대한설비설계협회(회장 변운섭)는 최근 서울 동작구 사당동에 위치한 한국엔지니어링협회 대강당에서 ‘2023 동계 최신 설계기술 세미나’를 개최했다고 밝혔다.
변운섭 설비설계협회 회장을 비롯해 회원 70여명이 참석한 이날 세미나에서는 △냉방 응축열 회수 히트펌프 활용 지중열원 설계 최적화 기법(유병기 유천써모텍 상무) △서울시 지열시스템 현황조사 및 보급 활성화(최명덕 에스엠ENG 대표) △서울시 재건축 재개발 공동주택 대상 지열적용 활성화 방안(류성우 우원엠엔이 선임연구원) △수축열(복합열원) 에너지절약 냉난방 절감방안(김인식 공항시설관리 상무) △대규모 복합리조트 기계설비 설계사례(이학수 융도엔지니어링 본부장) 등이 발표했다.
변운섭 회장은 개회사를 통해 “지난 4년간 설비설계협회 회장을 맡아 코로나 등 악조건 속에서도 4년을 견뎌낼 수 있었는데 차기 회장이 인선됨으로써 설비설계협회를 새롭게 이끌어갈 때가 된 것 같다”라며 “4년간 회장직을 역임하며 이러한 특별 세미나를 8번 시행하면서 설비설계업계의 새로운 기술이나 설계사례 등을 공유할 수 있었으며 임기 중 기계설비법이 개정되고 있는 분위기를 만들어냈다”고 소회를 밝혔다.
난방 시 채열량 증가로 천공수 감소 유도
유병기 유천써모텍 상무는 ‘냉방 응축열 회수 히트펌프 활용 지중열원 설계 최적화기법’을 주제로 연구결과를 발표했다.
유병기 상무는 지중열교환기의 천공수를 최소화할 수 있는 시스템에 대해 설명하는데 발표의 초점을 맞췄다.
지중 열원 히트펌프의 지중열원에 대한 상태를 이상적인 운전조건과 실제 운전조건을 두고 비교했다. 이상적인 지중열원 조건, 즉 설계조건에서는 보통 냉방 시 지중온도는 약 30℃, 난방 시 지중온도는 5℃를 기준으로 삼고 있다.
이러한 조건에서는 지중방열과 지중채열, 이러한 방열과 채열 사이에 밸런스가 유지되면서 지중열교환기 수량은 최적화가 될 수 있는 케이스가 먼저 소개됐다.
그러나 실제 냉방운전 시 지중온도가 30℃가 가능하지만 채열량보다 훨씬 더 크기 때문에 불균형이 발생되면서 지중열교환기 수량은 상당히 과다하게 설계되는 문제가 있다.
여기서 지중열원의 방열과 채열에 대한 불균형의 원인을 살펴보면 부하의 불균형, 즉 건물에서 냉방 부하가 난방부하보다 훨씬 더 크다. 최근 제로에너지건축물(ZEB)에서 건축의 패시브 기법이 상당히 발전되면서 냉난방 부하에 대한 밸런스는 심화되고 있다.
또한 히트펌프의 압축기 연장에 대한 효과측면에서는 냉방운전 시 압축기 동력이 지중 공식열로 지중에 방열되고 있지만 난방 시에 압축기 동력만큼 차단된 난방 부하에서 압축기 동력이 차단된 만큼만 채열을 하고 있다. 이러한 이유로 기중의 채열과 방열에 대한 불균형이 상당히 심해지고 있다.
신재생에너지 1,000kW를 기준으로 했을 때 첫 번째 케이스는 200m를 기준으로 냉방이 1,000kW, 난방이 600kW인 경우 천공수가 약 88공이라고 도출됐다. 두 번째 케이스에서는 냉방은 동일하게 1,000kW를 유지하고 난방에 급탕을 추가했을 경우 급탕을 600kW에서 1,000kW로 증가시켰을 때 천공수는 약 4공이 줄어 84공인 반면에 세 번째 케이스에서 인위적으로 냉방을 800kW으로 줄이고 난방과 급탕을 1,000kW으로 유지했을 때 천공수는 65공이라는 결과를 얻어냈다.
이러한 방식으로 천공수가 변화하는 이유는 첫 번째 케이스에서는 냉방이 1,000kW 난방이 600kW인 경우로 앞쪽의 동력은 냉방 시에는 약 200kW 정도가 지중에 방열되며 난방 시에는 150kW 수준의 채열을 대신하고 있다.
이에 따라 냉방 1,000kW, 난방 600kW이라는 조건에서는 지중열 1,200kW가 방열이 되는 반면 지중채열은 450kW가량만 채열을 한다는 결과를 얻어낼 수 있었다. 이로 인해 균형이 떨어지며 지중열교환기의 천공수가 88공이라는 결과가 나왔다.
