서 론

최근 주거 건물에서 거주자의 기호에 맞는 다양한 마감재가 적용되는 추세가 증가하면서, 바닥 마감재의 경우에도 기존의 PVC 장판에서 탈피하여, 원목이나 타일류의 다양한 재료가 적용되고 있다(Jang, 2017). 특히 하나의 주거 건물에서도, 공용 공간인 거실 및 주방은 대리석이나 타일 재질의 바닥재로 시공하고, 개인 공간인 침실은 기존의 일반적인 PVC 장판으로 시공하는 등 세대 내에서 이종의 바닥재를 설치하는 경우도 증가하고 있다. 주로 거실과 주방에 설치되는 대리석이나 타일 재질의 바닥재는 PVC 장판에 비해 열저항 및 열용량이 크므로, 일반 마감재가 설치된 실에 비해 실온 상승속도가 저하될 가능성이 있고(Won et al., 2002), 그에 따라 열쾌적 저하 또는 실간 난방 불균형 문제가 발생할 우려가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 해당 실의 배관 피치 조정, 온수 온도 또는 유량 조절의 방법으로 방열량을 조절할 필요가 있다. 이 중 피치 조정은, 많은 경우 설계 시방서에 평면별 배관 간격이 지정되어 있어(침실: 200 mm, 거실 및 주방: 230 mm(LH, 2015)) 변경이 쉽지 않고, 만약 배관 간격을 줄이더라도 배관 길이가 증가하여 압력손실 및 반송 동력이 증가하는 문제가 있다. 또한 온수 온도를 각 구획별로 조절하는 것은 현실적으로 불가하기 때문에(Choi et al., 2007), 결국 온수 유량 조절을 통해 방열량을 조절하는 것이 합리적이라고 판단된다.

온수 유량은 일반적으로 난방부하를 온수온도차와 온수 비열의 곱으로 나누어 산출할 수 있으며, 바닥 마감재의 저항 및 하부 방열량을 고려(ISO 11855-3, 2012)하여 좀 더 정밀하게 산출할 수도 있다. 이렇게 산출된 온수유량(설계유량)은 열저항만을 고려한 정상상태 계산 결과로, 난방이 연속적으로 가동되는 경우에는 각 실에 설계유량을 공급하면 실별 바닥 마감재가 다르더라도 실온 유지에 문제가 없다. 그러나 난방이 중단되었다가 다시 가동되어 실온이 상승하는 구간에서는, 설계유량을 공급하더라도 바닥재의 종류에 따라 각 실의 실온 회복 양상이 달라질 수 있다. 즉 열용량이 작은 PVC 장판이 설치된 공간은 실온이 신속하게 회복되나, 열용량이 상대적으로 큰 대리석, 타일 류의 바닥 마감재가 설치된 공간은 실온 회복 속도가 저하될 수 있어 실간 난방 불균형 또는 낮은 표면온도에 의한 국부적 불쾌적이 유발될 수 있다. 이러한 문제는 재실・비재실 시간이 뚜렷이 구분되어 난방 시스템이 간헐적으로 운전되는 주거 건물 또는 에너지 절약 차원에서 비재실 기간 중 set-back 제어를 적용하는 주거 건물에서 심화될 수 있다.

이에 본 연구에서는 바닥 마감재가 상이할 경우, 난방 초기 단계에서 바닥 표면온도와 실온 거동을 Mock-up 실험 및 시뮬레이션으로 분석하여 실온 상승 지연 및 난방 불균형 문제가 유발될 수 있음을 규명하였다. 이러한 문제를 방지하기 위해 상이한 바닥 마감재가 설치된 실의 온수유량을 조절하는 방안을 제안하고, 실간 실온편차와 실온 상승시간 관점에서의 유량 조절 효과를 시뮬레이션으로 검증하였다. 본 연구의 결과는 이종의 바닥 마감재가 설치되고, 실별 제어 시스템이 적용된 주거 건물의 온열환경 개선에 활용될 수 있으며, 바닥 난방시스템의 실별 유량 결정과 제어 전략 도출에도 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

연구 방법

Mock-up 실험

Mock-up 실험은 상이한 바닥 마감재에 동일한 조건으로 열량이 공급될 때 바닥표면온도의 거동을 분석하기 위해 수행하였다. 주거 건물의 바닥 마감재로 널리 사용되는 PVC 장판, Vinyl Composite Tile (VCT), 원목마루(Wood), 포세린 타일(Porcelain)을 실험 대상으로 선정하였으며, 4종의 바닥재를 500 mm × 500 mm 크기로 재단하여 시편을 제작하였다.

