‘그린빌딩 2017’에서 국내 녹색건축의 정책방향과 기술, 산업동향을 살펴본 2세션의 마지막 세미나는 ‘제로에너지시대 신재생에너지의 역할은’을 주제로 개최됐다.

제로에너지건축물을 구현하기 위해서는 패시브건축으로 기본부하를 절감하고 액티브요소를 통해 최소화한 에너지소모량을 신재생에너지설비로 충당해야 한다.

지난 첫 세미나에서 송두삼 성균관대 교수도 “패시브건축, 고효율설비로 최적화를 한다고 하더라도 절약만으로 제로에너지를 달성하는 것은 불가능하므로 생산이 필수”라고 밝혔다.

이에 따라 4번째 세미나에서는 대표적으로 활용되는 신재생에너지인 태양광과 함께 제로에너지건축에서 전기보다 더 많이 사용되는 열에너지를 위한 태양열·지열 등의 기술을 살펴봤다.

프로그램은 △제로에너지건물 구현을 위한 모듈화형 태양광·열 융합시스템(조성구 이맥스시스템 부사장) △제로에너지주택 적용 지열 실증사례(이성주 이너지테크놀러지스 이사) △’KEPCO 스마트홈’ 연구개발 및 Biz 모델(나환선 한국전력공사 책임연구원) △신재생에너지 융복합 지역냉난방 공급방안(김희훈 한국지역난방공사 차장) △ZEB시대의 ESS의 역할은(권오균 데스틴파워 영업본부장) 등으로 구성됐다.

태양광·열 융합…과열·내구성 ‘해결’

국내에는 신재생에너지로 태양광 패널이 주로 설치돼 있다. 그러나 통상 주택은 지붕설치면적이 협소해 냉난방, 급탕 등에 사용되는 에너지를 충분히 공급하지 못했다. 또한 열부하가 높은데도 태양열은 사용하지 않고 태양광에만 의존하고 있기도 하다.

이맥스시스템은 협소한 설치면적과 열부하 미스매칭 등을 고려해 태양광과 태양열을 융합시킨 신재생에너지솔루션(PVT solution)을 개발했다.

솔루션은 단독주택의 냉난방 및 급탕용 열에너지와 전기에너지를 100% 공급할 수 있으며 저층집합주택의 경우 열에너지 100%, 공동주택 및 공공건물은 급탕용 열에너지 100% 공급이 가능하다.

특징은 슬림화·경량화를 통해 시공성을 향상시켰다는 점과 PV모듈 생산공정을 활용한 자동화생산을 통해 경제성을 확보한 PVT모듈을 사용한다는 점이다. 최대출력은 0.8kWp/㎡로 전기출력이 약 0.15kWp, 열출력이 약 0.65kWth이다.

또한 PVT와 연계한 에너지자립형 패키지형 열공급장치로 주택용은 ‘올인원(All-in-One)’, 일반·공공건물에는 커스텀빌트(Custom-built) 방식이 적용된다.

이와 함께 IoT기반 양방향 통합제어방식의 ESS연계 시스템도 도입됐다. 양방향성 IoT를 활용해 실시간으로 통합최적제어 및 고장진단기술을 활용한다. 열공급 패키지시스템을 연동한 MPPT(최대전력추종)기능의 ESS와 연계된다.

개발된 PVT모듈은 기존제품들에 비해 과열·효율·시공성·내구성·생산공정 등이 개선됐다. 과열은 하절기 발전효율감소는 물론 내구성과도 연계된 문제이며 효율은 단열기준강화에 따라 난방비중이 급감하면서 급탕위주의 부하를 처리하기 때문에 열생산 중심으로 높아져야 한다.

과열방지를 위해서는 Vent기술이 적용됐다. 흡수판 하단에 위치한 단열재에 공기가 통로인 Air-Channel을 둬 하절기 자동냉각이 가능하다. 또한 흡수판 열매체배관을 기존 수직·수평방식(Parallel riser type)에서 곡선형(Serpentine)형태로 바꿔 용접부위의 열파손을 막아 누수를 근본적으로 차단했다.