두 번째 케이스에서는 냉방을 1,000kW을 유지하고 급탕을 추가해 난방과 급탕을 1,000kW를 동일하게 형성했을 경우 지중방열은 동일하게 1,200kW, 지중채열은 750kW을 만들어 채열량이 약간 상승하면서 지중열교환기의 천공수가 84공으로 줄어들었다.
세 번째 케이스의 경우 난방은 그대로 유지할 경우 기존 방열량은 960kW, 채열량은 750kW로 설정해 어느 정도 방열과 채열에 대한 밸런스가 유지되면서 지중열교환기의 천공수는 65공으로 급감하는 것을 확인할 수 있었다.
문제는 하절기 냉방 시 지중에 방열되는 열량이 문제로써 해당 열량을 줄이기 위한 기술을 고려했다. 즉 하절기 냉방 시 지중방열되는 응축열량을 감소하는 기법을 냉방 응축열을 분산방열 또는 고온으로 회수해 활용하는 방법을 검토했다.
히트펌프 용량 1,000kW, 응축열량 1,200kW로 설정하면 복합열원 방열 240kW를 분산방열이나 응축열의 재이용 등의 방법으로 응축열을 흡수하고 지중에는 약 960kW의 열량만 지중방열할 시 지중열원 기반 히트펌프는 1,000kW에서 800kW로 감소되는 효과를 기대할 수 있다.
지중방열되는 응축열 절감기술 중 냉방응축열의 분산 방열이 있다. 즉 냉각탑과 지중방열 하이브리드시스템을 적용했다.
응축기 설계온도를 약 37℃까지 상승시킨 후 32℃까지 열을 냉각탑으로 방열한다. 이후 32℃에서 25℃를 지중방열하게 되면 냉방 COP는 약 4.8, 지중열원 전용으로 운전했을 경우 5.0에 비해 약 0.2가 저하되지만 응축열을 분산방열함으로써 상당 부분 열기를 절감할 수 있는 기술이 된다.
두 번째 경우로 냉방 시에도 급탕부하가 발생하는 경우에 적용할 수 있는 기술이 소개됐다. 해수온도를 60℃까지 상승시켜 급탕을 가열해 모든 열을 지중에 방열하지 않고 급탕으로 100% 회수하는 기술이다.
성충화 기술을 활용해 냉매의 보건회수와 냉매 과냉각기술을 적용했을 때 냉방 COP는 약 4.5로 지중열원 COP인 5.0에 비해 크게 저하되지 않는다. 냉방과 급탕을 합한 PER은 약 9.2로써 시스템 COP는 상당부분 개선되는 것을 확인했다.
세 번째로 소개된 기술은 냉방 응축열을 고온으로 회수해 데시컨트를 재생하는 시스템을 구현한 것이었다.
냉방 응축열을 65℃까지 고온으로 승온하고 65℃에서 40℃까지는 데시컨트를 통해 재생을 하면 이중 60% 가량을 데시컨트 재생열을 활용할 수 있다. 40℃에서 25℃까지 40℃ 온도의 열을 지중방열하는 시스템이다.
냉방시스템의 COP는 추정 COP가 약 5.6으로써 이중 지중열원을 40%만 사용함으로써 지중열을 100% 사용하는 것보다 오히려 COP를 높게 낼 수 있다는 결론을 도출했다.
물론 응축온도가 65℃까지 올렸는데 COP가 올라갈 수 있는지 의문이 들 수 있다. 히트펌프 COP가 개선된 것이 아니라 냉방시스템 COP가 개선된 부분이기 때문에 공기선도를 통해 해석될 수 있다.
냉각 재해석시스템은 외기를 전외기방식을 고려해 외기가 냉각제습되는 일반적인 시스템으로서 히트펌프 송풍량을 1만kg/h로 설정했을 때 히트펌프의 냉각열량은 98kW다. 이때 히트펌프 COP는 약 5.0이기에 압축기 동력은 19.6kW가 소요되며 이중 약 118kW의 응축열을 방열하게 된다.
데시컨트 냉각제습의 경우 응축열을 이용해 데시컨트 제습기로 응축열을 방열하게 된다. 그러면 외기는 가열된 후 재생을 거쳐 배기된다. 프로세스 라인에서는 데시컨트에서 흡착 제습이 이뤄지며 평균 공기온도가 제습되며 현열온도가 약 40%까지 상승, 건조되면서 흡착력에 의해 공기온도가 상승한다.
40℃까지 상승된 현열을 기열을 이용해 1차적으로 프리쿨링을 한다. 그러면 약 40℃의 공기에서 약 30℃까지 프리쿨링되며 이 30℃에서 지열히트펌프의 냉방 부위를 활용해 냉각제습하는 시스템이다.
