LH(한국토지주택공사)가 대한설비공학회 하계학술대회에서 공공주택부문 제로에너지 달성 에너지절감기술을 공개했다.
6월21일부터 3일간 용평리조트에서 열린 대한설비공학회 하계학술대회 공공주택부문 특별세션에서 이문수 LH 공공주택설비처장을 좌장으로 △공공주택 실별 제어 환기시스템 적용방안 연구 △공동주택 연료전지시스템 실증사례 연구 △공동주택 바닥난방 배관의 적정피치 산정 연구 △수소경제사회의 이해-남양주왕숙2지구 수소도시를 중심으로 △공동주택 지열 냉난방 표준 설계방안 구축 연구 등 5개 주제가 발표됐다.
‘실별 제어 환기시스템’ 지속 연구개발
첫 발표에 나선 권종호 공공주택설비처 차장은 ‘공공주택 실별 제어 환기시스템 적용방안’에서 공동주택에서 재실인원에 따른 CO₂농도를 측정해 세대별 제어와 실별 제어의 CO₂저감 효과를 분석해 LH 특별세션 우수논문상을 수상했다.
권 차장에 따르면 실별 제어 환기시스템이 세대별 제어 환기시스템보다 상대적으로 효율적으로 쾌적한 실내공기질 조성이 가능하다.
최근 공동주택의 건축기술 발달에 따라 창호 등 건물 기밀성이 향상돼 침기로 인한 환기가 감소했으며 이로 인해 실내에서 발생되는 유해물질 축적 농도가 높게 나타나고 있는 실정이다. 하루 일과의 90% 이상을 실내에서 생활하는 현대인에게는 실내공기질이 매우 중요하다. 각종 실내 유해물질은 농도에 따라 현기증 및 구토, 두통, 호흡기 질환 등 다양한 이상증상이 발생할 수 있기 때문이다.
세계보건기구(WHO)는 전 세계 약 40% 건물에서 오염된 실내공기질로 인해 건강상의 영향을 받고 있는 것으로 발표했으며 NIOSH(National Institute for Occupational Safety and Health)는 실내공기질의오염 기여도는 ‘불충분한 환기’ 영향이 52%로 가장 높다고 지적했다.
권 차장은 “실내공기질 측면에서 환기(ventilation)의 주요 역할은 외부의 신선한 공기를 실내로 도입 및 교체해 오염 물질을 희석 또는 배출시켜주는 것”이라며 “환기는 단위시간당 오염물질을 최대한 제거할 수 있는 효율이 중요하다”고 말했다.
이어 “현재 일반적으로 공동주택에 적용되고 있는 환기시스템은 세대 전체 바닥면적 및 천정고에 대한 시간당 0.5회(0.5ACH)의 기준으로 설계돼 있으며 이는 세대 전체의 개구부가 열려 있다고 가정하고 산정하는 방식이기 때문에 밀폐돼 있는 경우에는 환기 불균형이 나타날 수 있다”라며 “이와 같은 문제해결을 위한 환기시스템 방식 중 ‘실별 제어 환기시스템’이 있으며 이는 세대 전체를 일괄적으로 제어하는 방식과는 다르게 각 실별로 별도 제어를 할 수 있는 방식”이라고 설명했다.
권 차장은 “쾌적한 주거환경 조성을 위한 녹색건축인증기준(G-SEED) 환기성능평가에서도 실별 자동제어 환기시스템 적용 시 1등급 환기성능을 인정받을 수 있기 때문에 실별 제어 환기시스템은 차세대 환기시스템으로 보고 있다”고 강조했다.
이어 “실별 제어 환기시스템은 조닝(zoning)별 효과적인 환기를 실시할 수 있기 때문에 세대별 환기에 비해 효율이 높고최대 64~82% 소비전력 감소가 가능하다는 연구결과가 있다”라며 “총 사용 풍량 감소에 따라 필터(filter) 및 전열교환기 사용수명이 최대 3배까지 연장되기 때문에 유지관리 측면에서 유리하다는 연구결과도 있다”고 덧붙였다.
권 차장은 “실별 제어 환기시스템은 기존 세대별 제어 환기시스템과 비교해 상대적으로 고가의 시스템이며 유지관리방법 등 기술적으로 해결해야 할 부분이 존재하기 때문에 아직은 많은 연구가 필요하다”라며 “공동주택의 실별 제어와 관련된 다양한 연구가 있지만 아직까지 공동주택의 재실환경에서 세대별 제어와 실별 제어 이산화탄소(CO₂) 감소 효과를 비교·분석하는 연구는 찾을 수 없었으며 환기시스템 유형에 따른 명확한 성능 및 효과 비교, 유지관리 방법 및 효율성, 장·단점 등의 분석 연구는 없었다”고 말했다.