각각의 시편에 가능한 동일한 열량이 표면에 균일하게 전달되도록 하기 위해 PTC (Positive Temperature Coefficient) 면상 발열체를 활용하였으며, 실내 조건을 동일하게 유지하기 위해 4종의 시편을 실내온도가 15°C로 일정하게 유지되는 챔버에 설치한 후 실험을 진행하였다. 하부로 손실되는 열량을 최소화하기 위해 면상 발열체 하부에는 압출법 보온판 100 mm를 설치하였다. 바닥 마감재에 따른 표면온도의 상승 및 하강 패턴을 분석하기 위해, 한 시간 동안 면상 발열체에 전력을 공급하였다가 이 후 한 시간 동안은 전력 공급을 중단하였다. 각 시편의 표면온도는 T-type 열전대로 측정하였으며, 5지점(중앙점과 주변부 4지점)에 대한 표면온도를 각각 측정한 후 평균하여 바닥 표면온도를 분석하였다. Figure 1은 바닥 마감재 시편 및 표면온도 센서를 챔버 내에 설치한 모습을 나타낸 것이다.

Figure 1.

Experimental setup to compare surface temperature with floor covering material

Test cell 시뮬레이션 분석

Mock-up 실험으로는 실내온도의 거동을 분석하기 어려운 한계가 있으므로, 가상의 Test cell을 시뮬레이션 모델로 구성하고 바닥 마감재를 변경해가며 바닥난방 운전 시 바닥표면온도와 실내온도의 거동을 분석하였다. 바닥난방은 EnergyPlus에서 제공되는 Heated floor를 활용하였으며, Constant flow 모드를 선정하여 바닥 마감재에 따라 온수 유량 조건을 동일하게 유지하도록 하였다.

시뮬레이션을 통해 바닥 마감재의 열용량 및 열저항에 따라 실온 거동에 차이가 있음을 밝히고, 낮은 실온 상승률을 보이는 바닥 마감재에 대해서는 온수 유량을 증대시켜 실온 거동을 개선하는 방안에 대해 분석하였다. 즉, 바닥 마감재의 열용량과 열저항이 클수록 표면온도 및 실온이 느리게 상승할 수 있으므로, 바닥 마감재의 열용량과 열저항의 곱에 따라 유량을 조절하는 방안을 검토하였다.

난방이 중단되었다가 재개되는 상황을 재현하기 위해 설정 실온을 15°C에서 20°C로 변경하였을 경우 바닥 표면온도와 실온 변화를 분석 대상으로 하였으며, 실온 거동의 면밀한 분석을 위해 일사유입 및 내부발열 요소는 없는 것으로 가정하였다. Table 1은 시뮬레이션으로 구현한 Test cell의 정보이며, Table 2는 Test cell에 적용된 바닥 마감재의 물성치이다.

Table 1. Simulation model information of test cell

Table 2. Properties of floor covering material

공동주택 시뮬레이션 분석

Test cell 대상의 시뮬레이션 목적은 바닥 마감재에 따른 유량 조절 효과를 검증하기 위한 것이며, 실제 공동주택에 상이한 바닥 마감재가 설치된 경우의 문제점과 이를 해결하기 위한 유량 조절 방안의 효과를 검증하기 위한 시뮬레이션을 실시하였다. 공동주택 시뮬레이션에서는 모든 바닥 마감재에 대해 검토하지 않고, 침실에는 PVC 장판, 거실/주방에는 Porcelain 타일이 설치된 경우에 대해 분석하였다. 공동주택의 모델링 정보는 Table 3과 같으며, 바닥난방 구조는 Test cell 시뮬레이션과 같은 Table 1의 구조를 동일하게 적용하였다. Test cell 시뮬레이션과 마찬가지로 설정 실온을 15°C에서 20°C로 변경하였을 경우 각 실의 바닥 표면온도와 실온 변화를 분석하였으며, 일사유입 및 내부발열 요소는 시뮬레이션 분석에서 제외하였다.

