지난 4월9일부터 11일까지 코엑스에서 열린 HVAC KOREA 2025 학술강연회 세션에서 진행된 재생에너지 학술강연회에서는 △지열 △수열 △태양열 등 재생열에너지 부문에 대한 최신기술과 적용사례들을 공유했다.

 

남유진 대한설비공학회 재생에너지부문위원장은 개회사를 통해 “지금 재생에너지 산업전반이 어려운 상황”이라며 “재생에너지기술이 제로에너지건축물(ZEB)의 하나의 옵션기술이 필수기술로 인식되는 계기가 되길 기원한다”고 말했다.

 

지상천공식 지중열교환기 등 지열E 신기술·기술개발현황 공유

 

공형진 앱트뉴로사이언스 박사는 지열에너지 신기술과 기술개발현황을 공유했다. 앱트뉴로사이언스는 국내 민간지열시장 선두기업으로 분산에너지 등 부분에 대한 사업화를 진행 중이다.

 

파이프 내부 커팅장치 및 연결소켓을 할용한 지열 지상천공식 지중열교화기 신기술인증을 받았다. 터파기 전 커팅하고 터파기 이뤄진 다음에 트렌치배관을 연결해 시스템을 구성해 토목터파기와 공정간섭 없도록 하는 것이 큰 장점으로 시공이 용이하며 공사기간 단축효과를 나타낸다.

 

공형진 박사는 “실제로 6개월간 인력투입이 필요하지 않았다”라며 “하부천공 시와 대비해 시공기간이 30~40% 절감이 가능한 시스템이다”라고 말했다.

 

또한 최근 공동주택 전전화주택에 대한 연구가 시작되고 있다.

 

이는 단지형 신재생 전력 열에너지기반 시대부와 공용부의 고효율냉난방·급탕을 진행하는 것으로 온실가스 배출량을 20%감축하며 운영비용을 20%가량 절감할 수 있어 전력자립과 효율성향상에 유리한 시스템이다.

 

차세대 지역난방시스템과 연계한 지열히트펌프시스템에 대한 연구도 활발하다. 순수냉난방시스템을 집단에너지시스템으로 활용해 기존에 60~70℃로 공급된 물을 30℃이하로 공급해 공급된건물에서 직접적으로 냉난방하는 방식으로 최근 R&D가 공고된 바 있다.

 

공형진 박사는 “향후 △복합하이브리드지열시스템 △스마트히트펌프시스템 △계간축열 △고심도 지중열교환기 등에서 나아가 최종적으로 미활용에너지를 활용한 냉난방시스템을 개발할 것”이라며 “시장점유율 확대를 통한 트렌드를 선도할 것”이라고 말했다.

 

최신 수열기술 개발동향 소개

 

조용 한국수자원공사 연구원은 수열시스템 우수사례와 최신기술을 소개했다.

 

하천수를 이용할 때는 동결예방기술과 관로 내 수충격사고 예방을 위한 점검이 필요하며 탁도가 높은 유입이물질을 해결할 방안이 필요하다.

 

이에 따라 수자원공사는 팔당댐에서 취수한 한강수 수열에너지 연계해 과천 한강유역본부를 실증지로 선정해 중앙냉난방지역 타깃으로 수열시스템을 교체하는 R&D를 진행했다.

 

500RT 히트펌프 개발을 목표로 진행했으며 기존에 스팀보일러로 △난방 △급탕 △여름철 흡수식냉동기로 진행했던 방식을 수열하이브리드 시스템으로 대체하는 과제를 진행했다. 이때 수열히트펌프 대신 가스사용한 흡수식 냉온수기설비 하이브리드시스템으로 구축했으며 급탕: 수열시스템으로 가능하도록 설계했다.

 

조용 박사는 “수충격 완화검토와 열교환기 타입별 특성·이물질 검토 등을 실시했다”라며 “열교환기 타입별 특성검토결과 대부분 컴팩트한 판형열교환기를 사용하지만 장단점과 수충격으로 인한 높은압력 수충격완화설비 갖추거나 브레이징타입 등으로 열교환기 타입을 선정했다”라고 말했다.

 

열교환기 내부 이물질 조사결과 조류성 이물질이 많이 발생했는데 그중 열교환기 안에 남아있는 이물질 쌓이며 얼마나 영향미치는지 조사했다.