이러한 시스템에서는 지열 프리쿨링으로 약 28kW를 지열로 프리쿨링한다. 히트펌프로는 약 70kW만을 히트펌프로 냉각하기 때문에 히트펌프 COP를 4.0으로 설정했을 때 히트펌프의 냉각된 총 열량을 환산했을 경우 COP가 약 5.6으로써 압축기 농도는 17.5kW 소비되며 이때 지중방열은 약 71kW부터 60%정도만 지중에 방열되는 기술이다.
동절기에는 지중에 채열량을 정렬해야 한다. 난방에서 일반적으로 지중열원만을 활용하고 있는데 급탕을 추가시켜 난방이 600kW, 급탕을 400kW가 추가되면 일반시스템에서 600kW에서 1,000kW까지 히트펌프를 난방 시에도 활용할 수 있다.
다만 일반적으로 히트펌프를 활용해 60℃ 온도에서 급탕을 시도하면 COP가 상당히 저하된다. 이때 성충화 급탕조를 활용하면 냉매의 과냉각효과를 통해 10℃에서 60℃까지 급탕을 가열하는데 테스트한 성적서를 참고하면 급탕 COP 4.94로 보일러대비 우수한 에너지효용성을 확인할 수 있었다.
유병기 상무는 “지중열원의 방열과 채열의 균형을 유지했을 경우 일반시스템에서는 냉방 시 지중방열이 난방 시 지중채열량보다 월등히 크게 나타나고 있다”라며 “이러한 부분을 분산방열이나 응축열 회수를 통해 지중에 방열되는 열량을 줄이고 난방 시 급탕을 지중열원으로 활용함으로써 난방 시 채열량을 늘리게 되면 냉방 시 지중방열과 난방, 동절기에 채열량이 균형이 유지되며 천공수를 최소화시키고 지열에서 가장 문제가 되는 천공수를 절감할 수 있는 기술로 고려할 수 있다”고 밝혔다.
개방형 지열시스템 성능 개선 필요최명덕 에스엠ENG 대표는 ‘서울시 지열시스템 현황조사 및 보급 활성화’를 주제로 발표를 이어갔다. 발표는 서울시에서 용역을 수주해 얻은 결과를 산‧학‧연 등이 공동으로 수행한 내용을 요약, 발표해 진행됐다.
용역은 지열 전문가들과 회의를 3차에 걸쳐 진행됐으며 지난 2020년부터 지난해까지 현황 분석된 서울시에 위치한 지열 관련현장 427곳 중 12개 현장에 대해 사내조사, 유지관리 사례조사(VOC)를 수행했다. 이중 경제성 평가와 효과분석을 진행은 물론 지열과 연계된 행정‧제도에 대한 분석을 통해 지열 활성화 방안에 대해 검토했다. 특히 지열냉난방시스템에 대한 최적화 운영과 보급 방법에 대해서도 논의됐다.
서울시 지열보급현황의 경우 2004년부터 서울시에 지열을 공급했으며 지난해까지 약 427개소 현장에서 이중에서 지열 전체용량을 보면 261.6MW, 2020년 기준 270MW 정도다. 지역 총 용량 중에서 민간과 공공을 분류하면 공공이 많다는 것을 알 수 있다.
민간이 약 12만3,782kW, 공공이 13만7,831kW 등으로 분포돼 있으며 학교가 변수가 될 수 있는데 학교를 민간의 영역으로 보게될 경우 민간의 설치건수가 공공의 설치건수를 넘어서게 된다. 설치용량은 민간이 680kW 정도 더 높게 측정된다.
특히 2004년부터 2022년까지 지열설치건수는 어느 시점까지 상승하다가 감소하는 것을 알 수 있는데 2016년을 기점으로 큰 폭으로 상승한다. 이에 대한 분석결과 2017년 경주 지진을 계기로 당시 지진이 지열발전의 영향으로 일어났다는 당시 언론의 보도가 있었던 것으로 밝혀졌다.
이에 따라 ‘지열’이 언급된 발전방식으로 인해 지열 냉난방이 영향을 받아 전반적으로 신재생에너지 설치보급은 총량이 정해져 있어 지열용량이 축소되고 태양광이나 연료전지가 확대되는 경향을 보였다. 이로 인해 2017년을 기점으로 지열 보급량이 낮아지는 것을 알 수 있다.
현장조사는 12개 현장 가운데 용산에 위치한 화장품 제조기업으로 이 현장을 비롯해 중앙차량기지 등 12개 현장을 검토하기 위해 VOC를 실시했다. 그 결과 공공 5곳과 민간 7곳 중에서 정성적 평가를 했을 때 약간 좀 우수하다고 하는 현장은 6곳이었으며 양호가 3건, 미흡이 2건, 기타 시운전을 진행하고 있는 현장이 1곳으로 집계됐다.
