국내 건축산업의 정책·기술이 제로에너지건축을 중심으로 발전하는 가운데 저에너지 건축물을 위한 설비시스템의 성능검증방안을 제시하는 기술세미나가 마련됐다.

한국건축친환경설비학회(KIAEBS, 회장 최창호)는 지난 20일 서울시 서초구에 위치한 대한건축학회 건축센터에서 한일엠이씨(대표 정차수)와 함께 ‘저에너지 설비시스템 엔지니어링 기술’을 주제로 ‘제2회 KIAEBS 기술강습회’를 개최했다.

이번 기술강습회는 △제로에너지건물을 위한 설비시스템-에너지절약 설계기법(이진영 한일엠이씨 전무) △신재생에너지 성능검증 기법(연창근 한일엠이씨 사장) △저에너지 설비시스템 구축사례(홍민호 한일엠이씨 전무) 등으로 구성됐다.

ZEB설비시스템 소개
이진영 전무는 ‘제로에너지건물을 위한 설비시스템-에너지절약 설계기법’ 발표를 통해 패시브건축에서 활용할 수 있는 액티브기술을 △자연에너지 활용 △시스템고효율화 △열회수시스템 △에너지생산시스템 △자동제어(BAS) 및 에너지운영관리(EMS) 등으로 구분해 소개했다.

저에너지 건축물인 패시브하우스에서는 자연에너지를 활용해 제로에너지건축을 앞당길 수 있다. 지열히트펌프는 지중열을 이용해 부하를 충당할 수 있지만 냉각탑 팬동력 절감효과에 그치고 히트펌프 효율이 터보냉동기보다 낮다는 단점이 있다. 이에 따라 히트펌프를 거치지 않고 지중열교환 냉수 복사냉방 등 지중열을 직접활용한 복사냉각방식이 주목받고 있다. 이는 ‘코오롱 에너지플러스 그린홈’ 등 건축물에 적용된 바 있다.

또한 수열을 이용하는 경우에도 지하수활용시스템 등은 주변 발전에 따른 수위변동의 경향을 예측해야 하는 어려움이 있다. 이에 따라 대지 내 생산·사용되는 모든 물을 고려한 냉난방방식이 주목받고 있다. 우수를 냉각수 보급수로 활용하거나 눈, 공조응결수, 배수를 냉방열원, 냉수보급수, 히트펌프 열원 등으로 활용하는 방안도 고려할 수 있다.

태양에너지를 검토할 경우 태양광패널은 고비용구조로 인버터, 축전지의 설치가 필요하며 이와 같은 설비의 수명과 효율면에서 경제성입증이 요구된다. 또한 음영지역 확인이나 청결관리 등 유지관리 역시 감안해야 한다. 이에 따라 흡수식 냉동기를 활용한 태양열 냉방의 장점이 부각되고 있다. 100℃ 이상의 물을 생산하는 집열시스템으로 흡수식 냉동기의 재생열 공급을 담당하며 태양열이 강할 때 냉방부하도 최대가 되기 때문에 부하와 생산량의 밸런싱이 좋은 장점이 있다.

시스템고효율화는 입력에너지를 최소화함으로써 실내부하를 저감하고 부하대응 효율을 높이는 것으로 고효율장비 및 기기, 고온냉방 및 저온난방 등 기술이 해당한다. 또한 반송동력을 저감하기 위해 공기보다 물을 사용하고 수요추종 운전, 대기전력 차단시스템 등을 활용할 수 있다.

입력에너지를 줄이기 위한 방안으로는 단열성능 강화, 차양장치 설치 등 건축계획에 의한 방법이 있으며 공조방식에서는 공기의 혼합손실을 최소화하기 위해 저속치환공조, 복사냉난방 등을 활용할 수 있다. 거주역공조를 위한 바닥공조, 부분부하 대응을 위한 분산공조 및 변풍량 시스템도 입력에너지를 줄이는 공조방식이다. 열원장비의 입력에너지절감을 위해서는 고온냉방·저온난방, 바닥공조 시 취출온도 상향공급, 냉각탑의 용량증대 및 고효율장비선정 등으로 장비의 COP를 높이는 방안이 있다.

반송동력을 줄이기 위해서는 냉·온수 대온도차 적용, 저온공조시스템, 중앙공조방식 등으로 펌프동력을 줄이거나 급·환기온도차 증대, 층별·분산공조방식으로 송풍기의 동력을 절감할 수 있다. 또한 적절한 공조조닝으로 배관 및 덕트길이를 최소화하고 관로 내 정점저감을 위해 동력을 감소시키는 등 이송거리에 따른 손실을 최소화할 수 있다.

배기열 회수방식으로는 공조기·배기유닛에서 전열·현열교환기 및 히트파이프 방식을 활용하고 있다. 특히 외기처리전담공조기(DOAS)와 배열회수시스템은 외기만을 처리하는 100% 전외기 공조방식으로 재실공간에 외기를 공급하고 잠열도 제어한다. 현열부하는 VAV시스템, 팬코일, 칠드빔 등을 통해 제거한다.

기존 VAV시스템에는 부하가 감소하면 풍량이 줄고 외기도입량도 줄어 환기량이 부족하게 되지만 DOAS를 적용해 문제점을 해결할 수 있으며 전열교환기 등을 배열회수에도 유지시킬 수 있다.

자동제어 및 운영관리도 에너지절감에 유효한 요소다. 기술개발에 따른 스마트화가 진행될수록 BAS 관제실이 단순해질 수 있으며 수요추종제어 등 부분부하 운전로직을 통해 에너지절감을 달성할 수 있다.

