세계적으로 빠르게 확산되고 있는 스마트시티에서 제로에너지빌딩(ZEB)이 에너지절감을 위한 핵심요소로 자리잡고 있는 상황에서 보다 효율적으로 ZEB를 구현할 수 있는 방안을 논의하는 자리가 마련됐다.

대한설비공학회(회장 홍희기) 에너지부문위원회(위원장 장기창)는 지난 11일 서울에 위치한 한국과학기술회관에서 ‘스마트시티 실현을 위한 ZEB의 최신동향’을 주제로 2018년도 학술강연회를 개최했다.

장기창 위원장은 인사말을 통해 ”스마트시티 실현을 위해서는 에너지를 가장 많이 소비하는 건물에서 스마트에너지구축이 필요하며 제로에너지건물을 통해 구현할 수 있다“라며 “새로운 성장기회로 대두되는 제로에너지건축물의 정보와 기술을 공유함으로써 설비인들이 창업아이디어와 신사업기회를 모색하는 자리가 되길 바란다”고 밝혔다.

주요 프로그램은 △스마트시티 인프라 구축방안(백남철 한국건설기술연구원 센터장) △ZEB 정책현황 및 추진방향(노만수 한국에너지공단 주임) △ZEB 구현을 위한 패시브 기술동향 및 적용사례(이응신 명지대 교수) △ZEB 구현을 위한 액티브 기술동향 및 적용사례(홍민호 한일엠이씨 전무) 등으로 구성됐다.

에너지산업 인프라, ‘규모의 경제’ 효과

백남철 센터장은 ‘스마트시티 인프라 구축방안’ 발표에서 “최근 도시화에 따른 기존인프라 수용력의 한계에 따라 전대미문의 도전이 지속적으로 증가할 것으로 전망된다”고 밝혔다.

이와 같은 도전의 해법으로 제시되는 지속가능한 도시로서의 스마트시티에 대해 UN 유럽경제위원회는 △경제·사회·환경·문화적으로 현재와 미래세대의 요구를 보장하는 ‘사람중심’ △삶의 질, 도시운영 및 서비스 효율성, 경쟁력향상을 도모하는 ‘도시혁신’ △정보통신 기술 및 폭넓은 수단을 활용하는 ‘기술활용’ 등 3가지를 핵심요소로 제시했다.

스마트시티의 인프라도 이를 중심으로 구축돼야 하지만 몇가지 장벽이 존재하는 상황이다. 백 센터장은 △인프라성능 향상목표와 가용예산의 격차 △인프라수명과 센서수명의 격차 △데이터활용 증가대비 개별인프라 협력부족 △기술변화 격차 △도시화·기후변화 변동폭과 인프라 성능기준의 격차 △주택부족 및 도시개발·국민선호입지 등의 격차 △도시환경혁신 요구와 전통산업의 에너지혁신 간극 등으로 정리했다.

이에 대응하는 한국형 스마트시티 인프라를 구축하기 위해서는 먼저 인프라 기술솔루션의 툴박스를 마련할 필요가 있다. 스마트 이동수단, BIM, GIS(지리정보시스템), BEMS, 스마트그리드 및 워터그리드, 모듈러주택 등 가능한 도구들을 정리하는 것이다.

다음은 이를 토대로 인프라 투자의 우선순위를 정하는 작업이다. 도시는 하나의 유기체로 기능하기 때문에 투입예산 대비 가장 근본적이고 포괄적인 분야의 인프라에 투자함으로써 투자효율성을 높일 필요가 있다.

또한 인프라구축 이후 수용자로부터 상시적이고 즉각적인 피드백을 통해 물리적인 인프라를 개선할 수 있어야 하며 이를 위해서는 스마트시티 인프라 자체가 플랫폼으로 기능해야 한다.

백 센터장이 제시한 스마트시티 인프라는 △스마트 도로 △보행자·대중교통 중심 도시성장 인프라 △스마트 홍수관리 △스마트 시설물 성능관리 △스마트빌딩 △에너지자립형 커뮤니티 △에너지산업 ‘규모의 경제’ 달성을 통한 혁신 △모듈러 건축기술 등이다.

