부산대학교 건축공학과 건축환경IT연구실은 건축과 인간을 둘러싼 물리적 환경에 주목해 안전하며 효율적인 건축공간창출을 위한 건축·설비적 접근법을 개발하고 있다.

 

최근에는 태양열·지열과 미활용에너지를 효율적으로 이용하는 기술을 개발하며 실제 건물에 적용하기 위한 설계법을 연구하고 있다.

남유진 부산대 교수는 PVT에서 생산된 에너지를 바탕으로 효율적인 급탕·냉난방공급을 통한 ZEB실현기술을 개발하고 있다.

 

남유진 교수를 만나 연구진행상황과 PVT연구개발활성화 방안 등을 들어봤다.

 

 

■ PVT 연구배경과 목표는 

PVT는 하나의 시스템에서 전기와 열을 동시에 이용한다는 점에서 매력적인 기술이다.

 

그러나 이러한 장점이 단일시스템대비 우수한 효과를 가질 수 있는 지는 △에너지효율성 △경제성 △편의성 등의 관점에서 충분히 검토해야 한다. 

변동성이 큰 태양에너지를 이용한다는 점에서 기존 설비와 함께 사용하려면 건물의 열·전기 수요를 고려해 적절하게 용량을 설계하고 최적의 운전을 해야하나 어떤 기준에서 설계하며 어떻게 운전하는 것이 효율적인지 설치환경이나 설계조건·재실상황 등이 복잡하게 연계돼 있어 최적 설계방법을 정립하기가 어렵다.

 

이에 따라 PVT를 기존 전기설비나 냉난방·급탕설비와 결합해 보다 효율적이고 안정적으로 활용할 수 있는 설계·운영방법을 개발하는 것이 목표다.    

  

■ 현재 진행 중인 PVT연구를 소개하면
크게 △PVT설비자체효율 고도화 연구 △PVT연계 히트펌프시스템설계와 운영에 관한 연구 △실제건물에서 용이하고 경제적인 방법으로 적용하기 위한 연구 등으로 나뉜다.

먼저 PVT효율향상 연구의 경우 PVT 배면의 열교환방법이나 열교환 매체·PVT와 열교환기와 접합방법 및 방열·단열방법 등 연구가 진행되고 있다.

 

PVT가 효율적으로 활용되려면 여름철에는 PV의 과열을 방지하고 전력생산 효율을 높이기 위해 방열을 잘해야하며 겨울철에는 열생산을 효과적으로 하기 위해 단열을 잘해야 하는데 이런 특징을 적절하게 고려하기 위한 연구다.

두 번째는 PVT를 건물 냉난방·급탕에 효과적으로 활용하는 기술이다.

 

오래전부터 태양에너지는 다양한 기술로 건물에 활용됐으나 간헐성 때문에 메인시스템이 되기는 어렵고 난방이나 급탕의 보조열원으로 자주 이용됐다.

 

IEA 히트펌프분과에서도 설계방법과 적용방안에 대해 논의가 진행됐으나 보다 구체적으로 다양한 건물 조건에서 어떻게 용량설계를 하고 운전하는 것이 에너지 효율적이고 경제적인지에 대한 명확한 방법은 제시되지 않고 있다. 

이에 따라 연구실에서 최적화 알고리즘을 활용한 용량설계·운전방법을 제안했으며 실무활용을 위한 설계프로세스를 개발했다. 또한 실제 건물적용에서의 실현 가능성과 시스템효율을 파악하기 위해 실증연구도 진행 중이다. 

세 번째는 건물적용에 용이한 새로운 아이디어에 관한 연구다. 예를 들어 기존 태양광패널에 열교환패널만 부착해 태양광과 열을 동시에 생산하는 방법이나 기존 건축물 외벽에 모듈화된 PVT패널을 부착해 단열과 에너지생산을 동시에 하는 연구 등이다.

 

이러한 연구는 최근 쟁점인 그린리모델링대응기술로 활용될 수 있으며 다양한 분야에서 응용이 가능할 것으로 생각돼 연구자들이 관심을 가질 것으로 기대된다.