최명덕 대표는 “이러한 결과를 살펴봤을 때 미흡한 점이 있다고 생각한다”라며 “결과를 분석한 내용을 보면 지열은 넓은 공간이 필요하며 어느 현장에서는 에너지가 많이 투입된다는 언급도 있었다”고 말했다.
이어 “에너지비용이 많이 드는 것에 대해 해당 현장이 2000년도 초기에 검토한 현장으로 현장들이 간절기에도 지열순환펌프들이 대형화되면서 간절기의 대형펌프들이 운전하게 되면 어떠한 에너지원보다도 에너지가 실질적으로 많이 증가한다고 생각한다”고 덧붙였다.
냉난방의 쾌적성 중 난방 쾌적성을 보일러와 비교하는 경우가 많다. 사용자 입장에서 보일러는 높은 온도에서 우리나라와 같은 온돌문화에서는 지열을 적용했을 때 지열이 온도가 약간 낮다고 생각하는 의견이 있을 수 있다.
지열도 이제 45℃가 아닌 60℃로 공급하며 최근 저온난방을 하는 추세다 보니 지열도 난방을 하는 부분에서 설명을 통해 풀어나갈 인지 부족이 존재한다.
지열공급 시 운전이 복잡하게 인식되는 경우에 대해서도 지열시스템이 아닌 EHP(전기히트펌프) 등에 비해 구성품이 많다. 이러한 부분은 정기적인 교육이나 매뉴얼 등을 통해 개선하는 방향을 검토하고 있다. 다만 현재 공사비가 높은 부분은 해결하기 어려운 것이 사실이다.
운영 및 유지관리 관련 이슈와 기축건물에도 지열이 설치돼 있는데 지열이 설치돼 있지 않은 장소도 기축건물을 대상으로 설치할 방법도 제시된 것으로 알려졌다.
기축건물에 설치돼 있는 지열과 다른 냉난방 장비와의 기저부하를 변경해 에너지를 절감하는 부분도 언급된 것으로 밝혀졌다.
한방병원을 운영하고 있는 서울 소재의 한 대학의 경우 흡수실과 지열이 같이 설치돼 있었으며 흡수식이 설치된 것은 산업부의 중앙집중 주간냉방대비 60% 이상 사용에 대한 요건으로 설치됐다. 초기에는 흡수식을 사용했으나 흡수식을 기저부하로 두고 지열을 간헐부하로 사용하다가 2000년대 이후 지열을 기저부하로 변경했다.
제어를 변경한 이후 나타난 효과는 2000년도 가스비용과 2001년도 가스비용이 초기에 1억3,600만원이었던 가스비가 2,900만원 수준으로 절약됐으며 전기료도 감축됐다.
2000년 6월 공사를 통해 일부 변경하는데 전환밸브를 자동으로 변경하면서 전환을 편하게 했으며 일부 설비를 추가해 연간 1억원 가량 절감하는 시스템으로 구성한다.
이에 대한 효과를 지열과 EHP를 대상으로 동결식과 흡수식으로 비교했다. 동일용량대비 초기 지열 투자비는 약 10억원이었던 반면 공기열원 EHP가 약 4억6,000만원 가량을 기록했다. 흡수식이 약 6억원의 비용이 투입됐다.
생애주기비용(LCC)분석을 한 결과 흡수식은 3.4년, EHP는 11.3년 등으로 도출됐다. 이에 따른 온실가스 저감량도 지열이 흡수식 냉온수기대비 한 90%가 절감되며 공기열원 EHP대비 약 40% 가량 절약되는 효과를 볼 수 있었다. 지열이용에 대한 쾌적성 측면도 실사용자들을 중심으로 확인한 결과 큰 문제가 없는 것으로 나타났다.
지열에 대한 행정제도는 국내는 전기파트를 관장하고 있는 RPS(일정규모(500MW) 이상의 발전사업자(공급의무자)에게 총 발전량의 일정비율(공급의무량) 이상을 신재생에너지를 이용해 공급토록 의무화한 제도)라고 하는 제도가 있다. 열과 관련 RHO(신재생열에너지 공급의무화 제도)와 RHI(화석연료를 활용해 생산되는 열에 비해 경제성이 떨어지는 신재생열 생산에 대해 재정을 지원함으로써 생산비용의 차액을 보조하는 제도) 등으로 분류되는데 이 두 제도 모두 계획은 돼 있으나 아직 법제화되지 않고 있다.
현재 건물에너지원으로 열을 사용하고 있는 비율이 60~70% 가량임을 감안해 법제화나 인센티브 등을 제공하는 것을 대안으로 검토했다.
녹색건축법에 따른 제로에너지건물의 에너지자립률을 검토하기 위해 반드시 ECO2 프로그램을 운영해야 한다. 국내는 NDC(국가 온실가스 감축목표)를 고려할 때 2030년까지 건물부문에서 3,500만톤을 감축해야 한다.
