대한설비공학회는 지난 10월24일 한국과학기술회관에서 ‘복사냉난방시스템의 성능향상 전략’을 주제로 학술강연회를 개최했다.

 

이번 행사는 대한설비공학회 복사냉난방위원회를 비롯해 △아키필드 △경동나비엔 △하이멕 등 기업과 복사냉난방 연구를 진행하고 있는 △목원대 △서울대 등 산·학·연 전문가 50여명이 참여해 복사냉난방시스템 성능향상 전략을 공유했다.

 

 

이날 학술강연회는 송두삼 대한설비공학회 회장의 환영사로 시작됐으며 행사의 사회는 정창호 복사냉난방전문위원회 간사(수원대 교수)가 맡았다.

 

송두삼 설비공학회 회장장은 환영사를 통해 “건물에너지에서 기계설비가 소비하는 에너지가 약 71%이며 공동주택 난방에너지가 건물에너지의 약 43%”라며 “최근 기후변화로 인해 냉난방 없이 더 살기 어려운 상황이 됐으며 이에 대한 해법으로 북유럽과 미국 등을 비롯한 국가들에서는 복사냉난방을 선택하고 있다”고 밝혔다.

 

이어 송 회장은 “이런 세계적 추세와 다르게 현재 한국은 복사냉난방기술 개발이 굉장히 더딘 상태이며 90년대 이후 사실상 기술적 변화가 없어 많은 우려가 제기되고 있다”라며 “오늘 학술강연회를 통해 복사냉난방분야 발전을 위한 전략을 공유하고 나아가 해당 기술이 국민들의 냉난방비를 절감하고 글로벌시장을 선도할 수 있는 발판이 되길 기대한다”고 덧붙였다. 

 

"두께에 따른 바닥복사패널 난방성능 실험"

백승효 목원대학교 교수는 ‘축열층 두께에 따른 바닥복사패널의 난방성능 평가’ 발표를 통해 지금까지 진행한 연구성과를 공유했다.

 

한국환경공단 층간소음이웃사이센터의 분석에 따르면 2012년 8,795건이었던 층간소음으로 인한 전화상담 신청건수가 2024년 3만3.027건으로 약 275% 증가했다. 이에 대한 해결방안으로 바닥구조체 두께 증가가 제시됐으며 두께 증가에 따른 난방성능 변화 연구가 진행됐다.

 

백 교수는 “기존 40mm 모르타르가 층간소음 저감을 위해 60~70mm까지 두꺼워지는 추세이며 이외에도 완충재 추가로 바닥구조체 두께가 두꺼워지고 있다”라며 “두께에 따른 열전달 경로 변화와 바닥표면 온도 도달시간이 달라지며 난방성능의 변화가 발생해 이에 대한 분석이 필요했다”고 밝혔다.

 

실험은 △40mm △50mm △60mm 등 축열층 두께가 다른 세 가지 구조체를 대상으로 △설정 실온 유지 △오버슈팅 △설정 실온 도달시간 △에너지 투입량 등을 통해 두께에 따른 난방성능평가를 진행했다.

 

백 교수는 실험결과를 분석하며 “두께가 증가하면 축열량이 커져 실온 안전성은 높지만 응답속도는 느려지고 오버슈팅 빈도는 증가한다”라며 “저부하환경과 공급온수 온도가 높을수록 오버슈팅이 커지며 두꺼운 축열층일수록 실내온도 제어가 어렵다는 결과를 얻었다”고 밝혔다.

 

이어 백 교수는 “축열층 두께 증가로 인해 난방 가동 시 설정 실온 도달시간이 다소 증가하는 경향도 확인됐으나 이는 공급온수 온도 및 유랑조정을 통해 대응이 가능하다”라며 “다만 공급온수 온도를 높이는 것이 에너지효율 및 오버슈팅 관점에서 적절한 해결책이라고 보기 어려운 측면이 있다”고 덧붙였다.

 

발표에 따르면 층간소음 완화를 위해 바닥을 두껍게 하면 난방성능 측면에서 부작용이 발생할 수 있어 온수온도제어 및 유량조정 등 시스템적 대응이 필요하다. 이에 더해 열·음향성능을 동시에 고려한 복합패널 연구가 필요하다는 분석이다.

