[ 논문 ] 한국태양에너지학회논문집 [ 논문 ] 한국태양에너지학회논문집 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 33, No. 2, 2013 IS S N

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1 Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 33, No. 2, 2013 IS S N 강판마감형조립식벽패널복사냉난방시스템의냉난방방열특성평가 임재한 *, 구보경 *, 김성임 *, 송승영 * * 이화여자대학교건축공학과 한국건설기술연구원 *** 이화여자대학교대학원 이화여자대학교건축공학과 Evaluation of Heating and Cooling Thermal Output Characteristics of Prefabricated Steel Wall Panel System for Radiant Heating and Cooling Lim,Jae-Han*,Koo,Bo-Kyoung*,Kim,Sung-Im *,Song,Seung-Yeong * *Dept.ofArchitecturalEngineering,Ewhawoman ***GraduateSchool,Ewhawoman ****Dept.ofArchitecturalEngineering,Ewhawoman Abstract Recentlytheradiantpanelheatingandcoolingsystem hasbeenregardedasanalternativeoflow temperature heatingandhightemperaturecoolingbyapplyingtherenewableenergysourcestotheheatingandcoolingof buildings.especialythissystem canbeusedashvacsystem alternativesinsuperhigh-risebuildingsforenergy savingandthermalcomfort.alsoitcanbepossibletoreducetheplenum spacebecausetheminimum ventilation airwilbesuppliedintothespace.thisstudyfocusedontheevaluationthebasiccharacteristicsofthermaloutput inprefabricatedsteelwalpanelsystem forradiantheatingandcooling.inordertoevaluatethethermaloutput accordingtobothvarioussupplywatertemperaturesandsupplywaterflow rates,three-dimensionaldynamicheat transferanalysiswasperformed.asresults,fortheheating mode,thermaloutputincreasedby26% withthe supplytemperatureincreasingby5.thesurfacetemperatureofpanelsrangewithin1~3.forthecooling mode,thermaloutputdecreasedby18.2% withthesupplytemperatureincreasingby2.thesurfacetemperature ofpanelsrangewithin0.5~1 anditwasshowntheeventemperaturedistribution. Keywords : 강판마감형조립식복사냉난방시스템 (Prefabricated SteelWalPanelfor Radiantheating and cooling), 전열해석시뮬레이션 (Heattransfersimulation), 저온난방 (Low temperatureheating), 고온냉방 (Hightemperaturecooling), 방열량 (Thermaloutput), 전열해석 (Heattransferanalysis) Submitdate: Judgmentdate: Publicationdecidedate: 한국태양에너지학회논문집 Vol. 33, No. 2, 2013