여러 감축목표 중 건물부문에서 냉난방이 차지하는 비율은 약 8%가량이며 정부는 2030년까지 어떠한 부분을 감축해야 하는지 등을 내용으로 하는 가이드라인을 발표했다. 이 가이드라인에서 가장 큰 핵심은 에너지효율을 향상하는 것으로 고효율 DB를 보급하는 것과 스마트에너지 관리, 청정에너지 보급 등을 주요 내용으로 다루고 있다. 에너지효율향상과 관련해 ZEB가 올해 기준이 보다 강화돼 시행되고 있다.
가이드라인을 실현하기 위해 서울시와 협의한 내용도 공개됐다. 서울시에 위치한 건물에 열이 얼마나 적용되고 있는지를 주거용과 비주거용으로 분류해 접근했을 때 주거용의 약 63% 이상 건물에서 열을 에너지원으로 사용하고 있다.
전기는 약 37% 수준으로써 RPS를 통해 측정과 관리 등이 수월해 열에너지분야도 RHO나 RHI 등을 통해 관리해 향후 NDC 기준으로 탄소저감 방법을 채택하기를 제시했다.
RHI와 관련된 부분도 강조됐다. 전통연료 사용량대비 재생에너지를 사용했을 때 이에 따른 인센티브와 보조금을 지원하는 것도 기획을 통해 검토하고 있다. 이와 함께 영국이나 독일 등 해외사례도 참고하는 것도 염두에 둔 것으로 알려졌다.
녹색건축법에 따른 에너지자립률을 실현하기 위해 설계파트 등은 반드시 ECO2를 통해 에너지자립률을 선정해 에너지등급을 의무적으로 20% 이상 적용하며 그에 따른 등급을 설정해 녹색건축법을 준수하도록 유도하는 방안도 제시됐다.
지열시스템을 구축을 최적화하는 방법에 있어 VOC를 통해 공간이나 에너지효율, 탄력성 등을 비롯해 운전이 복잡한 점 등에 대한 솔루션은 앞서 유병기 상무가 발표한 하이브리드시스템을 시울시청에 적용해 운영이 잘 되고 있는 것으로 나타났다.
난방과 부하에 대한 요건을 냉각탑이나 하이브리드시스템을 통해 천공수를 감소시키면 전체적인 공사비도 절감되고 에너지효율이 높아지는 부분에 대해 실례를 두고 검토한 적이 있다.
지열에는 밀폐형과 개방형으로 나누는데 개방형과 밀폐형의 면적 비율이 약 4배 가량 나며 밀폐형이 4배 더 많은 면적을 차지하며 개방형은 천공 깊이가 500m 정도이며 밀폐형은 약 150~200m 가량 된다.
최명덕 대표는 “열량도 개방형이 약 25~30RT 정도 된다면 밀폐형은 약 2.5~3.5RT 정도 되기에 향후 지열을 설치할 경우 이러한 점을 감안해 개방형 지열시스템의 성능개선을 통한 설치부지 축소 및 효율개선을 고려해야 한다”고 제시했다.
지열 기반 냉난방시스템‧ICT기술 기반 시스템 필요류성우 우원엠엔이 선임연구원은 ‘서울시 재건축 재개발 공동주택 대상 지열적용 활성화 방안’을 주제로 발표를 시작했다.
ZEB 의무화정책이 시행되는 시점에서 직면한 상황에서 LH가 ZEB 5등급을 부여한 부지 중 인천공단이나 과천지식정보센터 등은 현재 태양광 설치만으로도 5등급 인증취득이 가능한 사례다.
LH는 재개발지 등급별 로드맵을 수립했으며 ZEB 4등급 이상부터는 지열히트펌프를 적극적으로 활용해야 해당 등급을 달성할 수 있을 것으로 전망된다. 이에 따라 연료전지나 지열히트펌프 도입을 적극적을 고려할 수 밖에 없는 상황이다.
서울시의 재건축‧재개발정책이 현재 추진하는 신속‧통합 기획은 기본 계획 수립부터 정비구역 지정까지 기간을 단축하겠다는 것이 서울시의 의지이며 건축계획 심의부터 환경계획 심의까지 기간도 원래 3~4년 걸리던 것을 1년 내 끝내는 것을 의미하는 제도다.
서울시는 직접 참여해 지원함으로써 기간이 단축되는 사례를 중심으로 적극적으로 홍보하고 있다. LH의 매치 2030이라는 로드맵 수립 연구 보고서에 따르면 ZEB 3등급을 획득하기 위해 태양광뿐만 아니라 지열히트펌프를 냉난방용으로 활용하는 한편 지역난방을 급탕에 사용하는 사례를 소개하고 있다.
