한국EMS협회(회장 박찬우)는 11월25일 LW컨벤션센터 3층 L홀에서 ‘탄소중립을 위한 기후에너지산업정책 및 성장전략 세미나’를 개최했다고 밝혔다. 이번 세미나는 산업통산부와 한국산업기술진흥원이 공동 주최했으며 EMS협회가 주관했다. △대한설비공학회 △스마트건설교류회 등이 후원사로 참여했으며 에너지효율 및 수요관리 △산업계 △공공기관 △지자체 △학계 관계자 등 80여명이 참석했다.

 

이번 세미나는 정부의 탄소중립 실질이행을 위한 기후에너지환경부 신설과 함께 기후에너지산업을 둘러싼 정책환경 변화와 산업계의 대응방향을 공유하고 에너지효율·수요관리분야의 기술혁신을 논의하기 위해 마련됐다.

 

세미나는 △탄소중립 녹색성장을 위한 R&D 지원방향(김지효 한국에너지기술평가원 PD) △광명시 건물에너지부문 정책 및 추진방향(유동철 광명시 녹색건축지원센터 센터장) △차세대 집단냉난방기술 개발(박시삼 앱튼 부사장) △복합센서를 활용한 건물 냉난방 에너지절감기술(지영민 한국전자기술연구원 책임) △태양열원·지열원 하이브리드 열펌프시스템기술(이태원 SClint 대표) △넷제로 건축물 구현 혁신기술 개발(송수원 한국건설기술연구원 본부장) 등의 발표가 진행됐다.

 

 

박병훈 EMS협회 사무총장은 개회사를 통해 “이번 세미나는 탄소중립시대를 준비하는 기후에너지산업의 정책방향과 차세대 에너지관리기술전략을 한 자리에서 공유하고 현장의 의견을 듣기 위해 마련했다”라며 “EMS협회는 향후 에너지효율과 수요관리산업계와 공공·학계가 함께할 수 있는 세미나와 네트워킹 프로그램을 정례화해 기후에너지산업이 새로운 성장동력으로 자리 잡을 수 있도록 적극 지원하겠다”고 밝혔다.

 

"열에너지·수요관리, 탄소중립 시대 핵심기술"

김지효 에너지기술평가원 PD는 '탄소중립 녹색성장을 위한 R&D 지원방향'을 주제로 발표했다.

 

2050 탄소중립과 상향된 NDC 목표로 인해 열에너지와 수요관리 R&D의 중요성이 급격히 커지고 있다. 기존 공급 중심이 아닌 에너지효율과 전기화, 유연성 중심의 에너지전환전략이 필수가 되고 있다.

 

특히 이번 정부가 추진 중인 ‘에너지 고속도로’에서 강조하는 △지역생산 △지역소비 △유연한 전력망 구조 구축 등을 위해 수요관리기술이 핵심이 될 것으로 보인다.

 

글로벌 동향은 저탄소·고효율 에너지시스템으로 전환을 위해 수요측면에서 에너지효율화를 추진하고 △재생에너지 △VPP △V2G 등 신사업을 육성하고 있는 것으로 나타났다.

 

먼저 미국의 경우 전력수요를 실시간 조절하는 수요반응관리시스템(DRMS)를 도입했으며 독일의 경우 전력망 요금구조 개편을 진행하고 있다. 일본은 전 분야에서 에너지절약을 하기 위해 혁신기술에 대한 투자를 확대했으며 프랑스는 에너지효율·신재생 융합 및 디지털화 등을 목표로 건물혁신계획을 발표했다.

 

김 PD는 "국내도 이런 국제적 흐름에 발맞춰 구체적이면서 실질적인 탄소중립을 위한 전략을 마련해야 한다"라며 "이에 따라 에너지기술개발 로드맵을 제시했다"고 밝혔다. 이어 "에너지 AI·빅데이터 운영부문에서 데이터 파이프라인기술 및 표준화 개발이 필요하다"라며 "실시간 데이터의 체계적 관리와 데이터 자가진단 및 회복기술 등을 위해 투자해야 한다"고 덧붙였다. 

 

특히 확대되는 DC산업에 맞춰 DC활성화를 위한 새로운 냉각방식 개발이 시급한 상황이다. 기존 공기를 활용해 냉각하는 공랭식으로는 고도화되는 렉이나 칩셋의 발열문제를 해결할 수 없다. 이에 따라 냉각수를 활용한 수랭식이나 액침냉각방식 같은 새로운 냉각방식에 대한 기술개발과 연구가 시급하다.