2 강판마감형조립식벽패널복사냉난방시스템의냉난방방열특성평가 / 임재한외 1. 서론세계적으로건물에너지절약에대한관심이고조되면서기존화석에너지를대신하여신재생에너지나미활용에너지를건물에적용하고자하는다양한노력이시도되고있다. 일반적으로신재생에너지나미활용에너지의경우, 대부분 40~60 범위의저위에에너지원이기때문에산업분야에서는그활용이제한적이다. 이에최근국제에너지기구 (IEA) 를비롯한주요선진국에서는기존의고위열원을저위열원으로대체하고자하는연구가적극검토되고있으며, 이러한연구의일환으로건물냉난방에저온난방및고온냉방 (low temperatureheating,hightemperaturecooling) 을통한저엑서지 (Low exergy) 시스템기술개발과다양한보급활성화방안이제시되고있다. 특히건축물바닥이나천장마감, 벽체마감을이용한다양한형태의복사냉난방시스템기술이그대안으로검토되고있다. 초고층복합빌딩의공조설비의경우, 공조기의난방코일에 C 의온수가공급되며, 부적절한실내공기순환으로인해내부온열환경에불쾌적이야기되기도한다. 그러나사무공간의천장이나바닥, 벽체에조립식복사냉난방패널시스템을설치하여냉난방으로활용함으로써초고층건물에서덕트의크기를줄이고층고를낮출수있으며, 열매체의반송동력을감소시킬수있을것으로판단된다. 나아가신재생에너지나미활용온도차에너지를건물의냉난방에적용함으로써저온난방및고온냉방이가능하여건물에서효율적인에너지사용이가능할것이다. 조립식패널복사냉난방시스템을사무공간에적용하기위해서는건축설계단계에서다양한복사면을활용하기위한복사패널기술과설계및운전조건에따른난방및냉방시특성에대한연구가선행되어야한다. 본연구에서는초고층복합빌딩에서기존 활용해오던공조시스템의대안으로서조립 식벽패널복사냉난방시스템을통합적용하 기위해강판마감형조립식벽패널복사냉난 방시스템을시제품으로제작및시공하여냉 난방운전조건별로성능평가를진행하고자 한다. 이를위해본연구에서는실제성능평 가에앞서냉난방운전시방열특성을평가하 기위해 3 차원비정상상태전열해석시뮬레 이션을수행하였으며, 추후실험데이터와비 교할수있는사전성능평가데이터를도출 하고자하였다. 2. 강판마감형조립식벽패널복사냉난방시스템개요 강판마감벽패널복사냉난방시스템의설 치를위한테스트셀은가로 4m 세로 2m 높이 2.3m ( 내부치수기준 3.8m 1.9m 2.25m,Fig.1 참조 ) 규모의철골구조물을이 용하였고, 냉난방히트펌프열원및축열조, 온수분배기, 펌프등의분배시스템을통합적 으로구축하였다. 강판마감벽패널복사냉난 방시스템의모듈크기는 너비 0.9m 높이 1.93m 이고, 테스트셀의가로 3.8m 높이 2.25m 벽면과가로 1.9m 높이 2.25m 벽면 에각각 4 개및 2 개의모듈을직렬배관연결 하여설치하였다. Fig.1 Descriptionoftestcel Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 33, No. 2,

3 하기위해배관을매트에삽입한일체형패널로공장에서제작하여현장에반입하는형태로서강판마감형조립식벽패널복사냉난방시스템을설계하였으며, 실제시공과정은 Fig.5 와같다. Fig.2Horizontalsectionofradiantheatingandcooling walpanel 냉난방 공간 인접 공간 Fig.4 Panelconnectionandpipelayout Fig.3 Verticalsection ofradiantheating and cooling walpanel 1 먹줄후, 상하부런너및스터드설치 2 글라스울부착 Fig.2,Fig.3 과같이강판마감형조립식벽패널복사냉난방시스템은냉난방공간을기준으로강판마감 0.5T 석고보드 12.5T 배관삽입매트 1) 12.5T 스터드 + 단열재 ( 글라스울 ) 의레이어로구성되어있다.Fig.4 와같이제작및운송, 시공의편의성을위해강판마감형조립식벽패널은 0.9m 의폭으로각모듈이설계되어있으며, 각모듈의배관을연결함으로써냉난방배관조닝을구성하게된다. 본연구에서는테스트셀에시범시공 4 각패널사이배관연결 5 패널하부마감 3 배관삽입매트일체형강판패널설치 6 패널조인트마감 1) 배관삽입용매트로는 EPP(Expanded Polypropylene) 를사용하였으며, 배관은 8 mm PB 관 ( 배관 pitch:80 mm ) 을사용함. Fig.5Instalationprocessesofprefabricatedsteelwal panelforradiantheatingandcooling 72 한국태양에너지학회논문집 Vol. 33, No. 2, 2013