보고서에 따르면 지열만으로는 에너지자립률의 약 12.3%에서 시작해 이제 9.2% 수준을 확보했으며 단계적으로 ZEB 3등급 이상을 확보하며 에너지자립률 60% 이상을 확보하기 위해 지열이나 연료전지 등의 역할이 강화되는 점을 고려해야 된다는 것도 지적한다.
특히 공동주택 지열히트펌프 적용 활성화 방안이라는 남유진 교수 발표에 따르면 이러한 제로에너지시스템이 도입됐지만 실무 차원에서는 설계기준 표준화나 시공 매뉴얼 개발이 여전히 부족한 상황에서 지속적인 도입이 필요한 상황이며 지열 냉난방시스템 도입의 경우 초기 투자비가 높고 경제성 측면 등을 비롯해 충분히 검토된 자료들이 부족한 상황에서 필요성은 있으나 적용하기에는 막상 주저하게 되는 부분이 있으며 한계점 등도 검토해야 한다.
경제성의 경우 높은 투자비용이 시스템을 적용하는데 있어 가장 큰 걸림돌로 투자횟수 역시 불확실하다는 점도 남아있다. 건물주 입장에서는 부동산의 가치에 충분히 반영되지 않는다는 부분이 경제성부문에서 문제로 삼고 있으며 기술부문에서는 지열을 계획대로 시공할 수 있는 인력이 예전대비 보충됐지만 현재 부족하다는 것을 지속적으로 언급하고 있으며 설치나 설계에 대한 표준기술이 부족하는 것이 문제다.
소비자나 정책 결정권자들이 아직은 지열히트펌프에 대한 이해도가 낮기 때문에 이를 시장활성화하는 것에 있어 제약이 많으며 이에 따라 시장에서는 경쟁을 해야 하는데 충분한 경제성 검토자료가 풍부하지 않기 때문에 이것을 적용함에 있어 어려운 점이 해외에서 언급이 되고 있다.
국내의 경우 경제성, 냉방과 쾌적성, 유지관리비용 등 다양한 과제가 있지만 분산형 지열 지역 냉난방에너지시스템은 2003년도 미국 의회에서 38개주에 적용하는 사업을 시작으로 발전했으며 DOE(미국 에너지부)를 통해 강조되고 있다.
지열 기반 지역냉난방시스템은 2014년과 2018년에 걸쳐 보급된 사례에 따르면 프랑스는 2014년 46개 지역에서, 2018년 91개 지역으로 보급이 늘어나는 한편 독일에서는 25개 지역에서 73개 지역으로 확장됐다. 프랑스 파리에 있는 드골국제공항에서는 지열 기반 지역냉난방시스템을 도입해 공항 전체에 난방을 공급하는 시스템에 대해 홍보하고 있다.
또한 올해 지열 기반 지역냉난방시스템 관련 컨퍼런스에서는 중국에서의 관련시스템 도입으로 인한 변화에 주목했는데 중국에서는 지열 기반 지역냉난방시스템을 정부 주도로 적극적으로 시행하고 있다.
지열을 통해 지역의 냉난방을 공급하는 시스템에 대해 모니터링시스템을 구축하는 한편 각 건물에 대해 투입되는 인입온도 등을 중앙정부시스템을 통해 관리하고 있다. 이제 모니터링을 통해 각 공동주택에 공급하는 방법과 필요열량 등에 대해 꾸준히 체크하는 동시에 제어하는 것까지 중앙정부에서 운영하고 있다.
서울 역시 파리나 중국의 주요 도시 이상의 인프라를 감안할 때 이러한 시스템을 구축하기 충분하다. 시스템은 지중열을 통해 에너지를 생산하고 환수하는 시스템과 지열열교환기를 설치하며 백업설비 차원에서 보일러를 설치하면 된다.
열을 그리드를 통해 지역에 위치한 각 공동주택에서 공급할 수 있는 시스템 구축을 통해 시스템 구현이 가능하다. 이러한 시스템의 장점으로 지중열교환기를 별도로 건물별로 설치할 필요가 없다.
건물에너지라는 부분을 고려해 탄소배출에 있어서 운송에 이어 2번째로 많다. 특히 건물의 에너지사용량 60% 이상이 기계설비이기 때문에 중요도를 감안했을 때 기계설비설계분야가 신시장을 개척하는데 유리한 측면이 있다. 이로써 기존의 어떤 구조체를 플랫폼서비스를 통해 신시장에서 구현할 수 있다는 것이 류성우 선임연구원의 생각이다.
한국생산기술연구원이나 국가정보포털에서는 빅데이터플랫폼서비스를 계획하고 있으며 설계지원서비스를 통해 수주정보 파악, AI 기반 설계 시 활용 데이터 검색, 품샘대상 자동 선정 등의 서비스를 개발, 준비하고 있다.
