工工工學學學碩碩碩士士士學學學位位位 請請請求求求論論論文文文

이중 온돌 방식의 공기층 활용성에 관한 이론적 연구

AAA TTThhheeeooorrreeetttiiicccaaalllSSStttuuudddyyyooonnnttthhheeeAAAvvvaaaiiilllaaabbbiiillliiitttyyyooofffAAAiiirrrLLLaaayyyeeerrriiinnnttthhheeeDDDooouuubbbllleeeFFFllloooooorrrOOOnnndddooolllSSSyyysssttteeemmm

222000000777년년년 222월월월

仁仁仁荷荷荷大大大學學學校校校 大大大學學學院院院

建建建築築築工工工學學學科科科(((計計計劃劃劃專專專攻攻攻)))

李李李 康康康 永永永

- 2 -

工工工學學學碩碩碩士士士學學學位位位 請請請求求求論論論文文文

이중 온돌 방식의 공기층 활용성에 관한 이론적 연구

AAA TTThhheeeooorrreeetttiiicccaaalllSSStttuuudddyyyooonnnttthhheeeAAAvvvaaaiiilllaaabbbiiillliiitttyyyooofffAAAiiirrrLLLaaayyyeeerrriiinnnttthhheeeDDDooouuubbbllleeeFFFllloooooorrrOOOnnndddooolllSSSyyysssttteeemmm

222000000777년년년 222월월월

指指指導導導敎敎敎授授授 徐徐徐 承承承 稷稷稷

이이이 論論論文文文을을을 工工工學學學碩碩碩士士士學學學位位位 論論論文文文으으으로로로 提提提出出出함함함

仁仁仁荷荷荷大大大學學學校校校 大大大學學學院院院

建建建築築築工工工學學學科科科(((計計計劃劃劃專專專攻攻攻)))

李李李 康康康 永永永

이이이 論論論文文文을을을 李李李 康康康 永永永의의의 碩碩碩士士士學學學位位位 論論論文文文으으으로로로 認認認定定定함함함

222000000777年年年 222月月月 222333日日日

主主主審審審 (((인인인)))

副副副審審審 (((인인인)))

委委委員員員 (((인인인)))

- 1 -

국국국문문문 요요요약약약

이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 방방방식식식의의의 공공공기기기층층층 활활활용용용성성성에에에 관관관한한한 이이이론론론적적적 연연연구구구

仁仁仁荷荷荷大大大學學學校校校 大大大學學學院院院建建建 築築築 工工工 學學學 科科科李李李 康康康 永永永

우리나라는 전통적으로 온돌이라는 바닥난방 방식을 채택하고 있으며주거용 건물 가운데 아파트가 차지하는 비율은 전체 주거의 약 50에 이르고 있다이런한 공동주택과 관련하여 건물의 수명을 늘리고(오픈 하우징)건축 폐기물을 친환경적으로 관리하며에너지 절약형 시스템 개발을 위해 전통적인 습식온돌을 개선한 새로운 온돌 시스템과 운전 방식에 대한 개발과 연구가 활발히진행되어 왔다이에 본 논문에서는 개선된 스마트 플로어 시스템을 활용할 수 있는 방안에

관한 기초 연구를 수행하였으며특히 난방 운전중 하부로 전달되는 열량을 이중 바닥의 공기층을 통해 재이용하는 방안에 중점을 두고이를 ESP-r을 이용한 온돌 모델링 기법을 이용하여 시뮬레이션 분석을 수행하였다본 연구에서는 아직까지 가능성 검증을 위한 기초 단계로 스마트 플로어 시

스템과 같이 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌의 활용 방안에 대한 이론적 분석에 초점을 맞춘 것이므로 실제 공동 주택 모델을 이용한 것은 아니며가능한한 분석 조건을 단순화시켰다그리고 이러한 이중 바닥 구조의 모델링은 열원이 되는 온돌 존과 공기층을 각각의 존으로 구성하고이러한 모델링 기법의 검증 및 간단한 다층 모델을 만들어 중간층 세대의 영향을 중심으로 시뮬레이션분석을 수행하였다이상의 다양한 시뮬레이션 분석을 통해 얻어진 주요 결과는 다음과 같다

- 2 -

Abstract

AAA TTThhheeeooorrreeetttiiicccaaalllSSStttuuudddyyyooonnnttthhheeeAAAvvvaaaiiilllaaabbbiiillliiitttyyyooofffaaannnAAAiiirrrLLLaaayyyeeerrriiinnnttthhheeeDDDooouuubbbllleeeFFFllloooooorrrOOOnnndddooolllSSSyyysssttteeemmm

LEE KANG YOUNGDepartment of Architectural Engineering

Graduate School of Inha University

Korean under-floorheating systemOndolhasbeen atargetforinnovationtomeettherequirementsofsustainabledomesticbuildingand low carbon emission energy utilizationSimulation techniquesprovidedesigners and researcherswith powerfultoolsto predictheating loadandthermalbehaviourofOndolsystemsinstalledinvariouscontextsHowevertherearefew studiesonOndolmodelsespecially associated with multi-stories buildings ofwhich typecovers about50 ofKorean housing stockIn this studyweanalyzed the double floor Ondol system on the multi-storiesbuildingsusingtheESP-rprogramOnthebasisofthedoublefloorOndolsystemwesuggestedthe

new modellingmethodthatiscomposedoftheVentzoneandOndolzoneUsingthethismodelsensitivityanalysiswascarriedouttorefine the applicability ofthe modeltaking accountofcontrolconditionsconstructionsairchangeandairflow networkmethodandCFD analysisusing theFLUENTTheairlayerhasenoughtemperature to use in heating zoneIt is suggested that thesimplicityofthemodelwillallow buildingdesignersandmechanicalengineerseasilytoimplementscenario-basedassessmentsofdesignoptionsaswellascontrolstrategies

- 3 -

Laterwewillsimulatetherealbuildingsand analyzetheairdistributionsusingtheFluentaccordingtothevariousconditions

KKKeeeyyywwwooorrrdddsssDoubleFloorOndolSystemMulti-storiesBuildingsVentZoneCFDAnalysisSensitivityAnalysis

- 1 -

---목목목 차차차 ---

제제제 111장장장 서서서 론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot999

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333111EEESSSPPP---rrrmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333222FFFllluuueeennntttmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222000

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333222EEEsssppp---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222888

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222999

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333111

- 2 -

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333333

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666111제제제어어어 인인인자자자의의의 분분분류류류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333777

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444111

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555000

제제제 555장장장 결결결론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555333

참참참고고고문문문헌헌헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555555

- 3 -

---표표표 목목목차차차 ---

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- 4 -

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 2 -

工工工學學學碩碩碩士士士學學學位位位 請請請求求求論論論文文文

이중 온돌 방식의 공기층 활용성에 관한 이론적 연구

AAA TTThhheeeooorrreeetttiiicccaaalllSSStttuuudddyyyooonnnttthhheeeAAAvvvaaaiiilllaaabbbiiillliiitttyyyooofffAAAiiirrrLLLaaayyyeeerrriiinnnttthhheeeDDDooouuubbbllleeeFFFllloooooorrrOOOnnndddooolllSSSyyysssttteeemmm

222000000777년년년 222월월월

指指指導導導敎敎敎授授授 徐徐徐 承承承 稷稷稷

이이이 論論論文文文을을을 工工工學學學碩碩碩士士士學學學位位位 論論論文文文으으으로로로 提提提出出出함함함

仁仁仁荷荷荷大大大學學學校校校 大大大學學學院院院

建建建築築築工工工學學學科科科(((計計計劃劃劃專專專攻攻攻)))

李李李 康康康 永永永

이이이 論論論文文文을을을 李李李 康康康 永永永의의의 碩碩碩士士士學學學位位位 論論論文文文으으으로로로 認認認定定定함함함

222000000777年年年 222月月月 222333日日日

主主主審審審 (((인인인)))

副副副審審審 (((인인인)))

委委委員員員 (((인인인)))

- 1 -

국국국문문문 요요요약약약

이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 방방방식식식의의의 공공공기기기층층층 활활활용용용성성성에에에 관관관한한한 이이이론론론적적적 연연연구구구

仁仁仁荷荷荷大大大學學學校校校 大大大學學學院院院建建建 築築築 工工工 學學學 科科科李李李 康康康 永永永

우리나라는 전통적으로 온돌이라는 바닥난방 방식을 채택하고 있으며주거용 건물 가운데 아파트가 차지하는 비율은 전체 주거의 약 50에 이르고 있다이런한 공동주택과 관련하여 건물의 수명을 늘리고(오픈 하우징)건축 폐기물을 친환경적으로 관리하며에너지 절약형 시스템 개발을 위해 전통적인 습식온돌을 개선한 새로운 온돌 시스템과 운전 방식에 대한 개발과 연구가 활발히진행되어 왔다이에 본 논문에서는 개선된 스마트 플로어 시스템을 활용할 수 있는 방안에

관한 기초 연구를 수행하였으며특히 난방 운전중 하부로 전달되는 열량을 이중 바닥의 공기층을 통해 재이용하는 방안에 중점을 두고이를 ESP-r을 이용한 온돌 모델링 기법을 이용하여 시뮬레이션 분석을 수행하였다본 연구에서는 아직까지 가능성 검증을 위한 기초 단계로 스마트 플로어 시

스템과 같이 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌의 활용 방안에 대한 이론적 분석에 초점을 맞춘 것이므로 실제 공동 주택 모델을 이용한 것은 아니며가능한한 분석 조건을 단순화시켰다그리고 이러한 이중 바닥 구조의 모델링은 열원이 되는 온돌 존과 공기층을 각각의 존으로 구성하고이러한 모델링 기법의 검증 및 간단한 다층 모델을 만들어 중간층 세대의 영향을 중심으로 시뮬레이션분석을 수행하였다이상의 다양한 시뮬레이션 분석을 통해 얻어진 주요 결과는 다음과 같다

- 2 -

Abstract

AAA TTThhheeeooorrreeetttiiicccaaalllSSStttuuudddyyyooonnnttthhheeeAAAvvvaaaiiilllaaabbbiiillliiitttyyyooofffaaannnAAAiiirrrLLLaaayyyeeerrriiinnnttthhheeeDDDooouuubbbllleeeFFFllloooooorrrOOOnnndddooolllSSSyyysssttteeemmm

LEE KANG YOUNGDepartment of Architectural Engineering

Graduate School of Inha University

Korean under-floorheating systemOndolhasbeen atargetforinnovationtomeettherequirementsofsustainabledomesticbuildingand low carbon emission energy utilizationSimulation techniquesprovidedesigners and researcherswith powerfultoolsto predictheating loadandthermalbehaviourofOndolsystemsinstalledinvariouscontextsHowevertherearefew studiesonOndolmodelsespecially associated with multi-stories buildings ofwhich typecovers about50 ofKorean housing stockIn this studyweanalyzed the double floor Ondol system on the multi-storiesbuildingsusingtheESP-rprogramOnthebasisofthedoublefloorOndolsystemwesuggestedthe

new modellingmethodthatiscomposedoftheVentzoneandOndolzoneUsingthethismodelsensitivityanalysiswascarriedouttorefine the applicability ofthe modeltaking accountofcontrolconditionsconstructionsairchangeandairflow networkmethodandCFD analysisusing theFLUENTTheairlayerhasenoughtemperature to use in heating zoneIt is suggested that thesimplicityofthemodelwillallow buildingdesignersandmechanicalengineerseasilytoimplementscenario-basedassessmentsofdesignoptionsaswellascontrolstrategies

- 3 -

Laterwewillsimulatetherealbuildingsand analyzetheairdistributionsusingtheFluentaccordingtothevariousconditions

KKKeeeyyywwwooorrrdddsssDoubleFloorOndolSystemMulti-storiesBuildingsVentZoneCFDAnalysisSensitivityAnalysis

- 1 -

---목목목 차차차 ---

제제제 111장장장 서서서 론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot999

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333111EEESSSPPP---rrrmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333222FFFllluuueeennntttmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222000

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333222EEEsssppp---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222888

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222999

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333111

- 2 -

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333333

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666111제제제어어어 인인인자자자의의의 분분분류류류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333777

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444111

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555000

제제제 555장장장 결결결론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555333

참참참고고고문문문헌헌헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555555

- 3 -

---표표표 목목목차차차 ---

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- 4 -

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

이이이 論論論文文文을을을 李李李 康康康 永永永의의의 碩碩碩士士士學學學位位位 論論論文文文으으으로로로 認認認定定定함함함

222000000777年年年 222月月月 222333日日日

主主主審審審 (((인인인)))

副副副審審審 (((인인인)))

委委委員員員 (((인인인)))

- 1 -

국국국문문문 요요요약약약

이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 방방방식식식의의의 공공공기기기층층층 활활활용용용성성성에에에 관관관한한한 이이이론론론적적적 연연연구구구

仁仁仁荷荷荷大大大學學學校校校 大大大學學學院院院建建建 築築築 工工工 學學學 科科科李李李 康康康 永永永

우리나라는 전통적으로 온돌이라는 바닥난방 방식을 채택하고 있으며주거용 건물 가운데 아파트가 차지하는 비율은 전체 주거의 약 50에 이르고 있다이런한 공동주택과 관련하여 건물의 수명을 늘리고(오픈 하우징)건축 폐기물을 친환경적으로 관리하며에너지 절약형 시스템 개발을 위해 전통적인 습식온돌을 개선한 새로운 온돌 시스템과 운전 방식에 대한 개발과 연구가 활발히진행되어 왔다이에 본 논문에서는 개선된 스마트 플로어 시스템을 활용할 수 있는 방안에

