열·전기에너지와 관련된 산·학·연 네트워크 확대 및 신규 사업창출을 위한 건물에너지전환과 이노베이션 연구회가 구성됐다.

 

KCL 건물에너지융합센터는 지난 3월12일 충북혁신도시에 위치한 거성호텔에서 건물에너지전환과 이노베이션 연구회 발족식 및 기술세미나를 진행했다고 밝혔다. 이날 행사에는 천영길 KCL 원장, 김정희 국토교통과학기술진흥원 원장, 고민재 한국태양광발전학회 회장, 정재원 한국건축친환경설비학회 회장 등을 비롯해 산·학·연 관계자 80여명이 참석했다.

 

천영길 KCL 원장은 기념사를 통해 “건물은 국가 전체 에너지소비의 20% 이상을 차지하고 있다”라며 “이에 따라 건물분야의 에너지전환 없이는 국가 탄소중립과 NDC 목표달성이 쉽지 않다”고 밝혔다.

 

이어 “건물은 △소유구조 △운영방식 △지역적 분산 △건축시기 등 여러 요소가 복합적으로 얽혀 있어 산업이나 수송분야보다 에너지전환이 훨씬 어려운 분야”라며 “현재 정책은 신축건물 중심으로 추진되는 경향이 있지만 실제로는 구축건축물이 대부분이기에 건물에너지전환을 위해서는 다양한 기술적·제도적 접근이 필요하다”고 말했다.

 

천 원장은 “이러한 현실적인 어려움 때문에 일방적인 정책 추진보다는 산업계와 학계가 함께 머리를 맞대고 기술적 대안과 제도개선 방향을 찾는 것이 중요하다”라며 “건물에너지전환의 핵심분야로 △히트펌프 △건물 태양광(BIPV/PV) △제로에너지빌딩(ZEB) 등을 중심으로 기술 고도화와 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

 

아울러 “KCL은 국내에서 가장 폭넓은 시험·인증역량을 보유한 기관으로 건물에너지분야의 성능검증 인프라와 연구역량을 바탕으로 △기술개발 △표준화 △제도개선 등을 적극 지원하겠다”라며 “이번 연구회가 선언에 그치지 않고 실질적인 실행과 성과로 이어져 건물에너지전환의 새로운 모델을 만들어가길 기대한다”고 덧붙였다.

 

이어 김정희 국토교통과학기술진흥원 원장은 축사를 통해 “건물에너지전환 이노베이션 연구회 발족을 진심으로 축하한다”라며 “이러한 연구회가 기후위기대응과 탄소중립 실현을 위한 중요한 출발점이 될 것”이라고 밝혔다.

 

이어 “최근 중동 정세와 에너지공급 불안 등 세계적인 상황을 보면 에너지전환의 필요성이 더욱 커지고 있다”라며 “화석연료 의존도가 높은 우리나라로서는 탈탄소 에너지체계로 전환이 반드시 필요한 시점”이라고 강조했다.

 

김 원장은 “건물분야는 온실가스배출과 에너지소비에서 매우 큰 비중을 차지하는 분야로 산업·발전·공장시설 등까지 포함해 보면 건축물 관련 에너지사용 비중이 전체의 절반에 가까운 수준”이라며 “건물부문 감축이 매우 중요한 과제”라고 강조했다.

 

이어 “정부는 GR사업과 ZEB 의무화 등을 통해 건물분야의 에너지절감정책을 추진하고 있다”라며 “패시브설계와 함께 히트펌프 등 액티브기술 적용도 확대되고 있다”고 설명했다.

 

아울러 “국토교통과학기술진흥원에서도 ZEB기술 개발과 확산을 위한 다양한 연구를 수행하고 있다”라며 “노원구 ZEB 실증단지와 같은 사례를 통해 국내 기술기반의 모델을 구현한 바 있다”고 덧붙였다.

 

김정희 원장은 “해당 실증사례는 기술적으로는 충분한 성과가 있었지만 경제성 문제로 확산이 쉽지 않았던 점이 아쉬웠다”라며 “현재는 보급 확대를 위해 3등급 수준의 공동주택 ZEB기술 개발을 추진하고 있다”고 밝혔다. 끝으로 “앞으로도 건물분야 탈탄소기술 개발과 확산을 위해 산업계와 연구자들이 적극적으로 참여해 주길 바란다”라며 “연구회가 건물에너지전환과 탄소중립 사회로 나아가는 데 중요한 역할을 하길 기대한다”고 당부했다.
 