 

조사결과 20% 성능저하 이후 크게 나빠지지 않았다. 이는 이물질이 자연적으로 나가기 때문으로 분석된다.

 

수자원공사는 LG전자와 축열식 하이브리드시스템 히트펌프를 개발했다. 이 때 개발자 입장과 사용자 입장을 모두 고려했는데 우선 사용자입장에서는 온오프 부분부하운전 대응법에 대한 논의해 부분부하 대응가능하도록 설계했다. 최종제작 후 성능시험결과 난방 시 5에 가까운 성능계수(COP)를 나타냈다.

 

제작된 히트펌프는 부분부하운전에 따라 펌프유량 제어해 축열조에 있는 열 일부를 활용해 동결을 예방하는 시스템으로 다양한 냉난방시나리오에 기반해 상세설계를 실시했다. 축열조 신규공간 확보해 축열조도 구축됐다.

 

성능분석 결과 축열 후 운전하는 것이 성능이 좋은 것으로 파악됐으며 효율이 좋을 때 유닛COP는 5.4이며 시스템COP는 3점대로 우수한 효율을 나타내는 것으로 파악된다.

 

조용 박사는 “현재 상업용건물에 실증연구를 진행 중”이라며 “향후 수열에너지 보급 확대를 위해 지속적인 노력을 이어갈 것”이라고 말했다.

 

우수 지열시스템 사례공유

 

최명덕 에스엠ENG 대표는 서울시에서 재생열에너지에 대한 보급활성화, 분석 등 필요성 느껴 조사분석한 내용 등을 공유했다.

 

국토부는 온실가스 저감위한 건물부문 필요성에 대한 이슈로 △에너지효율 향상 △청정에너지보급 확대 △고효율기기보급 △스마트에너지관리 등을 선정했다.

 

그중 청정에너지 보급확대전략으로 지열시스템이 활용되고 있는데 지열시스템에 활용되는 지중열교환기는 △수평형 △개방형 △밀폐형 등 다양한 형태를 띠고 있다.

 

서울시 지열시스템 현황을 분석한 결과 24년 말까지 580개소에 설치가 됐으며 2016년을 기점으로 하향곡선을 나타내고 있는데 이는 지진으로 인한 영향으로 인식된다.

 

지열문제점은 △천공 △공사기간 △높은 초기투자비 △유지관리 등이다. 이에 따라 서울시는 지열매뉴얼을 수립하고 있으며 지열기업들은 다양한 공법개발 등을 수행 중이다.

 

국내 지열시스템 설치사례를 확인하면 ZEB 실증단지에 흡수식냉온수기(630RT)와 지열(50RT*6)이 활용되고 있다.

 

가스비 사용내역을 확인한 결과 2020년 1억3,600에서 2021년 1,900만원으로 1억700만원이 저감됐으며 전기비 상승도 이뤄지지 않았다. 초기투자비 회수기간 4~5년으로 분석됐다.

 

최명덕 이사는 “노원에 마련된 121세대 제로에너지건축실증단지는 1+++등급으로 패시브건축과 신재생시스템설계가 잘 이뤄져있다”라며 “분석결과 에너지절감효과가 크게 나타났다”고 말했다.

 

PVT, KS인증포함·ECO2 편입 ‘기대’

 

조성구 이맥스시스템 부사장은 태양광·열복합패널(PVT)기술현황과 국내외 적용사례를 공유했다. PVT는 2015년부터 2021년까지 R&D가 실시됐으며 현재 실증사업이 진행 중이다.

 

올해 중에는 KS인증이나 보정계수 등 용역에 따라 제도화가 기대되며 ECO2편입도 기대되고 있다.

 

PVT기술이란 발전에 사용되지 못하고 손실되는 열을 효과적으로 활용하기 위한 기술로 태양광선 입사되면 모듈최상부에 위치한 태양전지에서 발전된 발전전력은 한전계통으로 넘어가며 집열된 열은 급탕과 난방에 활용된다.

 

글로벌 시장에서는 2020년 기준 150만㎡ 이상 설치가 완료됐으며 주요시장인 네덜란드의 경우 연간 3~4만보급되고 있다.