관한 기초 연구를 수행하였으며특히 난방 운전중 하부로 전달되는 열량을 이중 바닥의 공기층을 통해 재이용하는 방안에 중점을 두고이를 ESP-r을 이용한 온돌 모델링 기법을 이용하여 시뮬레이션 분석을 수행하였다본 연구에서는 아직까지 가능성 검증을 위한 기초 단계로 스마트 플로어 시

스템과 같이 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌의 활용 방안에 대한 이론적 분석에 초점을 맞춘 것이므로 실제 공동 주택 모델을 이용한 것은 아니며가능한한 분석 조건을 단순화시켰다그리고 이러한 이중 바닥 구조의 모델링은 열원이 되는 온돌 존과 공기층을 각각의 존으로 구성하고이러한 모델링 기법의 검증 및 간단한 다층 모델을 만들어 중간층 세대의 영향을 중심으로 시뮬레이션분석을 수행하였다이상의 다양한 시뮬레이션 분석을 통해 얻어진 주요 결과는 다음과 같다

- 2 -

Abstract

AAA TTThhheeeooorrreeetttiiicccaaalllSSStttuuudddyyyooonnnttthhheeeAAAvvvaaaiiilllaaabbbiiillliiitttyyyooofffaaannnAAAiiirrrLLLaaayyyeeerrriiinnnttthhheeeDDDooouuubbbllleeeFFFllloooooorrrOOOnnndddooolllSSSyyysssttteeemmm

LEE KANG YOUNGDepartment of Architectural Engineering

Graduate School of Inha University

Korean under-floorheating systemOndolhasbeen atargetforinnovationtomeettherequirementsofsustainabledomesticbuildingand low carbon emission energy utilizationSimulation techniquesprovidedesigners and researcherswith powerfultoolsto predictheating loadandthermalbehaviourofOndolsystemsinstalledinvariouscontextsHowevertherearefew studiesonOndolmodelsespecially associated with multi-stories buildings ofwhich typecovers about50 ofKorean housing stockIn this studyweanalyzed the double floor Ondol system on the multi-storiesbuildingsusingtheESP-rprogramOnthebasisofthedoublefloorOndolsystemwesuggestedthe

new modellingmethodthatiscomposedoftheVentzoneandOndolzoneUsingthethismodelsensitivityanalysiswascarriedouttorefine the applicability ofthe modeltaking accountofcontrolconditionsconstructionsairchangeandairflow networkmethodandCFD analysisusing theFLUENTTheairlayerhasenoughtemperature to use in heating zoneIt is suggested that thesimplicityofthemodelwillallow buildingdesignersandmechanicalengineerseasilytoimplementscenario-basedassessmentsofdesignoptionsaswellascontrolstrategies

- 3 -

Laterwewillsimulatetherealbuildingsand analyzetheairdistributionsusingtheFluentaccordingtothevariousconditions

KKKeeeyyywwwooorrrdddsssDoubleFloorOndolSystemMulti-storiesBuildingsVentZoneCFDAnalysisSensitivityAnalysis

- 1 -

---목목목 차차차 ---

제제제 111장장장 서서서 론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot999

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333111EEESSSPPP---rrrmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333222FFFllluuueeennntttmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222000

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333222EEEsssppp---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222888

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222999

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333111

- 2 -

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333333

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666111제제제어어어 인인인자자자의의의 분분분류류류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333777

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444111

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555000

제제제 555장장장 결결결론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555333

참참참고고고문문문헌헌헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555555

- 3 -

---표표표 목목목차차차 ---

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- 4 -

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 1 -

국국국문문문 요요요약약약

이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 방방방식식식의의의 공공공기기기층층층 활활활용용용성성성에에에 관관관한한한 이이이론론론적적적 연연연구구구

仁仁仁荷荷荷大大大學學學校校校 大大大學學學院院院建建建 築築築 工工工 學學學 科科科李李李 康康康 永永永

우리나라는 전통적으로 온돌이라는 바닥난방 방식을 채택하고 있으며주거용 건물 가운데 아파트가 차지하는 비율은 전체 주거의 약 50에 이르고 있다이런한 공동주택과 관련하여 건물의 수명을 늘리고(오픈 하우징)건축 폐기물을 친환경적으로 관리하며에너지 절약형 시스템 개발을 위해 전통적인 습식온돌을 개선한 새로운 온돌 시스템과 운전 방식에 대한 개발과 연구가 활발히진행되어 왔다이에 본 논문에서는 개선된 스마트 플로어 시스템을 활용할 수 있는 방안에

관한 기초 연구를 수행하였으며특히 난방 운전중 하부로 전달되는 열량을 이중 바닥의 공기층을 통해 재이용하는 방안에 중점을 두고이를 ESP-r을 이용한 온돌 모델링 기법을 이용하여 시뮬레이션 분석을 수행하였다본 연구에서는 아직까지 가능성 검증을 위한 기초 단계로 스마트 플로어 시

스템과 같이 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌의 활용 방안에 대한 이론적 분석에 초점을 맞춘 것이므로 실제 공동 주택 모델을 이용한 것은 아니며가능한한 분석 조건을 단순화시켰다그리고 이러한 이중 바닥 구조의 모델링은 열원이 되는 온돌 존과 공기층을 각각의 존으로 구성하고이러한 모델링 기법의 검증 및 간단한 다층 모델을 만들어 중간층 세대의 영향을 중심으로 시뮬레이션분석을 수행하였다이상의 다양한 시뮬레이션 분석을 통해 얻어진 주요 결과는 다음과 같다

- 2 -

Abstract

AAA TTThhheeeooorrreeetttiiicccaaalllSSStttuuudddyyyooonnnttthhheeeAAAvvvaaaiiilllaaabbbiiillliiitttyyyooofffaaannnAAAiiirrrLLLaaayyyeeerrriiinnnttthhheeeDDDooouuubbbllleeeFFFllloooooorrrOOOnnndddooolllSSSyyysssttteeemmm

LEE KANG YOUNGDepartment of Architectural Engineering

Graduate School of Inha University

Korean under-floorheating systemOndolhasbeen atargetforinnovationtomeettherequirementsofsustainabledomesticbuildingand low carbon emission energy utilizationSimulation techniquesprovidedesigners and researcherswith powerfultoolsto predictheating loadandthermalbehaviourofOndolsystemsinstalledinvariouscontextsHowevertherearefew studiesonOndolmodelsespecially associated with multi-stories buildings ofwhich typecovers about50 ofKorean housing stockIn this studyweanalyzed the double floor Ondol system on the multi-storiesbuildingsusingtheESP-rprogramOnthebasisofthedoublefloorOndolsystemwesuggestedthe

new modellingmethodthatiscomposedoftheVentzoneandOndolzoneUsingthethismodelsensitivityanalysiswascarriedouttorefine the applicability ofthe modeltaking accountofcontrolconditionsconstructionsairchangeandairflow networkmethodandCFD analysisusing theFLUENTTheairlayerhasenoughtemperature to use in heating zoneIt is suggested that thesimplicityofthemodelwillallow buildingdesignersandmechanicalengineerseasilytoimplementscenario-basedassessmentsofdesignoptionsaswellascontrolstrategies

- 3 -

Laterwewillsimulatetherealbuildingsand analyzetheairdistributionsusingtheFluentaccordingtothevariousconditions

KKKeeeyyywwwooorrrdddsssDoubleFloorOndolSystemMulti-storiesBuildingsVentZoneCFDAnalysisSensitivityAnalysis

- 1 -

---목목목 차차차 ---

제제제 111장장장 서서서 론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot999

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333111EEESSSPPP---rrrmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333222FFFllluuueeennntttmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222000

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333222EEEsssppp---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222888

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222999

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333111

- 2 -

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333333

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666111제제제어어어 인인인자자자의의의 분분분류류류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333777

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444111

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555000

제제제 555장장장 결결결론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555333

참참참고고고문문문헌헌헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555555

- 3 -

---표표표 목목목차차차 ---

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- 4 -

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 2 -

Abstract

AAA TTThhheeeooorrreeetttiiicccaaalllSSStttuuudddyyyooonnnttthhheeeAAAvvvaaaiiilllaaabbbiiillliiitttyyyooofffaaannnAAAiiirrrLLLaaayyyeeerrriiinnnttthhheeeDDDooouuubbbllleeeFFFllloooooorrrOOOnnndddooolllSSSyyysssttteeemmm

LEE KANG YOUNGDepartment of Architectural Engineering

Graduate School of Inha University

Korean under-floorheating systemOndolhasbeen atargetforinnovationtomeettherequirementsofsustainabledomesticbuildingand low carbon emission energy utilizationSimulation techniquesprovidedesigners and researcherswith powerfultoolsto predictheating loadandthermalbehaviourofOndolsystemsinstalledinvariouscontextsHowevertherearefew studiesonOndolmodelsespecially associated with multi-stories buildings ofwhich typecovers about50 ofKorean housing stockIn this studyweanalyzed the double floor Ondol system on the multi-storiesbuildingsusingtheESP-rprogramOnthebasisofthedoublefloorOndolsystemwesuggestedthe

new modellingmethodthatiscomposedoftheVentzoneandOndolzoneUsingthethismodelsensitivityanalysiswascarriedouttorefine the applicability ofthe modeltaking accountofcontrolconditionsconstructionsairchangeandairflow networkmethodandCFD analysisusing theFLUENTTheairlayerhasenoughtemperature to use in heating zoneIt is suggested that thesimplicityofthemodelwillallow buildingdesignersandmechanicalengineerseasilytoimplementscenario-basedassessmentsofdesignoptionsaswellascontrolstrategies

- 3 -

Laterwewillsimulatetherealbuildingsand analyzetheairdistributionsusingtheFluentaccordingtothevariousconditions

KKKeeeyyywwwooorrrdddsssDoubleFloorOndolSystemMulti-storiesBuildingsVentZoneCFDAnalysisSensitivityAnalysis

- 1 -

---목목목 차차차 ---

제제제 111장장장 서서서 론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot999

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333111EEESSSPPP---rrrmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333222FFFllluuueeennntttmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222000

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333222EEEsssppp---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222888

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222999

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333111

- 2 -

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333333

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666111제제제어어어 인인인자자자의의의 분분분류류류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333777

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444111

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555000

제제제 555장장장 결결결론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555333

참참참고고고문문문헌헌헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555555

- 3 -

---표표표 목목목차차차 ---

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- 4 -

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 3 -

Laterwewillsimulatetherealbuildingsand analyzetheairdistributionsusingtheFluentaccordingtothevariousconditions

KKKeeeyyywwwooorrrdddsssDoubleFloorOndolSystemMulti-storiesBuildingsVentZoneCFDAnalysisSensitivityAnalysis

- 1 -

---목목목 차차차 ---

제제제 111장장장 서서서 론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot999

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333111EEESSSPPP---rrrmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333222FFFllluuueeennntttmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222000

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333222EEEsssppp---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222888

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222999

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333111

- 2 -

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333333

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666111제제제어어어 인인인자자자의의의 분분분류류류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333777

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444111

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555000

제제제 555장장장 결결결론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555333

참참참고고고문문문헌헌헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555555

- 3 -

---표표표 목목목차차차 ---

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- 4 -

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 1 -

---목목목 차차차 ---

제제제 111장장장 서서서 론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot666

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot999

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333111EEESSSPPP---rrrmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot111666

222333222FFFllluuueeennntttmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222000

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222666

333222EEEsssppp---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222888

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot222999

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333111

- 2 -

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333333

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666111제제제어어어 인인인자자자의의의 분분분류류류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333777

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444111

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555000

제제제 555장장장 결결결론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555333

참참참고고고문문문헌헌헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555555

- 3 -

---표표표 목목목차차차 ---

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- 4 -

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 2 -

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333333

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666111제제제어어어 인인인자자자의의의 분분분류류류 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333666

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot333777

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444111

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot444777

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555000

제제제 555장장장 결결결론론론 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555333

참참참고고고문문문헌헌헌 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot555555

- 3 -

---표표표 목목목차차차 ---

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- 4 -

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 3 -

---표표표 목목목차차차 ---

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot6

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot14

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot15

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot29

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot30

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot32

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot34

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot35

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot36

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot41

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot42

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot44

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

- 4 -

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 4 -

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 5 -

---그그그림림림 목목목차차차 ---

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot3

그림 1-2연구 방법 및 순서 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 1-3논문 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot5

그림 2-1ESP-r사용 예middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot17

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot18

그림 2-3FLUENT의 구성 개요middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-4GAMBIT 형상middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot21

그림 2-5문제 해결 단계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot22

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot27

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-5ESP-r벤트 존 모델 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot28

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot31

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot33

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot37

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot39

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 6 -

그림 3-10개폐식 펄스제어방법 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot40

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot43

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot45

그림 4-1건물 모델 기본 개념도 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot49

그림 4-2온도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

그림 4-3기류속도 분석 결과 middotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddotmiddot51

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 7 -

---기기기호호호설설설명명명 ---

알알알파파파벳벳벳 기기기호호호 (Nomenclature)

