대한설비공학회 냉난방수배관시스템전문위원회(위원장 민준기)는 10월11일 현대 힐스테이트 갤러리에서 ‘제로에너지빌딩(ZEB)의무화에 따른 냉난방수배관의 역할!’이라는 주제로 학술강연회를 개최했다.

최근 폭염 등 이상기후 현상이 증가함에 따라 국가 온실가스 감축목표 이행, 신재생에너지 활용촉진 및 미세먼지 문제 대응 등을 위한 제로에너지건축의 필요성이 높아지고 있다.

이에 따라 국토교통부는 지난 6월 공공기관 제로에너지건축물 의무화 로드맵을 발표했다. 2020년부터 공공건축물 500m² 이상, 민간건축물 1,000m² 이상, 공동주택 30세대 이상에 적용될 예정이다. 

민준기 위원장은 인사말을 통해 “오늘 학술강연회를 통해 다양한 냉난방수배관시스템의 제로에너지건축물 적용방안과 이에 따른 효과를 제시할 것”이라며 “또한 수배관위원회는 분기별 정기모임, 에너지기술인력양성센터를 동한 강습회, 학술강연회 및 Hyd-SAREK(냉난방수배관시스템 계산프로그램) 강습회 개최를 통해 냉난방수배관시스템의 필요성과 기술보급, 활성화에 기여할 계획”이라고 밝혔다.

이날 강연회에서는 △제로에너지빌딩의 시작(윤재동 디앤이에스 대표) △Zero Energy 빌딩에서 냉난방수배관 최적화 기술(안성진 하나지엔씨 팀장) △ZEB를 위한 저액서지 복사냉난방 & 제습냉방시스템(이현종 에코에너다임 대표) △제로에너지건축물의 최소외기용 저에너지 멀티 복사시스템(김충회 지원에너텍 대표) △제로에너지빌딩 확산을 위한 설비시스템 구축 방안(민준기 경희대 교수) △Hydronic solutions for BEMS control(박동일 하나지엔씨 대표) △제로에너지 건축물 적용을 위한 기계설비배관 단열기준(류형규 대한기계설비산업연구원 연구위원) △제로에너지빌딩을 위한 냉난방시스템의 온도감응형 밸브(김윤성 삼양발브종합메이커 본부장) △제로에너지건물을 위한 냉난방 수배관시스템의 KEY, 에너지밸브(송성범 벨리모서울 이사) 등의 주제발표가 진행됐다.

윤재동 디앤이에스 대표는 ‘제로에너지빌딩의 시작’을 발표하며 건축물 냉난방에너지 소비의 현실과 각 부문별 에너지절약요소를 점검하고 기존 냉난방시스템의 문제점과 이를 해결할 수 있는 에너지절약시스템 TECS 4.0에 대해 소개했다.

현재 일반 건축물 냉난방공조시스템은 부분부하 대응이 어려워 반송동력 중 75%가 버려지고 있으며 냉동기 입축구 온도차 유지불가로 효율저하 20% 이상 저하운전이 이뤄지고 있다. 에너지절약시스템은 냉동기, 펌프, 밸브, 자동제어 등이 서로 유기적으로 움직이며 부하에 맞게 순차적으로 운전돼야 가능하다.

에너지절약 시스템 TECS 4.0은 △저유량 냉동기 △인버터펌프 △기능성 밸브 △TECS 4.0 자동제어 △유량제어가 통합된 시스템으로 공조시스템을 일체화해 실제 에너지절약은 시스템의 융합 없이는 이뤄질 수 없다는 개념을 기반으로 최고효율운전을 수행할 수 있다. 

윤재동 대표는 “호서대 당진캠퍼스는 TECS 4.0이 적용된 현장으로 2017년 냉방 67%·난방 90%, 2018년 냉방 69%·난방 90%의 반송동력이 절약돼 의미가 있다”고 설명했다.

안성진 하나지엔씨 팀장은 ‘Zero Energy 빌딩에서 냉난방수배관 최적화기술’을 발표했다.

수배관시스템의 최적화는 건물 내 HVAC시스템에서 사용하는 에너지 중 30%를 절감할 수 있는 중요한 수단으로 △실내온도편차 ±0.5˚C로 유지 △Max Pump Head를 20~30m 이내로 유지 △환수온도 13~15˚C 이상으로 유지 △과유량, 저유량 방지 등이 핵심이다.

특히 배관최적화를 위한 전산프로그램 사용 설계 및 부분부하 시 변유량을 위한 시스템 구축, 수배관 내 측정·진단·조정 T&C 리포트 제출 의무화, ASHRAE 권장사항 준수, BEMS 연동시스템 구축 등이 주요 기술이 된다.

안성진 팀장은 “에너지 최적화를 위해서는 컨트롤밸브 간 차압이 너무 높지 않아야 하며 컨트롤밸브의 압력변화를 방지하고 모든 조건에서 양호한 Authority를 유지시켜야 한다”고 강조했다.