공동주택에서 실별 제어 환기시스템과 세대별 제어 환기시스템의 CO₂농도 저감 능력을 비교 분석한 이 연구는 59㎡ 공동주택에서 재실환경에 따른 CO₂농도를 측정하고 세대별 제어와 실별 제어의 이산화탄소 저감 능력을 분석했다.
실제 재실 환경에서의 농도 분석이 목적이기 때문에 59㎡ 공동주택 평면으로 테스트베드를 선정했다. 실험지역은 세종특별자치시에 위치한 실증·실험동 중 한세대로 일반적인 공동주택 거주환경과 동일하게 실내를 구성했다.
해당 측정개소에서 CO₂ 저감 시간을 분석해 실별 제어 및 세대별 제어 환기시스템의 CO₂농도 저감 성능을 비교·분석했다. 59㎡ 공동주택 평면의 테스트베드에서 재실 스케줄에 따른 CO₂발생 농도를 확인해 이를 바탕으로 CO₂가스를 활용해 실험을 실시했다.
재실인원에 따른 CO₂농도는 개구부가 모두 열려 있는 상황에서는 CO₂가 크게 인체영향을 미칠 정도로 높게 나타나지는 않은 것으로 확인됐으나 방과 같이 밀폐돼 있는 좁은 공간에서는 빠르게 농도가 상승하는 것을 확인됐다.
또한 환기시스템 유형별 CO₂저감효과 분석 결과 실별 제어를 실시했을 때 기준치인 1,000ppm까지 도달시간이 짧게 나타나 CO₂저감효과가 높은 것으로 확인됐다.
권 차장은 “일반적으로 현재의 공동주택의 CO₂센서는 거실에만 부착이 돼 있기 때문에 방에만 재실인원이 있는 경우 이를 반영해 제어할 수가 없으며 효율도 떨어지는 것으로 확인됐다”라며 “실별 제어 환기시스템을 적용해 효과적인 환기를 기대할 수 있다”고 분석했다.
이어 “이번 연구결과는 공동주택 실별 제어 환기시스템의 적용방안에 대한 종합 연구의 첫 번째 단계로 세대별 제어 환기시스템과 실별 제어 환기시스템을 비교하기 위한 기초 연구”라며 “향후 연구 수행을 통해 CO₂농도 측정 및 환기시스템 성능 측정 등을 보완할 예정”이라고 밝혔다.
연료전지, 공동주택 보조열원 가능성 확인
이상준 주택기술처 차장은 ‘공동주택 연료전지시스템 실증사례’를 발표했다.
제로에너지건축물인증은 건물의 에너지자립률에 따라 5등급부터 1등급까지 구분되며 2025년부터 예정이던 공동주택 ZEB 인증 도입이 공공부문은 2023년, 민간부문은 2024년으로 앞당겨지면서 2025년 4등급, 2030년 3등급, 2050년까지 전 건물의 1등급 수준을 목표로 추진되고 있다. ·
건물의 에너지자립률 향상을 위해서는 소비량은 줄이고 에너지생산량을 늘려야 한다. 소비량은 건물의 단열 등 패시브요소와 보일러효율 등 액티브요소로 감축할 수 있으며 생산량은 신재생에너지원에 의한 에너지생산으로 증가시켜야 한다.
신재생에너지 적용 우선순위는 △옥상태양광 △벽면태양광 △연료전지 △지열 등으로 제로에너지건축물 5등급과 4등급을 획득할 수 있다. 대부분 태양광발전으로 5등급은 가능하나 4등급 일부와 3등급부터는 연료전지 또는 지열 적용이 필요하다.
LH는 2019년 수소경제 활성화를 위한 로드맵 발표 후 2022년 11월 수소산업 성장을 위한 정책 방향이 제시됨에 따라 연료전지 공동주택 적용 연구를 위해 화성○○단지를 실증대상으로 선정했다.
2020년 6월부터 실증사업에 착수해 30KW PEMFC를 설계·시공해 2021년 7월 시운전을 완료하고 현재까지 운영 및 모니터링 중이다. △연료전지 용량선정 △설치 필요 면적 △외기 도입여부 △공동연도 배출방법 △냉각기 연결 등을 고려한 설계를 공동주택 최초로 진행했으며 기존 지역난방 배관과 연계 가능하도록 시공했다.