 

 

■ ZEB구현기술에 PVT 적용시 특장점은
PVT는 전기와 열을 동시에 생산하며 전기생산효율을 높일 수 있어 ZEB구현에 가장 주목받는 시스템이 될 수 있다. 한정된 공간에서 전기와 열생산이 동시에 가능해 국내 ZEB인증에도 효과적으로 활용될 수 있을 것이다. 

그러나 아직 PVT기술이 ZEB인증기준의 기술에는 포함되지 않아 설계에 반영되는 사례는 드물다. 여름철 발전효율 향상과 겨울철 태양열집열을 통한 열생산이 건물내 에너지생산에 기여한다는 점은 분명하나 어느정도 기여할 수 있느냐는 위도에 따라 반비례관계에 있어 일사량·외기온·설치조건 등이 기준설정 시 고려사항이 될 것으로 본다.

 

■ GEO·PVT 하이브리드시스템’을 소개하면
Geo-PVT 하이브리드시스템은 건물내 신재생에너지 열네트워크 기술개발의 일환으로 10여년전에 에기평 연구과제로 수행된 연구주제다. 

PVT는 여름철 PV패널 온도 저감이 주요 이슈이고 지열원은 겨울철 지중온도 하강이 문제로 인식된다. PVT개발기술은 이것을 동시에 해결할 수 있는 기술로 여름철에는 PVT 냉각에 외기온도보다 낮은 지중온도를 활용하고 겨울철에는 PVT생산열과 지열 중 보다 효율적인 열을 선택적으로 활용하게 하거나 지중축열을 하는 기술이다. 

기존 냉난방시스템(에너컨+보일러)에 비해 시스템효율과 운전비용 측면에서 우수하지만 지열의 초기투자비가 커서 도입이 쉽지만은 않은 기술이다. 그러나 지중열교환기를 최근에 개발된 유닛형 저심도기술을 활용하면 ROI 10년 이내로 가능한 기술이다. 

 

■ PVT성능 고도화를 위한 R&D는
PVT성능 고도화를 위한 연구는 많은 연구기관·대학·기업에서 추진되고 있다. 아직 해결되지 않은 이슈들이 남아 있으나 기술개발과 정책적 지원이 조금만 더 마중물 역할을 해준다면 선순환 구조에서 성능개발과 보급이 활성화될 것으로 생각된다. 

모든 신재생에너지기술이 그러하듯 PVT KS를 포함한 인증·설치기준 제정·신재생에너지편입 등은 PVT업계에 중요한 이슈일 것이다.

 

PVT가 신재생에너지기술로 인정되면 기존 태양광업계는 물론 열교환기 등 기계설비분야에서도 관심을 가지고 시장에 뛰어들 가능성이 높다. 이런 방향성에서 보자면 개별 PVT제품을 포함한 융복합기술개발도 활성화될 것으로 예상된다.

 

■ 신재생에너지 융복합연구를 활성화하려면

신재생에너지 융복합지원사업이라는 좋은 제도가 있으나 적용가능한 규격과 사양이 정해져 있어 태양광과 지열을 적용하는 사례가 많으며 개별운전이 대부분이라 융복합 시너지 효과는 거의 없다.

 

이것은 융복합이라기보다는 복수적용이라는 표현이 맞을 것이다. R&D가 지속적으로 이뤄지지 않고 적당한 수준에 정체된 이유도 이러한 정책에 있다.

태양광·태양열·지열·연료전지 등과 융복합해 시너지 효과를 낼 수 있거나 효과가 이미 증명된 진정한 의미의 융복합시스템을 지원하고 보급하는 정책이 만들어져야 기술발전이 가속화될 수 있을 것이다. 

ZEB 의무등급 상향과 보급확대가 시작되는 시점에 있는 만큼 PVT를 포함한 융복합시스템에 보다 큰 관심을 가지고 적극적으로 정책지원을 해야 바람직한 형태의 기술개발과 시장확대가 이뤄질 것이다.