Table 3. Modeling information of apartment building

	Floor area [㎡]	Floor covering	Heating load [W/㎡]	Design flow rate [lpm]
Living room (LVR)	64.2	Porcelain	44.3	4.06
Main bedroom (MBR)	18.3	PVC	58.3	1.52
Bedroom 1 (BR1)	17.5	PVC	47.4	1.19
Bedroom 2 (BR2)	16.2	PVC	68.1	1.58
Model geometry

유량 조절 효과를 검증하기 위해 설계유량을 공급한 경우를 기본 Case (Reference)로 하고, 바닥 마감재의 열용량 및 열저항을 감안하여 유량을 조절한 Case (Flow adjust)를 비교 분석하였다. 또한 Porcelain 타일과 같이 열용량이 큰 마감재는 난방 초기 단계에서는 신속한 온도 상승을 위해 상대적으로 많은 유량을 공급해야 하나, 설정실온에 근접하면 열관성으로 인해 온도 유지가 될 수 있으므로 설계유량으로 환원할 필요가 있다. 따라서 열용량이 큰 바닥 마감재가 설치된 거실에 대해서는 난방초기에만 공급유량을 증대시키고, 설정실온에 근접하면 (본 논문에서는 2°C이내에 접근) 설계유량으로 환원시키는 Case (Flow Control)를 추가적으로 분석하였다.

한편 각 실의 난방배관은 하나의 절점에 연결된 병렬회로로 간주할 수 있으므로, 어느 실의 유량을 증가시키면 다른 실의 유량은 감소하게 된다(Rhee et al., 2010). 이를 감안하기 위해 해당 세대의 수배관 회로를 FloMaster v9 (Mentor Graphics, 2018)로 모델링하여 거실의 유량을 증대시킬 경우 나머지 실의 유량의 감소분을 해석하여 EnergyPlus의 Heated Floor 입력 데이터에 반영하였다. 각 해석 Case의 온수 유량 조건은 Table 4와 같다.

Table 4. Simulation cases for apartment building

Mock-up 실험 결과

Figure 2는 바닥 마감재 시편의 표면온도 상승 및 하강 측정 결과로, 열용량 및 열저항이 작은 PVC 장판은 빠른 속도로 온도가 상승하였다가 하강하는 것을 볼 수 있다. PVC 장판, VCT, 원목마루, Porcelain 타일의 순으로 온도 상승 및 하강 속도가 빠른 것으로 측정되어, 동일한 난방 조건에서도 바닥 마감재의 종류에 따라 표면온도 및 실온 거동 양상이 달라짐을 알 수 있다.

Figure 2.

Buildup and decay of surface temperatures with floor covering material

난방 초기단계에서 온도상승률을 비교하기 위해서 초기온도에서 10°C 상승하는데 소요된 승온시간(rise time)을 측정한 결과 PVC 장판 190s, VCT 410s, 원목마루 880s, Porcelain 타일 1000s로 나타났다. 그러므로 상이한 바닥 마감재를 설치할 경우 설정실온 도달 시간에 차이가 발생하여 실간 난방 불균형 문제 또는 바닥온도 차이에 의한 불쾌적이 유발될 가능성이 있다고 사료된다.

Figure 3은 위에서 산출한 승온시간과 바닥 마감재 열물성의 관계를 나타낸 것으로, Figure 3(a), (b)에서 보는 바와 같이 승온시간이 반드시 열저항이나 열용량과 비례관계에 있는 것은 아니라고 판단된다. 원목마루(Wood)와 같이 재료의 열용량이 작다고 하더라도 열저항이 크다면 열이 확산되는 속도가 상대적으로 감소될 것이므로 승온시간이 증가하게 될 것이다. 이러한 관점에서 열저항과 열용량을 곱한 값을 승온시간과 비교하면(Figure 3(c)), 두 수치 간의 상관관계가 더 확연하게 형성되는 것을 알 수 있다.

Figure 3.

Relation between rise time and thermal properties of floor covering material ((a) Thermal resistance (b) Heat capacity (c) Thermal resistance×heat capacity)

이러한 경향은 바닥 마감재 내에서 성립되는 열평형 방정식을 고찰하여 추정할 수 있다. 즉, 식 (1)과 같은 형태의 이산화 방정식(Çengel, 2003)을 식 (2) 및 (3)과 같이 정리하면 온도의 시간 변화율은 열용량과 열저항의 곱에 반비례하는 것으로 이해할 수 있기 때문이다. 그러므로 바닥 마감재의 열저항과 열용량의 곱이 상대적으로 큰 경우 유량을 증대시키면 승온시간을 단축할 수 있을 것이며, 그에 따라 초기난방 시 바닥 마감재에 따른 바닥표면 및 실내 온도 차이를 완화할 수 있을 것으로 예상된다.

