대한설비공학회 복사냉난방전문위원회(위원장 여명석)는 8월3일 한국과학기술회관에서 ‘저온수 복사난방시스템’을 주제로 특별학술강연회를 개최하며 복사냉난방시스템 적용확대 방향성을 공유했다.
복사냉난방전문위원회는 2020년 위원회 설립 승인을 받고 2021년 본격적인 활동을 시작했지만 코로나19로 인한 사회적 거리두기 실천을 이유로 이제야 첫 강연회가 개최됐지만 산·학·연 많은 관계자들이 참석해 관련분야에 대한 높은 관심을 확인할 수 있었다.
이번 학술강연회는 △복사난방시스템의 방열량 평가실험(박상훈 선문대 교수) △공동주택 바닥난방배관 피치개선 방안(이종성 한국토지주택연구원 박사) △공동주택 저온수 복사난방시스템의 제어와 적용(여명석 서울대 교수) △Cascade 열활용 지역냉난방 최적화 기술개발(이진영 한일엠이씨 전무) △ZEB를 위한 저온수 복사난방시스템(이현종 에코엔하임 대표) 등의 주제발표가 진행됐다.
강용태 설비공학회 회장은 환영사를 통해 “설비공학회에서 운영하고 있는 13개의 전문위원회 중 복사냉난방위원회가 가장 왕성한 활동을 보이고 있는 것 같다”라며 “오늘 강연회에서는 복사냉난방시스템의 개념과 공동주택 바닥난방, 저온수 4세대 지역난방 등에 대한 유익한 정보가 교류될 것으로 기대된다”고 말했다. 이어 “이 자리에서 주옥같은 훌륭한 강의가 발표됨으로써 복사냉난방위원회가 더욱 활성화됨과 동시에 많은 회원들이 학회활동에 관심을 갖는 계기가 됐으면 좋겠다”고 말했다.
박상훈 선문대 교수는 ‘바닥 복사난방 패널의 방열량 평가실험’을 주제로 바닥 복사냉난방의 확대적용을 위해 검토돼야 할 요소 및 복사난방시스템의 개요 및 방열성능을 올바르게 측정할 수 있는 실험과정을 설명했다.
복사패널의 방열 메카니즘은 열매체로부터 공조대상 실까지의 열전달이다. 열매는 복사패널 표면 간의 열전달을 수행함으로써 복사패널의 개별적인 특성을 나타내고 있어 평가의 대상이 된다.
방열량 평가를 위한 경계조건과 실험방법에 관한 기준(EN 1264)에 따라 실험 시 상하부 실온을 Cooling Plate로 모사하고 복사면에서의 복사 및 대류 열전달 저항을 이에 상당하는 Heat transfer layer로 모사해 실험체를 구성했다.
박상훈 교수는 “복사냉난방전문위원회는 표준화된 실험방법에 근거한 복사패널시스템을 설계함으로써 과거 경험에 의존한 관행적 설계를 데이터에 근거한 설계로 전환한다는 계획”이라며 “향후 실험방법의 적용범위를 확장해 바닥복사냉방, 실제 공간 적용 시 방냉량 및 방열량 실험, 천장복사패널 구조에 대응할 수 있는 실험방법 제시, 방열량 및 방냉량 평가실험 방법 정립 등을 실행할 예정”이라고 말했다.
이종성 LH 토지주택연구원 연구위원은 ‘공동주택 바닥난방배관 피치개선 방안’을 발표하며 바닥난방시스템 적용현황 및 열성능 분석, 향후 계획 등을 설명했다.
국토교통부는 지난 2009년 ‘친환경주택 건설기준 및 성능’ 고시를 통해 30세대 이상 공동주택의 외벽 및 창 단열성능을 강화됐다. 이에 따라 최대난방부하는 93W/m²에서 30W/m²로 약 60% 이상 감소됐으며 최대 난방부하 감소 및 부하에 대응할 수 있는 적정피치 제안이 요구되고 있다.
현재 국내 건설사들의 바닥난방코일 피치설계는 기준층과 최상층, 최하층으로 구분해 기준을 정하고 있으며 침실은 주로 200mm와 230mm, 거실 및 주방은 230mm와 250mm로 설계되고 있다.
이종성 연구위원은 “향후 2022년 표준평면에서 거실, 안방 등 분석대상을 선정해 실험 및 시뮬레이션으로 얻은 물성치와 경계조건을 적용, 피치변화에 따른 실내온도 도달시간에 대한 분석을 실시할 예정”이라며 “또한 배관 피치별(200, 230, 250, 270, 300mm) 설계, 시공성 및 공사비 분석 등을 시행하고 이를 통해 공동주택 바닥배관 적정피치를 제안할 계획으로 난방부하 및 쾌적도를 고려해 300mm 예상된다”고 말했다.
여명석 서울대 교수는 ‘공동주택 저온수 바닥복사난방 시스템의 제어와 적용’을 발표했다. 국내 바닥복사난방 시스템 현황 및 적용성을 설명하며 향후 연구에 대한 소개를 진행했다.
바닥복사난방은 바닥 내 온수파이프 혹은 전열선 등을 설치해 바닥 구조체를 가열하고 바닥표면을 데움으로써 복사열을 통해 실내공기에 열을 전달하며 난방하는 방식으로 국내.외 주거용 건물에서 광범위하게 이용되고 있다.
특히 일반적인 열원 외 신재생열에너지원을 쉽게 이용할 수 있는 저온 바닥복사난방은 에너지효율이 높다는 점이 장점이다. 지열히트펌프 등을 이용한 온돌난방에서는 응축기 온도를 낮추는 효과로 COP가 향상되고 태양열 난방에서도 집열효율 향상으로 이어질 수 있다. 또한 콘덴싱 보일러의 경우 출구온도가 낮아질수록 콘덴싱 효과의 향상으로 효율이 증가한다.