또한 필름, PV셀, 흡열판, 배관의 단일공정과 라미네이트 접착기술 등으로 제조공정을 단순화해 자동화 생산이 가능하다. 이에 따라 제조·제품원가 절감은 물론 품질관리와 표준화에도 용이하다.

조성구 부사장은 “컴팩트형 열공급패키지는 향후 제로에너지주택 보급의무화 정책의 핵심설비”라며 “PVT모듈 및 배터리 연계형 양방향 PCS개발, IoT기반 실시간 웹 모니터링·고장진단 시스템, 주거건물 외벽·지붕 유형별 시공방법 등 개발한 기술을 토대로 태양열 관련 악화된 시장이미지를 개선시킬 것”이라고 밝혔다.

대중적 열원설비 ‘지열HP’

제로에너지건축물에서 태양광과 함께 최근 가장 많이 조합되는 신재생에너지는 지열이다. 히트펌프로 땅 속의 열을 끌어올려 건축물의 열에너지를 충당한다.

지열히트펌프는 전기에너지를 소비하는 설비지만 냉방시에는 약 500%, 난방시에는 약 350% 이상 에너지효율로 운전되며 최적조건을 만족하면 냉방·급탕 시 650%효율도 가능하다.

지열히트펌프는 토양이 보유한 열을 히트펌프 장비를 이용해 여름에는 저온, 겨울에는 고온으로 가공해 냉난방에 이용한다. 지열은 연중 15~17℃로 일정해 날씨·장소·계절에 관계없이 효율적으로 이용할 수 있는 신재생에너지다.

시스템 구성요소는 △지중에서 열을 흡수·방출하는 ‘지중열교환기’ △지중열을 냉난방에 사용하도록 이동시켜 적정온도로 가공하는 ‘지열히트펌프’ △지중열을 히트펌프에 전달하고 냉난방열을 히트펌프에서 실내로 전달하는 ‘순환펌프’ △히트펌프에서 가공된 냉온열을 이용해 실내를 냉난방하는 ‘실내장비’ 등이다.

히트펌프의 난방 시 원리는 약 15℃의 지중을 지나온 냉매(물)가 압축기를 통과하면서 온도가 높아지면 바닥난방, 급탕 등에 공급해 열을 사용한다. 이후 중온의 냉매가 팽창밸브를 통과하면서 저온이 되면 땅속을 통과하며 약 15℃의 냉매가 되어 다시 압축기로 투입되는 원리다.

냉방 시에는 이와는 반대의 과정을 거치게 되며 ‘4방밸브’를 통해 운영시스템을 역으로 전환할 수 있다.

지열시스템을 위해서는 지열공을 굴착하고 지중열교환기, 지중매립배관 등을 설치하는 등 사전 공사가 필요한 것이 특징이다.

이너지의 히트펌프 특징은 가정용의 경우 기존제품들이 9㎡ 정도의 설치공간을 필요로하기 때문에 별도의 기계실이 필요했지만 이 필요공간을 1.6㎡로 줄여 시공성과 공간활용성을 개선했다는 점이다.

이너지의 올인원 히트펌프는 140리터 급탕탱크, 펌프·배관, 히트펌프 부품, 배관연결구 등을 소형케이스에 일체화시켰다.

지열히트펌프는 도시가스보일러와 에어컨을 조합해 사용하는 것보다 설치비는 약 1,450만원 정도 추가소요되지만 연간 약 120만원의 운전비 절감이 가능해 ROI 약 6.5년이 소요되는 것으로 분석됐다.

한전, 태양열·광 및 지열 ‘스마트홈’ 추진

한국전력에서는 이와 같은 태양광·열과 지열을 접목해 전기에너지주택을 시범설치하고 새로운 비즈니스모델로 제시하기 위한 사업을 추진하고 있다.

