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Disclaimer

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공학석사학위논문

지역난방열원을 이용하는 공동주택의

난방부하 감소에 따른

바닥 복사난방시스템 설계 및 제어방법

Design and Control Method of Radiant Floor Heating

System by Reducing Heating Load of Apartment House

Using District Heating Source

2019년 2월

서울대학교 대학원

건 축 학 과

문 승 현

- i -

국문 초록

과거 단열성능 규정이 처음 제정된 이후로, 단열성능 기준이 지속적으로 강

화되어 건물의 부하가 감소해 왔다. 반면에, 국내 공동주택의 난방설비 구성

과 설계요소의 설계 변수값 및 열매의 조건은 온수순환 방식의 바닥 복사난방

이 국내에 처음 도입된 시기와 비교하였을 때 큰 변화 없이 관행적으로 적용

되는 경향을 보이고 있다. 난방부하가 감소한 공동주택에 설계과정을 거치지

않은 난방설비를 관행적으로 적용하여 필요 이상의 큰 열량을 공급하게 되면,

건물의 열적 특성을 고려하지 않은 부적절한 난방운전이 행해질 것으로 예상

된다. 이에 본 연구는 지역난방열원을 이용하는 난방부하가 감소한 공동주택

에서 관행적으로 적용된 난방설비에 따른 난방성능 및 온열쾌적 그리고 에너

지 사용상의 문제점을 파악하였다. 또 난방부하가 감소한 공동주택에서의 적

절한 난방운전이 행해지기 위한 난방패널의 적용 방향과 개선된 난방패널이

적용되었을 때의 적절한 난방운전을 위한 난방제어의 적용 방향 제시를 목표

로 연구가 진행되었다.

연구의 진행은 비정상상태 해석이 가능한 상용 시뮬레이션 툴(Energyplus)

을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 설계과정을 거치지 않은 관행의 난방설

비가 적용된 현행의 공동주택과 난방부하가 감소한 공동주택의 난방성능 및

온열쾌적을 평가체계에 따라 비교, 분석하였고, 이에따라 부하가 감소한 공동

주택에 난방부하보다 큰 열량을 공급하는 난방설비가 적용되었을 때의 문제

점을 파악하였다. 파악한 문제점을 바탕으로 난방패널의 개선방안을 도출하

였고, 이를 시뮬레이션을 통해 평가하였다. 그 후 난방패널의 개선안이 적용

된 부하가 감소한 공동주택에서 난방제어의 개선방안을 도출하였고, 이를 시

뮬레이션을 통해 평가하였다. 이렇게 도출된 최종 개선안에서 해결되지 않은

문제점에 대한 이론적 고찰과, 이를 보완하기 위한 방법을 제시하였다.

- ii -

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 국내 공동주택에서 난방패널 및 난방제어의 적용과 관련한 문헌고찰

결과, 현재 적용되고 있는 난방설비는 공동주택의 난방부하에 대응한

설계과정을 거치지 않고 관행적으로 적용되어왔으며, 관리자의 경험에

의존한 공급온수온도가 적용되고 있었다. 이러한 난방설비가 미래 부

하가 감소한 공동주택에 적용될 경우 실내온도의 Over Shooting이 증

가하고, 실내온도가 쾌적한 온도범위의 상한을 초과하는 과열현상이

발생하며, 난방 가동시간 및 가동횟수의 감소에 따른 바닥표면온도 감

소문제가 발생하여 난방설비의 개선이 필요할 것으로 판단하였다.

2) 공동주택의 난방부하에 대응하여 개선된 난방패널 및 난방제어를 적용

한 결과, 개선되지 않은 난방설비가 적용된 경우보다 실내온도의 Over

Shooting이 감소하고 과열현상이 완화되며, 난방에너지 사용량이 감소

하였다. 하지만 전체 방열량의 감소로 인한 낮은 바닥표면온도 문제는

해결되지 않는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 낮은 바닥표면온도 문

제를 해결하기 위해 방열면적을 감소시키는 방안을 제시하였다.

3) 남향의 저부하 공동주택에서는 부하가 작기때문에 외출-재실 시 실내

온도 쾌적과 관련한 문제 발생하지 않았지만, 극한의 조건에서는 난방

기기의 정지기간 동안 감소한 실내온도를 재실 이후 회복하는데 소요

되는 시간이 긴 문제가 발생하였다. 본 연구에서는 Set-back 제어를

실내온도조절 불량 문제의 해결방안으로 제시하였다.

주요어 : 난방부하, 공동주택，바닥복사난방시스템，난방패널，난방제어

학 번 : 2017-20246

- iii -

목 차

제 1 장 서 론 ······························································································· 1

1.1 연구의 배경 및 목적 ················································································· 1

1.2 연구의 범위 및 방법 ················································································· 4

제 2 장 공동주택의 난방부하 및 난방설비 예비적 고찰 ····················· 8

2.1 개요 ··············································································································· 8

2.2 국내 공동주택의 난방부하 변화 ····························································· 8

2.2.1 열 관류율 기준 변화 ··································································· 9

2.2.2 설계 난방부하 변화 ··································································· 11

2.2.3 패시브 하우스의 난방부하 설계기준 ····································· 12

2.3 바닥 난방패널 설계 방법 ······································································ 13

2.3.1 ASHRAE Handbook에 제시된 난방패널 설계 방법 ········· 13

2.3.2 EN 1264에 제시된 난방패널 설계 방법 ······························ 17

2.4 바닥 난방패널 제어 방법 ······································································ 24

2.4.1 개폐식 뱅뱅제어 ········································································· 25

2.4.2 외기보상 제어 ············································································· 26

2.4.3 외기보상 개폐식 뱅뱅제어 ······················································· 27

2.5 지역난방열원을 이용하는 공동주택의 난방시스템 현황 ················ 29

2.5.1 지역난방열원을 이용하는 공동주택의 난방시스템 구성 ··· 29

2.5.2 국내 공동주택의 난방패널 적용 현황 ··································· 31

2.5.3 국내 공동주택의 난방제어 적용 현황 ··································· 33

2.6 소결 ············································································································ 34

제 3 장 분석대상 및 평가방법 구축 ······················································· 37

3.1 개요 ············································································································ 37

3.2 대상 세대 및 난방설비 구축 ································································ 37

3.2.1 대상 공동주택 및 세대조건 ····················································· 37

- iv -

3.2.2 대상 난방설비 ············································································· 41

3.3 평가 방법 구축 ························································································ 48

3.3.1 난방성능 ······················································································· 48

3.3.2 온열쾌적 ······················································································· 48

3.3.3 난방에너지 ··················································································· 49

3.4 소결 ············································································································ 50

제 4 장 부하가 작은 공동주택의 난방설비 개선안 도출 및 평가 ··· 52

4.1 개요 ············································································································ 52

4.2 난방패널 및 제어의 관행적 적용에 따른 문제점 분석 ··················· 52

4.2.1 설계 과정을 거치지 않은 난방패널 및 일정온수온도제어 53

4.2.2 설계 과정을 거치지 않은 난방패널 및 외기보상제어 ······· 57

4.3 난방패널의 개선방안 도출 및 평가 ···················································· 62

4.3.1 개선된 난방패널과 일정온수온도제어 ··································· 62

4.3.2 개선된 난방패널과 관행의 커브가 설정된 외기보상제어 · 68

4.4 난방제어의 개선방안 도출 및 평가 ···················································· 74

4.4.1 개선된 난방패널 및 외기보상제어 ········································· 74

4.4.2 최종 개선방안 보완 ··································································· 83

4.5 소결 ············································································································ 89

제 5 장 결론 ································································································· 94

참고 문헌 ······································································································· 99

부록 ··············································································································· 103

ABSTRACT ································································································ 109

감사의 글 ····································································································· 113

- v -

표 목차

<표 2.1> 중부지역(서울) 공동주택의 열 관류율 기준 변화(바닥난방인 경우) ······ 10

<표 2.2> , 배관 간격 계수 ···························································································· 21

<표 2.3> , 마감 계수 ······································································································ 21

<표 2.4> , 배관 외경 계수 ···························································································· 21

<표 2.5> 제어방식의 분류 ·································································································· 24

<표 2.6> 시대별 바닥 패널의 대표적 구성 형태 ·························································· 32

<표 2.7> 시대별 바닥 패널의 난방배관 ·········································································· 32

<표 2.8> 외기온에 따른 난방온수 공급온도(SH 집단에너지사업단 기준) ············· 33

<표 3.1> 공동주택의 부하별 건물외피 구성 및 재료 물성치 ···································· 38

<표 3.2> 분석 대상 세대의 조건 ······················································································ 40

<표 3.3> 구조별 표준바닥구조 기준1 ·············································································· 42

<표 3.4> 부하 산출 시뮬레이션 결과 ·············································································· 43

<표 3.5> 최상층 측세대 기준 외기보상율 추정값 ························································ 44

<표 3.6> 개별 세대(중간층 중간세대) 기준 외기보상율 추정값 ······························· 45

<표 3.7> 최대부하 세대 기준 외기보상율 적용 시 중간층 중간세대의 난방특성 46

<표 3.8> 개별 세대 별 외기보상율 적용 시 중간층 중간세대의 난방특성 ············ 46

<표 3.9> 분석 대상 난방패널 ···························································································· 47

<표 3.10> 분석 대상 제어방식 ·························································································· 47

<표 3.11> 평가 항목 ············································································································ 49

<표 4.1> 시간 별 실내온도 설정 값 ················································································ 88

<표 4.2> 일반적인 스케줄이 적용된 경우, Set-back 별 난방특성분석 (1/7-1/11)

················································································································································· 88

<표 4.3> 거주자가 장시간 세대를 비운 경우, Set-back 설정온도 별 난방특성분석

(1/12-1/19) ···························································································································· 88

- vi -

그림 목차

[그림 1.1] 바닥 복사난방시스템이 적용된 공간의 열전달 네트워크 ························· 2

[그림 1.2] 연구 흐름도 ········································································································· 7

[그림 2.1] 중부지역(서울) 공동주택의 열 관류율 기준 변화(바닥난방인 경우) ····· 9

[그림 2.2] EN 1264에서의 난방패널 유형 분류 ·························································· 18

[그림 2.3] 개폐식 뱅뱅제어 ······························································································· 25

[그림 2.4] 외기보상율의 설정과 미세조정 ····································································· 27

[그림 2.5] 외기보상 개폐식 뱅뱅제어의 제어 알고리즘 ············································· 28

[그림 2.6] 지역난방열원을 이용하는 공동주택의 난방시스템 계통도 ····················· 30

[그림 2.7] 시대별 바닥 패널의 대표적 구성과 형태 ··················································· 32

[그림 3.1] 분석대상 주거건물의 평면 ············································································· 39

[그림 3.2] 표준바닥구조기준 1 단면상세 ······································································· 42

[그림 3.3] 최상층 측세대 기준 외기보상율 추정 ························································· 44

[그림 3.4] 개별 세대(중간층 중간세대) 기준 외기보상율 추정 ································ 45

[그림 4.1] 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 일정온수온도제어 적용 시 공동주

택의 부하별 난방성능 평가 ································································································· 55

[그림 4.2]설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 일정온수온도제어 적용 시 공동주

택의 부하별 온열쾌적 평가 ································································································· 55

[그림 4.3] 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 일정온수온도제어 적용 시 공동주

택의 부하별 난방운전특성 (1월 13일~17일) ································································· 56

[그림 4.4] 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 외기보상제어 적용 시 공동주택의

부하별 난방성능 평가 ··········································································································· 58

[그림 4.5] 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 외기보상제어 적용 시 공동주택의

부하별 온열쾌적 평가 ········································································································· 59

[그림 4.6] 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 외기보상제어 적용 시 공동주택의

부하별 난방운전특성 (1월 13일~17일) ··········································································· 60

- vii -

[그림 4.7] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 난방성능 평가

(일정온수온도제어 적용 시) ································································································ 65

[그림 4.8] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 온열쾌적 평가

(일정온수온도제어 적용 시) ································································································ 65

[그림 4.9] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 에너지 사용량

평가 (일정온수온도제어 적용 시) ······················································································ 66

[그림 4.10] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 에너지 사용량

분석 (일정온수온도제어 적용 시) ······················································································ 66

[그림 4.11] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 난방운전특성

(1월 13일~17일) ··················································································································· 67

[그림 4.12] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 난방성능 평가

(미세조정과정을 거치지 않은 외기보상제어 적용 시) ·················································· 70

[그림 4.13] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 온열쾌적 평가

(미세조정과정을 거치지 않은 외기보상제어 적용 시) ·················································· 70

[그림 4.14] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 에너지 사용량

평가 (미세조정과정을 거치지 않은 외기보상제어 적용 시) ········································ 71

[그림 4.15] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 에너지 사용량

분석 (미세조정과정을 거치지 않은 외기보상제어 적용 시) ········································ 71

[그림 4.16] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 난방운전특성

(1월 13일~17일) ··················································································································· 72

[그림 4.17] 난방제어의 설계 유무에 따른 부하가 작은 공동주택의 난방성능 평가

··················································································································································· 76

[그림 4.18] 난방제어의 설계 유무에 따른 부하가 작은 공동주택의 온열쾌적 평가

··················································································································································· 76

[그림 4.19] 난방제어의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 에너지 사용량

평가 ··········································································································································· 77

[그림 4.20] 난방제어의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의 에너지 사용량

분석 ··········································································································································· 77

- viii -

[그림 4.21] 난방제어의 설계 유무에 따른 부하가 작은 공동주택의 난방운전특성

(1월 13일~17일) ··················································································································· 78

[그림 4.22] 현행 공동주택(60W/㎡)에서 난방운전의 정지기간 유무에 따른 실내온

도분포(1월 14일~16일) ······································································································· 80

[그림 4.23] 공동주택에서 난방운전의 정지기간이 있는 경우, 부하에 따른 실내온

도분포(1월 14일~16일) ······································································································· 80

[그림 4.24] 북향의 공동주택에서 난방운전의 단기간(12hr) 및 장기간(144hr)의

정지기간이 있는 경우의 실내온도분포(1월 7일~21일) ··············································· 82

[그림 4.25] 방열면적에 따른 바닥표면온도의 변화 ····················································· 84

[그림 4.26] 북향의 공동주택에서 일반적인 외출스케줄 및 극한의 외출스케줄이

적용된 경우에서, Set-back 설정온도에 따른 실내온도분포(1월 7일~19일) ········· 86

- 1 -

제 1 장 서 론

1.1 연구의 배경 및 목적

지구온난화 규제 및 방지를 위해 2005년 2월 공식 발효된 교토의정서를 대

체할 파리기후변화협정이 2015년 12월 12일 체결되면서, 한국도 2030년 목

표연도 배출전망치대비(BAU) 37%의 온실가스 감축을 목표로 하는 의무이행

대상국이 되었다. 이에 당국에서는 이산화탄소 배출 감소를 위한 노력으로 건

물의 에너지 사용량을 감소시키기 위한 규제를 강화하고 있다. 특히, 과거 단

열성능 기준이 처음으로 제정된 이후로 건물의 단열성능 기준이 강화되고 있

어, 냉난방부하가 지속적으로 감소될 전망이다.

이와 같이 부하는 지속적으로 감소되고 있는 반면, 국내 주거건물의 난방설

비 구성과 설계요소의 설계 변수 값 및 열매의 조건은 온수순환 방식의 바닥

복사난방이 국내에 처음 도입된 시기와 비교하였을 때 큰 변화 없이 관행적으

로 적용되는 경향을 보이고 있다.1) 지역난방열원을 이용하는 공동주거건물에

서도 2009년에 공급자 시설(1차측)에 대한 설계기준이 변경되었으나, 사용자

시설(2차측)인 세대 내 바닥복사 난방시스템에 대한 체계적인 검토가 수행되

지 못하였다. 또 외기보상제어 기능이 구비되어 있음에도 불구하고 온도조절

성능 불량에 따른 거주자의 민원 발생을 방지하기 위해 적정 공급온수온도 이

상의 난방온수를 일정하게 공급하고 있으며, 외기보상제어를 사용하더라도

실제 설계 값에 근거하지 않고 관리자의 경험에 의해 관행적으로 외기보상율

을 설정하여 외기온도에 따라 조절된 온수온도를 공급하고 있는 실태이다.2)

1) 이윤정 외 3인, 2011, 국내 공동주택의 난방부하 특성을 고려한 바닥 복사난방 패널의 설계, 대한

건축학회논문집 계획계, 대한건축학회, p.349-357

2) 최창식 외 4인, 2015, 현장조사를 통한 지역난방 열원 사용 공동주택 단지의 열원 및 분배 시스템

운영현황 분석, 대한건축학회 추계학술발표대회논문집, p.313-314

- 2 -

[그림 1.1] 바닥 복사난방시스템이 적용된 공간의 열전달 네트워크

바닥 복사난방시스템이 적용된 공간의 열전달 네트워크를 [그림 1.1]과 같

이 간략하게 도식화할 수 있다. 여기서 는 배관 내 온수온도, 는

바닥표면온도, 는 실내 공기온도, 는 외부 공기 온도이다. 배관 내 온

수와 바닥표면, 바닥표면과 실내 공기, 실내 공기와 외부 공기 사이에서 열전

달이 일어난다. 배관 내 온수에서 바닥표면으로의 방열량은 , 바닥표

면에서 실내 공기로의 방열량은 , 실내 공기에서 외부 공기로의 유출열

량(부하)는 이다.

실내 공기온도가 설정한 온도의 범위를 유지하기 위해서는 부하와 실내 방

열량이 평형을 이루어야 한다. 부하가 실내방열량보다 클 경우에는 실내 공기

- 3 -

온도가 설정한 온도의 범위를 미달할 가능성이 있고, 부하가 실내방열량보다

작은 경우에는 실내 공기온도가 설정한 온도의 범위를 초과할 가능성이 있다.

과거에는 부하()와 실내 방열량()이 평형을 이루어 실내 공기가

설정온도의 범위를 유지하였다. 하지만 지속적인 외피성능의 강화로 부하

()가 감소하고 있어, 실내 공기의 설정온도를 유지하기 위해서는 실내

방열량()과 패널의 방열량()이 감소하여야 함을 알 수 있다. 하지

만 기존의 관행적인 바닥 복사난방 설비의 설계변수나 열매의 조건 및 제어가

부하가 감소한 공동주택에 그대로 적용될 경우, 과거 부하 크기만큼의 실내

방열량()과 패널의 방열량()이 공급되어 실제 난방요구에 비해

열량이 과잉 공급될 가능성이 있다. 이에 따라 바닥 복사난방 설비의 과잉 열

량 공급에 따른 부적절한 난방 운전이 행해지고, 이는 실내 공기온도가 설정

온도 및 쾌적 온도를 초과하는 실내 과열현상과 이에 따른 바닥 복사난방 설

비의 운전시간 감소로 이어질 수 있으며, 운전시간 감소는 바닥표면온도 감소

등의 부가적인 문제로 이어질 가능성이 있다.3)

따라서 본 연구는 지역난방열원을 이용하는 부하가 감소한 공동주택에서,

지금까지 설계과정을 거치지 않고 관행적으로 적용되어 온 난방패널 및 난방

제어방법이 적용되었을 때의 난방성능 저하 및 온열 불쾌적과 비효율적인 에

너지 사용의 문제를 분석하고, 부하가 감소한 공동주택에서의 적절한 난방운

전을 위한 난방패널의 적용 방향과 개선된 난방패널이 적용되었을 때의 적절

한 난방운전을 위한 난방 제어의 적용 방향 제시를 목적으로 한다. 제시된 난

방설비의 개선안이 부하가 작은 공동주택에 적용되었을 때의 난방특성을 평

가하고, 개선되지 않은 문제점에 대한 고찰 및 해결방안을 제시하고자 한다.

3) 문승현 외 3인, 바닥 복사난방 시스템이 적용된 공동주택에서 설계 난방부하 변화에 따른 온열 환

경 및 에너지 소비 특성, 2018 대한건축학회 춘계학술발표대회, 대한건축학회, 2018

- 4 -

1.2 연구의 범위 및 방법

본 연구에서는 난방패널 및 난방제어가 설계과정을 거치지 않고 관행적으

로 적용된 현행의 공동주택(2015년 기준)과 부하가 감소한 공동주택(미래)의

난방성능 및 온열쾌적 그리고 난방에너지 소비 특성을 비교·평가하여 바닥 복

사난방 설비의 과 용량 적용에 따른 문제점을 파악한다. 또 부하가 감소한 공

동주택에서 난방성능 및 온열쾌적과 난방에너지 소비 특성에 따른 바닥 복사

난방 패널 및 제어의 개선방향을 도출하고 평가하는 것을 목적으로 한다.

이를 위한 분석대상 세대는 현행의 공동주택(2015년 기준)과 부하가 감소

한 공동주택(미래)의 중간층 중간세대이며, 분석대상 난방설비는 지역난방열

원을 이용하는 공동주택에서 대부분 적용되고 있는 온수순환 방식의 바닥 복

사난방시스템이다.

연구의 진행은, 가장 먼저 국내 공동주택의 난방변화에 대하여 분석한 후,

난방패널 및 난방제어의 설계방법에 대하여 고찰하였다. 또한 지역난방열원

을 이용하는 공동주택의 난방시스템 구성과 국내에서 현재까지 관행적으로

적용되어 온 난방패널 및 난방제어에 관한 예비적인 고찰과정이 선행되었다.

다음으로 분석 대상인 대상세대 및 대상설비와 개선안 도출 및 평가를 위한

평가 항목 및 방법을 구축하였다. 이를 바탕으로 부하 및 에너지 소비량 분석

과 온열환경의 시 계열 데이터 분석이 가능하며, 설비 제어 모델링에 용이한

상용 시뮬레이션 툴인 Energyplus를 활용한 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬

레이션 결과를 분석하여 설계과정 없이 관행적으로 적용된 난방패널 및 난방

제어가 적용된 공동주택에서 부하가 감소한 경우의 문제점을 파악하였고, 이

를 바탕으로 난방패널 및 난방제어의 개선 방안을 도출하고 평가하였다.

이상에서 서술한 본 연구의 범위와 방법을 연구 수행 순서에 따라 정리하면

다음과 같다.

