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서울과기대 연구진, 통합배관 효용성 검증

하절기 배관열손실 단점…지역냉방 적용 시 보완 예상

최근 집단에너지사용시설의 경제적인 운영과 쾌적한 거주환경 조성, 온실가스 저감을 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 

지역난방의 방식 중 통합배관시스템(2-pipe)은 기존 4배관시스템을 2개로 줄인 것으로 기계실에서는 난방열교환만 한 후 급탕은 각 가정에서 세대별 유닛을 통해 해결한다. 기존의 급탕배관을 별도로 설치하지 않으므로 건축비, 설비 시공비, 설비관리 및 유지보수 비용 등을 감소시킬 수 있는 이점이 있다. 

하지만 설비구성 및 세대 내 면적확보 등이 기존시스템과 상이하기 때문에 적용에 있어 신중한 검토가 우선돼야 한다.

최근 서울과학기술대에서는 오규성 학생, 김영일 교수, 김선혜 교수 등이 ‘지역난방 이용 공동주택 통합배관시스템의 효용성 검증’에 대한 흥미로운 논문을 발표해 주목받고 있다.


열적 신뢰성·열손실 감소효과 검증
지역난방은 1985년 서울시 목동에서 처음 시작한 이래로 2016년 말 기준으로 약 269만5,000세대의 공동주택에 공급 중이며 이는 국내 총 주택 수 1,669만2,000세대대비 약 16.1% 수준이다.

지역난방을 공급한 지도 이제 30여년이 지나 초기에 공급한 공동주택의 경우 난방배관의 개체공사 및 재개발 시점에 도달했는데 이들 대부분 공사비용 부담으로 인해 개별난방(도시가스)으로 전환하고 있다. 이 같은 난방방식 변경은 국가에너지 이용효율 감소 및 온실가스발생 증가의 한 요인이 될 수 있다.

이러한 현실 속에서 배관시공절감으로 경제성과 사용자시설 측의 열손실감소가 기대되는 통합배관시스템에 대한 연구가 진행됐는데 초기였던 2012년에 진행된 연구에서는 통합배관시스템의 LCC가 기존 시스템(4-pipe)보다 불리하다고 분석했다. 그 이유는 국산세대 급탕열교환기가 없어 고가의 외산제품을 사용하기 때문이며 국산 세대열교환기의 국내개발 연구가 선행돼야 한다고 제안했다. 

이후 2014년에 한국지역난방공사는 연구개발단계였던 국산세대열교환기를 포함해 통합배관시스템에 대한 실증연구를 실시했고 그 결과 통합배관시스템의 경제성과 열손실 감소효과를 확인했다. 실증연구 시 실시한 LCC분석 결과 통합배관시스템의 LCC가 기존 시스템대비 약 12% 정도 작게 나타나 경제성을 입증했다.

2016년 국산 세대열교환기가 단체표준인증을 받았으며 한국지역난방공사의 열사용시설기준에 통합 배관시스템에 대한 기준이 신설되는 등 확산 가능한 환경이 조성됐으나 아직까지는 성능에 대한 우려로 인해 확산되지 못하고 있다.

이에 서울과기대 연구진은 통합배관시스템이 적용된 공동주택의 세대 난방 및 급탕의 성능과 배관에서의 열손실감소율을 에너지 시뮬레이션 도구인 TRNSYS 17을 이용, 분석해 열적 신뢰성과 열손실 감소효과를 검증했다. 이번 연구는 기존 시스템을 사용하다가 통합배관시스템으로 전환한 서울 양천구의 ‘A’ 아파트단지를 대상으로 진행됐다.



난방성능, 기존시스템과 유사
통합배관시스템은 가열수를 이용해 급탕과 난방을 동시에 하기 때문에 급탕사용 시 난방코일에 유입되는 가열수의 온도하락으로 난방성능에 문제가 발생할 것으로 예상됐다. 만약 급탕의 사용과 관계없이 설정온도(20℃) 이상으로 실내온도를 유지한다면 난방성능에 이상이 없다고 판단할 수 있으며 이를 확인하기 위해 각 시스템에 대해 시뮬레이션을 시행하고 비교·분석했다.

시뮬레이션의 조건으로 통합배관시스템에서의 가열수 온도는 55~60℃로 설정했으며 기존 시스템의 난방수 온도는 45~60℃를 적용했다.

통합배관시스템의 실내온도 분석결과는 거의 모든 구간에서 설정온도인 20℃ 이상 온도를 보였다. 난방설정의 Dead band(±1℃)를 벗어나 19℃ 이하로 실내온도가 떨어진 시간은 1년 8,760시간의 1.0%인 89시간이었으며 최저온도는 최상층에서 18.2℃였다. 기존 시스템에서의 실내온도 역시 유사한 결과를 보였다. 기존 시스템에서는 1년 8,760시간의 0.6%인 53시간 동안 Dead band(±1℃)를 벗어나 19℃ 이하로 실내온도가 하락했으며 최저온도는 최하층에서의 18.6℃였다.