LH는 이를 토대로 향후 공동주택 연료전지 도입을 위한 설계 가이드라인, 유지관리 매뉴얼 등 기술기준을 수립할 예정이다. 또한 실증연구에서 도출된 과제에 대한 연구를 지속할 예정이다.
이 차장은 “전 세계적으로 탄소중립을 위한 신재생에너지는 확대되고 있으며 이중 태양광발전에 의한 전력생산이 가장 각광을 받고 있으나 지리적 불리함으로 우리나라는 태양광발전에 취약한 상황이나 해외의 풍부한 태양광발전을 들여오기는 쉽지 않다”고 지적했다.
이어 “전력에너지를 수소로 변환해 운송할 수 있으며 우리 사회에 수소공급 인프라 구축은 당연한 귀결”이라며 “연료전지는 수소를 사용해 건축물에서 탄소중립을 실현할 수 있는 최적의 방법”이라고 강조했다.
또한 “현재 수소인프라 미구축과 국내 연료전지기술 부족 등의 이유로 실제 공동주택에 적용된 사례가 없으며 일부는 공동주택의 부대시설에 적용됐으나 거의 가동이 안 되는 실정”이라며 “이번 실증을 통해 연료전지시스템이 공동주택의 전력을 생산함과 동시에 보조열원으로써 가능성을 확인했으며 향후 수소경제 발전, 연료전지기술 개발과 함께 공동주택 적용이 확대될 것으로 예상한다”고 말했다.
바닥난방 배관 적정피치 제안
최현 공공주택설비처 차장은 ‘공동주택 바닥난방 배관의 적정피치’를 주제로 난방부하에 대응하는 바닥방열량, 거주자 쾌적도를 고려한 허용바닥표면온도 및 실내온도 도달시간, 그리고 피치간격별 에너지소비량, 국내 주요 건설사의 설계기준 등을 종합 검토해 설계변경으로 인한 설계자의 부담과 거주자의 민원방지를 위해 공동주택 바닥난방 배관의 코일피치를 제안했다.
바닥난방 코일피치 개선을 통한 세대당 공사비를 분석한 결과 최하층·최상층 안방 코일피치를 현 200㎜에서 230㎜와 250㎜로, 거실·중간층 안방 코일피치를 현 230㎜에서 250㎜로 개선할 경우 전용면적 세대당 약 4만3,858원, 전용면적 46㎡의 경우는 세대당 약 10만5,390원~14만84원의 공사비 절감이 예상되는 것으로 나타났다.
바닥난방 코일피치별 바닥표면온도 및 열류량 데이터베이스구축 결과 현 공동주택 최대난방부하는 약 30W/㎡이며 안전율을 고려해 최대난방부하를 약 35W/㎡로 가정할 경우 온수온도가 40℃ 이상일 때 배관피치 400㎜까지 난방부하에 대응할 수 있는 것으로 나타났다.
최 차장은 “이번 연구에서 정한 허용바닥표면온도인 27℃ 이상, 43℃ 미만을 만족하는 범위는 온수온도 35℃일 때 피치 200㎜ 이하, 온수온도가 60℃일 때 피치 350㎜ 이하”라며 “전용면적 46㎡ 안방 에너지소비량 분석 결과 코일피치가 200~250㎜일 때 코일피치별 에너지소비량은 약 99.35% 범위 내에서 거의 유사했다”고 분석했다.
이어 “코일피치 250㎜의 경우 세대 밖으로 코일 돌출이 없고 벽체와 간격도 반피치 내에서 설치될 수 있으나 코일피치 270㎜ 경우 벽체와 이격거리가 반피치 이상되며 이격거리를 반피치로 맞추면 내주부 피치가 300㎜를 초과함에 따라 250㎜와 같은 코일 열수여야 하므로 설계 및 시공성이 저하된다”고 지적했다.
최 차장은 공동주택 난방부하 및 거주자의 쾌적감을 고려한 바닥난방 배관 적정피치를 제안한 이번 연구를 토대로 침실 200㎜, 거실 250㎜로 전층 동일기준으로 변경하기 위해 기술심의 중”이라고 밝혔다.
남양주왕숙2지구 수소도시 조성사업
강갑용 도시기반처 부장은 ‘수소경제사회의 이해-남양주왕숙2지구 수소도시를 중심으로’를 주제로 발표했다.