4 강판마감형조립식벽패널복사냉난방시스템의냉난방방열특성평가 / 임재한외 공장에서벽패널모듈이제작되므로현장에서의공기단축이가능하고, 배관삽입매트와마감재사이가확실하게밀착될수있어시공품질저하에대한우려가적을것으로판단된다. 그러나패널과패널사이배관을서로연결해주어야하므로 (Fig.5(a)4 번참조 ) 배관연결부위에서의누수방지를위해서는적절한설계및시공관리, 사전누수검사가필요할것이다. 본연구에서시범운전기간동안열원에서 50 온수를공급한후패널표면온도를열화상카메라로측정한결과,Fig. 6과같이온수배관이설치되지않은패널과패널사이의접합부위를제외하고전체적으로고른온도분포를나타냈다. 본연구에서는시뮬레이션을통해냉온수설계조건에따른벽패널의중심부표면온도를비교하였으며, 추후실험연구를통해벽패널의표면온도및방열특성을측정분석하고자한다. 인 Voltra6.0w 이다. 본프로그램은열평형방 정식을유한차분법에의해이산화하여풀어줌 으로써복잡한건물부위에서의정밀전열해석 이가능한신뢰도가매우높은프로그램이다. 해석대상부위는벽패널모듈 4 개를나란히 테스트셀의가로 3.8m 높이 2.25m 벽면에 시공한것으로가정하였으며, 이를위해테스 트셀에서의설계안과동일하게테스트셀의 벽체와실제시공된벽패널복사냉난방시스템 의구성을모두포함하는것으로모델링하였 다. 이때시뮬레이션모델의면적은 7.70 m2, 배 관의총길이는 108m 가된다. 벽체구성재료 의두께및물성 2) 은 Table1,Table2 와같다. Table.1 Descriptionofwallayersforsimulation Category Existingwal structureoftest cel Materials (Outside Inside) Thickness (mm) Steel 1.2 EPS board 30 Plywoodboard 3 Glasswood+Stud 50 Prefabricated steelwalpanel Pipeembeddedmat forradiant (EPPmatinsulation) heatingand cooling 12.5 Gypsum board 12.5 Metalpanel 0.5 Table.2 Propertiesofmaterials Fig.6Surfacetemperaturedistributionofpanelduring heatingoperation(supplywatertemperature=50 ) 3. 강판마감형조립식벽패널복사냉난방시스템의냉난방성능평가개요 본연구에서는강판마감형조립식벽패널 복사냉난방시스템의냉난방성능평가를위하 여 3 차원전열해석을실시하였다. 전열해석에 이용된툴은 Physibel 사에서만든상용, 범용 의 3 차원비정상상태전열해석시뮬레이션툴 Thermal Category Materials conductivity ( kg /m 3 heat Density Specific ) (W/m ) (J/ kg ) Wood ,880 Existing wal EPS board ,470 structure Glasswool ,220 oftestcel Steelstud 50 7, Prefabricat Gypsum ,000 edsteel board walpanel EPPmat forradiant ,800 insulation heating and Sealant cooling Steel 50 7, PB ,093 Pipe Water - 1,000 4,200 2)EPP 매트와 PB 관은각업체제공자료및원자재의물성치를참조하여설정하였으며, 이외재료의물성치는 pren 의값을활용함. Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 33, No. 2,