- 5 -

(1) 국내 공동주택의 난방부하 및 난방설비에 관한 예비적 고찰

국내 공동주택의 부하특성과 난방설비의 해석을 위한 첫 단계로, 시기 별

국내 공동주택의 열 관류율 기준 및 설계 난방부하의 변화와 패시브 하우스의

난방부하 기준에 대해 파악하였다. 다음으로 기준 및 문헌에서 제시하고 있는

난방패널 및 난방제어의 설계방법에 대하여 고찰하였고, 지역난방열원을 이

용하는 공동주택의 난방시스템 구성과 국내 공동주택에서 설계과정을 거치지

않고 관행적으로 적용되어 온 난방패널의 구성과 난방제어 방법에 대한 현황

을 고찰하였다.

(2) 시뮬레이션 입력 조건 및 평가방법 구축

난방패널 및 난방제어의 개선방안 도출 과정에서 난방성능 및 온열쾌적, 그

리고 난방에너지 소비 특성을 평가하기 위한 평가 요소를 선정하였으며, 대상

공동주택 및 내부발열 등 세대의 조건을 설정하였다. 또 선행연구를 분석하여

일반적인 공동주택의 설정 온도와 국내 일반 거주자의 거주 습관 및 온열 쾌

적 범위를 파악하여 연구의 진행과 결과 분석을 위한 평가체계를 구축하였다.

(3) 부하가 감소한 공동주택의 난방설비 개선방안 도출 및 평가

부하가 감소한 공동주택에서 설계과정을 거치지 않은 관행의 난방패널 및

난방제어가 적용된 경우의 난방성능 및 온열쾌적의 관점에서 발생할 수 있는

문제점을 분석하고, 난방부하가 감소한 공동주택에서의 적절한 난방운전을

위한 난방패널 및 난방제어의 개선방안을 도출하기 위해 외기온도가 비교적

낮은 기간(01/13-17), 외기온도가 영상, 영하를 나타내는 기간(03/02-06),

외기온도가 비교적 높은 기간(03/27-31) 각각의 난방특성을 Energyplus를

활용하여 시뮬레이션하였다.

- 6 -

가장 먼저, 설계과정을 거치지 않은 관행의 난방패널 및 일정온수온도제어

가 적용된 경우와 설계과정을 거치지 않은 관행의 난방패널 및 외기보상제어

가 적용된 경우를 각각 현행 공동주택과 부하가 감소한 공동주택의 난방특성

을 시뮬레이션 하였고, 그 결과를 2장에서 구축한 평가체계를 바탕으로 난방

성능 및 온열쾌적을 비교·평가하여, 부하가 감소한 공동주택에서 설계 과정을

거치지 않은 관행의 난방패널 및 제어의 적용에 따른 문제점을 파악하였다.

분석한 문제점을 바탕으로 난방패널의 개선방안을 도출하였는데, 미국공기

조화냉동공학회 기술도서(ASHRAE Handbook)에서 제시하고 있는 복사냉난

방 설계방법을 통해 온수온도, 배관간격 등을 조정하여 난방패널을 부하에 대

응하도록 개선하였다. 이렇게 개선된 난방패널을 부하가 감소한 공동주택에

적용하여 일정온수온도제어가 적용된 경우와 관행의 외기보상제어를 적용한

경우 각각을 시뮬레이션 하였다. 이에 따른 시뮬레이션 결과를 통해 2장에서

구축한 평가체계에 따라 난방패널의 개선안을 평가하였다.

마지막으로 난방제어의 개선방안을 도출하였는데, 설계과정을 거치지 않은

관행적인 외기보상율을 적용해왔던 외기보상제어를 건물의 난방특성에 맞게

조정한 외기보상율을 적용하였다. 앞서 개선된 난방패널이 적용된 부하가 감

소한 공동주택에서 난방제어의 개선안 적용 여부에 따른 난방특성을 시뮬레

이션 하여, 구축된 평가체계를 바탕으로 시뮬레이션 결과를 분석하여 난방제

어의 개선안을 평가하였다.

한편, 난방부하에 대응한 복사패널 및 제어의 변수 값이 적용되면서, 방열

량()이 감소함에 따라 바닥표면온도()가 낮아지게 되었다. 이와

같이 바닥표면온도가 감소하는 문제를 보완하기 위해 방열면적을 감소시키는

대안을 제시하였고, 그 방법에 대하여 서술하였다.

- 7 -

이상에서 서술한 본 연구의 범위 및 방법에 의한 연구 진행은 다음 [그림

1.2]의 연구 흐름도와 같다.

[그림 1.2] 연구 흐름도

- 8 -

제 2 장 국내 공동주택의 난방부하 및 난방설비 예비적 고찰

2.1 개요

현행 및 부하가 감소한 공동주택 그리고 패시브 하우스의 난방수요를 파악

하기 위해 국내 공동주택의 난방부하 변화에 대한 고찰을 진행하였다. 또 지

역난방열원을 이용하는 부하가 감소한 공동주택을 모델링하고 난방성능 및

온열쾌적 그리고 에너지 사용 특성을 분석하기 위하여 난방패널 및 난방제어

설계 방법을 고찰하였고, 지역난방열원을 이용하는 공동주택의 난방시스템

구성과 국내의 난방패널 및 제어의 현황을 예비적 고찰을 통해 파악하였다.

2.2 국내 공동주택의 난방부하 변화

난방부하는 공간의 열손실에 따라 발생하며 크게 전도에 의한 열손실, 침입

외기에 의한 난방손실, 외기부하로 나눌 수 있다. 전도에 의한 열손실은 지붕,

외벽, 유리창, 바닥, 인접공간을 통하여 열관류에 의해서 손실되는 열량이며,

침입외기에 의한 난방손실은 창문의 틈새나 출입문, 구조체를 통한 침입외기

를 실내 공기 상태로 가열 및 가습하는데 소요되는 열량을 의미한다. 외기부

하는 실내공기의 환기를 위해서 도입되는 외기를 실내공기 상태로 가열 및 가

습하는데 소요되는 열량을 의미한다.4) 본 절에서는 난방부하 계산 시 사용되

는 열 관류율 값에 대한 국내의 기준 변화를 고찰하여 국내 공동주택의 난방

부하 변화 경향을 파악하였으며, 연구문헌에서 제시된 설계 난방부하 값에 대

한 고찰을 통해 난방부하의 변화를 파악하였다. 또 미래 저에너지 주거건물의

모델로 제시되고 있는 패시브 하우스의 난방부하 기준을 파악하였다.

4) 대한설비공학회, 설비공학편람 제 2권 공기조화, 1.3-1

- 9 -

[그림 2.1] 중부지역(서울) 공동주택의 열 관류율 기준 변화(바닥난방인 경우)

2.2.1. 열 관류율 기준 변화

난방부하 중 전도에 의한 열손실(Transmission Loss)은 구조체를 통하여

열관류에 의해 손실되는 열량으로, 이에 따르면 열관류율(U-value) 값의 크

기와 난방부하의 크기는 비례한다고 볼 수 있다. 따라서 국내 공동주택의 열

관류율 기준의 변화를 살펴보면 난방부하의 변화 경향을 파악할 수 있다.

국내 공동주택의 열관류율 규정은 1979년 ⌜건축법시행규칙⌟에서 처음으

로 제시된 이후 1992년부터 ⌜건축물의설비기준등에관한규칙⌟에 기준을 명

시하였고, 2013년부터 ⌜건축물의 에너지 절약 설계기준⌟에서 그 규정을 확

인할 수 있다. 1979년부터 현재까지의 열관류율 규정변화를 [그림 2.1]과

<표 2.1>에 나타내었다.

[그림 2.1]과 <표 2.1>을 통해 국내 공동주택의 열관류율 기준은 처음 개

정된 이래로 지속적으로 강화되고 있음을 알 수 있으며, 이에 따라 국내 공동

주택의 난방부하가 지속적으로 감소하고 있음을 알 수 있다.

- 1

0 -

구 분

건축

법 시

행규

칙5)

건축

물의

설비

기준

등에

관한

규칙

6)7)8)건

축물

의 에

너지

절약

설계

기준

9)

1979.091980.12

1984.031987.07

1992.062001.01

2008.072010.11

2013.092016.07

2018.09

거실

의 외

벽외

기직

접1.05

0.580.58

0.580.58

0.470.47

0.360.27

0.210.17

외기

간접

0.640.64

0.490.37

0.300.24

최상

층에

있는

거실

의 반

자 또

는 지

붕

외기

직접

1.050.58

0.580.41

0.410.29

0.290.20

0.180.15

0.15

외기

간접

0.410.41

0.290.26

0.220.21

최하

층에

있는

거실

의 바

닥

외기

직접

1.741.16

0.580.58

0.580.35

0.350.30

0.230.18

0.17

외기

간접

0.520.52

0.430.35

0.260.24

공동

주택

의 측

벽-

-0.47

0.470.47

0.350.35

0.27-

--

공동

주택

의 층

간 바

닥-

--

--

0.810.81

0.810.81

0.810.81

창 및

문외

기직

접-

3.493.49

3.373.37

3.843.00

2.101.50

1.201.00

외기

간접

--

--

-5.47

4.302.80

2.201.60

1.50

<표2.1>

중부지역(서울)공동주택의열관류율기준변화(바닥난방인경우)

5) 건

설부

령, 1

979/1

980/1

984/1

987, 건

축법

시행

규칙

.

6) 건

설부

령, 1

992, 건

축물

의설

비기

준등

에관

한규

칙.

7) 건

설교

통부

령, 2

001, 건

축물

의설

비기

준등

에관

한규

칙.

8) 국

토해

양부

령, 2

008/2

010, 건

축물

의설

비기

준등

에관

한규

칙.

9) 국

토교

통부

고시

, 2013/2

016/2

018, 건

축물

의 에

너지

절약

설계

기준

.

- 11 -

2.2.2. 설계 난방부하 변화

각 시기 별 국내 주거건물의 난방설비와 관련된 문헌에서 제시된 난방부하

는 실제 설계에 사용된 난방부하와 다소 차이가 있을 수는 있지만 분명히 해

당 시기 공동주택의 재료구성 및 물성치를 바탕으로 한 난방부하이다. 따라서

실질적인 국내 주거건물의 설계 난방부하를 파악하기 위해 처음으로 국내에

온수순환 방식의 바닥 복사난방 시스템이 적용되기 시작하는 시점부터(1970

년대) 최근까지의 국내 주거건물의 난방설비와 관련된 문헌을 고찰하였다.

1975년 발표된 신문철의 연구10)에서는 바닥 온수난방이 적용된 전통주택

의 난방부하를 174W/㎡로 제시하고 있다. 또 1977년에 발표된 이건 외 1인

의 연구11)에서는 공동주택의 난방부하를 123~173W/㎡로 제시하고 있었으

며, 같은 시기에 발표된 이병영 외 1인의 연구12)에서는 아파트의 단위면적당

부하를 123~150W/㎡로 제시하고 있었다. 2012년에 발표된 이윤정의 논

문13)에서는 단위면적당 부하가 실에 따라 30~60W/㎡로 다를 수 있으나, 일

반적인 단위면적당 난방부하를 40W/㎡로 제시하고 있었다. 지역난방공사에

서는 2017년 11월 개정된 지역냉난방 열사용시설 공급과 관련하여, 난방면

적이 85㎡를 초과할 경우 단위 난방부하 값을 41W/㎡, 난방면적이 60~85㎡

인 경우에는 단위 난방부하 값을 42W/㎡, 난방면적 60㎡이하일 경우에는 단

위 난방부하 값을 44W/㎡로 제안하고 있다.14)

국내 주거건물의 난방설비와 관련한 문헌을 고찰하였을 때, 국내 공동주택

의 설계 난방부하가 지속적으로 감소하고 있음을 알 수 있다.

10) 신문철, 1975, 새마을 농어촌 주택 개선을 위한 새로운 난방법과 그 구조에 관한 연구, 대한건축

학회지, 19(62), pp.13-20.

11) 이건 외 1인, 1977, 주택용 복사난방방식 설계, 공기조화냉동공학회지, 6(2), pp.110-114

12) 이병영 외 1인, 1977, 단지형 아파트 난방과 그 고려사항, 공기조화냉동공학회지, 6(3),

pp.202-209.

13) 이윤정, 2012, 국내 공동주택의 난방부하 특성을 고려한 바닥 복사난방 패널의 설계와 합리적 패

널 적용에 따른 효과 분석, 서울대학교 대학원, 석사학위논문, pp.27-29.

14) 한국지역난방공사, 2017, 열사용시설기준

- 12 -

2.2.3. 패시브 하우스의 난방부하 설계기준

앞선 고찰로부터 국내 공동주택의 설계 난방부하는 지속적으로 감소하고

있음을 확인하였고, 미래 저에너지 주거건물의 모델로 제시되고 있는 패시브

하우스로 나아가고 있음을 알 수 있었다. 향후 미래 공동주택에서의 난방설비

적용 방향성을 분석하기 위해서는 패시브 하우스의 난방부하 설계 기준을 알

아볼 필요가 있다.

2015년 한국패시브건축협회에서 제시한 패시브 하우스 인증조건은 중 A0

등급의 인증을 위해서는 연간 냉/난방 에너지 요구량이 단위면적당 15kWh/

㎡ 이하이며 벽체 열관류율이 0.15W/㎡K이하, 냉/난방 부하가 단위면적당

10W/㎡이하여야 한다. A1등급의 인증을 위해서는 연간 냉/난방 에너지 요구

량이 단위면적당 30kWh/㎡ 이하이며 벽체 열관류율이 0.18W/㎡K이하, 냉/

난방 부하가 단위면적당 20W/㎡이하여야 한다. A2 등급의 인증을 위해서는

연간 냉/난방 에너지 요구량이 단위면적당 50kWh/㎡ 이하이며 벽체 열관류

율이 0.21W/㎡K이하, 냉/난방 부하가 단위면적당 30W/㎡이하여야 한다.

1996년 Wolfgang Feist 교수와 그 팀이 설립한 Passive House Institute

에서 제시하는 패시브 하우스의 요구조건은 다음과 같다.

① 단위면적(Net Living Space)당 난방에너지 요구량이 연간 15kWh/㎡ 또

는 난방부하가 10W/㎡ 이하여야 한다. 단, 냉방이 필요한 기후에서는 제습

을 위해 더 큰 부하를 허용한다.

② 가정에서 요구되는 연간 신재생에너지의 요구량(Renewable Primary

Energy Demand)이 단위면적당 60kWh/㎡ 이하여야 한다.

③ 50Pa의 기압 상태에서 가압, 감압 테스트 결과, 최대 기밀도가 시간당

환기횟수 0.6회 이하여야 한다.

④ 연중 25℃를 초과하는 온도 비율이 10% 이하여야 한다.

- 13 -

2.3 바닥 난방패널 설계 방법

바닥 난방패널의 설계 방법으로는 유럽에서 대표적인 기준으로 활용하고

있는 EN 1264, Nordtest vvs 127과, 미국 냉동공조학회의 ASHRAE

Handbook-HVAC Systems and Equipment (Chapter 6. Panel Heating

and Cooling)에서 제시한 방법이 대표적이다. 본 절에서는 바닥 난방패널의

설계 방법을 파악하기 위해 유럽에서 대표적인 기준으로 활용하고 있는 EN

1264과 미국 냉동공조학회의 ASHRAE Handbook에서 제시한 바닥 난방패

널의 설계 방법을 고찰하였다. 한편, Nordtest vvs 127은 전통적인 목조 바

닥 구조와 기타 경량 구조체의 바닥 난방 시스템의 설계에 사용되고 콘크리트

바닥 난방 시스템에는 적용할 수 없으므로 본 절에서는 다루지 않았다.

2.3.1. ASHRAE Handbook15)에 제시된 난방패널 설계 방법

ASHRAE Handbook에서 제시된 복사 난방패널의 설계 프로세스로, 가장

먼저 실내외 설계 조건을 결정하고 부하를 계산한다. 그리고 복사 난방패널이

담당해야 할 부하를 결정한 후 그에 대응하는 열량을 방열하기위한 바닥 표면

온도를 결정한다. 다음으로 부하 제거를 위한 패널 설치 면적을 결정한 후 평

균 패널 온수온도와 배관간격을 설정하며, 최종적으로 패널의 공급 온수 유량

을 계산한다. 이상의 복사 난방패널의 설계 프로세스에 따른 상세 설명은 다

음과 같다.

(1) 실내외 설계 조건 결정 및 부하 계산

ASHRAE Handbook에서는 설계 실내온도로 건구온도를 사용한다. 설계 실

내온도와 설계 외기온도를 설정한 후 전도에 의한 열손실, 침입외기에 의한

난방손실, 외기부하를 계산하여 총 난방부하를 계산한다.

15) ASHRAE, 2016 ASHRAE Handbook - HVAC Systems and Equipment, ASHRAE, 2016

- 14 -

(2) 복사 난방패널의 담당 부하 결정

복사 난방을 통해서 현열 부하만을 처리할 수 있다. 따라서 전도에 의한 총

열손실, 침입외기에 의한 난방손실 중 현열, 외기부하 중 현열만을 종합하여

복사 난방패널이 담당해야 할 부하의 크기를 결정한다.

(3) 패널의 요구 유효 표면온도 결정

복사 난방패널에 담당된 현열부하를 제거하기 위한 방열량을 계산한다.

ASHRAE Handbook에서는 복사에 의한 열전달량과 자연대류에 의한 열전달

량으로 나누어 계산한 후 합산하여 총 방열량을 계산하고 있다. 이에 따라 계

산된 총 방열량을 방열하여 부하를 제거하기 위한 유효 표면온도를 계산한다.

유효 표면온도에 따른 바닥 복사패널의 상부 방열량은 식 1~3에 의해 결정된

다.

식 (1)

× 식 (2)

식 (3)

여기서,

바닥 패널의 총 방열량, W/㎡

복사에 의한 방열량, W/㎡

자연 대류에 의한 방열량, W/㎡

유효 패널 표면 온도, ℃

실내 건구온도, ℃

- 15 -

한편, 패널의 방열면과 복사 열교환을 하는 실의 표면온도는 경계 조건에

따른 표면온도를 예측하여 면적 가중 표면온도인 를 사용하며, 이

는 식 4를 통해 계산한다.

식 (4)

여기서,

실내 표면의 벽, 천장, 바닥, 창, 문 등(active 패널 표면 제외)

의 면적 가중 온도, ℃

복사 패널을 제외한 표면의 면적, ㎡

복사 패널을 제외한 표면의 방사율, (무차원)

복사 패널을 제외한 표면의 온도, ℃

(4) 패널 설치 면적 결정

방열량과 패널이 제거해야 할 현열 난방 부하를 비교하여 패널의 설치 면적

을 결정한다.

(5) 패널 공급 온수온도와 배관 간격 결정

공급 온수온도가 결정된 경우에는 배관 간격을 계산하고, 반대로 배관 간격

이 먼저 결정된 경우에는 공급 온수온도를 식 5를 통해 계산한다.

- 16 -

식 (5)

여기서,

하부 방향 열손실 또는 열 획득

인접한 배관의 중심에서 중심까지의 간격, m

단위 배관 간격 당 배관 벽의 열 저항, (mK)/W

배관의 평균 표면 온도, ℃

(6) 패널 공급 온수 유량 계산

패널에 공급되는 온수의 유량을 계산하기 위해 식 6을 사용한다. ASHRAE

Handbook에서는 난방 패널의 기본적인 공급-환수 온도차를 10K로 가정하

고 있다.

×××∆ 식 (6)

여기서,

바닥 패널의 총 방열량, W

물의 밀도, kg/㎥

물의 비열, J/(kgK)

공급 유량, ㎥/s

∆ 공급-환수 온도차, ℃

이와 같은 프로세스를 통해 ASHRAE Handbook에서 제시한 방법으로 바

닥 복사패널을 설계할 수 있다.

- 17 -

2.3.2. EN 126416)에 제시된 난방패널 설계 방법

EN 1264에서는 배관의 위치 및 패널의 구성에 따라 복사난방 패널의 유형

을 [그림 2.2]과 같이 분류하고 있으며, 각 유형별로 패널의 방열량을 계산할

수 있는 간편한 계산식을 제시하고 있다. 이 계산식은 여러 시뮬레이션과 실

험 결과를 바탕으로 도출된 power function이다. 이를 이용하여 복사 패널의

위치에 따른 설계 방법을 제시하고 있으며, 패널의 성능 평가 방법을 포함하

고 있다. 본 절에서는 EN 1264에서 제시하고 있는 바닥 복사난방 패널의 유

형 중, 국내 공동주택에 주로 적용되고 있는 유형의 바닥 복사패널(그림 2.2

의 Type 1)의 난방 설계 방법에 대해 고찰하였다. EN 1264에서 제시하는 복

사 난방패널의 설계 프로세스는 다음과 같다.

(1) 실내외 설계 조건 결정 및 부하 계산

EN 1264에서는 설계 실내온도를 평균복사온도가 반영된 작용온도를 사용

하며 난방 시 20℃을 기준 값으로 제시하고 있다. 설정한 설계 실내온도와 설

계 외기온도를 통해 전도에 의한 열손실, 침입외기에 의한 난방손실, 외기부

하를 계산하여 총 난방부하를 계산한다.

(2) 단위 면적 당 패널의 요구 방열량 결정

복사 난방패널에 담당된 현열부하를 제거하기 위한 방열량을 계산하고, 패

널의 유형을 결정한 후 패널 설치면적을 계산한다. 이에 따른 단위 면적당 요

구되는 방열량을 도출한다. 바닥 패널의 방열량은 실내 작용온도와 패널의 평

균 바닥 표면온도의 관계인 식 7을 통해 계산한다. 또한 미리 도출된 power

function 식 8을 이용하여 패널의 단위 면적당 상부 방열량을 계산한다.

16) CEN, EN1264 Water based surface embedded heating and cooling systems, CEN, 2008.

