2024.03.17 (일)

  • 구름조금동두천 12.3℃
  • 구름많음강릉 12.0℃
  • 황사서울 10.7℃
  • 황사대전 13.5℃
  • 흐림대구 17.8℃
  • 구름조금울산 19.3℃
  • 연무광주 13.6℃
  • 구름많음부산 19.6℃
  • 구름조금고창 10.5℃
  • 구름많음제주 13.8℃
  • 구름조금강화 9.5℃
  • 흐림보은 11.9℃
  • 구름조금금산 15.0℃
  • 구름많음강진군 14.7℃
  • 구름많음경주시 19.2℃
  • 구름조금거제 19.6℃
기상청 제공

특별기획

[인터뷰] 김용찬 고려대 교수

“산‧학협력 통한 융합시너지, ZEB 실현 앞당길 것”
수열에너지 기반 신재생 융‧복합 연구개발 박차

LH가 추진하고 있는 ‘제로에너지도시 및 제로에너지주택 실현을 위한 수열에너지 적용방안 연구’는 정부의 제로에너지건축물(ZEB) 활성화 정책에 부응하고 제로에너지도시(ZEC), 제로에너지주택(ZEH)에 효과적으로 신재생에너지를 적용하기 위해 시작됐다.

연구단은 산·학 협업을 통해 학계의 이론적 분석과 산업계의 실무경험이 상승효과를 낼 수 있도록 구성됐으며 풍부한 연구경험으로 수열에너지 적용을 통한 ZEB 실현목표를 달성할 수 있도록 7인의 연구원급 인력이 참여한다.

연구단은 △수열에너지 현황조사 △도시부분 수열에너지 적용 △주택부분 수열에너지 적용 △복합열원시스템 시범사업지구 적용 등 4개 분야로 팀을 구성했다.

연구총괄과 제4연구분야인 ‘복합열원시스템 시범사업지구 적용’을 맡은 김용찬 고려대 교수를 만나 과제 추진방향과 계획을 들었다.

■ 과제 연구방향 및 목표는
국토교통부는 신기후체제 출범에 따라 건물부문 에너지절약 및 국가 온실가스 감축목표 달성에 앞장서기 위해 ZEB인증제를 2017년 1월20일부터 시행하고 있다. ZEB 국가로드맵에 따라 2016년 1월 ‘녹색건축물 조성지원법’을 개정해 제도적 기반을 마련했다.

ZEB인증은 건축물 에너지효율등급 1++ 이상을 만족하고 건물에너지관리시스템(BEMS) 또는 원격검침 전자식계량기 등 에너지모니터링 시스템이 설치된 건축물에 대해 신재생에너지를 통한 에너지자립률을 기준, 5개 등급으로 평가하고 있다.

수열원 히트펌프는 공기열원 히트펌프에 비해 효율이 높으며 수열에너지는 2015년 3월 법개정을 통해 신재생에너지 중 하나로 규정됐지만 국내 수열산업은 아직 시작단계로 수열 히트펌프를 ZEB에 바로 적용하기 어려운 상황이다.

이번 과제는 ZEB 의무화 대응을 위해 수열에너지 및 관련산업에 대한 데이터베이스를 구축하고 시스템 경제성 및 효율분석을 통해 도시·주택부분 수열에너지 적용방안을 제시하는 것이 목표다.

또한 복합열원 공동주택 시범사업에 적용할 융복·합 신재생에너지시스템 평가를 통해 최적 시스템과 운전방안을 제시하고 사업의 성공적인 운영을 위한 홍보 및 관계기관과의 협업을 목표로 한다.

■ 기존 수열 적용사례와 차이점은
현재까지 수열에너지는 롯데월드타워와 같은 상업용건물에 적용돼왔으나 이번 과제에서는 주거건물인 공동주택에 수열에너지를 적용한다.

공동주택은 상업용건물과는 냉난방부하량과 패턴특성이 다르며 온수공급 또한 요구된다. 이번 과제에서는 공동주택에 최적화된 수열원 히트펌프설비의 설계 및 운전방안에 대해 새롭게 연구를 진행한다.

운전조건의 결정측면에서 같은 건물면적에서 요구되는 히트펌프 용량과 공급되는 물의 온도가 달라지기 때문에 공동주택 부하특성을 파악해 단위면적당 부하량과 히트펌프 출수온도를 새롭게 정의할 필요가 있다. 또한 외기조건과 부하패턴에 따른 시스템의 운전방안 또한 정의돼야 한다.

수열원 히트펌프시스템 설계는 새롭게 정의된 부하량과 출수온도 조건을 맞출 수 있도록 시스템 용량을 산정하고 시스템 및 요소부품을 구성해야 한다. 새롭게 설계된 시스템이 새로운 부하패턴에 맞춰 효율적으로 운전되도록 운전알고리즘 최적화 또한 진행돼야 한다.