정압비열JkgmiddotKg중력 가속도ms2 열 전도율Wmk난류 운동에너지WmKT 온도(K) 열원Jst시간sec 속도msp압력N

그그그리리리스스스 문문문자자자 (Greek Letters)

liquidfraction 난류 운동에너지 소산율 밀도kg 동력학 점성계수kgms Prandtl number

하하하첨첨첨자자자 (Subscript)

itensorjtensork tensor

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 1 -

제제제 111장장장 서서서 론론론

111111연연연구구구 배배배경경경 및및및 목목목적적적

우리나라의 대부분의 주거용 건물에 사용되는 온돌은 바닥복사난방 방식의일종으로 그 열원으로 온수가 주로 사용되고 있다그리고 온돌에 관한 관심의증가와 다양한 신재생 에너지 시스템과의 접목 그리고 실내 공간의 유연성 확보건물의 장수명화 등을 위해서는 기존의 온돌 구조는 많은 문제점을 내포하고 있다이러한 기존의 온돌 구조가 갖는 문제점을 해결하기 위한 방안으로 최근 건식 기법을 이용한 바닥복사난방 방식에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다이는 시공이 편리하고다양한 건물의 공간 구성 및 변경에 쉽게 대처할 수있으며문제 발생시 쉽게 해결할 수 있는 장점을 갖는다1)한편 주거용 건물의 자원절약형 오픈하우징(장수명화)및 재생을 위해서는

먼저오픈하우징 건축기술의 기본 개념인 구조재(SkeletonSupport)와 가변형(Infill설비재내장재 등)부문이 분할되어 독립적인 기능과 역할을 수행하여야 하고투입재료는 3R(ReduceReuseRecycle)이 가능한 소재로 하는 것이바람직할 것이다이러한 오픈하우징의 기술적 측면에서 바닥시스템은 그 내부에 내장형 배선 분배시스템(EmbeddedInformationElectricLineSystem)등정보화(IT)시스템에 쉽게 대응할 수 있는 lsquoAccessTypersquo의 시스템으로 구현되며이때 AccessType의 바닥시스템은 다기능(정보화시스템 대응수납공간의효율성 제고 등)과 고성능(에너지절감효과바닥충격음차단성능 향상 등)을 지닌 복합시스템으로 개발되어야 할 것이다또한FreePlan공동주택의 경우방과 거실의 공간변화 또는 실 용도의 변화는 난방 설비인 온돌에 의해 크게영향 받지 않으나 욕실이나 주방과 같이 급배수가 필수적으로 요구되는 공간의가변성에 대해서는 현행 습식 온돌 구조는 기술적 대안을 갖추고 있지 않다따라서 많은 문제점을 지니고 있으나 개선에 한계를 보이고 있는 습식 온돌 구조는 공법재료시스템 구성 등 시스템 전반에 걸쳐 대체 기술개발이 필요하게

1)서승직건축설비계획일진사2006pp349-357

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 2 -

된 것이다2)이러한 제반 여건을 감안하여 최근 한국건설기술연구원을 중심으로 개발된

일명 lsquo스마트플로어rsquo는 뜬바닥 구조 즉내부에 공기층을 포함한 이중 바닥 구조를 갖는 건식 온돌 방식을 취하고 있다한편 2002년 신 등의 연구에서 다층형 공동주택의 중간층의 경우난방하는

세대에 공급되는 에너지 가운데 약 22가 인접한 아래층으로 이동한다는 결과를 발표한 바 있으며이는 바닥면의 구조와 밀접한 연관이 있는 것으로 판단되어진다3)

따라서 본 논문은 이러한 인접한 세대로 이동되어지는 에너지를 이중 바닥구조의 공기층에서 재취득하여 난방하는 세대에서 재이용하기 위한 방법론을이론적으로 제시하고자 한 것이다본 논문의 연구를 통하여 공동주택의 개별난방 방식을 통한 난방 에너지 요

금 산정시 난방비에 책정에 대한 새로운 기준안을 제시할 수 있을 뿐만 아니라하부 및 상부 세대로 이동하는 에너지 비율을 정량적으로 산정하는 방법론을제시함은 물론 바닥 슬래브의 구조 및 측면 인접 세대의 벽체 구성에 대한 보다 심도깊은 연구에 대한 방향을 제시할 수 있을 것으로 사료된다

2)강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제8호pp43-57

3)신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대한 건축학회논문집18권 1호

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 3 -

그림 1-1은 본 논문의 연구 배경 및 목적 그리고 기대 효과에 관한 기본 개념도를 나타낸 것이다

그림 1-1연구 배경 및 목적 그리고 기대효과

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 4 -

111222연연연구구구 방방방법법법 및및및 범범범위위위

본 연구 목적을 위해 먼저 선택된 개량 온돌 구조의 구성(construction)에 대한 분석을 수행하였으며또한 다양한 온돌 구조에 대한 민감도 분석을 통해 이러한 응용이 가능한 것인지에 대한 구체적인 검토를 시뮬레이션을 통해 분석하였다이러한 다양한 온돌 구조체 구성을 통해 얻어진 최적의 온돌 구조를 이용하

여 몇 가지 변수들에 대한 열적 성능을 중심으로 ESP-r을 이용한 시뮬레이션분석을 수행하였다그 중 본 시스템의 온돌 구조체 하부의 가열된 공기를 실내로 유입시킴으로 얻을 수 있는 효과에 관한 분석을 중심으로 연구를 진행하였으며이는 온돌 구조에 따른 하부로의 열전달율을 최소화하고 이를 해당 존에서 최대한 이용하기 위함이다그러나 본 연구는 선행 연구를 통해 검증된 ESP-r의 온돌 조닝 모델링 기법

(Ondol-ZoningModellingMethod)을 이용한 시뮬레이션 분석에 한정된 것으로추후 본 연구를 통해 얻어진 최상의 경량 온돌 구조체에 관한 실측 실험을통해 다양한 변수들에 대한 정밀한 분석이 수행되어야 할 것이다추가적으로 ESP-r을 통해 얻어진 결과를 통해 내부 공기층에서의 유체 유

동 및 열교환에 따른 에너지 수급효과를 분석하기 위하여 FLUENT50을 이용한 CFD분석을 통해 최적의 공기층 구조에 대한 간단한 분석을 병행하였다

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 5 -

이상의 연구 방법 및 범위에 대한 순서도는 그림 1-2와 같다그리고 그림1-3은 본 논문의 전체적인 구성을 나타낸 것이다

그림 1-2연구 방법 및 순서 그림 1-3논문 구성

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 6 -

제제제 222장장장 선선선행행행 연연연구구구 및및및 응응응용용용 프프프로로로그그그램램램 분분분석석석

222111선선선행행행 연연연구구구 분분분석석석

온돌에 관한 연구는 매우 많이 수행되어 왔으며과거에는 습식 온돌에 관한실측 실험과 고급 언어를 이용한 수치해석 연구가 대부분이었으나최근에는습식 온돌뿐만 아니라 건식 온돌에 대한 연구가 크게 증가하고 있으며또한 상용 프로그램(TRNSYSESP-r등)을 이용한 연구도 활발히 수행되고 있다표2-1은 지금까지 국내에서 발표된 선행 연구 내용을 분석 정리한 것이다

표의 내용을 통하여 온돌 연구의 전체적인 방법론 및 시대별 연구 동향에 관하여 알 수 있을 것이다

표 2-1온돌 연구에 관한 연구 사례

논문 제목 연구방법 연구자 년도 연구

내용온돌건식화 방안에관한 조사연구 실험 김봉래

외 5명 lsquo8612 -온돌층 두께축소

적정온돌 구조체선정을 위한 실험연구 실험 대한주택

공사 lsquo886 -자갈층 두께 축소-부위별 배관피치 조정

수치해석에 의한온수온돌의 열성능

연구수치해석 서승직 lsquo9010

-온수온돌의 적정규모산정과 설계를 위한 열성능

분석잠열재를 이용한바닥난방방식 연구 실험 백춘기

외 2명 lsquo9012 -축열재로 잠열재 사용-심야전력이용난방

온수온돌의 적정바닥구조체 선정에 관한

연구시뮬레이션 석호태 lsquo912 -바닥구조체 설계조건별

열성능 파악

온돌층 두께 및온수공급조건에 따른온소온돌 바닥의열특성에 관한 연구

실험 및시뮬레이션

정광섭 lsquo9112 -공급온수온도별 실온 및바닥온도 분포상태 파악

대체자재 및 공법 개선연구(온돌 축열층 실험 김성완

외2명 lsquo926 -온돌두께 축소-자갈층 삭

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 7 -

공법개선) -몰탈 50mm만으로 시공방안제시

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(I)

수치해석

오병칠외 1명 lsquo941

-유한차분을 이용한 다양한설계변수에 따른 바닥표면의평균온도와 방열량에 대한

함수관계 정의

온수온돌의 전열 특성및 방열량 산정에 관한수치적 연구(Ⅱ)

실험 및시뮬레이션

오병칠외 2명 lsquo949

-온수온돌의 전열 현상 파악-간헐운전에 영향을 미치는주요한 설계인자를 비교

분석공동주택의 열공기환경 개선 및최적난방 시스템의

개발연구시뮬레이션

한국과학재단 lsquo949 -공동주택의 열공급 방식의

제안

온돌난방시스템의제어성능에 관한실험연구

실험 이승복 lsquo9512-혼합밸브에 의한

공수공급온도를 제어하는방식을 대상으로 실험을통하여 제어성능 비교 평가

온돌난방시스템의 적정운전조건 설정에 관한

연구실험 및시뮬레이션

안병욱외 1명 lsquo964

-적정 축열층 두께와적정온수공급조건 설정 분석-외기온소요온수온도난방시간과의 관계식 제안

온수온돌 난방시스템의적정난방시간과 축열층두께에 관한 연구

시뮬레이션

신용태외 2명 lsquo964

-효율적인 운전조건 분석-간헐난방시 1일 난방시간과외기온과의 관계 회귀식

제안공동주택 바닥난방시스템의 성능개선

연구실험 및시뮬레이션

조동우외 1명 lsquo9612

-실용적으로 개선 가능한시스템의 제안

-기술적 기준 제시

온돌시스템 개발연구 실험 김성완외 2명 lsquo969 -시스템 구성 및 성능검증을

통해 개발안을 제시공동주택 온돌난방구조체의 구성 요소별열성능 평가 및개선연구

시뮬레이션

강재식외 1명 lsquo974 -온돌난방구조체에 대한

전열특성 분석

공동주택 온수온돌바닥복사 난방시스템의온수온도 제어방법에

관한 연구

수치해석 및시뮬레이션

여명석외 2명 lsquo983

-multizone에 대한온수온도 및 유량 동시제어

방버의 이론 정리-실온 및 바닥온도의 안정성

비교공동주택

바닥난방시스템 개발실험 및시뮬레

김성완외 5명 lsquo995 -고품질의 바닥난방

시스템을 개발하고 실용화

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 8 -

및 실용화 연구 이션 위한 기술정립에너지 절약형

온돌난방 시스템의실용화

홍천화외 2명 lsquo006

-온수분할공급 방식을포함한 온돌난방 시스템의

적정안 제시유리바닥을 이용한

경량 건식온돌시스템의 개발에

관한 연구실험 박성홍

외 3명 lsquo0110 -축열재가 없는 유리온돌과기존온수온돌을 비교분석

공동주택건식온돌시스템의

요구성능에 관한 고찰이론 전명훈

외 2명 lsquo0210-건식온돌시스템의

요구성능과 성능 항목별평가

이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능

평가실험 최경석

외 4명 lsquo0510 -보행시의 바닥경도의정량적 평가

건식이중바닥온돌시스템 개발을위한 실험적 연구

실험 김난행외 1명 lsquo063 -건식이중바닥 온돌의 실내

온열환경 및 쾌적성 평가

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 9 -

222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조

본 논문의 분석 대상에 되는 건설기술연구원에서 개발한 이중 바닥 온돌 구조는 다음과 같은 특징을 지니고 있다4)

222222111기기기본본본 구구구성성성

이중 바닥 온돌 구조는 lsquo가변형(Infill)rsquo개념의 이중 바닥 구조와 면발열 방식의 모듈화 패널 온수 순환 시스템으로 구성된다

111)))온온온수수수순순순환환환시시시스스스템템템모듈화 패널 방식의 온수 순환 시스템은현행 온돌시스템에서 필수적으로

구성되는 온수 순환용 매설배관을 대체하여 모듈화middot유닛화된 패널면 전면에 온수가 순환하도록 함으로써 바닥벽체천장 등 어느 곳이든 설치가 가능한 패널 전면이 온수순환의 기능과 방열면의 역할을 수행할 수 있는 가변형(Infill)방식의 온돌 시스템이다

222)))이이이중중중 바바바닥닥닥 구구구조조조건물의 장수명화를 위한 lsquoFreePlanrsquo설계 기술과 연계하여 공간의 가변성을

수용할 수 있으며바닥 시스템 내부에 접근이 가능한 lsquoAccessTypersquo그리고에너지 성능바닥 충격음 차단성능 등 최근 의무화 기준과 거주자의 요구 성능(정보화 시스템 대응수납공간의 확보 등)을 만족시킬 수 있는 구조로서 이중바닥 구조를 적용하고 있다

222222222이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 성성성능능능

111)))구구구조조조성성성능능능상판의 구조해석과 실험의 결과하중조건 100kgf조건에서 개선 구조에서

4)강재식 외 1명 (2005)

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 10 -

기존 구조와 동등 이상의 강도를 구현하였으며이중 바닥 구조를 시공하고 사람의 발모양을 형상화한 가압자를 이용하여 지속적으로 하중을 가하여 100만회까지 테스트 후 이상 유무 검사한 결과20년 이상의 내구성을 지닌 것으로나타났다

