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ZEB 설비시스템 R&D ‘전방위 로드맵’ 제시

설비공학회, ZEB 설비 기술세미나 개최
국토부 정책연구과제 최종보고내용 공개


국가 제로에너지건축물 로드맵에 따라 당장 내년부터 공공건축물의 제로에너지건축물인증 의무화가 추진되는 상황에서 그간 패시브건축 중심의 건축물 에너지절감 수단을 기계설비, 신재생에너지 등 액티브요소로도 확대해야 한다는 목소리가 높다.


이에 따라 대한설비공학회(회장 김용찬)는 지난 11일 한국토지주택공사(LH, 사장 박상우)와 함께 서울 과학기술회관에서 ‘제로에너지빌딩 설비분야 기술세미나’를 개최하고 제로에너지빌딩(ZEB)의 기계설비, 신재생에너지 시스템 연구개발 방향을 공유했다.


이번 세미나는 △제로에너지빌딩의 신재생&융복합에너지 기술개발(송두삼 성균관대 교수) △제로에너지빌딩의 고효율설비시스템 기술개발(정재동 세종대 교수) △제로에너지빌딩의 IoT 시스템 기술개발(신영기 세종대 교수) △제로에너지빌딩의 실증 및 운영기술 개발(김중헌 케이디플래너스솔루션 대표) △제로에너지빌딩의 제도개선 및 Biz 개발(고영민 한국토지주택공사 차장) △제로에너지빌딩의 기술인력 양성사업방안(민준기 경희대 교수) 등으로 구성됐다.


특히 최근 국토교통부가 발주한 제로에너지빌딩 설비분야 정책연구’를 공동으로 수행하고 있는 설비공학회와 LH가 이번 세미나를 통해 최종보고내용을 발표해 의미를 더했다.




해당 정책연구과제의 총괄책임자이자 전 설비공학회 회장인 홍희기 경희대 교수는 개회사에서 “대한설비공학회는 제1차 국토교통과학기술 연구개발 종합계획의 8대 혁신성장동력의 설비분야 연계항목으로 이번 과제를 수행하고 있다”라며 “친환경 미래에너지 발굴 육성을 국정과제로 설정하고 신재생에너지 및 에너지 수요관리 확대를 지향하고 있는 가운데 녹색설비를 바탕의 신에너지사업 비즈니스모델 개발이 필요한 시점”이라고 밝혔다.


이어 홍 교수는 “앞으로 5년 후 이번 과제에서 제시한 세부별 과제가 성공적으로 완수되면 진정한 제로에너지빌딩의 의미로서 에너지자립 100%를 달성에 일조할 수 있을 것으로 확신한다”고 강조했다.


패시브 특성고려 최적 신재생융복합 설비 개발
송두삼 성균관대 교수는 ‘제로에너지빌딩의 신재생&융복합에너지 기술개발’ 발표에서 “2020년부터 공공건물 ZEB의무화가 예정된 가운데 경제성 있는 ZEB설비시스템을 구축하기 위해서는 최적화된 시스템사이징, PV·태양열·ESS 등 건물특성을 반영한 신재생에너지, 고효율설비와의 융복합시스템 등에 대한 고려가 필요하다”고 밝혔다.


제로에너지빌딩의 설비시스템 관련 국제 동향을 보면 일본의 다이킨(DAIKIN)은 환기, 공기정화, 가습, 제습, 냉난방을 통합한 공조시스템을 개발·보급하고 있다. 제습·환기유니트를 통해 도입한 외기를 냉난방, 가습·제습해 쾌적온·습도의 공기를 급기하고 도입한 외기에 포함된 먼지, 유해물질 등의 오염을 제거해 공기를 청정하게 유지하는 시스템이다.


또한 유조 사카모토(Yuzo Sakamoto) 동경대 교수는 고기밀·고단열 구체축열성능을 가진 주택에서 고효율에어컨 1대로 전체 주거공간을 냉난방·환기하는 시스템을 제안하기도 했다. 에어컨 전열교환 환기시스템, 고단열성능 PL 창호, 심야전력 히트펌프 축열식 바닥난방 등을 갖춘 주택은 정격 2.65kW의 에어컨으로 전관공조가 가능하다는 것이다.