이현종 에코에너다임 대표는 ‘ZEB를 위한 저액서지 복사냉난방 & 제습냉방시스템’을 발표했다. 변환과정에서의 유용한 에너지를 엑서지(Exergy)라고 하며 엑서지의 손실이 임의의 에너지전달 및 소비과정에서 효율성에 대한 척도가 된다. 지금까지는 에너지의 양에 초점이 맞춰졌지만 이제는 에너지의 질에 집중해야 한다는 의미다.

저엑서지시스템을 활용할 수 있는 복사냉난방시스템은 친환경 빌딩기술의 트렌드 중 하나다. 복사냉난방은 이상적인 실내온도 분포가 가능하며 조용한 실내환경, 높은 실내공기질 및 열쾌적성을 보유하고 있다. 

에너지적인 측면에서는 열반송 동력비(30% 감소), 실내설정온도(10% 감소), 장비의 에너지효율(20% 상승), 필요공간만의 냉난방(20% 감소), 친환경성 등 특징이 있다. 우수한 공간활용성, 설비와 건물디자인의 조화, 천장마감공사 불필요, 우수한 차음효과, 층고감소 등 건축적 효율성이 높다.

에코에너다임은 복사냉난방시스템을 보급하고 있으며 약 100여개 이상의 국내 최대 실적을 보유하고 있다. 이를 통한 설계·제어·시공 노하우를 보유하고 있으며 시스템의 이해에 도움이 될 수 있도록 쇼룸과 모델하우스를 운영하고 있다. 

이현종 대표는 “지금껏 우리는 1차측 에너지생상을 하는데 있어 최대한 투입대비 산출을 얻어내는 고효율 에너지를 사용에 목적을 뒀다”라며 “에너지의 가치와 최대 활용도에 목적을 둔 저엑서지 시스템을 기억해야 한다”고 말했다. 이어 “많은 비가역성이 소모되는 대공간에 복사냉난방시스템을 활용, 저엑서지 시스템 구성으로 적은 에너지로 최대 효율을 기대할 수 있다”라며 “복사냉난방시스템은 적절한 부하적용과 냉바 시 결로제어시스템이 필수”라고 강조했다.

김충회 지원에너텍 대표는 ‘제로에너지건축물의 최소외기용 저에너지 멀티 복사시스템(AVACS)’를 발표했다.

지원에너텍의 급기기능형 AVACS(Air Ventilation And Cooling System)은 최소외기와 냉난방 수배관을 결합해 일반 복사패널시스템 성능의 160%를 보유하고 있다. 급기구가 보이지 않고 패널이 일체화됐으며 쾌적한 온열환경을 구축할 수 있는 특징이 있다.

또한 천장형 멀티서비스 칠드빔(Chiiled Beam)시스템은 최소외기를 내·외주부에 공조풍향을 급기한다. 정풍량공조시스템, 풍부한 실내급기량으로 온열환경 쾌적성이 매우 높다. 실내공기질이 우수하고 소음이 적어 병실, 요양병원, 실험실, 동물사육실, 사무실, 교육시설 등 다양한 환경에 적합하다.

김충회 대표는 “복사열은 태양광과 같은 전자파로 에너지를 전달하기 때문에 공기에 대한 불쾌감이 없다”라며 “실내 온도층화 현상이 없어 상·하부 균일한 쾌적성을 보유하며 실내공기온도를 최대 3˚C 낮춤에 따라 에너지절약이 가능하다”고 말했다.

민준기 경희대 교수는 ‘제로에너지빌딩 확산을 위한 설비시스템 구축방안’을 발표했다. 제로에너지빌딩의 개념과 신재생·융복합에너지, 고효율설비시스템, IoT 에너지관리시스템 등 기술개발현황과 관련실증사업과 기술인력 양성 등에 대해 설명했다.

제로에너지빌딩의 대표적인 사례로 노원 제로에너지하우스를 소개했다. 이번 현장은 연면적 1만7,728m²로 121세대가 거주하고 있으며 독일 패시브하우스 인증, 에너지효율 1+++등급을 획득했다. 

노원 현장은 패시브요소를 적용해 에너지의 46%를, 신재생에너지를 포함한 액티브요소로 60% 이상의 에너지를 절감한 +에너지빌딩을 구현했다. 신재생에너지로는 지열 455kW, PV 385kW가 적용됐다.

민준기 교수는 “노원 제로에너지하우스는 중규모 주거 실증단지로 비주거 빌딩이나 대규모 주거단지에 기술을 적용하기에는 검증 및 보완이 필요한 것으로 평가된다”라며 “현재 일반 임대주택대비 70~80% 에너지절감 목표구현이 가능한지 모니터링 중인 것으로 알려졌다”고 말했다.

이외에도 △서울시 에너지드림센터 △아산 중앙도서관 △세종 로렌하우스 등을 소개했다.

박동일 하나지엔씨 대표는 ‘Hydronic solutions for BEMS control’ 발표를 통해 BEMS시스템의 설계와 제어, 기능구현 과정에서 수배관시스템의 연관성을 설명했다.

