Research Article

Journal of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. February 2020. 124-135
https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20200012


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 공동주택 난방부하와 열원 용량 고찰

  •   해석대상 공동주택 모델

  •   열원 용량 검토

  •   열원 용량에 따른 난방에너지 및 열환경 분석

  • 저에너지 공동주택 열원 개선 방안

  •   보일러 부분부하 효율 개선

  •   컨덴싱 보일러 적용

  •   저온수 난방

  • 결 론

서 론

건물 에너지 소비량을 절감하기 위한 국내외 정책 기조에 따라, 공동주택의 단열기준은 지속적으로 강화되어 왔다. 최근 제정된 건축물의 에너지 절약기준(MOLIT, 2018)은 제로 에너지 건축물 의무화를 앞두고 중부2지역을 기준으로 외벽 0.170 W/㎡K, 창호 1.0 W/㎡K의 매우 낮은 수준의 열관류율을 제시함으로써, 신축 공동주택의 난방 부하가 큰 폭으로 저감될 수 있을 것으로 예상된다. 이러한 관점에서 건축물의 단열기준 강화에 따른 난방부하 또는 에너지 소요량 감소에 대한 연구는 지속적으로 진행되어(Moon, 2011; Seo et al., 2011; Lee et al., 2012; Lim et al., 2014; Cho et al., 2017), 난방부하 저감을 위한 패시브 기술(Passive method)의 적용 방안 및 그 효과는 널리 알려져 있다고 사료된다.

그러나 공동주택의 난방부하가 큰 폭으로 감소했음에도 불구하고, 난방 열원을 선정함에 있어서는 기존의 단위 난방부하(KDH, 2018; LH, 2018)를 적용하거나 단위세대 면적에 따라 권장되는 보일러를 선택하는 등, 공동주택의 변화된 난방부하를 충분히 반영하지 않고 있는실정이다. 과거에 비해 큰 폭으로 저감된 난방부하를 고려하지 않고 관행적으로 보일러를 선정할 경우, 난방부하에 비해 보일러의 최대 용량(정격 용량)이 과도하게 크므로 보일러의 잦은 on/off와 그로 인한 열손실(Rhee et al., 2011; Barma et al., 2017)이 초래될 수 있다. 주택용 보일러의 정격 용량은 충분한 급탕을 공급할 수 있도록 난방부하에 비해 크게 선정됨을 감안하면, 보일러의 정격 용량을 낮추는 것은 현실적으로 불가능할 것이다. 그러므로 정격 용량은 그대로 유지하면서 부분부하 출력이 낮은 보일러를 적용한다면 감소된 난방부하에 효율적으로 대응할 수 있을 것으로 판단된다.

또한, 저에너지 공동주택의 감소된 난방부하로 인해, 부분부하율(Part load ratio: PLR)이 낮은 상태에서 열원이 장시간 운전될 수 있다(Yu et al., 2015; Rhee and Jung, 2019). 일반적인 주택용 보일러는 낮은 PLR에서 효율이 떨어지는 반면, 온수온도를 낮출 경우 효율이 증가하는 특성이 있으므로(CIBSE, 2004; BRE, 2016), 부분부하 상태에서 열원 효율을 높일 수 있도록 온수온도를 낮추는 등의 열원 운전 방안이 요구된다.

이에 본 연구에서는 저에너지 공동주택을 대상으로, 현재 관행적으로 선정되고 있는 주택용 보일러의 정격 용량을 적용할 경우의 문제점을 1차적으로 분석하였다. 이러한 문제점이 유발되는 근본적인 원인은 보일러의 정격 용량 대비 낮은 난방부하, 즉 낮은 PLR 조건임을 밝히고, 이를 완화하기 위한 열원 선정 및 운전 방안을 제안하는 것을 목표로 설정하였다. 구체적인 방법으로서는 보일러의 부분부하 효율 개선, 컨덴싱 보일러 적용, 저온수 난방을 검토하였으며 각 대안의 효과를 EnergyPlus 및 jEPlus를 이용한 Parametric simulation으로 분석하였다.

