KIEAE Journal

관련 문헌 및 통계자료 고찰을 통해 대표성을 갖는 연구대상을 설정하였다. 국내 주거형태 중 가장 큰 비중을 차지하는 24평, 2인 가구 공동주택을 대상으로 선정하였으며, 급탕 패턴이 뚜렷하게 드러나며 사용자가 급탕온도를 대기하지 않고 사용할 가능성이 가장 적은 샤워 수전을 대상으로 선정하였다.

연구는 TRNSYS 시뮬레이션을 사용하여 수행되었다. TRNSYS는 Transient System SImulation-Tool의 약어로, 시간에 따라 상태가 변하는 과도적 시스템을 분석하기 적합한 시뮬레이션 도구이다.

해당 시뮬레이션 도구는 선행 연구들을 고찰한 결과 급탕 분야에서 널리 사용되고 있음이 확인되었고[6-8], 따라서 본 연구에서 수요반응형 급탕환수 시스템을 분석하기에 적합하다고 판단하였다.

본 연구는 아파트 건축물에 수요반응형 환탕배관이 적용되었다고 가정할 시 얻어지는 이점을 논하고자 하나, 시스템 적용에 들어가는 공사비용, 혹은 시스템의 유지보수비용은 고려되지 않았다.

실질적으로는 다양한 주거형태 및 평면계획, 거주자 생활패턴에 따라 시뮬레이션의 결과에 영향을 주는 실내온도, 관경, 배관 길이 등 다양한 요인이 변화할 것이나, 해당 내용을 전부 고려하는 것은 불가능하기 때문에, 본 연구에서는 가장 높은 빈도를 보이는 형태를 표준 형상으로 정하고 이에 대한 분석만을 수행하였다.

국내 공동주택의 보일러는 대부분 물탱크가 없는 직수형 보일러를 사용하며, 매우 짧은 시간 내에 급수요구온도까지 가열된 급탕수를 내보낼 수 있다. 직수형 보일러를 사용할 경우 급탕 대기로 인해 버려지는 물의 양은 기존의 급탕관 내부에 있던 냉각된 급탕수의 총량과 같다.

아래 Fig. 2., Fig. 3.은 양 시스템의 차이점을 보여 준다. 각각 Fig. 2.는 양 시스템의 급탕수 공급 스케줄, Fig. 3.은 관 내부의 물 흐름을 나타낸다. 환수 시스템을 사용하는 경우와 사용하지 않는 경우 모두 설정온도에 도달한 뒤에는 외부 급수관의 물을 사용한다는 점은 동일하며, 시스템 사용여부에 따른 차이점은 급탕환수 시스템을 가동시켰을 때, 급수관 내부에 존재하던 실내온도와 동일하게 열교환이 이루어진 물을 먼저 가열하여 재사용한다는 점으로, 이에 따라 절수 효과와 에너지 저감 효과가 발생한다.

Fig. 2. 
Hot water supply schedule of both system (Hot water supply on the shower faucet)

Fig. 3. 
Comparison of hot water supply system with the shower faucet: on-demand recirculation system and branch system

실제 사용 조건에서는 급탕수를 급수라인의 냉수와 혼합하여 사용하므로 Fig. 3.의 Branch System의 설명과는 다르게 급수라인의 물이 동시에 사용되고, 급탕관의 유량이 이에 따라 변화할 것이나, 사용자별로 선호하는 혼합 비율이 달라 이에 대한 정확한 예측이 어려울 것으로 판단되었다. 따라서 본 연구에서는 보수적인 비교를 위해 기존 시스템의 이상적인 경우를 가정하였고, 기존 시스템에서 이는 급수라인의 물을 혼합하지 않고 물을 버리는 경우에 해당된다. 사용자 관점에서는 온수 쪽으로 밸브를 최대한 돌린 뒤 급탕온도 도달을 기다란 뒤 온도도달 이후 밸브를 원하는 위치로 조절하는 경우가 된다.

이에 따라, 외부 공급수의 온도가 연중 대부분의 경우 더 낮게 나타나므로, 외부 공급수와의 온도차로 인한 상대적 급탕에너지 저감이 존재할 것이다. 저감량은 급탕관 내부의 급탕수 총량과 비례할 것으로 예상된다.

건축물의 면적은 건축물 내부의 급탕관의 경로 및 길이에 영향을 미치므로 급탕관의 방열량, 내부 수량 등을 결정짓는 핵심 인자이다. 본 연구에서 대상으로 하는 공동주택 관련 통계자료를 참조하여 시뮬레이션 상 건축물의 면적을 설정하였다.