 

김 PD는 "AutoDR 도입 및 확대도 검토돼야 하며 AutoDR Aggregator 기술개발을 통해 각 에너지사용자를 대상으로 실시간 전력데이터를 △수집 △저장 △분석 △표준화 △공유 등 에너지를 통합 제어·관제하는 플랫폼기술을 개발해야 한다"라며 "이와 연계가 가능한 스마트기기 기술개발을 진행해 냉난방공조나 가전, 조명 등의 부하를 AI기반으로 최적제어하고 자동으로 작동시켜 에너지효율을 높여야 한다"고 제언했다.

이어 “온실가스 감축을 위해서는 에너지소비량 감축과 전력부하를 저감할 수 있는 수요관리 사업 시행이 시급하다”라며 “DC냉각방식 전환과 각 건물의 에너지효율 상승과 에너지사용량 절감이 가능한 솔루션 개발이 필요하다”고 강조했다.

 

"녹색건축 확산 위한 실무자 교육 필요" 

유동철 광명시 녹색건축지원센터 센터장은 지자체 차원의 탄소중립·녹색건축 추진 사례와 향후 과제를 주제로 발표했다.

 

기후위기 속 건물부문 온실가스 감축은 국제적 과제로 주목받고 있으며 한국은 오는 2030년까지 건물부문 온실가스 40% 감축을 해야 한다. 이에 따라 정부는 건물 생애주기 성능정보기반을 구축하고 ZEB의무화 및 단계적 확산, GR 등을 진행하고 있다.

 

광명시는 지난 2022년 녹색건축지원센터를 신설해 공공건축물 ZEB인증을 선도하고 있으며 비의무 대상선물의 자발적 ZEB인증을 유도하고 있다. 이에 더해 설계·허가단계부터 건축사와 협의를 통해 ZEB 3등급을 권장하며 등급상향을 추진하고 있다.

 

민간건축물의 경우 단순 설비설치 수준이 아닌 ZEB인증 자체를 권장조건으로 붙여 심의단계에서 유도하고 있으며 광명 부동산지구 일부는 이미 ZEB 예비인증을 완료했다. 아직 예비인증을 완료하지 않은 구역도 조합 구성 시점에 맞춰 단지 전체 ZEB인증을 목표로 협의를 진행하고 있다.

 

GR의 경우 공공건축물 중심으로 13개소를 완료했으며 현재 추가 2개소를 진행하고 있다. △단열 △창호 △환기 △태양광 △고효율 설비를 적용해 에너지사용량을 절감하면서 에너지자립률은 높이고 있다.

 

민간 ‘그린 집수리’ 같은 생활밀착형 사업도 진행하고 있다. △단열 △창호 △보일러 △에어컨 교체 등 최대 3,000만원 공사비 중 50%를 지원하거나 노후주택의 단열·기밀성능을 개선하고 옥상 쿨루프 도입으로 열섬·냉방부하를 줄이는 사업을 진행하며 민간·노후건축물 온실가스 감축을 위해 노력하고 있다.

 

유동철 센터장은 “지자체 입장에서 건물부문 탄소중립을 활성화하기 위해서는 정량화된 성과관리를 통해 에너지사용량, 절감량, 자립률 등 수치를 기반한 성과관리가 필요하다”라며 “지자체 공무원만으로 ZEB나 GR 등 복잡한 기술을 이해하고 관리하는데 한계가 있어 전문가 컨설팅 제도나 중앙정부 차원의 기술·인력 지원프로그램이 마련돼야 한다”고 제언했다.

 

이어 “ZEB·GR 등 실무자들에게 생소한 개념이 많아 지자체 내부 실무자를 대상으로 한 녹색건축·에너지교육 등이 확대되고 우수사례를 협회나 정부가 적극적으로 홍보·견학 코스로 공유해 실무자들의 교육과 선진사례가 확산돼야 한다”라며 “디지털전환·디지털트윈 등이 연계된 자동화된 도시 에너지 운영체계를 구축해 중·장기적 운영이 가능하도록 해야 한다”고 강조했다.

 

유 센터장은 “탄소중립 도시로 전환하기 위해서는 현장의 건물을 어떻게 설계·리모델링·운영하고 있는지 정량적으로 보여줘야 한다”라며 “지자체, 중앙정부, 전문가, 시민사회가 함께 녹색건축 인프라와 데이터 기반을 쌓아가는 것이 무엇보다 중요하다”고 밝혔다.