스마트도로는 자율주행차 등 스마트모빌리티를 구현하기 위한 것이기도 하지만 자율주행차로 발생하는 도로의 여유공간에 대중교통·자전거·보행로를 확대함으로써 보행자·대중교통 중심의 도시성장이 가능하다.

미국 LA는 도로재편 시뮬레이션을 통해 기존 왕복 10차로(일반차로 6개, 버스·승용차 공용차로 2개, 좌회전차로 2개)를 5차로(일반차로 3개, 자율주행버스 전용차로 2개) 및 자전거·보행로로 구성할 경우 시간당 수송능력이 2만9,600명에서 7만7,000명으로 증가한다고 분석했다.

또한 도시화와 산업화에 따라 환경조건이 악화됨에 따라 시민의 건강을 증진시켜야 하는 것도 도시의 역할인 만큼 스마트 빌딩, 에너지자립형 커뮤니티의 조성도 필요하다. 일본 요코하마는 공동주택, 상업용 빌딩, 공장지역에 태양광·태양열 등을 도입해 가상발전소를 운영하고 분산전원으로 제어함으로써 이를 구현하고 있다.

백 센터장은 이와 함께 에너지산업혁신을 위해 규모의 경제가 고려돼야 한다고 강조했다. 코펜하겐에서는 대규모 에너지사용지역과 인접한 곳에서 해상풍력발전을 대단지로 구축해 철강·건설 등 전통산업의 위기를 극복하기도 했다.

에너지전환이 화두가 되고 있으며 장기적으로 신재생에너지로 전환이 당연시되는 만큼 에너지산업의 혁신을 위해서는 대규모 사업추진이 필요할 전망이다.

또한 도시건축, 인프라·건물 건설산업 등의 스마트화를 위해 국제사회는 모듈러공법에 주목하고 있다. 모듈러공법은 건설산업의 제조업화로 비유되며 50%의 건설비가 절감되고 아파트 분양가 감소에 따른 소비자 편익, 재활용이 가능한 환경적 편익 등에 따라 ‘기존 패러다임을 파괴하는 기술’로 평가되고 있다.

공공시장 중심 ZEB 확대

노만수 한국에너지공단 주임은 ‘ZEB 정책현황 및 추진방향’에 대한 발표에서 “국내 제로에너지빌딩은 강화된 국가 온실가스 감축목표를 차질 없이 달성하기 위해 건물분야의 에너지성능 개선이 중요해짐에 따라 추진되고 있다”고 밝혔다.

국내 건물부문의 에너지사용은 국가 총에너지소비량의 16.6%를 차지하고 있으며 2035년까지 상업·공업이 지속 증가함에 따라 비중은 점차 커질 전망이다.

특히 15년 이상 노후건축물의 비중이 지속증가함에 따라 녹색건축을 통한 에너지효율향상이 필요한 상황이다. 강화된 성능기준에 따라 에너지성능이 비교적 양호한 신축건물은 연평균 1.16% 증가하고 있지만 15년 이상 노후건축물은 2015년 기준 71.8%에 달하는 실정이다.

이에 따라 정부는 2014년 ‘제로에너지건축 조기활성화 방안’을 발표하고 로드맵을 수립했다. 이미 2017년 신축건물의 패시브하우스 수준을 의무화한다는 목표를 달성했고 향후 2020년에는 공공건물, 2025년 민간건축물로 ZEB를 의무화하기 위해 정책을 추진하고 있다.

이를 실현하려면 가장 시급한 문제는 경제성 해결방안이다. 현재 ‘제로에너지건축물 인증제도’에 따라 등급별로 용적률·건폐율을 완화하는 등 인센티브 제도를 운영하고 있으며 저층·고층·단지형 시범사업을 통해 초기 시장을 선도하기 위해 노력하고 있다.

향후에는 공공시장 확대를 통해 경제성을 확보하고 인증건축물의 에너지사용량 관리 및 스마트시티·도시재생사업 등과 연계를 통해 ZEB를 확산시킬 계획이다. 또한 ZEB 요소기술의 패키지 융복합화 연구개발과 수요자·공급자 정보교류가 가능한 대국민 서비스플랫폼을 활용해 민간의 적용성을 증대시킬 방침이다.