수요추종제어는 △재실자가 없는 시간 동안 다음 날 부하를 줄이기 위해 최소한의 냉난방 출력으로 실내온도를 유지하는 ‘Setback’ 제어 △외기상태, 실내부하량 등이 피크보다 줄었을 때 설정 실내·취출온도 등 목표점을 완화시켜 장비부하를 줄이는 ‘Reset’제어 △CO₂ 센서에 의해 실시간으로 실내 필요환기량을 계산해 필요한 만큼만 외기량을 도입하는 ‘Demand Controlled Ventilation’ 등이 있다.

특히 자동제어는 건물·설비가 통합운전해야 실효성을 발휘할 수 있다. 문제는 에너지소비의 불확실성에 따라 운전 최적화를 위해 고려해야 할 변수가 너무 많다는 점이다. 다만 정보처리속도의 가속화, IT기술의 활용, 디바이스의 발달, 빅데이터 및 AI의 활용 등으로 개선될 여지가 크다.

성능검증으로 신재생E 규제강화 취지 부응
이어 연창근 한일엠이씨 사장은 ‘신재생에너지 성능 검증기법’을 통해 신·재생에너지 설치의무비율 강화 등 규제강화의 취지에 맞춰 온실가스 배출감소확인을 위한 시스템 성능검증의 필요성과 방법을 강조했다.

성능검증의 목적은 설계의도대로의 성능확인, 에너지절감 및 온실가스 감소, 쾌적성 향상, 시스템보완 등을 위해 시행된다. 성능검증 및 보완을 위해 커미셔닝을 실시함으로써 일반건축물에서 10~20%의 에너지절약효과를 도출할 수 있어 신규건축물의 경우 4년이면 성능검증에 따른 투자비를 회수할 수 있다.

이를 위해서는 토탈커미셔닝이 필요하다. 설계·기획, 시공·시험, 준공단계 등 전과정의 커미셔닝에 TAB, 신뢰성테스트를 포함하는 개념으로 이를 통해 성능검증 및 보완이 가능하다.

설계단계에서는 설계도서·운영절차서·동작설명서 검토 및 커미셔닝 계획서 작성 등이 이뤄지며 시공단계에서는 체크리스트 양식 작성, 현장장비 검증, 현장설치 점검, 개별장비 시운전 등이 이뤄진다. 시험단계에서는 시공 중 커미셔닝계획 수립, 자동제어 접점 확인, TAB 및 신뢰성 태스트, CFD 시뮬레이션 등이 진행되며 준공 및 운영단계에서는 기능 및 성능확인 시험, 종합시운전, 운영자 매뉴얼작성 및 교육 등이 수행된다.

신재생에너지 성능검증 기법은 크게 지열·태양광·연료전지 등으로 나눌 수 있다. 지열시스템 성능검증을 위해서는 △지중열교환기 열전도테스트 △설계값·계측값의 비교 및 COP산출을 통한 시스템 냉난방성능 검증 △자동제어시스템 동작성능평가 등을 이용할 수 있다.

태양광발전설비의 성능검증은 △개방전압(VOC) 측정 △직류회로 절연저항 측정 △제어회로 및 경보장치 시험 △전력조절부 스위치 자동·수동 절체시험 △역방향운전 제어시험 △단독운전 방지시험 △전력변환장지 자동·수동 절체시험 △충전기능 시험 △절연내력 시험 △절연저항 측정 등으로 가능하다.

연료전지의 경우 △설비를 일정시간 가동해 설치용량·출력용량을 비교 및 확인하는 가동시험 △계전기 연동, 제어경보 작동, 스위치 및 인버터 절체 등 보호장치 시험 △소프트웨어 작동을 통해 경보표시 또는 트립여부를 확인하는 경보 및 비상정지 시험 △모듈의 절연내력·절연저항·접지저항 등을 검증하는 절연성능 시험 등으로 성능을 검증할 수 있다.

이어 홍민호 한일엠이씨 전무는 ‘저에너지 설비시스템 구축사례’ 발표를 통해 △아모레퍼시픽 사옥 △‘K’연구소 등의 설비시스템을 소개했다.

아모레퍼시픽 사옥은 서울 용산구에 위치한 연면적 18만8,723㎡의 업무·판매·관람집회시설로 친환경건축계획부문에서 △친환경외피 △자연채광 △자연환기 △옥상녹화 등 요소가 적용됐다.

설비는 △지열냉난방 △태양광발전 △태양열급탕 △빙축열시스템 △바닥공조시스템 △고효율 보일러·냉동기·펌프·송풍기·밸런싱밸브·전열교환기 △BEMS △중수·우수시스템 △인버터제어 전기설비 △LED조명 △ESS △전력회생형 엘리베이터 △고효율 무정전 전원장치 등이 도입됐다.

K연구소는 실험시설로 연구시설별 특성을 고려한 환경부하 저감, 에너지절감, 쾌적성확보가 이뤄졌다. 공조기는 지하기계실에 집중배치하고 전층통합 공조방식을 적용했다. 특히 실험실의 공조방식은 전체 공기를 전외기공조로 하고 압력독립형 직동식 VAV시스템을 통해 실시간 차압을 유지하고 에너지낭비를 방지한다.

또한 업무·부대시설의 경우에는 열원시스템의 엑서지(Exergy)를 저감하기 위해 지열을 이용한 바닥복사냉난방, 칠드빔 등 고온냉수·저온온수 시스템을 적용했다. 공조방식은 AHU, ACU, FCU 등을 모두 활용한다.