천장복사난방 시스템의 열환경 평가 및 적용 가능성에 관한 연구

Abstract

국내에서 사무소 건물을 비롯한 대부분의 공공건물은 대류식난방으로 운영되고 있으나 온도분포의 불균형으로 인한 국부적 불쾌감, 열용량이 적은 공기에 의한 수송효율 저감, 과도한 전력소비로 인한 전력피크 상승, 부분부하 대응불량 등으로 과용량을 산정해야하는 문제점 등이 있다. 반면, 천장복사난방의 경우 넓은 난방면 확보에 따른 온도분포 불균형 해소로 인한 쾌적감 증대, 부하변동에 따른 적절한 용량제어와 공기보다 열용량이 큰 수(水)의 사용과 열원효율 상승으로 인한 에너지저감, 지열에너지와 같은 신재생에너지의 연계가능 등의 이점이 있다. 천장복사난방은 설비효율을 극대화 시키며 실온이 낮아도 냉난방효과가 있어 쾌적한 환경을 만들 수 있으며 천장이 높은 방의 난방이 가능하며 대류난방을 하는 공간에서 벽, 바닥, 천장의 표면온도는 실내기온보다 낮으므로 재실자의 피부나 의복의 표면에서 복사에 의해 열이 방산되는 것에 비해 실내 주변 벽체나 천장의 표면온도를 이용해 난방을 하면 재실자의 복사방열량이 줄어들어 실온을 내리더라도 좋은 온열감을 얻을 수 있다. 그러나 국내의 기후여건상 적합한 시스템을 적용하기 위해서는 많은 요소를 고려해야 하며 두한족열(頭寒足熱)이라는 인체쾌적성의 문제를 포함한 우리고유의 바닥난방 전통 등으로 인하여 그다지 흥미를 느끼지 못해 연구가 미비하고 적용된 사례도 보기 힘들다.

제 1장에서는 천장복사난방의 필요성과 연구 목적, 연구의 범위 및 방법에 대하여 기술하였다.

제 2장에서는 선행연구에 대한 이론고찰을 통하여 천장복사난방의 현황을 알아보고 기본적인 열환경평가 방법과 지표에 대하여 기술하였다.

제 3장에서는 실험장소와 측정 대상 및 측정기기, 측정조건에 대하여 기술하였다.

제 4장에서는 실험결과를 바탕으로 데이터를 비교 분석하고, COMFORT를 이용한 MRT와 OT를 통하여 천장복사난방을 통한 열환경 평가와 불균등복사를 평가하였다.

제 5장에서는 본 연구에서 도출된 결론을 기술하였으며 주요내용은 다음과 같다.

(1) 동절기에서 MRT의 경우 천장복사난방이 대류식난방에 비해 평균 약 1℃정도 높게 나타났으며, 온도편차는 더 작아 전체적으로 온도가 균일하게 분포하는 것으로 사료된다. OT의 경우도 MRT와 동일하게 천장복사난방이 더 쾌적한 것으로 나타났다.

(2) 천장복사난방을 가동한 경우 대류식난방에 비해 쾌적범위의 PMV = 0값에 가장 빠르게 도달하며, 수직온도 분포의 경우 대류식난방과 비슷하지만 쾌적범위 도달시간 등을 고려한다면 실제 거주역에서 재실자가 느끼는 쾌적감은 천장복사난방이 더 빠르고 쾌적할 것으로 판단된다.

(3) 시뮬레이션에서 대류식난방과 동일한 에너지를 적용하기 위해 복사패널을 38%로 설치한 경우 대류식난방에 비해 동절기는 MRT가 약 1℃ 정도 더 높으며 기준온도보다 낮아도 기준온도와 동일한 쾌적감을 얻을 수 있어 에너지 저감을 크게 기대할 수 있을 것으로 사료된다.

(4) 복사패널을 22% 설치하여 가동한 경우 대류식난방 보다 쾌적감은 더 좋게 나타났으나 에너지는 더 많이 소비되었다. 반면, 복사패널을 38% 설치할 경우 대류식난방과 에너지량은 동일하지만 MRT 및 OT의 온도분포 등을 고려한다면 쾌적감은 대류식난방 보다 더 좋게 나타나며 본 연구의 실험 대상과 같이 층고가 높은 공간에서 천장 면적의 38%만 설치하면 난방부하를 감당할 수 있을 것으로 사료된다.

(5) 천장패널면적 38% 설치시 발생하는 불균등복사를 시뮬레이션으로 평가한 결과 최대 약 6℃ 정도 차이가 발생한다. 그러나, P.O FANGER가 제시한 불균등복사 쾌적범위표에서 최대 10℃까지 쾌적범위로 설정하고 있어 전술한 기준에 따르면 불균등복사는 없을 것으로 나타난다.