공동주택 난방부하와 열원 용량 고찰

해석대상 공동주택 모델

저에너지 공동주택의 난방부하 및 열원 용량 고찰을 위해, Figure 1과 같이 바닥면적 110 ㎡인 아파트를 선정하여 Designbuilder로 모델링하였다. 공동주택 중 가장 많은 비율을 차지하는 중간층 중간세대를 상정하였으며, 외벽과 창호 등 외피 구성은 에너지절약 설계 기준의 열관류율 수치를 만족하도록 구성하였다. 단열기준 강화에 따른 난방부하 변화 및 열원 용량의 영향을 분석하기 위해 Table 1에 제시된 중부지역 열관류율 기준 중 2008년과 2018년의 열관류율을 각각 적용하여 난방부하를 비교하였다.

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Figure 1.

Floor plan and simulation model of investigated apartment building

Table 1. Design standards of U-value for central region of Korea (W/㎡K)

Year 2001 2008 2010 2013 2017 2018
External wall of living room Direct 0.47 0.47 0.36 0.27 0.21 0.17
Indirect 0.64 0.64 0.49 0.37 0.30 0.24
Side wall 0.47 0.47 0.27 - - -
Window & Door Direct 3.84 3.40 2.10 1.50 1.20 1.00
Indirect 5.47 4.60 2.80 2.20 1.60 1.50

단열기준 강화에 따라 단열재 두께가 증가하여 발생하는 바닥면적의 차이를 최소화할 수 있도록 단열재의 종류를 바꾸어 벽체를 구성하였다. 창호의 SHGC, 기밀도의 연도별 기준은 제시되어 있지 않은 관계로 2008년과 2018년 모델에 동일한 값을 적용하였다. 중간층 세대가 해석 대상이므로 바닥 구조체를 통한 열전달은 없는 것으로 가정하여 바닥 구조체의 열관류율 또한 동일한 값을 적용하였다. Table 2는 해석 대상 공동주택의 시뮬레이션 모델 입력 조건을 정리한 것이다.

Table 2. Simulation input parameters

Category Item Description Remark
General Location Inchon, South Korea
Floor area 110 m2
Orientation South
Construction External wall 2008 U-value = 0.470 W/m2K (Gypsum plaster 10 ㎜ + Insulation 70 ㎜ + Concrete 200 ㎜) Insulation 0.040 W/mK
2018 U-value = 0.170 W/m2K (Gypsum plaster 10 ㎜ + Insulation 144 ㎜ + Concrete 200 ㎜) Insulation 0.026 W/mK
Floor 2008 U-value = 0.260 W/m2K (Floor covering 10 ㎜ + Mortar 40 ㎜ + Aerated concrete 50 ㎜ + Insulation 120 ㎜ + Concrete 210 ㎜)
2018 Same as above
Window 2008 U-value = 3.40 W/m2K SHGC = 0.6
2018 U-value = 2.70 W/m2K SHGC = 0.6
WWR* 35% *Window-to-wall ratio
Infiltration 1.0 ACH (Choi et al., 2018)
Heating system Type Hydronic radiant floor heating system
Set-point 24±0.5°C (set-back temperature = 18°C)
Hot water 60°C
Plant type Non-condensing gas-fired boiler (Efficiency=0.80, Nominal capacity=23.3 kW)

열원 용량 검토

해석대상 건물인 110 ㎡ 공동주택에 일반적으로 적용되는 보일러의 용량을 주요 제조사 자료를 기반으로 Table 3과 같이 정리하였다. 기본적으로 급탕용량이 난방용량 이상임을 알 수 있으며, 난방용량의 경우 부분부하 출력(Part load)이 가능하도록 되어 있으나, 최대출력 (Full load) 대비 20~70% 수준이므로 그보다 낮은 부분부하에서 운전되는 상황에서는 열원 효율이 저하될 우려가 있다.