전라남도 나주시 빛가람동에 건축하고 있는 ‘KEPCO 스마트홈 전기주택’이 그것으로 연면적 167㎡의 지상 2층규모 단독주택으로 건립된다. 한전은 이와 같은 비즈니스모델을 추진하기 위해 시범주택에서 데이터를 수집·검증했다.

시범주택은 패시브·액티브·신재생에너지 요소가 도입됐다. 패시브로는 △단열도어 △외단열공법 △고기밀창호 △전동블라인드 △온수바닥난방이 적용됐고 액티브요소로는 △지열히트펌프(단독주택) △공기열히트펌프(공동주택) △LED조명 △홈네트워크 등이 도입됐다. 신재생에너지설비는 △태양광(발전) △태양열(급탕) △광덕트 등이다.

2008년 기준 서울시 중산층 4인 가족이 거주하는 85㎡ 단독주택에 지열히트펌프 COP 3.45를 적용하고 도시가스요금을 kWh당 76.5원, 화석에너지 전기생산효율을 40%로 산정할 경우 기존 단독주택에서는 전기요금 5만4,110원, 가스요금 8만2,144원을 부담하지만 전기주택의 경우 총 10만1,355원으로 26% 절감된 것으로 나타났다.

한전은 수집된 데이터를 토대로 건물 총에너지수준별 기술기준을 수립해 표준모델을 도출했다. △히트펌프 기술규격 등 액티브시스템 기준 △주택부하표준·에너지성능 등 패시브시스템 기준 △태양광·태양열 등 신재생에너지시스템 적용기준 등을 수립하고 비즈니스모델을 발전시켰다.

표준모델에 따라 지역과 주거형태(공동·단독), 전용면적, 난방에너지절감률 등을 선택해 입력하면 적용돼야 할 각 요소기술별 성능 등과 예상 에너지소비량을 제시한다.

나환선 한전 전력연구원 박사는 “에너지절감을 위해 냉방·난방·급탕 겸용 지열원 히트펌프가 상용화 돼야 한다”라는 한편 “전기주택이 상용화되기 위해서는 초기 설비투자비 회수기간 단축을 위한 성능개선과 전전화에 따른 누진제 등 새로운 전력요금제, 집단에너지이용관리법, 세금혜택 등의 정부지원 정책이 필요하다”고 밝혔다.

4세대 지역냉난방, 효율성↑

제로에너지주택을 위해 열원설비가 주목을 받으면서 이를 보다 효율적으로 사용하기 위해 지역냉난방시스템이 고려되고 있다.

지역난방이란 열병합발전소, 열전용보일러, 자원회수시설 및 신재생에너지 등 1곳 이상의 집중된 에너지생산시설에서 생산된 열·전기 등 에너지를 다수의 사용자에게 일괄 공급하는 시스템을 말한다.

김희훈 한국지역난방공사 차장은 “열병합발전은 열과 전기를 동시에 생산하기 때문에 일반발전대비 에너지이용효율을 약 1.6배 개선시킬 수 있다”라며 “지역난방은 저탄소 녹색성장을 위한 최적 에너지방식”이라고 강조했다.

또한 지역냉방은 대규모 열생산시설에서 경제적으로 생산된 온수 또는 냉수를 일괄적으로 공급하는 선진형 냉방시스템이다. 통상 하절기에는 열수요가 거의 없어 열생산시설이 낭비되는데 이를 활용하기 때문에 냉방부하 및 비용, 온실가스배출을 줄이는 데 역할을 한다.

이를 위해서는 기존 냉방보다 효율이 좋은 제습냉방이 고려되고 있다. 고온의 난방수로 제습냉방기를 이용해 공기중의 습기를 제거하고 저온의 냉방수를 공급하는 냉방 방식이다. 습기가 낮으면 그렇지 않은 경우보다 비교적 온도가 높아도 쾌적성을 확보할 수 있기 때문에 에너지효율 극대화가 필수인 제로에너지건축물에 최적화된 냉방 모델로 볼 수 있다.