류성우 선임연구원은 “직관적으로 통찰력있게 판단할 수 있는 기술자들이 살아남을 것으로 예상된다”라며 “AI 등을 활용해 사업성 검토를 비롯해 캐드파일로 완성된 부분을 자동 송출하는 시스템까지 실용화하기 위해 노력하고 있기 때문에 이러한 예측이 가능하다”고 말했다.
복합열원 기반 수축열 도입해야 김인식 공항시설관리 상무는 ‘수축열(복합열원) 에너지절약 냉난방 절감방안’을 주제로 발표했다.
지금까지 빙축열이나 수축열같은 경우 복합열원이라는 것을 듣는 건 생소하게 느껴질 수 있다. 이로 인해 공항시설관리는 한국전력공사의 인증을 지난 2016년에 끝마쳤다.
수축열 복합열원 타당성 개념에 따르면 에너지절약에 중점을 두고 심야 전기를 이용한 수축열 복합열원을 적용하며 여러 기기는 신재생에너지인 지열히트펌프를 적용하며 부족한 열원은 공기열원 히트펌프 및 냉동기를 적용한다.
또한 지열원히트펌프 의무화 대상 건축물에서 건축물이 극히 일부만 적용하며 나머지는 타 열원을 적용했으나 친환경 고효율 열원기기인 지열히트펌프를 활용해 수축열 복합열원을 구성하면 건축물의 100% 수준의 냉난방을 할 수 있으며 에너지비용을 획기적으로 절감할 수 있다.
일반 전기요금의 약 60% 수준으로 저렴한 요금으로 이용 가능한 심야전기 공장의 경우 심야전기 원 요금으로 에너지절약을 극대화할 수 있다.
신재생에너지 적용으로 친환경 건축물 이미지 구축과 국내 최고 에너지절약시스템 적용으로 건축물의 가치를 상승시킬 수 있다.
9시부터 18시까지 냉방을 할 경우 여러 기기 용량의 100%가 필요한데 축열시스템은 이 시간동안 여러 기기 용량의 40% 수준만 적용한다. 즉 60% 이상 에너지를 절감할 수 있으며 이에 비례해 전기용량도 60% 정도 절감이 가능하다.
지열 기반 열원기기는 경제성이 떨어져 설치를 권장하지 않지만 냉동기는 저렴하다. 효율도 높아 터보 냉동기의 경우 COP가 7 가까이 나오며 일반 냉동기의 경우도 COP가 5 정도 나온다. 초기 투자비가 저렴하면서 효율이 가장 높은 것이 냉동기다.
신재생에너지 의무 사용지역의 교통도 적용하고 부족한 냉난방으로는 공기열원, 냉방부하 크기가 큰 만큼은 냉동기 즉 냉각탑을 이용한 냉동기를 이용하면 초기 투자비용 절감도 가능하다.
대부분 심야전력기기는 단일 열원기기를 이용하나 수축열(복합열원)은 1개의 수축열조에 3가지 열원기기를 이용하며 한국전력공사 축냉설비 인정 열원기기는 지열히트펌프, 공기열원 히트펌프, 냉동기 등이다.
지열히트펌프는 대부분 일반전기를 적용했으나 수축열(복합열원)시스템 적용으로 효율적인 운영 및 운전비용 최소화 실현이 가능하다.
에너지비용의 경우 획기적으로 절감할 수 있으나 축열조 구성이 돼야 한다. 여기에 경제성과 효율성, 신재생에너지 의무달성 보충을 통해 의무사용량 지열히트펌프를 제외하면 타 수축열 히트펌프시스템이나 공기열원 히트펌프, 냉동기 등을 적용함으로써 초기 투자비용을 절감할 수 있다.
수축열(복합열원) 도입으로 인한 기대효과는 먼저 친환경 에너지절약 건축물에 있다. 신재생에너지인 지열히트펌프를 적용해 친환경 건축물 이미지를 구축하며 가스 및 기름을 사용하지 않으므로 매연 및 CO₂가 없는 건축물 이미지를 구축할 수 있다.
에너지절약측면도 무시할 수 없다. 지역난방과 흡수식 냉동기대비 냉난방에너지비용을 약 80% 절감할 수 있으며 관리비용 경감으로 건축물의 가치상승을 기대할 수 있다.
운전 형태의 경우 부분부하 운전 시 고효율 열원기기부터 우선 운전해 에너지비용을 극대화하며 효율이 가장 낮은 공기열원 히트펌프 운전을 최소화시켜 A/S비용 절감 및 수명연장이 가능해 보인다.
김인식 상무는 “지열히트펌프 및 냉동기 적용으로 공기열원 히트펌프대비 수명이 길며 추후 교체 시 공사비용 절감과 수축열조 에너지를 이용하므로 예열시간 단축 등으로 관리성과 편리성이 향상된다”라며 “에너지비용이 대폭 절감돼 건축물의 가치를 높여 분양에 활용할 수 있어 분양성도 우수하다”고 설명했다.
