대한설비공학회 하계학술대회 냉난방부하2 세션에서는 한양대학교 연구팀이 열전소자를 이용해 건물벽체 열손실을 능동적으로 제어하는 ‘액티브 단열패널’ 기술을 발표해 주목받았다.

‘액티브 단열패널‘, 난방에너지 13% 절감

성효경 한양대학교 회원은 '열전소자기반 액티브 단열패널 적용을 통한 난방에너지 절감효과 분석'을 주제로 발표했다.

정부의 건축물 에너지절약 설계기준 강화에 따라 고효율 단열재를 사용하거나 단열재 두께를 늘리는 패시브방식이 대안으로 활용됐다. 하지만 단열재 두께 증가는 실내 거주공간의 축소를 의미하며 기술개발에도 불구하고 건물외피를 통한 열손실을 완벽하게 차단하는 것은 불가능하다는 한계가 있다. 서울지역 공동주택의 경우 겨울철 난방부하의 약 20~35%가 창호 다음으로 외벽을 통해 손실되는 것으로 분석될 만큼 벽체 단열성능은 건물 에너지소비에 지대한 영향을 미친다. 한양대 연구팀은 기존 패시브단열을 보완할 새로운 해법으로 액티브 단열패널시스템을 제안했다.

액티브 단열패널은 반도체소자인 열전소자를 활용한 능동형 단열시스템이다. 열전소자는 전류를 흘려주면 한쪽 면은 열을 흡수하고 반대쪽 면은 열을 방출하는 ‘펠티어 효과(Peltier effect)’를 가진다. 이 패널을 건물내벽에 부착한 뒤 겨울철에는 실내를 향하는 면이 방열면이 되도록 전류를 제어한다. 이를 통해 벽체표면 온도를 실내 공기온도와 유사하게 유지함으로써 온도차이로 인해 실내의 열이 벽으로 빠져나가는 현상을 근본적으로 줄이는 원리다. 이 시스템은 기존 벽체를 해체하거나 단열재를 교체하는 대규모 공사없이 간단한 부착만으로 설치가 가능하며 전류방향을 바꾸면 여름철 냉방부하 저감에도 활용할 수 있는 장점을 가진다.

연구팀은 제안된 시스템의 에너지절감 효과를 정량적으로 평가하기 위해 국내 건축물 에너지평가 프로그램인 ECO2-OD를 이용한 시뮬레이션을 수행했다. 분석대상은 중부2지역의 4세대 공동주택 모델이며 액티브 단열패널을 적용하지 않은 기존조건과 패널을 외벽에 점차 확대 적용하는 시나리오를 비교했다. 시뮬레이션 결과 패널을 적용하지 않았을 때의 연간 단위면적당 난방에너지 소요량은 98.2kWh/m²로 나타났다. 여기에 액티브 단열패널을 적용하자 난방에너지 요구량은 뚜렷하게 감소했다. 열손실이 가장 큰 북측 벽면에만 적용했을 때 소요량은 93kWh/m²로 약 5.3% 감소했으며 동·서측까지 확대 적용하자 87.6kWh/m², 남측을 포함한 모든 외벽에 적용했을 때는 85.2kWh/m²까지 낮아져 최종적으로 약 13.2%의 난방에너지 절감 효과를 보였다.

성효경 회원은 “이번 연구는 열전소자기반의 액티브 단열패널이 기존 건물의 구조변경 없이도 단열성능을 효과적으로 보강하고 난방에너지를 실질적으로 절감할 수 있음을 보여주며 패시브 단열방식이 가진 물리적·공간적 한계를 기술적으로 극복할 수 있다는 점에서 의의가 크다”라며 “향후 실제 건물 적용을 위해 패널자체의 소비전력과 난방에너지 절감량을 비교 분석해 순수 에너지 절감효과와 경제성을 평가하고 HVAC 등 다른 기계설비와 통합 운전전략을 수립하는 후속연구가 필요하다”고 밝혔다.