지난 22일부터 24일까지 개최된 2018 한국건축기계설비전시회(2018 HVAC Korea)의 부대행사로 23일 오전 개최된 ‘노원 제로에너지공동주택 실증단지 이지하우스의 기계설비 사례’ 세미나는 제로에너지 공동주택 구현을 위한 다양한 기계설비 기술과 노하우가 발표됐다.

발표는 △ZEB 구현을 위한 기계설비(이응신 명지대 교수) △ZE 공동주택의 지열시스템 시공사례(신동호 신성엔지니어링 차장) △ZEB에서의 에너지절약형 통합배관 구축방안(윤석구 구성이엔드씨 대표) △ZEB 적용 환기시스템(이관철 힘펠 수석연구원) △ZE 통합모니터링과 활용방안(허지재 누리텔레콤 차장)으로 구성됐다.

이지하우스 실측데이터 ‘최초공개’

현재 이지하우스는 아파트, 연립주택, 합벽주택, 단독주택으로 구성돼 있다. 이는 다양한 건물형태마다 제로에너지화 했을 경우 건설비용이 얼마나 들어가는지, 형태별로 어떤 시스템이 구성되는지를 평가하기 위해서다.

건축부문에서는 통상적인 패시브하우스 성능을 확보해 2009년 일반주택 평균에너지소요량 대비 61%를 줄였고 다양한 고효율을 통해 35%의 추가 절감효과를 구현했다. 이후 필요한 에너지는 지열과 태양광으로 충당해서 제로에너지를 달성했다. 이지하우스는 건축물에너지효율등급 1+++, 녹색건축인증 최우수등급을 획득했다.

설비 측면에서 에너지공급은 지열과 태양광을 조합했다. 태양광 발전시스템 용량은 407kW로 지붕과 측벽에 패널이 설치돼 있다. 지열히트펌프는 총 3대 130RT 용량으로 설치돼 있어 냉방·난방·급탕을 담당한다.

태양광은 현대중공업제품으로 연간 425MWh를 생산한다. 이것으로 히트펌프와 공용부 등에 전기를 공급함으로써 냉방·난방·급탕·조명·환기의 5대에너지를 제로로 만드는 구성이다. 다만 가전제품 전력사용량은 부분적으로만 충당하며 전체를 공급하지는 않는다.

난방은 바닥난방을 사용하는데 패시브하우스여서 일반 주택처럼 온수가 많이 공급되면 과열돼 실내온도가 28℃까지 상승하는데 이에 따라 급탕온수를 유지하면서 바닥이 과열되지 않도록 정밀한 계측과 제어를 통해 온도를 조절하고 있다.

특히 이번 세미나에서는 이지하우스에 실제 입주가 이뤄진 이후 지금까지 측정된 데이터가 최초로 공개됐다.

환기장치의 경우 지난해 12월과 올해 1월 계측결과를 시뮬레이션과 비교한 결과 예상보다 5~10% 상승한 것으로 나타났다.

지열시스템도 모니터링하고 있는데 가장 문제가 되는 부분은 지중온도가 낮아지면서 에너지효율이 저하되는 열화현상이다. 연구단은 이를 방지하기 위해 히트펌프 3대를 번갈아 가동하면서 지중온도의 변화를 살펴보고 있다.

또한 당초 설계 시 실내온도를 20℃로 설정했지만 이 정도 수준은 실제 거주자가 다소 쌀쌀한 느낌을 받는 정도여서 조정이 필요할 전망이다.

실내쾌적성장치로 시뮬레이션 한 결과 평균이 0에 근접한 최적상태가 22.6℃로 도출됐는데 실제로 입주자들은 평균 22.6℃로 생활하는 것으로 나타나 자연스럽게 쾌적범위로 조절하고 있었다.

지열시스템, 지중열화문제 ‘고민’

이어진 발표는 신성엔지니어링의 신동호 차장의 ‘ZE 공동주택의 지열시스템 시공사례’였다.

신성엔지니어링은 이지하우스에 지열히트펌프, 지중열교환기, 대류순환펌프, 냉온수탱크, 팽창탱크, 헤더의 공사를 맡았다. 지하에는 175m로 48공을 시공했으나 실제공사결과 160m에서 목표온도가 도출됐다.