고민재 한국태양광발전학회 회장은 축사를 통해 “최근 난방비 상승을 직접 체감하면서 건물에너지 문제의 중요성을 실감했다”라며 “건물에너지전환 이노베이션 연구회 출범이 매우 시의적절한 의미를 가진다”고 밝혔다.

 

이어 “건물부문은 우리 사회 에너지소비와 탄소배출의 상당 부분을 차지하고 있어 탄소중립 사회로 나아가기 위해서는 건물분야의 혁신적인 에너지전환이 반드시 필요하다”라며 “태양광을 비롯한 △재생에너지 △에너지효율기술 △디지털기반 에너지관리시스템 등이 결합되면 건물은 단순히 에너지를 소비하는 공간을 넘어 에너지를 생산하고 관리하는 핵심 플랫폼으로 발전할 수 있을 것”이라고 전망했다.

 

고 회장은 “건물에너지전환을 위해 학문·기술·산업적 협력이 이뤄질 수 있는 연구회의 역할이 매우 중요하다”라며 “다양한 분야 전문가들의 협력을 통해 건물에너지시스템 혁신과 국가 탄소중립 목표달성에 기여할 수 있을 것”이라고 기대감을 전했다.

 

아울러 “한국태양광발전학회도 태양광기술과 산업발전을 기반으로 건물에너지전환에 적극 참여하고 학문과 산업간 협력을 확대해 나가겠다”라며 “이번 연구회 출범을 계기로 창의적인 연구와 의미있는 협력이 활발하게 이뤄지기를 기대한다”고 덧붙였다.

 

정재원 한국건축친환경설비학회 회장은 축사를 통해 “현재 건축분야에서 가장 중요한 화두는 전전화 건물과 건물에너지전환”이라며 “특히 공동주택을 중심으로 한 에너지전환과 ZEB 실증연구가 활발히 진행되고 있다”고 밝혔다.

 

이어 “건물에서 사용하는 에너지는 크게 열과 전기 두 가지이며 이를 기존 화석연료 기반에서 벗어나 신재생에너지 기반으로 전환하는 것이 핵심과제”라며 “현재 건물에너지분야는 기술이 부족하다기보다 다양한 기술 가운데 조건에 맞는 최적의 기술을 선택하고 복잡해진 시스템을 효율적으로 운영하기 위한 최적 제어기술이 더욱 중요해지고 있다”고 강조했다.

 

정 회장은 “신재생에너지기술과 다양한 요소기술을 경제적으로 적용하고 효율적으로 운영하기 위해서는 AI와 같은 디지털기술을 활용한 에너지 네트워크 관리와 지능형 건물운영 개념이 필요하다”라며 “건물에너지전환 이노베이션 연구회는 이러한 기술적 요구와 과제를 함께 논의하고 해결방안을 제시하는 중요한 협력 플랫폼이 될 것”이라고 말했다. 끝으로 “이번 연구회가 다양한 아이디어와 연구과제를 발굴하고 이를 실제 건축물에 적용해 세계 최고 수준의 새로운 건물모델을 제시하는 출발점이 되기를 기대한다”고 당부했다.

 

이어진 기술세미나에서는 △BIPV·HVAC 재생에너지 활용방안(윤종호 한밭대 교수) △ZEB제도 및 활용기반 소개(김지혜 KCL 책임) △히트펌프 기술동향 분석(이광호 고려대 교수) 순으로 발표가 진행됐다.

 

“ZEB달성, 기술통합 우선돼야”

 

윤종호 한밭대 교수는 건물에너지절감정책이 강화되면서 제로에너지건축물(ZEB) 달성을 위한 기술적 접근과 실제 적용성과 분석에 대해 발표했다.

 

특히 건물일체형 태양광(BIPV)과 공기열원 히트펌프(ASHP)를 중심으로 한 실증데이터를 기반으로 건물용도별 ZEB 달성 가능성과 기술적 한계를 제시했다.

 

ZEB정책은 에너지절감과 신재생에너지 생산을 동시에 고려하는 개념으로 건물에서 소비되는 에너지와 생산되는 에너지를 균형시키는 것을 목표로 한다.

 

국내에서는 단계적으로 ZEB의무화정책이 확대되고 있으며 건축물 유형과 규모에 따라 에너지자립률 기준이 적용되고 있다. 이러한 흐름 속에서 태양광발전을 건물외피에 통합하는 BIPV기술과 건물 냉난방효율을 높이는 히트펌프기술이 핵심요소로 주목받고 있다.

