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특별기획

[특별기획] 수열에너지, ZEC·ZEH 앞당긴다

수열에너지 복합열원시스템, 제로에너지도시·주택 실현
LH, 수열기반 신재생열E로 PV한계 극복 추진



한국토지주택공사(LH, 사장 변창흠)가 제로에너지도시, 제로에너지주택에 수열에너지 적용을 활성화하기 위한 시범사업에 착수한다.

LH는 지난 7월30일 ‘제로에너지도시 및 제로에너지주택 실현을 위한 수열에너지 적용방안 연구’ 착수보고회를 개최하고 △고려대 △국민대 △한양대 △호서대와 함께 시범사업 추진을 위한 사전연구로 최적 적용방안에 대한 R&D에 돌입했다. 연구는 내년 7월까지 12개월간 진행된다.

이번 연구는 제로에너지건축물(ZEB) 활성화정책·로드맵에 의해 의무적용 대상이 확대되고 에너지자립률 목표는 강화되고 있지만 제로에너지도시(ZEC), 제로에너지주택(ZEH)에 효과적으로 신재생에너지를 적용하는 데 한계가 있다는 문제인식에 따라 착수됐다.

우리나라는 ZEB의 단계적의무화를 위한 로드맵을 수립하고 올해 1,000㎡ 이상 공공건축물에 ZEB인증 5등급 이상 의무화가 개시됐다. 이어 △2023년 500㎡ 이상 공공건축물 △2025년 1,000㎡ 이상 민간건축물 및 30세대 이상 공동주택 △2030년 500㎡ 이상 모든 건축물을 대상으로 ZEB인증 5등급 이상을 의무화할 방침이다. 이에 따라 2024년까지 ZEB 국내시장규모는 약 20조원까지 성장할 전망이다.

ZEB는 패시브건축을 통해 냉난방에너지사용량을 최소화하고 액티브설비를 통해 소비에너지를 효율화하고 신재생에너지를 생산함으로써 건축물에서 소비하는 만큼 에너지를 생산하는 건축물이다.

그러나 최근까지 ZEB 달성을 위한 신재생에너지는 대부분 태양광에만 국한돼있다. 태양광패널의 효율과 적용성이 향상되고 비용이 낮아지면서 우수한 신재생에너지 생산수단이 되고 있는 것은 맞지만 제한된 면적에서 태양광패널만으로 도시, 공동주택에서 제로에너지를 구현하기에는 한계가 있다.

특히 국내 소비에너지의 약 60%는 열부하이지만 대부분 전기를 열로 전환해 활용하는 비효율이 만연한 상황이다.

이에 따라 기존 태양광패널 중심의 신재생에너지 패러다임으로는 ZEB를 넷제로(Net Zero), 나아가 PEB(Plus Energy Building)까지 만들기 어렵다.

신재생에너지를 최적화된 비용으로 효율적으로 생산하기 위해서는 수열·지열 등 열에너지를 직접 사용하는 등 다양한 에너지원을 융복합해야 할 필요성이 크다.

수열에너지는 여름철 수온이 대기보다 낮고 겨울철에는 높은 특성을 가진 미활용에너지인 물을 열원으로 한다. 물이 가진 미활용에너지를 히트펌프기술로 냉난방·급탕에 활용하는 친환경에너지다.

우리나라에는 롯데월드타워에 적용돼 약 36% 전력사용량을 절감했으며 해외사례로는 캐나다 토론토시 냉방시설의 약 90%, 미국 코넬(Cornell)대 약 86% 전력에너지를 절감했다.

또한 2019년 국가 스마트시티 시범도시인 부산에코델타시티(EDC)에 수열에너지 시범사업이 착수됐으며 지난 6월 확정된 3차 추경안에는 수열에너지 관련예산 약 42억원이 편성되는 등 국가정책으로도 수열활성화에 강력한 드라이브를 걸고 있다.

김용찬 고려대 교수를 연구총괄로 하는 이번 연구는 ZEB의무화 대응을 위해 도시·주택부문에서 수열에너지의 적용방안을 제시하기 위해 추진된다. 또한 수열에만 그치지 않고 함께 이용할 수 있는 지열 등 복합열원 상용화를 위한 시범사업 추진방안을 제시하는 내용도 포함한다.

연구는 △수열원 잠재량 및 산업현황 조사 △도시부문 수열에너지 적용방안 제시 △주택부문 수열에너지 적용방안 제시 △복합열원 시범사업 추진방안 등 4개분야로 구분된다.



수열에너지 활성화 기초자료 마련
제1연구분야는 박차식 호서대 교수가 맡아 △수열에너지·시스템 범위 및 특징 △수열관련 제도조사 △국내·외 수열시스템 운영현황 △수열시스템 관련기술 수준 및 시장현황 △수열시스템 운전안정성 파악 등을 연구한다.

국내 수열에너지의 종류, 온도·수질 등 특성, 가용잠재량 조사 및 분석, 국내·외 수열시스템 운영현황 조사를 포함한 방대한 연구가 제1연구분야에서 진행된다.

수열에너지와 이를 이용한 수열시스템의 범위를 정의하고 서울, 대전, 부산 등 주요 지자체의 저수, 하천수, 댐의 부존량 조사지역을 선정한다. 이를 위해 기존 문헌과 환경부, 해양수산부, 국토교통부, 한국수자원공사, 각 지자체의 데이터베이스를 자료로 활용한다.

