국내 공동주택에는 난방을 위하여 대부분 온수를 이용한 바닥 복사 난방시스템이 적용되고 있다. 공동주택의 난방방식은 열원 공급방식에 따라 지역난방, 중앙난방, 개별난방으로 구분할 수 있으며, 1980년대 중반 이후 도시가스의 보급이 급속히 확대되면서 가스보일러를 설치한 개별난방시스템의 적용이 증가하였다.
개별보일러를 열원으로 하는 바닥 복사 난방시스템에서 실의 부하를 처리하기 위해, 부하를 처리하는데 필요한 열량을 실로 공급해야 하는바, 이 과정은 열량을 생산하는 과정과 생산된 열량을 실까지 전달하는 과정으로 구분할 수 있다.
한편, 국내 공동주택에 적용되고 있는 개별 가스보일러는 급탕부하 위주로 용량이 산정되거나 난방면적 기준으로 선정되므로 난방부하에 비해 과대 설계되는 형편이다. 또한 최근 건물의 단열성이나 기밀성이 강화되어 난방부하는 점차 감소하는 추세이나 패널의 열매조건은 여전히 관행에 따라 경험적으로 적용되고 있다. 개별난방의 경우 패널에 공급되는 온수온도는 55~60℃이며, 시대에 따라 변하지 않고 이용되고 있다.
보일러 용량이나 패널 열매조건의 적용 현황으로부터 단위시간 동안 생산되는 열량 또는 단위시간 동안 패널 표면에서 실로 전달되는 열량이 난방부하에 비해 크다는 것을 알 수 있다.
단위시간 동안 생산 및 전달되는 열량, 즉 시스템의 난방용량이 부하에 비해 지나치게 클 경우, 특정 시간 동안 발생하는 부하를 처리하기 위해 시스템이 가동되는 시간이 짧아진다. 특히 개별보일러를 열원으로 하는 바닥 복사 난방시스템에서는 보일러의 운전에 영향을 미쳐 보일러의 짧은 가동 및 정지가 빈번하게 반복되는 현상을 유발할 수 있으며, 이러한 현상은 기기수명을 단축시킬 뿐 아니라 더욱이 시스템의 난방 에너지 소비를 증가시킨다.
개별보일러의 짧은 가동 및 정지가 빈번한 현상과 난방 에너지 소비가 증가하는 문제를 개선하기 위해, 기존 연구에서는 시스템의 열량공급 과정에서 과다 생산 및 전달되는 열량을 줄이거나 과잉열량을 저장하는 방안을 제시하였다. 그러나 아직까지 개별보일러를 열원으로 하는 바닥복사 난방시스템은 경험에 의해 관습적으로 적용되는 경우가 대부분이고, 또한 실제 공동주택에서 난방 운전 시, 각 개선 방안의 적용 효과에 대해서도 명확히 밝혀진 바 없다.
따라서 보일러의 운전과 난방 에너지 성능에 대한 개선 방안을 적용하기에 앞서, 각 개선 방안의 적용이 보일러의 운전과 난방 에너지 소비에 미치는 영향을 정량적으로 평가해보아야 한다.
개별보일러를 열원으로 하는 바닥 복사 난방시스템을 대상으로 실제 난방운전 시, 기존 연구에서 제시한 개선 방안들을 적용함에 있어 조절해야 하는 요소들이 보일러의 운전과 난방 에너지 소비에 미치는 영향을 평가하고, 평가 결과를 토대로 개선 방안을 선정하여 적용효과를 분석하였다.
보일러의 운전과 난방 에너지 소비에 미치는 영향
(1) 버너 용량을 감소시킬 경우, 보일러의 짧은 가동 및 정지가 빈번한 현상은 완화되지만 완화 효과가 크지 않았다. 온수온도를 낮추어 공급한경우에도 보일러의 가동/정지 횟수는 감소하였지만, 낮은 부분부하율 조건에서 여전히 보일러의 짧은 가동 및 정지가 빈번하게 나타났다. 시스템의 난방용량이 부하에 비해 지나치게 클 경우, 시스템의 보유수량을 증가시킴으로써 보일러의 시간당 가동/정지 횟수는 보일러의 안정적인 운전에 대한 권장값 이하로 유지할 수 있다. 패널의 열 시 정수가 증가함에 따라 보일러의 가동/정지 횟수는 감소하는 것으로 나타났으며, 열 시 정수가 큰 습식 패널이 적용된 경우 보일러의 짧은 가동 및 정지가 빈번한 문제는 발생하지 않았다.
(2) 버너 용량 또는 시스템의 보유수량이 변화함에 따라 난방 에너지 소비량은 일관적인 변화 양상을 보이지 않았으며, 시스템의 보유수량에 따라 난방 에너지 소비량 차이가 크게 발생하지 않았다. 공급온수온도가 감소함에 따라 난방 에너지 소비량은 지속적으로 감소하는 추세를 보이고 있으며, 각 요소들의 평가 범위 내에서는 설계 공급온수온도를 감소시킨 경우
난방 에너지가 가장 적게 소비되었다. 패널의 열시정수를 증가시킬 경우 난방 에너지 소비량은 증가하는 추세를 보이는바, 이는 주로 난방 정지 후 비재실 공간에 불필요하게 공급된 열량이 많기 때문이다.
(3) 열시정수가열 시 정수가 상대적으로 큰 패널인 경우, 보일러의 짧은 가동 및 정지가 빈번한 문제는 발생하지 않았지만 전체 난방기간 동안 공급열량이 상대적으로 많고, 또 공급열량에 따른 가스소비량이 전체 난방 에너지소비량에서 차지하는 비율이 가장 높기 때문에 열 시 정수가 큰 패널에 대해서는 공급열량을 줄이는 방향으로 개선 방안을 도출해야 한다.
(4) 열시정수가 상대적으로 작은 패널인 경우, 부하에 근거하여 설계한 버너 용량을 적용하거나 공급온수온도를 낮게 조절하여도 낮은 부분부하율 조건에서는 여전히 보일러의 짧은 가동 및 정지가 빈번한 현상이 나타나므로 시스템의 보유수량을 늘리는 방안을 병용해야 한다.
(5) 열시정수가열 시 정수가 상대적으로 큰 습식 패널에 버너 용량과 공급온수온도를 낮게 적용한 방안과 열 시 정수가 상대적으로 작은 건식 패널에 버퍼탱크를 적용한 방안, 그리고 개선 방안을 적용하지 않은 기존 습식 패널에 대하여 전체 난방 에너지 소비량을 비교 분석한 결과, 개선 방안을 적용한 경우, 적용하지 않은 경우에 비해 각각 7.8%, 17.1% 정도의 난방 에너지를 적게 소비하는 것으로 나타났다.