 

BIPV는 기존 건물 외장재나 지붕 마감재를 태양광발전모듈로 대체하는 방식으로, 별도의 발전시설을 설치하는 것보다 공간활용성이 높다. 다만 초기 기술 도입단계에서는 △발전효율 △설치비용 문제 △건축 디자인과의 조화 문제 등이 지속적으로 제기돼 왔다.

 

실제로 △미관 문제 △발전효율 △경제성 △유지관리 △환경영향 △열 환경 변화 △제도 및 정책 미비 등 다양한 갈등 이슈가 존재해 왔다. 그러나 최근에는 모듈 효율 향상과 건축 디자인 통합기술이 발전하면서 적용사례가 점차 확대되는 추세다.

 

ZEB실증연구에서는 주거단지 단위 실험과 실제 건물 운영데이터를 활용해 에너지수지 분석이 이뤄졌다. 태양광발전(PV)과 지열 혹은 공기열 히트펌프시스템을 결합한 주택에서는 기존 주택대비 에너지소비가 크게 감소한다. 일정 조건에서는 에너지자립에 가까운 수준을 달성할 수 있는 것으로 나타났다. 실제 운영데이터 분석에서는 태양광발전량과 건물에너지사용량을 비교해 연간 에너지균형을 평가했으며 일부 사례에서는 잉여 전력발생도 확인됐다.

 

공기열원 히트펌프(ASHP)의 경우 외기온도 변화에 따라 성능이 달라지는 특성이 확인됐다. 연간 운전데이터를 분석한 결과, 외기온도가 낮은 겨울철에는 성능계수(COP)가 낮아지는 경향이 나타났으며 평균 COP는 약 2 수준으로 분석됐다. 이는 히트펌프시스템의 효율이 기후조건에 영향을 받는다는 점을 보여주는 결과다.

 

또한 에너지와 탄소배출 측면에서도 시스템성능분석이 진행됐다. 전력사용 기준 탄소배출계수와 가스 사용 기준 배출계수를 비교한 결과, 히트펌프 성능이 일정 수준 이상 확보될 경우 화석연료기반 난방대비 탄소배출 저감효과가 나타나는 것으로 분석됐다. 반대로 시스템효율이 낮을 경우에는 오히려 탄소절감효과가 제한될 수 있어 설계단계에서 성능 확보가 중요한 변수로 평가된다.

 

결국 ZEB 실현을 위해서는 단일 기술보다는 △건물 외피성능 △고효율 설비 △신재생에너지시스템 △통합 제어시스템 등 다양한 기술의 결합이 필요하다. △건물 단열성능 강화 △고성능 창호 △고효율 공조설비 △태양광발전 △에너지저장시스템 등 패시브·액티브기술을 통합적으로 적용해야 실질적인 에너지자립 건축이 가능하다는 분석이다.

 

윤종호 한밭대 교수는 “향후 ZEB 확산을 위해 기술성능 향상과 함께 정책 및 제도원이 병행돼야 한다”라며 “특히 △BIPV 설계기준 정립 △건축 디자인 △에너지설비 통합기술 △히트펌프 효율 개선 △에너지관리시스템 고도화 등이 향후 주요 기술개발 과제”라고 제시했다. 이어 “이러한 기술발전과 제도적 지원이 병행될 경우 ZEB의 실질적 확산이 가능할 것"이라고 전망했다.

 

“건물부문 탄소중립 핵심 ‘ZEB'”

 

김지혜 KCL 책임은 건물부문 온실가스 감축과 탄소중립 달성을 위한 핵심전략으로 제로에너지건축물(ZEB)정책을 제시했다.

 

국내 건물부문 온실가스 배출량은 2018년 5,210만톤 수준에서 2030년 3,500만톤까지 감축해야 하며 약 32.8%의 감축목표가 요구된다. 이러한 목표달성을 위해 △공공건축물 ZEB 의무화 확대 △민간건축물 에너지성능 강화 △기존 건축물 그린리모델링(GR) 확대 등 다양한 정책이 추진되고 있다. 특히 ZEB보급은 건물부문 탄소중립전략의 핵심정책으로 제시되고 있다.