현재 지역냉방사업은 세계 각국에서 에너지절약 및 기후변화협약 대응의 주요 정책수단으로 활용되고 있다. 덴마크의 61%, 핀란드의 50%, 스웨덴의 48% 등이 지역냉방으로 활용되고 있으며 우리나라는 약 15%가 지역냉방으로 이뤄지고 있다.

다만 나라별로 다양한 연료를 활용해 집단에너지를 공급하고 있는데 노르웨이의 경우 대부분을 신재생에너지로 공급하는 반면 우리나라는 석탄·천연가스·폐기물 등을 원료로 열병합발전을 해 공급하고 있다.

신재생에너지와 지역냉난방을 결합하기 위해서는 풀어야할 과제가 있다. 우선 저온열 활용이 어렵고 열이 남거나 부족한 문제가 발생한다. 지열·하수열 등 히트펌프를 활용하면 60℃ 내외의 열이 생산돼 지역냉난방과 연계활용이 어렵다. 또한 신재생에너지특성상 생산량과 사용량이 불일치하기 때문에 열이 항상 부족하거나 남게 된다.

이에 따라 기존 지역냉난방 방식을 개선해야할 필요도 제기된다. 60℃의 저온열을 활용할 수 있고 사용 후 남는 열을 사용·판매할 수 있는 개선된 지역냉난방방식이 필요할 전망이다.

해당 과제를 해결한 지역난방시스템은 ‘4세대 지역난방시스템’으로 불린다. 1세대가 1880년경 스팀열원, 2세대가 1930년경 고온수열원, 3세대가 1980년경 중온수열원 등으로 이뤄졌다면 4세대는 2020년 적용될 예정인 저온수활용 지역냉난방 시스템이다.

4세대 방식은 저온수에 적합하며 열사용량은 21.5Mcal/㎡·yr 이하다. 열원은 저온의 미활용열원 및 재생에너지원을 사용하기 때문에 효율과 친환경성을 높일 수 있다.

신재생E 생산·소비 불일치…ESS ‘주목’

신재생에너지를 건축물에 적용함으로써 온실가스 감축을 달성할 수 있지만 앞서 언급된 신재생에너지의 문제 중 하나는 생산과 소비의 불일치다. 기후조건 등에 따라 생산량의 변동이 심하고 반드시 피크부하 때 가장 많은 생산량을 보이는 것이 아니기 때문이다.

이에 따라 전력분야에서는 신재생에너지의 단점을 보완하기 위해 ESS시스템이 주목받고 있다. 2025년 민간까지 제로에너지주택이 의무화되는 상황에서 ESS 시장확대는 당연하다고 볼 수 있다.

데스틴파워는 급성장하는 ESS시장에서 전력변환기술(PCS)을 기반으로 전력·에너지 토탈솔루션 공급업체로 사업을 확대하고 있다. 2012년 설립됐으며 2016년 국내 1위 PCS업체로 성장했다. 올해부터는 태양광용·UPS용·연료전지용 제품을 양산하고 있다.

현재 ESS시장은 선진국과 건물용 중심으로 시장이 확대될 전망이다. 또한 전기자동차(EV)가 확대되면서 ESS의 보급역시 지속적으로 확대될 전망이다. 이에 따라 설치비용도 지속하락할 것으로 예측되고 있다.

권오균 영업본부장은 “이와 같은 시장상황에서 데스틴파워의 올인원 ESS가 경쟁력을 갖는 것은 설치용이성 및 공기단축, 클라우드 기반 EMS, 15년 성능보장 등 때문”이라며 “발전한 뒤 피크시간에 되팔아 추가수익을 얻거나 건물·공장 운영에너지로 사용해 비용절감이 가능하다”고 밝혔다.