환기 가능한 뜬 바닥 온돌 시스템의 열성능 평가 및 이산화탄소 배출량 예측

Abstract

우리나라에서는 전통적으로 복사 난방방식을 취하는 온돌이라는 독특한 난방수단이 고안되었으며, 아직까지도 현대의 건축양식에 적합하게 사용되고 있다. 그러나 별도의 환기시스템을 갖추지 않은 온돌난방 공간에는 환기는 자연환기 또는 침기에 의존할 수밖에 없으며, 더욱이 최근에는 실내공기질 문제를 효과적으로 개선하기 위하여 별도의 환기설비의 설치를 의무화 하고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 대안으로 환기 가능한 뜬바닥 온돌 시스템이 개발되었으며, 두 번의 선행 실험을 통하여 이 시스템이 적절한 실내 온열환경을 유지하면서 필요 환기량을 확보 할 수 있는 것으로 검토 되었다. 하지만, 주거의 높은 비율을 차지하는 공동주택을 대상으로 이 시스템의 성능이 검토된 바 없다. 또한, 21세기는 지속가능한 개발을 전제로 각 산업 및 제품 생산 과정에서 유발되는 환경부하에 대한 문제는 향후 국제 무역 및 국내 산업 활동에 지대한 영향을 미치게 될 것으로 전망되며, 특히 에너지 다소비 업종으로 이루어진 건설 산업은 그 영향이 클 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 환기 가능한 뜬바닥 온돌 시스템의 실제 적용성 평가를 위하여 환기 가능한 뜬바닥 온돌 시스템을 공동주택의 단위세대에 적용하여, 열성능 및 CO₂배출량을 평가하였다. 본 논문은 총 5개의 장으로 구성되어 있으며, 각 장의 개요는 다음과 같다. 제 1장 에서는 환기 가능한 뜬바닥 온돌 시스템을 바탕의 선행 연구를 정리하였으며, 본 연구의 필요성 및 목적, 연구 흐름에 대하여 기술하였다. 제 2장 에서는 본 연구의 이론적 배경으로써, 온돌 시스템의 유형 및 특징, 환기 가능한 뜬바닥 온돌의 개념, 에너지소비량 및 CO₂배출량 평가 방법에 대하여 기술하였다. 제 3장 에서는 환기 가능한 뜬바닥 온돌이 적용된 공동주택의 실험에 대한 내용을 다루었다. 또한 열성능과 에너지소비량 및 CO₂배출량을 평가에 적용된 측정 항목 및 방법에 대하여 기술하였다. 제 4장 에서는 공동주택에서 환기 가능한 뜬바닥 온돌을 적용하였을 경우의 열성능을 파악하였고, 기존 습식 온돌과 환기 가능한 뜬바닥 온돌 적용시 에너지소비량 및 CO₂배출량을 비교, 평가 하였다. 제 5장 에서는 본 연구에서 도출된 결론을 기술 하였으며, 주요 내용은 다음과 같다. 1) 바닥 표면온는 22~32℃ 범위에서 변화하는 것으로 나타났다. 비 난방 구간에서는 표면온도가 27℃이하로 떨어질 때도 있었지만, 대체적으로 바닥 표면 온도는 난방시에는 온돌 열환경에서의 쾌적 바닥 표면온도 범위인 27~34℃를 만족하는 것으로 나타났다. 그리고 실내 온도는 평균 17.4℃, 최대 19.9℃로 나타났으며, 측정 기간 동안 외 기온이 -3℃이하일 때를 제외하고는 쾌적 범위에서 변화하는 것으로 나타났다. 2) 뜬바닥 공간과 접해 있는 덕트 외 표면 온도는 덕트 내부의 공기 온도 변화에 영향을 주는데, 평균 9.1℃로 예상 온도 보다 다소 낮게 나왔다. 이것은 슬래브 온도가 덕트 표면에 전달 되었기 때문으로 사료된다. 따라서 슬래브로부터 전도되는 열을 차단하기 위하여 덕트 하부나 슬래브 상부에 단열 처리를 해 주어야 할 것으로 판단된다. 그리고 외기가 덕트를 지나 각 실로 토출될 때 까지 최대 18.3℃증가 하였는데, 이 값은 기존의 챔버와 주택 실험에 비하여 다소 낮은 증가율이다. 이것은 온수패널의 재질 및 바닥의 단면의 구성 재료가 상이한데에 따른 결과로 판단된다. 3) 평가 대상세대를 기준으로 건설단계에서 기존 습식 온돌 시스템의 CO₂배출량은 약 1480 kg-CO₂ 로 나타났고, 환기 가능한 뜬바닥 시스템에서는 약 1156 kg-CO₂ 로 기존의 시스템 보다 약 22%의 CO₂배출의 저감 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한 환기 가능한 뜬바닥 시스템의 자재별 CO₂ 배출량을 보면, 합판 및 난방패널에서 약 90% 정도의 CO₂가 배출되었다. 특히 난방패널에 사용된 플라스틱은 원단위 배출량이 0.65[Kg-CO₂/단위] 높기 때문에 재료를 대체 하였을 경우 더 낮은 CO₂배출량을 기대할 수 있을 것으로 사료된다. 4) 습식온돌의 바닥구조와 건식온돌의 구조적으로 볼때 본 연구를 바탕으로 습식온돌의 슬라브의 하중은 약 16944 kg 인 반면 건식온돌의 슬라브 하중은 약 2597 kg 으로 나타났다. 이와 같이 환기 가능한 뜬바닥 온돌 시스템을 적용하면 습식에 비해 고정하중을 줄일 수 있으며, 결과적으로 슬래브의 두께와 기둥 둘레를 줄일 수 있어서 건축물 전체 하중뿐만 아니라 코스트 및 CO₂배출량의 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다.; A radiant heating applied to floor, so called ‘Ondol’, is a traditional heating method in Korea and has been widely used. The form of the Ondol has been modified so that is can be applied to modern residential buildings. However, in light of indoor environment side, the Ondol system has limitation in keeping comfortable indoor environment, because the Ondol is able to control floor temperature only. The controlling ventilation is needed to meet good indoor environment. Houses built many years ago achieved natural ventilation through infiltration. But modern buildings built recently are so airtight that it is hard to be occurred natural ventilation well. Moreover, a Korean government stipulated that newly constructed residential buildings are to be 0.7 ACH (Air Change per Hour) to protect indoor air quality from toxic substances emitted form construction materials, furniture and etc. The Upgraded Ondol system has been developed to fulfill a relate standard and provide comfortable indoor environment for occupants. The principle of this system was proved through two experiments; chamber experiment and house experiment. In these experiments, performance and field application of this system were studied. However, the study on apartment housing