Table 3. Heating capacity of conventional gas-fired boilers (recommended for 110 ㎡-houses)

Manufacturer Product Heating [kcal/h] DHW [kcal/h] Part/Full load ratio
Part load Full load
KD NGB 510-16K 7,000 16,000 20,000 0.44
NGB 550-20K 7,000 20,000 20,000 0.35
KT IN 16HS 11,200 16,000 16,000 0.70
IN Eco 8,000 16,000 20,000 0.50
R R321-16KF 3,200 16,000 17,000 0.20
R324-16KF 5,400 16,000 18,000 0.34

한편 열사용시설기준(KDH, 2018; LH, 2018)에서 중부지역 60 ㎡를 초과하는 공동주택의 단위 난방부하 57 W/㎡를 적용할 경우 난방부하는 약 6,300 W (5,400 kcal/h)로, 대부분 보일러의 부분부하 출력보다 작게 된다. 더욱이 열사용시설 기준은 최근의 강화된 단열기준을 반영하지 않은 것이므로, 난방부하와 보일러 용량 사이의 격차는 더욱 커지게 될 수 있다. 그러므로 현재 단열기준의 저에너지 공동주택의 난방부하를 분석하고, 이러한 조건에서 기존의 통상적인 보일러 용량을 적용할 경우 나타날 수 있는 문제점을 분석할 필요가 있다.

열원 용량에 따른 난방에너지 및 열환경 분석

보일러 용량이 난방에너지 및 열환경에 미치는 영향을 분석하기 위해, Figure 1 및 Table 2에서 정의한 공동주택 모델에 대하여 보일러의 용량을 변화시켜가며 에너지 시뮬레이션을 수행하였다. Table 3의 보일러의 난방 최대출력 중 20,000 kcal/h (23,333 W)를 정격 용량으로 설정하고, 이 수치 이내에서 보일러의 용량 범위를 설정(1,000~24,000 W)하여 jEPlus로 보일러의 용량을 변수로 하는 Parametric simulation을 수행하였다.

Figure 2는 Parametric simulation의 결과로, 통상적인 보일러의 난방 최대 출력을 정격 용량으로 하였을 경우에 비해 보일러의 정격 용량을 감소시킴에 따라 난방에너지가 감소되는 경향을 볼 수 있다. 그러나 정격 용량이 어느 정도 수준 이하로 감소할 경우에는, 바닥난방에 의한 공급 열량이 과소하게 되어 불쾌적 시간이 급증하는 경향 또한 확인할 수 있다.

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Figure 2.

Heating energy and discomfort hour with boiler nominal capacity

Figure 3은 이러한 불쾌적 시간의 변화 원인을 분석하기 위해 정격 용량에 따른 해석 대상세대의 평균 실온 범위를 나타낸 것이다. 2008년 모델의 경우 6,000 W 이상의 용량에서는 실온이 다소 높게 유지되는 경우가 많고, 6,000 W 보다 작아질 경우 실온이 범위가 점차 하강하여 4,000 W 이하의 용량에서는 실내 온도가 크게 저하됨으로써 불쾌적 시간의 급격한 증가를 유발하게 된다. 2018년 모델의 경우 4,000 W 이상의 용량에서는 실온이 다소 높게 유지되고, 4,000 W 보다 작아질 경우 실온이 점차 낮아지다가 2,000 W 이하의 용량에서는 실내 온도가 크게 저하되어 불쾌적 시간이 급증하게 됨을 알 수 있다.

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Figure 3.

Average room temperature with boiler nominal capacity

그러므로 난방에너지를 절감하면서도 불쾌적 시간을 최소화하기 위한 정격 용량은 2008년 모델의 경우 약 4,000 W, 2018년 모델의 경우 약 2,000 W로, 일반적인 보일러 정격 용량에 비해 크게 감소되어야 함을 알 수 있다. 이러한 이유는 Figure 4와 같이 공동주택의 난방부하가 보일러 정격 용량에 비해 작아 난방 기간 중의 대부분동안 PLR이 낮은 상태에서 열원이 운전되는데, 일반적으로 낮은 PLR에서는 보일러 효율이 감소하여 에너지 소비량이 늘어나기 때문이다. 단열기준이 강화된 저에너지 공동주택은 과거에 비해 PLR이 더욱 낮은 상태에서 운전되므로, 난방에너지 절감을 위해서는 보일러 용량을 더욱 감소시킬 필요가 있다.