222)))보보보행행행감감감 평평평가가가스마트 플로어 시스템과 습식 온돌시스템에 대한 보행감 평가는(1)주부를 대상으로 설문 조사를 실시한 감성적 보행감 평가와(2)일본 방음바닥재공업회의 ldquo방음 바닥재 물성 시험 규격(1996)-보행시의 바닥 경도시험 방법rdquo에 의거한 정량적 평가 방법을 실시하였다

감성적 보행감 평가는 다음과 같이 실시하였다(1)평가내용 습식 온돌과 바닥 탄성도 및 피로감(장시간 보행시)비교 평

가(2)보행감 감성 평가 척도 7점 척도(① 대단히 부적합하다 ② 아주 부적합하다 ③ 조금 부적합하다 ④ 어느쪽이라고도 말할 수 없다 ⑤ 조금 적합하다 ⑥ 아주 적합하다 ⑦ 대단히적합하다)(3)참여인원 주부 42명(4)평가 장소 대전 삼성동 A건설 시공현장(1층스마트 플로어시스템2층습식온돌적용)

보행감 및 피로 경감성에 대한 정량적 평가는 다음과 같은 시험 방법을 사용한다(1)질량 40kg추를 고무 스프링에 접한 상태에서 낙하시켜인간이 보행할때와 동등한 하중을 시험체 바닥에 재하

(2)바닥의 거동을 로드 셀과 동적 변위계로 측정(3)하중시간곡선 및 변형시간곡선으로부터최대 변형 시점까지의 하중변형곡선(변형에너지)등의 제반 물리량 도출

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 11 -

(4)보행감 및 피로 경감성 관점에서 바닥의 경도를 나타내는 물리량 산출(5)산출된 물리량을 평가 지표에 조회하여 대상 시험체의 보행감 및 피로경감성 평가

감성적 보행감 평가에 따른 선호도 조사결과기존 습식 온돌에 대비하여 이질감이 없는 것으로 판단되었으며정량적 평가 결과는 ldquo일본방음 바닥재 공업회rdquo시험 규격에 의거 보행감이 허용범위의 수치에 들어오는 것으로 평가되었다

333)))전전전도도도(((傳傳傳導導導)))충충충돌돌돌시시시 안안안정정정성성성 평평평가가가전도 충돌시 안정성 평가는 JISA 6519[育館用鋼製床下地構成材]-Head

Model시험방법을 사용하여 8mm두께 고무판을 매개로 HeadModel을 자유낙하(낙하속도 V=2msec)시켰을 때 장치에 부착된 가속도계에 발생하는 최대가속도(G값)를 측정하여 대상 시험체에 대한 전도 충돌시 안전성 관점에서의바닥경도(쿠션)평가를 수행하였다시험체는 보행감 시험과 동일 시험체에서측정을 수행하였으며전도 충돌시 두부의 안정성 평가 결과전도시 안전한 것으로 평가되었다

444)))건건건축축축자자자재재재 오오오염염염물물물질질질 방방방출출출량량량 성성성능능능 평평평가가가건축자재 오염물질 방출량 성능 평가는 방출시험 챔버 내의 공기 농도통과

한 공기의 적산 유량 및 시험편의 표면적을 구하여 시험 대상 건축재료의 단위면적당 휘발성 유기화합물 및 포름 알데히드의 방출량을 결정하는 방법을 적용하였으며일정한 온도상대습도 및 환기량 조건을 가진 방출 시험 챔버 내에서 공기를 완전하게 혼합시키고출구에서 포집된 공기에서 방출 시험 챔버 내부의 공기 농도블랭크 농도 및 환기량을 파악하여특정시간 t에 관한 단위표면적당의 휘발성 유기 화합물(VOCs)및 포름 알데히드의 방출량을 산정하였다측정결과친환경 -4등급에 해당하는 것으로 평가되었다

555)))바바바닥닥닥충충충격격격음음음 차차차단단단성성성능능능 성성성능능능평평평가가가공동주택의 바닥 충격음과 관련하여 종전에는 구체적 기준을 두지 아니하였

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 12 -

던 것을주택건설 기준 등에 관한 규정을 2002년 4월 22일 개정하여 경량 충격음은 58dB이하중량 충격음은 50dB이하로 바닥 충격음에 대한 기준(주택건설기준 등에 관한 규정 제 14조 제 3항)이 제정되어이에 이중 바닥 온돌 구조가 공동주택 등에 적용되기 위해서는 차음성능 즉바닥 충격음 차단성능의 확보가 중요한 내용 중에 하나이다바닥 충격음 성능평가는 바닥 충격음 실험동에서 슬라브 두께 150mm와

180mm를 대상으로 실시하였고실제 공동주택에서 현장 실험을 병행 실시하였다이중 바닥 온돌 구조는 총 4개 type에 대해 성능 평가를 실시하였는데Type1과 Type2는 동일 구성에서 슬라브 두께가 각각 150mm와 180mm이며Type3과 Type4는 지지각의 높이가 약 30mm 낮은 모델로 구성되어 있다바닥 충격음 차단성능 평가 결과경량 충격음은 슬라브 두께가 증가할수록

충격음 차단성능도 향상되는 것으로 나타났으며동일한 Type에서 최종 마감재는 온돌마루보다 륨 류가 다소 우수한 성능을 지닌 것으로 나타났다중량 충격음은 최종 마감재 변화에 따른 성능 변화는 없었으며슬라브 두께가 증가할수록 충격음 차단 성능이 향상하는 것으로 나타났으며특히 150mm 슬라브에서 48dB180mm 슬라브에서는 46dB까지 나타나 관련 기준에서 요구하는중량 충격음에 대한 성능을 확보하였음을 알 수 있다

666)))현현현장장장 열열열성성성능능능 평평평가가가열성능 평가는 2005년 2월부터 4월까지 실제 공동주택 2개 세대에서 진행되

었으며실험 대상 공동주택은 난방면적이 26평형이며거실과 두 개의 방주방 및 부엌으로 구성됨1개 세대는 습식 온돌시스템이 대한주택공사 표준 시방에 따라 설치되었고다른 세대에는 이중 바닥 온돌 구조가 설치되었다열성능 실험의 주요 내용은실내온도를 24로 일정하게 유지하는 조건에서(1)60의 동일 온수를 습식 온돌과 개발 시스템에 공급할 경우(2)보일러의 최저 난방 설정온도로 온수를 공급할 경우(3)습식 온돌 시스템이 설치된 세대는 60로 공급하고 개발 시스템이 설치

된 세대는 최저 설정온도로 공급하는 실험으로 이루어졌다

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 13 -

두 세대의 공급 온수 온도의 경우 변화 결과습식 온돌과 개발 시스템에 공급되는 온수온도는 60 내외로 거의 유사하게 나타났다일일 중 일몰과 함께외기온이 하강하여 실온이 설정온도보다 낮아짐으로서 보일러가 가동되는 17시를 중심으로 두 세대의 공급온수 변동패턴을 살펴보면습식온돌은 보일러가동 후 약 60분 이상 지속적으로 온수공급이 발생하는 것으로 나타났고개발시스템은 20분 내외에서 짧고 연속적인 공급이 이루어지는 것으로 나타났다전체적으로 개발 시스템은 짧은 시간동안 온수 공급이 이루어지고 가동 회수는약 2배 정도 증가하는 것으로 나타났다동일 실온을 유지하는 조건에서 보일러의 공급온도를 습식온돌은 60로 설

정하고이중 바닥 온돌 구조는 45로 15 낮게 설정하여 난방한 경우스마트 플로어 시스템이 적용된 세대의 에너지 소비량은 습식 온돌 세대에 비하여약 35까지 낮게 나타났다

222222333국국국내내내외외외 관관관련련련기기기준준준 분분분석석석

현재 국내의 건식온돌 관련규격은 1994년 및 1996년에 제정된 KSF3703(조립식 온돌판넬 ldquo)과 KSM 3497(재생플라스틱 온돌 배관 패널rdquo)의 규격이제정되어 있으나 그 성능항목과 기준이 불명확하고바닥부재로서의 건식 온돌시스템에 대한 고려가 전혀 없어 거주자의 요구수준을 충족시키기에는 매우미흡한 것으로 파악되었다이는 건축물의 부위별 요구 성능 및 성능기준에 대한 명확한 정립 없이 특정 제품들의 특징만을 규격에 반영한 결과에 의한 것으로 생각된다따라서 향후 건식온돌 시스템의 실용화를 위해서는 우선적으로바닥부재의 요구 성능을 기초로 한 성능평가 방법 및 기준에 대한 체계적인 규격의 재검토가 필요하다한편 일본에서는 2001년 3월에 BL((재)BetterLiving))인정기관에서 ldquo냉 난

방시스템바닥난방유니트(BLSHS-B-b-8)을 공표하여 바닥난방시스템에 대하여 체계적이고 세부적인 성능평가 시험방법 및 기준을 제시해 두고 있다하지만 이 규격의 내용은 일본의 전형적인 이중마루 뜬구조에 대한 기준으로서

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 14 -

우리나라의 온돌구조 방식과는 다소 차이가 있기 때문에 국내의 온돌구조에 직접 적용하기 위해서는 국내 실정에 맞게 검토수정되어야 할 것으로 판단된다

한국 일본

1963 ISO가입

1952 ISO가입

1968일본 건축센터주택성능

표준원안 작성건축부위별 JIS원안 작성시작

1972건설성 건축연구소

공업화주택평점기준안 작성

65~lsquo73건설성 건축연구소재료설계에 관한

연구(재료설계위원회)

1973성능관련 JIS규격 제정 (JISA1414및 JISA 0030)건설성공업화 주택의 성능 인정

개시

76~lsquo77 성능관련 KS규격 제정(KSF1010및 KSF2273) 1975

건축센터내 우량주택부품전시코너 개설 (BL인정 업무

개시)

1981 건설부주택성능에 관한 연구발표 1987 우량주택 부품인정제도 업무

이관 (건설성rarrBL인정기관)

1996 대한주택공사공동주택부위별 성능기준 작성연구

1990小野英哲에 의한 건축물

바닥에 요구되는성능분류체계

1997건설교통부건설기술진흥기본계획 발표 (설계기준재료규격 표준화 포함)

1999 건설성주택의 품질확보촉진등에 관한 법률제정

2002대한주택공사공동주택의건식온돌시스템 성능기준(안)

작성 연구2001 BL인정기관의 건식온돌바닥

시스템 관련규격 공표

표 2-2주택성능 관련연구 및 제도 비교 (한국 및 일본)

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 15 -

구분 열원

열원별전기식 면상 또는 선상의 전기 발열체온수식 개별난방 또는 지역난방 등의 온수

마 감 체시 공방 법 별

완전 건식 패널부터 최종마감재 모두 건식시공

반건식 온돌패널을 건식으로 시공 후습식(모르터)으로 상부마감

용도별신 축 단열충격 완충층 설치 필요

급수급탕배관 설치 공간의 확보개보수 기존 온돌층 위에 얇은 두께로 설치

형태별배관 분리형 온돌패널을 조립한 후 난방 배관을 패널에

고정배관 일체형 난방온수가 순환할 수 있는 내부구조

표 2-3국내 건식온돌 시스템의 분류 현황

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 16 -

222333응응응용용용 프프프로로로그그그램램램

본 연구를 위해 사용된 응용 프로그램인 ESP-r과 Fluent프로그램들에 대하여 살펴보도록 한다

222333111EEESSSPPP---rrr555)))666)))

건물에너지 해석 프로그램이 본격적으로 멀티 존(multi-zone)의 해석과 건물외피에서부터 열원 플랜트까지의 통합적인 해석이 가능해진 형태로 나타난것은 1970년대 후반부터이며 현재 국내에는 미국의 DOE TRNSYSEergyPlus및 일본의 HASP영국의 IES_VEESP-r등 많은 종류의 동적 건물에너지 해석 프로그램이 도입되어 사용되고 있다최근 선진국의 건물에너지해석 프로그램의 개발 동향은 건물에서 발생하는 복합적인 열 에너지 현상을보다 실제적이고 정밀하게 해석되도록 하는 것과 과거에는 분리되어 수행되었던 자연채광 및 공기유동해석 등을 하나의 패키지에서 통합화하는 것에 역점을두고 있다이러한 경향은 대용량 고속처리그래픽 기능의 강화 등 최근 컴퓨터 기술의 발달과 더불어 더욱 가속화되고 있다 이 가운데ESP-r(EnvironmentalSystemsPerformancer은 research를 의미)은 영국의글라스고에 위치한 스트라스클라이드 대학의 ESRU(Energy SystemsResearchUnit)에서 유럽 기준 건물 시뮬레이션 프로그램(EuropeanReferenceBuildingSimulationProgram)으로 개발되었으며현재 세계적으로 60여개 이상의 대학연구소컨설팅회사에서 사용되고 있으며그림 2-1은 ESP-r의 한사용 예이다ESP-r은 실제의 상황을 정밀하게 시뮬레이션하고그 정확도는 현행 국제

적인 건물에너지 시뮬레이션 분야의 최고 수준을 유지하고 있다건물 열에너지에 영향을 미치는 모든 요소를 동시에 고려할 수 있도록 되어 있어ESP-r은

5)httpwwwesrustrathacuk6) Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design (2nd Edn)LondonButterworth-HeinemannISBN0750650826

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 17 -

설계자에게 건물의 형상외피설비와 제어방법 등의 결합에 의해 발생하는 복잡한 관계를 사전에 파악하게 해준다또한 ESP-r은 해석하고자 하는 건물의 기하학적 데이터건물의 구성재료