복합열원 실내공조시스템 구축 사례 소개 이학수 융도엔지니어링 본부장은 ‘대규모 복합리조트 기계설비 설계사례’를 주제로 발표했다.
인스파이어 리조트는 발주처인 모히건사가 동북아시아 최대규모인 단일 엔터테인먼트 리조트로 건립 중에 있으며 약 50만m² 부지에 1,275실의 5성급호텔, 1만5,000석의 슈퍼아레나, 9,500m²에 달하는 사계절 실내워터파크, 3만1,000m² 이상의 카지노에 1만2,000m²의 최신 컨퍼런스시설, 4만500m²의 쇼핑 및 레스토랑 공간으로 구성돼 있다.
이에 따라 인천공항이 문화와 비즈니스 산업이 결합된 하나의 공항복합도시로 거듭날 것으로 기대된다. 초기에는 Ove Arup의 계획설계와 국내사가 지역 법규검토 및 실시설계로 진행됐으나 설계변경으로 인해 기본 및 실시설계를 국내에서 진행했다.
일사량은 ASHRAE(미국냉동공조협회)에서 인용한대로 5월 한달간 직사광선과 산란광선을 결합한 맑은 하늘의 수평 일사량을 기준으로 인천 부지의 위도(37.4°N)에서 파생됐다.
인용된 값은 968W/m³으로 인접한 태양경로 다이어그램은 연중 다양한 계절의 태양경로를 보인다. IES(Intelligent Excavation System) 가상환경과 같은 열역학적 모델링 소프트웨어는 계획설계과정에서 다양한 인스파이어 건물의 태양열 이득을 평가하는데 사용됐다. 모델링은 다양한 건물 방향과 음영기능을 설명한다.
특히 기후분석 시 △외기 온‧습도를 고려한 자연환기 △외기냉방 실시 △우수 저장시설 적용 물 절약 및 홍수조절 기능 강화 △주 풍향을 고려한 오염원 배기 계획 등을 중심으로 계획했다.
기계설비시스템은 크게 냉방, 난방, 급탕으로 나눠 구성됐으며 냉방은 중온수 흡수식 냉동기를 이용한 냉방방식과 전기식 터보냉동기를 혼합했다. 난방은 지역난방 열원을 이용한 난방방식으로 비상시 대비 가스보일러를 설치했다. 급탕 역시 지역난방 열원 기반 급탕공급과 비상시를 대비해 가스보일러를 연계했다.
풀돔의 경우 풀돔과 놀이공간을 담당하는 공조기는 수영장 등의 왼쪽과 오른족에 있는 3층의 각 AHU(공기조화기) 룸에 제공했다. 결로방지를 위해 냉각제습 및 충분한 기류를 공급하고 성층부의 다습공기를 제거하도록 반영했다.
돔은 염소 기반 소독 및 기타 오염물질에 대한 설계기준에 따라 음압을 유지했다. 온수 복사바닥난방 배관을 설치해 편안함과 바닥건조를 도모하며 Spot Cooling을 위해 에어타워를 적절한 위치 배치하도록 계획했다.
아레나 공조시스템의 경우 덕트 복잡성을 최소화하며 편안한 공조환경을 유지했으며 경기장에 천장 공급공조시스템을 고안했다. 베리어블 트위스트 시위블 디퓨저와 스위블 디퓨저는 천정높이에 따라 설치했으며 긴 수직 공기전달 분배를 보장하는 천장 공급 베리어블 트위스트 스위블 디퓨저는 여름철에는 상부, 겨울철에는 하부로 공기 도달거리를 자동으로 조정할 수 있다.
이학수 본부장은 판매시설의 공용복도, 로비 등에 대한 공조에 대해 “VAV(Variable Air Volume) 공조기는 상가 대로 좌, 우측 3층 KR 공기조화기 룸에 제공했으며 상가대로 천장 높이 10m를 고려해 공급 및 환기에 사용되는 천장형 제트노즐 디퓨저 및 측벽형 디퓨저를 적용했다”라며 “충분한 투사길이를 유지하기 위해 제공했다”고 부연했다.
지중 열원 히트펌프의 지중열원에 대한 상태를 이상적인 운전조건과 실제 운전조건을 두고 비교했다. 이상적인 지중열원 조건, 즉 설계조건에서는 보통 냉방 시 지중온도는 약 30℃, 난방 시 지중온도는 5℃를 기준으로 삼고 있다. 
개방형 지열시스템 성능 개선 필요
지열 기반 냉난방시스템‧ICT기술 기반 시스템 필요
복합열원 기반 수축열 도입해야 
복합열원 실내공조시스템 구축 사례 소개 
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