- 18 -

Type 1 : Systems with pipes installed inside the screed

Type 2 : Systems with pipes installed below the screed of timber floor

Type 3 : Systems with surface elements (Plane section systems)

[그림 2.2] EN 1264에서의 난방패널 유형 분류

- 19 -

식 (7)

여기서,

바닥 패널의 단위 면적당 방열량, W/㎡

바닥 패널의 평균 표면온도, ℃

실내의 작용온도, ℃

·· ·

· ·∆ 식 (8)

여기서,

㎡, 시스템 종속 계수

(단, 배관 열전도율 ,

배관 벽두께 일 때이다.

그 외의 경우에는 식 9에 의해 값을 계산한다.)

표면 마감 계수, 식 10에 의해 계산한다.

배관 간격 계수, <표 2.2>에 의해 결정된다.

마감 계수, <표 2.3>에 의해 결정된다.

배관 외경 계수, <표 2.4>에 의해 결정된다.

(0.050m ≤ 배관 간격 ≤ 0.375m)

(0.010m ≤ 배관 위 Layer의 두께 )

(0.008m ≤ 배관 외경 ≤ 0.030m)

(0.008m ≤ 배관 외경 ≤ 0.030m)

∆ 대수 평균 공급수온, 식 11에 의해 계산한다.

- 20 -

·

··

식 (9)

식 (10)

ln

식 (11)

여기서,

, 배관의 외경, m

배관의 내경, m

10.8 ㎡

1

0.045m

표면 마감의 열전도 저항, ㎡

Screed의 열전도율,

공급수의 온도, ℃

환수온도, ℃

- 21 -

[(㎡K)/W] 0 0.05 0.10 0.15

[m] 0.050 1.069 1.056 1.043 1.037

0.075 1.066 1.053 1.041 1.035

0.100 1.063 1.050 1.039 1.0335

0.150 1.057 1.046 1.035 1.0305

0.200 1.051 1.041 1.0315 1.0275

0.225 1.048 1.038 1.0295 1.026

0.300 1.0395 1.031 1.024 1.021

0.375 1.03 1.0221 1.0181 1.015

<표 2.3> , 마감 계수

[(㎡K)/W] 0 0.05 0.10 0.15

[m] 0.050 1.013 1.013 1.012 1.011

0.075 1.021 1.019 1.016 1.014

0.100 1.029 1.025 1.022 1.018

0.150 1.040 1.034 1.029 1.024

0.200 1.046 1.040 1.035 1.030

0.225 1.049 1.043 1.038 1.033

0.300 1.053 1.049 1.044 1.039

0.375 1.056 1.051 1.046 1.042

<표 2.4> , 배관 외경 계수

[(㎡K)/W] 0 0.05 0.10 0.15

1.23 1.188 1.156 1.134

<표 2.2> , 배관 간격 계수

- 22 -

(3) 패널 공급 온수온도 결정

패널에 공급되는 온수온도()는 식 12에 의해 결정된다.

∆ 식 (12)

여기서,

패널에 공급되는 온수온도, ℃

실내의 작용온도, ℃

∆ 공급 온수온도와 실내온도 차, ℃

이 때, 공급 온수온도와 실내온도 차(∆)는 (계획된 공급-환수 온도

차)/(계획한 온수의 평균값과 실 사이의 대수평균온도 차)이 0.5보다 작은 경

우에는 식 13에 의해, 0.5보다 큰 경우에는 식 14에 의해 계산된다.

∆

식 (13)

∆

·∆

식 (14)

여기서,

계획된 공급-환수 온도차, ℃

∆ 계획한 온수의 평균값과 실 사이의 대수평균온도 차, ℃

- 23 -

(4) 패널 공급 온수 유량 계산

EN 1264에서는 패널에 공급하는 온수의 설계 유량 계산 시, 상부 방열량과

하부 열 손실을 종합한 총 방열량을 이용하여 계산한다. 바닥 복사난방 시스

템의 하부 방향으로의 열 손실은 식 15에 의해 계산된다. 최종적으로 바닥 복

사난방의 공급 온수 유량은 식 16에 의해 계산된다.

·· 식 (15)

·

··

·

식 (16)

여기서,

하부 방향 열 손실

상부 방열량

바닥 패널의 아랫 부분 열전달 저항, ㎡,

바닥 패널의 윗 부분 열전달 저항, ㎡,

난방 대상 실의 실내 기준 작용온도, ℃

하부 실의 실내 작용온도, ℃

0.17, ㎡

물의 열용량,

이와 같은 프로세스를 통해 EN 1264에서 제시한 방법으로 바닥 복사패널

을 설계할 수 있다.

제어인자공급온수온도

단위열량온수온도 일정 온수온도 변화

온수유량

유량

연속 공급

정유량 -외기보상제어

플럭스 제어외기보상 실온피드백 제어

변유량 변유량 제어 -

유량

간헐 공급

뱅뱅 제어 개폐식 뱅뱅제어 외기보상 개폐식 뱅뱅제어 -

펄스 제어 개폐식 펄스제어 외기보상 개폐식 펄스제어 -

<표 2.5> 제어방식의 분류

- 24 -

2.4 바닥 난방패널 제어 방법

바닥 난방패널의 제어방법과 관련한 여명석의 연구17)에 따르면 방열량의

제어인자인 온수온도와 공급유량 그리고 단위열량에 따른 제어방식을 <표

2.5>과 같이 분류하고 있다.

공급온수온도가 일정한 제어방식에는 부하에 따라 유량을 변화시키는 변유

량 제어와, 온수를 간헐적으로 공급하여 설정온도를 유지하도록 제어하는 개

폐식 뱅뱅제어와 개폐식 펄스제어가 있다. 공급온수온도가 변화하는 제어방

식 중에는 온수가 연속적으로 공급되는 외기보상제어와, 1차적으로 외기보상

율에 따라 온수온도를 정하고 2차적으로 실온을 피드백하여 온수온도를 재조

정하는 외기보상 실온피드백 제어가 있다. 또, 공급온수온도와 공급 유량이

동시에 변화하는 외기보상 개폐식 뱅뱅제어와 외기보상 개폐식 펄스제어는

복합존에 적용되는 방식으로, 외기보상 개폐식 펄스제어는 국내에서 아직 실

제 적용되고 있지는 않으며, 현재 국내 지역난방공동주택에서는 외기보상 개

폐식 뱅뱅제어가 적용되고 있다. 이 중 지역난방열원을 이용하는 공동주택에

서 주로 적용되고 있는 외기보상 개폐식 뱅뱅제어와 그 기본형태인 개폐식 뱅

뱅제어와 외기보상제어에 대하여 고찰하였다.

17) 여명석 외 2인, 1998, 공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 온수온도 제어방법에 관한 연구,

대한건축학회 논문집, 14(12), pp.203-210.

- 25 -

2.4.1. 개폐식 뱅뱅제어

개폐식 뱅뱅 제어는 현재 가장 많이 사용되는 제어방식으로, 2위치 제어에

속한다. 실내온도를 피드백 받아, 실내온도가 동작 간격의 하단까지 저하될

경우 조절기가 On 되어 밸브가 개방되고, 실내온도가 동작 간격의 상단까지

상승하는 경우 조절기가 Off 되어 밸브가 폐쇄된다. 개폐식 뱅뱅제어는 [그림

2.3]과 같이 조절기가 Off 되어 밸브가 폐쇄돼도 바닥 구조체의 축열 특성에

의해 온도는 얼마간 상승하고 나서 열의 공급이 없어지면 저하되기 시작한다.

또한 실온이 동작간격의 하단까지 저하되면 조절기는 곧바로 On 되지만 즉시

온도상승이 되지 않고 얼마간 저하된 후에 증가를 시작한다. 이 때 온도 증가

나 저하 시에 동작간격으로부터 벗어나는 오차를 오버슈트(over shoot) 또는

언더슈트(under shoot)라고 한다. 이와 같이 개폐식 뱅뱅 제어를 바닥 복사

난방시스템에 적용할 경우 실온과 바닥온도 변동 폭이 크다는 특징이 있다.

[그림 2.3] 개폐식 뱅뱅 제어

- 26 -

2.4.2. 외기보상제어

난방 시 건물에 공급되는 열량은 건물의 열 손실량과 같아야 설정실온을 유

지할 수 있다. 열손실량은 외기온에 따라 변동하므로 공급 온수온도를 외기온

에 따라 조절함으로써 공급 열량을 조절하는 제어방법이 외기보상 제어이다.

외기온-공급 온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heating curve)이라고 하며, 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값

으로 식 17, 식 18을 이용하여 [그림 2.4]의 직선과 같이 구할 수 있다. 일반

적으로 난방개시 시 공급온수온도(), 난방개시 시 외기온()은 공간의

설정실온을 대입해 주며, 설계 최고 공급온수온도()는 계산을 통하여 산정

하기 어려우므로 실제 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fine tuning)으로

구한다. 미세조정은 [그림 2.4]와 같이 직선의 기울기를 변화시키거나 평행이

동을 시켜, 설정실온이 정확한 값으로 유지되게 조정하는 방법이다.

식 (17)

식 (18)

여기서,

난방 개시시 공급 온수온도, ℃

외기보상율

설계 최고 공급 온수온도, ℃

난방 개시시 외기온, ℃

설계 최저 외기온, ℃

공급 온수온도, ℃

외기온, ℃

- 27 -

[그림 2.4] 외기보상율의 설정과 미세조정

2.4.3. 외기보상 개폐식 뱅뱅제어

개폐식 뱅뱅제어와 외기보상제어의 개념에 근거한 외기보상 개폐식 뱅뱅제

어의 알고리즘은 다음과 같으며, 순서도로 종합하면 [그림 2.5]와 같다. 여기

서 설정온도는 20℃이며 제어 밴드가 0.5℃인 경우를 가정하였다.

① 외기온과 외기보상율에 의해 공급온수온도 계산

② 공급온수온도 값으로 3방 밸브의 개도 값을 계산하여 제어신호로 출력

③ 3방 혼합밸브 작동

④ 측정 실온이“20-0.5℃”보다 작은 경우 개폐식 밸브를 개방

⑤ 측정 실온이“20-0.5℃”보다 크거나 같을 경우에는 기존상태를 유지

⑥ 측정 실온이“20+0.5℃”보다 작거나 같을 경우 기존상태를 유지

⑦ 측정 실온이 “20+0.5℃”보다 클 경우 밸브를 완전 폐쇄

- 28 -

[그림 2.5] 외기보상 개폐식 뱅뱅제어의 제어 알고리즘

- 29 -

2.5 지역난방열원을 이용하는 공동주택의 난방시스템 현황

본 절에서는 지역난방열원을 이용하는 공동주택의 난방시스템 구성을 파악

한 후 지역난방열원을 이용하는 국내 공동주택에서 적용되고 있는 난방패널

과 난방제어의 현황을 고찰하여 설계과정을 거치지 않고 관행적으로 적용되

고 있는 난방패널의 구성과 설계요소의 정량적인 값, 그리고 난방패널의 제어

방식 및 공급 온수온도의 범위를 파악하였다.

2.5.1. 지역난방열원을 이용하는 공동주택의 난방시스템 구성

개별난방 방식과 중앙난방 방식은 말단에서 바닥 복사난방 패널을 통해 난

방을 하는 방식은 같으나, 세대 별 보일러에서 온수를 생산하여 난방 패널로

직접 공급하는 개별난방방식과 달리 중앙난방 방식은 중앙 기계실에서 온수

를 생산하여 순환펌프에 의해 각 세대로 분배, 공급된다는 점이 다르다.

지역난방열원을 이용하는 공동주택의 난방시스템은 더 큰 범위의 중앙제어

방식으로, 도시 혹은 일정 지역 내의 필요 열량을 만족시키는 지역난방 플랜

트를 설치하여 생산된 증기 또는 온수를 수송관을 통해 각 구역에 공급한다.

현재 지역난방열원을 이용하는 공동주택 단지의 난방시스템은 [그림 2.6]

과 같은 계통으로 구성된다. 지역난방 플랜트로부터 공급받은 온수는 단지 내

중앙 기계실에서 열 교환기를 통해 열을 전달하여 난방 및 급탕에 필요한 온

도의 온수를 만들며, 이 온수는 분배시스템을 통해 각 세대에 공급된다. 여기

서 단지 또는 동 등의 담당 구획별 열교환기를 기준으로 1차 측과 2차 측으로

구분된다. (그림 2.6에서, HWS는 Hot Water Supply, HWR은 Hot Water

Return 이다.) 온수 분배 시 구획 내 동별 난방회로의 저항 차이 또는 부력작

용 등에 의해 구역별 유량 불균형이 발생할 수 있어, 필요 유량을 공급하기

위하여 유량 밸런싱 기술인 동 차압유량조절밸브(PDCV)를 적용하고 있다.

- 30 -

한국지역난방공사를 비롯한 SH공사 등 국내의 지역난방 공급 사업자들은

2차측 열원설비 및 난방제어 방법에 대하여 연구를 진행 중이며, 범용적으로

사용되고 있는 공급수 온도 제어 방안은 부하가 가장 큰 세대를 기준으로 난

방부하(외기온)에 따라 온수온도를 조절하여 공급하는 외기보상제어 이다.

[그림 2.6] 지역난방열원을 이용하는 공동주택의 난방시스템 계통도

- 31 -

2.5.2. 국내 공동주택의 난방패널 적용 현황

국내 주거건물의 난방패널 구성 및 설계요소의 적용 현황을 파악하기 위해

국내 문헌 및 기준을 고찰하였다.

이윤정 외 3인의 문헌18)에서는 관련 법규 검토와 실제 시공 자료 분석을

통해 바닥 복사난방 패널의 구성 및 변수 값의 변화와 현재의 바닥 복사난방

패널의 시공 형태를 파악하였다. 이 문헌에 따르면 시대별 바닥 패널의 대표

적 구성 형태는 [그림 2.7]과 <표 2.6>와 같이 위에서부터 마감층, 축열층/채

움층, 단열층으로 구성되어 왔으며, 시대의 변화에도 크게 변동하지 않았다.

시대별 적용된 난방배관은 <표 2.7>과 같이 배관의 재질은 변화하였으나 배

관경은 시대의 흐름에 따른 변화 없이 현재는 사라진 과거의 기준인 직경

15mm 사이즈로 시공되어오고 있다. 또 배관의 간격은 기준층에서 200~

250mm 범위 내에서 선택되어, 부하에 대응한 별다른 설계과정 없이 시공되

고 있다. 국토교통부의 ⌜소음방지를 위한 층간 바닥충격음 차단 구조기준

⌟19)에서 제시한 표준바닥구조 기준에 따르면 중량충격음을 차단하기 위한

공동주택의 콘크리트 슬래브 두께를 210mm 이상으로 규정하고 있다. 현재

바닥 패널의 각 구성층은 표준바닥구조 기준을 기본으로 설계되고 있으며 패

널 설계 변수 값은 이전에 적용해오던 값들과 크게 다르지 않다. 여기서 부하

에 따른 바닥 패널의 구성 변화가 유연하지 않음을 알 수 있다.

국내 주거건물의 난방패널의 현황과 관련한 문헌 및 기준을 고찰하였을 때,

국내 공동주택에 적용된 난방패널의 구성과 배관경, 배관간격과 같은 물리적

인 요소들이 난방부하와 관계없이 설계과정을 거치지 않고 관행적으로 적용

되고 있음을 알 수 있었다.

18) 이윤정 외 3인, 국내 공동주택의 난방부하 특성을 고려한 바닥 복사난방 패널의 설계, 대한건축학

회 논문집, 27(9), pp.349-357.

19) 국토교통부, 2015, 소음방지를 위한 층간 바닥충격음 차단 구조기준

- 32 -

[그림 2.7] 시대별 바닥 패널의 대표적 구성과 형태

마감층 축열층/ 채움층 단열층

1980년대모르타르 자갈 스티로폴

40mm 60mm 20mm

1990년대모르타르 자갈 경량기포콘크리트

30mm 60mm 30mm

2000년대

/ 최근

모르타르 경량기포콘크리트 단열재

40mm 50mm 20mm

<표 2.6> 시대별 바닥 패널의 대표적 구성 형태

재질 관경 간격(기준층)

1980년대 동관, XL 15φ 200, 230, 250mm

1990년대 동관, XL, PB 15φ 200, 230, 250mm

2000년대

/최근PB 15φ 200, 230, 250mm

<표 2.7> 시대별 바닥 패널의 난방 배관

- 33 -

2.5.3. 국내 공동주택의 난방제어 적용 현황

현재 지역난방열원을 이용하는 공동주택에서 적용되고 있는 난방제어방식

과 운영현황을 파악하기 위해 관련된 연구문헌을 고찰하였다.

최창식 외 4인의 연구문헌20)에서는 서울지역에 지역난방 열원을 공급받는

강서, 양천 지역 공동주택 6단지와 마포 지역 4단지로 총 10개 단지에 대해

도면분석, 관리자 심층면접, 거주자 설문조사를 사용하여 열원 및 분배 시스

템 운영현황을 조사하였다. 조사결과, 대부분의 공동주택단지에 외기보상제어

의 기능이 구비되어 있었다. 하지만 외기보상제어를 사용할 경우, 외출 후 난

방가동 시 설정온도 도달 시간에 대한 불쾌적 문제가 있어 난방온수 공급온도

를 임의로 설정하여 고온의 온수를 공급하는 설정온도제어가 적용된 공동주

택단지가 대부분이었다. 또 외기보상제어를 사용하더라도 최고 난방온수 공

급온도를 실제 필요 온도보다 높은 온도인 53~60℃로 공급하는 제어가 적용

되고 있다. 이태원 외 1인의 연구문헌21)에서는 중앙난방방식을 채택하고 있

는 국내 공동주택 4,000세대를 대상으로 난방순환수 공급온도를 조사하였는

데, 간헐난방방식의 경우 대부분 56~60℃의 온도범위로 온수를 공급하며, 연

속난방방식의 경우에는 51~55℃의 온도범위로 온수를 공급한다.

한편, SH집단에너지사업단 기준22)에서 제시하는 외기온에 따른 난방온수

공급온도는 아래의 <표 2.8>와 같다.

외기온도[℃] -12 -5 0 10

난방수온도[℃]기본모드 60 50 47 35

절약모드 53 47 42 32

<표 2.8> 외기온에 따른 난방온수 공급온도(SH집단에너지사업단 기준)

20) 최창식 외 4인, 2015, 현장조사를 통한 지역난방 열원 사용 공동주택 단지의 열원 및 분배 시스

템 운영현황 분석, 대한건축학회 추계학술발표대회논문집, 35(2), pp.313-314.

21) 이태원 외 1인, 2011, 지역난방 사용자시설 난방운전조건에 관한 연구, 대한설비공학회 하계학술

발표대회 논문집, pp. 533-538

22) SH집단에너지사업단, 사용시설 관리자 기술교재

- 34 -

2.6 소결

본 장에서는 국내 공동주택의 난방부하 변화 경향을 파악하기 위하여, 국내

공동주택의 열 관류율 기준이 처음 제정된 이후부터 가장 최근에 개정된 시점

까지의 열 관류율 기준 변화를 파악하였다. 또 온수순환 방식의 바닥 복사 시

스템이 처음으로 적용된 시점부터 최근까지의 각 시기 별 난방설비와 관련된

문헌을 통해 당시에 사용된 것으로 추정된 설계 난방부하를 파악하였으며, 국

내외 패시브 하우스의 인증조건을 파악하였다. 그 후 부하가 감소한 공동주택

에서의 난방설비 개선방안 도출을 위한 기초자료로써 국외에서 범용적으로

사용되는 바닥 난방패널 설계 방법과 공동주택의 바닥 복사난방 패널의 제어

방법에 대한 고찰을 진행하였다. 마지막 절에서는 지역난방열원을 이용하는

공동주택의 난방시스템 구성과 국내 주거건물의 난방 시스템 및 난방 제어의

적용 현황 파악하였다.

본 장의 내용을 요약하면 다음과 같다.

1) 국내 공동주택의 열관류율 기준이 처음 개정된 1979년부터 가장 최근

제정된 2018년까지 국내 공동주택의 열 관류율 기준은 지속적으로 강

화되어 왔으며, 난방설비와 관련된 문헌 고찰을 통해 실질적인 설계

난방부하 또한 지속적으로 감소해 왔음을 확인하였다. 미래 저에너지

주거건물의 모델로 제시되고 있는 패시브 하우스의 설계난방부하는 더

욱 감소하여 단위면적당 10W/㎡의 수준을 요구한다.

2) 국내에는 바닥 난방패널의 설계 방법에 대한 기준이 없어 국외에서 주

로 쓰이는 바닥 난방패널 설계 방법(ASHRAE Handbook, EN 1264)

을 고찰하였다. 두 방법 모두 실내외 설계 조건을 결정하고 부하를 계

- 35 -

산한 뒤, 복사 패널이 담당해야 할 현열 부하를 결정하고 패널의 요구

표면온도를 결정한 후 패널 설치 면적에 따른 공급 온수온도 및 배관

간격을 그리고 공급 유량을 결정하는 프로세스는 동일하다. 이 때, EN

1264에서는 공급-환수 온도차를 5℃로 가정하고 ASHRAE Handbook

에서는 공급-환수 온도차를 10℃로 가정하고 있다. 국내 바닥 난방패

널의 경우 공급-환수 온도차를 10℃-15℃로 고려하여 설계하기 때문

에 ASHRAE Handbook의 난방패널 설계 방법이 국내 상황에 더 적절

한 것으로 판단된다.

3) 바닥 난방패널의 제어방법과 관련한 문헌을 분석하여 방열량의 제어인

자인 온수온도와 공급유량, 단위열량에 따른 제어방식의 분류를 파악

하였고, 이 중 지역난방열원을 이용하는 공동주택에서 주로 적용되고

외기보상 개폐식 뱅뱅제어와 그 기본 형태인 개폐식 뱅뱅제어와 외기

보상제어에 대한 고찰을 진행하였다. 본 연구에서 적용된 외기보상율

계산과 외기온에 따른 공급온수온도 조정 방법은 식 17과 식 18, 그리

고 외기보상 개폐식 뱅뱅제어의 제어 알고리즘은 [그림 2.5]와 같다.