냉·난방용으로는 20공을 사용하며 급탕용으로는 28공을 사용하는데 천공은 열평형 관점에서 변화상황과 제어를 위해 필요 개수보다 더 많은 천공이 이뤄졌다.

이지하우스 현장의 특징은 냉난방과 급탕을 함께 해결해야하는 시스템이다 보니 건물하부에 지중열교환기를 설치할 수밖에 없는 구조다. 이에 따라 지열배치를 어떻게 하는 것이 이상적인지 신성엔지니어링과 명지대 등이 고민한 것으로 알려졌다.

연중 24시간 온수로만 활용하는 급탕용은 일정한 방향으로 온도가 전달되니 이를 감안해 각각 가장자리와 중간부에 급탕용으로 열교환기를 배치했고 냉난방용은 여름과 겨울에 열전달을 반대로 하기 때문에 열평형 유지에 용이해 각각의 중간에 배치했다.

이지하우스에는 신성엔지니어링의 50RT 모델이 2대, 30RT 모델이 1대 적용됐다. 50RT 1대로는 냉난방을 담당하고 나머지 50RT 1대와 30RT 1대는 급탕용으로 활용된다. 저탕조는 8톤 탱크 3기가 있는데 2대가 급탕용으로 운영되고 있다.

50RT 제품은 2단 구조로 구성돼 있다. 열교환기, 압축기도 각 2대씩 탑재돼 있어 부분부하 운전이 가능하다. 온수는 58℃까지 생성할 수 있게 개발됐으며 판형열교환기의 효율을 높여 장비의 COP를 향상시켰다. 또한 전자식 팽창변을 사용해 대응력을 강화했다.

특히 제품에 IoT기반 터치스크린 모니터링 시스템을 적용했으며 이를 통해 알람을 확인하고 운전정보를 온라인과 모바일로 활용하는 솔루션이 구축돼 있다. 컨트롤은 PLC로 이뤄지는데 특징은 터치스크린만 적용한 것이 아니라 모니터PC를 설치해 자체적으로 수정·대응할 수 있도록 구현됐다는 점이다.

신 차장은 “이지하우스 현장은 건물하부 시공사례로서 지열적용을 위한 부지확보가 어려울 경우 채택할 수 있는 방법이며 이번 경험을 토대로 기술과 노하우를 확보하게 됐다”고 밝혔다.

통합배관 세대유닛, 1lpm 단위 미소유량밸브 탑재

이지하우스는 난방의 경우 지열을 이용한 바닥난방을 적용하고 있다. 이와 잘 조응하는 방식이 통합배관을 통한 중앙난방 방식이다.

이어진 발표는 ‘ZEB에서의 에너지절약형 통합배관 구축방안’을 주제로 윤석구 구성이엔드씨 대표가 맡았다.

구성이엔드씨는 통합배관 세대유닛 ‘퓨어화(PURE-HWA)’를 양산하고 있다. 2014년 목동 우성아파트 332세대에 통합배관 방식으로 리모델링을 시공한 사례가 있으며 이번 이지하우스에도 통합배관시스템의 적용을 담당했다.

지역난방은 에너지절약적이지만 몇 가지 문제가 있다. 먼저 지역난방에서의 급탕시스템은 공용열공식에 따라 면적과 배관길이가 증가해 이에 따른 열손실이 발생한다. 또한 먼 구간에서 가열해 공급하다 보니 수질오염의 우려가 있다.

통합배관은 난방배관을 주배관으로 하고 급탕용으로는 국소적으로 소형 열교환기를 이용해 직수를 순간가열방식으로 공급하기 때문에 문제를 해결할 수 있다.

공급계통에서 보면 아파트 2~3개 동에 열교환기를 설치하는데 이런 시스템에서는 급탕열교환기, 난방열교환기가 있고 이에 따른 배관수로가 각각 존재하게돼 복잡한 구조를 띤다.

통합배관은 난방배관만을 구축하기 때문에 배관이 간단해 진다. 입상배관에서도 기존에는 난방, 급탕, 환수관이 구축돼 많은 공간을 차지하지만 통합배관은 그럴 필요가 없어 많은 공간을 확보할 수 있다.