국토교통부 산하의 공동주택관리 정보시스템(K-APT)에서 ‘관리비공개 의무단지’로 정의되는 “300세대이상 공동주택, 150세대이상으로서 승강기 설치 또는 중앙(지역)난방방식의 공동주택, 주택이 150세대이상인 주상복합아파트, 그 외 입주자등이 2/3이상 서면동의하여 의무관리대상으로 전환한 공동주택, 공공임대 및 민간임대주택”의 평균 호수당 주거전용면적은 75.58㎡이다. 또한 2016년 이후로 갱신이 이루어지지 않았으나 서울시의 전용면적기준 공동주택 현황 통계 또한 아래 Fig. 4.와 같이 60㎡~85㎡의 면적구간이 가장 비중이 높다. 따라서 해당 면적구간에 해당하는 79.2㎡(24평형)를 대상으로 선정하였다.

Fig. 4. 
Distribution of the apartment household area in Seoul

급탕관 길이는 선행연구의 제시 방법을 따라 전용면적의 변화에 맞추어 30 m의 급탕관 길이를 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다[22].

급탕관의 관경은 일반 실내급탕관에서 빈번하게 사용되는 치수인 15A를 사용하였다[19, 22-23]. 국내 동관에 대한 산업표준인 KS D 5301에 따르면, 급배수 및 급탕용으로 사용되는 M형 15A 동관의 기준 외경은 15.88mm, 두께는 0.71mm로, 15.17mm의 내경을 가지므로, 반올림하여 15mm의 내경으로 관경을 설정하였다.

급탕관의 단열 성능은 국토교통부 제정 건축기계설비공사 표준시방서[24]를 기준으로 삼았다. 원칙적으로는 급탕설정온도가 60℃ 이하인 가정용 급탕관은 보온이 요구되지 않지만, 실질적으로 에너지 효율을 높이기 위해 공동주택에서도 급탕관의 보온재 시공이 이루어진다[25]. 따라서 단열시공이 요구되는 61℃~90℃ 의 온도구간 기준을 적용하였는데, 해당 기준에 따르면 25mm의 유리면(Glass wool) 보온통이 적용되어야 한다. 유리면 소재의 열전도율은 KS L 9102:2014[26]표준을 따르며, 이 경우의 열전도율은 0.043W/(m·K)이며, 내부 동관의 두께는 0.71mm, 열전도율은 401W/(m·K)이다. 최종적으로 계산된 단열 동관의 열전도율은 1.72W/(㎡·K)이었다.

또한, 방열량을 계산하는 데 요구되는 배관 위치의 온도는 기계설비배관 설치공간의 동하계 온도를 실측한 연구를 참조하여[27] 24.5℃를 배관 위치의 주변온도로 설정하였다. 또한, 배관 샤프트의 온도는 동절기 24.3℃, 하절기 24.8℃로 계절별 차이가 크게 없는 것으로 관측되었으므로 평균온도에서 변하지 않는 것으로 가정하였다.

급탕설비가 공급표준인 60℃로 물을 가열하기 위한 에너지 사용량은 급수온도가 낮을수록 증가하므로, 시스템의 평가를 위해서는 급수온도의 정확한 설정이 필수적이다. 급수온도는 기상청에서 제공되는 표준 기상데이터의 서울지역 지중 1m의 온도를 기준으로 설정하였다[28].

그러나, 기상청 데이터에서 분, 혹은 시간별 데이터가 주어지는 것은 지중 30cm까지였고, 지중 1m 온도는 일별로만 제공되었다. 따라서, 지중 1m의 온도를 기준으로 하기 위해서는 해당 깊이에서 시간경과에 따른 일별 온도편차가 나타나지 않아야 하는데. 이를 확인하기 위해 2019년 1월의 1주차 기간 동안의 깊이별 온도변화를 비교하였다.

Fig. 5.에서 볼 수 있듯이, 시간별 온도편차는 지표면부터 깊이 10 cm까지는 두드러지고, 20cm에 달하면 거의 완만해지되 약간의 영향이 드러나는 데 비해, 30cm위치에서는 일별 온도편차가 거의 존재하지 않는 것을 확인할 수 있었다. 그러므로 지중 1m의 온도 값에 대한 일별 편차가 크게 두드러지지 않을 것으로 예상되며, 일별온도를 매 시간 동일한 것으로 가정해도 무방할 것이라 판단하였다. 설정된 급수온도는 아래 Fig. 6.과 같으며, 서울 지역의 급수온도를 기준 값으로 선정하였다.

Fig. 5. 
Underground temperature along depth

Fig. 6. 
Annual underground temperature of 1 m depth

수요반응형 급탕환수 시스템은 사용자가 급탕수를 사용하는 빈도를 나타내는 급탕 스케줄에 따라 절수 효과가 달라질 수 있다.