4) 지역난방열원을 이용하는 공동주택의 난방시스템은 그 지역에 배당된

지역난방 플랜트에서 생산된 증기 또는 온수를 구역 내 각 단지에 공

급받아, 중앙 기계실에서 열 교환을 통해 난방 및 급탕에 필요한 온도

의 온수를 만든다. 이 온수는 분배시스템을 통해 각 세대에 공급되며,

각 세대 내 말단인 난방패널을 통해 실내로 열량을 공급한다. 지역난

방 공급 사업자들이 연구하고, 범용적으로 사용하고 있는 공급온수온

도 제어 방법은 부하가 가장 큰 세대를 기준으로 난방부하(외기온)에

따라 온수온도를 조절하여 공급하는 외기보상제어 이다.

- 36 -

5) 국내 공동주택에 적용되고 있는 복사 난방패널의 구성은 마감층, 축열

층/채움층, 단열층으로 구성되어 왔으며 시대의 변화에도 크게 변동되

지 않았다. 또, 배관의 관경은 시대에 따른 변화 없이 직경 15mm 로

시공되고 있으며 배관의 간격 또한 방열량 산정 과정 없이 기준층에서

200~250mm 범위에서 선택되어 시공되고 있다. 본 예비적 고찰을 통

해 국내 공동주택의 복사 난방패널의 구성과 설계요소의 설계 변수 값

및 열매의 조건이 온수순환 방식의 바닥 복사난방이 큰 변화 없이 관

행적으로 적용되는 경향을 확인하였다.

6) 지역난방열원을 이용하는 국내 공동주택은 대부분 외기보상제어의 기

능이 구비되어 있지만 외출 후 난방 가동 시 설정온도 도달 시간에 대

한 불쾌적 문제가 있어 외기보상제어를 사용하지 않고 설정온도제어를

사용하고 있다. 한편, 외기보상제어를 사용하는 세대는 최고 난방온수

공급온도를 실제 필요 온도보다 높은 53~60℃로 설정하고 있다. 본

예비적 고찰을 통해 국내 공동주택의 복사 난방제어는 설정온도제어와

외기보상제어가 적용되고 있으며, 제어온도 범위는 설계된 값이 아닌

관리자의 경험에 의해 관행적으로 적용되는 경향을 확인하였다.

- 37 -

제 3 장 분석대상 및 평가방법 구축

3.1 개요

본 장에서는 난방패널 및 난방제어가 설계과정을 거치지 않고 관행적으로 적

용된 현행의 공동주택과 부하가 감소한 공동주택의 문제발생 정도를 비교하

여 부하가 감소한 공동주택에서 설계과정을 거치지 않은 관행적인 난방패널

및 제어가 적용되었을 때의 난방성능 및 온열쾌적 상의 문제점을 파악하고,

부하가 감소한 공동주택에서의 적절한 난방운전을 위한 난방패널의 적용 방

향을 도출 및 평가한 후, 개선된 난방패널이 적용되었을 때 이에 대응하여 적

절한 난방운전을 위한 난방제어의 적용 방향을 제시하기 위하여 분석 대상 세

대 및 난방패널을 구축하고, 시뮬레이션 결과의 평가 체계를 구축하였다.

3.2 대상세대 및 난방설비 구축

3.2.1. 대상 공동주택 및 세대조건

분석 대상은 현행의 공동주택과 현재보다 부하가 감소한 공동주택이다. 현

행 공동주택은 현행의 열 관류율 기준을 충족하면서 2015년 허가를 득한 공

동주택 중 평면형태 등 대표성을 고려하여 국내 주요 건설사에서 시공한 판상

형 공동주택을 분석의 대상으로 선정하였고 외피구성 및 물성은 <표 3.1>과

같다. 본 연구의 목적을 고려하여 현행 공동주택과 부하가 감소한 공동주택에

동일한 평면 [그림 3.1]을 적용하였으며, 부하가 감소한 주거건물의 열 물성

치는 S공사에서 건축을 추진하고 있는 500세대 규모의 저부하 공동주택 계획

을 참고하여 현행 공동주택의 단열성능을 수정하여 적용하였다.

대상세대의 구성 및 경계조건에는 난방부하에 영향을 미치는 인자들인 도

입외기, 내부발열, 실내 설정온도, 외기온도가 있다. 도입외기는 침기와 환기

- 38 -

구분 자재 구성두께 [mm] 열전도율 [W/mK] 밀도

kg/㎥

비열

J/kgK60W/㎡ 20W/㎡ 60W/㎡ 20W/㎡

벽

외벽

석고보드 10 10 0.180 0.180 800 1090

경질 우레탄폼

보온판85 150 0.019 0.010 24 1590

콘크리트 200 200 1.600 1.600 1920 900

내벽

석고보드 20 20 0.180 0.180 800 1090

콘크리트 50 50 1.600 1.600 1920 900

경질 우레탄폼

보온판60 60 0.160 0.160 24 1590

석고보드 20 20 0.180 0.180 800 1090

바닥

강화마루 8 8 0.115 0.115 900 1340

시멘트 몰탈 50 50 1.400 1.400 1900 1000

경량기포 콘크리트 40 40 0.160 0.160 1920 900

층간소음 단열재 30 30 0.031 0.031 240 1260

콘크리트 210 210 1.600 1.600 1920 900

창호

Clear Glass 6 6 0.9 0.9 - -

Air 12.7 12.7 - - - -

Clear Glass 6 6 0.9 0.9 - -

Clear Glass 6 6 0.9 0.9 - -

Air 12.7 12.7 - - - -

Clear Glass 6 6 0.9 0.9 - -

<표 3.1> 공동주택의 부하별 건물외피 구성 및 재료 물성치

로 구별 되지만 건물의 침기와 관련된 건물의 기밀성능이 지속적으로 개선되

고 있어 침기는 거의 없는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에 활용된 도입외

기량은 바닥난방시스템 열특성 시뮬레이션을 위하여 실제 공동주택의 도입외

기량 데이터를 통해 보정과정을 거친 LH 토지주택연구원의 연구23)에서 제시

한 환기량 0.3 ACH를 적용하였다. 내부 발열에서 재실인원은 총 4명으로 가

정하였고, 직장 및 학업을 고려하여 낮 시간 동안에는 재실 인원이 1명으로

가정하였다. 조명은 재실기간 내의 야간에만 사용되는 것으로 적용하였다.

23) 한국토지주택공사 토지주택연구원, 공동주택 바닥난방배관의 적정피치 산정 연구

- 39 -

실내 설정온도는 난방설비가 달성해야 할 실내 환경 조건으로, 실내온도는

개인적 특성에 따라 다르게 유지될 수 있으나 바닥 복사난방을 사용하는 서울

공동주택의 거실 온열환경과 거주자의 난방조절행위와 관련한 전정윤의 연

구24)를 참고하여 24.5℃을 적용하였다.

난방수요의 크기나 변화의 1차적 원인인 외기온도는 서울지역의 기상데이

터를 적용하였다. 한편, 대상 세대의 분석기간은 겨울철의 외기조건에 따른

난방성능 및 온열 쾌적, 그리고 난방에너지 소비 특성을 분석하기 위하여 외

기온도이 비교적 낮은 기간(-15℃~-2℃), 외기온도가 비교적 높은 기간(1.

1℃~17℃), 외기온도가 영상, 영하 모두 나타내는 기간(-4.4℃~5.7℃)의 데

이터를 분석하였다. 본 절에서 구축한 대상 세대의 내용은 <표 3.2>과 같다.

[그림 3.1] 분석대상 주거건물의 평면

24) 전정윤 외 2인, 2005, 공동주택 거실 온열 환경의 측정 및 거주자의 온도조절행위에 관한 연구,

대한건축학회 논문집, 21(8), pp.209-216.

- 40 -

구분 상세 내용

부하 특성현행 공동주택 부하가 감소한 공동주택

60 W/㎡ 20 W/㎡

세대 위치 중간층 중간세대

향 남향

면적 / 층고 전용면적 84㎡ / 층고 2.8m

외기조건 서울지역 표준 기상데이터

환기(침기)량 0.3 ACH

내부

발열

인체

현열 : 70W/인 (대류 0.4, 복사 0.6)

잠열 : 45W/인

활동 : 앉는 행위, 가벼운 작업

조명

현열 : 6.46W/㎡ (대류 0.28, 복사 0.72)

기기 기기발열 무시

설정실온 24.5℃

시뮬레이션 기간 1~3월, 11~12월 (총 5개월)

분석 기간

01/13-01/17 (외기온도가 비교적 낮은 기간)

03/02-03/06 (외기온도가 영상, 영하 모두 나타내는 기간)

03/27-03/31 (외기온도가 비교적 높은 기간)

<표 3.2> 분석 대상 세대의 조건

- 41 -

3.2.2. 대상 난방설비

지역난방열원을 이용하는 공동주택의 바닥 복사난방 시스템은 물리적 구성

인 난방패널과 공급온수온도 및 유량을 제어하는 난방제어로 나뉜다. 본 절에

서는 난방패널과 난방제어의 구성 및 설계요소의 설계 변수 값, 그리고 열매

의 조건을 구축하여 시뮬레이션을 위한 기본입력조건들을 설정하였다. 본 연

구의 대상 난방패널은 설계과정을 거치지 않고 관행적으로 적용되고 있는 난

방 패널, 그리고 ASHRAE Handbook에서 제시한 바닥 복사난방패널 설계방

법에 따라 부하가 감소한 공동주택의 난방부하에 대응하여 설계된 난방패널

이다. 난방제어는 현재 지역난방열원을 이용하는 국내 공동주택에서 관리자

에 의해 임의의 온수온도 설정 값이 적용되고 있는 일정온수온도제어 및 외기

보상제어, 그리고 난방특성에 대응하여 외기보상률이 조정된 외기보상제어를

대상으로 한다.

1) 난방패널

2장 문헌고찰을 통해 국내 공동주택의 패널 구성과 배관 직경 및 배관 간

격, 열매의 조건이 난방부하에 대응하여 설계되지 않고 시공자의 경험에 의해

관행적으로 적용되고 있음을 확인하였다. 본 논문에서는 이와 같이 관행적으

로 적용되고 있는 패널을 대상 기존 난방패널로 선정하였다. 또 부하가 감소

한 공동주택의 난방부하(20[W/㎡])에 대응하여 ASHRAE Handbook에서 제

시된 난방패널 설계 방법에 따라 설계 변수 값 및 열매의 조건을 설계한 난방

패널을 대상 난방패널 개선안으로 설정하였다.

난방패널의 구성은 국토교통부에서 층간 바닥충격음 차단을 위해 제시한

표준바닥구조 기준을 따랐으며 단면 상세 및 그 기준 값은 [그림 3.2]와 <표

3.3>과 같다.

- 42 -

설계된 난방패널은 감소한 부하에 대응하여 현재 적용되는 수준보다 방열

량이 감소되어야 하기 때문에, 온수온도 및 온수유량은 감소되어야 할 것이

다. 온수유량의 감소에 따른 배관 내 유속 감소를 방지하기 위하여 배관 직경

을 감소시켜야 하지만, 표준바닥구조기준에 따라 축열체의 두께를 감소시키

지 못하여 실내온도의 반응속도가 느려질 가능성이 있기 때문에 배관 직경은

기존의 공칭직경 15mm의 XL배관을 사용하였다. 또 온수온도가 감소함에 따

라 바닥표면의 수평온도차에 따른 온열쾌적 문제가 발생할 가능성이 있어, 배

관의 굴절부위 반경을 고려한 수준에서 배관 간격을 감소시켰다.

[그림 3.2] 표준바닥구조기준 1 단면 상세

구조 ① 콘크리트 슬래브 ② 완충재 ③ 경량기포콘크리트 ④ 마감 모르타르

벽식 및 혼합구조 210mm 이상

20mm 이상 40mm 이상 40mm 이상라멘구조 150mm 이상

무량판구조 180mm 이상

<표 3.3> 구조별 표준바닥구조 기준 1

- 43 -

2) 난방제어

2장 문헌고찰을 통해 지역난방열원을 이용하는 국내 공동주택에서 일정온

수온도제어와 외기보상제어를 적용하고 있고, 관리자의 경험에 의해 난방부

하에 근거하지 않은 온수온도를 공급하고 있는 현황을 확인하였다. 본 논문에

서는 이와 같이 설계과정 없이 경험적으로 적용되고 있는 일정온수온도제어

와 외기보상제어를 난방제어 분석대상으로 설정하였다. 또 부하가 감소한 공

동주택에서 난방부하에 대응하여 설계된 난방패널이 적용되었을 때, 난방 응

답특성에 따라 외기보상율이 조정된 외기보상제어를 난방제어 분석대상으로

설정하였다. 설계된 외기보상제어는 난방부하의 외란으로 작용할 수 있는 내

부발열, 일사의 효과를 배제하고 난방이 연속적으로 운전되는 조건에서 외기

보상율을 조정하여 설정온도를 달성하도록 설정된 외기보상제어를 말한다.

외기보상제어가 적용된 공동주택에서 외기보상율을 설정하는 방법은 부하

가 가장 큰 세대를 기준으로 외기보상율을 조정하는 것이 일반적이다. 일반적

인 방법으로 외기보상율을 적용한 경우, 부하가 작은 세대에서 필요 이상의

열량이 과다하게 공급되어 난방성능 저하 및 온열 불쾌적 그리고 비효율적 에

너지사용 등의 문제가 발생할 가능성이 있다. 이와 같이 최대 부하를 가진 세

대를 기준으로 외기보상율 적용 시 공동주택의 세대별 부하에 따른 난방특성

분석을 위해 최상층, 중간층, 최하층에 위치한 측세대 및 중간세대를 대상으

로 선정하였고, 각 세대의 난방부하를 EnergyPlus를 이용한 부하 시뮬레이션

을 수행하여 산출한 결과, <표 3.4>과 같이 나타났다.

세대 위치 부하 [W/㎡] 세대 위치 부하 [W/㎡]

최상층 측세대 22.3 최상층 중간세대 20.6

중간층 측세대 19.1 중간층 중간세대 17.4

최하층 측세대 19.5 최하층 중간세대 17.9

<표 3.4> 부하 산출 시뮬레이션 결과

- 44 -

부하 산출 시뮬레이션으로 얻은 결과를 통해, 가장 부하가 큰 최상층 측세

대와 가장 부하가 작은 중간층 중간세대를 시뮬레이션 모델링하여 최상층 측

세대를 기준으로 외기보상율을 적용할 경우와 개별 세대를 기준으로 외기보

상율을 적용하였을 경우의 난방운전특성을 비교분석하였다.

① 최상층 측세대 기준 외기보상율 적용 시 중간층 중간세대의 난방특성

외기온이 최저일 때(-15℃)와 최고일 때(24.5℃), 최상층 측세대의 실내

건구온도가, 설정온도인 24.5℃ 이상의 온도를 유지하는 최소한의 외기보

상율을 추정한 결과, <표 3.5>와 같은 온수온도가 적용되어 -0.43의 외기

보상율이 적용되었을 때 <그림 3.3>와 같이 모든 외기온의 구간에서 실내

건구온도가 24.5℃이상을 유지하는 것을 확인하였다.

[그림 3.3] 최상층 측세대 기준 외기보상율 추정

구분외기온도

-15.0℃ 24.5℃ RR

온수온도 43℃ 26.0℃ -0.43

<표 3.5> 최상층 측세대 기준 외기보상율 추정값

- 45 -

② 개별 세대 별 외기보상율 적용 시 중간층 중간세대의 난방특성

외기온이 최저일 때(-15℃)와 최고일 때(24.5℃), 중간층 중간세대의 실

내 건구온도가 설정온도인 24.5℃이상의 온도를 유지하는 최소한의 외기보

상율을 추정한 결과, <표 3.6>과 같은 온수온도가 적용되어 -0.44의 외기

보상율이 적용되었을 때 [그림 3.4]와 같이 모든 외기온의 구간에서 실내

건구온도가 24.5℃이상을 유지하는 것을 확인하였다.

[그림 3.4] 개별 세대(중간층 중간세대) 기준 외기보상율 추정

구분외기온도

-15.0℃ 24.5℃ RR

온수온도 43℃ 25.5℃ -0.44

<표 3.6> 개별 세대(중간층 중간세대) 기준 외기보상율 추정값

최상층 측세대 기준으로 외기보상율을 적용 경우와 개별 세대 별 외기보상

율을 적용한 경우의 실내온열환경 및 난방가동시간, 그리고 에너지사용량을

<표 3.7>, <표 3.8>에 정리하였다. 평균 실내온도 및 바닥표면온도는 0.1℃

미만의 오차, 설비의 가동시간 및 공급열량은 거의 같은 수준이며 설정온도

범위를 벗어나는 시간비율은 최대 1%의 오차로 무시할만한 수준이다.

- 46 -

결과적으로, 가장 부하가 큰 세대를 기준으로 외기보상율을 설정하여 제어

하여도 부하가 감소한 공동주택에서는 큰 문제가 발생하지 않음을 확인하였

다. 따라서 본 연구에서는 일반적인 상황의 분석을 위해, 부하가 가장 큰 최상

층 측세대를 기준으로 외기보상율을 조정하여 -0.430을 적용하였다.

분류

외기온에 따른 기간 분류

외기온도가

비교적 낮은 기간

(1/13~17)

외기온도가

평균 정도인 기간

(3/2~6)

외기온도가

비교적 높은 기간

(3/27~31)

실내온도

평균 실내온도 [℃] 25.0 24.9 25.4

설정온도의 상한을 초과하는

시간비율 [%]36.9 47.1 60.1

설정온도의 하한을 미달하는

시간비율 [%]5.3 4.2 2.4

바닥표면온도 평균 바닥표면온도 [℃] 28.1 26.9 26.9

설비 가동시간 [hr] 46 26 17

에너지 공급열량 [GJ] 75 35 19

<표 3.7> 최대부하 세대 기준 외기보상율 적용 시 중간층 중간세대의 난방특성

분류

외기온에 따른 기간 분류

외기온도가

비교적 낮은 기간

(1/13~17)

외기온도가

평균 정도인 기간

(3/2~6)

외기온도가

비교적 높은 기간

(3/27~31)

실내온도

평균 실내온도 [℃] 25.0 24.9 25.4

설정온도의 상한을 초과하는

시간비율 [%]36.8 47.0 59.0

설정온도의 하한을 미달하는

시간비율 [%]5.0 4.2 2.5

바닥표면온도 평균 바닥표면온도 [℃] 28.1 26.9 26.9

설비 가동시간 [hr] 46 27 18

에너지 공급열량 [GJ] 75 35 19

<표 3.8> 개별 세대 별 외기보상율 적용 시 중간층 중간세대의 난방특성

구분

상세 내용

관행 일정온수온도 제어미세조정과정을 거치지

않은 외기보상제어

미세조정과정으로 조정한

외기보상제어

외기온도-15.0℃ 60.0 60.0 43.0

24.5℃ 60.0 25.5 26.0

RR - -0.873 -0.430

<표 3.10> 분석 대상 제어방식

- 47 -

최종적으로 본 연구에서 분석 대상으로 구축한 난방패널 및 난방제어의 변

수 값은 <표 3.9>, <표 3.10>와 같다.

구분 상세 내용

난방패널설계과정을 거치지 않고

관행적으로 적용되는 패널

부하가 감소한 공동주택의

면적당 난방부하(20W/㎡)에

대응설계한 패널

열원

용량(kW) 29 2.2

공급 온수온도(℃) 60~70 41

공급 온수유량(LPM) 9~14 3.6

패널

배관 간격

(mm)

거실/ 식당 250 180

침실 1 230 180

침실 2 230 180

침실 3 230 180

배관 길이

(m)

거실/ 식당 236 327

침실 1 54 69

침실 2 54 69

침실 3 98 126

공급 유량

(LPM)

거실/ 식당 7.1 2.0

침실 1 1.5 0.4

침실 2 1.5 0.4

침실 3 2.7 0.8

계 12.8 3.6

<표 3.9> 분석 대상 난방패널

- 48 -

3.3 평가 방법 구축

본 절에서는 난방성능 및 온열쾌적과 에너지 사용상의 문제점 판단과 부하

가 감소한 공동주택에서의 적절한 난방운전을 위한 난방패널 및 난방제어의

적용 방향 도출시 기준으로 활용하기 위한 평가 방법을 구축하였다.

3.3.1. 난방성능

난방설비의 기본적인 성능은 실내온도가 설정 온도를 달성하고 유지하는

능력이라고 할 수 있다. 실에 난방부하보다 큰 열량이 난방설비로부터 공급되

면 실내온도는 설정한 온도 범위를 초과할 것이고, 난방설비로부터 난방부하

보다 작은 열량이 공급되면 실내온도는 설정한 온도 범위를 미달할 것이다.

본 연구의 설정온도는 24.5℃이고, ±0.5℃의 제어편차를 적용하여 실내온도

가 24.0℃를 미달할 경우 난방이 가동되고, 25.0℃를 초과할 경우 난방이 중

단된다. 종합하면, 난방성능의 평가를 위해 실내온도의 설정온도(24.5℃) 달

성 여부와 실내온도의 설정온도 범위(24.0℃~25.0℃) 유지 능력을 평가한다.

3.3.2. 온열쾌적

실내 온열쾌적을 평가하는 대표적인 지표로 실내온도와 바닥표면온도를 선

정하였다. 본 절에서는 실내온도와 바닥표면온도의 쾌적온도 범위를 파악하

기 위해 연구문헌 조사를 실시하였다.

착의량에 따른 실온 열쾌적 범위에 대한 윤종호의 연구25)에 따르면 우리나

라 평균 착의량인 0.52clo의 조건에서 PMV 계산 결과, 실온 최적온도는 2

5℃이며, 쾌적 범위는 23.4℃~26.5℃인 것으로 나타났다. 바닥표면온도 쾌적

범위와 관련한 문헌들을 종합한 Zhang26)의 연구에 따르면 거주자 쾌적을 위

25) 윤종호 외 4인, 2009, 착의량별 실내설정온도에 따른 난방에너지 및 온실가스 저감량 산정 연구,

한국태양에너지학회 춘계학술발표대회 논문집, 29(1), pp.115-120.