파나소닉은 히트펌프 기술로 높은 효율로 만들어진 온수를 이용한 에코바닥난방시스템 ‘Eco Cute’를 개발했으며 난방·급탕 COP 5.1을 달성해 2001년부터 2018년 상반기까지 600만대 판매를 돌파했다. 이 시스템은 응축기 열교환기로 대기중의 열을 CO₂ 냉매 전기동력으로 압축해 고온으로 만든다. 이후 증발기 열교환기로 옮겨져 저탕탱크 물을 가열한 뒤 팽창변에서 다시 저온이 돼 돌아오는 시스템으로 구성된다.




최근 국내에서는 태양광열(PVT)시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 태양광열시스템은 기후의존적인 단점을 보완할 수 있으며 모듈의 온도감소를 통해 전력생산율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다. 또한 회수열을 통해 급탕 및 난방이 가능하며 지열 히트펌프와의 융함을 통해 배관설치비용도 감소한다.


이를 멀티열원 히트펌프 시스템, 지열-PVT 하이브리드 시스템으로 구축할 경우 냉방, 급탕의 동시운전이 가능하고 동절기 지중온도 회복, 하절기 지중열 방출 사이클을 구성할 수 있다. 전력, 열을 동시에 생산할 수 있으며 IoT와 연계해 시스템 효율향상도 구현할 수 있다.



이번 연구개발의 목표는 BIPV와 태양열을 결합한 PVT 복합모듈을 이용해 ZEB용 전력·냉온열 자립화 시스템을 구축하게 된다. 또한 BIPVT 융합시스템과 건물을 통합하는 기술도 개발하며 실증을 거친 사업화까지 포함한다.


PVT 복합모듈 및 BIPVT는 현재 기존 과제사업을 통해 개발 마무리 단계에 있으며 이번 연구과제를 통해서는 경제성확보 및 실증·사업화에 중점을 두고 추진함으로써 실험실 단계가 아닌 실질적인 시장적용성을 갖춘 기술을 확보하게 된다.


냉난방 부하 불균형…축열시스템 필요
정재동 세종대 교수는 ‘제로에너지빌딩의 고효율설비시스템 기술개발’ 발표에서 “현재까지 단열, 기밀 등 ZEB의 패시브요소에 우선순위를 두고 기술개발이 이뤄져 고효율설비기술개발 등의 액티브요소로 전환이 필요하다”고 밝혔다.


글로벌 ZEB시장규모는 2018년 81억4,000만달러에서 2025년 185억달러 수준으로 급성장할 전망이며 유럽, 미국, 일본 등은 지역단위 에너지관리기술 및 스마트시티 실증에 대규모 투자를 진행하고 있다.


우리나라의 ZEB 기술개발은 고기밀 벽체, 고단열 창호 등 패시브개발 위주로 진행돼 왔다. 이에 따라 냉난방부하의 과도한 불균형으로 설비의 효용성이 저하되고 있다. 건물에너지사용량이 국내 총에너지사용량의 20% 이상을 차지하는 상황에서 고효율 설비기기를 통한 건물에너지절감이 필요한 실정이다.


이번 연구과제의 고효율설비시스템분야에서는 △ZEB 최적화를 위한 축열조합형 고효율 냉난방시스템 △미세먼지 대응 고효율 환기시스템 △ZEB 냉방설비 전력저감형 패키지타입 고효율 흡착식 냉동시스템 △ZEB 적용 고효율 설비시스템 평가기술 등을 개발하게 된다.


축열조합형 고효율 냉난방시스템은 ZEB의 냉난방부하 불균형을 해소하고 설비적 요소를 활용해 ZEB를 구현하기 위해 냉난방겸용 혼합 열저장시스템을 개발하는 것이다. 중소형 ZEB에 적합한 20~30RT 용량의 모듈형 설비를 개발하고 우수한 축열밀도 및 이용효율향상을 통해 에너지소비 운전비용 절감을 추진한다.



이를 위해 △혼합열저장시스템 △PVT 히트펌프 시스템 냉각용 열저장시스템 △고효율 구체복사시스템 개발을 추진한다. 혼합 열저장시스템은 용량 30RT, 냉축열밀도 30kWh/㎥, 온축열밀도 15kWh/㎥, 이용효율 90% 이상, PVT 히트펌프 냉각 열저장시스템은 용량 20RT, 냉축열밀도 15kWh/㎥, 이용효율 90% 이상, 구체복사시스템은 용량 20RT, 이용효율 80% 이상, 실내쾌적성 15% 이상 향상을 목표로 한다.


미세먼지 대응 고효율 환기시스템은 최근 이슈화되는 실내공기질(IAQ) 문제와 건축물 단열·차양개선에 따른 환기부하 및 잠열비중 증가 경향에 대응하기 위해 추진된다.