이에 따라 설비비용을 줄이고 공간활용도를 높일 수 있으며 배관길이 및 경관 감소에 따라 열손실도 줄일 수 있다. 에너지기술연구원의 연구결과에 따르면 18%의 공사비 절감과 12%의 에너지절감 효과가 있는 것으로 알려졌다.

이를 반영해 지역난방공사에서는 통합배관으로 할 경우 난방부하의 28%를 설계부하에서 제거하라는 지침을 내리기도 했다.

통합배관 적용에 유의할 점은 ‘순간가열’이다. 난방은 연속부하지만 급탕은 순간부하인 대신 다량의 부하를 사용한다. 이에 따라 다른 세대에서 사용 후 환수되는 난방수나 잉여유량을 해당 급탕기로 보내 순간가열하는 기능을 확보하는지가 핵심이다.

또한 이지하우스는 설계부하가 3.3lpm으로 동일평형대의 6lpm보다 낮고 적정난방유량은 1lpm으로 산출됐다. 이를 확보하기 위해 미소유량조절밸브가 추가로 부착돼 난방배관에 연결됐다. 이에 따라 고령자 주택 12세대는 3lpm으로, 나머지는 1lpm으로 적용이 완료됐다.

특히 이지하우스의 경우에는 에너지계측이 중요한 이슈였으므로 제품에 IoT 기능과 센싱기능, 485방식의 네트워크 기능이 더해졌다. 이를 통해 계측된 데이터는 EMS 소프트웨어로 가공돼 각 세대 온도변화 통계, 유량 및 열량데이터를 10초마다 추출하고 있다.

열량계의 경우에도 기존에는 10L에 1펄스 방식을 사용하는데 이와 같은 방식은 10L가 흐른 후 1번 연산한다는 의미여서 패시브하우스인 이지하우스에는 적합하지 않았다. 이 경우 이지하우스는 1lpm으로 제어되기 때문에 10분마다 1회 연산하게돼 최적제어가 어려워 이를 개선했다.

환기장치, 국내개발 컨트롤패널·소음기 적용

이지하우스의 중요한 특징 중 하나는 환기다. 이지하우스는 아파트의 경우 중앙형환기장치를 이용해 냉방온도와 실내공기질을 제어하고 있으며 연립주택과 합벽주택, 단독주택은 개별환기장치를 적용하고 있다.

힘펠의 이관철 수석연구원은 ‘ZEB 적용 환기시스템’ 주제발표에서 이지하우스의 전반적인 환기시스템을 소개했다.

이지하우스는 독일 패시브하우스연구소(PHI)의 인증을 추진하고 있는 건물로 국내 기준보다 까다로운 환기장치 조건을 만족시키고 있다.

국내에서는 에너지계수라는 지수를 별도로 만들어 환기장치를 관리하고 있으며 장비누기율의 10% 기준이지만 PHI는 누기율을 3%로 설정하고 있으며 100pa 정압을 기준으로 하기 때문에 이를 국내기준으로 환산하면 누기율 2% 정도다.

이지하우스의 환기장치 적용에서 주안점은 중앙환기 방식으로 각 세대에 동일풍량을 공급하고 환기하도록 덕트를 구성하는 것이었다. 아파트인 101동부터 103동은 화장실·주방·거실·침실 배기를 통해 급기존·배기존·믹싱존의 자연스러운 공기흐름을 조성했다.

102동의 경우 PHI 인증제품인 독일 시스템에어사의 제품을 수입했다. PHI 인증을 추진하는 가운데 해당 기준에 만족하는 제품이나 기술력이 국내에 없기 때문에 부득이하게 수입을 결정했다.

다만 시스템에어에서는 동작로직을 제공하지 않아 힘펠에서 자체적으로 컨트롤패널을 제작했다. 사양은 최대풍량 7500CMH, 소비전력은 28kW, 팬모터 2개 자동제어, 프리히터 기능 및 온·오프제어, 각 댐퍼제어 및 바이패스 기능탑재 등이다.

