기타

콘덴싱(Condensing) 가스보일러 개념 및 장단점

콘덴싱(Condensing) 가스보일러 와 일반 보일러 비교 장단점

 

 

 

 

보일러에서 열을 재활용하는 방식. ‘콘덴싱’은 기체가 액체로 응축되는 현상을 말한다. 콘덴싱보일러는 원래 네덜란드에서 개발된 개념으로, 수증기가 물로 변할 때 발생하는 열을 이용한 재활용 방식의 콘덴싱 기술을 활용한 제품이다.

일반 보일러는 아래쪽의 버너로 가열한 온수를 열교환기를 통해 순환시키면서, 120˚C 이상 고온의 배기가스와 수증기를 배출한다. 열효율이 82~85% 정도 되는데, 콘덴싱보일러에 비해 낮은 효율을 나타낸다. 콘덴싱보일러는 버너를 위쪽에 두어 배기가스로도 열교환기를 가열하도록 함과 동시에, 수증기가 물로 응축될 때 발생하는 열도 회수하기 때문에 열효율이 97% 이상으로 높다. 콘덴싱보일러를 통해 열의 회수가 이루어진 배기가스에는 수증기가 포함되지 않으며, 배기가스의 온도도 45~50˚C 수준으로 낮아진다. 이는 1대당 연료비를 10% 이상 절감할 수 있다는 뜻이며, 연료 절감을 통해 대기오염도 그만큼 줄일 수 있다.

초기에는 주로 가정용으로 사용되었으나, 차츰 상업용·전기발전보일러 등 다양한 형태로 개량되고 있다. 소용량의 콘덴싱보일러를 병렬연결하여 중대형 건물에 설치하는 방식인 캐스케이드 시스템은 기존 중대형 보일러보다 20% 이상 연료비 절감이 가능하며, 질산화합물과 이산화탄소 발생도 20% 이상 감소시키는 효과가 있다.

에너지 절약과 친환경적인 장점이 있어, 일본과 독일 등에서는 콘덴싱보일러를 설치할 때 국가에서 보조금을 지급한다. 네덜란드와 영국에서는 아예 신규 설치 보일러는 콘덴싱 기능이 있어야 한다고 법제화되어 있다. 한국에서는 2010년 7월부터 시행 중인 <주택건설기준 등에 관한 규정>을 따라, 20세대 이상의 공동주택을 건설할 때는 고효율의 보일러를 설치하도록 의무화하여, 콘덴싱보일러의 보급을 장려하고 있다.

 

 

 

 

일반형보일러 vs 콘덴싱보일러 비교/문제점

 

I. 도입

 

시중에 유통되고 있는 가스보일러는 크게 일반형 보일러와 콘덴싱 보일러의 2가지 종류로 나뉘어 판매되고 있다. 그러나 소비자들은 이러한 보일러의 차이점과 원리, 그리고 장/단점에 대하여 잘못 알고 있는 경우가 많다. 이 2가지 종류의 보일러를 객관적 사실에 근거하여 철저하게 비교분석을 해보도록 하겠다.

 

II. 난방문화와 보일러 사용환경 비교

 

방바닥 생활을 주로 하는 우리나라의 난방문화는 천년 넘게 이어온 온돌난방 문화이다. 바닥온도를 높여 그 온도로 공기까지 덥히는 방식으로 난방시키는 과학적인 난방방식을 이용하고 있다. 반면에 유럽 등의 서구에서는 실내 공기를 직접 가열하여 난방하는 입식난방 방식을 사용하고 있다. 문화적 특성에 따라 그 난방문화도 차이점을 보이는 것이다. 서양의 입식난방 환경이 우리에게 적합하지 않음은 너무도 당연하다.

 

국내와 서구의 난방문화와 보일러환경에 대해서 비교해 보았다.