히트펌프와 데시칸트 기술을 융합한 하이브리드 데시칸트 외기처리 통합시스템을 개발해 공기청정, 환기, 제습, 냉난방을 복합적으로 처리하게 된다. 또한 소풍량에서도 미세먼지에 대응할 수 있는 고효율 열교환 고성능필터 환기시스템 개발도 추진된다.


이를 위해서는 데시컨트 냉방 및 전열펌프 난방기술, 결로문제 없는 에너지회수 환기기술, 하이브리드 외기처리 통합시스템 설계기술, 최적 환기운전모드 적용 자동 하이브리드 환기기술 확보가 필요하다.



다만 현재 이와 같은 기능을 갖춘 제품이 시중에 출시된 만큼 이번 연구에서는 보다 성능을 개선하고 경제성 및 현장적용성을 높이는 방향으로 연구개발이 추진될 전망이다.


고효율 흡착식 냉동시스템은 온수 65~70℃의 신재생열원으로 구동하고 실시간 신재생 부하변동에 최적대응이 가능한 흡착식, 냉각탑, 펌프의 패키지타입 기술이다. 시스템 소형화를 위해 용량을 키우면서도 콤팩트한 흡착탑 및 코팅기술 개발과 변동형 저온열원과 연계한 흡착식 냉방시스템 설계 및 시뮬레이션 기술이 필요하다.



패키지타입 흡착냉동시스템의 세계최고 수준은 냉방능력 100kW, COP 0.45. 소비전력 1.8kW, 모듈당 용량 2.0kW, 운전조건 70℃다. 이번 연구개발은 냉방능력 105kW, COP 0.5 이상. 소비전력 1.5kW 이하, 모듈당 용량 5.0kW 이상, 운전조건 온수 70℃ 이하를 목표로 추진된다.


무선·클라우드·IoT 기반 보급형 BEMS 개발
신영기 세종대 교수는 ‘제로에너지빌딩의 IoT 시스템 기술개발’ 발표에서 “패시브건축물은 열용량이 커 온도반응 지연이 생기기 쉽다”라며 “이에 따라 예측제어의 필요성이 큰데 기존 BEMS는 피드백 제어방식이어서 동적물리모델의 도입이 불가피하다”고 밝혔다.


최근 세계적으로 클라우드, 빅데이터 등 4차 산업혁명 관련기술을 전략산업으로 육성하는 등 급격한 기술변화가 발생하고 있지만 아직 현장에서는 유선으로 시스템을 구축하는 경우가 많아 신기술의 적용성을 저하시키고 있다. 다른 한편에서는 국내 리모델링 시장이 노후건축물 비중확대에 따라 2017년 30조원에서 2020년 약 41조5,000억원 시장을 형성할 것으로 전망된다.


현재 리모델링의 문제는 기존 장비위치변경이 어렵고 설비확장 시 추가 선로공사가 필요해 공사비와 기간이 추가된다는 점이다. 또한 유선시스템은 노후화에 따라 성능저하가 발생하고 유지보수 시 비용이 많이 소요되며 선로간섭에 의한 노이즈, 외부 낙뢰유입 가능성 등이 단점으로 제시된다.


이에 따라 기술적 우위를 점하고 있는 4차 산업혁명 관련기술에 기반을 둔 고급지능제어, 표준화, 경제성 있는 통합솔루션의 개발이 추진된다. 액티브 BEMS, ZEB가 구현될 수 있도록 IoT, 고급제어용 범용 플랫폼 설계, 클라우드기반, 최적운전계획 등으로 설비를 최적운전하는 보급형 BEMS다.


이를 위해 △ZEB 데이터관리 및 부하예측 △설비 최적운전계획 △보급형 IoT BEMS 등의 요소기술 개발을 추진한다.


ZEB 데이터관리 및 부하예측을 위해서는 제어용 물리모델 기반으로 관제점을 설계하고 계측데이터를 표준화해 신뢰성을 관리한다. 유량 등 측정이 어려운 물리량은 모델기반으로 대체하며 계측데이터 검증 및 가공은 데이터표준화 및 보존방정식을 이용할 방침이다. 또한 클라우드 데이터기반으로 에너지의 미래 수요·공급을 실시간으로 예측하는 표준 로직개발도 추진된다.


설비최적운전계획은 모든 설비조합에 대한 최적운용 알고리즘 개발 및 가상 TB 검증이 추진된다. 또한 보급형 BEMS 로직구현 및 다양한 시나리오에 대한 제어안정성을 개선하기 위해 시나리오별 TB테스트를 실시하고 입출력데이터·통신·UI설계 및 통합이 진행된다.