- 49 -

한 바닥 표면온도의 범위를 26~30℃로 제안하였다. 바닥 온도에 따른 피부

온도와 혈류량을 측정한 Song의 연구27)에서는 실내 온도 20℃의 조건에서

27℃~33℃의 바닥 표면온도를 권장하며, 바닥의 온도가 생물의 생리에 미치

는 영향에 관한 송국섭의 연구28)에서는 실내온도 23℃의 조건에서 바닥 표면

온도 35℃까지 생물학적 문제가 없는 것으로 연구되었다. 본 연구의 대상 바

닥구조는 현재 일반적인 공동주택의 바닥구조인 콘크리트구조이며, 설정온도

는 24.5℃이다. 고찰 내용을 종합하여 콘크리트구조인 주거건물에서 바닥온

도 쾌적의 최저온도인 26℃부터 생물의 생리적 문제가 발생하지 않는 표면온

도의 최대 한계인 35℃까지를 쾌적한 바닥표면온도 범위로 설정하였다.

3.3.3. 난방에너지

설정온도를 달성하기 위해 공급된 열량을 난방에너지 소비량으로 볼 수 있

다. 따라서 세대에 공급된 열량을 기준으로 난방에너지 소비량을 평가하였다.

이상의 난방성능, 온열쾌적, 난방에너지의 평가 방법을 <표 3.11>에 구축하였다.

평가 항목 평가 방법

난방성능설정온도 달성 평균 실내온도의 설정온도(24.5℃) 달성 여부 판단

설정온도 유지 실내온도의 설정온도 범위(24.0℃~25.0℃) 외 시간비율 분석

온열쾌적

실내온도

분포

평균 실내온도의 쾌적 실내온도 범위(23.4℃~26.5℃) 내 달성여부 판단

실내온도의 쾌적 범위(23.4℃~26.5℃) 외 시간비율 분석

바닥표면온도

분포

평균 바닥표면온도의 쾌적 바닥표면온도 범위(26℃~35℃) 달성 여부 판단

바닥표면온도의 쾌적 범위(26℃~35℃) 외 시간비율 분석

난방에너지 공급된 열량

<표 3.11> 평가 항목

26) Zhang, L. el, 1998, A Proposal of Optimal Floor Surface Temperature Based on Survey of

Literatures Related to Floor Heating Environment in Japan, Applied Human Science, 17(2),

pp. 61-66.

27) Song, G. S., 2008, Effect of floor surface temperature on blood flow and skin temperature

in the foot, Indoor Air, 18(6), pp. 511-520.

28) 송국섭 외 2인, 2011, 바닥의 온도가 심부온도, 피부온도, 혈류량에 미치는 영향, 한국생활환경학

회지, 18(1), pp. 67-74.

- 50 -

3.4 소결

본 장에서는 설계과정을 거치지 않고 관행적으로 적용된 난방패널 및 난방

제어가 적용된 공동주택의 난방부하가 현재보다 감소하였을 때, 발생 할 수

있는 문제점을 분석하고 난방부하가 감소한 공동주택에서 적절한 난방운전을

위한 난방패널 및 난방제어의 적용 방향을 분석하기 위한 기초자료로 분석 대

상 세대 및 난방설비와 시뮬레이션 결과의 평가 체계를 구축하였다.

본 장의 내용을 요약하면 다음과 같다.

1) 본 연구의 분석대상 공동주택은 현행의 열 관류율 기준을 충족하며,

2015년 허가를 득한 판상형 공동주택, 그리고 이와 같은 평면 및 건물

구성을 가진 공동주택에서 S공사에서 건축을 추진하고 있는 저부하 공

동주택의 열 물성을 참조하여 단열성능을 수정한 공동주택이다. 난방

부하에 영향을 미치는 인자들 중 도입외기는 현행 공동주택의 실제 데

이터를 분석한 연구를 참조하여 0.3ACH를 적용하였고, 거주자의 재실

기간에 따른 내부발열 스케줄을 적용하였다. 실내 설정온도는 관련문

헌을 참고하여 24.5℃로 설정하였고, 외기온도 서울지역 기상데이터를

적용하였다. 본 연구에서는 분석의 편의를 위하여 실내 발열, 거주자의

행위, 외출 스케줄, 거주특성 등 불확실한 변수들을 일반적인 값으로

설정하였다. 이러한 변수들의 불확실성에 의해 실제 현실상황과 난방

부하 및 분석의 결과가 변화할 수 있다는 한계를 명시한다.

2) 난방설비의 요소를 난방패널과 난방제어로 분류하였고, 2장에서의 관

련문헌고찰을 통해 파악한 난방부하에 대응하여 설계되지 않고 시공자

의 경험에 의해 관행적으로 적용되고 있는 난방패널 및 난방제어의 설

계 변수 값을 현재 관행적으로 적용되고 있는 난방패널의 변수 값으로

- 51 -

설정하였다. 또 ASHRAE Handbook에서 제시된 난방패널 설계 방법

에 따라 부하가 감소한 공동주택의 부하에 대응하여 난방패널의 설계

변수 값 및 열매의 조건을 설계하였다. 이 때 기준이 되는 실내외 기

온은 건축물의 에너지절약 설계 기준에서 제시한 냉난방설비의 용량계

산을 위한 실내 온도 기준 및 설계 외기온 기준을 적용하였다. 외기보

상제어 설계 시 외기보상율 추정을 위한 기준세대 선정과 관련한 고찰

을 시뮬레이션을 통하여 진행한 결과. 부하가 가장 큰 세대를 기준으

로 외기보상율을 설정하여도 부하가 감소한 공동주택에서는 큰 문제가

발생하지 않음을 확인하였다. 본 연구에서는 일반적인 상황의 분석을

위해 난방특성에 따라 조정된 외기보상제어의 외기보상율을 부하가 가

장 큰 최상층 측세대를 기준으로 조정하여 -0.430을 적용하였다.

3) 난방성능 및 온열쾌적과 에너지 사용상의 문제점 판단과 부하가 감소

한 공동주택에서의 적절한 난방운전을 위한 난방패널과 난방제어의 적

용 방향 도출 시 평가 기준이 되는 항목으로써 난방성능, 온열쾌적, 난

방에너지를 선정하였다. 난방성능을 평가하기 위하여 실내온도의 설정

온도(24.5℃) 달성 여부 및 설정온도 범위(24.0℃~25.0℃) 내 유지 능

력을 평가항목으로 선정하였다. 실내 온열쾌적을 평가하는 대표적인

지표로 실내온도와 바닥표면온도를 선정하였고, 관련문헌 고찰을 통해

실내온도 쾌적의 범위를 23.4℃~26.5℃, 바닥표면온도 쾌적의 범위를

26℃~35℃로 설정하였다. 실내온도 및 바닥표면온도의 평가 방법으로

각 지표의 평균 온도가 쾌적 온도를 달성하는 여부를 판단하고자 하였

고, 또 시 계열 데이터를 분석하여 쾌적 온도 범위 외에 있는 시간비

율을 분석하고자 한다. 난방에너지의 평가를 위해 세대에 공급된 열량

을 분석하여 대안별 난방에너지 소비량을 분석하고자 한다.

- 52 -

제 4 장 부하가 작은 공동주택의 난방설비 개선안 도출

및 평가

4.1 개요

본 장에서는 제 3장에서 구축한 평가 방법을 바탕으로 부하가 작은 공동주

택에서, 설계과정을 거치지 않고 경험적으로 적용된 난방패널 및 난방제어 에

의한 난방상의 문제점을 분석하였다. 그 후 부하가 작은 공동주택에서의 난방

패널의 개선방안을 도출하고 평가하였으며, 개선된 난방패널이 적용된 공동

주택에서 난방제어의 개선안을 도출하였다. 이와 같이 도출된 난방패널 및 난

방제어의 개선안이 부하가 작은 공동주택에 적용되었을 때의 난방성능 및 온

열쾌적, 에너지 사용량을 평가하였고, 완화되지 않은 문제의 보완을 진행하였

다. 분석 방법으로는 부하 및 에너지 소비량 분석이 가능하고 설비 제어에 용

이하며, 난방특성을 시 계열 데이터로 분석이 가능한 시뮬레이션 툴 중 상용

프로그램인 Energyplus를 활용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

4.2 난방패널 및 제어의 관행적 적용에 따른 문제점 분석

제 2장에서 고찰한 내용에 따르면 국내 공동주택에 적용되고 있는 난방패

널의 구성 및 설계변수는 거의 변화 없이 경험적으로 적용되고 있으며, 난방

제어 또한 부하에 대응하여 조정되지 않고 관리자의 판단으로 온수온도를 설

정하므로 난방부하 이상의 열량이 공급되고 있는 실태이다. 본 절에서는 외피

성능의 강화에 따라 현재보다 부하가 감소하였을 때, 지금과 같이 관행적인

난방패널 및 난방제어가 적용되어 필요 이상의 열량이 공급될 경우 발생할 수

있는 문제점을 파악하기 위해 현행의 공동주택(60W/㎡)과 부하가 감소한 공

동주택(20W/㎡)의 난방성능 및 온열쾌적을 분석하였다.

- 53 -

4.2.1. 설계 과정을 거치지 않은 난방패널 및 일정온수온도제어

본 절에서는 부하에 대응하여 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 일정온

수온도제어가 적용된 공동주택에서 부하의 크기에 따른 난방특성 분석을 위

해 현행 공동주택과 부하가 작은 공동주택의 중간층 중간세대에서 난방성능

및 온열쾌적을 분석하였다. 현행 공동주택과 부하가 작은 공동주택에 설계과

정을 거치지 않은 난방패널과 일정온수온도제어가 적용되었을 때의 난방운전

특성을 분석하면 [그림 4.1], [그림 4.2]와 같으며, 이와 관련한 상세 값을 부

록 A <표 A.1>에 제시하였다. 외기온도가 가장 낮은 날을 중심으로 5일간 연

속운전 중의 난방운전 특성은 [그림 4.3]과 같다.

현행 공동주택보다 부하가 작은 공동주택의 평균 실내온도가 더 높았고, 실

내온도가 제어 밴드의 상부 온도(25.0℃)를 초과하는 Over Shoot의 시간비

율이 더 큰 것으로 확인하였다. 이는 난방설비에서 동일한 열량이 두 공동주

택에 공급되었을 때 비교적 부하가 작은 공동주택에서 손실되는 열량이 더 작

기 때문에 실내에 공급되는 순(net) 열량이 더 커, 실내온도가 빠르게 상승하

고 천천히 하강함에 따른 결과로 판단하였다.

또한, 현행 공동주택보다 부하가 작은 공동주택의 실내온도가 전체적으로

상승하게 되어 실내온도가 쾌적 범위의 상한 온도(26.5℃)를 초과하는 시간비

율이 더 큰 것으로 확인되었다. 이러한 부하가 작은 공동주택에서의 실내 과

열에 따른 온열환경 불쾌적은 거주자의 창문 개방 등의 실내 열 손실 행위를

유도하게 되고, 이에 따른 손실 열량은 불필요한 난방에너지 소모로 이어질

수 있다. 본 연구의 대상인 부하가 작은 공동주택은 면적당 난방부하 20W/㎡

로, 이보다 더 작은 부하를 가진 공동주택에 이와 같이 설계과정을 거치지 않

고 경험적으로 난방설비가 적용될 경우, 문제는 더욱 커질 것이다.

- 54 -

한편, 현행 공동주택보다 부하가 작은 공동주택의 실내온도가 제어 밴드의

하부 온도(24.0℃)를 미달하는 Under shoot의 시간비율이 더 작았는데, 실내

온도가 제어 밴드의 하부 온도(24.0℃) 에 도달하여 Under shoot가 시작되는

시점에 난방이 가동되기 시작한다. 부하에 대응하여 설계과정을 거치지 않고

경험적으로 적용된 설비가 부하가 감소한 공동주택에 적용된 경우, 난방이 가

동되는 시점에 난방부하보다 훨씬 큰 열량이 순간적으로 공급됨에 따라 실내

온도가 빠르게 상승하였기 때문에, Under shoot의 시간비율이 더 작은 것으

로 판단하였다. 이와 같은 판단은 [그림 4.3]에서 난방설비가 On되었을 때

실내온도가 급격하게 상승하고, 순식간에 제어 밴드의 상부 온도(25.0℃)에

도달하여 난방설비가 Off되는 난방설비의 거동으로 뒷받침된다. 이와 같이 설

계과정을 거치지 않고 경험적으로 적용된 난방설비가 적용된 경우, 공동주택

의 난방부하가 더 작을수록, 1회 가동 시의 연속 가동 시간이 더 짧아지게 될

것으로 예상된다.

모든 외기온도 기간에서 현행 공동주택보다 부하가 작은 공동주택의 평균

바닥표면온도가 낮은 것으로 나타났다. 또, 부하가 작은 공동주택에서 바닥표

면의 온도가 낮아 불쾌적함을 보였는데, 특히 외기온도가 비교적 높은 기간

(3/27~31)에 바닥표면의 쾌적온도 범위의 하한을 미달하는 시간의 비율이

훨씬 더 큰 것을 확인하였다. 이는 부하가 작은 공동주택의 실내온도가 상승

하여 난방설비 가동 횟수 및 가동 시간이 현행 공동주택보다 짧아짐에 따라

열량이 바닥 구조체에 매우 간헐적으로 공급되어 바닥표면온도가 감소한 것

으로 판단하였다. 이를 통해 난방부하보다 많은 열량을 공급할수록 평균 바닥

표면온도가 감소할 가능성이 있음을 알 수 있었다. 좌식 생활습관이 있는 국

내의 상황에서는 바닥표면온도의 불쾌적이 매우 큰 문제라고 볼 수 있다.

- 55 -

[그림 4.1] 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 일정온수온도제어 적용 시공동주택의 부하별 난방성능 평가

[그림 4.2] 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 일정온수온도제어 적용 시공동주택의 부하별 온열쾌적 평가

- 5

6 -

[그림4.3]설계과정을거치지않은난방패널및일정온수온도제어적용시공동주택의부하별난방운전특성(1월13일~17일)

- 57 -

4.2.2. 설계 과정을 거치지 않은 난방패널 및 외기보상제어

본 절에서는 부하에 대응하여 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 외기보

상제어가 적용된 공동주택에서 부하의 크기에 따른 난방특성 분석을 위해 현

행 공동주택과 부하가 작은 공동주택의 중간층 중간세대에서 난방성능 및 온

열쾌적을 분석 하였다. 현행 공동주택과 부하가 작은 공동주택에 설계과정을

거치지 않은 난방패널과 외기보상제어가 적용되었을 때의 난방운전 특성을

분석하면 [그림 4.4], [그림 4.5]와 같으며, 이와 관련한 상세 값을 부록 A

<표 A.2>에 제시하였다. 외기온도가 가장 낮은 날을 중심으로 5일간 연속운

전 중의 난방운전 특성은 [그림 4.6]과 같다.

앞선 4.2.1절에서 분석한, 설계과정을 거치지 않은 난방패널과 일정온수온

도제어가 적용된 공동주택에서의 난방운전 특성과 비슷한 경향을 보였다. 현

행 공동주택보다 부하가 작은 공동주택에서 평균 실내온도가 더 높았고, 실내

온도가 제어 밴드의 상부 온도(25.0℃)를 초과하는 Over shoot의 시간비율이

더 큰 것으로 확인되어 전반적으로 실내온도가 상승하는 경향을 확인하였다.

이에 따라 부하가 감소한 공동주택의 실내온도가 쾌적 범위의 상한 온도(26.

5℃)를 초과하는 시간비율이 더 큰 것으로 나타나 실온 불쾌적 구간이 증가함

을 확인하였다.

현행 공동주택보다 부하가 작은 공동주택의 실내온도가 제어 밴드의 하부

온도(24.0℃)를 미달하는 Under shoot의 시간비율이 더 작았다. [그림 4.6]

에서와 같이 실내온도가 제어 밴드의 하부 온도(24.0℃)까지 감소하여 Under

shoot가 시작되는 시점에 난방설비가 On되고, 그 후 실내온도가 급격하게 상

승하여 제어 밴드의 상부 온도(25.0℃)에 도달 하여 난방설비가 Off되는, 짧

은 가동-정지의 운전특성을 보였다.

- 58 -

모든 외기온도 기간에서 현행 공동주택보다 부하가 작은 공동주택의 평균

바닥표면온도가 낮았다. 이는 부하가 작은 공동주택의 실내온도가 상승하여

난방설비 가동 횟수 및 가동 시간이 현행 공동주택보다 짧아짐에 따라 열량이

바닥 구조체에 매우 간헐적으로 공급됨에 따른 결과로 판단하였다. 또, 부하

가 작은 공동주택의 바닥 표면온도가 쾌적온도 범위의 하한(26℃)을 미달하

는 시간 비율이 더욱 큰 것으로 나타나 더욱 불쾌적함을 확인하였다.

한편, 외기온도가 비교적 높은 기간(3/27~31)에 바닥 표면온도의 불쾌적한

정도가 앞선 4.2.1절에서 분석한 일정온수온도제어를 적용한 경우보다 더 큰

폭으로 증가함을 확인하였는데, 이는 관리자의 경험 및 판단에 따른 외기보상

율이 설정됨에 따라 외기온이 높은 지점에 대응하는 공급온수온도가 잘못 설

정되었음을 추정할 수 있다.

[그림 4.4] 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 외기보상제어 적용 시공동주택의 부하별 난방성능 평가

- 59 -

[그림 4.5] 설계과정을 거치지 않은 난방패널 및 외기보상제어 적용 시공동주택의 부하별 온열쾌적 평가

- 6

0 -

[그림4.6]설계과정을거치지않은난방패널및외기보상제어적용시공동주택의부하별난방운전특성(1월

13일~17일)

- 61 -

4.2.1-4.2.2절에서는 외피성능 강화에 따라 현재보다 부하가 감소하였을

때, 지금과 같이 설계과정을 거치지 않은 관행적인 난방패널 및 난방제어가

적용되어 필요 이상의 열량이 공급될 경우 발생 가능성이 있는 난방성능 및

온열쾌적 그리고 에너지관점의 문제점을 분석하였다.

설계 과정을 거치지 않은 난방패널 및 난방제어가 적용된 경우, 현재보다

난방부하가 감소한 공동주택의 평균 실내온도가 난방성능의 평가지표인 설정

온도를 달성하였지만 난방부하보다 더 큰 열량이 공급됨에 따라 모든 외기온

도 기간에서 실내온도가 증가하였고, 실내온도의 Fluctuation이 증가함에 따

라 실내온도가 제어 밴드 바깥에서 거동하는 시간비율 또한 증가하여 설정온

도 범위 유지가 어려워졌다.

부하가 감소한 공동주택에서, 평균 실내온도는 쾌적 범위(23.4℃~26.5℃)

내에 있지만 실내온도의 시 계열 데이터를 분석한 결과, 실내온도 쾌적 범위

의 상한(26.5℃)을 초과하는 시간비율이 증가하는 것으로 나타나 불쾌적 구간

이 증가함을 확인하였다. 이와 같은 실내온도의 과열에 따른 불쾌적의 발생은

거주자의 창문 개방과 같은 실내 열 손실 행위를 유도하게 되고, 이는 불필요

한 에너지 낭비로 이어질 가능성이 있다.

부하가 감소한 공동주택의 난방부하보다 난방설비가 공급하는 열량이 과도

하게 큼에 따라 Under shoot 시간 비율이 감소하고 Over shoot 시간 비율이

증가하여 난방설비의 가동시간이 감소함을 알 수 있었다. 이에 따라 평균 바

닥표면온도가 감소하고, 바닥표면온도가 쾌적 범위의 하한을 미달하는 시간

비율이 증가하는 것으로 나타나 불쾌적 구간이 증가함을 확인하였다.

현재 분석한 부하가 작은 공동주택의 난방부하는 20W/㎡ 으로, 평균 바닥

표면온도가 쾌적 범위 내에서 거동하였지만 이보다 부하가 더 작은 공동주택

일수록 바닥표면온도가 더 감소하여, 불쾌적 구간이 증가할 것으로 예상된다.

- 62 -

4.3 난방패널의 개선방안 도출 및 평가

부하가 작은 공동주택에서의 난방패널 개선방안으로 ASHRAE Handbook

에서 제시된 난방패널 설계 방법에 따라, 부하가 작은 공동주택의 면적당 난

방부하 20W/㎡에 대응하여 설계 변수 값 및 열매의 조건을 조정한 난방패널

을 설계하였다. 설계된 난방패널의 구성은 국토교통부에서 층간 바닥충격음

차단을 위해 제시한 표준바닥구조 기준을 따랐으며 배관 직경 및 배관 간격은

현재 일반적으로 적용되는 수준에서 소폭 조정하여 선정하였다. 이에 따라 배

관 직경은 공칭직경 15mm의 XL배관을 적용하였고 배관 간격은 바닥 표면온

도의 수평온도차에 따른 온열쾌적과 배관의 굴절부위 반경을 고려하여 선정

하였다. 이러한 과정의 설계를 통해 개선된 난방패널의 적용 여부에 따른 난

방성능 및 온열쾌적, 에너지사용량의 개선정도를 분석하였다. 개선된 난방패

널의 설계 변수 값은 <표 3.8>과 같다.

4.3.1. 개선된 난방패널과 일정온수온도제어

본 절에서는 난방패널 및 일정온수온도제어가 적용된 부하가 작은 공동주

택에서 난방패널의 설계 여부에 따른 난방특성 분석을 위해 설계 과정을 거치

지 않은 난방패널과 설계를 통해 개선된 난방패널이 각각 적용된 부하가 작은

공동주택의 중간층 중간세대에서 난방성능 및 온열쾌적과 에너지 사용량을

분석 하였다.

난방패널 및 일정온수온도제어가 적용된 부하가 작은 공동주택에서 난방패

널의 설계 여부에 따른 난방운전 특성을 분석하면 [그림 4.7], [그림 4.8],

[그림 4.9], [그림 4.10]과 같으며, 이와 관련한 상세 값을 부록 A <표 A.3>

에 제시하였다. 외기온도가 가장 낮은 날을 중심으로 5일간 연속운전 중의 난

방운전 특성은 [그림 4.11]과 같다.