 

"새로운 에너지 패러다임, 집단냉난방"

박시삼 앱튼 부사장은 차세대 집단냉난방기술에 대해 발표했다. 국내의 경우 최종 에너지소비에서 열에너지비중이 48% 이상임에도 불구하고 탄소중립·에너지정책에서 열에너지분야에 대한 정의나 목표설정이 미비한 상황이다.

 

기후변화에 따른 에너지 패러다임 전환으로 분산형시스템이 확산되면서 세계적으로 저엑서지 집단냉난방시스템의 필요성이 증대하고 있다. 유럽은 이미 신재생에너지 확대와 함께 1~5세대 집단냉난방 체계를 통해 재생열·저온열망을 도입하고 있다. 반면 국내는 4세대 집단냉난방 일부 실증을 진행 중이며 5세대 집단냉난방시스템 도입을 추진하고 있는 단계다.

 

국내의 기후는 점차 여름이 길어지고 있으며 여름철 에어컨 상시가동이 보편화되고 있다. 난방중심이던 부하구조가 냉방비중 증가로 빠르게 변하고 있으며 산지가 많고 평지나 옥상이 제한적인 국내의 건축구조가 차세대 집단 냉난방기술 필요성을 증대시키고 있다.

 

분산 및 재생에너지 보급 확대로 인한 이종간 에너지시스템 통합기술인 섹터커플링기술이 확산되고 있다. 특히 신재생에너지 간헐성 및 변동성 해결을 위한 역할로 중요성이 커지고 있다. 다양한 섹터커플링기술 중 최종에너지 소비유형 비중이 높은 열에너지로의 전환을 위한 P2H기술에 대한 수요와 시장성장이 가속화되고 있다.

 

P2H기술 중 히트펌프는 전극보일러대비 높은 효율과 다양한 열원활용 및 계통안정화 기여가 가능해 해외 주요국가에서는 히트펌프를 재생에너지원으로 인정하고 보급을 확대하고 있는 추세다. 국내도 분산에너지 활성화 특별법을 통해 기존 전기 중심에서 열에너지까지 포함하는 제도 개선이 진행되고 있다.

 

이에 더해 국내 최초로 5세대 지역냉난방 구축을 위한 분산형 차세대 집단냉난방 R&D과제인 ‘Smart iTEN’ 연구도 진행하고 있다. 해당 기술을 통해 균등화열생산비용(LCOH) 95원이라는 목표와 함께 재생에너지 미활용에너지 사용률 70% 향상과 단위면적당 연간 에너지사용량 절감률 40% 향상 등을 목표로 설정했다.

 

Smart iTEN기술은 탄소중립과 국가위상 제고 기여를 목표로 진행되며 실증 시 모듈적용해 스마트도시단위로 확장까지 가능하다. 실증은 나주스포츠파크에서 이뤄질 예정이다. 나주 스포츠파크에 100kW 공기열원히트펌프를 설계·시공할 예정이며 설계·시공·운영 유지관리가 가능한 통합시스템을 구축할 계획이다.

 

박 부사장은 “재생에너지 잉여전력 문제를 흡수하고 도시, DC, 주거단지의 탄소중립과 에너지비용 절감을 동시에 달성하는 차세대 분산형 집단냉난방이 새로운 에너지 패러다임이 될 것”이라며 “Smart iTEN 연구를 통해 진정한 스마트에너지시티가 설계될 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

 

"데이터·AI 활용한 건축물 통합관리시스템"

지영민 한국전자기술연구원 책임은 복합센서·온톨로지·강화학습을 결합한 건물 공조에너지 절감기술을 주제로 발표했다, 대부분의 건물이 △CCTV △출입관리 △조명 △공조 등 수많은 설비를 갖추고 있음에도 프로토콜 불일치나 업체 간 폐쇄성으로 인해 데이터를 통합적으로 활용하지 못하고 있다.

 

이러한 구조적 한계로 인해 사람이 들어오면 조명이 켜지는 기본 자동화조차 어려운 상황이며 건물지능화가 제대로 이뤄지고 있지 못하고 있다. 이에 대한 해법으로 WoT(Web of Thing)기반의 표준화된 상호운영성 리소스 명세를 제공하는 시스템이 제시됐다. 건물 내 모든 설비를 하나의 통합데이터 구조로 정리하고 여기에 온톨로지 구조를 결합해 공조기, 센서, 공간정보 등 건물설비를 AI가 직접 제어하는 시스템이다.

 

효율적인 분석서비스를 위해 에너지데이터 분석 프레임워크기술을 적용해 자원 특성 및 부하량에 따른 다양한 분석작업 실행형태를 지원한다. 기상청과 환경공단의 데이터를 활용해 건물의 위치나 지형, 기후 등을 기반해 효율적으로 냉난방시스템을 운영할 수 있도록 지원한다.