또한 수열원의 종류는 하천수, 하수, 상수도 원수, 해수 등 다양하기 때문에 대상지역의 수열원 현황에 따라 상수도 원수뿐만 아니라 하수처리장 배출수 등에 대한 연구를 진행, 다양한 수열원의 냉난방시스템에 대한 적용가능성을 알아본다.

이와 함께 수열과 타 신재생에너지를 결합한 융·복합시스템의 적용으로 ZEB 실현을 위한 연구를 진행한다.

■ 각 시범지구별 특성은
수열에너지에는 상수도 원수, 하천수 등 다양한 종류가 있으며 지역에 따라 사용 가능한 수열에너지 종류가 다르다.

이에 따라 효율적인 수열에너지 활용을 위해서는 여러 지역에서 다양한 종류의 수열에너지의 활용가능성을 분석하는 것이 필요하다. 이를 위해 LH 개발지구 중 수열원의 종류 혹은 조건이 다른 지구를 선정했다.

원수관로가 개발지구 내 위치한 경우 수열에너지 적용을 위한 추가배관 설치를 줄일 수 있다. 수열원시스템의 초기 투자비용을 낮추는 장점이 있으며 경산대임지구와 하남교산지구가 이에 속한다.

원수관로가 개발지구 인근에 위치한 경우 원수관로로부터 개발지구까지 추가적인 배관설치가 필요하며 원수관로 이격거리에 따른 공사비용 및 수열원의 이송을 위한 운전비용을 감안한 경제성 평가가 진행돼야 한다. 수원당수지구는 인근에 원수관로가 위치하며 1, 2지구와의 최단거리는 각각 100m 및 800m 정도로 위의 경우에 대해 분석하기에 적합하다.

마지막으로 부천대장지구는 개발지구 내 원수관로가 위치하지는 않지만 굴포천과 굴포 하수처리장이 있어 이들을 수열원으로 이용, 원수관로 이외의 수열원 분석을 위해 선정했다.



■ 신재생 복합구성을 준비 중인데
수열·지열원 히트펌프시스템은 안정적인 냉난방의 공급이 가능하지만 압축기에서 소비되는 전력으로 인해 태양열 냉난방에 비해 전력소모가 크다. 이에 비해 태양열 냉난방은 전력소모는 적지만 일사량 변화로 인해 냉난방 공급이 간헐적인 특징을 가지고 있다.

이들을 결합한 복합열원시스템을 적용하는 경우 수열원 및 지열원을 이용해 안정적으로 냉난방을 공급하면서 태양열 냉난방운영이 가능한 시기에는 적은 전력소모로 냉난방을 공급할 수 있을 것이다.

또한 신재생에너지는 사용가능한 에너지량이 주변환경에 따라 달라진다. △수열에너지는 유량, 온도 등을 고려한 잠재량에 △지열에너지는 토양환경, 천공부지 등을 고려한 잠재량에 △태양열은 건물형태에 따른 집열기 설치면적을 고려한 잠재량에 영향을 받는다.

안정적인 냉난방 공급을 위해서는 대상지구의 부하와 각 열원의 잠재량을 파악해 열원별 히
트펌프 용량을 산정하고 에너지효율뿐만 아니라 공사비용과 운전비용을 고려한 경제성 평가를 실시해 복합열원 히트펌프시스템의 적용비용을 최소화해야 한다.

태양광 및 연료전지는 발전시스템에 적용해 직접적인 에너지를 생산함으로써 에너지자립률 향상에 도움을 줄 수 있을 것으로 기대된다.

■ 경제성 확보방안은
히트펌프시스템의 효율향상을 위해서는 부하량을 고려해 최적화된 시스템 및 요소부품의 선정이 선행돼야 한다.

또한 선정시스템의 최적운전을 위해 외기와 부하조건에 따른 시스템의 운전조건을 구분하고 각 운전조건에서의 최적 운전점을 결정해야 한다. 이후 운전조건별 최적점을 통합해 수열원 히트펌프시스템의 최적 운전제어 알고리즘을 도출한다.

경제성은 크게 초기 설치비용, 설비 운전비용, 유지보수비용으로 나눌 수 있다. 이중 운전비용은 히트펌프시스템의 효율과 연결된 항목으로 시스템의 최적설계 및 운전제어 알고리즘을 적용, 운전비용을 감축한다.

히트펌프시스템 설비 위치선정 및 배관망 최적설계를 통해 초기 설치비용을 절감하고 파울링 저감 및 예측 등을 통해 시스템 및 요소부품의 고장을 방지해 유지보수비용을 절감, 경제성을 확보한다.