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Figure 4.

Heating load frequency with the part load efficiency of boiler

그러나 앞에서 언급하였듯, 주택용 보일러는 급탕 목적으로도 사용되므로 난방부하에만 맞추어 용량을 감소시키는 것은 한계가 있다. 그러므로 낮은 PLR에서도 효율이 떨어지지 않는 보일러를 적용하거나, 감소된 난방부하를 고려하여 온수온도를 낮추는 등의 방안이 요구되며, 이러한 방안의 적용 효과를 다음 장에서 분석하였다.

저에너지 공동주택 열원 개선 방안

보일러 부분부하 효율 개선

일반적인 보일러는 낮은 부분부하율에서 short cycling, 기동/정지 반복 과정에서의 열손실로 인해 효율이 저하되며, 그 결과로 PLR에 따른 효율곡선이 Figure 4처럼 나타나게 된다. 낮은 PLR에서 효율이 저하되는 문제는 부하에 따라 버너의 출력을 비례적으로 조절할 수 있는 Modulation boiler를 적용하면 해결될 수 있다(CIBSE, 2004; Lazzarin, 2014).

Figure 5에서 Reference로 표기된 곡선은 EnergyPlus에서 기본적으로 제공되는 일반 보일러 효율 데이터(DOE, 2017)를 2차 함수로 나타낸 것이다. PLR이 0.6 이하로 낮아질 경우 효율이 감소되는 것을 볼 수 있는데, 이는 난방부하가 보일러 정격용량의 60% 이하가 되면 보일러 효율이 저하됨을 의미한다. 이를 개선하여 낮은 PLR에서도 효율이 떨어지지 않도록, 효율이 1보다 낮아지기 시작하는 PLR이 각각 0.5, 0.4, 0.3, 0.2이 되도록 보일러 효율 곡선을 조정하였다. 이는 부분부하율이 낮은 상태에서도 높은 효율을 유지할 수 있는 Modulation 보일러 또는 컨덴싱 보일러에 관한 기존 연구(Henderson et al., 1999; Lazzarin, 2012; Yu et al., 2015; Rhee and Jung, 2019)를 참조하여 설정하였다. 또한 보일러 효율 곡선은 다음과 같이 PLR에 대한 2차 함수의 형태(DOE, 2017)로 근사하였다.

$$Eff=\;A_0+A_1·PLR+A_2·PLR^2$$ (1)

여기에서, Eff는 부분부하 효율 [-], PLR은 부분부하율(난방부하/정격 용량)[-], A0, A1, A2는 각각 2차 함수의 계수[-]이며, 각 Case의 계수는 Table 4와 같다.

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Figure 5.

Boiler curves for improving part load efficiency

Table 4. Coefficients of quadratic function for improved boiler efficiency

Case Reference Alt. 1 Alt. 2 Alt. 3 Alt. 4
Coefficients A0 0.8511 0.8900 0.9200 0.9500 0.9800
A1 0.4251 0.3309 0.2806 0.2171 0.1202
A2 -0.2806 -0.2219 -0.2016 -0.168 -0.1012

Figure 6은 부분부하 효율을 향상시킨 경우 난방에너지 및 에너지 절감 비율 해석 결과를 나타낸 것으로, 2008년 모델의 경우 128.8 kWh/㎡에서 118.7 kWh/㎡ 까지 약 7.8%의 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 2018년 모델의 경우에는 단열 수준의 강화로 난방에너지 수준이 전반적으로 낮아져 기존 보일러 적용 시에도 74.6 kWh/㎡이나, 부분부하 효율을 개선할 경우 67.4 kWh/㎡로 최대 9.6%까지 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다.

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Figure 6.

Heating energy consumption with improved part load efficiency

2018년 모델의 에너지 절감 비율이 2008년 모델보다 큰 것은, 단열수준의 강화로 부분부하 빈도가 과거에 비해 더 증가하였기 때문에 부분부하 효율을 향상시키면 에너지 절감 효과가 더 커지기 때문이다. 즉, 저에너지 공동주택의 난방에너지를 더욱 절감하기 위해서는 열원의 부분부하 효율을 개선할 필요성이 있으며, 이는 Modulation boiler 또는 Turn-down ratio가 큰 보일러를 채택(Arena, 2013)함로써 가능할 것으로 사료된다.