 

공기질과 실내환경, 재실 추론기능 등이 탑재된 복합 IoT 환경센서도 개발하고 있다. IoT 복합 환경센서를 활용하면 재실 추론기능을 통해 재실자가 있을 때만 환기시스템을 가동하거나 재실자의 생활패턴에 맞춘 시스템 가동으로 효율적인 실내공기질 관리가 가능하다. 건물의 방범·방재용 CCTV와도 연계해 재실자를 인식하고 인식된 사람의 경로를 추적해 공간단위 세밀한 관리도 가능케 한다.

 

이를 전자기술연구원 본원에 적용해 실증테스트를 진행했으며 실증결과도 소개됐다. 재실자가 없는 경우 급기댐퍼 제어를 통해 냉난방 공기유입을 차단하고 HVAC는 정압 제어구성으로 개별 실에서 차단된 공기유입만큼 인버터를 통한 급기FAN 제어를 수행했다. 이를 통해 공기유입이 차단되면 전체적으로 냉난방을 위한 열교환이 줄어 에너지비용이 절감되는 것을 확인했다.

 

지 책임은 “AI가 직접상황을 판단하고 설비를 제어하는 자율형단계로 전환이 이뤄지고 있다”라며 “표준화와 정보공유를 통해 데이터가 통합적으로 활용될 수 있도록 기반이 마련돼야 하며 확보된 데이터와 AI를 결합해 건물의 에너지효율과 운영방식이 실질적 전환을 이뤄야 한다”고 강조했다.

 

"냉난방시스템 새로운 해법, 태양열·지열 복합시스템" 

이태원 SClint 대표는 한국건설기술연구원 화성 화재안전연구센터에 설치한 태양열·지열 복합 열펌프를 활용한 냉난방시스템에 대해 발표했다. 해당 건물에 지난 2006년 지열히트펌프가 설치됐는데 전기요금만 월 2,000~3,000만원에 달한 것으로 나타났다. 인원이나 업무량에는 변화가 없었는데도 전력사용량은 해마다 급증했으며 냉난방에너지소비량을 분석한 결과 냉방보다 난방부하가 크고 지중온도가 해마다 떨어져 지열히트펌프 효율이 저하되는 현상이 나타났다.

 

이러한 한계를 극복하기 위해 태양열 어시스트 지열시스템이 해법으로 제시됐다. 화성센터의 넓은 지붕을 활용해 약 145m² 규모 평판형·진공관형 태양열집열기를 설치하고 이를 지열히트펌프·축열조·건물 난방부하와 연계했다.

 

운영모드는 △지열 단독 운전 △태양열 어시스트 지열 △태양열 직접 난방 △냉방 종료 후 태양열을 이용한 지중 집중 재충전 등으로 설계됐다.

 

실제 운전데이터를 분석한 결과 지열 단독운전 시 지중 열원수 온도는 약 11~12℃ 수준이었으나 태양열 어이스트 모드에서는 약 18℃까지 상승했다. 이를 통해 지열히트펌프 COP는 5.4에서 7.0으로, 시스템 전체 COP는 4.0에서 5.3까지 향상됐다. 난방기간 전체를 분석하면 태양열 어시스트 적용 시 지중온도 저하 폭이 유의미하게 감소했으며 태양열이 담당한 난방기여도는 약 20% 수준으로 평가됐다.

 

실무적용성 확대를 위해 연구팀은 수치해석을 기반한 최적 설계연구를 추가로 진행했다. △지열 열교환기 △태양열 집열기 △축열조 △지중 열전달 △부하 특성 등을 모두 포함한 복합모델을 구축한 뒤 △태양열 집열면적 △축열조 용량 △지열에서 태양열 전환시점에서의 전환온도 등을 설계 변수로 가정하고 반복 시뮬레이션을 수행했다. 수행과정에서 집열면적을 무작정 늘리면 축열조 온도가 과도하게 상승해 히트펌프 효율이 오히려 감소하는 현상이 관찰됐으며 집열면적·축열용량·전환온도의 최적점이 존재한다는 결론을 도출했다.