거주자 및 운전관련 설정 자료침기(infiltration)및 실간의 공기 이동 등 자료를 그림 2-2의 lsquoProjectmanagerrsquo라는 툴을 통하여 입력하게 된다입력된 자료는 기상조건 변화실내환경조건플랜트의 종류 및 제어의 방법 등과 연결되어설정된 시간 단위로 유한체적 및 에너지 보존의 법칙에 의거한 각종 열방정식들에 의해 해석이 된다

그림 2-1ESP-r사용 예

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 18 -

그림 2-2ESP-rProjectManager및 기본 화면 구성

ESP-r은 AutoCAD를 포함한 각종 CAD프로그램의 건물 좌표 데이터와 호환이 되며각 지역의 기상데이터건물재료의 물성자료각종 설비 등과 관련한 데이터베이스를 풍부하게 구축하고 있으며 해석결과를 그래픽데이터를 중심으로 다양하게 출력하는 기능이 내장되어 있다ESP-r은 소형주택에서 아트리움을 가진 대형 상업용 건물 및 실간 공기의

이동을 고려한 에너지 해석 등 광범위한 영역의 건물에너지 해석 프로젝트를수행할 수 있으며 여러 번의 국제적인 프로그램 검증 프로젝트에서 인정을 받은 바 있다최근 더욱 강화된 기능으로는 다른 건물 환경관련 프로그램과의 호환성의

강화를 들 수가 있다AutoCAD와 같은 CAD프로그램과의 데이터 호환은 물론미국 로렌스버클리 연구소의 Radiance(실내 자연채광 및 조도해석 프로그램)전산유체해석(CFD)프로그램인 Phoenics와도 상호 입력치의 교환이 가능하도록 개발되어 졌다ESP-r의 여러 특징 중 대표적인 몇 가지를 소개하면 다음과 같다① ESP-r은 입력 및 출력의 전단계에서 그래픽 지원이 되며플랜트나 유체

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 19 -

해석에 따른 네트워크의 설정을 위해서 아이콘화된 그래픽 기능이 제공된다② 시뮬레이션 수행에서 요구되는 각종 데이터(건축재료플랜트 구성요소

유리창의 광학적 물성풍압계수기상 데이터 등)를 온라인 테이터베이스를 통해 제공한다③ 전문 사용자들이 프로그램의 기능 확장 또는 정확도를 높이고자할 경우

실험 또는 측정데이터를 이용한 대체 알고리즘 적용이 가능하다EPS-r은 각해석모듈의 sourcecode가 기술영역 단위로 분리 제공됨으로 전체 알고리즘의이해가 없이도 원하는 기능만을 대체하거나 수정하는 것이 가능한 구조로 되어있다즉연구자가 플랜트의 모델링에 관심을 갖고 있다면 단지 플랜트부분의sourcecode만을 이해하면 된다④ ESP-r은 건물에서 발생하는 열 현상의 해석이 실제 현상과 유사하게 해

석될 수 있도록 되어 있으며사용자의 의도에 따라 시스템의 설정이 가능한 구조이다예를 들어 시스템 운전을 위한 제어알고리즘을 설정할 때 센서의 위치설정동작 및 반응의 프로세스를 설계자의 의도대로 구성할 수 있으며 HVAC설계에 있어서도 임의의 프로세스를 구성하는 것이 가능하다⑤ ESP-r은 각 해석모듈이 에너지 보존의 법칙에 근거하여설정된 시간단

위별로 통합 처리하는 시간단위별로 통합 처리하는 구조로 되어 있어시뮬레이션 과정에서 에너지 및 질량의 흐름이 연속적으로 추적되며기상의 변화건물 거주자의 행위변화각종 제어수단의 유체흐름의 변화(예를 들어 댐퍼밸브창 및 문의 개폐 정도)등을 고려한 에너지해석이 가능하다

현재 EPS-r은 연구용으로 사용 자격을 주고 있으며ESRU홈페이지를 통해 무상으로 얻을 수가 있다예전의 ESP-r은 UNIX워크스테이션에서 운용되며 SUN또는 SiliconGraphics가 사용 가능하였으나최근에는 Window 버전이 개발되었으며꾸준히 업그레이드 되어지고 있다ESP-r교육을 위한 기초과정이 일년에 2차례 실시되며전문과정이 1년에

한번 개최된다또한 인터넷을 통하여 ESP-rUserGroup에 등록하여 사용자들간에 정보를 교환할 수도 있으며Strathclyde 대학의 ESRU 홈페이지(httpwwwESRUstrathacuk)에 접속하면 ESP-r에 관한 상세한 정보 및 관

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 20 -

련 매뉴얼 및 각종 연구 문헌들을 다운로드 하거나 볼 수 있다또한 ESP-r은Multi-tasking이 가능하도록 되어 있어 건물데이타의 입력시뮬레이션의 실시결과물의 해석 및 출력 등이 하나의 화면에서 처리가 가능하다또한 모든 입력자료에 대한 온라인 help기능초보자를 위한 tutorial기능이 내장되어 있다

222333222FFFllluuueeennnttt777)))888)))

FLUENT는 유한체적법(FVM)에 의한 범용 CFD(ComputationalFluidDynamics)코드로써유동의 흐름과 열전달 등과 같은 복잡한 기하학적 현상을모델링하기 위한 첨단 컴퓨터 프로그램이다FLUENT는 일정하지 않은 유동문제를 해석하는데 있어서 복잡한 형상문제를 비교적 쉽게 해결할 수 있도록완전한 mesh유연성을 가지고 있다지원되는 mesh의 종류는 2차원일 때 삼각형사각형3차원일 때 4면체5면체6면체피라미드쐐기그리고 혼합 mesh가 있다또한 유동해석에 적합하고 복잡하게 격자를 배열한다이러한 적합하고 복잡한 격자 배열은 특히 자유전단면과 경계층과 같은 큰 변화를 가지는 유동영역을 정확히 예측하는데 매우 유용하다그러나FLUENT에서 유동장 형태의 변화를 해석하기 위해서는 모든 종류의 mesh를 적용시킬 수 있지만FLUENT가 아닌 GAMBITT-Grid또는 CAD를 이용하여 초기 mesh를 만들어야 하는 단점이 있다

7)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume18)FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume2

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 21 -

FLUENT의 기본구조는 다음과 같다

다음은 격자를 구성하는 프로그램인 GAMBIT의 형상을 나타낸다

그림 2-4GAMBIT 형상

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 22 -

FLUENT에서 문제를 해석하는 과정은 다음과 같다

FLUENT는 격자와 Boundary를 형성하는 Pre-Processor와 유한체적법에의한 Iteration을 통해 내부계산을 수행하는 Solver그리고 계산되어진 결과를Display하는 Post-Processor의 3가지 Part로 구성되었다그림 2-3은 이런한FLUENT의 구성을 간략하게 표시한 것이다FLUENT를 이용하여 해석하고자하는 문제의 중요한 형상이 결정되었다면 다음의 기본적인 절차에 따라서 해석을 수행해야 한다

그림 2-5문제 해결 단계

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 23 -

Fluent는 유체 해석 프로그램으로서 다음과 같은 기능을 가지고 있다

bull 2차원과 3차원 흐름의 기하학은 프리즘이나 피라미드를 포함하여삼각형사각형4면체6면체또는 혼합된 격자 등과 같은 일정하지 않은 Solution-adaptive를 이용

bull 비압축성(Incompressible)흐름과 압축성(Compressible)흐름bull 정상(Steady)또는 비정상(Unsteady)유동 해석bull 비점성(inviscid)층류(laminar)와 난류(turbulentflows)bull Newtonian또는 Non-newtonian유동bull 자연대류와 강제대류를 포함한 대류bull 상호간 전도대류 열전달bull 열전달 및 방출bull정지하고 있거나 회전하는 frame모델bull Sliding mesh interfaces와 RotorStator의 상호작용 모델링에 대한Mixingplanes를 포함한 다수의 움직이는 frame

bull 연소와 표면 침전반응 모델을 포함한 화학물질 혼합과 반응bull 연속적 phase을 가지는 결합을 포함하여 입자들작은 방울기포와같은 흩어진 phase에 대한 Lagrangiantrajectory계산

bull 다공성 매체를 통한 유체 유동bull 1차원 Fanheat-exchanger실행 모델bull Cavitation을 포함한 two-phaseg흐름bull 복잡한 표면상태인 자유표면 흐름

FLUENT는 이러한 능력을 바탕으로 기하학적으로 복잡한 유체유동을 이상적으로 시뮬레이션함으로서 조선 및 항공우주자동차를 비롯하여 반도체와 공해에 관련한 환경 분야 등 다양한 분야에서 적용되고 있으며국내에서도 연구소를 비롯하여대학 및 기업체 등에서 기존의 많은 시간과 비용이 소요되는 실험에 의존하여 측정하던 물리적 현상에 대한 예측과 측정하기 어려운 복잡한형상에 대한 유체 유동을 계산하는데 널리 사용하고 있다

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 24 -

기기기본본본 방방방정정정식식식

Fluent의 유동계산부는 ReynoldsAveragedNavier-Stokes방정식과 난류모델링 방정식을 수치적으로 풀어나간다직각격자(Cartesiancoordinate)상에서 평균류의 연속방정식 및 운동량방정식은 다음과 같다

(21)

(22)

여기서p는 밀도 는 평균유속P는 압력g는 중력가속도t는시간는 Cartesian좌표그리고 는 유효점도이다유효점도()는

분자점도()와 난류점도()의 합으로 정의된다

= + (23)

Fluent에서는 여러 가지 난류모델을 지원하고 있지만 통상 사용되는 k-ℇ난류모델의 경우 난류점도는 다음 식에 의해 결정된다

(24)

여기서k는 단위질량당 난류운동에너지는 에너지 소산율 그리고 는실험상수이다k와 값은 다음 수송방정식을 풀음으로써 얻을 수 있다

(25)

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 25 -

(26)

여기서 그리고 은 모두 실험상수이다일반적으로 수용되는이들 상수값은 다음과 같다

(27)

식 (21)(22)및 (25)를 공간에 대해서는 검사체적법(controlvolumemethod)을 그리고 시간에 대해서는 음해법(implicitmethod)을 사용하여 각각차분화한다차분화된 방정식은 다양한 알고리즘을 통해 수치적으로 풀어진다

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 26 -

제제제 333장장장 열열열적적적 성성성능능능 분분분석석석

본 논문의 열적 성능 분석은 ESP-r의 온돌 존 모델을 세분화시켜 벤트 존을구성하고 이에 대한 시뮬레이션 분석을 통해 그 타당성을 검증한 후다양한 민감도 분석을 통해 그 가능성을 검증하였다

333111이이이중중중 바바바닥닥닥 온온온돌돌돌 구구구조조조 시시시스스스템템템

이중 바닥 온돌 구조 시스템은 기존의 lsquo스마트 플로어 시스템rsquo으로 알려진건식 온돌 방식의 일종이다일반적으로 온돌 구조의 경우 공급되는 열량 100가 상부 난방 존으로 이동하는 것은 아니다이는 신 등(2002)의 연구에서 대상이 된 습식 온돌 구조체의 경우상부 약 80하부 약 20의 전달열량 분포를나타내고 있었다따라서 본 연구의 주 목적인 이러한 하부 존으로 이동되는 열량을 공기의 순환을 통해 난방 존(상부 존)에서 이용할 수 있도록 한 것이다이러한 이중 바닥 온돌 시스템의 개념도는 그림 3-1과 같으며A-type과

B-type의 두 유형으로 구분하였다이 두 유형의 가장 큰 차이점은 단열재의 위치에 있다A-type의 경우에는

열용량이 큰 콘크리트 슬래브 하단에 단열재를 위치시켰으며B-type의 경우에는 모듈화된 온돌 패널 하단에 위치시켜 하부 존으로의 열전달을 차단시키고자한 것이다

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 27 -

그림 3-1이중 바닥 온돌 시스템의 유형 및 기본 개념도

그림 3-2온돌 조닝 모델링 기법

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 28 -

333222EEESSSPPP---rrr벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

ESP-r을 이용한 시뮬레이션 분석을 수행하기 위하여 본 논문에서는 lsquo온돌

조닝 모델링 기법rsquo을 이용하였다이 방법은 그림 3-1과 같이 기존의 온돌구조를 열원을 중심으로 분리한 다음 그 사이에 면발열을 갖는 온돌 존을 삽입한 형태를 띠고 있다

그러나 본 연구에서는 이러한 온돌 존 하부에 공기 순환이 이루어지는 lsquoventzonersquo이 하나 더 존재하기 때문에 그림 3-1의 BType과 같이 하나의 존을 더삽입시켜 모델링을 하였으며분석 대상 모델은 그림 3-43-5와 같다

그림 3-4ESP-r온돌 존 모델 그림 3-5ESP-r벤트 존 모델

그림 3-3온돌 존 및 벤트 존 모델링 개념도

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 29 -

333333시시시뮬뮬뮬레레레이이이션션션 분분분석석석을을을 위위위한한한 조조조건건건 및및및 가가가정정정

건물의 열적 성능 분석에 있어 중요한 위치를 차지하는 것이 재료의 물성값(properties)과 벽체의 조합(constructions)으로본 연구에서 사용된 재료 및 그물성값을 정리한 것이 표3-1이며표 3-2는 이러한 재료를 이용하여 구성한 벽체의 조합을 나타낸 것이다본 연구에서 사용된 벽체의 재료의 물성값이나 벽체의 조합은 언제든지 수

