천장복사난방 사용으로 인한 열환경 향상 효과

Abstract

급속한 산업화와 함께 화석에너지의 사용이 증가하면서 이로부터 발생하는 이산화탄소의 배출량도 급격하게 늘어났다. 이산화탄소는 온실효과를 가속시키는 온실가스 중 80%를 차지하는 온실효과의 주범이라고 할 수 있다. 이러한 상황에서 국제적으로는 1990년 대비 온실가스배출량을 5.2%감축시키는 것을 목표로 하는 교토의정서(2005)를 발효하였고 2007년에는 선 개도국 모두 온실가스 감축에 동참하자는 발리로드맵이 채택되었다. 2012년이면 교토의정서의 발효기간이 종료되고 세계각국은 그 이후의 대책(Post 교토의정서 체제)을 준비하게 될 것이며 우리나라도 탄소의무감축국가에 포함될 것이라고 예측되고 있다. 이러한 국제적 분위기에 대응하여 우리정부에서도 ‘저탄소 녹색성장’의 패러다임을 이슈화하여 국가정책에 반영하고 있다. 에너지 자립 및 효율적인 온실가스 감축을 기본방향으로 하는 저탄소 녹색성장을 성공적으로 이루기 위해서는 국가에너지의 22%를 사용하는 건축물에서 에너지 부하를 감소시키고 관련기기와 냉난방 기술을 개선하는 것이 매우 중요하고 시급한 과제이다. 그 가운데 난방에너지는 주거건물의 가장 중요한 에너지 중 하나이며 이 부분에서 기술의 개선을 이루어 에너지 절감 뿐만 아니라 이산화탄소 절감에 기여하여야 할 것이다. 복사에 의한 냉난방은 에너지절약 면에서 유효하고 복사열을 이용하기 때문에 공기질 면에서도 유리한 것으로 알려져 여러나라에서 시도하고 있으나 국내에서의 복사난방방식은 예로부터 온돌을 이용한 바닥복사난방만을 사용해왔다. 바닥난방에 너무 익숙해 있는 까닭에 벽체나 천장을 이용한 복사냉난방방식은 거의 연구되어 있지 않은 실정이다. 이에 비해 유럽지역에서는 다목적건물에 천장복사냉방방식을 적용하고 있으며, 그것에 영향을 받아 최근 들어 국내에서도 고온다습한 우리나라 여름철 기후에 적용가능한 천장복사 냉방방식을 연구하여 적용하려고 시도하는 단계에 이르렀다. 이러한 천장복사냉방방식을 사용할 때에 그 설비효율을 극대화 하기위해서는 겨울철에도 이 천장복사냉방방식을 난방설비로 전환하여 이용하는 것이 필요하다. 두한족열이라는 인체쾌적성의 원리에 반하는 것으로 알려져 국내에서는 거의 연구된 바가 없지만 실온이 낮아도 난방효과가 있고 쾌적한 환경을 만들 수 있으며 천장이 높은 방의 난방이 가능하므로 이러한 천장복사난방에 대한 검토가 이루어 져야 할 것이다.

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

제 2장에서는 선행연구에 대한 이론고찰을 통하여 복사난방시스템의 특징을 알아보고 기본적인 열환경평가방법과 지표에 대하여 기술하였다.

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

제 4장에서는 실험결과를 바탕으로 데이터를 비교 분석하고, COMFORT를 이용한 쾌적지표 분석을 통하여 천장복사난방을 통한 열환경 향상효과에 대하여 기술하였다.

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

(1) 천장복사난방을 가동한 경우 쾌적범위의 PMV값을 가장 빠르게 얻을 수 있었으며, 바닥취출난방만을 사용한 경우 가장 많은 시간이 소모되었다.

(2) 바닥취출난방(대류난방)만이 가동될 때에는 난방가동시작부터 실내온도가 25℃에 이르는 데에 12시간 이상의 시간이 소요되었다. 반면 천장복사난방(패널온도 40℃)과 함께 가동될 때에는 외기온도가 바닥취출난방실험 시보다 낮았음에도 불구하고 실내온도 25℃에 도달하는 데에 약 4시간만이 소요되었다.