가령, 연속적으로 급탕수를 사용할 시 두 번째의 급탕에서는 관에 있는 물이 충분히 데워진 상태이므로 급탕 설정온도에 이미 도달되어 있으므로 두 시스템의 급탕에너지 및 급탕수의 소모 차이가 존재하지 않는다. 반면, 사용자가 아침에 한 번, 저녁에 한 번과 같이 충분한 시간 간격을 두고 급탕수를 사용한다면, 시간 간격 동안 관 내 수온이 하락할 것이므로 급탕에너지 및 급탕수의 저감효과가 발생한다.

그러나 주택에서 급탕수를 사용하는 수전은 싱크대, 욕조, 샤워, 세면대 등으로 다양하며, 사용 패턴 또한 가구 구성원의 특성에 따라 편차가 크다. 이러한 다양성을 전부 반영하는 것은 어려우므로 본 연구는 시뮬레이션 대상을 단일 수전으로 단순화해 한정하였다. 또한 싱크대나 세면대의 경우 사용자에 따라 설정온도 도달을 기다리지 않고 냉수가 공급되는 상태로 바로 사용하는 경우가 있으므로 온수가 토출될 때까지 기다리는 경향성이 높은 샤워 시설을 대상 수전으로 선정하였다.

샤워 목적의 급탕수를 사용하는 스케줄에 대해서 200만개의 물 사용 데이터를 포함하며, 약 5만개의 샤워 스케줄이 기록되어 있는 Water Research Foundation에서 제작된 REUWS Database를 사용하는 방법이 제시되었으나[29]. 데이터 수집 시점과의 시간차가 약 17년으로 길고 국외의 사용 사례를 데이터화한 것이므로 상대적으로 최근의 국내 연구들을 대상으로 조사하였다[30-32]. 조사 결과 저녁 시간대에 더 높은 사용량이 관측되는 것을 확인하였다.

따라서 본 연구는 국내에서 가장 최근에 연구된 사례를 바탕으로[32], 일 2회 10분의 샤워를 가정하였다. 실질적으로는 급탕사용부하의 편차를 반영하여 샤워시간을 아침과 저녁 시간대별로 다르게 설정해야 할 것이지만, 본 연구에서 다루고자 하는 시스템은 토출되는 급탕수의 수온이 지정온도에 도달한 뒤부터는 타 시스템과 차이가 없으며, 급탕수 수온이 지정온도에 도달하기 전까지는 샤워가 시작되지 않는다고 가정하므로 해당 내용은 고려되지 않았다.

또한, 수전의 물 소비량에 대해서, 수도법 시행규칙 제 6조의 ‘절수설비와 절수기기의 종류 및 기준’에서 제시된 절수설비의 기준을 따르면, 신축건물 기준 샤워용 수전의 토수유량은 9.5L/min 이하여야 한다. 그러나 서울특별시 상수도사업본부와 대구광역시 상수도사업본부의 물 절약 가이드라인에서는 공통적으로 7L/min을 제시하므로[33-34], 실질적인 절수 샤워 수전의 유량은 7L/min인 것으로 판단하였다.

절수설비가 아닌 경우, 급수설비 설계기준에 따르면[35] 급수용 위생기구 중 샤워기의 유량은 0.18L/s인데, 이 경우 대략 9.6L/min에 해당된다. 이 경우도 마찬가지로, 서울특별시 상수도사업본부(2022)와 대구광역시 상수도사업본부(2022)의 물 절약 가이드라인에 따르면, 최대수압에서 12L/min으로 제시되어 있기 때문에 실질적인 일반 샤워 수전의 유량은 12L/min인 것으로 추정하였다.

이에 따라, 본 연구에서는 절수설비를 사용하는 경우의 샤워 수전 유량과 그렇지 않은 경우의 유량을 각각 7L/min, 12L/min으로 설정하였다.

기상청 외기온도, 유량 등 양 시스템에 공통인 값들은 아래 Table 1.과 같이 정의되었다. 조사된 유량 기준은 L/min단위이나, TRNSYS에서 사용되는 단위가 kg/h이므로, 이에 맞추어 환산하였다.

환수밸브는 급탕관의 마지막 지점과 급수관을 잇는 밸브로, 급탕환수 시스템이 가동될 때에만 열리게 되어 있으나, 해당 컴포넌트가 TRNSYS에 존재하지 않는 관계로, 분배 밸브인 Type647을 대신 조정하여 사용하였다. 해당 컴포넌트는 설정 값으로 배출구의 수와 배출구별 유량비율을 정의하여 해당 비율에 맞추어 배출구에 유체를 분배한다.

따라서 본 실험은 Type647 컴포넌트에 배출구별 유량비율을 후술할 온도제어 장치인 Type106의 작동신호에 따라 100%, 0%값을 각각 할당하여 목표수온에 도달하기 전에는 급탕환수시스템이 작동한다고 가정하여 모든 유체를 보일러로 되돌려 보내고, 목표수온에 도달한 뒤에는 모든 유체를 수전에 분배하도록 설정하였다.