정이 가능한 것으로이중 바닥 온돌 시스템의 응용에 관한 가능성 및 열적 성능 평가가 주목적이므로 이에 관한 정밀한 분석은 최소화시켰다

재 료 명 열전도율(Wm)

밀도(kg)

열용량(Jkg)

석고 보드 0210 9100 11300발포 폴리스틸렌 0034 280 12500아스팔트 싱글 0111 10000 9240

합판 0187 6000 13020콘크리트 1400 22000 8820

누름 콘크리트 1517 24000 7980기포 콘크리트 0175 6000 10920이중 유리 열 관류율 28W

표 3-1시뮬레이션에 사용된 재료 및 물성값

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 30 -

벽체 종류 두께(mm) 재료 열 관류율

(W)

측 벽95 석고 보드

03090 발포 폴리스티렌180 콘크리트

평 지붕180 콘크리트

028110 발포 폴리스틸렌95 석고 보드

지상 층

75 레벨링 모르타르

040180 경량 기포 콘크리트(ALC)55 발포 폴리스틸렌50 콘크리트40 자갈

온돌 상부10 바닥

31230 석고 보드1 구리

온돌 하부

1 구리

045

20 석고 보드100 공기층150 콘크리트50 단열재100 공기층8 합판

벤트 상부 1 구리 36620 석고 보드

벤트 하부

150 콘크리트

05150 단열재100 공기층8 합판

표 3-2시뮬레이션에 사용된 벽체 조합 및 열 관류율

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 31 -

그 밖에 Casualgains는 고려하지 않았으며lsquoInfiltration9)은 05회시간으로 지정하였으며사용된 기상데이터는 ESP-r포맷으로 된 서울지역의 기상데이터를 이용하였으며1분 간격(60회시간)으로 시뮬레이션 분석한 결과를 1시간 단위로 정리하였다그리고 온돌은 난방이 주목적이므로 1월 9일부터 15일까지만을 분석 기간으로 지정하여 시뮬레이션을 수행하였다

333444모모모델델델링링링 방방방법법법에에에 따따따른른른 분분분석석석

그림 3-4와 3-5의 모델을 이용하여 동일한 환기회수를 지정한 후시뮬레이션 분석한 결과는 표 3-3과 표 3-4와 같다

온돌존모델 벤트존 모델

하부존 상부존 하부존 상부존

평균값(kW) 1080748 1952627 1139396 188583

누적값(kWh) 1037518 1874522 109382 1810397

표 3-3모델링 방법론에 따른 분석 결과

9)ESP-r의 경우침기(infiltration)와 환기(ventilation)는 구분되어 사용되어야 한다침기의 경우외기와환기의 경우 인접 실과의 공기 순환을 나타낸다

그림 3-6모델링 방법론에 따른 분석 결과 그래프

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 32 -

상부 존 온돌상부 온돌 존 온돌

하부벤트상부 벤트 존 벤트

하부 하부 존

온돌존모델

평균값 2139 2716 3117 2676 2007최대값 2764 3184 5000 2986 2147최저값 1954 2406 2452 2490 2000

벤트존모델

평균값 2139 2709 3092 2660 2189 2147 2107 2016최대값 2734 3215 5000 3244 2238 2195 2158 2230최저값 1950 2371 2376 2339 2140 2108 2069 2000

표 3-4모델링 방법론에 따른 각 절점 온도 분석 결과

이상의 분석 결과를 통해 알 수 있듯이온돌 존 모델과 비교해 벤트 존 모델은 하부존의 경우 약 54 높게상부존의 경우 약 34 정도 낮게 분석되었으며전체적으로 이 편차를 감안하고 벤트 존 모델의 분석을 수행하였다

표3-5는 그림3-4의 단열재의 위치를 공기층의 아래에 위치시켜 분석한 결과로 시뮬레이션 기간을 1개월로 확장시켜 분석한 것이다

위치 하부 존 상부 존공기층상부

누적값(kWh) 93490 153827평균값 (kW) 126 207

공기층 하부누적값(kWh) 91855 148683평균값 (kW) 123 200

비율() 9825 9666

표 3-5단열재 위치에 따른 분석 결과

전체적으로 단열재의 위치가 공기층 하부에 위치한 경우 다소 낮은 에너지소비량 패턴을 나타내고 있음을 확인할 수 있으나그 차이는 매우 미미하다

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 33 -

그리고 본 모델의 검증을 위해 다음의 시뮬레이션 분석을 수행하였다온돌 존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControl환기회수법Vent존 모델 -Multi_SensorsControlairflow network법

333555다다다층층층 벤벤벤트트트 존존존 모모모델델델

벤트 존의 정확한 성능 평가를 위하여 4개 층 모델을 그림 3-7과 같이 모델링한 후1층은 lsquobasiccontrolrsquo로234층은 lsquomulti-sensorscontrolrsquo를 적용한분석을 수행하였으며설정 환기회수 05회시간에 대한 방법론적인 차이를 확인하기 위해 단순한 환기회수법에 의한 분석과 동일한 환기회수를 갖는 airflownetwork분석에 의한 결과를 함께 수행하였으며그 타당성 검증 또한 수행하였다

그림 3-7벤트 존 정밀 해석 모델

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 34 -

표 3-6과 표 3-7은 다양한 분석 방법론에 따른 에너지 소비량 및 각 존의 온도 분포를 정리한 것이다

1층 2층 3층 4층 종합

OnOff합계 25062 19293 19251 26713 90319평균 149 115 115 159 134

Multi합계 21903 24660 21906 34448 102917평균 130 147 130 205 153비율 8740 12782 11379 12896 11395

AFN합계 19520 21887 18999 31674 92080평균 116 130 113 189 137비율 7789 11345 9869 11857 10195

단위 합계(kWh)평균(kW)환기회수법 분석 OnOff및 MultiAirflow network분석 AFN

표 3-6환기회수 05회의 분석 방법에 따른 에너지 소비량 결과 비교

표 3-6의 에너지 소비량 분석 결과에서 볼 수 있듯이단순한 설정 온도에따른 분석 결과와 비교해 멀티 센서를 이용한 경우에는 약 14 가량 높은 분포를 나타내고 있었으나airflow network기법을 이용한 분석에서는 약 2가량 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다이것은 실제 각 실의 환기회수를 분석한 결과 주간보다 야간에 매우 미미하지만 작은 시간 평균 환기회수 분포를 보이는 것에 기인한 것으로 판단된다

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 35 -

1층 룸 2층 벤트 2층 온돌 2층 룸 3층 벤트

OnOff평균 2012 2030 2044 2059최소 2000 1931 2000 1952최대 2246 2178 2499 2208

Multi평균 2019 2563 2968 2161 2651최소 2000 2452 2395 2000 2533최대 2310 2668 3978 2885 2772

AFN평균 2025 2530 2899 2185 2605최소 2000 2418 2376 1997 2493최대 2362 2643 3930 2907 2726

평균값 비율 10031 999888666999 9766 10110 9998882224443층 온돌 3층 룸 4층 벤트 4층 온돌 4층 룸

OnOff평균 2044 1990 2023최소 2000 1891 2000최대 2501 2130 2355

Multi평균 2964 2180 2745 3214 2125최소 2407 1997 2637 2578 1988최대 3982 2887 2881 4393 2776

AFN평균 2877 2191 2701 3134 2142최소 2381 2000 2593 2506 1994최대 3858 2916 2825 4179 2783

평균값 비율 9705 10048 999888444222 9752 10081

표 3-7환기회수 05회의 분석 방법에 따른 온도()결과 비교

그리고 각 존의 온도 분석 결과에서 볼 수 있듯이 멀티 센서 분석과 비교해airflow network분석 결과는 전체적으로 25 이내의 차이만을 나타내고 있음을 확인할 수 있다특히 벤트 존의 온도값이 작아진 이유는 외기가 실내로도입됨에 따른 실내의 유동현상으로 인한 실내 공간 상부의 대류 열전달 계수의 상승에서 기인한 결과로 분석된다

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 36 -

333666제제제어어어 조조조건건건에에에 따따따른른른 분분분석석석

333666111제제제어어어인인인자자자의의의 분분분류류류

온수온돌 바닥표면에서의 방열량은 식(31)과 같이 유량과 온수온도에 의해결정된다그러므로 제어방법은 크게 온수유량제어와 온수온도제어로 분류할수 있다일정유량 조건에서 혼합밸브(mixingvalve)를 사용하여 온수온도를연속적으로 변화시키며 제어하는 온수온도제어는 주로 개폐식(onoff)밸브를사용하여 유량을 조절하는 온수유량제어에 비해 제어성능이 우수하여 지금까지 외국에서 보편적으로 사용되었다10)온수온도제어는 일장한 유량과 설정 실온을 가정할 때 그림 3-8과 같이 온수온도와 방열량 사이에는 선형관계11)가 있음을 이용하여 공급온수온도를 제어함으로서 바닥구조체의 방열량을 제어하는방식이다

제어인자 현재 이용되고있는 변수 사용조절 장치 이용가능 변수

입력변수 외기온실온공급환수 온도

측정센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도풍속일사량 등

제어변수(Controlvariable)

실온 센서 및 조절기 일체형제어기기

바닥온도공급온수온도환수온도단위열량OTMRT 등

조절변수(Operatingvariable)

공급온수온도보일러 온수온도조절기온도조절 밸브3방4방

혼합밸브-

공급 온수유량 개폐식 밸브펄스 제어밸브2방 제어밸브변유량 밸브 -

단위 열량 일정출력의 보일러 -열원운전 및

온수공급의 시간개폐식 밸브정속 펌프의

운전정지 -

표 3-8온수온돌 난방 제어인자의 분류

10)BourneRichardCHydronic RadiantHeating HandbookHydronic RadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

11)LeighSBAn ExperimentalApproach forEvaluating ControlStrategiesofHydronicRadiantFloorHeatingSystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 37 -

∙ ∙ (31)

여기서 온돌바닥표면에서의 방열량 [W] 온수의 유량[kgsec] 온수의 비열[Jkg] 온수의 공급 및 환수 온도[]

그림 3-8온수온돌 바닥복사난방의 온수온도-방열량 관계

333666222온온온수수수온온온도도도 제제제어어어방방방법법법

온수온도제어는 크게 온수온도를 외기온에 따라 조절하는 방법외기온 및실온에 따라 조절하는 방법그리고 최근에 미국에서 제안된 플럭스를 조절하는 방법 등이 있다

111)))외외외기기기보보보상상상제제제어어어 (((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttcccooonnntttrrrooolll)))Hutchinson12)Algren13)등은 온수온돌 바닥복사 난방의 제어에 있어서 일

12)HutchinsonFWResponseandLagintheControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

13)AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 38 -

정한 실온을 유지하기 위한 외기온-공급온수온도는 선형관계가 있으므로 외기온 변동에 따라 온수온도를 제어하는 것이 적합하다고 밝혔다Adelman14)은 시간지연(timelag)으로 인해 실온 변동폭이 커지는 등 반응

속도가 느린 온수온돌 난방시스템에서 실온 피드백 제어보다는 외기온에 따라온수온도를 제어하는 외기보상제어가 효과적이며 이는 예측조절(PARprogressive anticipatory regulation)의 기능과 외기반응조절(weatherresponsiveregulation)의 기능을 동시에 가지고 있다고 하였다외기온-공급온수온도의 함수를 외기보상율(reset ratio) 혹은 난방곡선

(heatingcurve)이라고 하며 이는 외기온의 함수로서 건물에 따라 고유한 값으로(건물의 위치디자인외피의 열적 특성 등에 따라 달라짐)식(32)식(33)을 이용하여 그림3-9의 직선 R과 같이 구할 수 있다15)일반적으로 난방개시시공급온구온도()난방개시 외기온()은 공간의 설정실온을 대입해주며설계 최고 공급온수온도()는 정확하게 계산을 통해 산정하는 것이 어려우므로실제 적용시 현장에서 난방운전을 통해 미세조정(fineturing)으로 구한다16)미세조정은 그림3-9와 같이 초기에 설정한 직선 R에 의해 운전을 실시하여 외기온과 실온의 변화를 측정한 후 만일 외기온이 낮은 경우에는 설정실온으로 적절히 유지되지만 외기온이 높은 경우에는 실온이 높다면 직선의 기울기를 R1과 같이 조절하고 모든 외기온 조건에 대해 전반적으로 실온이 높으면 직선 자체를 R2와 같이 평행 이동시켜서 정확한 값으로 조정하는 방법이다

(32)

(33)

14)AdelmandennySomeControlStrategiesforRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

15)AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17116)TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p40

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 39 -

그림 3-9외기보상율의 설정과 미세조정

여기서HC외기보상율 혹은 난방곡선난방 개시시 공급온수온도설계 최고 공급온수온도난방개시 외기온설계 최저 외기온공급온수온도외기온

[][][][][][]

222)))실실실온온온 피피피드드드백백백 외외외기기기보보보상상상제제제어어어(((OOOuuutttdddoooooorrrrrreeessseeetttwwwiiittthhh iiinnndddoooooorrrttteeemmmpppeeerrraaatttuuurrreeefffeeeeeedddbbbaaaccckkk)))단순히 외기온에 따른 제어는 오픈루프(openloop)제어이므로 외기온이 아