 

항목	국내 환경	서구 환경
규격	* 가스온수보일러 (KS B 8109) * 콘덴싱 가스온수보일러 (KS B 8127)	* Type C Boiler (EN 483) * Condensing Boiler (EN 677)
난방문화	* 온돌난방 (난방문화의 과학적 평가) * 방바닥이 가열되어 실내 난방 * 보일러 OFF시에도 실내온도 변화 없음   온습도가 쾌적한 난방방식	* 라디에이터, 펜코일 등의 입식난방 * 직접 실내공기를 가열하여 실내 난방 * 보일러 OFF시 실내온도 급격히 낮아짐   실내가 건조해지는 난방방식
사용조건	* 온돌난방에는 환수온도 60℃가 적정 * 환수온도가 높아 보일러 가동시간 짧음 * 가동시간 짧아 전기에너지 소비가 낮음	* 입식난방에는 환수온도 30℃가 적정 * 환수온도가 낮아 보일러 가동시간 길어짐 * 가동시간 길어 전기에너지 소비가 높음
전부하 효율	* 일반형 가스보일러 : 82~85%	* 콘덴싱 가스보일러 : 86~87%
법적규제	* 응축수 처리의 명확한 환경기준 없음 * 건축법상 배수구 설치기준 없음 * 응축수에 의한 하수관부식방지에 대한   규정없음	* 응축수 처리의 환경규정 명시   (ANSI Z21.13-2000/CSA 4.9-2000 등) * 건축법상 오폐수관 부식대비 재질에 대한   규제철저
주거형태	* 좁은 국토 때문에 밀집 아파트나 다세대   형태로 단위 대지에 비해 건평이 아주 큼 * 고층아파트 등에서 개별 가스보일러	* 넓은 국토 덕분어 전원주택형태로 단위   대지에 비해 건평이 크지 않음 * 다세대 형태에서는 중앙집중난방방식
문제점	* 2000~3000세대 밀집주거   응축수 배출량 : 16K, 8h/일 기준   평균 2.70ℓ/h, 1일 21.6ℓ   2천 가구 APT : 약 40톤/일 발생 * 약 90% 정도가 야간 동시 가동됨   생활하수와 섞이지 못하고 배출되어   응축수로만 배출되는 실정	* 주거형태상 국내보다 유리함에도 불구   하고 환경오염을 우려한 제반 법규 마련
국가정책	* 국내 연구기관/관련기관에서 검증 및   법규제정 초기단계임 * 실제 환경에서의 에너지 절감효과 파악   및 응축수 발생에 따른 환경평가 등의   선검증 필요	* 국가가 에너지 절감을 목적으로 콘덴싱   보일러의 보급을 권장하기 전에 장기간   콘덴싱보일러의 문제점 파악, 관련법규   마련, 검증 등을 거친 후 국가적 에너지   절약정책으로 추진

 

 

* 콘덴싱 온도조건

   배기가스 중의 수증기가 응축되도록 보일러에 공급되는 수온을 30℃, 출구 온도를 50℃로 설정시

   콘덴싱 효과가 발생한다. 장시간 동안 지속적으로 가동시 효과를 볼 수 있고, 온수 사용시에는

   콘덴싱 효과가 일어나지 않는다.

 

III. 일반형보일러와 콘덴싱보일러

 

공기 중에 포함된 기체 상태의 수분이 액체로 변하는 현상을 응축이라고 한다. 이 때 1kg의 물이 생성되면서 539kcal의 열을 대기중에 방출한다. 뜨거운 배기가스가 차가운 공기와 접촉하게 되면 식으면서 응축수가 발생한다.

 

일반형보일러는 이러한 응축수가 열교환기나 또는 배기통에서 발생하지 않도록 배기가스 온도가 일정 온도 이상 유지되도록 만든 보일러다.

 

반면 콘덴싱보일러는 일반형 보일러와 반대로 배기가스 온도를 일정 온도 이하로 유지하여 응축수가 만들어지도록 해 이 때 발산되는 열을 이용하는 보일러다.