(3) 수직온도 측정결과에 따르면 거주영역(높이 0.1~1.7m)에서 3℃를 초과하지 않아 저온복사난방을 가동한 경우와 복사난방을 가동한 경우 모두 ISO및 ASHRAE의 기준에 부합하는 것으로 나타났다.

(4) 천장복사난방과 바닥취출난방을 병용하였을 경우, 바닥취출난방보다 많은 에너지를 사용하였지만, 거주영역 수직온도분포를 근거로 판단하였을 때, 본 실험 현장과 같이 층고가 높은 공간에서는 거주영역에서의 불쾌감 문제는 거의 없을 것으로 판단된다.

(5) 천장복사냉방시스템을 겨울철 천장복사난방시스템으로 전환하여 사용하게 되면 시스템의 기동성을 크게 상승시킬 수 있고, 재실자의 입장에서도 빠른시간 내에 쾌적한 상태의 열환경에 도달할 수 있기 때문에 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 예측된다.

(6) 열환경 평가 결과 바닥취출난방만을 이용하였을 때와 비교하여 OT가 1~1.5℃높은 것을 알 수 있다. 이 결과는 동일한 쾌적감을 유지하면서 에너지의 사용은 줄일 수 있다는 의미로서 천장복사난방을 이용함으로서 에너지절감을 도모할 수 있을 것으로 기대된다.; Radiant Heating/Cooing Ceiling is excellent for the residents who have to stay in the builing long time since it is able to minimize the noise and unnecessary air flow and from equipment. Even though it has several strong points in its performance, this system has not been sufficiently commercialized. Because there are some doubt about the thermal comfort in the Radiant Heat Ceiling space. For these reasons, Radiant Heat Ceiling System should be examined and analysed in the aspect of thermal comfort. Therefore, experiments were performed in a experimet house,which is equipped with floor air-conditioning system and Radiant heating/cooling system. From the experiment results for 3 days, several conclusions are derived. Radiant Heating Ceiling operated with underfloor air-conditioning system heating boosted the energy performance in comparison with the case of underfloor air-conditioning only operated. As a result, the thermal comfort facters are quite favorable in its vertical temperature distribution.

This paper consists of a total of 5 chapters, and the overview of each chapter is as follows.

In Chapter 1, the background, objective and the method of this study were described.

In Chapter 2, the characteristics of the Radiant Heating Ceiling were researched and the fundamental method of thermal environment evaluation is described by reviewing the precedent studies.

in Chapter 3, Experiment field and the equipment are demonstrated and the condition of experiment is also described in this chapter.

In Chapter 4, Based on the experiment results, the data is compared and analysed. The thermal environment improvement effect by Radiant Heating Ceiling is also analysed by 'COMFORT' program

In Chapter 5, the conclusions from this study is demonstranted as follows.

(1) When Radiant Heating Ceiling is operated with Under Floor Air Conditioning System, the PMV value in thermal comfort zone is acquired the earliest.

(2) when Under Floor Air Conditioning System is only operated, it took more that 12 hours to reach 25 ℃, which is the intended temperature in the room. On the contrary, the Radiant Heating Ceiling is operated with Under Floor Air Conditioning System, it took only 4hours for the room temperature to reach 25 ℃ even though the outdoor temperature was lower than the other cases.

(3) According to the experiment result of vertical air temperature, it is expected that the thermal discomfort does not exist since the difference of the temperature in 0.1m~1.7m was in the range of 3℃, which meets ASHRAE standard.

(4) The amount of energy consumption used was larger than only Under Floor Air Conditioning System is used when Radiant Heating Ceiling is operated with Under Floor Air Conditioning System. However, Based on the result of vertical air temperature, it rarely has problems caused by the discomfort in living area when the height of story is high like a place where this experiment is performed.

(5) When Radiant Cooling Ceiling is switched to Radiant Heating Ceiling in winter the reactivity of the system can be considerably improved. The positive effect for the occupants is expected since the thermal condition can be reached to comfort zone in a short time.

(6) According to the thermal environment evaluation result, the OT(operation temperature) of Radiant Heating Ceiling was higher than that of Under Floor Air Conditioning System only. This shows that Radiant Heating Ceiling can be expected to save energy input since it uses less energy to achieve same amount of comfort for occupants.