BEMS의 도입 배경은 에너지절감, 온실가스 감축, 기후변화 대응 등으로 요약된다. 전 세계 에너지의 30%가 건물에서, 그중 절반이 냉난방에 사용되고 있음에 따라 건물에너지 관리는 에너지절감 총량에 큰 영향을 미치고 있다.

박동일 대표는 “Hyd-BEMS 제어는 칠러, 냉각탑, 펌프, AHU, 팽창변, 밸브 등 다양한 요소부품과 프로그램제어를 통해 최대 30~60% 에너지효율 향상이 가능하다”고 설명했다.

류형규 대한기계설비산업연구원 연구위원은 ‘제로에너지 건축물 적용을 위한 기계설비배관 단열기준’을 발표했다.

탄소배출과 에너지소비 절감에 대한 국가적 책임은 꾸준히 증가되고 있다. 우리나라는 2020년까지 건물부문 온실가스의 배출전망치(BAU)대비 26.9%까지 감축하는 목표를 발표했고 이를 위한 추진전략 중 하나로 부위별 단열성능기준을 강화하고 있다. 또한 외피성능에 대한 법적 기준 역시 단계적으로 강화시키고 있다.

하지만 배관의 단열기준은 지난 2002년 개정 이후 현재까지 동일한 기준이 사용되고 있기 때문에 이에 대한 개정이 필요한 상황이다.

기계설비산업연구원은 이러한 단열기준 제정에 대한 연구를 진행해 기계설비배관의 최적 단열두께 계산 툴 개발과 이를 이용한 냉난방 공조배관에서의 합리적인 성능위주 설계방법을 제시할 계획이다.

류형규 연구위원은 “고온수 및 냉방배관 등 배관의 조건에 따른 기준검토 및 개정이 필요한 상황”이라며 “업계 현황과 실제 열손실량의 정도 등을 파악해 기준강화 타당성을 논의하고 샘플건물을 대상으로 배관을 통한 열손실량 정밀진단 등을 시행할 것”이라고 밝혔다. 이어 “개발된 툴의 인터페이스 등 개성을 통한 관련 전문가 또는 일반인이 사용할 수 있도록 할 방침”이라고 설명했다.

김윤성 삼양발브종합메이커 본부장은 ‘제로에너지빌딩을 위한 냉난방시스템의 온도감응형 백브’를 발표했다. 

삼양발브의 감응형밸브는 온도조절기, 온도감지제어함, 밸브 및 구동기, 온도감지센서로 구성되며 내관 내 유체온도를 감지하는 센서를 통해 작동유무를 자가진단할 수 있다. 유체 내 온도감지를 통한 온도감지센서 쇼트 및 단선 시 구동기가 닫히는 구조를 갖췄다. 또한 냉난방 가동 후 180시간 이상 구동기 CLOSE 시 밸브의 고착방지기능이 실행된다.

난방용 감응형 밸브는 유체온도 15˚C 이하에서는 구동기가 CLOSE되며 △T˚C 세팅을 통해 비례제어를 실시한다. 냉방용 감응형 밸브 역시 구동기 비례제어를 통해 증발역할에 따른 정확한 유량공급이 가능하다.

김윤성 본부장은 “2PIPE시스템 온도감응형 밸브는 조작오류로 인한 냉수유입을 차단하며 일정온도 이하의 유체가 흐를 경우 온도감지 후 밸브가 CLOSE된다”라며 “추가적인 차단밸브 미설치를 통해 비용 및 관리포인트가 최소화되며 시공비용, 통합관제실로의 자동제어 비용 및 A/S 포인트 감소 등이 장점”이라고 설명했다.

송성범 밸리모서울 이사는 ‘제로에너지건물을 위한 냉난방 수배관시스템의 KEY, 에너지밸브’ 발표를 통해 중앙공조방식 건물의 에너지효율화를 저해하는 원인으로 지목되고 있는 ‘낮은 온도차 문제(Low Delta T Syndrome)’에 대해 설명하고 대안을 제시했다.

‘Low Delta T Syndrome’은 코일의 성능저하, 낮은 설정온도, 불균형한 수배관 밸런싱 등의 문제가 결합되 생기는 현상으로 냉난방시스템 운전 시 설계온도차 이하로 운전될 때 발생한다. 그 결과 시스템이 효율적으로 작동하지 못하며 건물 내 에너지가 낭비된다.

이러한 문제의 해결을 위해 밸리모서울은 에너지밸브 적용을 제안하고 있다. 밸리모서울의 에너지밸브는 열량제어는 물론 에너지사용량을 자체 모니터링함으로써 에너지절감에 능동적으로 대응할 수 있는 시스템이다.

송성범 이사는 “실제 열원을 사용하는 말단 공조장비 성능을 개선하는 것이 제로에너지건물을 위한 냉난방 수배관시스템에서 전체 건물의 에너지사용을 효과적으로 절감할 수 있는 방안”이라고 강조했다.