 

* 응축수 (무기산 - 인체유해 강산)

   콘덴싱보일러에서 나오는 응축수 강산으로 산도는 ph 3~4정도이다. 이는 오렌지 쥬스와 같은

   유기산이 아닌 환경 및 인체에 유해한 무기산으로, 산도 차이가 클수록 그 유해도도 커진다. 

   이러한 우리나라처럼 주거지역이 밀집되어 있는 곳에서 배출됐을 경우 심각한 환경파괴가 우려

   되지 않을 수 없다. 국내 콘덴싱보일러 생산업체들은 응축수 배출시 주로 알칼리성인 생활하수와

   혼합되어 중성화되어 큰 문제가 없다고 주장한다. 하지만 일반인의 라이프스타일의 사이클 상,

   보일러의 주가동 시간은 주로 야간으로 중성화를 위한 생활하수 배출시간과는 크게 상이한 바가

   있다.

 

* 콘덴싱보일러 (Condensing Type)

 

   보일러의 배기가스 중에 포함된 수증기의 응축잠열을 회수하여 열효율을 높인 보일러이다.

   연료용 가스는 연소시 배기가스가 발생하는데 배기가스 중에는 이산 화탄소(CO₂), 일산화탄소

   (CO) 및 수증기(H₂O)등이 생성된다. 
   예를 들면, 메탄(CH₄)이 주성분인 도시가스(LNG)가 완전연소되면 다음과 같이 반응한다.        

 

CH⁴+ 2O² ---→ CO² + 2H²O

   위에서 H ₂O는 엄밀히 말하면 물이 아니라 수증기이다. 이 수증기는 보일러 열교환기나 배기통의

 

   찬 부분과 닿아 응축, 즉 물이 되는데 이때 열을 방출하게 된다. 이 열을 응축열(또는 응축잠열)이

   라고 하며 열량은 물 1Kg당 539Kcal이다. 따라서 콘덴싱보일러는 일반 보일러와는 다르게 이

   응축잠열을 효과적으로 회수 및 활용하는 구조의 보일러라고 볼 수 있다

   콘덴싱은 물리학적으로 기체가 액체로 응축되는 과정을 의미한다. 가스가 연소하는 과정에서

   발생하는 수증기는 저온의 물체나 공기에 접할 때, 물로 변하는 과정에서 열에너지를 발생됨.

   이 열을 보일러가 재흡수하여 열효율을 높이도록 설계된 방식.

   배기가스의 뜨거운 기체가 차가운 물을 데운 뒤 액체로 응축되기 때문에 붙은 이름

   진발열량 기준 103.8% 고위 발열량 91%의 열효율을 있으므로 연료비를 절감된다는 이론.

 

이렇듯 서로 반대되는 특징이 있기 때문에 일반형보일러의 배기통은 실외쪽으로 하향 경사지게 설치해 혹시 발생할지 모르는 응축수를 밖으로 떨어지도록 보일러를 설치해야 한다. 반면 콘덴싱보일러는 응축수가 많이 발생하므로 배기통을 보일러 쪽으로 하향 경사지게 설치해 응축수가 보일러 배출구로 배수되도록 설계된다. 응축수를 회수하기 때문에 배기통 끝부분이 2~3° 상향으로 설치되는 것이다.

 

① 열교환기

 

일반형 보일러는 열교환기가 1개, 콘덴싱 보일러는 2개이다.(제1열교환기 : 현열부, 제2열교환기: 잠열부) 구조적으로 보일러 버너가 상부에 위치하게 된다. 즉 1차 열교환기에서 연소되고 빠져 나가는 열을 다시 2차 열교환기에서 연소시킴으로써 열효율을 86~87%(총발열량 기준)의 효율을 나타내 준다. 통상 보일러 업계에서 이야기 하는 105%~107%라고 하는 것은 진발열량 기준이다. 제품홍보에 있어서 숫자상 우위를 점하고자, 통상적으로 사용하는 총발열량이 아닌 진발열량 기준으로 표현했던 것이다. 따라서 콘덴싱 보일러는 통상적으로 일반형 보일러에 비해 가격이 높다.

