대한설비공학회 공조부문위원회(위원장 민준기)은 10월20일 킨텍스에서 ‘지구온난화 대비 및 탄소중립을 위한 공조시스템’을 주제로 학술강연회를 개최했다. 

이번 강연회에서는 △공생건축(식물&재실자)을 위한 동적 적응형 공조운전시스템(김지민 서울과기대 교수) △가스직화식 콘덴싱보일러 시스템 최적설계와 완전 비례제어 운전에 의한 에너지절감(최철 힉스 상무) △공조배관(냉난방수배관)시스템 기술표준(안)(안성진 하나지엔씨 팀장) △고효율 히트펌프 및 열저장시스템을 통한 스마트팜 에너지감축(이태구 이젠엔지니어링 연구소장) △제로에너지건축을 위한 데시컨트 제습공조(이현종 에코엔하임 대표) △저유량냉동기와 공조배관 순환펌프제어를 통한 탄소저감 방안(윤재동 이투지 대표) △에너지절감을 위한 건식난방시스템(이재인 에코에너다임 매니저) △제로에너지 건축물의 저에너지 공조시스템(Rad-HVAC)(김충회 지원에어텍 대표) △탄소배출량 저감을 위한 HVAC 적용기술(진동식 삼성전자 프로) 등이 발표됐다. 

김지민 서울과기대 교수는 ‘공생건축을 위한 동적적응형 공조운전시스템’ 발표를 통해 수직 공생건축의 개념 및 관련연구 현황을 공유했다. 

수직 공생건축(Vertical Symbiosis Building)이란 ‘물리적 공간 속 인간과 자연의 공생 프레임’이라는 개념 하에 식물과 재실자가 공존하는 환경에서 식물에는 최적 생육환경을, 건물 재실자에게는 건강한 실내환경을 제공하는 건축물을 의미한다. 

최근 인간의 생활양식 변화와 도시집중화 현상에 따라 이에 부합하는 새로운 건축모델이 요구되고 있으며 대표적으로 수직형 스마트팜이 주목받고 있다. 외부환경의 영향을 차단한 상태에서 ICT 기술을 활용, 다층 선반에서 작물을 인공적으로 재배하는 농장으로 계획적이고 안정적인 식량생산이 가능하다. 이는 식물이 최적 상태에서 생육될 수 있는 건물로 인간과의 공존가능성 연구를 위해 재실자의 집중도에 대한 뇌파측정 실험이 진행됐다. 

김지민 교수는 “공생건축을 위한 동적적응형 공조운전시스템을 통해 스마트팜과 재실공간이 상호보완관계를 구축한다는 계획”이라며 “재실공간에서는 식물의 광합성원이 되는 CO₂를 공급하고 스마트팜에서는 CO₂를 흡수해 O₂를 배출함과 동시에 생육환경에서 발생한 열을 통한 냉난방부하 절감이 기대된다”고 말했다.

최철 힉스 상무는 ‘가스직화식 콘덴싱보일러 시스템 최적설계와 완전비례제어 운전에 의한 에너지절감’을 발표했다. 

보일러시스템의 최적설계하기 위해서는 크게 △운전비용 절감 △설치공간 △시스템이 제공하는 기능적 요소 △경유량 또는 변유량 난방시스템 등이 고려돼야 한다. 

특히 정밀한 연소제어가 중요한데 연소시스템은 정확한 공연비를 유지할 때 효율이 향상된다. 하지만 보일러는 △연소교정 불량 △기계실 기압 변동 △공기필터에 과도한 먼지축적으로 공기량 부족 △LNG 에너지 함량 변동 △습도 등에 의해 표준 공연비에서 벗어날 우려가 있다. 

최철 상무는 “최저부하 운전율 6%보다 우수한 비례제어 보일러를 적용해 실제 사용시간의 94% 이상인 50% 이하 운전부하에서 30~60% 에너지절감이 이뤄질 수 있다”라며 “또한 온수온도와 배기가스의 온도차이를 10℃ 이하로 운전할 수 있도록 산소농도를 제어하고 모니터링해야 한다”고 말했다. 

이어 “무온수탱크시스템으로 설치면적과 유지보수비용을 감소시킬 수 있으며 복합 난방-급탕시스템으로 보일러 용량합계를 줄이고 ΔT 20℃ 이상 변유량 시스템으로 펌프에너지를 절감할 수 있다”고 말했다.

이태구 이젠엔지니어링 연구소장은 ‘고효율 히트펌프 및 열저장시스템을 통한 스마트팜 에너지감축’을 통해 스마트팜 에너지절감 대상시설에 대해 렌탈서비스를 통한 경제성분석과 함께 이에 대한 효과를 소개했다. 