컨덴싱 보일러 적용

컨덴싱 보일러는 보일러 출력이 낮을 때 응축수로부터 잠열을 더 많이 회수할 수 있으므로(Vanwormer and Grassl, 2018; Satyavada and Baldi, 2018), 일반 보일러에 비해 낮은 PLR에서의 효율이 더 높아지게 된다. 그러므로 Figure 7과 같이 PLR의 감소에 따라 보일러 효율이 더 증가하는 경향을 나타내, 부분부하 빈도가 상대적으로 높아지는 저에너지 공동주택의 열원으로 적합할 것으로 예상된다.

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Figure 7.

Part load efficiency curve of non-condensing and condensing boiler (Designbuilder, 2018)

Figure 8은 컨덴싱 보일러 적용에 따른 난방에너지 해석 결과로, 2008년 모델의 경우 24.7%, 2018년 모델의 경우 27.0%의 에너지 절감이 가능한 것으로 나타났다. 부분부하 비율이 상대적으로 더 높은 2018년 모델에서의 난방에너지 절감 효과가 더 크게 나타나, 컨덴싱 보일러가 저에너지 공동주택 난방 열원으로서 적합하다는 것을 확인할 수 있다.

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Figure 8.

Energy saving effect of condensing boiler

그러나 Figure 7에서 보듯이 컨덴싱 보일러는 PLR이 높은 조건에서는 일반 보일러보다 효율이 떨어질 수 있어, 최대출력으로 운전되는 조건이 지속될 경우 에너지 소비량이 증가할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해, PLR이 낮은 조건에서는 부분부하 효율이 높은 컨덴싱 모드로 운전되고, 급탕이나 Boosting 운전이 필요한 조건에서는 일반 보일러 모드로 운전되는 일종의 하이브리드 보일러의 적용을 고려할 수 있다(CIBSE, 2004; Lazzarin, 2012). 이러한 운전이 가능한 주택용 보일러는 아직 상용화되지 않은 것으로 판단되나, 급탕과 난방을 단일 열원으로 해결하는 국내 실정을 감안하면 저에너지 공동주택에 적용 가능한 하이브리드 보일러의 연구 개발 필요성은 충분하다고 판단된다.

저온수 난방

일반 보일러의 부분부하 효율은 온수 온도가 낮아질수록 증가하는 경향이 있으므로(Durkin, 2006), 전반적으로 온수 온도를 낮추어 운전한다면 부분부하 효율 향상으로 난방에너지를 절감할 수 있을 것이다. 더욱이 단열 수준이 강화된 공동주택에서 불필요하게 높은 온수온도로 운전할 경우, 에너지 낭비 뿐 아니라 과열에 의한 재실자 불쾌적이 유발될 수 있으므로, 저온수 난방의 필요성은 더욱 크다고 할 수 있다.

Figure 9는 보일러 공급수 온도를 70℃를 기준으로 10℃씩 낮추어 40℃까지 하향 조정하였을 때의 난방에너지와 불쾌적 시간을 분석한 결과로, 온수 온도를 낮출수록 난방에너지와 불쾌적 시간이 감소하는 경향을 확인할 수 있다. 온수 온도를 40℃까지 낮추었을 때 2008년 모델의 경우 난방에너지가 11.9% 감소하며, 2018년 모델의 경우 13.1%가 감소하여, 단열이 강화된 저에너지 공동주택의 경우 저온수 난방의 효과가 더 클 것으로 기대된다. 또한 2018년 모델은 2008년 모델에 비해 적은 열손실로 인해 같은 온수 온도 조건에서 실온이 더 높아지게 되는 점을 감안하면, 온수온도를 낮추어 불쾌적 시간을 감소시킬 필요성이 있다.

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Figure 9.