 

열교환기가 두 부분으로 나뉘어져 있는 것은 1차 열교환기가 1차적으로 현열을 회수하고 2차 열교환기는 응축수가 발생하기 시작하기 때문에 응축잠열을 회수하기 위함이다. 또한 제2열교환기는 부식성이 있는 응축수에 대응하기 위하여 내식성 재료를 사용한다.

 

② 연소가스제어방식 (온오프 방식/비례제어 방식)

 

* ON/OFF 방식

- 보일러 수온이 설정 온도에 도달하면 가스 공급을 중단시켜 연소를 중단시키고 온도가 내려가면

   가스가 공급되도록 해 항상 가스량이 최대 상태로 연소되도록 하는 방식

  (설정온도에 따라 가스공급과 중단을 반복적으로 실시하여 온도조절)

 

* 비례제어 방식

- 설정한 일정 온도에 도달하면 가스 공급량을 줄여 보일러에서 발생하는 열량이 적어지도록 해

   지속적으로 버너에서 가스가 연소되도록 가스량을 조절하는 방식

  (설정온도에 따라 가스량이 일정한 비율로 자동 조절되는 방식)

 

비례제어 방식은 첨단 안전제어 기술이라기보다는 안정적인 연소상태가 필수적인 콘덴싱방식에 강제된 가스공급방식이다. 일반적으로 두가지 제어방식에 대한 우월성 여부를 논하고 있지만, 이것은 사실상 무의미하다.

 

그 이유는 단순히 보일러의 제어방식 차이일 뿐이고, 콘덴싱보일러에는 ON/OFF방식을 적용할 수 없기 때문이다. 제어방식의 우월성과는 무관하게 보일러 방식의 차이에 따른 구분일뿐이다. 또한 통상적으로 ON/OFF방식이 온수사용시 전력소비량이 적고, 비례제어 방식에서는 가스소모량이 약간 높다. 온수사용시 소비전략이 차이나는 이유는 온수사용시 다른 구조제품은 난방수를 방으로 순환시키는 순환펌프가 가동되야하지만, ON/OFF방식은 순환펌프 가동이 필요없는 구조이기 때문이다. 또한 비례제어 방식은 온수 사용시 가스공급량이 많아지고, 배기가스를 외부로 배출하기 위한 송풍기의 풍량이 높아져서 소비전력이 높아진다.

 

③ 실내온도 난방 / 난방수온도 난방

 

보일러의 실내온도기에는 실내온도와 난방수 온도를 설정하여 사용하는 방법으로 나눠져 있는 경우가 많다. 실내온도 난방은 대류되는 공기온도를 벽에 붙어 있는 실내온도조절기 안의 온도감지기가 감지해 보일러 운전을 하는 것으로 일반적으로 소파나 침대를 사용하는 가정에 적합한 방법이다.

 

난방수 온도난방은 실내에 순환되는 난방수 온도를 보일러에서 감지하여 보일러 운전을 하는 것으로 우리 고유의 좌식생활을 하는 가정에 적합한 방법이다.

 

콘덴싱보일러를 열효율이 높은 상태에서 사용하려면 배기가스 중의 수증기가 응축되도록 공급수 온도를 30℃, 난방수 온도를 50℃로 설정하는 콘덴싱 조건 상태를 충족시켜줘야 한다.

 

④ 응축수 발생여부

 

일반형보일러는 배기가스온도가 일정하므로 응축수가 발생되지 않는다. 그러나 콘덴싱보일러는 응축수를 발생시키는 2중 열교환방식을 거치기 때문에, 응축수가 대량으로 발생하고, 이러한 강산의 응축수를 처리해야 한다. 응축수를 외부로 배출시키거나, 응축수를 중화시켜 배출하는 방식 중에 택일해야 한다. 중화기를 사용할 경우 정기적으로 중화제를 보충해 주어야한다.