여기서, k는 열전도율(W/mK), A는 면적(㎡), T_m은 해석대상 노드의 온도(°C), T_m-1과 T_m+1은 인접노드의 온도(°C), Δx는 노드두께(m), ρ는 밀도(㎏/㎥), c는 비열(J/㎏K), ΔT는 이전타임스텝과의 온도차이(°C), Δt는 타임스텝(s), C는 열용량(J/K), R은 열저항(㎡K/W)이다.

시뮬레이션 분석 결과

Test cell 시뮬레이션 결과

Figure 4는 Test cell 시뮬레이션 중 바닥 마감재와 상관없이 모두 설계유량인 0.6 lpm을 공급하였을 경우 바닥표면 및 실내온도 분석 결과이다. Mock-up 실험 결과와 같이, PVC 장판의 온도상승이 가장 빠르고, 그 다음으로 VCT, Wood, Porcelain 순으로 온도 상승이 빠른 것을 볼 수 있다. 그에 따라 설정실온에 도달하는 시간 차이가 발생하므로, 이를 보완하기 위해서는 앞에서 언급한 바와 같이 바닥 마감재에 따라 온수유량을 조절할 필요가 있다.

Figure 4.

Simulation results of test cells with design flow rates ((a) Floor surface temperature, (b) Room air temperature)

Figure 3에서 분석한 바와 같이 바닥 마감재의 승온시간은 열용량과 열저항의 곱과 상관관계가 있음에 착안하여, Figure 5와 같이 온수유량을 조절하여 시뮬레이션을 수행하였다. 온수유량은 열용량-열저항 곱과 반드시 선형적인 비례관계가 있는 것이 아니므로, 반복 시뮬레이션을 통해 적정 유량을 산정하였다. Figure 6은 유량 조절시 각 바닥 마감재 별 바닥 표면온도 및 실온 거동 해석 결과로, 설계유량을 동일하게 공급한 경우에 비해 온도 상승률이 거의 동일하며, 그에 따라 바닥 마감재에 따른 실온 거동의 차이를 완화할 수 있을 것으로 판단된다.

Figure 5.

Adjusted flow rates for each floor covering material

Figure 6.

Simulation results of test cells with adjusted flow rates ((a) Floor surface temperature, (b) Room air temperature)

Figure 7은 침실에는 PVC 장판, 거실에는 Porcelain 타일을 설치한 공동주택에 대하여, 각 실에 모두 설계유량을 공급하였을 경우(Table 4의 “Reference” case)의 해석 결과이다. PVC 장판이 설치된 침실보다 Porcelain 타일이 설치된 거실의 온도상승이 지연되어, 실간 실온 불균형이 유발될 가능성이 있으므로 거실의 온수 유량을 증대시킬 필요가 있다.

Figure 7.

Results of Reference case ((a) Floor surface temperature, (b) Room air temperature)

Figure 8은 Table 4의 “Flow Adjust” Case의 조건으로 온수 유량을 실별로 조절한 경우 시뮬레이션 해석 결과이다. Reference case에 비해 바닥표면 및 실내온도가 균일한 거동을 보이는 것을 알 수 있는데, 다만 거실의 실온 상승률이 향상된 반면 나머지 침실의 경우 실온 상승률이 저하되어 설정온도에 도달하는 시간이 다소 증가하는 것으로 나타났다.

Figure 8.

Results of “Flow Adjust” case ((a) Floor surface temperature, (b) Room air temperature)

이는 거실에 설계유량 이상의 온수가 지속적으로 공급되어 나타난 결과로, 이러한 단점을 보완하기 위해 Table 4의 “Flow Control” Case 조건과 같이 설정 실온에 근접할 경우 거실의 온수유량을 설계유량으로 환원하는 방안을 검토하였다. Figure 9는 “Flow Control” Case의 분석결과로, 모든 실의 바닥표면 및 실내온도 거동이 균일하게 나타나는 동시에, “Flow Adjust” Case에 비해 설정실온에 도달하는 시간 또한 단축되는 것을 알 수 있다.

Figure 9.