Heating energy consumption and discomfort hours with hot water temperature

그러나 이 분석은 일정한 온수 온도로 운전한 경우를 가정한 것이므로, 외기온 변화에 따라 온수 온도를 보정하는 외기보상 제어의 효과도 분석할 필요가 있다. 또한 Set-back 운전 후 기동 시의 신속한 실온 회복을 위해서는 온수 온도를 일시적으로 상향 조정(Boosting 운전)할 필요성이 있으나 본 연구에서는 연중 일정한 온수 온도로 운전하는 것으로 가정하였다. 그러므로 저온수 난방을 기본으로 하여 외기보상 제어와 Boosting 운전을 결합한 온수 온도 제어의 효과를 분석할 필요가 있다.

결 론

본 연구에서는 저에너지 공동주택의 난방에너지 절감을 위해, 기존 개별 보일러 열원의 개선 방안을 제안하고 그 효과를 에너지 시뮬레이션으로 분석하였다. 이를 위해 우선적으로 통상적인 주택용 보일러의 정격 용량 대비 난방부하의 비율인 부분부하 비율(PLR)을 분석하고, 저에너지 공동주택의 PLR은 과거에 비해 더 낮아지는 경향을 확인하였다. 부분부하 빈도가 더 높아짐에 따라 부분부하 효율이 저하됨으로써 난방에너지가 증가하는 문제점을 포착하고, 이를 해결하기 위하여 낮은 PLR에서 부분부하 효율을 향상시킬 수 있는 방안을 제안하였다. 도출된 열원 개선 방안의 효과를 분석한 결과는 다음과 같다.

(1) 보일러의 부분부하 효율을 향상시킬 경우, 2008년 에너지 절약설계 기준에 따른 공동주택의 난방에너지는 약 7.8% 절감되며, 2018년 기준 공동주택의 난방에너지는 최대 9.6%까지 절감되는 것으로 나타났다. 즉, 단열기준이 강화된 저에너지 공동주택은 부분부하 빈도가 과거에 비해 더 증가하여, 부분부하 효율을 개선함으로써 과거에 비해 더 큰 에너지 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다. 부분부하 효율 개선을 위해서는 Modulation boiler 또는 Turn-down ratio가 큰 보일러의 적용을 고려할 수 있다.

(2) 낮은 PLR에서 부분부하 효율이 높은 컨덴싱 보일러를 적용할 경우, 2008년 모델에서는 24.7%, 2018년 모델에서는 27.0%의 난방에너지 절감이 가능한 것으로 나타났다. 그러므로 컨덴싱 보일러는 부분부하 비율이 상대적으로 더 높은 저에너지 공동주택의 난방 열원으로 적합할 것으로 판단된다.

(3) 단열이 강화된 저에너지 공동주택에서 저온수 난방은 에너지 절감과 쾌적도 향상을 위한 효과적인 대안이다. 보일러 공급수 온도를 40℃까지 하향조정할 경우, 2008년 모델에서는 11.9%, 2018년 모델에서는 13.1%의 난방에너지가 절감되는 것으로 분석되었다. 또한 열손실이 작아 과열이 유발되기 쉬운 저에너지 공동주택은 저온수 난방의 적용으로 불쾌적 시간을 감소시킬 수 있는 것으로 나타났다.

본 연구의 분석에 이용된 보일러의 부분부하 효율은 EnergyPlus에서 기본적으로 제공되는 데이터를 활용한 것으로, 국내 공동주택에 적용되는 보일러의 사양과 다소 차이가 날 수 있다. 그러므로 국내 주택용 보일러의 부분부하 효율 시험 데이터를 에너지 시뮬레이션의 입력 변수로 적용하기 위한 추후 연구가 필요하다. 또한 급탕과 난방을 단일 열원으로 처리하는 국내 실정을 고려하여, 난방 부분부하(최소출력)와 급탕부하(최대출력) 사이에서 출력을 조절하여 에너지 소비량을 최소로 할 수 있는 적정 Turn-down ratio에 대한 분석 또한 필요할 것으로 사료된다.

Acknowledgements

본 연구는 2019년도 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행한 연구 과제입니다(과제번호 : NRF-2019R1A2C1010515).

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