 

"탄소중립 주거기술 현실적 해법… 알루미늄 열전도판"

민준기 아키필드 본부장은 알루미늄 열전도판을 활용한 바닥복사난방시스템을 소개했다.

 

아키필드의 열전도판은 온수코일 상부에 알루미늄 열전도판을 설치해 거주공간의 열원공급을 극대화해 난방효율을 높여 에너지절감 및 탄소배출 저감에 기여하는 시스템이다. 열전도판의 사양은 △알루미늄 0.3mm △열전도도 195W/m·K 이상 △열전도판 면적비 20% 내외 등이며 부식방지와 내식성 확보를 위해 동도금에 우레탄 코팅을 더했다.

 

민 본부장은 “실험은 40mm 바닥체에 알루미늄 열전도판을 설치한 것과 설치하지 않은 구조체를 대상으로 진행했으며 동일한 배관길이를 설치해 열손실과 바닥온도 차이를 최소화했다”라며 “실내공기에 대한 △온도 △습도 △바닥 표면온도 △열류량 △외기 온·습도 △에너지사용량 △난방 설정온도 등을 각각 1분 단위로 측정해 분석했다”고 밝혔다.

 

연구결과 알루미늄 열전도판을 적용한 구조체는 모르타르 두께가 두꺼워졌음에도 온도상승 반응이 개선돼 설정온도 도달시간이 15~20% 단축됐으며 에너지소비도 약 5~10% 절감된 것으로 나타났다. 이에 더해 바닥표면 온도분포가 더 고르게 유지돼 실내쾌적성 측면에서도 개선효과가 확인됐다.

 

실제 현장검증 결과도 발표됐다. LH 화성 향남지구 임대주택 70세대 대상으로 진행됐으며 에너지공단 M&V 가이드라인에 따라 열전도판 설치 35세대와 미설치 35세대를 비교한 결과 열전도판 설치 세대들에서 평균 18.45%의 에너지절감이 확인됐다. 이중 세부세대 5가구를 심층분석한 결과 연속난방 조건에서 평균 21.9%, 외출모드와 가변운전 등 세부제어부문에서는 최대 41.8% 절감되는 것으로 분석됐다.

 

민 본부장은 “앞서 발표한 백승효 교수의 실험결과 70mm의 두꺼운 바닥에서 난방성능 저하가 분석됐는데 열전도판을 적용한다면 성능저하 없이 두꺼운 환경에서도 대응이 가능하다”라며 “70mm 바닥구조에 열전도판을 적용한 결과 에너지사용량 89.4% 수준으로 10.6% 절감됐으며 온도 상승속도 8.5% 향상과 하강속도 완화로 열손실 저감 등의 효과가 나타났다”고 발표했다.

 

분석결과에 따르면 알루미늄 열전도판은 단순히 열을 빨리 전달하는 것 뿐만 아니라 △벽체 △창호 △바닥 등의 열손실 자체를 감소시키는 것으로 나타났다. 실험실 결과 에너지사용량은 알루미늄 열전도판 설치에 따라 11~19% 절감이 가능하며 LH 실증결과 18.45~41.8%까지 절감가능하며 이외에도 △난방 반응속도 개선 △쾌적성 향상 △열손실 감소 등의 효과를 제공하는 것으로 분석됐다.

 

민 본부장은 “알루미늄 열전도판은 기존설비를 바꾸지 않고도 즉시 적용가능한 기술이며 제로에너지빌딩(ZEB) 기준 상향에 맞춰 적용 확대를 준비 중”이라며 “에너지절감의 핵심은 온도를 낮추는 것이 아닌 열을 잘 활용하는 것이며 탄소중립 주거기술의 현실적 해법으로 알루미늄 열전도판을 제안한다”고 강조했다.

 

"외기온 변화에 따른 유연한 온수온도 조절 시스템전환 시급"

여명석 서울대 교수는 건축물 난방효율 향상을 위해 바닥복사난방의 제어방식과 패널구조를 정밀 분석한 연구결과를 발표했다.

 

여 교수는 “온수온도제어를 중심으로 한 연속제어방식이 기존 온·오프(Bangbang)제어보다 에너지절감효과가 크다”라며 “전열판을 적용한 패널구조는 낮은 온수온도에서도 충분한 난방성능을 발휘한다”고 밝혔다.