스마트팜은 IoT, 빅데이터, AI, 자동화시스템 등을 시설원예, 축사, 과수원 등에 접목해 생육환경 유지관리를 원격 또는 자동으로 수행할 수 있는 지능화된 농장형태이며 에너지비용을 절감으로 농가소득을 향상시켜 투자를 촉진시킬 수 있다. 

이젠엔지니어링은 농사용 전기를 이용한 지열(지하수) 이용 및 수축열 난방시스템을 통해 에너지 및 운전비 절약형 냉난방시스템을 제안하고 있다. 

또한 농장주의 부담을 최소화하기 위해 시설자금을 에너지절감 내 비용으로 분할납부할 수 있는 렌탈서비스를 제공한다. 농장주는 건축물 시공 초기비용이 없으며 운영관리 효율성을 획기적으로 증대할 수 있다. 이젠엔지니어링은 시공실적 확대에 따른 매출 및 수익성 향상과 함께 IoT를 활용한 데이터 구축 및 기술고도화는 물론 유지보수, 개보수를 통한 사업의 연속성을 확보할 수 있다. 

이태구 연구소장은 “경북의 5,000평 규모 토마토 시설원예에서는 전기보일러 150kW 6기 및 경유보일러를 지열히트펌프 180kW 3기, 수축열조 1기로 개선했으며 기존 전기보일러는 예비열원으로 보존했다”라며 “이를 통해 겨울철 하우스 실내온도를 10℃ 내외로 유지, 안정적 생육환경을 조성했으며 심야시간 외 전력사용량을 대폭 감소시켰다”고 말했다.

이현종 에코엔하임 대표는 ‘제로에너지건축을 위한 데시컨트 제습공조’를 발표했다. 

최근 건축물 에너지효율등급 1++이상, 에너지자립률 20% 이상, BEMS 또는 전자식원격검침을 요구하는 제로에너지건축물(ZEB) 인증 의무가 본격화되고 있다. 

이에 대응할 수 있는 HVAC 기술로 단열·기밀 강화에 따른 실내환경 제어가 가능한 De-coupling System이 주목받고 있다. ZEB은 실내 온도는 적정하나 습도가 증가해 장마철과 유사한 조건이 만들어지고 있으며 에어컨 제습으로는 실내 과냉각이 발생해 온·습도 별도제어가 요구된다. 이는 데시컨트(건식)제습 필요성을 증가시키고 있다. 

데시컨트기술은 KIST가 개발한 국내기술로 기존 제습제와 비교해 5배 이상의 흡습성능이 특징이며 한국과 미국의 특허를 출원했다. 이를 이용한 제습청정환기장치는 에너지소비효율 1등급 전기제습기와 비교해 제습효율이 140% 뛰어나다. 

이현종 대표는 “신재생·미활용에너지를 이용한 저온재생 데시컨트 제습공조도 주목받고 있다”라며 “기존 지열·수열이 담당하고 있던 냉방부하의 일정부분을 데시컨트 재생·급탕으로 대체함으로써 신재생에너지사용량을 최적화하고 순환펌프 동력비 등을 포함한 시스템 COP를 개선했다”고 말했다. 이어 “절감가능한 비용이 추가되는 비용보다 크다는 경제적 장점도 있다”고 말했다.

윤재동 이투지 대표는 ‘저유량냉동기와 공조배관 순환펌프제어를 통한 탄소저감 방안’을 발표했다. 

부분부하에 대응해 에너지절약을 실현하고 공조수배관에서의 각종 이상현상을 근본적으로 제거하기 위해 저유량 냉동기는 필수사항으로 요구되고 있다. 

일반적으로 사용되고 있는 정유량 냉동기는 부하측의 냉수소요 유량과 관계없이 항상 정격유량이 순환돼야 하는 냉동기로 부분부하 시 과유량에 의한 과차압에 의해 여러 이상현상 및 장치손상이 유발되며 에너지절약이 불가능하다. 저유량 냉동기는 부분부하에 대응해 실제 필요한 냉수수량만 순환되는 설비로 순환펌프 소요동력을 75% 절감하고 냉동기 효율저하를 방지할 수 있다. 과유량, 과차압에 의한 이상현상을 근본적으로 방지할 수 있다.

윤재동 대표는 “이는 냉동기 및 인버터, 제어 등을 통합적으로 고려한 시스템 최적화를 이뤄야만 에너지절약을 달성할 수 있다”라며 “단순한 설비구비만으로는 실질적인 에너지절감이 이뤄지지 않기 때문에 전체적인 상관관계를 고려해야 제어가 가능한 것”이라고 강조했다.

이재인 에코에너다임 매니저는 ‘에너지절감을 위한 건식난방시스템’을 발표했다. 

우리나라의 난방기간은 9월에서 5월로 주거시설의 바닥난방 보급률을 99%에 이른다. 바닥난방 에너지절감 방안으로 주목받고 있는 건식난방은 패널 사이에 온수코일을 설치한 다음 그 위로 장판이나 마루시공을 하는 방식이다. 난방에 의한 구조체 중량이 증가하지 않고 시공방법이 편해 기존건물의 리모델링에 많이 사용되고 있다. 