또한 보일러에 공급되는 급수라인이 급탕환수시스템이 가동되는 동안 차단되어야 하므로, 이를 위해 Type647을 한 번 더 사용하였으며, 이 또한 Type106의 작동신호에 따라 제어되며, Equation 컴포넌트를 추가하여 해당 값들을 조절하도록 시뮬레이션을 작성하였다.

Type649 컴포넌트는 병합 밸브로, 급수관으로 환수되는 물과 외부에서 시스템으로 급수되는 물을 합한 유량을 보일러에 공급하도록 설정되었다. 그러나, 상술한 Type647 컴포넌트의 조정으로 인해 환수가 일어날 경우는 외부 급수량이 없으며, 외부에서 급수가 일어날 경우는 그 반대이므로, 실질적으로는 환수나 급수 중 한 쪽의 유량만을 전달하게 된다.

온도제어장치 모듈로는 Type106을 사용하였다. 해당 장치의 설정값은 아래 Table 2.와 같았다. 감지온도기준은 관을 통해 이동하는 급탕수가 식을 가능성을 고려하여 보일러의 설정온도 60℃보다 2℃ 낮은 58℃로 설정하였으며, 감지대상온도는 급탕관(Type31)에서 출력되는 배출수의 온도로 설정하였다. 따라서, 본 실험에서 수전 내부를 통과하며 방열되는 열 손실량에 대해서는 고려되지 않는다.

해당 컴포넌트는 TRNSYS에 기본적으로 내장되지 않은 컴포넌트로, 기상청의 수온데이터 로드 및 샤워 스케줄에 따른 제어를 위해 만들어졌다. 사용된 Type3157의 이름은 ‘Calling Python (CFFI)’으로, Python 코드를 TRNSYS와 연동시키는 모듈이다[36].

각각 schedule_reader는 가동스케줄 및 기상청 데이터를 불러오는 역할을 수행하며, schedule_to_operation은 해당 스케줄을 샤워시간 계산 로직을 수행하여 샤워 가동여부로 변환하는 역할, AND_gate는 컨트롤러 컴포넌트에서 전달되는 제어신호(샤워 가동 중)와 온도제어장치(Type106) 컴포넌트에서 전달하는 온도 미도달 여부 신호가 모두 참일 경우에만 급탕순환펌프(Type114) 컴포넌트로 가동 신호를 보내는 역할을 수행한다.

3개의 Type3157 컴포넌트 중 급탕시스템에 포함되는 제어회로인 AND_gate를 제외하면, 나머지 2개의 컴포넌트는 데이터를 불러오는 과정에 사용된다. 해당 과정은 Fig. 7.의 좌측 부분에 해당된다.

시뮬레이션을 수행하기 위한 가동기준 또한 고려되었다. 시스템의 구성 자체는 초 단위로 1년 단위의 스케줄 및 온도데이터를 입력받을 수 있도록 코딩되었으나, 실제로 시뮬레이션을 시도해 본 결과 지나치게 많은 time step으로 인해 CSV파일을 사용하는 File DB의 한계로 인한 문제점이 발생하였다. 추가적으로, 급수온도의 일간 편차가 크지 않으며, 시뮬레이션을 실행한 결과 샤워 스케줄 이후 관내 잔여급탕수가 실내온도와 비슷해질 정도로 냉각되는 데 6시간 이상의 긴 시간이 소요되었다. 상기 내용을 고찰한 결과, 연속적인 샤워 스케줄의 여부(가구 구성원 수)나, 샤워 시간은 큰 영향이 없었고, 샤워 스케줄이 연속되지 않고 아침과 저녁으로 나뉘는지의 여부가 중요한 것으로 드러났다.

따라서 모델 설정을 단순화하여도 샤워 수전에 대한 수요반응형 환수 시스템의 적용상 이점의 차이가 없을 것으로 판단하여, 본 연구는 하루에 아침과 저녁으로 각 2번씩 샤워를 한다고 가정한 뒤 각 월별로 15일의 외기온도 조건을 기준일로 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다.

보일러(Type659a) 및 급탕순환펌프(Type114)에 대해서는 컴포넌트의 기본값을 그대로 사용하되, 급탕용량에 한해서만 용량부족으로 인한 문제가 없도록 참조한 보일러 값 중 가장 높은 47500 kcal/h 값으로 설정하였다. 급탕관 또한 TRNSYS에서 제공되는 기본 파이프 모듈인 Type31을 사용하였기 때문에, 단열계수 설정 이외에는 특이 사항이 없다. 관의 내부에 존재하는 물은 시작 시점에서 주변 환경온도와 같은 24.5℃의 온도를 갖는 것으로 간주되었다.