최근 정부가 목표로 설정한 온실가스 감축목표에 도달하기 위해 많은 노력들이 이뤄지고 있다. 이의 일환으로 정부는 건물에너지절감을 위해 제로에너지하우스 의무화, 에너지사용기기 고효율 인증 등 다양한 에너지절감 추진계획을 세우고 업계의 동참을 요구하고 있다.
눈에 보이는 건물외벽의 단열, 설비의 고효율화 등 에너지사용에 대한 기준은 강화되고 있지만 정작 눈에 잘 띄지 않는 곳의 에너지절감에는 관심과 연구가 부족한 실정이다.
우리가 살고 있는 공동주택의 기계실이 그렇다. 특히 지역난방을 사용하고 있는 공동주택 기계실의 자동제어시스템은 플랜트나 대형 건축물 등 범용으로 사용되는 시스템을 적용하고 있기 때문에 불필요한 고기능, 에너지알고리즘 부족, 높은 가격 등의 문제가 발생한다.
또한 지역난방에서 공동주택까지 연결하는 1차측 배관은 높은 단열성으로 열손실을 최소화하고 있지만 정작 공동주택 기계실에서 각 세대까지 이어지는 배관은 단열성이 부족해 에너지누출이 심각한 상황이다.
이에 따라 지역난방공사 중앙연구원은 제4차 집단에너지 공급 기본계획 및 지역난방 국민행복추진단 제도개선 종합계획의 사용자설비 체계적·효율적 관리강화 방침에 따라 자동제어시스템 및 배관 단열 강화에 관한 연구를 실시했다.
이번 연구는 2015년 3월부터 2016년 9월까지 2차측 공동주택 기계실의 에너지절감 및 국산화 필요성에 따라 자동제어시스템 및 배관을 개발, 용인 금화마을 600여세대에 시범사업을 실시 중에 있다.
자동제어시스템 국산화
기존대비 1/3 가격
‘사용자시설 자동제어시스템’은 외기온도에 따른 2차측 난방·급탕 공급온도를 자동으로 제어하기 위한 장치로써 연산부(DDC), 검출부(센서류), 구동부(밸브류)로 구성돼 있다.
국내 지역난방을 사용하고 있는 6,000여개 공동주택 기계실의 자동제어시스템 중 약 90%가 외국제품을 사용하고 있지만 고가의 유지보수비 때문에 고장이 나더라도 그대로 방치되고 있는 문제가 발생하고 있다.
또한 자동제어시스템 고장에 따른 지역난방측의 회수온도 상승으로 1℃당 CHP발전출력이 0.04% 감소하고 연손실은 1.5%씩 증가해 불필요한 비용이 발생하게 된다. 특히 기계실의 고장 원인 중 전체의 81%가 자동제어기기에 관련돼 있어 개선이 시급한 상황이다.
기존 시스템은 범용성에 초점을 맞춰 개발됐기 때문에 지역난방이라는 틀에 최적화된 상태가 아니다. 이번 자동화시스템 개발은 지역난방 사용자들의 편리성과 유지관리 환경에 최적화한 시스템이라는 점에 의미가 크다.
기존 시스템은 플랜트나 건물 등 범용 시스템을 사용하다보니 덩치는 큰데도 불구하고 사용되는 기능은 한정돼있다. 이번 연구에서는 공동주택 기계실 전용으로 에너지절약 알고리즘이 많이 적용돼 있고 고장을 진단하는 부분 역시 세세하게 프로그램화돼 있다.
특히 6,000만원을 호가하는 외산제품의 가격을 1/3 수준으로 낮춰 사용자측의 가격부담을 덜어주고 지역난방에 최적화된 에너지알고리즘을 적용, 1,000세대 공동주택기준으로 연간 4,000만원의 에너지비용 절감이 가능하다.
관리자들이 사용하기 편리하게 만들었고 고장이 나더라도 금새 어느 부분에 문제가 있는지를 파악할 수 있다. 국내 업체에서 제작하기 때문에 A/S도 빠르다는 장점이 있다.
현재 지역난방을 사용하는 공동주택과 다른 열사업자 이용자를 포함하면 전국 1만2,000개 기계실 2,400억원 시장이다. 자동제어시스템 국산화에 따른 신축 및 리모델링 시장에서 국내 중소기업 발전이 기대된다.
2차측 배관 열손실 최소화
지역난방을 보낸 열이 1차 배관을 타고 아파트 기계실에 도착하면 기계실에서는 각 세대까지 연결돼 있는 난방·급탕배관으로 온수를 올려보낸다. 이 배관에서 열이 누출되지 않게 단열이 필요한데 현재는 폴리에틸렌, 글라스울, 고무발포 등 다양한 재질을 이용해 배관을 감싸며 보온을 하고 있다.
지역난방공사는 경질우레탄을 이용해 기존 소재보다 단열성 및 난연성 측면에서 우수한 배관 보온용 단열재를 개발했다. 경질우레탄은 0.018~0.024W/mK의 열전도율로 유·무기 단열재 중 단열효과가 가장 우수한 재질로 타 재질대비 보온두께를 감소할 수 있고 동일두께 적용 시 열손실 감소효과가 탁월하다. 또한 난연성이 우수해 건축기계설비공사 표준시방서의 ‘보온재료의 화재안전성능’을 만족하고 있다.
특히 기계적 강도가 높고 시공성이 우수해 플랜트 및 설비공사에 적합하며 유지보수가 간단하다는 특징이 있다. 경질우레탄은 2009년부터 건축물 외벽단열재로 사용돼 단열 및 난연측면에서 우수성을 인정받았다. 제로에너지하우스와 관련해 국토부가 패시브요소인 단열기준강화에 따라 건물 외벽에 먼저 적용된 것을 배관 보온재분야에 응용시켰다.
지난해 용인 금화마을에 시범적으로 도입한 결과 전용면적 85m² 세대의 연간 난방비를 100만원이라고 가정했을 경우 약 100세대당 500만원을 절감시킬 수 있는 것으로 나타났다. 설치비용은 기존대비 160~200% 수준이지만 열손실률이 기존대비 60%가량 낮기 때문에 3년이면 투자비 차액을 회수할 수 있다.
한 번 설치하면 배관 교체시기까지 사용할 수 있으므로 20년 이상 사용한다는 것을 감안하면 장기적으로는 이득을 가져다주는 셈이다.
IoT 열수요 통합관리로 발전
이번 연구개발과제는 지역난방공사에서 추진하고 있는 또다른 프로젝트인 ‘IoT 열수요 통합관리 시스템’ 연구에 접목될 전망이다.
전국 6,000여개의 공동주택 기계실에서 생산된 데이터들을 중앙서버로 보내 효율적으로 관리하는 것으로 △기계실 설비의 고장진단 및 예측 △실시간 운전효율 정보 △최적 운전정보 △월간 사용량 및 요금정보 △최적난방을 위한 제어정보 △세대설비의 고장진단 및 정보 등을 모바일을 통해 제공할 방침이다.
현재는 기계실에서만 운용되는 프로그램이지만 이렇게 쌓인 빅데이터들을 중앙서버에서 분석해 에너지사용에 대한 부분을 더욱 효율적으로 개선하는 데에 사용될 예정으로 내년 하반기까지 연구가 진행된다.
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