강 부장은 정부가 추진하고 있는 수소경제사회를 ‘남양주왕숙2지구 수소도시 조성사업’을 중심으로 수소경제사회와 수소도시가 무엇인지 설명하면서 남양주왕숙2지구 수소도시의 구성요소를 소개했다.
또한 바이오가스를 활용한 수소생산을 통한 탄소감축 효과와 주거부문에 설치예정인 연료전지의 경제성을 분석하며 관련 제도개선 필요사항을 제안했다.
탄소감축효과는 연간 약 1.6만톤(1만6,805tCO₂)이 발생하는 것으로 확인됐다. 주거부분의 경제성은 Case 1의 경우 호당 5,816원/월 손실이 발생했으며 Case 2는 호당 6,841원/월, Case 3는 호당 1만1,845원/월, Case4는 호당 3만4,314원/월의 수익이 발생하는 것으로 확인됐다.
강 부장은 법제도 개선이 필요한 부분으로 전용주거지역 및 일반주거지역에 일정규모 이하 신재생에너지설비에 해당하는 발전시설이 설치가 가능하도록 ‘도시계획시설의 결정․구조 및 설치기준에 관한 규칙’ 제68조(전기공급시설의 결정기준) 개정과 주민 수용성 개선을 위해 ‘수소경제 육성 및 수소안전관리에 관한 법률 시행령’ 제2조(정의) 및 한국가스안전공사의 ‘수소연료사용시설의 시설․기술․검사 기준(KSG FU6712021)’의 조속한 개정을 제안했다.
공동주택 지열냉난방 표준설계 연구
마지막으로 강혁민 공공주택설비처 차장은 ‘공동주택 지열 냉난방 표준 설계방안 구축 연구’에서 공동주택 세대 내 냉난방에 지열을 활용한 시스템 표준화 방안 검토를 위해 LH가 제로에너지 3등급 시범사업으로 추진 중인 행정중심 복합도시 6-3생활권 M1블록의 설계사례를 중심으로 개선방안을 도출했다.
정부의 제로에너지정책에 따라 2023년 공공공동주택 30세대 이상 제로에너지 5등급 필수인증을 필두로 2030년에는 모든 건축물의 제로에너지화가 추진 중이다. 제로에너지 고등급 달성을 위해서는 신재생에너지열원 사용 최적화 및 각종 제도개선이 필요하다.
강 차장은 “부하계산은 건축물 조건을 고려한 최대부하법을 적용했으며 히트펌프 등 대수분할은 적정한 것으로 검토됐다”라며 “다만 축열조(버퍼탱크) 용량 및 2차측 유량분배에 지중열교환기 시공은 개선이 필요할 것으로 판단되며 개선사항을 바탕으로 실무자가 활용할 수 있는 설계지침 등을 제작했다”고 설명했다.
강 차장은 “제로에너지 고등급 달성을 위한 필수 신재생에너지열원인 지열에너지의 공동주택 냉난방 적용을 위한 기존 설계사례 분석 및 경제성을 검토한 결과 제로에너지 고등급 달성을 위해서는 태양광 외 별도 신재생에너지열원이 필요하며 대표적으로 지열을 적용하고 있으나 공동주택 냉난방 적용사례는 많지 않아 설계 표준화가 필요하다”라며 “제로에너지 3등급 시범단지인 행정중심복합도시 6-3생활권 M1블록 설계사례 검토결과 냉난방 부하산출 및 히트펌프 분배는 적정한 것으로 나타났으나 버퍼탱크 용량 및 지중열교환기(밀폐형) 설계는 개선이 필요하다”고 분석했다.
또한 “공동주택 특성을 고려한 안정적인 지열시스템 냉난방을 위해 2차측 유량분배가 중요하며 기술력이 입증된 유량분배 및 EQM특성 밸브를 적극 활용할 필요성이 있다”라며 “복합열원 적용이 에너지자립률 및 1차 에너지소요량이 단일열원보다 우수했으며 실무자의 설계 및 시공을 위한 공동주택 세대 지열 냉난방 적용을 위한 가이드라인을 마련했다”고 말했다.
강 차장은 “이번 연구의 설계사례인 행정중심복합도시 6-3생활권 M1블록의 경우 경제성 등을 고려해 냉·난방 단일배관방식으로 설계됐으나 안정적인 열원공급을 통한 사용자 만족을 위해서는 히트펌프 및 배관 분리가 필요하다”라며 “나아가 세대 내 열교환기 적용 등 설비 고도화가 필요할 것으로 판단된다”고 분석했다.
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