- 63 -

설계 과정을 거치지 않은 난방패널을 적용한 부하가 작은 공동주택보다 부

하에 대응하여 설계된 난방패널을 적용한 부하가 작은 공동주택에서 평균 실

내온도가 더 낮았지만, 난방설정온도를 달성하는 수준의 온도이므로 난방성

능상의 문제는 없었다. 또 설계된 난방패널을 적용한 경우의 실내온도가 제어

밴드의 상부 온도(25.0℃)를 초과하는 Over shoot의 시간비율이 더 작은 것

으로 확인되었다. 이와 같이 실내온도가 제어 밴드의 하부 온도(24.0℃) 에

도달하여 Under shoot가 시작되는 시점에 난방이 가동되기 시작하여, 난방부

하에 대응한 열량이 공급됨에 따라 실내 온도가 비교적 천천히 상승하여 제어

밴드의 상부 온도(25.0℃)에 도달한 후 난방이 정지되었기 때문에 설정온도

범위 유지 성능이 향상된 것으로 판단된다. 실내온도의 설정온도 범위 유지

성능이 좋아짐에 따라 실내온도가 난방설비의 가동 범위 내에서 거동하는 시

간이 증가하여 난방설비의 가동 시간 또한 증가함을 확인하였다.

부하에 대응하여 설계된 난방패널을 적용한 경우의 실내온도가 실내온도

쾌적범위의 상한 온도(26.5℃)를 초과하는 시간비율이 더 작은 것을 시 계열

데이터 분석을 통해 알 수 있었다. 이에 따라 설계 과정을 거치지 않은 난방

패널 적용 시 발생하였던 실내 과열 문제가 완화되어, 거주자의 창문 개방 등

과 같은 난방 에너지 손실 행위에 대한 가능성이 감소한 것으로 판단하였다.

부하가 감소한 공동주택에서 난방부하에 대응하여 설계된 난방패널을 적용

한 경우에, 평균 바닥표면온도는 더 낮았지만 쾌적범위(26℃~35℃) 내에서

거동하고 있었다. 설계된 난방패널을 적용한 경우의 바닥표면온도에 대한 시

계열 데이터 분석 결과, 외기온도가 비교적 낮은 기간(1/13~17)과 외기온도

가 평균 정도인 기간(3/2~6)에서는 설계과정을 거치지 않은 패널을 적용한

경우보다 더 쾌적한 것으로 나타났으나 외기온도가 높은 기간(3/27~31)에서

는 불쾌적 한 것으로 나타나 바닥표면온도의 쾌적에 대한 문제가 완화되지 않

- 64 -

은 것으로 판단하였다. 이는 아래 식 19와 같이 바닥 구조체에서 바닥 표면으

로의 열 전달량()과 바닥 패널의 총 방열량(), 공간의 부하

()가 동일한 크기로 평형을 이루어 실내 설정온도를 유지하도록 난방

패널을 설계하였으나, 공동주택의 난방부하 감소에 따른 난방패널의 총 방열

량 감소는 식 20에서 바닥표면온도와 실내 설정온도의 차이()를

감소하게 하였고, 이에 따라 바닥표면온도가 감소한 것으로 판단된다. 추후,

방열량 감소로 인한 바닥표면온도 하강에 대한 보완방안이 제시되어야 한다.

또 공급열량을 통해 파악한 에너지 사용량 분석 결과, 설계 과정을 거치지

않은 난방패널을 적용한 경우에는 한 번에 큰 열량을 짧게 공급하고, 부하에

대응하여 설계된 난방패널을 적용한 경우에는 작은 열량을 비교적 긴 시간동

안 공급하고 있었다. 이 때 긴 시간동안 작은 열량을 공급한 설계된 난방패널

의 경우가 더 적은 에너지를 사용한 것으로 확인되었다.

식 (19)

×× 식 (20)

여기서,

바닥 구조체에서 바닥 표면으로의 열 전달량, W

바닥 패널의 총 방열량, W

공간의 부하, W

표면 열전달 계수, W/㎡℃

방열면적, ㎡

바닥 표면온도, ℃

실내 설정온도, ℃

- 65 -

[그림 4.7] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의난방성능 평가 (일정온수온도제어 적용 시)

[그림 4.8] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의온열쾌적 평가 (일정온수온도제어 적용 시)

- 66 -

[그림 4.9] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의에너지 사용량 평가 (일정온수온도제어 적용 시)

[그림 4.10] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의에너지 사용량 분석 (일정온수온도제어 적용 시)

- 6

7 -

[그림4.11]난방패널의설계여부에따른부하가작은공동주택의난방운전특성(1월13일~17일)

- 68 -

4.3.2. 개선된 난방패널과 관행의 커브가 설정된 외기보상제어

본 절에서는 난방패널 및 미세조정과정을 거치지 않은 관행의 커브가 설정

된 외기보상제어가 적용된 부하가 작은 공동주택에서 난방패널의 설계 여부

에 따른 난방특성 분석을 위해 설계 과정을 거치지 않은 난방패널과 설계를

통해 개선된 난방패널이 각각 적용된 부하가 작은 공동주택의 중간층 중간세

대에서 난방성능 및 온열쾌적과 에너지 사용량을 분석 하였다.

난방패널 및 관행의 커브가 설정된 외기보상제어가 적용된 부하가 작은 공

동주택에서 난방패널의 설계 여부에 따른 난방운전 특성을 분석하면 [그림

4.12], [그림 4.13], [그림 4.14], [그림 4.15]와 같으며, 이와 관련한 상세

값을 부록 A <표 A.4>에 제시하였다. 외기온도가 가장 낮은 날을 중심으로 5

일간 연속운전 중의 난방운전 특성은 [그림 4.16]과 같다.

앞선 4.3.1절에서 분석한, 개선된 난방패널과 일정온수온도제어가 적용된

공동주택에서의 난방운전 특성과 비슷한 경향을 보였다. 설계 과정을 거치지

않은 난방패널을 적용한 부하가 작은 공동주택보다 부하에 대응하여 설계된

난방패널을 적용한 부하가 작은 공동주택에서 평균 실내온도가 더 낮았지만,

난방설정온도를 달성하는 수준의 온도이므로 난방성능상의 문제는 없었다.

또 설계된 난방패널을 적용한 경우의 실내온도가 제어 밴드의 상부 온도(25.

0℃)를 초과하는 Over shoot의 시간비율이 더 작은 것으로 확인되었다. 여기

서 실내온도의 설정온도 유지와 관련한 문제가 완화됨을 확인하였고, 실내온

도의 설정온도 범위 유지 성능이 좋아짐에 따라 실내온도가 난방설비의 가동

범위 내에서 거동하는 시간이 증가하여 난방설비의 가동 시간 또한 증가함을

확인하였다.

- 69 -

설계 과정을 거치지 않은 난방패널을 적용한 부하가 작은 공동주택 보다 부

하에 대응하여 설계된 난방패널을 적용한 부하가 작은 공동주택의 실내온도

분포가 실내온도 쾌적범위의 상한 온도(26.5℃)를 초과하는 시간비율이 더 작

은 것으로 확인되어, 설계 과정을 거치지 않은 난방패널 적용 시 발생하였던

실내 과열문제의 발생이 모든 외기온도 기간에서 감소함을 확인하였다.

부하가 감소한 공동주택에서 난방부하에 대응하여 설계된 난방패널를 적용

한 경우에, 평균 바닥표면온도는 더 낮았지만 쾌적범위(26℃~35℃) 내에서

거동하고 있었다. 설계된 난방패널을 적용한 경우의 바닥표면온도에 대한 시

계열 데이터 분석 결과, 외기온도가 비교적 낮은 기간(1/13~17)과 외기온도

가 평균 정도인 기간(3/2~6)에서는 설계과정을 거치지 않은 패널을 적용한

경우보다 더 쾌적한 것으로 나타났으나 외기온도가 높은 기간(3/27~31)에서

는 더 불쾌적 한 것으로 나타나 바닥표면온도의 쾌적에 대한 문제가 완화되지

않은 것으로 판단하였다. 이는 앞선 절에서 서술한 것과 같이 패널의 방열량

감소로 인하여 바닥표면온도와 실내 설정온도의 차이가 감소하여 바닥표면온

도에 영향을 미친 것, 그리고 외기보상율이 조정되지 않고 관행적으로 설정된

외기보상제어를 적용하면서, 적절하지 못한 외기보상율이 설정됨에 따라 외

기온이 높은 지점에 대응하는 공급온수온도가 잘못 설정되어 바닥표면온도가

감소한 것으로 추정할 수 있다.

공급열량을 통해 파악한 에너지 사용량 분석 결과, 한 번에 큰 열량을 짧은

시간동안 공급하는 설계 과정을 거치지 않은 난방패널보다 비교적 작은 열량

을 긴 시간동안 공급하는 부하에 대응하여 설계된 난방패널의 경우가 더 적은

에너지를 사용한 것으로 확인하였다.

- 70 -

[그림 4.12] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의난방성능 평가 (미세조정과정을 거치지 않은 외기보상제어 적용 시)

[그림 4.13] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의온열쾌적 평가 (미세조정과정을 거치지 않은 외기보상제어 적용 시)

- 71 -

[그림 4.14] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의에너지 사용량 평가 (미세조정과정을 거치지 않은 외기보상제어 적용 시)

[그림 4.15] 난방패널의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의에너지 사용량 분석 (미세조정과정을 거치지 않은 외기보상제어 적용 시)

- 7

2 -

[그림4.16]난방패널의설계여부에따른부하가작은공동주택의난방운전특성(1월

13일~17일)

- 73 -

4.3.1-4.3.2절에서는 난방특성에 따라 조정되지 않은 관행의 난방제어방식

이 적용된 부하가 작은 공동주택에서, 난방패널의 설계 여부에 따른 난방특성

을 분석하여 설계과정을 거치지 않은 난방패널 적용 시 예상하였던 난방성능

및 온열쾌적 문제가 완화되었는지를 판단하고 에너지 소비량을 분석 하였다.

부하가 작은 공동주택에서 설계 과정을 거치지 않은 난방패널을 적용한 경

우보다 부하에 대응하여 설계한 난방패널을 적용한 경우의 평균 실내온도가

모든 외기온도 기간에서 감소하였지만 난방성능의 평가기준인 설정온도를 달

성하는 수준이었다. 또, 실내온도가 제어 밴드 바깥에서 거동하는 시간비율이

감소하여 난방설비의 설정온도 범위 유지 성능이 향상됨을 확인하였고, 이에

따라 난방설비의 가동시간이 증가함을 알 수 있었다.

또 설계한 난방패널을 적용한 경우의 평균 실내온도는 쾌적범위(23.

4℃~26.5℃) 내에 있는 것으로 확인되었으며, 실내온도의 시 계열 데이터를

분석한 결과, 실내온도 쾌적범위의 상한(26.5℃)을 초과하는 시간비율이 감소

하여 실내온도의 과열에 따른 불쾌적 구간이 감소함을 확인하였다.

난방부하에 대응하여 설계한 난방패널을 적용한 경우의 평균 바닥표면온도

는 쾌적범위(26.0℃~35.0℃) 내에 있었고, 바닥표면온도 분포가 대부분의 외

기온도 조건 기간에서 더 쾌적한 것으로 나타났다. 하지만 외기온도가 높은

기간(3/27~31) 에서는 설계한 난방패널을 적용한 경우가 더 불쾌적한 것으

로 나타났는데, 이는 패널의 총 방열량 감소를 원인으로 하며 조정되지 않은

외기보상제어를 적용한 경우에 적절하지 못한 외기보상율 적용으로 인해 더

큰 폭으로 불쾌적 구간이 증가한 것으로 판단하였다.

에너지 사용량 분석 결과, 한 번에 큰 열량을 짧은 시간동안 공급하는 설계

과정을 거치지 않은 난방패널보다 비교적 작은 열량을 긴 시간동안 공급하는

설계된 난방패널의 경우가 더 적은 에너지를 사용한 것으로 확인하였다.

- 74 -

4.4 최종 개선방안 도출 및 평가

난방부하에 대응하여 설계된 난방패널을 적용한 부하가 작은 공동주택에서

부하가 가장 큰 최상층 측세대를 기준으로 ‘난방 개시 시 외기온’에 따른 ‘난

방 개시 시 공급 온수온도’와 ‘설계 최저 외기온’에 따른 ‘설계 최고 공급 온수

온도’를 설정하였다. 이렇게 설정된 난방곡선을 난방운전 시뮬레이션을 통한

미세조정으로 기울기 변화 및 평행이동하여 설정실온이 정확한 값으로 유지

되게 조정하였다. 개선된 외기보상제어의 설정 값은 <표 3.9>의 설계 외기보

상제어 항목과 같다.

4.4.1. 개선된 난방패널 및 외기보상제어

본 절에서는 난방부하에 대응하여 설계한 난방패널과 외기보상제어가 적용

된 부하가 작은 공동주택에서 난방제어의 미세조정 여부에 따른 난방특성의

분석을 위해 설계된 난방패널이 적용된 부하가 작은 공동주택에서 외기보상

율이 경험적으로 적용된 경우와 미세조정과정을 통해 설계된 외기보상율이

적용된 경우의 난방성능 및 온열쾌적과 에너지 사용량을 분석 하였다. 외기보

상율의 미세조정 유무에 따른 난방운전 특성을 분석하면 [그림 4.17], [그림

4.18], [그림 4.19], [그림 4.20]과 같으며, 이와 관련한 상세 값을 부록 A

<표 A.5>에 제시하였다. 외기온도가 가장 낮은 날을 중심으로 5일간 연속운

전 중의 난방운전 특성은 [그림 4.21]과 같다

부하가 작은 공동주택에서 관리자가 경험적으로 외기보상율을 설정한 외기

보상제어가 적용된 경우와 비교하여 외기보상율이 설계된 외기보상제어가 적

용된 경우의 평균 실내온도가 모든 외기온도 기간에서 낮았고 설정온도의 상

한(25.0℃)을 초과하는 시간비율 또한 작아, 전반적으로 실내온도가 낮았다.

- 75 -

하지만 설정온도(24.5℃)를 달성하는 수준 정도로, 난방운전상의 문제는 없는

것으로 판단하였다. 또, 실내온도가 설정온도의 범위(24.0℃~25.0℃) 외에서

거동하는 시간 비율이 더 낮아 난방운전 성능이 향상된 것으로 판단하였다.

미세조정과정으로 외기보상율이 조정된 외기보상제어를 적용한 부하가 작

은 공동주택의 실내온도가 전반적으로 감소됨에 따라 실내온도 쾌적범위의

상한(26.5℃)를 초과하는 시간비율이 더 작은 것으로 확인되어, 미세조정과정

을 거치지 않은 외기보상율 적용 시 발생하였던 실내 과열문제가 모든 외기온

도 기간에서 감소함을 확인하였다. 이에 따라 과열문제로 인한 거주자의 창문

개방 등과 같은 에너지 낭비의 가능성이 감소한 것으로 판단하였다.

관리자가 경험적으로 외기보상율을 설정한 경우와 비교하여 미세조정과정

으로 외기보상율을 조정한 경우의 평균 바닥표면온도가 모든 외기온도 기간

에서 낮았지만 바닥 표면온도 쾌적범위(26℃~35℃) 내에 있는 수준이다. 바

닥 표면온도에 대한 시 계열 데이터를 분석한 결과, 외기온도가 비교적 낮은

기간(1/13~17)과 외기온도가 비교적 높은 기간(3/27~31)에는 미세조정과정

으로 외기보상율을 조정한 경우가 쾌적범위의 하한(26℃)을 미달하는 시간비

율이 더 작았지만, 외기온도가 평균 정도인 기간(3/2~6)에는 쾌적범위의 하

한을 미달하는 시간 비율이 더 큰 것으로 나타나 바닥표면온도의 불쾌적에 대

한 문제가 완화되지 않은 것으로 판단하였다. 이는 방열량 감소에 따라 바닥

표면온도와 실내온도의 차이가 감소하였고, 실내온도는 설정온도로써 고정적

이기 때문에 결과적으로 바닥표면온도가 감소한 결과로 판단된다.

공급열량을 통해 에너지 사용량을 분석한 결과, 한 번에 큰 열량을 짧은 시

간동안 공급하는 미세조정과정을 거치지 않은 외기보상율이 적용된 경우보다

비교적 작은 열량을 긴 시간동안 공급하는 미세조정과정을 거친 외기보상율

이 적용된 경우가 더 적은 에너지를 사용하는 것으로 확인하였다.

- 76 -

[그림 4.17] 난방제어의 설계 유무에 따른 부하가 작은 공동주택의난방성능 평가

[그림 4.18] 난방제어의 설계 유무에 따른 부하가 작은 공동주택의온열쾌적 평가

- 77 -

[그림 4.19] 난방제어의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의에너지 사용량 평가

[그림 4.20] 난방제어의 설계 여부에 따른 부하가 작은 공동주택의에너지 사용량 분석

- 7

8 -

[그림4.21]난방제어의설계유무에따른부하가작은공동주택의난방운전특성(1월

13일~17일)

- 79 -

한편, 실제 현행 공동주택에서 미세조정된 외기보상제어가 적용된 경우, 난

방이 정지된 기간 동안 감소한 실내온도가 재실 이후 난방가동 시 쾌적 범위

를 달성하기까지 오랜 시간이 소요되는 문제에 대한 민원이 발생하고 있었다.

이와 같은 문제점을 확인하기 위해, 미세조정된 외기보상제어가 적용된 면

적당 60W/㎡의 공동주택에서 난방운전의 정지기간 유무에 따른 실내온도분

포를 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 외기온도가 가장 낮은 날을 중심으로 3

일간의 실내온도분포는 [그림 4.22]와 같으며, 여기서 난방설비는 거주자의

외출 스케줄에 따라 08시~20시 까지 난방설비가 정지한 것으로 가정하였다.

난방설비가 정지기간 없이 연속적으로 운전된 경우에는 실온 쾌적범위의 하

한(23.4℃)을 미달하는 기간이 없었다. 반면 거주자의 외출 스케줄에 따라 난

방설비의 정지기간이 있는 경우에는 실내온도가 크게 감소하여 실온 쾌적범

위의 하한을 미달하는 구간이 발생하였고, 재실 이후 난방가동 시 실내온도가

쾌적 범위를 달성하기까지 소요되는 시간이 긴 것으로 확인되었다.

부하가 감소한 공동주택(20W/㎡)에서 이와 같은 문제의 발생 여부를 판단

하기 위해 난방 정지기간이 있는 경우의 실내온도분포를 시뮬레이션을 통해

분석하였다. 외기온도가 가장 낮은 날을 중심으로 3일간의 실내온도분포는

[그림 4.23]과 같으며, 여기서 난방설비는 거주자의 외출 스케줄에 따라 08

시~20시 까지 난방설비가 정지한 것으로 가정하였다.

부하가 감소한 공동주택(20W/㎡)에서 난방운전의 정지기간이 있더라도,

난방부하가 작기 때문에 실내온도가 현행 공동주택(60W/㎡)만큼 감소하지

않는다. 따라서 거주자가 귀가 후 난방운전을 다시 가동하더라도 실내온도가

설정온도 범위 및 쾌적온도의 범위 내에 도달하는 데 걸리는 시간이 짧아, 온

도조절성능 불량 문제가 발생하지 않는 것으로 판단하였다.

- 80 -

[그림 4.22] 현행 공동주택(60W/㎡)에서 난방운전의 정지기간 유무에 따른실내온도분포(1월 14일~16일)

[그림 4.23] 공동주택에서 난방운전의 정지기간이 있는 경우,부하에 따른 실내온도분포(1월 14일~16일)

- 81 -

앞서 분석한 케이스를 통해 남향의 공동주택 세대에서 거주자의 일반적인

재실 스케줄이 적용된 경우, 난방부하의 감소에 따라 난방설비의 가동 정지기

간에 따른 실내온도 쾌적 문제가 완화되는 것을 확인하였다. 하지만 실제 대

지조건 및 주변 환경에 따라 부득이하게 북향의 건물이 건축될 가능성 및 극

한의 상황을 고려하기 위하여 북향의 공동주택 세대에서 외기온도가 가장 낮

은 기간에 거주자가 장기간(6일) 세대를 비워 난방이 정지한 경우의 실내온도

분포를 분석하였다. 외기온도가 가장 낮은 날을 포함한 15일간의 실내온도분

포는 [그림 4.24]과 같다. 여기서 난방설비는 1/11 24시 이전까지 거주자의

일반적인 재실 스케줄이 적용되어 08시부터 20시까지 난방설비가 정지하였

으며, 그 이외의 시간에서 난방설비가 운전되었다. 그리고 1/12 00시부터

1/17 24시까지 총 6일간 정지하였으며, 그 이후에 거주자가 실내온도의 회복

을 위하여 난방설비를 정지기간 없이 연속적으로 가동한 것으로 가정하였다.

외기보상율 조정 시에는 난방설비의 가동정지가 없는 연속운전과, 일사의

영향이 없는 조건을 가정한다. 남향의 건물에서는 일사가 실내에 영향을 미치

기 때문에 거주자의 스케줄에 따라 난방설비가동이 정지되는 기간이 있더라

도 실내온도 쾌적 문제가 발생하지 않았지만, 북향의 건물에서는 일사가 실내

에 미치는 영향이 미미하여 실내온도 쾌적 문제가 발생하는 것을 1/7부터

1/11까지의 실내온도분포를 통해 확인할 수 있었다.

난방운전이 정지된 1/12부터 1/17까지 총 6일 동안 실내온도는 외기온도에

따라 감소하였으며, 1/18부터 난방가동을 시작하여 실내온도 회복을 위한 연

속운전을 했음에도 불구하고 실내온도가 쾌적온도 범위를 달성하기 까지 약

4일이 소요됨을 확인하였다. 이는 공동주택의 부하 감소에 대응하여 감소된

방열량으로 인해 실내온도가 회복되는데 오랜 시간이 소요된 것으로 판단하

였다. 이에 대한 해결대안이 필요할 것으로 사료된다.

- 8

2 -

[그림4.24]북향의공동주택에서난방운전의단기간(12hr)및장기간(144hr)의

정지기간이있는경우의실내온도분포(1월

7일~21일)

- 83 -

4.4.2. 최종 개선방안 보완

본 절에서는 패널의 방열량 감소로 인한 낮은 바닥표면온도 문제와 국내 공

동주택에서 발생할 수 있는 극한의 상황에서의 실내온도조절성능 불량 문제

를 보완하기 위한 대안을 도출하였고, 그 방법에 대하여 고찰하였다.