또한 PHI인증에서 까다로운 부분은 소음규정으로 실내에서 25dB 이하에 들어야 한다. 이를 위해 덕트소음을 제어하고 각 실에서 발생하는 소음의 이동을 방지하기 위해 급기라인에 힘펠에서 자체개발해 공인시험인증을 획득한 별도의 소음기를 적용했다.

급·배기 디퓨저에도 힘펠에서 개발한 제품이 적용됐다. 유체가 곡면을 따라 흐르는 코안다효과를 적용해 급기·배기·믹싱존에서 풍량을 멀리 보낼 수가 있다.

빅데이터 구축…향후 연구·사업데이터로 공개

이와 같은 다양한 기계설비시스템은 이지하우스에 구축된 계측장치를 통해 빅데이터로 모아지고 있다. 누리텔레콤이 계측 및 모니터링 시스템 구축을 담당하고 있으며 세미나의 마지막 발표로 ‘ZE 통합모니터링과 활용방안’을 허지재 누리텔레콤 차장이 공유했다.

이지하우스에서는 5대 에너지의 통합모니터링이 진행되고 있다. 지열·태양광에너지 생산량, 각 세대의 소비패턴 모니터링 등이 설치돼 운영되고 있다.

에너지분리계측·모니터링시스템이 구축돼 있어 냉방·난방·조명·환기·급탕의 5대 부하를 121세대 모두 분리계측하고 있으며 주동별로 스마트분전반의 스마트에너지미터를 활용해 계측이 진행되고 있다.

각각의 센서와 계측장비가 각기 다른 프로토콜을 갖고 있으며 이를 데이터베이스에 누적해 연구자, 세대, 관리자가 활용하도록 인터페이스를 구축해서 제공하고 있다.

현재로서는 데이터가 단지 내에서 연구목적으로만 활용되고 있지만 향후에는 해당 데이터를 활용해 필요 시 추가연구나 사업활동에 활용할 수 있을 전망이며 이를 위해 빅데이터 구축 및 분석 작업이 진행되고 있다.

계측장비는 전력량계, 난방·급탕열량계 등 일반적으로 적용되는 원격검침인프라(AMI)가 그대로 적용돼 있다. 특징적인 점은 세대 분전반이다. 설치된 스마트분전반은 분기마다 어떻게 소비되고 있는지를 실시간으로 모니터링하고 있다.

실내외 환경모니터링도 가능해 기상청 API와 연동하고 있으며 이에 더해 단지 내의 풍향·풍속, 온도 등 외기 모니터링 데이터도 별도로 수집하고 있다.

이지하우스의 데이터처리에서 중요한 점은 에너지가 어떻게 생산·소비되는지뿐만 아니라 실제로 거주자가 쾌적한지도 포함하고 있다. 이에 따라 세대내에 온습도센서도 설치해 데이터를 받고 있다.

또한 연구에서는 대조군 역시 중요하기 때문에 이지하우스와 비슷한 규모로 SH공사에서 건립한 도봉구의 아파트에도 동일한 센서를 부착해 일반주택과 제로에너지주택의 에너지소비량과 쾌적도가 어떻게 차이가 나는지를 분석하고 있다.

해당 데이터들은 통합어플리케이션을 적용해 월패드, 태블릿PC, 스마트폰 등에서 시스템에 접속해 세대별로 에너지사용량을 살펴볼 수 있도록 구성했고 전력이 한국전력과 상계거래되는 만큼 언제 누진제에 돌입하게 되는지도 알람을 발생시켜 세대별 사용량 조절을 유도하기도 한다.

운영자도 모니터링시스템에 접속해 에너지생산량을 일·주·월·계절별로 구분해 살펴봄으로써 운영에 도움을 얻을 수 있다. 또한 연구자용 데이터는 부하별로 사용·소비되는 패턴, 총 부하량, 목표부하량, 시간대별 신재생에너지 발전량 등을 엑셀 또는 다른 포맷으로 출력할 수 있도록 UI를 구축해두고 있다.

이밖에도 홈네트워크가 구성돼 있는데 전문업체인 아이콘트롤스와 협업해 선진화 시스템을 구축하고 있다.

허 차장은 “향후 해당 기술을 통해 BEMS, FEMS 등 EMS 분야로 확장을 기획하고 있다”라고 밝혔다.