여명석 교수는 “유럽 공동주택에서의 온수온도에 따른 난방시스템 분배 열손실에 대한 시뮬레이션 분석한 결과 45/30℃ 조건에서 열손실을 10% 정도 줄일 수 있음을 확인했다”라며 “저온 지역난방시스템을 적용하기 위한 시뮬레이션에서는 기존 지역난방시스템에 비해 저온 지역난방시스템의 중간층 가운데 세대에서는 8.0% 난방에너지 저감효과를 나타냈다”고 말했다.
이진영 한일엠이씨 전무는 ‘Cascade 열활용 지역냉난방 최적화 기술개발’을 발표했다. 467억원 규모로 진행되고 있는 스마트제로에너지시티(Smart ZEC) 과제는 인프라, 플랫폼, 서비스 마을, 지구, 도시단위의 수직·수평적 구조의 통합과제다. 서울에너지공사와 한일엠이씨는 세부과제로 지역난방 리턴수 연계의 다단식(cascade) 4세대 지역난방 실증을 진행하고 있다.
서울에너지공사는 이번 과제를 통해 지역난방 리턴수 연계 다단계 4세대 지역난방 열 네트워크를 실증하고 지역난방 운영 최적화 플랫폼을 개발 및 실증할 계획이다. 이를 위해 마곡에 위치한 HODI R&D센터 내 3,4층(약 1,230m²)에 실증을 진행중이다. 지하 2층 기계실 및 8층 태양열 설비, 3층 냉각탑 등의 시스템을 구성했다.
특히 바닥복사냉난방을 통해 저온열(40℃) 난방 및 비교적 고온냉수(10℃) 냉방이 적용됐다. 휴미컨과 연계를 통한 실내습도 제어 및 쾌적한 냉난방 및 결로방지 제어가 특징이다. 이러한 4세대 지역냉난방을 ZEB에 확대하기 위해서는 리턴수의 미활용에너지 인정이 요구되는 상황이다. 리턴수의 미활용에너지 인정 시 ZEB 등급산출에 적용돼 에너지자립률 향상이 기대된다.
이진영 전무는 “4세대 지역난방으로의 전환을 위해서는 과도기적인 지역난방 열사용시설 기준이 만들어져야 한다”라며 “리턴수, 재생에너지 및 축열설비 활용의 보편화와 함께 다양한 분산에너지원의 활용을 통한 지역난방 공급방안이 고려돼야 한다”고 말했다.
이현종 에코엔하임 대표는 ‘ZEB 위한 저온수 복사냉난방시스템’을 통해 국내 적용된 다양한 복사냉난방시스템 적용사례와 발전방향성을 설명했다.
이현종 대표는 “ZEB 건축물의 확산에 따라 기존 고온수 방식인 대류난방보다 저온수 방식의 복사난방을 통해 에너지절약적인 건축물을 계획해야 한다”라며 “실내환경의 쾌적성, 온도제어 성능, 에너지사용량 측면에서 저온수 복사난방시스템이 유리하며 국내 실정에 맞는 운전데이터를 확보하고 국가적인 차원의 보급지원정책이 요구된다”고 말했다.
저온수 복사난방시스템에 대한 설계, 시공, 시험방법에 대한 기술적 기준과 데이터를 확립하고 이를 통한 건물의 에너지사용량, 사용패턴, 열원기기의 개선, 시공방법 변화 및 개발 등이 절실한 상황이다.
40℃ 이하의 비교적 낮은 온도 온수를 복사난방에 공급함으로써 얻을 수 있는 이득은 매우 크다. 다양한 신재생에너지의 사용이 가능해 지열히트펌프, 태양열 난방에서도 기존의 고온수 복사난방보다 효율을 향상시킬 수 있다.
저온수 복사난방시스템의 효율을 높이기 위해 여러 가지 추가적인 노력도 필요하다. 예를 들어 유럽에서는 축열층 몰탈두께를 최소화하고 몰탈층에는 열흐름 개선제를, 배관 내에는 스케일이나 미생물의 증식을 최소화하는 억제제를 투입해 난방효율은 높이는 노력을 하고 있다.
박상훈 선문대 교수는 ‘바닥 복사난방 패널의 방열량 평가실험’을 주제로 바닥 복사냉난방의 확대적용을 위해 검토돼야 할 요소 및 복사난방시스템의 개요 및 방열성능을 올바르게 측정할 수 있는 실험과정을 설명했다. 
여명석 서울대 교수는 ‘공동주택 저온수 바닥복사난방 시스템의 제어와 적용’을 발표했다. 국내 바닥복사난방 시스템 현황 및 적용성을 설명하며 향후 연구에 대한 소개를 진행했다. 
이진영 한일엠이씨 전무는 ‘Cascade 열활용 지역냉난방 최적화 기술개발’을 발표했다. 467억원 규모로 진행되고 있는 스마트제로에너지시티(Smart ZEC) 과제는 인프라, 플랫폼, 서비스 마을, 지구, 도시단위의 수직·수평적 구조의 통합과제다. 서울에너지공사와 한일엠이씨는 세부과제로 지역난방 리턴수 연계의 다단식(cascade) 4세대 지역난방 실증을 진행하고 있다. 
이현종 에코엔하임 대표는 ‘ZEB 위한 저온수 복사냉난방시스템’을 통해 국내 적용된 다양한 복사냉난방시스템 적용사례와 발전방향성을 설명했다.
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