5 Supply water temperature ( ) Water flow rate (LPM) Table.3 Simulationresults heatingoperation Suppliedheat Returnwater temperature ( ) Diference betweensupply andreturn water Surfacetemperature( ) Measurementpointno. (W) (W/ m2 ) temperature( ) (1) 난방특성평가개요난방조건시실내온도는 20, 인접공간의실온은테스트셀이설치된조건을비난방공간으로가정하여 5 로설정하였고, 표면열전달율의경우외기에의한영향이거의없는것으로판단되어벽패널의내외측모두 8.29W/ m2k 3) 로설정하였다. 온수공급온도는 40,45,50 로가정하였으며, 공급유량은 1,1.5,2LPM 으로가정하여각온도대별유량별방열량, 표면온도분포와환수온도데이터를비교하는것으로하였다.Voltra 프로그램에서온수의흐름을모델링하기위해 BC_FRE_S 조건을설정하였다. 이는유체의온도가정해져있지않으며, 유체의흐름을구현해야하는경우에사용할수있는조건으로, 유체의온도는 HeatBalance Equation 으로계산되어, 배관내유체온도변화의계산이가능하다. 하였으며, 표면열전달율은벽패널내외측모두 8.29W/ m2k로하였다. 이는벽패널복사냉난방시스템이실내-복도사이에위치하는간막이벽으로가정한경우에동일하게적용될수있을것으로생각된다. 냉수공급온도는 15,17,19 로가정하였으며, 공급유량은 1,1.5,2LPM 으로난방조건의경우와동일하게적용하였다. 시뮬레이션결과로는난방시실내로공급되는열량, 냉방시실내에서제거되는열량, 각조건에서온수및냉수의공급-환수온도차, 패널표면온도 ( 측정포인트 :Fig.7 참조 ) 를산출하여비교평가하는것으로하였다. (2) 냉방특성평가개요 냉방조건시실내온도는 26, 인접공간의 실온은테스트셀이설치된조건에서냉방이 이뤄진다고가정하여 4) 26 로동일하게설정 3)ASHRAE,ASHRAEHandbook2001Fundamentals,ASHRAE, ) 테스트셀은공조가되지않지만, 열용량이큰두꺼운콘크리트벽체로이루어진실내에위치하고있어, 여름철외기의영향을거의받지 Fig.7 Pointsofsurfacetemperatureanalysis 않을것으로가정하였음. 74 한국태양에너지학회논문집 Vol. 33, No. 2, 2013

6 강판마감형조립식벽패널복사냉난방시스템의냉난방방열특성평가 / 임재한외 Supply water temperature ( ) Water flow rate (LPM) Table.4Simulationresults coolingoperation Suppliedheat Diference Surfacetemperature( ) Returnwater betweensupply Measurementpointno. (W) (W/ m2 ) temperature ( ) andreturn water temperature( ) 강판마감벽패널복사냉난방시스템의난방및냉방특성평가결과 (1) 난방특성평가결과 난방특성평가결과는 Table3 및 Fig.8 과같다. 난방시강판마감형조립식벽패널 복사냉난방시스템으로부터실내로전달되는 열량은유량별로온수온도가 5 증가할때 마다, 약 26% 씩공급열량이증가 (1LPM 인 경우,40 대비 45 와 50 인경우각각 26.3%,52.5%,1.5LPM 인경우, 각각 26.1%, 52.2%,2LPM 인경우, 각각 26.0%,52.0% 증가 ) 하는것으로나타났다. 또한각온수공 급온도별로유량이증가함에따라 1LPM 대비 1.5LPM 인경우, 약 6.3~6.5%,2LPM 인경우약 9.6~10.0% 공급열량이증가하는 것으로나타났다. 공급 - 환수온도차의경우, 온수공급온도 40, 유량 2LPM 인경우가장작은 3.48, 온수공급온도 50, 유량 1 LPM 인경우 9.36 로, 온수공급온도가증가할수록증가 하며, 유량이증가할수록감소하는것으로나 타났다. 공급 - 환수온도차를 10 의조건으로 설계하고자하는경우,40 온수를 2LPM 으로공급하는경우, 약 9 개의조립식패널을 직렬로연결하여사용가능하며,50 온수를 1LPM 으로공급하는경우는시뮬레이션조 건과동일한약 4 개의조립식패널을연결하 는것이가능할것으로판단된다. 패널표면온도의경우, 비교적모든패널 표면온도에서고른온도분포 ( 온도차 1~3 내외 ) 를보이는것으로나타났다. Fig.8 Surface temperature distribution forheating at theconditionsof50,1.5lpm watersupply Fig.9 Surface temperature distribution forcooling at theconditionsof15,1.5lpm watersupply Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 33, No. 2,