1) 바닥표면온도

부하에 대응하여 설계한 난방패널과 난방제어를 적용한 부하가 작은 공동

주택에서 바닥표면온도가 감소하는 문제가 발생하였는데, 이는 식 20을 통해

공간의 부하() 감소에 대응하여 바닥 패널의 총 방열량()을 감소

시킴에 따른 결과로 판단하였다. 식 20은 바닥 패널의 총 방열량을 간략하게

계산한 식이다. 표면 열전달 계수()와 방열면적()은 상수 값 이므로 바

닥 패널의 총 방열량이 감소하게 되면 바닥 표면온도()와 실내 온도

()의 차이가 감소함을 알 수 있고, 이에 따라 바닥표면온도가 감소할 것으

로 예상할 수 있다. 여기서, 바닥 표면온도의 온도를 높이기 위하여 방열 면적

()을 감소시키는 대안을 도출하였다.

×× 식 (20)

여기서,

바닥 패널의 총 방열량, W

공간의 부하, W

표면 열전달 계수, W/㎡℃

방열면적, ㎡

바닥 표면온도, ℃

실내 설정온도, ℃

- 84 -

×

식 (21)

식 20을 바닥표면온도에 대한 식으로 치환하면 식 21과 같으며, 여기서 바

닥표면온도()는 방열면적()에 반비례함을 알 수 있다. 바닥 패널의 총

방열량()은 공간의 부하에 대응하여 방열되는 열량이고, 표면 열전달 계

수()는 상수이다. REHVA Guide에서는 바닥 표면의 대류 및 복사에 의

한 총합 열전달 계수로 8W/㎡을 제안한다. 난방패널 및 난방제어의 개선안이

적용된 부하가 작은 공동주택에서 현재 방열되는 면적을 기준으로 75%,

50%, 25%으로 방열면적이 감소한 경우의 바닥표면온도를 식 21에 따라 시

계열로 계산한 결과, [그림 4.25]와 같은 분포로 나타나, 방열면적을 감소시

킬수록 바닥표면온도가 증가하여 불쾌적구간이 감소함을 확인하였다. 방열면

적을 감소시키는 방법으로 피부와 비 접촉되는 가구의 하부 및 복도의 가장자

리 등에서 방열량을 감소시키며, 이때 결로 발생여부를 고려하여야 한다.

[그림 4.25] 방열면적에 따른 바닥표면온도의 변화

- 85 -

2) 실내온도조절성능 불량 문제

남향 공동주택에서 거주자의 일반적인 재실 스케줄이 적용된 경우에는 부

하가 감소함에 따라 실내온도조절성능과 관련한 문제 발생하지 않는 것으로

나타났지만, 북향 공동주택에서는 일사의 영향이 미미하여 난방기기의 정지

기간 동안 감소한 실내온도를 재실 이후 회복하는데 소요되는 시간이 긴 문제

가 발생하였다. 난방설비의 운전 정지기간 동안 실내온도가 더 많이 감소 될

수록 실내온도 회복에 소요되는 시간이 더 길 것으로 예상된다. 따라서 난방

운전의 정지기간에도 실내온도가 일정 수준 이하로 감소하는 것을 방지하기

위한 Set-back제어가 필요한 것으로 판단된다. 이 때, Set-back 설정온도에

따른 에너지소비량을 파악하기 위하여 개선된 난방설비가 적용된 부하가 작

은 공동주택에서 13일간의 난방특성을 분석하였다.

Set-back 설정온도를 포함하여, 분석에 적용한 실내 설정온도를 정리하면

<표 4.1>과 같다. 일반적인 재실 스케줄 적용된 기간(…-1/11)에는 거주자가

외출한 08시-20시에 Set-back 설정온도에 따른 난방운전이 가동되었으며,

그 이외의 시간(00시-08시, 20시-24시)에는 24.5℃의 설정온도에 따른 난방

운전이 가동되었다. 거주자가 장기간 외출한 기간(1/12~1/17)에는 Set-back

운전이 가동되었다. 이 때, 거주자의 장기 외출 후 귀가시간에 대응한 각

case 별 pre-heating을 적용하여, 각 case 별 동일한 실내온도 쾌적조건에서

의 에너지사용량을 분석하고자 하였다. Set-back 제어 적용여부 및 설정온도

에 따른 에너지 사용량을 분석하기 위하여 일반적인 스케줄이 적용된 기간에

서는 실내온도가 쾌적온도의 하한을 미달하는 시간과 에너지 사용량을 분석

하였다. 또 거주자가 장기간 외출한 기간의 Set-back 운전에 사용된 에너지

와 pre-heating에 사용된 에너지를 분석하였다. 시뮬레이션 결과는 [그림

4.26]과 같다.

- 8

6 -

[그림4.26]북향의공동주택에서일반적인외출스케줄및극한의외출스케줄이적용된경우에서,

Set-back설정온도에따른실내온도분포(1월7일~19일)

- 87 -

일반적인 재실 스케줄이 적용된 기간(…-01/11)의 난방특성은 <표 4.2>와

같다. Set-back 설정온도를 높게 설정할수록 거주자가 귀가한 이후에 실온이

쾌적 범위를 유지하는 시간이 더 긴 것으로 나타났으며 특히 24.0℃로 설정

한 경우, 모든 기간에서 실내온도가 쾌적한 것으로 나타났다. 또 Set-back 운

전을 하지 않은 경우와 비교하여 Set-back 운전을 한 경우, 설정온도에 따라

약 0.9GJ~4.6GJ의 에너지를 더 사용하는 것으로 나타났다.

거주자가 장시간 외출하여 Set-back 운전이 가동된 기간(01/12-01/17)의

난방특성은 <표 4.3>과 같다. Set-back 운전이 가동되지 않은 non-control

에는 거주자가 장시간 외출한 기간 동안 실내온도가 크게 하강하며, 거주자가

귀가한 시점에서 다른 case와 동일한 실내온도 쾌적의 정도를 유지하기 위해

pre-heating 운전을 73.8hr 가동해야하며, 이 때 124.9GJ의 에너지가 사용

된다. Set-back 설정온도를 22.0℃, 23.0℃, 24.0℃으로 각각 설정한 case

1, case 2, case 3의 경우에는 거주자 외출 기간에도 설정온도 수준의 실온

을 유지하며, 이 때 각각 104.0GJ, 120.5GJ, 135.4GJ의 에너지가 소모된다.

또 거주자가 귀가한 시점에 case 별 동일한 실온 쾌적도를 달성하기 위하여

pre-heating운전을 각각 20.2hr, 10.8hr, 0.0hr 가동해야 하며, 이 때

27.4GJ, 15.4GJ, 0.0GJ의 에너지가 소모된다. 일반적인 재실 스케줄에서,

Set-back 제어를 적용한 경우, 그렇지 않은 경우보다 최대 약 5%정도의 에

너지를 더 사용하지만 거주자 귀가 이후 실온 조절불량 문제에 대한 민원 방

지를 위해서는 24.0℃의 Set-back 온도로 설정해야 할 것으로 판단된다. 저

부하 공동주택의 부하에 대응한 방열량을 공급할 경우, 난방정지 기간 이후

난방가동 시 실온 상승폭이 작기 때문에 신속한 쾌적실온 달성을 위해서는 현

재 수준보다 높은 Set-back 온도를 설정해야 할 것으로 판단된다. 추후 비재

실 기간에 따른 최적의 Set-back 설정온도를 찾기 위한 연구가 필요하다.

- 88 -

기간 … ~01/11 01/12~ pre-heating 이전 pre-heating ~01/19

시간 00시~08시 08시~20시 20시~24시 00시-24시 00시-24시

case 1

24.5±0.5

22.0±0.5

24.5±0.5

22.0±0.5

24.5±0.5case 2 23.0±0.5 23.0±0.5

case 3 24.0±0.5 24.0±0.5

non-control 난방정지 난방정지

<표 4.1> 시간 별 실내온도 설정 값

분류 non-control case 1 case 2 case 3

Set-back 설정온도 [℃] - 22.0±0.5 23.0±0.5 24.0±0.5

거주자 귀가 이후

쾌적온도 하한(23.4℃)

달성까지 소요시간 [hr]

12.0hr 9.8hr 8.0hr 0.0hr

총 쾌적온도 하한(23.4℃)

미달 시간 [hr]54.8hr 44.3hr 41.5hr 0.0hr

에너지 사용량 [GJ] 96.1GJ 97.0GJ 98.0GJ 100.7GJ

<표 4.2> 일반적인 스케줄이 적용된 경우, Set-back 설정온도 별 난방특성분석(1/7-1/11)

분류 non-control case 1 case 2 case 3

Set-back 설정온도 [℃] - 22.0±0.5 23.0±0.5 24.0±0.5

pre-heating 운전시간 [hr] 73.8hr 20.2hr 10.8hr 0.0hr

Set-back 운전

에너지 사용량 [GJ]0.0GJ 104.0GJ 120.5GJ 135.4GJ

Pre-heating 운전

에너지 사용량 [GJ]124.9GJ 27.4GJ 15.4GJ 0.0GJ

총 에너지 사용량 [GJ] 124.9GJ 131.4GJ 135.9GJ 135.4GJ

<표 4.3> 거주자가 장시간 세대를 비운 경우, Set-back 설정온도 별 난방특성분석(1/12-1/19)

- 89 -

4.5 소결

본 장에서는 제 3장에서 구축한 평가 방법을 바탕으로, 현재와 같이 부하에

대응한 설계 과정을 거치지 않고 경험적으로 난방패널 및 난방제어가 적용된

공동주택에서, 건물의 외피성능의 강화에 의해 난방부하가 감소한 경우에 발

생할 가능성이 있는 난방성능 및 온열쾌적 상의 문제점을 분석하였다. 그 후

감소한 난방부하에 대응하여 ASHRAE Handbook에서 제시한 패널 설계 방

법에 따라 배관간격, 온수온도, 온수유량 등을 설계한 난방패널을 대안으로

제시하였고, 이에 따른 난방특성을 평가하여 난방패널의 설계 방향을 제시하

였다. 이와 같이 난방부하에 대응한 변수 값 설계를 통해 개선된 난방패널이

적용된 부하가 작은 공동주택에서, 난방운전에 따른 실내온도 거동에 대응한

외기보상율의 미세조정과정을 거쳐 이에 따른 난방성능 및 온열쾌적, 그리고

에너지 사용량을 평가하였다. 추가적으로, 외출 시 난방정지 및 귀가 후 난방

가동과 같은 난방 공백기에 대한 실제 상황을 고려하여 난방특성을 분석하였

다. 도출한 대안에 대한 최종 평가 결과, 낮은 바닥표면온도와 난방 정지기간

에 따른 온도조절성능 불량 문제가 완화되지 않음을 확인하였고, 이에 대한

이론적 고찰 및 해결방안을 제시하였다.

본 장의 내용을 요약하면 다음과 같다.

1) 현재와 같이 부하에 대응한 설계 과정을 거치지 않고 경험적으로 난방

패널 및 난방제어가 적용된 공동주택에서 건물의 부하에 따른 난방특

성 분석하였다.

① 현행의 열 관류율 기준을 만족하는 공동주택(60W/㎡)과 부하가 작

은 공동주택(20W/㎡) 모두 평균 실내온도가 설정온도를 달성하였다.

하지만 부하가 작은 공동주택의 실내온도가 제어 밴드의 상한 온도

- 90 -

(25.0℃)을 초과하는 Over Shoot가 더 오랜 시간동안 나타났으며, 설

정온도 범위(24.0℃~25.0℃)을 벗어나는 시간이 더 큰 것으로 확인되

어 난방성능이 비교적 좋지 못한 것으로 판단되었다.

② 현행 공동주택과 부하가 작은 공동주택 모두 평균 실내온도가 쾌적

실내온도 범위(23.4℃~26.5℃) 내에 있었다. 하지만 실내온도의 시 계

열 데이터 분석을 통해 부하가 작은 공동주택의 실내온도가 쾌적 실내

온도 범위의 상한(26.5℃)을 초과하는 비율이 더 큰 것으로 확인되어,

실내 과열에 의한 불쾌적이 발생함을 확인하였다.

③ 현행 공동주택과 부하가 작은 공동주택 모두 평균 바닥표면온도가

쾌적 바닥표면온도 범위(26.0℃~35.0℃) 내에 있었다. 하지만 바닥표

면온도의 시 계열 데이터 분석을 통해 부하가 작은 공동주택의 바닥표

면온도가 쾌적 바닥표면온도 범위의 하한(26.0℃)을 미달하는 비율이

더 큰 것으로 확인되어, 바닥 표면온도 불쾌적이 발생함을 확인하였다.

2) 부하가 작은 공동주택의 난방부하에 대응하여 ASHRAE Handbook에

서 제시한 패널 설계방법에 따라 설계된 난방패널을 개선대안으로 제

시하였고, 부하가 작은 공동주택에 적용된 난방패널의 개선 여부에 따

른 난방특성을 비교, 평가하여 난방패널의 설계 방향을 검토하였다.

① 부하가 작은 공동주택에서 설계 과정을 거치지 않은 난방패널을 적

용한 경우와 부하에 대응하여 설계된 난방패널을 적용한 경우 모두 평

균 실내온도가 설정온도를 달성하였다. 또 설계된 난방패널을 적용한

경우의 실내온도가 제어 밴드의 상한 온도를 초과하는 Over Shoot의

시간이 더 짧은 것으로 나타나, 부하에 대응하여 설계한 난방패널을

적용함에 따라 난방성능이 향상됨을 확인하였다.

② 부하가 작은 공동주택에서 설계 과정을 거치지 않은 난방패널을 적

- 91 -

용한 경우와 부하에 대응하여 설계된 난방패널을 적용한 경우 모두 평

균 실내온도가 쾌적 실내온도 범위 내에 있었다. 또 실내온도의 시 계

열 데이터 분석을 통해, 설계된 난방패널을 적용한 경우의 실내온도

분포가 쾌적 실내온도 범위의 상한을 초과하는 비율이 더 작은 것으로

나타나, 실내 과열에 의한 불쾌적이 완화됨을 확인하였다.

③ 부하가 작은 공동주택에서 설계 과정을 거치지 않은 난방패널을 적

용한 경우와 부하에 대응하여 설계된 난방패널을 적용한 경우 모두 평

균 바닥표면온도가 쾌적 바닥표면온도 범위 내에 있었다. 또 바닥표면

온도의 시 계열 데이터 분석을 통해 설계된 난방패널을 적용한 경우의

바닥표면온도 분포가 쾌적 바닥표면온도 범위의 하한을 미달하는 비율

이 대부분의 외기온도 조건에서 작은 것으로 확인되었지만, 외기온도

가 높은 기간에서는 쾌적 바닥표면온도 범위의 하한을 미달하는 비율

이 더 큰 것으로 나타나 바닥 표면온도 불쾌적 문제가 완벽하게 완화

되지 않은 것으로 판단하였다.

④ 공급열량을 통해 파악한 에너지 사용량 분석 결과, 설계 과정을 거

치지 않은 난방패널을 적용한 경우보다 설계된 난방패널을 적용한 경

우가 더 작은 양의 에너지를 사용한 것으로 확인되었다.

3) 부하가 작은 공동주택의 난방부하에 대응한 설계를 통해 개선된 난방

패널이 적용되었을 때, 관리자의 경험에 따라 관행적으로 설정된 외기

보상제어와 외기보상율의 미세조정과정을 거친 외기보상제어의 적용에

따른 난방성능 및 온열쾌적, 에너지 사용량을 비교, 평가하였다.

① 부하에 대응하여 설계된 난방패널이 적용된 부하가 작은 공동주택

에서 관리자의 경험에 따라 관행적으로 설정된 외기보상제어를 적용한

경우와 외기보상율의 미세조정과정을 거친 외기보상제어를 적용한 경

- 92 -

우 모두 평균 실내온도가 설정온도를 달성하였다. 또 미세조정과정을

거친 외기보상제어를 적용한 경우의 실내온도가 설정한 온도범위 외에

서 거동하는 시간이 짧게 나타나, 난방성능이 향상됨을 확인하였다.

② 관리자의 경험에 따라 관행적으로 설정된 외기보상제어를 적용한

경우와 외기보상율의 미세조정과정을 거친 외기보상제어를 적용한 경

우 모두 평균 실내온도가 쾌적 실내온도 범위 내에 있었다. 또 실내온

도의 시 계열 데이터 분석을 통해, 외기보상율의 미세조정과정을 거친

외기보상제어를 적용한 경우의 실내온도 분포가 쾌적 실내온도 범위의

상한을 초과하는 비율이 더 작은 것으로 나타나, 실내 과열에 의한 불

쾌적이 완화됨을 확인하였다.

③ 관리자의 경험에 따라 관행적으로 설정된 외기보상제어를 적용한

경우와 외기보상율의 미세조정과정을 거친 외기보상제어를 적용한 경

우 모두 평균 바닥표면온도가 쾌적 바닥표면온도 범위 내에 있었다.

또 바닥표면온도의 시 계열 데이터 분석을 통해 외기보상율의 미세조

정과정을 거친 외기보상제어를 적용한 경우의 바닥표면온도 분포가 쾌

적 바닥표면온도 범위의 하한을 미달하는 비율이 큰 기간이 있어, 바

닥 표면온도 불쾌적 문제가 완전히 완화되지 않은 것으로 판단하였다.

④ 공급열량을 통해 파악한 에너지 사용량 분석 결과, 관리자의 경험

에 따라 관행적으로 설정된 외기보상제어를 적용한 경우보다 외기보상

율의 미세조정과정을 거친 외기보상제어를 적용한 경우가 더 작은 양

의 에너지를 사용한 것으로 확인되었다.

4) 개선된 난방패널 및 난방제어가 적용된 부하가 작은 공동주택에서, 외

출 시 난방정지 및 귀가 후 난방가동과 같은 난방 공백기에 대한 실제

상황을 고려하여 난방특성을 분석하였다.

- 93 -

① 난방이 연속적으로 가동된 경우와 비교하여 난방의 공백기가 있는

경우, 평균 실내온도가 설정온도를 달성하지 못하는 기간이 발생하여,

난방성능상의 문제가 발생함을 확인하였다.

② 난방의 공백기가 있는 경우, 실내온도가 전반적으로 감소함에 따라

실내온도 분포가 쾌적 실내온도 범위의 상한을 초과하는 기간이 없었

고, 평균 실내온도는 쾌적 실내온도 범위 내에 있는 것으로 나타났다.

③ 난방의 공백기가 있는 경우, 평균 바닥표면온도가 쾌적 바닥표면온

도 범위 내에 있었으나, 바닥표면온도의 시 계열 데이터를 분석한 결

과 바닥표면온도 분포가 쾌적 바닥표면온도 범위의 하한을 미달하는

비율이 모두 증가함을 확인하였다.

④ 특히, 난방운전이 정지한 기간 동안 감소한 실내온도를 설정온도

까지 높이기 위해 걸리는 시간이 오래 걸리는 것으로 확인되었는데,

이는 온도조절성능의 불량으로 판단된다.

5) 도출한 대안에 대한 최종 평가 결과, 낮은 바닥표면온도에 대한 문제

가 완화되지 않음을 확인하였고, 이에 대한 이론적 고찰 및 해결방안

을 제시하였다.

① 바닥표면과 실내온도와의 열평형 방정식에 대한 고찰을 통해 낮은

바닥표면온도는 패널의 방열량 감소로 인한 결과로 판단하였고, 이를

해결하기 위한 방법으로 방열 면적을 감소시키는 대안을 도출하였다.

② 극한의 조건에서 난방정지기간 동안 실내온도가 큰 폭으로 감소하

게 되는데, 거주자가 귀가한 후 실온을 쾌적온도 범위까지 빠르게 도

달시키기 위해서는 난방정지기간 동안 적정수준의 실내온도를 유지해

야 할 것으로 판단하였다. 이에 Set back 제어를 통해 난방 정지기간

동안에도 적정수준의 실내온도를 유지하도록 하는 방안을 제시하였다.

- 94 -

제 5 장 결 론

본 연구는 지역난방열원을 사용하는 부하가 작은 공동주택에서 현재와 같

이 과도한 난방열량 공급에 따른 난방성능 및 온열쾌적 그리고 에너지 문제를

파악하고, 이러한 문제를 해결하기 위하여 공급열량을 감소시키기 위한 방안

으로 난방패널 및 난방제어의 개선방향을 제시하는 것을 목표로 진행되었다.

면적당 60W/㎡의 난방부하를 가진 공동주택과 면적당 20W/㎡의 난방부하를

가진 공동주택에 설계과정을 거치지 않고 관행적으로 적용되어 온 난방설비

가 적용된 경우의 난방특성을 에너지플러스를 활용하여 시뮬레이션 하였고,

그 결과를 바탕으로 과도한 난방열량의 공급에 따른 문제점을 파악하였다. 그

후 난방패널의 공급열량을 감소시키기 위해 ASHRAE Handbook에서 제시한

패널 설계방법을 활용하여 배관간격, 온수온도, 온수유량이 설계된 난방패널

을 대안으로 제시하였고, 이에 따른 난방특성을 평가하여 대안의 효과를 평가

하였다. 또 설계를 통해 개선된 난방패널이 적용된 공동주택에서, 외기보상율

을 미세조정하여 온수온도 설정 범위를 기존보다 낮게 설정하였을 때의 난방

특성을 평가하여 최종적인 바닥 복사난방시스템의 대안을 제시하고 평가하였

다. 추가적으로, 최종 난방설비 대안이 적용되었을 때, 실제상황에서 일반적

인 상황 외에 있을 수 있는 극한의 조건을 가정하였을 때 발생 가능성이 있는

문제점을 파악하였다. 마지막으로, 최종적인 바닥복사난방시스템의 대안이 적

용되었을 때 해결하지 못하였던 낮은 바닥표면온도 문제에 대한 이론적 고찰

과 해결방법을 서술하였고, 극한의 조건에서 거주자가 외출 시 난방 정지, 귀

가 후 난방 재 가동에 따른 실내온도의 쾌적범위 도달 성능에 대한 문제를 추

가적으로 보완하는 방법을 서술하였다.