 

ZEB는 건물에서 필요한 에너지부하를 최소화하고 신재생에너지를 활용해 에너지소비량을 최소화하는 건축물을 의미한다. △고성능 단열외피와 같은 패시브기술 △고효율 설비 및 에너지관리시스템과 같은 액티브기술 △태양광 등 신재생에너지기술을 통합 적용해 건물에너지사용을 줄이고 자체 생산에너지로 상쇄하는 구조를 갖는다.

 

국가별 기술수준과 시장여건에 따라 다양한 정의로 활용되지만 공통적으로 건물의 에너지수요를 최소화하고 재생에너지 활용을 확대하는 방향을 지향한다. 국내 ZEB인증제도는 건물의 1차 에너지소요량과 에너지자립률을 기준으로 평가된다. △냉난방 △급탕 △조명 △환기 등 건물에너지사용량을 종합적으로 산정하고 태양광 등 신재생에너지 생산량을 반영해 자립률을 계산한다.

 

인증등급은 ZEB+등급부터 ZEB 5등급까지 구분되며 자립률이 높을수록 높은 등급을 부여한다. △자립률 20% 이상은 ZEB 5등급 △40% 이상은 ZEB 4등급 △100% 이상은 ZEB 1등급 등으로 구분되며 건물에너지관리시스템(BEMS) 적용여부도 평가요소에 포함된다.

 

ZEB 확산을 위해 해결해야 할 과제로는 △건물부문 온실가스 간접배출 관리 △기존 건축물 에너지효율 개선 △신재생에너지 운영 최적화 등이 제시된다. 글로벌 건물부문 온실가스 배출구조를 보면 간접배출이 직접배출의 약 두 배 수준이며 국내에서도 전력사용 증가로 간접배출 비중이 지속적으로 증가하는 추세다. 이에 따라 건물에서 사용하는 전력소비를 줄이는 전략과 함께 재생에너지 활용 확대가 중요한 과제로 제시된다.

 

또한 건축물의 전 생애주기 관점에서 보면 운영단계의 에너지사용이 전체의 약 80% 이상을 차지한다. 국내 건축물 중 신축건물은 약 2% 수준에 불과하고 대부분이 기존 건축물이기 때문에 에너지효율 개선을 위해서는 기존 건축물 운영효율화와 리모델링이 중요하다. △GR △에너지관리시스템 도입 △BIPV 설치 등을 통해 기존 건축물의 에너지성능을 개선하는 정책이 병행될 필요가 있다.

 

향후 ZEB 확산을 위해서는 건물단위뿐만 아니라 커뮤니티단위 에너지관리체계 구축도 필요하다. 여러 건물이 에너지를 공동으로 생산·저장·공유하는 방식은 개별 건물보다 에너지자립률을 높이고 효율적인 운영을 가능케 한다. 이에 따라 커뮤니티 단위 제로에너지인증제도 도입과 에너지 공유 네트워크 구축 방안이 검토되고 있다.

 

또한 도심 고층건물이나 밀집지역에서는 건물부지 내에서 충분한 신재생에너지설비를 설치하기 어려운 경우가 많아 대지 외 재생에너지 조달방식(Off-site procurement)의 활용 필요성이 제기되고 있다. 이를 위해 한국에너지공단은 대지 외 재생에너지 활용 시범사업을 추진하고 있으며 일정 규모 이상의 △복합건물 △데이터센터 △산업시설 △공동주택 등을 대상으로 제도 적용 가능성을 검토하고 있다.

 

한편 ZEB기술의 성능검증을 위해 실증기반 성능평가체계 구축도 진행되고 있다. 미국 FLEXLAB과 국내 ZEB 테스트랩 등 실험시설에서는 실제 건물환경을 모사한 조건에서 △외피 △창호 △태양광시스템 등 다양한 기술의 에너지성능을 검증하고 있으며 설계단계 예측성능과 실제 운영성능 사이의 차이를 줄이기 위한 연구가 진행되고 있다. 이러한 실증 연구는 향후 ZEB기술 개발과 정책제도 개선의 기반 자료로 활용될 전망이다.

 

김지혜 KCL 책임은 “ZEB정책은 건물에너지효율 향상과 재생에너지 활용 확대를 통해 탄소중립을 달성하기 위한 핵심전략으로 추진되고 있다”라며 “△패시브 설계 △고효율 설비 △신재생에너지 △에너지관리시스템 등을 통합 적용하고 △기존 건축물 리모델링 △커뮤니티 단위 에너지관리 △대지 외 재생에너지 활용 등 다양한 접근을 병행할 때 ZEB 확산과 건물부문 온실가스 감축효과를 동시에 달성할 수 있을 것“이라고 전망했다.