최근 신재생에너지 사용으로 인한 저온수 난방이 요구되고 있으며 소규모 주택 증가, 노후주택 리모델링 등 건식난방 적용의 필요성은 높아지고 있다. 

특히 건식난방은 방열성능이 우수해 빠르고 균일한 난방이 가능하며 에너지절감이 우수하다. 시공편의성이 높아 당일시공 및 난방이 가능하며 유지보수, 리모델링이 용이하다는 장점이 있다. 

이재인 매니저는 “건식난방의 대표적인 국내 적용사례로는 앰베서더 호텔, 힐튼호텔 직원 기숙사, 세종시청 어린이집, 광명초등학교 등이 있다”라며 “시대변화에 맞춰 난방방식의 변화가 요구되고 있으며 에너지절감을 위한 건식난방 신축이 필요한 상황”이라고 말했다.

김충회 지원에어텍 대표는 ‘제로에너지건축물의 저에너지 공조시스템(Rad-HVAC)’을 발표했다. 

ZEB는 사용하는 에너지를 최소화하고 신재생에너지 생산을 통해 건물에너지 총량을 0으로 만드는 미래지향적인 건축물이다. 건물이 사용하는 에너지를 최소화하기 위해서는 저에너지 공조시스템이 필수이며 지원에어텍이 공급하고 있는 Rad-HVAC시스템으로 Chilled beam, Chilled sails AVACS(복사+급기일체형)가 주목받고 있다.

Rad-HVAC은 수배관으로 구성된 냉난방복사판넬과 실내기류 순환, 흡음판넬이 복합기능을 한다. 물을 이용해 열을 이송하기 때문에 에너지를 절약할 수 있으며 기존 복사판넬대비 160%의 성능을 자랑한다. 

김충회 대표는 “150mm의 납작한 구조로 천장이 높지 않은 곳에서도 적용이 가능하며 소음감소, 실내 쾌적성 향상, 결로 해결 등 기존 복사냉난방이 가지고 있던 문제들을 해소시켰다”라며 “데시컨트 제습공조기의 경우 간절기 운전, 부분부하 최적화, 여름철 곰팡이 냄새를 해결할 수 있다”고 말했다.

진동식 삼성전자 프로는 ‘탄소배출량 저감을 위한 HVAC 적용기술’을 발표했다. 

최근 전 세계가 기후변화의 심각성을 인식하고 온실가스 감축을 위한 노력을 진행하고 있다. IEA 2050년 Net Zero 로드맵에 따르면 탄소중립 달성을 위해 신속한 감축이 어려운 건물부문의 절감이 중요하다. 건물부문의 에너지는 난방, 온수, 냉방에 대부분 사용되기 때문에 이 부분의 효율개선이 핵심이며 석유, 가스 등 열원을 히트펌프로 전환해야 하는 상황이다. 

특히 HVAC분야에서 탄소중립을 실현하기 위해서는 Low GWP, 에너지효율, Heating 등의 기술이 요구된다. 

삼성전자는 국내 최초로 가정용 에어컨에 R410A대비 GWP가 1/3 수준인 R32냉매를 적용했으며 향후 R32 적용확대를 통해 연간 탄소배출량 약 75만톤 절감을 기대하고 있다. VRF제품은 배관길이에 따른 추가냉매량 비중이 높아 이를 개선했으며 냉매누설을 자동감지해 환경영향을 최소화했다. 

또한 90cc 대용량 인버터 스크롤 압축기 적용으로 넓은 주파수 영역에서 고효율운전이 가능하며 Advanced Flash Injection으로 강력한 효율과 안정적인 성능을 제공하고 있다. 이와 함꼐 공기역할 기술을 응용한 톱날형 팬을 탑재하고 대용량 열교환기 적용으로 열교환 전면 면적을 대폭 향상시켜 안정적인 성능을 구현하고 있다. 

히트펌프는 전기히터대비 60~70%, A등급 가스보일러대비 55~65% 이산화탄소 배출량을 절감한다. EHS(Eco Heating System)기술 적용으로 1대의 히트펌프로 온수와 실내 냉난방공조가 가능한 통합솔루션을 제공하고 있다. 

진동식 프로는 “GWP가 낮은 친환경 냉매로 전환, 냉매사용량 저감 및 재활용을 고려해야 하며 고효율 요소기술과 더불어 AI 제어 및 실사용 에너지절감 기술이 적용돼야 한다”라며 “상업용, 산업용 등 다양한 제품에서의 히트펌프 대체기술이 존재하고 있어 이를 확대하기 위한 신재생에너지 제품지정도 필요하다”고 말했다.