 

화성센터를 기준으로 난방부하를 100%로 가정했을 때 태양열 집열면적 약 225m², 축열조용량 약 3.5톤, 전환온도 23~24℃ 부근에서 시스템 COP가 가장 높고 전력소비는 가장 낮은 것으로 분석됐다. 해당 최적 설계안을 적용해 연간부하를 평가한 결과 지열 단독 운영대비 30%를 상회하는 전력절감효과가 나타났으며 설비비용을 고려하더라도 투자비는 높지 않아 수년 내 회수가 가능한 수준인 것으로 분석됐다.

 

이 대표는 “기존 지열에 태양열을 복합적용하면 난방성능은 향상되지만 지중 온도패턴 변화로 냉방효율이 일부 희생되는 것으로 분석됐다”라며 “장기계측을 통한 전체시스템 성능평가와 해당 결과를 반영한 냉난방 통합 최적 설계기준 마련이 향후 과제”라고 밝혔다. 이어 “화성센터 연구는 지열 단독시스템이 가진 구조적 한계를 태양열을 결합해 풀어낸 사례”라며 “향후 대규모 건물과 단지설계에서도 태양열·지열 하이브리드방식과 지능형 제어가 핵심기술이 될 것”이라고 전망했다.

 

"실질적 넷제로 건축물 구현 종합플랫폼 구축"

송수원 건설기술연구원 본부장은 넷제로 건축물 구현을 위한 기술개발에 대해 발표했다.

 

정부는 지난 2020년부터 연면적 1,000m² 이상 신축건물을 시작으로 단계적으로 ZEB인증 의무화를 추진하고 있다. 건물자체의 에너지효율등급을 일정 수준 이상 확보하고 태양광 등 신재생에너지로 에너지 자립률을 높이며 BEMS와 EMS 등 운영시스템까지 갖추도록 유도하고 있다.

 

하지만 넷제로라 불리는 건물의 상당수는 에너지자립률 20% 안팎에 머물러 있으며 요소기술을 다 적용했음에도 실제 운영단계에서는 넷제로가 구현되지 않는 등 기술의 적용·평가·운영단계에서 한계가 나타나고 있다.

 

고성능 단열재, 창호 등 각종 액티브설비 등이 하나로 융합되지 못한 채 개별로 개발·적용되고 있으며 융합설계·제어가 부족해 비용대비 성능이 따라오지 못하는 사례가 다수 나타나고 있다. 이에 더해 현재 건축물에 대한 시험이나 인증체계는 단일부품·시스템을 평가하는 기준에 머무르고 있어 △융합형 외피 △신기술 제어 △복합시스템 등은 공식 평가나 인증방식이 사실상 부재한 상태다.

 

또한 준공단계에서 일회성으로 평가가 진행돼 건물의 운영단계에서 조건이 변화되더라도 지속적인 성능검증이나 사후조치가 등이 이뤄지지 않아 실질적 효과가 미비하다. 이를 해결하기 위해 KICT는 외피가 단순히 단열재와 창호로 구성되는 것이 아닌 OSC(Off-Site Construction) 모듈형 패널과 PDLC기반 가변형 스마트 윈도우 등 설비·제어와 연동가능하도록 연구하고 있다.

 

KICT는 공장제작형 모듈 외피시스템과 현장조립형 가설형 외피모듈을 개발하고 있으며 이를 실제 테스트베드에서 검증하는 것을 목표로 하고 있다.

 

KICT는 단순 에너지사용량과 장비효율만을 고려하는 것이 아닌 △사용자 쾌적성 △실내환경 △운영전략 △에너지성능 간 인과관계를 분석하는 모델도 개발하고 있다. 설계단계에서 에너지모델과 인간·환경인자를 반영한 평가도구를 제공하고 운영단계에서 실제 운전데이터에 기반한 지속적 성능 평가도구를 만들어 향후 인증제도와 연계하겠다는 계획이다.

 

이에 더해 실제 건물과 1:1로 대응하는 디지털트윈 모델을 구축해 설비·외피·제어모듈을 모두 FMU(Function Mock-up Unit)형태로 라이브러리화해 다양한 제어전력과 신기술을 시뮬레이션 상에서 조합하고 평가할 수 있도록 설계할 예정이다. AI에이전트도 결합해 자율 커미셔닝과 자동 컨디셔닝 등을 동시에 최적화하는 운영조력자로 활용할 수 있도록 개발할 계획이다.

 

송 본부장은 “연구과정을 KICT 단독이 아닌 국내 산·학·연과 해외 연구기관과 협력해 장기적으로 기술 상용화와 기술이전 및 제도화까지 연결할 것”이라며 “탄소중립과 넷제로 실현을 위해 실질적인 기여를 할 수 있는 종합플랫폼을 구축하는 것이 최종 목표”라고 밝혔다.