닌 일사풍속 등과 같은 외부 부하요소와 인체조명기기 발열등과 같은 외부부하요소와 내부 부하요소의 변화에 따라 설정실온을 정확하게 유지할 우 없다그러므로 1차적으로 외기보상율에 따라 공급 온수온도를 정하고 2차적으로실온을 피드백하여 공급온수온도를 부가적으로 조절하는 방법이 실제 적용되고 있다외기보상율의 조절은 그림3-10과 같이 제어시간 단위로 외기보상율을

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 40 -

평행이동(parallelshift)시키는 방법17)과 기울기를 변화(slopemodulation)시키는 방법18)이 있다

333)))플플플럭럭럭스스스 조조조절절절(((FFFllluuuxxxmmmoooddduuulllaaatttiiiooonnn)))111999)))MacCluer20)는 기존의 바닥복사난방 제어방법인 공급온수온도 제어와는 달

리 공급되는 플럭스(flux)를 제어하는 방법을 제안하였다공급온수온도 제어방식은 혼합밸브와 외기온 측정센서 및 컨트롤러가 필요한 반면 플럭스 조절은보일러와 연동시킬 수 있는 간단한 원형 실온조절기(roundthermostat)만 필요하다온수가 계속적으로 흐르는 가운데 일정한 출력(constantoutput)의 보일러(전기 보일러에 해당)를 가동정지(onoff)시키는 방식으로 그림3-10과 같이펄스 편차와 주기로 삼각파형을 설정한 후 실온이 삼각파의 상승부에서 교차할경우 정지함으로서 가동시간비율(on-time ratio)을 펄스조절(pulse widthmodulation)하는 방식이다

그림 3-10개폐식 펄스제어방법

17)GibbsDrControlofmultizoneHydronicRadiantFloorHeating SystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

18)MacCluerCRTheresponseofradiantheatingsystemscontrolledbyoutdoorresetwithfeedbackASHRAETransactions1991IN-91-10-2pp795～799

19)ASHRAE1996HVAC SystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeating andCoolingASHRAE1996p618

20) MacCluerCRThe Temperature Stability of a Radiant Slab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 41 -

333666333온온온돌돌돌 존존존 및및및 실실실온온온 제제제어어어 결결결과과과

온돌 존을 제어한다는 것은 온수의 유middot출입구의 온도를 제어하는 것을 의미한다일반적으로 바닥복사난방의 경우 약 5sim7의 유middot출입구 온도차가 발생한다따라서 온돌 존을 5550 그리고 45로 설정하는 것은 결국 온수의공급온도를 제어하는 것과 동일한 의미를 갖게 되는 것이다한편 실온을 제어하는 것은 말 그대로 실내의 설정 온도를 제어하는 것으로

건물의 난방부하에 직접적으로 영향을 미치게 된다그러므로 본 절에서는 이러한 설정 실온과 온돌 존의 온도에 따른 건물의

에너지 소비량 및 벤트 존의 온도 분포에 대하여 겨울철 일주일 기간만을 대상으로 시뮬레이션 분석한 내용을 살펴보면 다음과 같다

111)))에에에너너너지지지 소소소비비비량량량 분분분석석석

각 실의 에너지 소비량은 시간별 부하 분석 결과로부터 얻어진 것으로 표3-9에서 3-11까지이다

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 071 014 014 012 067 035최대 441 327 323 295 422 441합계 11854 2419 2323 1997 11215 29808

22평균 088 023 021 020 078 046최대 443 316 315 314 411 443합계 14770 3800 3524 3309 13157 38560

24평균 103 032 029 026 094 057최대 450 312 301 292 405 450합계 17311 5375 4831 4388 15766 47671

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-9온돌 존 45 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 42 -

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 070 014 014 012 063 035최대 432 333 317 283 433 433합계 11825 2400 2300 1966 10615 29106

22평균 088 024 022 018 081 047최대 479 333 333 333 491 491합계 14803 3949 3733 3100 13660 39245

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-10온돌 존 50 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

온돌 존 실온 1층 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 070 014 014 012 063 035최대 433 333 317 283 433 433합계 11801 2433 2317 1983 10583 29117

22평균 088 024 022 018 081 047최대 483 333 333 333 467 483합계 14779 3950 3701 3083 13624 39137

24평균 103 031 028 027 096 057최대 517 350 350 350 483 517합계 17273 5249 4766 4481 16076 47845

단평균 및 최대의 단위는 (kW)합계의 단위는 (kWh)이다

표 3-11온돌 존 55 설정 조건에서의 에너지 소비량 분석

모든 경우에서 알 수 있듯이 설정 실온이 부하 변동에 가장 민감하게 반응하는 것을 볼 수 있으며공급 온수의 온도에 따른 영향은 크지 않은 것을 볼수 있다그러나 이 경우는 일주일만을 분석 대상에 포함시켜 분석한 결과로 난방 전기간에 걸친 분석의 경우에는 다소 차이가 발생할 것으로 판단되어지며

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 43 -

공급 온수의 온도가 낮을수록 건물 에너지 소비량이 감소할 것으로 예상되어진다

29808298082980829808

38560385603856038560

47671476714767147671

29106291062910629106

39245392453924539245

47845478454784547845

29117291172911729117

39137391373913739137

47845478454784547845

0000

100100100100

200200200200

300300300300

400400400400

500500500500

600600600600

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

설정 실온설정 실온설정 실온설정 실온

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

에너

지 소

비량

(( (( kWh

kWh

kWh

kWh)) ))

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

그림 3-11설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 에너지소비량 종합

그림 3-11은 이상의 전체적인 에너지 소비량 분석 결과를 요약한 것으로실온 20의 경우 온돌 존 설정온도가 45인 경우 가장 낮은 분포를 나타내는것은 일주일만을 분석 대상으로 가정한 것에서 발생하는 오차로 판단되어지며이는 마지막 시뮬레이션 결과에서의 추가적인 부하가 발생하여 나타난 것이다

222)))벤벤벤트트트 존존존 온온온도도도 분분분석석석

앞의 에너지 소비량 분석 결과를 보다 명확히 하기 위해 다음의 벤트 존 온도 분석 결과와 함께 비교하면 보다 쉽게 판단할 수 있을 것이다온돌 존 설정 온도에 따른 실온별 분석 결과를 정리한 것이 표 3-12에서 표

3-14이다표 3-12의 벤트 존 설정 온도 45의 경우실내의 설정 온도가 변동하여도

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 44 -

큰 영향을 받지않고 거의 동일한 벤트 존 온도 분포를 나타내고 있음을 알 수있다그리고 표 3-13과 표 3-14의 경우도 거의 유사한 패턴을 나타내고 있다그러나 동일한 실온 조건에서의 공급 온수의 온도가 차이가 날 경우에는 공급온수의 온도가 높을수록 벤트 존의 온도 또한 상승하고 있음을 확인할 수 있다그러므로 벤트 존을 이용할 경우에는 기존의 공급온수온도 60를 유지시키는것이 바람직한 것으로 판단되어진다

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

45

20평균 2418 2453 2460 2491 2455최소 2295 2333 2333 2396 2295최대 2562 2597 2605 2597 2605

22평균 2418 2454 2460 2484 2454최소 2295 2332 2333 2384 2295최대 2563 2598 2606 2600 2606

24평균 2418 2455 2460 2484 2454최소 2296 2333 2333 2385 2296최대 2563 2598 2605 2601 2605

표 3-12온돌 존 45 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

50

20평균 2617 2644 2644 2690 2648최소 2511 2539 2539 2593 2511최대 2756 2790 2798 2794 2798

22평균 2620 2646 2645 2703 2653최소 2520 2546 2521 2614 2520최대 2764 2797 2804 2809 2809

24평균 2619 2646 2645 2703 2653최소 2518 2546 2521 2613 2518최대 2760 2797 2803 2808 2808

표 3-13온돌 존 50 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 45 -

온돌 존 실온 2층 3층 4층 5층 종합

55

20평균 2810 2830 2834 2899 2843최소 2718 2735 2720 2807 2718최대 2946 2965 2973 3003 3003

22평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

24평균 2823 2842 2847 2918 2857최소 2712 2724 2743 2818 2712최대 2966 2979 2989 3029 3029

표 3-14온돌 존 55 설정 조건에서의 벤트 존 온도 분석

2455245524552455

2648264826482648

2843284328432843

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

2454245424542454

2653265326532653

2857285728572857

22222222

23232323

24242424

25252525

26262626

27272727

28282828

29292929

45454545도도도도 50505050도도도도 55555555도도도도

공급온수온도공급온수온도공급온수온도공급온수온도((((ooooC)C)C)C)

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

벤트

존 온

도벤

트 존

온도

(( ((oo ooC)

C)

C)

C)

20202020도도도도 22222222도도도도 24242424도도도도

그림 3-12설정 실온과 온돌 존 설정 온도에 따른 벤트 존 온도 종합

결국 벤트 존의 온도는 설정 실온과는 거의 무관한 것으로 판명되었으며공급 온수 온도에 전적으로 의존하고 있음을 그림 3-12을 통해 판단할 수 있다따라서 건식온돌 구조의 응용에 있어서는 낮은 공급 온수 온도에 의한 에너지

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 46 -

절감효과와 벤트 존 응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석하여 최종결정을 내려야 할 것이다

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 47 -

제제제 444장장장 CCCFFFDDD분분분석석석

444111기기기본본본 방방방정정정식식식 및및및 모모모델델델링링링

444111111기기기본본본 방방방정정정식식식

공기온돌패널 내부의 공기유동은 기본 지배 방정식인 질량 보존 방정식운동량 보존 방정식에너지 보존 방정식을 만족시킨다이 때의 유체 및 에너지의 이동 현상의 해석에 필요한 방정식은 질량운동량에너지 보존 법칙을 미소의 체적에 적용하여 얻어진 비선형 편미분 방정식이다공기온돌패널 내부의공기유동을 비압축성 유체로 가정하여 정상 상태로 고려할 경우지배 방정식은 다음과 같은 텐서(tensor)형으로 표현된다

111)))질질질량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(41)

222)))운운운동동동량량량 보보보존존존 방방방정정정식식식

(42)

333)))에에에너너너지지지 방방방정정정식식식

(43)

그리고 운동량 해석에 있어서는 난류 유동의 해석을 위한 방정식이 포함된다수치해석을 위해서는 난류 모델을 도입할 필요가 있는데여러 난류 모델중에 표준 k-ℇ 모델 방정식을 사용한다그 방정식은 다음과 같다

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 48 -

444)))표표표준준준 kkk---ℇℇℇ모모모델델델 방방방정정정식식식

(44)

(45)

여기서사용된 모델함수와 상수는 다음과 같다

(46)

(47)

(48)

(49)

(410)

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 49 -

444111222CCCFFFDDD모모모델델델링링링

111)))해해해석석석 모모모델델델 건건건물물물

Fluent를 이용한 벤트 온돌의 성능 분석을 위한 해석 모델은 그림 4-1과 같으며다음 표 4-1은 모델링을 위한 기본 조건 및 경계 조건을 나타낸 것이다

폭(m) 깊이(m) 높이(m) 평균온도()단위 실 10 10 24 203벤트 존 10 10 01 256유출입구 10 01 02 입구측은

자연대류출구측은강제대류(용량 변화)

동측 서측 남측 북측 바닥 천장단위 실 200 203 220 195 232 212벤트 존 256 256 256 256 240 270유출입구 280 280 280 280 280 280

표 4-1Fluent해석을 위한 모델 개요 및 경계조건

그림 4-1건물 모델 기본 개념도

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 50 -

222)))분분분석석석 방방방법법법

CFD분석은 다음과 같이 다양한 조건에 대하여 수행되어야 할 것이지만본논문에서는 CFD분석은 한 번만 수행하는 것으로 하며추후 이에 대한 상세한 분석을 진행할 예정이며아래는 이러한 벤트 존의 활용 가능성에 대한 분석을 위한 방법들을 몇 가지 정리한 것이다

(1)팬 용량에 따른 분석동일한 개구부 면적 (01times10m)의 조건에서팬의 용량은 벤트 존의 체적

에 대한 비율로 결정한다l 벤트 존 환기회수 05회hl 벤트 존 환기회수 10회hl 벤트 존 환기회수 20회h

(2)개구부 면적에 따른 분석동일한 팬 용량(05회h)의 조건에서 개구부의 면적을 변경하여 분석을 수행

한다l 개구부 면적 01times05ml 개구부 면적 01times10ml 개구부 면적 01times15ml 개구부 면적 01times20m단벽체로부터 이격거리는 03m로 일정한 조건으로 분석한다

444222분분분석석석 결결결과과과 및및및 고고고찰찰찰

444222111온온온도도도분분분포포포

개구부 면적 10벤트 존 환기 회수 05회h인 기본 조건으로부터 분석한결과 출구 온도는 약 224를 나타내고 있었으며특히 실 중앙에서는 약 04

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 51 -

높은 228의 분포를 나타내고 있으며그림 4-2는 CFD분석에 따른 온도 분포를 보여준다이는 벤트 공간을 거쳐 실내 공기가 약 2 정도의 상승된 값으로 어느 정도의 에너지 회수가 가능하다는 것을 나타낸다

그림 4-2온도 분석 결과444222222속속속도도도 분분분포포포

그림 4-3기류속도 분석 결과

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 52 -

그림 4-3은 기류속도 분포를 나타낸 것으로 벤트 존의 유출입구를 4곳에배치한 경우의 속도 분포를 나타내고 있다출구 쪽을 제외하고는 대부분이015 미만을 나타내고 있어재실자에게는 거의 불감기류로써 반응할 수 있음을 알 수 있다