이지하우스, 패시브건축으로 61% E절감

이어 이응신 명지대 교수는 ‘ZEB구현을 위한 패시브 기술동향 및 적용사례’를 주제로 발표했다. 이 교수는 “지구온난화 등 기후변화, 결로·곰팡이·층간소음·설비노후화 등 건축물하자 등 문제에 제대로 대응하지 못하고 있다”라며 “ZEB는 이와 같은 문제에 대응해야 한다”고 밝혔다.

이 교수가 모델로 제시한 서울 노원 이지하우스는 전체 세대가 필요로하는 난방·냉방·급탕·환기·조명에너지를 단지 내에서 생산하는 신재생에너지로 충당한다. 만약 모자라면 외부에서 에너지를 공급받지만 남을 때는 다시 돌려주는 방식으로 에너지양을 1차에너지로 환산했을 때 연간 대차대조상 제로가 되는 주택단지다.

이지하우스의 건축설계는 독일 패시브하우스연구소에서 제시한 단열·창호·열교·기밀·환기 등 5대 기준을 따랐다.

설계 시 전도열 손실방지를 위해 외단열방식을 적용했으며 부위별 열교방지설계를 적용해 열교를 차단했다. 침기열 손실방지를 위해 틈새를 최소화하는 등 기밀설계를 수행했으며 환기열 손실회수를 위해 열회수형 환기장치를 통해 장비효율을 높이고 분배손실을 줄였다. 또한 유입일사량을 조절하기 위해 외부블라인드를 적용해 차양함으로써 냉방부하를 줄였다.

자재로는 △록셀보드 단열재 △아이소콥 발코니 열교차단재 △틸트&턴 3중유리 시스템창 △창호 기밀테이프 △단열문 △외부블라인드 등을 사용했다.

이와 같은 패시브설계를 통해 우리나라의 평균적인 주택의 121세대 연간에너지요구량인 124만9,453kWh에서 61%를 절감한 49만2,285kWh를 달성할 수 있었다.

액티브시스템, ‘자연E·고효율·열회수’ 키워드

이어 홍민호 한일엠이씨 전무는 ‘ZEB 구현을 위한 액티브 기술동향 및 적용사례’를 주제로 발표했다. 홍 전무는 “액티브 설비시스템은 설비장비를 이용해 실내쾌적조건을 만족하기 위한 환경조절을 행하는 시스템과 설비장비를 이용해 에너지를 생산하는 시스템을 말한다”라며 “ZEB를 위해 자연에너지 활용, 시스템 고효율화, 열회수 시스템 등으로 대응할 수 있다”고 밝혔다.

자연에너지를 활용하는 요소기술로는 △지열히트펌프 △지하수활용 시스템 △태양광패널 △태양열 냉방 △일간·계간축열 △지중열 직접활용 등이 보편적으로 알려져 있다.

그밖에도 외피의 Solar Wall을 통해 환기예열시스템을 구축한 곳도 있는데 이는 벽체에 공간을 두고 공기를 흐르게 해 예열하는 방식이다. 또한 파이프를 땅 속에 묻어 공기룰 순환키는 등 지중열을 직접 활용하는 복사냉각 시스템도 적용되는 사례가 발생하고 있다.

이와 함께 시스템 고효율화 측면에서는 입력에너지를 최소화하는 방법과 반송동력을 저감하는 방법이 있으며 이를 통해 시스템 전체의 성적계수를 높여야 한다.

입력에너지를 최소화하기 위해 먼저 건축계획적으로 패시브건축 등 실내부하를 저감하려는 노력이 필요하다. 이와 함께 실내부하제거를 위한 효율을 증대시키기 위해서는 공조기 공기의 혼합손실 최소화, 저속치환 공조, 복사냉난방 등이 고려될 수 있다.

열회수시스템은 배기열 회수방식과 배수열 회수방식이 있다. 공조기의 경우는 전열교환기, 현열교환기, 히트파이브, 랩 어라운드 코일(Wrap-around Coil) 등이 활용되며 온수급탕 등 이용시에는 배수열회수기를 적용해 부하를 낮출 수 있다.