 

발표에 따르면 최근 공동주택의 열부하는 m²당 20W 수준까지 낮아져 과거 70~80W 수준에서 크게 개선됐으며 패시브하우스의 부하수준이 약 10W인 것을 감안하면 국내 주택도 점차 그 수준에 근접하고 있는 것으로 분석됐다.

 

여 교수는 CFD(전산유체해석)기반 3D 시뮬레이션을 통해 △전열판 적용 유무 △온수온도 제어방식 △고·저부하 조건 등을 비교했으며 실험은 일정한 온수온도를 유지하는 방식인 온·오프제어와 외기온도·실내온도 피드백을 반영한 연속제어 등으로 구분해 수행됐다.

 

실험결과 실내온도를 일정하게 유지하면서 온수온도를 연속적으로 조절한 실온피드백·외기온도 제어방식이 가장 효율적인 것으로 분석됐다. 이 방식은 오버슈팅도 거의 발생하지 않았으며 실내온도 변동이 최소화돼 공급에너지도 가장 적게 투입됐다.

 

일정한 온수온도를 유지하며 단순 온·오프제어를 수행한 경우에는 오버슈팅 현상이 발생해 에너지낭비로 이어졌다. 특히 외기온이 온화한 저부하조건에서 오버슈팅이 두드러지고 실내 과열과 비효율까지 발생한 것으로 나타났다.

 

여 교수는 “전열판을 적용하면 열전달 저항이 감소해 더 낮은 온수온도로도 동일한 열량을 공급할 수 있다”라며 “히트펌프, 콘덴싱보일러 등 열원기기의 COP가 향상돼 전체 에너지효율이 높아지는 것을 확인했다”고 강조했다.

 

이어 “우리나라의 지역난방은 여전히 45~50℃의 온수를 고정공급하는 방식이 일반적이지만 외기온 변화에 따라 유연하게 온수온도를 조절하는 시스템으로 전환이 필요하다”라며 “온수온도제어를 세분화하면 에너지절감과 쾌적성 등 사용자에게 다양한 장점 제공은 물론 나아가 건물에너지부문 탄소중립 목표달성도 가능할 것”이라고 전망했다.

 

"E효율 향상 난방방식으로 중·저온수와 외기보상 환수제어시스템 제언"

송용민 경동나비엔 시스템팀 팀장은 중·저온수 난방시스템과 외기보상 환수시스템을 통한 새로운 바닥복사난방시스템과 성능평가를 발표했다.

 

송 팀장은 글로벌 보일러기술동향을 짚으며 “이미 유럽은 1980년대부터 콘덴싱보일러를 도입해 현재 보급률이 86% 이상이며 대부분외기보상제어를 탑재하고 있다”라며 “유럽의 ErP(에너지라벨) 등급체계는 단순 열효일이 아닌 계절·기후변동을 반영한 효율지표를 사용하고 있다”고 소개했다.

 

발표에 따르면 미국 역시 2015년 이후 보일러효율기준을 상향했으며 오는 2029년에는 95% 이상 효율을 목표로 세액공제·리베이트를 제공 중이다. 특히 미국은 외기보상기능을 법령으로 의무화해 미국의 모든 보일러는 외기온도센서를 탑재해 출하되며 외기조건에 따라 자동으로 난방수 조절이 가능해야 에너지효율인증을 취득할 수 있다.

 

송 팀장은 “국내는 2020년 수도권 일부지역에 한정해 콘덴싱보일러 설치가 의무화됐지만 아직 보급률과 기술수준 모두 앞선 사례들과 비교해 큰 격차가 있다”라며 “국내도 콘덴싱보일러 설치 의무화 규제나 연구개발이 활성화돼야 상향되고 있는 ZEB기준과 국가 탄소중립 목표를 달성할 수 있을 것”이라고 강조했다.

 

경동나비엔은 콘덴싱보일러의 핵심 제어기술로 환수제어를 적용해왔다. 해당 기술은 공급수가 아닌 환수의 온도를 기준으로 보일러를 제어하는 시스템으로 이 방식은 일정한 환수온도를 유지하면서 보일러가 최소열량으로 장시간 운전하도록 유도해 콘덴싱효과를 극대화한다.

