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[특별기고] 박성중 패시브제로에너지건축연구소 부소장

ZEB용 냉난방·급탕·환기 통합유닛 개발추진

정부는 Post2020감축목표(2015년 12월 파리회의)를 달성하기 위해 2030년 BAU대비 37% 국가 온실가스 배출량 감축목표를 발표했다. 이중 건물부문은 국가 온실가스 배출량의 25%를 차지하며 [그림1]처럼 중장기 로드맵을 통해 제로에너지건축물 활성화를 추진하고 있다.

제로에너지건축물은 패시브기술과 액티브기술을 통해 건물에너지를 최소화한 후 여분의 필요 에너지를 화석에너지가 아닌 신재생에너지로 공급하는 건물이다. 건물에너지 최소화를 위해 적용되는 패시브기술은 기존 건물대비 75% 이하의 에너지요구량을 저감할 수 있다. 창호, 단열, 기밀, 열교, 환기 및 축열 등 건축적인 요소기술의 고도화를 통해 건물이 필요로 하는 에너지 요구량을 낮추면 상대적으로 설비시스템의 부하도 기존대비 70% 이하로 줄어든다.

하지만 현실은 아직 냉난방부하의 변화에 대한 준비가 안 됐으며 이에 따라 과도한 초기 공사비와 높은 유지관리비를 부담하는 부정적인 효과가 나타나고 있다.

PHPP* 건물에너지해석툴로 부하계산을 하면 패시브 혹은 제로에너지건물은 국내 난방부하 기준 15~25W/m2 정도다. 이에 따라 이러한 성능수준에 적합한 시스템 및 설비기술이 필요하다.



제로에너지건축물용 통합유닛시스템 기술
건물에 필요한 에너지 공급설비는 난방, 냉방, 급탕, 환기, 조명이다. 이중 난방, 냉방(현열), 급탕 및 환기(제습)는 각각의 설비시스템을 요구한다. 하지만 건물의 에너지 성능을 고도화하면 난방과 냉방(현열)부하는 거의 필요없거나 보조열원공급만 있어도 실내 쾌적성이 확보되는 수준이 된다. 이를 위한 설비시스템은 급탕과 환기를 메인으로 하고 난방과 냉방은 보조열원으로 공급하는 방식이 가능하다.



[그림2]는 급탕과 환기시스템을 메인으로하고 소형 공기(배기)열원 히트펌프를 통해 온수축열탱크를 운전해 난방을 공급하는 방식이다. 배기열원으로 부하대응이 어려울 경우 전기온수기 혹은 태양열을 이용해 지속적인 열원확보가 가능한 하이브리드방식으로 운전된다. 또한 냉방이 필요할 경우 배기와 급기를 연결한 공기열원히트펌프 운전으로 건물부하 대응이 가능하다.

통합유닛은 건물의 환경에 대해 한 개의 기기로 난방, 냉방, 환기 및 급탕공급을 화석연료 없이 신재생에너지로만 공급이 가능한 친환경 설비시스템이다. [그림 3]은 통합유닛시스템의 운전 모드를 보여주고 있다. 가로축은 연간날짜이며 세로축은 건물의 부하다.


QE와 Qhp는 각각 보조열원과 히트펌프의 에너지사용량을 보여주고 있다. 이 두 시스템은 하이브리드 방식운전으로 히트펌프로 대부분의 에너지 열원공급을 제공하고 부족한 부분을 보조열원(전기온수기, 태양열 등)에서 채워주는 에너지 효율적인 운전모드다.

이미 해외에서는 이러한 고성능 주택에 적합한 통합유닛시스템을 개발했으며 이에 적합한 제어 및 유지관리에 대한 연구를 진행하고 있다.

다양한 통합유닛시스템
유럽에서는 다양한 방식의 통합유닛시스템이 개발되고 있다. 열회수환기유닛과 연계된 급기냉난방방식 또는 열회수환기유닛의 배기열을 이용해 온수탱크를 활용한 급탕 및 복사난방방식이 있다. 히트펌프 열원은 배기열, 공기열, 지열을 활용해 운전이 가능하다.

규모가 큰 주택의 경우 배기열로는 열원확보가 부족하기 때문에 추가로 공기열을 이용할 수 있도록 전용 팬이 설치된 사례도 있다.



[그림4]는 지열열원을 이용해 수방식 히트펌프를 운전한다. 열회수환기장치의 착빙방지를 위해 지열원을 이용한 예열이 가능하다. 또한 에너지효율화를 위해 히트펌프 판형열교환기가 이중으로 설치돼있어 지열과 순환수의 1차 열교환이 일어난 후 히트펌프를 통한 열원공급이 이뤄지도록 구성됐다. 또한 급탕은 추가로 온수축열탱크를 설치해 연결할 수 있으며 태양열과 연동이 가능하다.

덴마크 Nilan 회사의 통합유닛방식은 2개의 히트펌프를 적용했다. 열회수환기장치는 공기열원히트펌프를 적용하고 온수축열탱크는 지열히트펌프를 적용했다. 이를 통해 급기난방과 복사바닥난방이 가능하며 냉방 시에는 열회수환기장치의 급기냉방으로 열원공급이 가능하다. 시스템 용량은 난방 1~6kW, 냉방 1~4kW이며 온습도센서를 통해 엔탈피제어가 가능하다.

국내 통합유닛시스템기술과 과제
대부분 유럽에서는 냉방부하는 잠열보다 현열이 크기 때문에 제습에 대한 고려가 크지 않다. 하지만 국내 제로에너지건물주택에 대한 부하를 계산해 보면 현열과 잠열부하비율이 5:5로 나타난다.

물론 현열부하도 크지만 여름철 우기로 인한 잠열부하가 크게 나타난다. 이를 해결하기 위해서 국내 통합유닛시스템은 제습에 대한 솔루션을 고민해야한다. 데시칸트 공조** 혹은 압축식 제습 등 다양한 방식으로 실내 쾌적성을 만족하며 온실가스감축을 실현하기 위한 노력이 필요하다.


*PHPP: Passive house project package로 ISO13790기반 패시브하우스전용 건물에너지해석 툴이다. 열교 및 마감자재의 복사밸런스, 음영계수 ISO13370기반 지면접축부위 해석 등 패시브 요소기술에 대한 세부사항을 검토할 수 있는 S/W로서 국내 냉난방 부하(건축물에너지절약기준)도 계산이 가능하다.

**데시칸트 공조: 허니 흡착식 제습기의 후단에 현열교환기를 설치한 장비를 말하며 열회수 기능을 갖췄다. 허니 흡착식 제습기는 건조제(흡습제)를 이용해 공기 중의 수분을 제습하는 방식으로 공조하는 제습기다. 단시간에 대량의 건조공기를 얻을 수 있다.