지만 OR+BB 경우 BB보다 낮은 방열량을 오랜시간 제공한다는 것을 알 수 있었으며 OR+FB 경우 매우 낮은 방열량을 연속적으로 제공한다는 것을 확인했다.

특히 시간당 방열량을 모두 합산했을 때 제어방식에 따라 방열량 자체는 큰 차이가 나지 않았다.

김찬규 서울대 학생은 “실내온도를 균일하게 유지하는 측면에서는 외기보상 실온피드백 제어방법이 우수하다”라며 “외기온이 5~15℃ 정도 비교적 높을 때는 외기보상 뱅뱅제어가 뱅뱅제어에 비해 오버슈팅이 감소하는 것으로 나타났다”라고 말했다.

이어 “에너지 사용량 측면에서 세 가지 제어방식 모두 외기온에 관계없이 유사한 방열량을 갖는 것으로 나타났다”라며 “외기보상 실온피드백 제어가 다른 제어방식에 비해 펌프에너지 사용량이 높은 것으로 나타났다”고 밝혔다.