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[인터뷰] 임재한 이화여대 건축도시시스템공학과 교수

하이브리드 GeoTABS기술, 에너지수급 안정성 확보 가능
‘TABS 설계 방열량 산정방식’ ISO표준 개선 제안

임재한 이화여대 교수는 ‘공동주택에서 제습시스템이 통합된 복사냉방의 제어 및 운영방안’으로 박사 학위를 받았다.

해외저널에 28편의 논문 실적이 있으며 그동안 △오피스건물에서 쾌적한 실내환경 조절을 위한 개별 재실자 쾌적모델 및 인공지능 기반 국부적 냉난방 제어기술 개발 △PCM을 이용한 구체축열 공조시스템의 최적 설계 및 제어기술 △지열에너지를 이용한 구체축열시스템의 활용기술 △축열성능이 향상된 슬래브를 이용한 저에너지 복사냉난방시스템 개발 등을 연구했다.

미래설비기술로 ‘Hybrid Geothermally Activated Building Systems(이하 하이브리드 GeoTABS)’을 제안한 임재한 교수를 만나봤다.

■ 제로에너지건축물 구현 조건은
전 세계적으로 온실가스 감축에 대한 논의가 가속화되면서 국내·외에서 제로에너지건축물에 대한 관심이 고조되고 있다. 국내에서도 2025년부터 제로에너지건축물 보급을 민간으로 확대함으로써 향후 건물에서의 냉난방에너지 효율화에 대한 노력이 절실한 상황이다.

제로에너지건축물은 고성능 단열, 창호기술이 적용돼 건물의 기밀성능이 개선됨에 따라 건물에서 연간 난방열 에너지수요가 크게 줄어드는 반면 급탕에 대한 수요는 늘어나고 있다. 패시브하우스 수준의 건물에서는 연간 난방 열 수요량(Annual space heat demand)을 15kWh/(m²a) 이하로 설계됨에 따라 현재 건축기준에 따라 신축되는 건축물의 평균값에 비해 4~8배 더 작은 수준의 난방에너지가 소요된다.

또한 패시브하우스 수준으로 설계가 진행되는 경우 최대 난방부하가 10 W/m²로 현재 건축기준에 따라 신축되는 건축물의 평균적인 값보다 3~5배 더 낮아지게 된다. 여름철 냉방에 대한 수요가 늘어나면서 건물에서 냉방기기 보급이 증가하고 있다. 이로 인해 국가적인 전기에너지수요 불균형이 야기되면서 대규모 블랙아웃(Blackout)에 대한 우려가 현실로 나타나고 있다.

이에 따라 국가적 차원에서도 여름철 또는 겨울철 전기에너지의 최대 피크 수요관리에 대한 정책적 대응이 필요한 시점이다. 또한 제로에너지건축물의 에너지자립률을 향상하기 위해 태양광, 지열, 태양열 등 신재생에너지 보급이 늘어나고 있다.

제로에너지건축물에서 저엑서지 열원으로 지열이나 태양열, 미활용에너지원 등을 효과적으로 활용하면서 냉난방부하를 저감함으로써 계절적인 전기피크를 절감하기 위한 건물에너지 효율 향상기술 개발이 필요하다.

■ 하이브리드 GeoTABS 개발 배경 및 필요성은
국내·외 에너지 수요 및 온실가스 감축, 기후변화에 대응하기 위해서는 제로에너지건축물 구현을 위한 건물에너지 효율 향상 기술개발이 필요하다. 일반적으로 TABS는 건축물의 콘크리트 구조체를 이용해 건축물의 열부하를 제거하고 실내공간에서 복사열전달을 이용해 재실자의
쾌적성을 위한 냉난방을 수행하는 기술이다. 지열 등 신재생에너지와 연계해 통합 적용함으로써 건물에너지소비량을 절감하고 쾌적하고 건강한 거주환경을 제공할 수 있다.

이에 따라 해외에서는 지열히트펌프시스템과 연계해 GeoTABS기술이 적용되고 있다. 국내에서는 이화여대의 ECC건물에 지열시스템과 통합 적용된 TABS기술이 적용돼 있다. TABS는 복사냉난방방식으로 실내에서 발생하는 현열부하만을 제거할 수 있기 때문에 일반적으로 기존 HVAC시스템과 통합 설계, 운전되고 있다. 또한 기존 공조방식과 달리 중량의 구조체에서 열적 반응시간이 느리게 나타나기 때문에 실내외 부하조건 및 운전스케쥴에 따라 모델기반의 예측제어(MPC: Model-based predicted control)를 수행함으로써 냉난방열원의 피크부하를 저감하고 지열이나 미활용에너지 등 저위의 에너지원을 효과적으로 활용할 수 있다.