 

유럽의 경우에는 보일러 내 중화기 설치와 배수관 처리가 되어 있지만, 국내의 경우 대부분 중화기가 없고 배수관에 대해서 무방비 상태다.

 

아직까지 응축수에 대해 이렇다 할 의견을 내놓은 기관이 없는 만큼 환경적합성여부는 신중히 검토해 볼 문제이며, 콘덴싱보일러에 중화기기를 설치했을 경우 6개월에 한 번씩 중화제를 사용해야 하는데, 이 때 소비자들이 부담해야 하는 비용에 대해서도 다각도로 검토해봐야 한다.

 

IV. 콘덴싱보일러와 일반형보일러의 문제점

 

콘덴싱보일러와 일반형보일러의 문제점을 표로 작성해보았다.

 

	콘덴싱 보일러	일반형 보일러
안전성 문제 난방부하	응축수 유출문제 및 내식성 문제 난방부하가 크다(내식성 우려)	응축수 발생하지 않음 난방부하가 적다(순간식 제외)
환경 문제	배기가스 CO배출 적음 응축수 배출로 환경파괴 우려	배기가스 CO배출 응축수 발생하지 않음
가격 문제	일반형보일러보다 고가 열교환기 2개 내식성 재료 사용 중화기 가격 및 유지비용 순환펌프/송풍기 필요	콘덴싱보일러보다 저렴 열교환기 1개
설치 문제	배수구가 반드시 필요(응축수)	별다른 제약 없음

 

 

① 안전성 문제

 

콘덴싱보일러는 난방과정에서 응축수가 생기면서 발생하는 열로 난방을 하는 방식이다. 여기서 발생하는 응축수는 강산으로 인체에 유해하며, 보일러의 내구성을 저하시키는 주범이다. 응축수가 외부유출되지 않도록 철저한 밀폐성을 유지하고, 난방부하가 커서 내식성에 각별히 신경써야 한다.

 

② 환경 문제

 

콘덴싱보일러 생산업체들은 콘덴싱보일러가 CO배출이 상대적으로 적어 친환경적이라고 주장하지만 그것은 동전의 양면과 같은 성격을 갖고 있다. 콘덴싱 효과가 발생하면서 외부로 배출되어야 하는 배기가스를 응축시키므로 CO발생량이 적은 것은 당연하다. 하지만 발생되는 환경오염물질인 NOX는 응축수에 그대로 녹아들어 있다.

 

이러한 응축수를 외부로 배출시키거나, 응축수를 중화시켜 배출해야 한다. 중화기를 사용할 경우 정기적으로 중화제를 보충해 주어야한다. 그러나 국내의 경우 대부분 중화기를 이용하지 않고 배수하는 방식을 취하고 있는데 문제가 있다. 강한 산성의 응축수가 배출되는 배수관, 배수시설 등의 제반시설이 우선적으로 마련되어 있어야 하는 것이다. 그러나 그렇지 못한 현재 환경에서 콘덴싱보일러는 친환경적이라 할 수 없을 것이다.

 

③ 고가의 가격

 

콘덴싱보일러는 콘덴싱 방식의 구조와 특성상 일반형보일러보다 많은 장치가 필요하다. 몇가지 장치가 더 장착되어야 하기에 그 가격이 일반형보일러보다 10만원 이상 비싸다.

 

먼저 2개의 열교환기가 현열부와 잠열부에 각각 한개씩 필요하다. 또한 응축열을 회수하기 위한 잠열부 열교환기는 부식성이 있는 응축수에 대응하기 위하여 내식성 재료를 사용해야 한다. 직접가열식으로 열교환기에 직접 열을 가하는 방식으로 사용기간이 길어질수록 열교환기 성능이 감소하고 수명이 짧아지기 때문에 내구성을 그나마 유지하기 위해서 열교환기의 재질과 견고성은 중요하다.

 

난방수를 방으로 순환시키는 순환펌프도 필요하다. 비례제어 방식이기에 배기가스를 외부로 배출하기 위하여 풍량이 높은 송풍기를 사용해야 한다.