이 같은 결과로 통합배관시스템에서의 난방성능은 기존 시스템과 비교해 유사한 성능을 발휘하는 것으로 보이며 급탕사용과 무관하게 정상적인 성능을 발휘한다고 볼 수 있다.

세대 급탕성능 측정을 위해 먼저 가열수를 외기보상온도를 적용해 시뮬레이션 한 결과 1년 중 급탕사용시간 1,460시간의 50.8%인 741시간 동안 적정급탕온도인 43℃ 이하로 하락했으며 40℃ 이하로 하락한 시간은 전체의 11.3%인 165시간이었다. 이 같은 결과와 보아 통합배관시스템에서 가열수의 온도조건을 기존 시스템에서 사용되는 외기보상온도를 적용하면 세대에 적정온도로 급탕을 공급할 수 없다고 볼 수 있다.

이에 따라 가열수의 온도를 연중 55~60℃로 좀 더 높게 설정하면 급탕온도분포가 대부분 적정 급탕온도인 43℃ 이상으로 분포하고 있음을 볼 수 있다. 1년 중 급탕사용시간 1,460시간 중 14.0%인 204시간 동안 적정급탕온도인 43℃ 이하로 하락했으나 40℃ 이하로 하락한 시간은 2.1%인 31시간에 불과하다.

세대의 급탕사용시간을 연속 2시간으로 설정, 시뮬레이션 했음에도 불구하고 양호한 성능을 발휘하는 것으로 보아 통합배관시스템의 급탕성능은 양호하다고 볼 수 있으며 세대의 급탕성능을 보장하기 위해서는 가열수의 온도를 연중 55~60℃로 비교적 높은 온도로 공급할 필요가 있다.



지역냉방과 병행 필요성 높아
통합배관시스템은 난방과 급탕배관을 하나로 통합했기에 배관 수 감소로 인한 열손실 감소가 기대된다. 이로 인한 에너지절감을 확인하기 위해 분석대상 공동주택의 실제 지역난방사용량과 시뮬레이션 결과를 통해 얻은 에너지사용량 및 배관 열손실량을 분석, 비교했다.

에너지사용량을 비교하기 위해 대상단지가 개체공사를 하기 전인 2013년과 개체공사 후인 2016년의 지역난방 열에너지 사용량과 시뮬레이션을 통해 얻은 각각의 시스템의 에너지사용량을 비교했다. 비교결과 분석대상 공동주택의 열에너지사용량은 통합배관시스템으로 개체공사 후 연간 12.7% 감소했으며 에너지사용량은 연간 5.7%의 절감효과가 있음을 확인했다. 이 같은 결과로 보아 통합배관시스템 적용 시 에너지 절감효과가 있음을 알 수 있다.

배관에서의 열손실은 기존 시스템은 전체 열에너지 사용량의 13.5%인 411.36MWh, 통합 배관시스템은 전체 열에너지 사용량의 10.3%인 294.92MWh의 열에너지가 배관에서 손실되는 것으로 나타났으며 통합배관시스템이 기존 시스템대비 배관 열손실이 28.3% 감소됐다. 주된 원인은 배관에서의 열손실 감소였다.

또한 월별 열에너지 사용량을 분석한 결과 통합배관시스템 적용 시 동절기에는 에너지절감이 나타나는 반면 난방 사용이 적거나 없는 시기에는 에너지사용량이 기존 시스템보다 더 많았다. 

이 같은 이유는 난방과 급탕의 계통이 분리된 기존 시스템의 경우 난방을 사용하지 않는 시기에는 난방배관에서의 열손실이 발생하지 않으므로 배관 열손실이 크게 감소하는 반면 통합배관시스템의 경우 통합된 배관으로 가열수를 연중 동일한 조건으로 공급하기 때문에 난방을 사용하지 않는 시기에도 배관 열손실량이 크게 감소되지 않기 때문이다. 

이처럼 연간 에너지사용량에서는 통합배관시스템의 에너지 절감효과를 볼 수 있었으나 하절기에는 통합배관시스템의 배관계통으로 인한 배관 열손실량 저감효과의 감소로 인해 기존 시스템대비 에너지사용량이 더 많은 것으로 나타났다.

이 같은 점은 통합배관시스템의 단점으로 볼 수 있으나 가열수를 열원으로 하는 제습식 냉방 및 흡착식 냉방을 통합배관시스템와 함께 적용한다면 이를 보완함과 더불어 하절기 냉방을 위한 전력사용량 절감도 예상된다.