■ 기존 기술과의 차별성은
기존 외국에서 적용되는 기술과 마찬가지 지열히트펌프 열원과 열교환장치, 공조설비를 통합 적용함으로써 환기 및 온·습도제어를 구현하는 기술로 냉난방부하가 적게 설계되는 제로에너지건축물에서는 큰 효과를 기대할 수 있다.

국내 기후조건에서 하이브리드 GeoTABS를 적용하기 위해서는 여름철 냉방운전 조건에서 표면의 결로방지를 위한 제어 운전기술이 필요하다. 여름철 냉방운전 시 열원의 운전조건을 부하 및 구조체 거동 특성을 고려해 예측 운전함으로써 표면결로 발생없이 운전될 수 있도록 모델 기반의 예측제어 알고리즘을 개발했다. 또한 심야전기를 활용해 비용효율적인 열원운전이 가능토록 축열조와 지열히트펌프시스템을 통합 구성해 건물에너지효율을 향상했다.

특히 기존 ISO표준에서의 TABS 설계방열량 산정방식을 개선하기위해 공조시스템에서 제거되는 냉난방부하 조건을 고려한 TABS의 설계방식을 제시했다. 이를 통해 기존 공조시스템과 통합 적용하는 경우 TABS의 최적설계가 가능하다.

■ 향후 기술개발 방향은
제로에너지건축물에서 냉난방부하 특성을 고려해 예측함으로써 지열원과 기존 히트펌프 열원을 축열조 방식과 연계된 TABS의 설계, 운전 및 제어기술을 개발해나가야 한다. 이를 통해 건물에서 저위의 열원을 효과적으로 활용해 냉난방 피크부하를 저감하고 건물에너지 효율을 개선하고 사용자 입장에서 에너지비용절감도 가능하다.

또한 구조체의 축열용량을 개선하면서도 구조 하중을 저감하기 위해서는 상변화물질(PCM: phase change materials)을 이용해 슬래브 등 구조체의 상세모델을 개발해 적용하는 것이 필요하다. 지열이나 태양열, 미활용열원에 대한 연구와 연계함으로써 건물의 에너지효율을 개선해 나갈 수 있다. 특히 기존 지열히트펌프시스템과 연계해 태양열·축열시스템을 통합 적용하기 위해서는 열에너지 공급량에 대한 예측이 함께 진행돼야 한다.

■ 기술의 적용조건 및 대상은
대학 내 복합교육시설을 대상으로 다양한 냉난방부하 조건에 대응하기 위한 하이브리드 GeoTABS를 적용했으며 국내 기후조건에서 강의실 또는 연구실로 활용되는 공간에서 발생하는 냉난방부하를 효과적으로 제어, 운전할 수 있었다. 다만 대상건물의 지중에 면한 건물로 일반 오피스건물에 비해 냉난방부하가 적은 것이 특징이다.

■ 기대효과는
건축물에너지 효율화를 위한 지능형 에너지 네트워크 관리기술을 활용함으로써 에너지수급 안정성을 확보해 나갈 수 있다. 해외 사례와 같이 오피스나 주거, 공공건물 등 다양한 건물에 적용함으로써 기후변화 대응 에너지관리 기술과 연계해 적용할 수 있다.

■ 연구개발 계획은
최근 들어 국내·외에서 4세대 지역난방기술에 대한 관심이 고조되고 있다. 현재 지역난방은 사용자의 수요와 무관하게 중앙집중식 생산시스템으로 장거리 열수송관을 이용한 열공급이 이뤄지고 있다. 이로 인해 10~30%가량 열손실이 발생하는 등 여러 문제점 대두되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 커뮤니티단위에서 신재생에너지원 및 분산전원과 연계한 열그리드와 저온 열공급 방식과 연계해 하이브리드 GeoTABS기술을 발전시켜 나갈 계획이다. 부지 내 적용된 하이브리드 GeoTABS기술을 건물이나 도시 커뮤니티 내에서 에너지효율화를 위한 스마트 에너지 네트워크 관리기술을 활용함으로써 에너지수급 안정성을 확보할 수 있다.

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