7 (2) 냉방특성평가냉방특성평가결과는 Table4 및 Fig.9 와같다. 냉방시강판마감형조립식벽패널복사냉난방시스템으로부터실내로부터제거하는열량은유량별로냉수공급온도가 2 증가할때마다, 약 18.2% 씩감소 ( 모든유량에대해서 15 대비 17 와 19 인경우각각 18.2%,36.4% 감소 ) 하는것으로나타났다. 또한각냉수공급온도별로유량이증가함에따라 1LPM 대비 1.5LPM 인경우, 약 5.8%, 2LPM 인경우약 8.9% 실내로부터제거되는열량이증가하는것으로나타났다. 공급-환수온도차의경우, 냉수공급온도 19, 유량 2LPM 인경우가장작은 1.15, 냉수공급온도 15, 유량 1LPM 인경우 3. 3 로, 냉수공급온도가증가할수록감소하며, 유량이증가할수록감소하는것으로나타났다. 패널표면온도의경우, 비교적모든패널표면온도에서고른온도분포 ( 온도차 0.5~ 1 내외 ) 를보이는것으로나타났다. 5. 결론본연구에서는초고층복합빌딩에서이용가능한조립식벽패널복사냉난방시스템적용을위하여강판마감벽패널복사냉난방시스템시제품을대상으로,3 차원비정상상태전열해석프로그램을이용, 난방및냉방조건시특성을평가하였다. 본연구의결과를요약하면다음과같다. (1) 난방의경우, 온수공급온도가 5 증가할때실내로공급되는열량은약 26% 가량증가하였고, 공급-환수온도차의경우, 3.48~9.36 로온수공급온도가증가할수록그차가커지며, 유량이증가할수록감소하는것으로나타났다. 또한패널표면온도는 1~3 내에서비교적고른온도분포를보이는것으로나타났다. (2) 냉방의경우, 실내로부터제거되는열량은 냉수공급온도가 2 증가할때마다약 18.2% 씩감소하는것으로나타났으며, 공급-환수온도차는 1.15~3.3 로냉수공급온도가증가할수록감소하며, 유량이증가할수록감소하는것으로나타났다. 또한패널의표면온도는 0.5~1 내로상당히고른온도분포를보이는것으로나타났다. 추후테스트셀에서실제난방및냉방운전시표면온도및방열특성, 온열환경을측정할계획에있으며, 시뮬레이션결과를활용하여비교평가할계획이다. 또한이를통하여벽패널복사난방시스템의에너지성능평가와공급온수온도및유량, 제어와관련한최적운전방식도출을위한연구를지속적으로진행해나갈예정에있다. 후기 " 본연구는국토해양부첨단도시개발사업의연구비지원 ( 과제번호 #09 첨단도시A01) 에의해수행되었습니다. 본연구는이화여자대학교의 EwhaGlobal Top5 사업 (2011) 지원으로이루어짐 References 1. 김광우, 초고층오피스용냉난방및다기능조립식패널시스템개발, 건축환경설비제 5권제2호, 강재식, 최경석, 이승언 (2004), 저온난방에의한 IHCS 온돌시스템의열특성, 대한건축학회학술발표대회논문집계획계 24(2), 조정식, 손병후, 임성균, 백성권, 지열원저온복사난방의적용을위한해석적고찰, 지열에너지저널 7(2), 홍희기, 김영균, 저온온돌난방에의한제어특성과온열쾌적성, 대한설비공학회학 76 한국태양에너지학회논문집 Vol. 33, No. 2, 2013

8 강판마감형조립식벽패널복사냉난방시스템의냉난방방열특성평가 / 임재한외 술발표대회논문집, 이영주, 김오봉, 김광우, 여명석, 폴리프로필렌모세유관냉방시스템의적용에관한실험적연구, 대한설비공학회논문집 17(9), JanBabiak,BjarneW.Olesen,DušanPetráš, Lowtemperatureheatingandhightemperature cooling,rehva Guidebookno.7,REHVA, Physibel,PhysibelVoltraManual, ShigeruOkamotoetal.,Asimplifiedcalculation method for estimating heat flux from ceilingradiantpanels,energyandbuildings Vol.42Issue1,2010. Journal of the Korean Solar Energy Society Vol. 33, No. 2,