현재 본 시스템에 관한 CFD분석은 가능성 검증을 위해 검토한 것으로 추후 보다 정밀한 CFD분석을 통해 본 모델의 다양한 응용 방법 및 에너지 절감효과에 대하여 분석할 예정이다

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 53 -

제제제 555장장장 결결결론론론

이상의 연구는 우리나라 공동주택의 온돌난방방식을 보다 능동적으로 활용할 수 있는 방안에 관한 이론적 분석의 일환으로 ESP-r을 이용하여 시뮬레이션 분석한 결과는 다음과 같다

다양한 모델링 방식에 따른 이중 바닥 구조를 갖는 모델의 시뮬레이션 시간간격에 따른 분석 결과 벤트 조닝 모델은 약 5 미만의 결과 오차만을 나타내고 있었으며충분히 이용 가능한 모델링 방법임을 확인하였다그리고 ESP-r해석 알고리즘은 다른 상용 프로그램들과는 달리 유한 차분법을 통해 해석을하므로 시뮬레이션 시간 간격은 1분 간격으로 분석하는 것이 바람직하다

상세 모델의 에너지 소비량 분석에 있어OnOff제어방식과 비교해 airflow network방식을 통해 multi-sensor제어방식의 경우 1층과 3층은 낮게2층과 4층은 다소 높은 분포 패턴을 나타내고 있었으며이는 지표면과 최상층에 따른 영향을 보다 정확히 평가한 것으로 판단된다

OnOff제어 모델의 경우 에너지 소비량 분석은 비교적 잘 해석되고 있으나각 절점의 온도 분포에 있어서는 온돌을 주 난방 방식으로 이용하는 우리나라의 공동주택의 경우에는 신뢰할 수 없는 경계 값을 나타내고 있었으나multi-sensor제어 모델을 이용할 경우온돌 난방에 따른 각 표면 및 내부 존에 대한 보다 정확한 온도 경계 값을 얻을 수 있음을 확인하였다

Multi-sensor제어방식으로 환기회수법과 airflow network법을 적용한 경우에는 비교적 실측 실험에서 제시하는 값과 유사한 분포를 나타내고 있었으며특히 연속난방의 경우 벤트 존의 온도 분포는 평균 약 26 내외로 충분히활용 가능한 온도값을 지니고 있음을 알 수 있었다그러나 환기회수법보다는airflow network법의 경우지정된 환기회수에 따른 외기 유입량을 시뮬레이션 시간 간격으로 정확히 분배시켜 해석할 수 있으며또한 이렇게 도입된 외기

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 54 -

에 따른 대류 열전달 계수까지 고려하기 때문에 이 방식으로 시뮬레이션 분석하는 것이 보다 합리적인 것임을 알 수 있다

다양한 제어 조건에 따른 분석 결과에너지 소비량의 경우에는 공급 온수의온도가 낮을수록 즉온돌 존 설정 온도가 낮을수록 작게 분포하는 것을 알 수있었으나벤트 존의 온도 분포는 공급 온수의 온도에 따라 비례적으로 상승하고 있음을 알 수 있었다또한 설정 실온은 벤트 존의 온도에 거의 영향을 미치지 못하고 있었다따라서 공급 온수 온도에 따른 에너지 절감효과와 벤트 존응용에 따른 에너지 절감효과를 종합적으로 분석한 후 최후 결정을 내리는 것이 합리적인 것으로 분석되었다

끝으로 간단한 기본 조건에 따른 CFD분석 결과출구측 공기의 온도는 약2238로 적정 유량 제어 및 필터 등의 문제만 해결된다면 충분한 가능성이 있음을 알 수 있었으며입구측의 부력에 대한 영향을 보다 세밀하게 분석할 필요성 또한 제기되었다

추후 공기층의 다양한 형상과 온돌 운전에 따른 공기층의 CFD분석 및 민감도 분석을 수행되어야 할 것이며실제 공동주택 평면을 이용한 airflownetwork분석을 통해 보다 정밀한 분석을 수행할 예정이다

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 55 -

참참참고고고 문문문헌헌헌

1Korean NationalStatisticalOffice(2000)TheCensusofPopulation andResidence2000Reportofreferencepp44-45

2강재식최경석 (2005)오픈 하우징을 위한 다기능 스마트 플로어 시스템설비저널 제 34권 제 8호pp43-57

3강재식최경석이승언저온 난방에 의한 IHCS온돌시스템의 열 특성대한건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 2호2004

4박성홍김종엽박병윤손장열 (2002)유리 바닥을 이용한 경량건식 온돌 시스템의 개발에 관한 연구대한 건축학회 논문집제21권 제2호

5최동혁김난행손장열건식 이중바닥 온수 온돌 시스템의 실내 온열환경 및열적 특성대한 건축 학회 학술 발표논문집제 24권제 1호2004

6이정재김용경최석용 (2005)서모 사이펀식 히트파이프를 이용한 건식 바닥난방시스템의 제안 및 성능평가대한 건축학회논문집 계획계 21권 3 호2005

7서승직 (1990)수치해석에 의한 온수 온돌의 열성능 연구대한 건축 학회논문집 6권 5호

8강재식조동우(1998)공동주택 온돌 난방구조체의 구성요소별 열성능 평가및 개선 연구대한 건축 학회 학술발표논문집 제 17권 제 1호

9윤종호윤환기강대호최영돈 (1992)연속 난방을 위한 온수 온돌 구조체의적정화 연구대한 건축 학회 논문집 8권 1호

10조균형김용인석호태(1992)수치해석에 의한 온수온돌 구조체의 열성능 개선에 관한 연구-조립식 온돌 패널을 중심으로-대한 건축학회논문집 8권 105호

11여명석김광우 (1999)공동주택 온수온돌 바닥복사 난방시스템의 제어방법에 관한 연구대한 건축학회논문집 15권 3호

12이승복원종서 (2005)바닥복사 냉난방시스템의 유형별 에너지성능 평가대한 건축학회논문집 21권 3호

13유 호선현석균박유원김용식홍희기 (2004)한국형 아파트의 난방에너지분석 1위치의 영향대한 설비 공학회 논문집 제 16권 제 1호pp101-110

14신우철장문석유헌형민정현 (2002)온수온돌 난방주택의 열전달 특성대

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 56 -

한건축학회논문집 18권 1호15KamelHaddad(July 2002)ESP-rHOT3000 RADTEST - RadiantHeatingandCoolingTestCasesIEApp78-83

16강재식이승언안태경 (1995)공동주택의 난방에너지 소비특성에 관한 연구대한 건축학회논문집 11권 7호pp139-149

17정희석(2003)공기온돌 시스템의 패널형상에 따른 유동 및 열전달 특성에관한 연구

18FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume119FLUENTINC1998FLUENT5UsersGuideVolume220정희석(2003)공기 온돌 시스템의 패널 형상에 따른 유동 및 열전달 특성에 관한 연구연세대학교 대학원 석사논문

21서승직건축설비계획일진사2006pp349-35722민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

23김지은(2002)FLUENT를 이용한 마이크로 장치의 유동해석경상대학교대학원 석사논문경상대학교 대학원 석사논문

24민형기(2001)온수공급 조건에 따른 온수온돌 난방공간의 열 특성에 관한연구서울 산업대학교 석사논문

25오병칠신우철(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한 연구(Ｉ)대한건축학회논문집 제10권 9호

26오병칠신우철서승직(1994)온수온돌의 전열 특성 및 방열량 산정에 관한연구(Ⅱ)대한건축학회논문집 제10권 1호

27이승복(1995)온돌난방시스템의 제어성능에 관한 실험연구대한건축학회논문집 제11권 12호

28안병욱신용태(1996)온돌난방시스템의 적정 운전조건 설정에 관한 연구대한건축학회논문집 제12권 4호

29신용태안병욱손장열(1996)온수온돌 난방시스템의 적정난방시간과 축열층 두께에 관한 연구대한건축학회논문집 제14권 2호

30강재식조동우(1997)공동주택 온돌난방 구조체의 구성 요소별 열성능 평가 및 개선연구대한건축학회논문집 제17권 1호

31전명훈최진만이도헌(2002)공동주택 건식온돌시스템의 요구성능에 관한

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 57 -

고찰대한건축학회 논문집 제22권 2호32김봉래김명환송용식이정호지경환(1986)온돌건식화 방안에 관한 조사연구대한주택공사

33(1988)적정온돌 구조체 선정을 위한 실험연구대한주택공사 주택기술정보27호

34백춘기김성완신용태(1994)잠열재를 이용한 바닥난방방식 연구주택기술정보 62호 pp74～81

35석호태(1991)온수온돌의 적정바닥 구조체 선정에 관한 연구서울대학교대학원 석사논문

36정광섭(1991)온돌층 두께 및 온수공급조건에 따른 온수온돌 바닥의 열특성에 관한 연구한양대학교 대학원 박사논문

37김성완이정호강일경(1992)대체자재 및 공법 개발연구(온돌 축열층 공법개선)주택기술정보 51호 pp79～85

38손장열(1994)공동주택의 열공기환경 개선 및 최적난방 시스템의 개발연구과학기술부 보고서

39조동우강재식(1996)공동주택 바닥난방 시스템의 성능개선 연구한국기술연구원 보고서

40김성완김종엽김명준(1996)온돌시스템 개발대한주택공사 보고서41여명석석호태김광우(1998)공동주택 온수온돌 난방시스템의 온수온도제어방법에 관한연구대한건축학회 논문집 제14권 12호

42김성완이도헌김종엽김병준이종성김석경(1999)공동주택 바닥난방시스템 개발 및 실용화 연구대한주택공사 연구보고서

43홍천화배상환박진우(2000)에너지 절약형 온돌난방 시스템의 실용화대림기술정보 pp50～62

44김난행손장열(2006)건식이중바닥 온돌시스템 개발을 위한 실험적 연구한국주거학회 논문집 제17권 3호

45최경석정영선김철환강재식(2005)이중바닥구조 온돌시스템의 거주성능평가대한건축학회 논문집제25권 1호

46ESP-r홈 페이지httpwwwesrustrathacuk47JKang(1998)Reportofenergyconsumptiondependingonthelocationand floor for apartmenthouseJournalofKorean Association ofAir

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 58 -

ConditioningRefrigeratingandSanitaryEngineerspp91-10348 Clarke J A (2001) Energy Simulation in Building Design 2ndButterworth-Heinemannpp256-261

49ClarkeJADempsterW M andNegraoC TheImplementationofaComputationalFluid Dynamics Algorithm within the ESP-r SystemBuildingSimulation95MadisonAug1995pp166-175

50TangD andKim J(2004)SimulationSupportforSustainableDesignofBuildingsProcCTBUH 2004Seoulpp231-220October

51SamuelAImbabiMSPeacockA andStrachanP(2003)AnEngineeringApproach to Modelling of Dynamic Insulation using ESP-r ProcCIBSEASHRAEConfEdinburghSept

52ESP-rA BuildingandPlantEnergySimulationEnvironmentUserGuideVersion9SeriesESRU PublicationUniversityofStrathclydeGlasgow

53HutchinsonFWResponseand Lag in theControlofpanelHeatingSystemASHVETransactionsVol531947pp369～376

54BourneRichardCHydronic Radiant Heating HandbookHydronicRadiantHeatingWorkshopNotesDavisEnergyGroup1989p45

55LeighSBAnExperimentalApproachforEvaluatingControlStrategiesofHydronic RadiantFloorHeating SystemDoctoralDissertationTheUniversityofMichiganAnArbor1991p72

56AlgrenABEFSnyderandJSLockeFieldStudiesofFloorPanelControlStstemsASHVETranscactionsVol591963pp173-196

57AdelmandennySome ControlStrategies forRadiantFloorHeatingradiantTimes1988p4

58AdlamTNRadiantHeatingTheindustrialPress1949pp163～17159TwintranTwintranApplicationmanualHeatwaySystem1989p4060GibbsDrControlof multizone Hydronic Radiant Floor HeatingSystemsASHRAETransactions1994NO-94-13-1pp1003～1009

61MacCluerCRTheresponseofradiantheating systemscontrolledbyoutdoorresetwith feedbackASHRAE Transactions1991IN-91-10-2pp795～799

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌

- 59 -

62ASHRAE1996HVACSystemsandEquipmentHandbookChapter6-PanelHeatingandCoolingASHRAE1996p618

63MacCluerCRTheTemperatureStabilityofaRadiantSlab-on-gradeASHRAETransactions1989CH-89-17-1pp1001～1009

• 제 1 장 서론
• • 11 연구 배경 및 목적
  • 12 연구 방법 및 범위
  • • 제 2 장 선행 연구 및 응용 프로그램 분석
    • • 21 선행 연구 분석
      • 22 이중 바닥 온돌 구조
      • 23 응용 프로그램
      • • 231 ESP-r
        • 232 Fluent
        • • 제 3 장 열적 성능 분석
          • • 31 이중 바닥 온돌 구조 시스템
            • 32 Esp-r 벤트 존 모델
            • 33 시뮬레이션 분석을 위한 조건 및 가정
            • 34 모델링 방법에 따른 분석
            • 35 다층 벤트 존 모델
            • 36 제어 조건에 따른 분석
            • • 361 제어 인자의 분류
              • 362 온수온도 제어방법
              • 363 온돌 존 및 실온 제어 결과
              • • 제 4 장 CFD 분석
                • • 41 기본 방정식 및 모델링
                  • 42 분석 결과 및 고찰
                  • • 제 5 장 결론
                    • 참고 문헌