보일러의 원리 & 효율적인 난방

보일러의 원리

열을 가하면 배관에 흐르는 물이 열을 흡수하고, 물탱크의 물이 가열되어 난방과 온수가 된다.

보일러의 일반적인 구조

순간온수식과 저탕식이 있는데, 대부분 순간온수식이다.
저탕식은 보조 온수탱크에 이미 데워진 물을 보관하는 방식으로, 온돌과 비슷하다 하여 주목받고 있다.

보일러의 작동원리

열교환기는 2개이다.
주‒열교환기 가 버너의 열을 흡수하여 뜨거워진 물이 흐르게 되는데, 이 물을 온수/난방 중에서 어디로 보낼지를 삼방변 밸브 로 제어한다. 펌프의 역할은 물이 배관을 따라 회전할 수 있도록 하는 것이다.

그림1 난방 그림2 온수

콘덴싱 보일러에 대하여

일반 보일러의 연통에서 배출되는 배기가스 온도는 150~180℃ 인데, 이것을 잠열(潛熱 숨은 열)이라 한다.
이 잠열을 재활용 하고나면 배기가스 온도가 60~70℃ 정도가 된다.
연료비도 절약하고 환경적으로도 바람직한 기술이다.

일반보일러는
현열-열교환기 에서 가열된 온수(난방수)가 바닥의 엑셀배관을 순환하고 돌아오면(환수), 다시 현열-교환기 로 데워서 공급하는데 비해,

콘덴싱보일러는
현열-열교환기 에서 가열된 온수(난방수)가 바닥의 엑셀배관을 순환하고 돌아오면(환수), 배기가스 통로의 잠열-교환기 를 거쳐서 배기가스에 포함된 수증기를 환수와 열교환시켜서 환수를 조금 더 데운 상태에서 현열-교환기 가 데워서 공급하게 된다.

그 결과, 일반보일러 연통의 배기가스의 온도가 150~180℃의 고열인데 비해, 콘덴싱보일러 연통의 배기가스 온도는 60~70℃가 되는 것이다. 이론적으로는 난방비가 꽤 많이 절약될 것 같은데, 실제로 사용하기 전에 고려해야할 부분이 있다.

콘덴싱 방식의 효율은 난방수 공급온도가 50도, 환수온도가 30도 일때가 이상적인데, 이때의 효율이 96% 이다.

그런데, 국내의 일반적인 난방을 보면 난방수 공급온도가 보통 70~80도, 환수온도가 60도 인데, 이때의 효율은 86% 정도밖에 안 된다. 일반보일러의 난방효율이 82~84% 이므로, 콘덴싱보일러의 이점을 거의 살리지 못하고 있다고 하겠다.

효율적인 난방 방식

제조사별 가스보일러 사양표에 나와있는 난방열효율은 이렇다.
K사 콘덴싱보일러가 일반조건일 때에도 좋은 효율을 보이고 있다.

제조사	일반조건	콘덴싱
R사	87.3%	94.7%
Q사	87.9%	97.6%
K사	94.8%	99.0%

유럽에서는 대부분 콘덴싱보일러를 사용하는데,
유럽에서는 라디에이터, 팬코일 유닛 같은 공기 가열식 난방 방식이므로
콘덴싱의 최대 효율조건, 즉 공급온도 50도, 환수온도 30도에 아주 적합하여 난방비 절감이 상당하다.
우리나라처럼 바닥을 데우기 위해 80도 까지 가열할 필요가 없기 때문이다.

바닥을 데워야 하는 우리나라에서는 콘덴싱 보일러의 효과가 미미하고,

콘덴싱의 최대효율을 활용하려면, 공급온도 50도 환수온도 30도인 저온바닥 난방일때 적합하다고 할 수 있다.

그렇다면, 이것을 실제 난방에 적용하려면 어떻게 하면 될까?

배관방식을 바꾸는 것이다.

현재 엑셀배관은 직경 15mm를 200mm 간격으로 설치하고 있는데,
배관을 12mm로 하고, 간격도 150mm로 조밀하게 설치하는 것이다.
이것을 30평 기준으로 계산해보면

A) 배관 15mm, 간격 200mm 설치시 관수량 : 85.8 리터.

B) 배관 12mm, 간격 150mm 설치시 관수량 : 73.2 리터.

난방용 엑셀배관의 간격은 더 촘촘해졌는데, 관수의 양은 12.6리터 줄었다.
그 결과 연료소비량도 73.2 / 85.8 = 85.3%로, 연료가 14.7% 적게 드는 결과이다.
이렇게 했을 때, 열화상 카메라로 바닥의 난방배관을 찍어보면 이렇게 나타난다.


A) 배관 15mm, 간격 200mm 일때	B) 배관 12mm, 간격 150mm 일때

엑셀 배관의 조밀한 배치로 발열효율이 향상되고, 바닥 표면온도의 균일성이 개선되므로 쾌적성도 향상된다.
여기에 덧붙여 구리-방열판을 방통을 치기전에 추가로 깔아주면 아주 좋다.

실제 공급온도를 50도로 하면, 난방시 바닥이 늦게 데워지는 단점이 있는데, 좀 더 효율적인 방법은 없을까?
대부분 난방수로 수돗물을 사용하는데, 물의 끓는점은 100℃, 어는점은 0℃ 이다.
에틸렌글리콜 이란 용액이 있는데, 쉽게 말해 부동액으로, 끓는점은 197.3도, 어는점은 약 -40도 이하이다.

난방수의 가장 중요한 역할은 열의 전달이다. 에틸렌글리콜은 수돗물에 비해 열적성능이 뛰어나다.
열적성능이 뛰어나다는 것은 열의 전달효율이 좋다는 뜻인데,

아래 그래프에 에틸렌글리콜을 혼합한 난방수의 열적성능이 잘 나타나 있다.

E.G mixture : 에틸렌글리콜( 동그라미 표시 ) City Water : 수돗물

120리터의 난방수를 54도로 가열하는데 걸린 시간이 수돗물은 338분, 에틸렌글리콜 혼합액은 215분으로 123분이 단축되어 36.4%의 단축효율을 보였다. 이것은 연료가 36.4% 절약되었고, 난방수가 빨리 데워진 만큼 바닥이 데워지는 시간도 빨라졌음을 의미한다.

정리하면, 효율적이고 경제적인 저온 바닥난방을 위해 추천하는 난방방식은 다음과 같다.

1. 콘덴싱보일러를 사용한다.

2. 콘덴싱보일러의 최대효율인 공급온도 50도, 환수온도 30도로 난방한다.( 열효율 약 94~99% )

3. 발열효율 극대화를 위해 직경 12mm 엑셀배관을 150mm 간격으로 배치한다.( 난방수 용량. 약 14.7% 절약 )

4. 동-방열판을 설치한다.

5. 난방수에 에틸렌글리콜을 혼합하여 사용한다. ( 수돗물에 비해 가열시간과 연료를 36.4% 절약 )

참고자료

1) 보일러 연결도