applying this system has not been carried out. In the 21^(st) century, the issue of environmental load emitted form the process of production in each industry will affect an international trade and national industry on the assumption of sustainable development. Especially, construction industry will be more affected because construction industry is composed with high-energy consumption industries. Therefore, in this study, the raised-floor Ondol with ventilation system was applied to a sample unit of an apartment in Korea to investigate the performance and field application of this system. And thermal performance and CO₂ emission of the raised-floor Ondol with ventilation system were evaluated. This thesis consists of a total of five chapters and each chapter is as follows: In the chapter 1, it is described the purpose of this study and flowing of research. It also contains the conditions and results of formal studies which base on raised-floor Ondol with ventilation system. In the chapter 2, it is described a type and characteristic of Ondol system, the concept of raised-floor Ondol with ventilation system and evaluation methods of energy consumption and CO₂ emission. In the chapter 3, it contains field experiment for this study. And measuring devices, items and method of thermal performance, energy consumption and CO₂ emission are also described. In the chapter 4, the thermal performance of this Ondol system at sample unit of apartment is evaluated. And the energy consumption and CO₂ emission of this system is evaluated by comparing with existing wet-type Ondol system. Conclusions drawn from this study is described in the Chapter 5, and the principal contents are as follow. 1) The surface temperature of floor swung between 22℃ and 32℃. During heating period, the temperature was too high to achieve the rage for comfort (27~34℃). However, after turned boiler off, the temperature went down below 27℃ so that it is seemed that occupants will be able to feel uncomfortable. And indoor air temperature swung between 17.4℃ and 19.9. So indoor air temperature was in the rage for comfort, except when outdoor air temperature was lower than -3℃. 2) The average surface temperature of duct was 9.1℃ so that is lower than expected value. It is seemed that low temperature of slab affected duct which contacts with the surface of a slab. Therefore, it is estimated that an insulation layer should be put between duct and slab to protect conduction. And outdoor air temperature increased during air flew through ducts and the maximum temperature difference between outdoor air and diffuser was 18.3℃. This value is lower than those of former study, chamber and residential house. It is seemed that the materials of floor layer and Ondol panel were different between them. 3) CO₂ emission of existing wet-type Ondol system was about 1480 Kg-CO₂ and CO₂ emission of raised-floor Ondol with ventilation system was about 1156 Kg-CO₂ at an experiment unit on the construction stage. So this new system will be able to reduce CO₂ emission by 22%lower than existing system. And plywood and heating panels account for 99% of CO₂ emission of the raised-floor Ondol system. Especially, plastic which is element of heating panel have a high unit vale of CO₂ emission. So when materialof heating panel is changed, total CO₂ emission will be lower. 4) In light of structure side, the load of wet-type Ondol system and raised-floor Ondol system were 16994Kg and 2597Kg respectively. The dead load would be reduced if the raised-floor Ondol with ventilation system is applied to floor so that the total load of structure, construction costs and CO₂ emission can be reduced.