 

또한 중화기가 필요하다. 콘덴싱보일러 내에 발생하는 다량의 응축수를 처리해야 하는데, Ph 3 정도의 무기상이기 때문에 중화를 시켜줘야 배수시설의 부식과 환경피해가 적다.

 

④ 설치의 제약

 

발코니 확장이 합법화되면서 배수구를 설계에서 제외한 시공이 이뤄지고 있어 응축수 배출이 필수적인 콘덴싱보일러 설치에 제약이 생기고 있다. 배수구가 있을 경우 확장에 걸림돌로 작용함에 따라 배수구 설계를 제외하고 있어 콘덴싱보일러는 일반형보일러보다 설치에 있어서의 제약이 더욱 크다고 할 수 있다.

 

결론

 

객관적인 시각에서 볼 때 일반보일러와 콘덴싱보일러를 놓고 우열을 가리기는 어렵다. 효율차이도 거의 없을뿐더러 지적되는 문제점을 생각해본다면 판단하기 정말 어렵다. 일반형보일러와 콘덴싱보일러는 엄연히 다른 구조로 구성되어 있고, 같은 한국산업규격(KS)에서도 다른구조로 구분, 적용하고 있다. 이러한 시점에서 한번도 시행도 해보지 않았던 효율등급관리제도를 우리 난방환경에 맞지 않게 일원화하는 것은 옳지 못하다고 생각된다.

 

일본과 독일 등에서는 콘덴싱 보일러를 설치할 때 정부에서 보조금을 지급하고 있고, 네덜란드와 영국에서는 새로 설치하는 보일러는 콘덴싱 보일러로 해야 한다는 법을 제정, 시행하고 있다. 그러나 그러한 제도는 콘덴싱보일러 사용에 따른 제반시설 설치를 위한 것이다. 콘덴싱보일러 환경에 맞는 제반시설이 없는 우리나라와는 동떨어진 이야기다.

 

콘덴싱보일러의 효율적인 측면보다 응축수배출에 따른 환경문제와 제품의 내구성 등을 면밀하게 분석한다면 효율로 절감하는 비용만을 논하기 보다, 유럽에서 콘덴싱보급에 앞서 많은 시간을 갖고 콘덴싱보일러의 문제점을 파악해 관련법규를 마련하고 검증을 거친 다음 국가적 에너지절약 정책으로 추진하는 것을 주목해야 한다. 서구제도나 환경처럼 국내 사용환경에서 에너지절감효과 파악과 응축수 발생에 따른 내구성·내식성·안정성 등 환경영향평가를 거친 후에, 건축법 등 관련법규나

제도를 마련하는 등의 조치와 연구가 선행되어야 한다. 

 

특히 교토협약 발효를 계기로 환경문제가 심각하게 대두되고 있는 시점에서 환경의 한계를 공기질, 대기, 수질 등 각종 공해물질을 기준치이하로 감축하자는 방향으로 가닥을 잡고 있으나 이를 시행하기 위해서는 많은 비용이 수반되는 만큼 선진국은 물론 개발도상국들도 새로운 무역장벽으로 대두되고 있다는 점이다.

 

산업의 원동력인 에너지를 사용하면서 발생하는 환경물질을 최소화하는 방안이 하나의 과제로 제기되고 있는 가운데 업계간의 의견차이를 해소하고 정책의 새로운 방향제시를 위해서도 더 이상 미루지 말고 정부가 앞장서 전문가집단에 용역을 발주해 유럽연합의 콘덴싱보일러의 법적규제·규격·제질·사용조건·난방문화·지원제도 등을 면밀하게 분석, 업계가 상반되게 주장하는 불신을 해소하고 이를 정책에 반영하는 방안이 모색되어야 할 것이다. 그렇지 못한 환경에서 콘덴싱보일러 사용은 밑빠진 독에 물, 아니 강산 붓기가 될지도 모른다.