 

송 팀장은 “공급수제어는 고정된 고온으로 작동하기 때문에 오버슈팅이 많고 효율이 떨어진다”라며 “환수제어는 낮은 온도에서도 일정하게 열이 환수돼 돌아오므로 쾌적성은 물론 에너지효율까지 제공이 가능하다”고 밝혔다.

 

송 팀장은 여명석 서울대 교수 연구팀과 공동으로 진행한 실험결과를 발표했다. 실험은 세종에 위치한 LH 실증실험동에서 진행됐으며 △공급수제어 △환수제어 △외기보상 환수제어 등 세 가지 제어방식을 비교·분석했다.

 

실험결과 외기보상 환수제어 방식이 오버슈팅 1℃ 이상 감소했으며 외기보상 제어일수록 쾌적하고 안정된 온도제어가 가능한 것으로 분석됐다. 가스소비량도 다른 방식들과 비교했을 때 외기보상 환수제어방식이 약 20% 절감효과를 보였으며 난방수 온도가 낮아졌음에도 가스소비량이 줄었다. 이에 대한 이유는 불필요한 온·오프(숏사이클링)가 감소했기 때문으로 나타났다. 실험결과 외기보상 환수제어방식이 단순히 온도를 낮추는 게 아닌 불필요한 점화를 줄여 효율을 높이는 스마트제어방식임을 입증했다.

 

송 팀장은 “앞으로 난방의 방향은 중·저온수와 외기보상 환수제어시스템이 결합한 방식으로 발전돼야 콘덴싱보일러의 효율을 끌어낼 수 있다”라며 “ZEB등급 의무화와 기술개발로 주택의 기밀성과 단열이 향상되고 있으며 이런 주택에서는 고온수 공급없이도 중·저온 난방이 가능해 새로운 해법이 될 수 있을 것”이라고 전망했다.

 

"건물의 냉방부하 특성에 맞춘 복사패널 설계 필요"

이진영 하이멕 전략부문사장은 “건물별 냉방부하를 정밀산정하고 산정한 결과에 맞춰 부하에 적합한 △패널용량 △공급온도 △면적비를 계획해야 한다”라며 “복사패널은 내부부하에 탁월하지만 창가부하는 별도 대책없이 패널만으로 감당하기 어려우며 냉방부하는 건물다마 다르고 외피부하까지 모두 처리하기 위해선 설계개념부터 달라져야 한다”고 강조했다.

 

발표에 따르면 실내 인원·조명·기기부하를 기준으로 봤을 때 국내 일반 사무실의 내부부하는 대체로 60~80W/㎡ 수준으로 이는 복사패널의 통상 방냉능력 범위 안에 들어온다. 복사냉방을 건물 전관에 적용하려면 건축적 차양·차폐 설계가 병행돼야 하며 건축가·설계사들이 먼저 이를 이해하고 새로운 설계개념을 도입해야 한다고 분석했다.

 

이 전략부문사장은 “차양·루버·식재·변색유리 등을 통한 일사를 차단하고 버퍼존이나 복도현 이중외피를 통해 외피와 점유공간을 분리해야 한다”라며 “페리미터리스 설계로 외피 인접구간 비점유화와 패널 각도 조정과 지그재그 배열로 전열면적 증대 등이 필요하다”고 구체적 방안을 제시했다.

 

 

이에 더해 이 사장은 “외피부하는 복사패널만으로 처리하기 어렵기 때문에 18~20℃의 고온냉수기반 현열기기를 병행해야 하며 칠드빔(Chilled Beam)이나 팬컨벡터과 현열코일 등을 사용해야 한다”라며 “이를 통해 기기당 약 1kW 부하처리가 가능하고 내부존은 복사패널로 외주부는 대류기기로 분리운전해 결로 걱정없는 효율 냉방방식을 검토해야 한다”고 덧붙였다.

 

이 사장은 “같은 층이라도 존별로 공급온도를 달리해야 에너지절감이 가능하고 결로나 불쾌감을 줄일 수 있다”라며 “냉난방이 공존하는 중간기에는 이런 존별제어가 필수적이며 페리메터와 내부존을 따로 제어해야 하며 겨울철에는 내부 중립과 외주 난방을 동시에 제어해 결로를 예방해야 한다”고 전했다.