Results of “Flow Control” case ((a) Floor surface temperature, (b) Room air temperature)

Figure 10은 각 Case의 바닥표면 및 실내온도의 실간 편차를 Box plot으로 나타낸 것으로, 편차값이 작을수록 실간 난방 불균형 정도가 낮다고 볼 수 있다. Reference case에 비해 바닥 마감재에 따라 유량을 조절(Flow adjust)하거나 제어(Flow control)하는 경우 바닥표면온도와 실내온도 모두 실간 편차가 평균적으로 감소하는 것을 볼 수 있다.

Figure 10.

Temperature deviations depending on the adjustment method of flow rates ((a) Floor surface temperature, (b) Room air temperature)

Figure 11은 각 Case의 실별 설정온도 도달시간을 비교한 것으로, “Flow Adjust” Case는 거실의 도달시간은 단축시키나 나머지 침실의 도달시간을 증가시키는 단점이 있으며, 이를 보완하기 위해 “Flow Control” 방안을 적용할 경우 모든 실의 설정온도 도달시간을 단축시킬 수 있음을 알 수 있다. 그러므로 실별로 상이한 바닥 마감재가 설치된 주거건물에서 난방 초기 단계의 실온 불균형 및 실온 도달시간의 증가 문제는 바닥 마감재의 열용량 및 열저항을 고려하여 유량을 조절함으로써 개선할 수 있을 것으로 판단된다.

Figure 11.

Rise time depending on the adjustment method of flow rates

본 연구에서 제안한 유량 조절 방안은 현재 대부분의 바닥난방에 적용되고 있는 on/off 제어 시스템으로 구현하기에는 현실적인 어려움이 있다. 그러므로 실의 조건에 따라 설정된 유량을 재밸런싱할 수 있는 다이내믹 밸런싱(Ryu et al., 2008; Rhee et al., 2011)과 같은 시스템의 적용을 고려할 필요가 있다. 이러한 유량 조절 방안은 주거건물을 리모델링하는 경우, 또는 거주자에 의한 바닥 마감재 교체 시에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

결 론

본 연구에서는 주거 건물의 실별 바닥 마감재 차이가 있을 경우 바닥표면 및 실내온도의 거동을 Mock-up 실험 및 시뮬레이션으로 분석하여 실간 온도 불균형 문제가 유발될 수 있음을 밝히고, 이를 해결하기 위해 바닥 마감재의 열용량 및 열저항을 고려한 유량 조절 방안을 제시하였으며, 그 효과를 실간 온도 편차 및 실온 상승시간 관점에서 평가하였다. 본 연구를 통해 도출된 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 주요 바닥 마감재에 대한 Mock-up 실험결과, PVC 장판, VCT, 원목마루, Porcelain 타일의 순으로 온도 상승 및 하강 속도가 빠르게 나타나, 동일한 난방 조건에서도 바닥 마감재의 종류에 따라 표면온도 및 실온 거동 양상이 달라질 수 있는 것으로 나타났다.

(2) 바닥표면온도의 승온시간과 상관관계가 높은 바닥 마감재의 열물성은 열용량과 열저항의 곱이며, 이 값이 큰 마감재의 경우 온수 유량을 증가시켜 승온 시간을 단축시킴으로써 초기난방 시 바닥 마감재에 따른 바닥표면 온도 및 실내 온도 차이를 완화할 수 있는 것으로 분석되었다.

(3) 열용량과 열저항이 큰 바닥 마감재를 적용한 실에 유량을 증가시킬 경우, 실내 온도가 설정실온에 근접한 이후에는 다시 설계유량으로 환원시키는 것이 실간 실온편차를 전체적으로 감소시키고 실별 설정온도 도달시간을 단축시키는 데 효과적인 것으로 분석되었다.

바닥 마감재에 따른 바닥표면 및 실내온도의 거동을 좀더 정밀하게 분석하기 위해서는 바닥 마감재의 정확한 열물성치와 함께 바닥 마감재와 몰탈 층의 접촉저항을 반영할 필요가 있다. 본 연구는 각 재료에 통용되는 일반적인 열물성치를 적용하고, 접촉저항을 배제한 이상적인 시뮬레이션 모델을 활용하였으므로, 추후 연구를 통해 해석의 정확도를 보완함과 함께 실제 공동주택에서의 실증 실험 또한 수행되어야 할 것으로 판단된다. 또한 바닥 마감재의 열용량 및 열저항과 방열량 간의 상관성에 근거하여, 난방 초기 시 실별 적정 공급유량을 산정할 수 있는 방안에 대한 추가 연구 또한 필요하다.