- 95 -

본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.

1) 공동주택에서 과도한 난방열량의 공급에 따른 문제점을 분석하기 위해

면적당 60W/㎡의 난방부하를 가진 공동주택과 면적당 20W/㎡의 난방

부하를 가진 공동주택에 설계과정을 거치지 않은 관행의 난방설비가

적용된 경우의 난방특성을 각각 시뮬레이션 하여 난방성능 및 온열쾌

적을 비교, 분석하였다. 분석 결과, 설계과정을 거치지 않은 관행적인

난방설비의 적용에 따라 열량이 과도하게 공급되는 경우 공동주택의

난방부하가 작을수록 실내온도의 Fluctuation이 증가하여 난방성능이

저하되며, 쾌적한 실내온도의 상한을 초과하는 과열현상 발생빈도가

증가할 것으로 예상된다. 또 실내온도가 전반적으로 상승함으로 인해

난방가동시간 및 횟수가 감소하게 되고, 이에 따라 바닥표면온도가 감

소할 것으로 판단된다.

2) 난방설비의 방열량을 감소시키기 위해 먼저, ASHRAE Handbook에서

제시한 패널 설계방법을 활용하여 난방패널을 설계하였다. 난방패널의

방열량을 감소시키기 위해서는 온수온도와 공급유량이 감소해야한다.

공급되는 온수의 온도가 감소하면 바닥표면의 수평방향의 온도 차이가

증가하고, 이에 따라 바닥과 접촉하는 신체 부위에서의 불쾌적이 발생

할 가능성이 있기 때문에 배관간격은 배관직경에 따른 굴절반경을 고

려하여 감소하는 방향으로 설계하였다. 또 공급되는 온수유량이 감소

하면 배관 내 유속이 감소하게 되고, 이에 따른 유체의 층류유동은 열

전달효율이 감소시킬 가능성이 있다. 따라서 적절한 유속을 유지하기

위하여 배관직경을 감소시켜야 한다. 하지만 국토교통부의 층간소음방

지를 위한 표준바닥구조 기준에서 콘크리트 슬래브 두께를 210mm 이

- 96 -

상으로 규정하고 있기 때문에, 구조체의 두께를 조절하지 못한다. 구조

체의 축열량을 조절하지 못하고 배관직경만을 감소시킬 경우 실내온도

에 대한 응답속도가 느려져 실내온도 제어에 어려움이 발생할 것으로

판단되어 배관직경은 기존의 수준으로 적용하였다. 이렇게 설계된 난

방패널을 개선대안으로 제시하였고, 난방패널의 설계 여부에 따른 난

방특성을 각각 시뮬레이션하여 난방성능 및 온열쾌적 그리고 에너지를

비교, 분석하였다. 분석 결과, 공동주택의 난방부하에 대응한 난방패널

을 적용한 경우 그렇지 않은 경우보다 Fluctuation이 감소하여 난방성

능이 향상되며, 쾌적한 실내온도의 상한을 초과하는 과열현상의 발생

빈도가 감소하였다. 또 에너지사용량 비교 결과 난방부하에 대응한 난

방패널을 적용한 경우가 에너지를 덜 사용한 것으로 나타났다. 하지만

방열량 감소로 인하여 낮은 바닥표면온도의 문제는 해결되지 않았다.

3) 설계를 통해 개선된 난방패널이 적용된 공동주택에서, 외기보상율을

미세조정하여 온수온도의 설정 범위를 기존보다 낮게 수정한 경우를

최종적인 바닥 복사난방시스템의 대안으로 제시하였고 이에 대한 난방

특성을 평가하기 위해 외기보상율의 미세조정 여부에 따른 난방성능

및 온열쾌적 그리고 에너지를 비교, 분석하였다. 분석 결과, 외기보상

율을 미세조정하여 제어한 경우가 그렇지 않은 경우보다 Fluctuation

이 감소하여 난방성능이 향상되며, 쾌적한 실내온도의 상한을 초과하

는 과열현상의 발생 빈도가 감소하였다. 또 에너지사용량 비교 결과

외기보상율을 미세조정한 난방제어를 적용한 경우가 에너지를 덜 사용

한 것으로 나타났다. 하지만 난방패널의 개선안과 마찬가지로, 온수온

도의 설정 범위가 기존보다 낮게 수정됨에 따른 방열량 감소로 인하여

낮은 바닥표면온도의 문제는 해결되지 않았다.

- 97 -

4) 외기보상율은 연속운전을 가정하여 조정되기 때문에, 현재 외기보상제

어가 적용된 실제 공동주택에서 거주자의 외출 스케줄에 따른 난방운

전의 정지 및 가동에 따른 실내온도 조절 성능에 대한 민원이 발생하

고 있었다. 이와 동일한 문제의 발생 여부를 확인하기 위해 최종 난방

설비 대안이 적용된 공동주택에서 거주자의 스케줄에 따른 난방운전의

정지 및 가동에 따른 실내온도분포를 분석하였다. 분석 결과, 부하가

감소한 공동주택(20W/㎡)에서 난방운전의 정지기간이 있더라도, 난방

부하가 작기 때문에 실내온도가 현행 공동주택(60W/㎡)만큼 감소하지

않는다. 따라서 거주자가 귀가 후 난방운전을 다시 가동하더라도 실내

온도가 설정온도 범위 및 쾌적온도의 범위 내에 도달하는 데 걸리는

시간이 짧아, 온도조절성능 불량 문제가 발생하지 않는 것으로 판단하

였고, 공동주택의 난방부하가 더 작을수록 이와 같은 문제는 발생하지

않을 것으로 판단하였다. 추가적으로, 일반적인 상황 외에 있을 수 있

는 극한의 조건을 가정하였을 때 위와 동일한 문제점이 발생하는지 파

악하였다. 일사의 영향이 미미한 북향의 공동주택에서 난방설비가 가

동될 때, 거주자의 외출 스케줄이 일반적인 경우와 장기간 외출을 한

경우의 실내온도분포를 분석하였다. 분석 결과, 거주자의 외출 스케줄

이 일반적인 경우, 난방운전의 정지기간 동안 실내온도가 쾌적 범위의

하한을 미달하였고 방열량이 작기 때문에 실내온도를 쾌적 범위에 도

달하기까지 오랜 시간이 소요되어 실내온도 조절 성능에 대한 문제가

발생함을 확인하였다. 또 거주자가 장기간 외출한 경우, 실내온도는 큰

폭으로 하강하여 귀가 후 난방가동을 하고 나서 쾌적한 실내온도 범위

에 도달하기까지 많은 시간이 소요되는 것으로 확인하였다.

- 98 -

5) 최종적인 바닥 복사난방시스템의 대안이 공동주택에 적용되었을 때 해

결하지 못하였던 낮은 바닥표면온도 문제와 극한의 조건에서 거주자의

외출 스케줄에 따른 실내온도조절성능 불량문제에 대한 보완방안을 서

술하였다. 낮은 바닥표면온도는 패널의 방열량이 감소함에 따라 실내

열평형에 의해 나타난 결과로 고찰하였고, 이를 해결하기 위한 방안으

로 방열면적을 감소시키는 대안을 제시하였다. 또 극한의 조건에서 거

주자의 외출 스케줄에 따른 실내온도조절성능 불량문제를 해결하기 위

한 방안으로 Set-back 제어를 제시하였고, Set-back 설정온도 별 실

내온도분포 및 에너지사용량을 분석하였다. 결과적으로, 부하가 작은

공동주택일수록 난방설비의 방열량 또한 작기 때문에 Set-back 설정

온도는 높아져야 할 것으로 판단하였으며, 추후 극한의 조건에서 비재

실 기간에 따른 최적의 Set-back 설정온도를 찾기 위한 연구가 필요

할 것으로 사료된다.

6) 본 연구에서는 현재 제시되어 있는 기준을 준수하여 바닥패널의 구성

을 유지한 채 온수온도, 온수유량, 배관간격만을 조정하여 설계하였다.

공동주택의 부하가 감소할수록 온수유량이 감소하여 유속이 감소할 것

이다. 이에 따른 층류유동으로 인한 열전달 효율 저하를 막기 위해 배

관의 직경을 감소시키고, 배관의 직경 감소에 대응하여 실내온도의 반

응속도를 고려한 난방패널의 두께감소와 관련한 추후 연구가 필요할

것으로 사료된다.

- 99 -

참 고 문 헌

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- 100 -

22.김오봉. (2002). 공동주택의 바닥복사 난방시스템의 적정 제어방식에 관한 실험

적 연구. 석사 학위 논문. 서울대학교 대학원.

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- 101 -

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- 102 -

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- 103 -

[부 록 A]

난방운전특성 시뮬레이션 결과

- 1

04 -

분류

현행

공동주

택(60W

/㎡)

부하

가 작

은 공

동주

택(20W

/㎡)

외기

온도가

비교

적 낮

은 기

간

(1/13~17)

외기

온도가

평균

정도

인 기

간

(3/2~6)

외기

온도가

비교

적 높

은 기

간

(3/27~31)

외기

온도가

비교

적 낮

은 기

간

(1/13~17)

외기

온도가

평균

정도

인 기

간

(3/2~6)

외기

온도가

비교

적 높

은 기

간

(3/27~31)

실내온

도

평균

실내

온도

[℃]

25.0℃24.9℃

25.6℃25.3℃

25.2℃25.9℃

설정

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

44.9%48.6%

67.1%55.8%

61.8%74.4%

설정

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

7.5%4.4%

2.1%2.4%

1.1%0.7%

쾌적

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

7.6%0.0%

20.1%12.2%

7.4%27.6%

쾌적

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

0.0%0.0%

바닥

표면

온도

평균 바

닥표

면온

도 [℃

]31.4℃

29.4℃28.8℃

28.5℃27.3℃

27.4℃

쾌적

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

0.0%0.0%

쾌적

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

6.7%12.1%

<표A.1>설계과정을거치지않은난방패널및일정온수온도제어적용시공동주택의부하별난방운전특성

- 1

05 -

분류

현행

공동주

택(60W

/㎡)

부하

가 작

은 공

동주

택(20W

/㎡)

외기

온도가

비교

적 낮

은 기

간

(1/13~17)

외기

온도가

평균

정도

인 기

간

(3/2~6)

외기

온도가

비교

적 높

은 기

간

(3/27~31)

외기

온도가

비교

적 낮

은 기

간

(1/13~17)

외기

온도가

평균

정도

인 기

간

(3/2~6)

외기

온도가

비교

적 높

은 기

간

(3/27~31)

실내온

도

평균

실내

온도

[℃]

25.1℃24.9℃

25.4℃25.4℃

25.2℃25.8℃

설정

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

48.8%46.5%

58.9%57.9%

58.1%72.8%

설정

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

6.5%5.6%

2.8%1.9%

1.3%0.7%

쾌적

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

9.7%0.0%

15.1%14.2%

4.3%26.0%

쾌적

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

0.0%0.0%

바닥

표면

온도

평균 바

닥표

면온

도 [℃

]31.5℃

29.5℃28.6℃

28.6℃27.2℃

27.3℃

쾌적

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

0.4%0.0%

0.0%0.0%

0.0%0.0%

쾌적

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

8.8%14.2%

<표A.2>설계과정을거치지않은난방패널및외기보상제어적용시공동주택의부하별난방운전특성

- 1

06 -

분류

설계과

정을 거

치지

않은 관

행의

난방패

널ASH

RAE H

andb

ook에서 제

시한

방법에

따라

설계

된 난

방패

널

외기

온도가

비교

적 낮

은 기

간

(1/13~17)

외기

온도가

평균

정도

인 기

간

(3/2~6)

외기

온도가

비교

적 높

은 기

간

(3/27~31)

외기

온도가

비교

적 낮

은 기

간

(1/13~17)

외기

온도가

평균

정도

인 기

간

(3/2~6)

외기

온도가

비교

적 높

은 기

간

(3/27~31)

실내온

도

평균

실내

온도

[℃]

25.3℃25.2℃

25.9℃25.1℃

25.2℃25.6℃

설정

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

55.8%61.8%

74.4%41.4%

56.4%70.6%

설정

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

2.4%1.1%

0.7%3.8%

2.5%1.0%

쾌적

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

12.2%7.4%

27.6%9.3%

0.7%16.7%

쾌적

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

0.0%0.0%

바닥

표면

온도

평균 바

닥표

면온

도 [℃

]28.5℃

27.3℃27.4℃

28.2℃27.2℃

27.0℃

쾌적

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

0.0%0.0%

쾌적

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

0.0%6.7%

12.1%0.0%

5.8%12.6%

설비

가동

시간 [h

r]8h

r4h

r2h

r36h

r15h

r7h

r

에너

지공급

열량 [G

J]79G

J37G

J25G

J76G

J35G

J16G

J

<표A.3>난방패널의설계여부에따른부하가작은공동주택의난방운전특성(일정온수온도제어적용시)

- 1

07 -

분류

설계과

정을 거

치지

않은 관

행의

난방패

널ASH

RAE H

andb

ook에서 제

시한

방법에

따라

설계

된 난

방패

널

외기

온도가

비교

적 낮

은 기

간

(1/13~17)

외기

온도가

평균

정도

인 기

간

(3/2~6)

외기

온도가

비교

적 높

은 기

간

(3/27~31)

외기

온도가

비교

적 낮

은 기

간

(1/13~17)

외기

온도가

평균

정도

인 기

간

(3/2~6)

외기

온도가

비교

적 높

은 기

간

(3/27~31)

실내온

도

평균

실내

온도

[℃]

25.4℃25.2℃

25.8℃25.0℃

25.2℃25.5℃

설정

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

57.9%58.1%

72.8%40.1%

58.6%64.6%

설정

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

1.9%1.3%

0.7%4.0%

2.2%1.1%

쾌적

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

14.2%4.3%

26.0%8.9%

2.1%16.5%

쾌적

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

0.0%0.0%

바닥

표면

온도

평균 바

닥표

면온

도 [℃

]28.6℃

27.2℃27.3℃

28.2℃27.2℃

27.0℃

쾌적

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

0.0%0.0%

쾌적

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

0.0%8.8%

14.2%0.0%

5.4%20.6%

설비

가동

시간 [h

r]6h

r4h

r3h

r21h

r12h

r10h

r

에너

지공급

열량 [G

J]67G

J36G

J22G

J62G

J36G

J22G

J

<표A.4>난방패널의설계여부에따른부하가작은공동주택의난방운전특성(미세조정과정을거치지않은외기보상제어적용시)

- 1

08 -

분류

설계

된 난

방패

널 및

미세

조정

과정을

거치

지 않

은 외

기보상

제어

설계

된 난

방패

널 및

미세조

정을 통

해 조

정된 외

기보

상제

어

외기

온도가

비교

적 낮

은 기

간

(1/13~17)

외기

온도가

평균

정도

인 기

간

(3/2~6)

외기

온도가

비교

적 높

은 기

간

(3/27~31)

외기

온도가

비교

적 낮

은 기

간

(1/13~17)

외기

온도가

평균

정도

인 기

간

(3/2~6)

외기

온도가

비교

적 높

은 기

간

(3/27~31)

실내온

도

평균

실내

온도

[℃]

25.0℃25.2℃

25.5℃24.7℃

24.8℃25.3℃

설정

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

40.1%58.6%

64.6%28.5%

42.1%55.3%

설정

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

4.0%2.2%

1.1%15.3%

7.6%4.2%

쾌적

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

8.9%2.1%

16.5%8.3%

0.0%14.7%

쾌적

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

0.0%0.0%

바닥

표면

온도

평균 바

닥표

면온

도 [℃

]28.2℃

27.2℃27.0℃

27.9℃26.8℃

26.7℃

쾌적

온도

의 상

한을

초과

하는

시간

비율

[%]

0.0%0.0%

0.0%0.0%

0.0%0.0%

쾌적

온도

의 하

한을

미달

하는

시간

비율

[%]

0.0%5.4%

19.1%0.0%

11.0%17.9%

설비

가동

시간 [h

r]21h

r12h

r10h

r46h

r35h

r20h

r

에너

지공급

열량 [G

J]62G

J36G

J22G

J56G

J35G

J18G

J

<표A.5>난방제어의설계유무에따른부하가작은공동주택의난방운전특성

- 109 -

ABSTRACT

Design and Control Method of Radiant Floor Heating

System by Reducing Heating Load of Apartment House

Using District Heating Source

By Moon, Seoung Hyun

Department of Architecture and Architectural Engineering

Master’s Course in the Graduate School of

Seoul National University

Advised by Professor Yeo, Myoung Souk

2019. 2.

Since the first provision of insulation performance in the past,

insulation performance standards have been continuously strengthened

and building loads have been reduced. On the other hand, the

composition of heating facilities, design variables, and water conditions

in domestic apartment buildings tend to be applied conventionally

without significant changes when the water circulation type Radiant

Floor Heating was introduced in Korea for the first time. If a large

amount of heat is supplied more than necessary by applying a

conventional heating system without a design process in a dwelling

house with reduced heating load, it is expected that the heating

- 110 -

operation is inappropriate considering the thermal characteristics of

the building. Therefore, in this study, the heating performance, thermal

comfort and energy problems in the apartment house with reduced

heating load due to the conventional application of the heating system

were identified. In addition, the study was carried out aiming at the

application direction of the heating panel for the proper heating

operation in the apartment house where the heating load is decreased

and the application direction of the heating control for the proper

heating operation when the improved heating panel is applied.

The study was conducted using a simulation tool (Energyplus)

capable of analyzing the abnormal state, The heating performance and

the thermal comfort of the apartment house with 60W heating load and

20W heating load with the conventional heating system without the

design process were compared and analyzed according to the

evaluation system. After that, the problems when the amount of heat to

be supplied is larger than the heating load of the apartment house

were identified. Based on the identified problems, improvement plan of

heating panel was derived and evaluated through simulation. After that,

improvement plan of the heating control in the apartment house with

20W heating load applying the improvement plan of the heating panel

was derived and evaluated through simulation.

Theoretical considerations on the problems that have not been

solved in this final improvement and suggestions for complementing

them are presented.

- 111 -

The results of this research are summarized as follows:

1) As a result of literature review on the application of heating

panel and heating control in domestic apartment buildings, the

heating equipment currently applied has been applied

conventionally without design process corresponding to the

heating load of apartment house. Dependent supply hot water

temperature was being applied. When such a heating system is

applied to a house with a reduced load, overshooting of the

room temperature is increased, and overheating occurs in which

the room temperature exceeds the upper limit of the

comfortable temperature range. In addition, the floor surface

temperature is reduced due to the reduction of the heating

operation time and the number of operation, and it is necessary

to improve the heating facilities.

2) As a result of applying the improved heating panel and heating

control in response to the heating load of the apartment house,

the overshooting of the room temperature was reduced, the

overheating was alleviated, and the heating energy consumption

was decreased. However, the lower floor surface temperature

problem due to the reduction of total thermal output was not

solved. In this study, we proposed a method to reduce the

heating area to solve the problem of low floor surface

temperature.

- 112 -

3) Since the load is low in the south-facing low-load apartment, no

problem related to the room temperature comfort during

reheating after the heating operation is stopped. However, under

extreme conditions, it took a long time to recover the decreased

room temperature during the stopping period of the heating

system.

Keywords : Heating Load, Housing, Radiant Floor Heating System,

Heating Pannel, Heating Control

Student Number : 2017-20246

- 113 -

감사의 글

부족함이 많았던 제가 석사 생활을 시작한 지도 어느덧 2년이라는 시간이

흘러, 한 편의 논문을 완성하게 되었습니다. 여전히 부족하지만 많은 분의 도

움이 있었기에 마무리할 수 있었기에, 짧게나마 감사를 표하고자 합니다.

먼저 저의 대학원 생활에 가장 많은 가르침을 주신 여명석 교수님께 감사드

립니다. 뛰어나신 통찰력으로 근본적인 문제에 접근하는 방법과 논리적으로

문제를 해결해 나가는 방법을 지도해 주셨고, 항상 아버지와 같은 마음으로

저희를 이해해주셨습니다. 더 많이 배우지 못한 것에 대하여 아쉽습니다.

그리고 연구 진행 중 새로운 방향에 눈을 뜰 수 있게 도와주신 박철수 교수

님께 감사드립니다. 막연하고 당연하게 생각했던 부분들에 대하여 다시 생각

할 수 있도록 지도해 주셨고, 연구원들과 함께 연구를 진행하시는 모습에서

참된 교육자, 연구자, 선배님의 모습을 볼 수 있었습니다.

공학적인 지식을 기초부터 차근차근 알려주시고, 늘 같이 밤새고 고생하며

가장 오랜 시간 함께 연구해온 똑똑하고 친절한 희강이형, 연구자가 지녀야

할 자세와 합리적인 판단, 논리적인 생각에 대한 아낌없는 조언을 해주신 창

호형, 항상 응원해주시고 연구실을 좋은 방향으로 이끌어주신 전 방장 준혜누

나, 같은 공간에서 연구에 어려움이 있을 때마다 도움의 손길을 내주신 기언

이형 진심으로 감사드립니다. 졸업한 이후에도 진로에 대한 고민을 함께 나눈

진하누나, 우직하게 연구하는 모습이 존경스러운 세진누나, 함께 졸업을 준비

하면서 의지할 수 있었던 선근이 에게 진심으로 감사를 표하고 싶습니다.

개별적으로 언급하지 못한 모든 박사과정 선배님들, 그리고 석사과정 후배

님들, 부족하고 철없는 저였지만, 많은 분들의 도움이 있었기에 무사히 졸업

하게 되었습니다. 진심으로 감사를 표합니다.

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마지막으로 항상 제 편이 되어주고 응원해준 소중한 가족들, 누구보다 감사

합니다. 앞으로도 건강하시고 좋은 일만 가득했으면 좋겠습니다.

미처 다 적지 못한 소중한 분들께도 감사의 마음을 전하며 글을 마칩니다.

감사합니다.

항상 승리하도록 길을 밝혀주시는 하나님께 모든 영광 돌립니다.

2019년 2월

문 승 현