 

“건물에너지효율 향상 해법 ‘운영단계 제어전략’”

이광호 고려대 교수는 건축물에너지 부하를 최소화하고 신재생에너지를 활용해 연간 에너지소비량을 상쇄하는 해법으로 ZEB를 제시했다.

 

패시브설계를 통해 건물부하를 줄이고 액티브설비를 통해 에너지사용을 효율화한다. 이에 더해 태양광 등 재생에너지를 통해 에너지를 생산하는 통합적인 건물에너지시스템을 기반으로 한다. 건물의 연간 에너지소비량이 현장에서 생산되는 재생에너지량을 초과하지 않도록 하는 것을 목표로 한다.

 

ZEB인증은 △연간 1차 에너지소요량 △에너지자립률 △건물에너지관리시스템(BEMS) 설치여부 등을 기준으로 평가된다. 주거용 건물의 경우 연간 1차 에너지소비량이 90kWh/m² 이하, 비주거용 건물은 140kWh/m² 이하 수준을 만족해야 한다.

 

건물에서 생산되는 에너지대비 소비에너지비율을 의미하는 에너지자립률은 최소 20% 이상 확보해야 한다. 또한 에너지사용량을 모니터링하고 제어하기 위한 BEMS 또는 원격 계량시스템 설치가 요구된다.

 

BEMS는 건물의 에너지사용을 계측·모니터링하고 설비를 제어해 에너지사용을 최적화하는 통합관리시스템이다. 실내환경을 쾌적하게 유지하면서 에너지소비데이터를 분석해 최적의 운영전략을 제시하는 것이 목적이다.

 

그러나 국내에서는 BEMS가 단순 모니터링 수준에 머무르는 경우가 많아 실제 에너지절감효과를 극대화하기 위한 운영전략과 사후 평가체계가 부족하다는 한계가 지적된다.

 

기존 건축물의 에너지절감을 위해서는 냉난방설비 운영방식 개선이 중요하다. 건물에너지 절감기술은 크게 세 단계로 구분된다. △낭비되는 에너지를 최소화하는 기본적인 관리단계 △설계성능과 실제 운영성능 차이를 조정하는 커미셔닝단계 △기계학습과 빅데이터기반의 최적 제어기술을 적용하는 단계 등이다. 특히 최신 기술단계에서는 건물운영 데이터를 활용한 설비제어 최적화가 핵심전략으로 제시된다.

 

기존 HVAC설비 제어방식은 냉수온도나 냉각수온도 등 주요 제어변수 설정값을 운영자의 경험이나 주관적인 판단에 의존하는 경우가 많다. 이러한 방식은 건물부하 변화나 외부환경 변화에 대응하기 어렵기 때문에 에너지효율이 낮아질 수 있다. 이에 따라 데이터기반 모델을 활용한 최적 제어기술이 필요하며 특히 인공신경망(ANN)을 활용한 모델 예측제어(MPC) 방식이 제안되고 있다.

 

해당 방식은 건물운영데이터를 기반으로 시스템 상태를 예측하고 최적의 제어값을 계산해 냉난방설비를 효율적으로 운영하는 방법이다.

 

실제 상업용 건물을 대상으로 수행된 연구에서는 BEMS를 통해 1분 간격으로 수집된 운영데이터를 활용해 ANN기반 제어 알고리즘을 적용하고 기존 제어방식과 에너지성능을 비교했다. △냉동기 △냉각탑 △공기조화기(AHU) 등 HVAC설비의 운전조건을 최적화해 냉수온도와 냉각수온도 설정값을 부하조건에 따라 동적으로 조정하는 방식으로 시스템을 운영했다.

 

연구결과에 따르면 ANN기반 제어 알고리즘을 적용할 경우 대부분의 부하구간에서 기존 제어방식보다 에너지소비가 감소하는 것으로 나타났다. 특히 냉방부하가 낮은 구간에서는 냉수공급온도를 높이고 냉동기효율을 개선하는 방식으로 운전해 에너지절감효과가 10% 이상 나타났다.

 

이광호 고려대 교수는 “ZEB구현과 건물에너지효율 향상을 위해서는 단순한 설비설치보다 운영단계의 제어전략이 중요하다”라며 “BEMS와 같은 에너지관리시스템에 데이터기반 인공지능 제어기술을 결합할 경우 건물 HVAC시스템의 에너지 절감효과를 크게 향상시킬 수 있다”고 강조했다.