국내·외 설치사례도 면밀히 살펴본다. 국가별 수열시스템의 특징, 운영현황, 이용효과를 분석할 계획이다. 롯데월드타워, EDC 등 국내현장은 물론 캐나다 Enwave, 미국 Cornell대 등을 견학함으로써 냉난방시스템의 종류, 세부시설현황, 용량, 운전방법, 효과 등을 분석한다.

수열에너지 관련제도를 포함한 산업현황 분석도 제1연구분야에서 이뤄진다. 수열산업은 신재생에너지산업, 물산업분야에 모두 속하기 때문에 교차해서 살펴봐야할 필요성이 있다.

또한 국내 수열산업은 비성숙 상태라는 특성이 있으므로 히트펌프, 열교환기, 펌프 등 일반 히트펌프기업을 포함해 조사가 이뤄진다. 기업정보 통계조사를 통해 기업규모, 시장현황분석, 제품성능조사, 기술수준분석 등이 이뤄질 예정이어서 국내 수열산업에 기초자료가 마련될 수 있을 전망이다.



도시·주택 수열시스템 설계도출
제2, 제3연구분야는 각각 장영수 국민대 교수, 정재원 한양대 교수가 맡아 △도시 및 주택차원의 수열에너지 활용가능성 검토 △TRNSYS를 이용한 냉난방·급탕시스템 등 모델링 △수열시스템 성능 및 경제성평가 △ECO2를 이용한 ZEB기여도 평가 △수열시스템 적용방안 제시 및 개념설계 등을 연구한다.

먼저 도시부문에서는 시범사업지구로 지정된 경산대임지구를 포함해 검토 중인 제3기 신도시의 잠재량 평가가 연구된다. 잠재량은 자연적잠재량과 기술적잠재량으로 구분된다.

자연적잠재량은 유량, 사용온도차를 통해 예측한 수열원으로부터 얻을 수 있는 에너지잠재량이다. 기술적잠재량은 해당 수열원에 히트펌프를 적용함으로써 실제 냉난방에 사용가능한 에너지다. 기술적잠재량의 경우 수열원 히트펌프 성능계수를 이용해 산출한다.

이를 통해 냉난방 부하 및 공급세대를 결정할 전망이다. 외기온도에 따른 대상건물의 냉난방부하를 계산하고 수온변화에 따른 수열원의 기술적 잠재량을 고려해 공급가능 세대가 결정된다.

이를 토대로 부분부하, 공급수 온도에 따른 수열원 히트펌프 용량, 대수 및 종류 등을 선정하며 TRNSYS에 부하데이터와 외기데이터를 입력해 수열원 히트펌프 성능을 분석할 방침이다.

특히 냉난방공급센터 개수와 위치선정도 이뤄진다. 냉난방공급센터는 수열원으로부터 신재생에너지를 생산, 공급세대와 배관을 연결해 냉·온수를 전달하는 역할을 맡는다.

냉난방센터가 적은 경우 배관설치 비용이 증가하지만 지나치게 많으면 부지 및 건설비용 증가로 비효율이 야기되기 때문에 냉난방센터별 공급세대 수에 따라 적절한 시스템용량과 개수 등이 산정돼야 한다.

도시에서 활용할 수 있는 수열원을 발굴하고 적합한 부지를 선정하기 위한 기준도 연구된다. 지방하천, 하수처리 방류수량, 광역상수 등 원수관로 위치, 통과관로 이격거리 등을 고려할 전망이다.

주택부문에서는 시스템선정을 위한 고려사항이 연구된다. 지열·수열을 함께 고려해 어떤 것이 경제성이 높은지를 판단할 기준을 제시한다. 지열·수열은 여름에는 외기온도보다 낮고 겨울에는 외기온도보다 높아 에너지이용효율을 향상시킬 수 있다.

그러나 지열시스템은 지중열교환기 설치를 위한 공간확보와 공사가 필요하다. 또한 지중열교환기에 문제발생 시 수리·교체에 어려움이 있다. 수열시스템은 수열원으로부터 배관공사가 필요하다. 이와 같은 특성을 고려해 가장 경제성이 높은 시스템 구축을 위한 연구가 진행된다.



열E 복합시스템 적용방안 마련
제4연구분야는 김용찬 고려대 교수가 맡아 △시범사업지구 조건을 고려한 지열·수열 융복합시스템 선정 △수열적용에 따른 공사비 추정 및 경제성 등 기대효과 분석 △시범사업관련 홍보 △관계기관 협업 △정부협의 △수열시스템의 효율적인 설치와 운용을 위한 제도개선 제안 등을 연구한다.

지열·수열·태양열·연료전지 등 다양한 열원을 적용할 수 있는 하이브리드 복합열원 냉난방·급탕시스템을 제안할 방침이다. 저탄소, 고효율화, 고신뢰성시스템 개발을 통한 보급확대와 환경부담 저감, 에너지절감이 추진된다.

지열·수열·태양열 히트펌프를 적용한 시스템이나 PVT·수열·지열 히트펌프를 적용하는 시스템 등이 사례로 활용된다. 또한 이를 최적운전할 수 있는 제어방법, 알고리즘 개발 및 분석방법도 병행된다.

이번 R&D는 제1~4연구분야의 주요내용인 수열에너지 현황조사, 도시·주택 적용방안, 복합열원시스템 등 연구 외에도 △평가·시뮬레이션 프로그램을 이용한 소비분석 △수열에너지시스템 환경영향분석 △경제성평가방법 등이 함께 이뤄져 방대한 분야를 다룬다.

특히 연구내용을 바탕으로 시범사업과 연계함으로써 수열에너지 신뢰성 향상방안 제시, 사업활성화 방안마련, 정책제언 등 포괄적으로 활용될 수 있을 전망이다.