보급형 IoT BEMS는 기존 유선과 DDC(현장제어기)를 IoT로 대체해 원가를 절감하는 솔루션이다. IoT 무선 네트워킹 통신 및 클라우드 데이터관리 안정화를 통해 기존 유선 BAS 대비 30% 이상 비용절감이 가능하며 리모델링 공사 시 공기단축 및 실내환경훼손 최소화가 가능할 전망이다.


실증·표준화·사업모델·인력양성 추진
김중헌 케이디플래너스솔루션 대표는 ‘제로에너지빌딩의 실증 및 운영기술 개발’ 발표에서 “신축·기존건물 ZEB 실증을 통해 설비분야 핵심기술의 성능과 경제성을 검증할 필요성이 크다”라며 “ZEB에 최적화된 기계설비 시스템별 성능진단, 분석 및 건물별 최적안 도출 등 표준화 기술을 개발해야 한다”고 밝혔다.


실증에서는 핵심기술 적용 전 기존건물의 1차에너지사용량을 분석하고 이를 설비분야 핵심기술 적용후와 비교분석한다. 또한 기존건물 공사비 대비 기술적용 후 공사비의 증가분도 분석한다.


실증 및 운영기술개발은 개발된 설비분야 핵심기술이 국내외적으로 성능을 인증받고 시장진출을 위한 전략 도출에 유용할 전망이다. 또한 계획 시 목표를 달성할 수 있도록 최적화 운영관리 기술을 개발함으로써 실질적인 성능개선에도 도움이 될 수 있다.


신축·기존건물 ZEB 실증에서는 표준플랫폼이 구축된다. 앞선 핵심기술들에 대한 통합 성능평가, 분석을 위한 것으로 TAB 분석, 에너지절감 요소기술 도출, 실증시스템 설계·시공, 요소기술 대안분석 등을 진행하며 국가 공인시험기관을 통한 설비시스템별 성능검증 및 인증과 M&V가 진행될 계획이다.


이어 고영민 LH 차장은 ‘제로에너지빌딩의 제도개선 및 Biz 개발’ 발표에서 “지금까지 ZEB를 위한 훌륭한 기술들이 상당히 개발됐지만 사업모델을 확보하지 못해 사장되는 경우가 많았다”라며 “최적의 ZEB를 구현하기 위해 고효율·고성능 설비분야의 신시장개척을 통해 기술경쟁력을 강화할 필요가 있다”고 밝혔다.


이번 연구개발에서는 제품개발, 생산, 설계, 진단, 설치, 시공, 시스템관리, 운영에 이르는 ZEB 설비분야 핵심기술별 생애주기를 고려한 비즈니스 모델이 개발된다.


이를 위해 BMC(Business Model Canvas)가 활용된다. BMC는 파트너십, 자원, 기술, 고객 등을 세부적으로 나열하고 비용구조와 수익원을 종합적으로 분석해 사업모델을 개발하는 방법이다.


ZEB 시장이 현재 도입기에 접어들고 있으며 공공건물 의무화를 통해 성장기로 접어들 수 있을 것으로 예측된다. 이후 민간시장 의무화에 따라 성숙기를 맞이한 뒤 해외진출을 계기로 확장기로 진입할 수 있을 것으로 전망돼 이와 같은 시장상황을 감안한 사업모델 개발이 필요할 전망이다.


끝으로 민준기 경희대 교수는 ‘ZEB 기술인력 양성프로그램 개발’ 발표에서 “ZEB 확산을 위해서는 충분한 전문인력이 있어야만 보급활성화가 가능하다”라며 “기존 인력양성 프로그램이 다소 한계를 보이는 만큼 새로운 교육체계의 개발이 필요하다”고 밝혔다.


기존 인력양성 교육은 서울과기대, 부산대, 한국에너지기술평가원, 한국패시브건축협회 등이 진행하고 있다. 이와 같은 교육은 상보적인 특성을 갖기도 하지만 단순반복성, 지역적 한계, 건축위주 교육, 특정규모 건축물대상 교육 등이라는 한계가 있다.


이에 따라 이번 연구과제를 통해 공종별·수준별·단계별·직군별 종합적인 교육프로그램 개발이 추진된다. 이를 위해 ZEB 전문기술인력양성 통합센터 구축과 강사진 풀 구성, 커리큘럼개발, 자격증 개발 등이 고려되고 있다.