 

조성구 부사장은 “향후 PVT와 히트펌프 융합시스템이 난방시스템 표준이 될 것으로 예측한다”라며“탄소중립목표 달성에 부합하며 분산형에너지로의 특성으로도 활용가능하고 공간효율성이 좋아 ZEB 설계에 최적인 시스템”이라고 말했다.

 

PVT모듈은 유창형과 무창형으로 나눌 수 있다. 유창형은 열효율높지만 발전성능이 저하된다는 단점이 있으며 무창형은 발전성능좋지만 열효율낮다는 단점이 있다.

 

조성구 부사장은 “PVT 성능향상을 위한 기계적 라미네이션통해 밀착을 추진하고 있다”라며 “무용접봉 레이저접합기술을 활용한다”고 말했다.

 

PV써멀옵서버 접합에 따른 성능차이를 확인한 결과 4%p열효율차이를 확인했으며 무부하 및 부하시험 결과에서도 높은 효율이 나오는 것을 확인할 수 있었다.

 

PVT는 TES와 융합시스템으로 응용도 가능하다. 야간에 저장열을 활용한 히트펌프 난방을 실시하며 하절기에는 축냉과정서 히트펌프 발생열을 방열하지 않고 PVT모듈을 활용해 자연방열해 야간에도 사용가능한 시스템이다.

 

조성구 부사장은 “현재 노인요양시설과 119센터 등에서 PVT실증을 진행 중”이라며 “PVT 열로 동절기 공기열원 성능계수(COP)를 높여주고 있다”고 말했다.

 

신재생융복합기술 기술개발 동향 공유

 

채호병 부산대학교 박사는 신기술융복합기술사례와 경제성 분석을 실시했다.

 

최근 저탄소시스템과 다양한 에너지원활용을 위한 시스템통합요구가 많은 가운데 건물부문 에너지소비구조도 변화되고 있다.

 

이에 따라 히트펌프사용 증가가 예상되며 스마트그리드나 신재생에너지를 기반으로 한 전력망확장예상이 예상된다.

 

그중 PV시스템은 표면온도높아지면 효율이 저하되는 문제가 있어 집열기를 설치해 효율성 비용절감 경쟁력을 높이고 있다.

 

태양광·열 복합패널인 PVT의 열효율은 53.5이며 전기효율은 12.3으로 우수한 CO₂ 배출저감효과가 있으며 히트펌프와 결합 시 기존 가스보일러보다 60% 탄소저감효과가 있다.

 

채호병 박사는 “기장에 BIPVT를 설치해 성능평가를 진행했다”라며 “19일간 열생산량과 전기생산량 분석해 에너지소비량 비교결과 소규모건물에서는 효과적인 것을 확인할 수 있었다”고 말했다.

 

지열시스템의 경우 수직밀폐형 열교환기 가장 많이 활용하고 있다. 채호병 박사는 깊이천공해 초기투자비 많이발생해 모듈형 지중열교환기 연구를 실시했으며 분석결과 평균난 COP는 4.08이며 냉방 COP는 5.38로 나타났다.

 

수직밀폐형 지중열교환기는 초기투자비가 높으며 지역마다 설계방안도 복잡하다. 채호병박사는 설계를 빠르게하기위해 온라인플랫폼 개발해 △지역별 건물부하 △건물마다 필요한 지중열교환기 △경제성 등이 분석될 수 있도록 했다.

 

채호병 박사는 “신재생에너지 운영방안에 대한 많은 연구를 진행하고 있다”라며 “AI기반건물제어시스템 핵심으로 각 프로세스에 적합한 모델 찾는다면 더욱 효과적일 것”이라고 말했다.

 

이어 “디지털트윈기술의 경우 실시간데이터바탕 시뮬레이션과 최적화를 진행하는 것”이라며 “실제환경에서 발생할 수 있는 모든환경 복제할 수 있어 융복합시스템과 더불어 많은 기대효과가 나타날 것으로 예상된다”고 강조했다.

 

건물E절약 최적 ‘수열시스템’

 

이창근 아키테코 이사는 건물에너지 절약을 위한 수열에너지 적용 기본구상에 대해 발표했다.

 

국내 ZEB인증기준이 매년강화되고 있으며 RE100의 경우에도 민간주도 RE100과 달리 한국형 RE100은 정부주도 인센티브로 이뤄지고 있다.

 

이창근 이사는 “국내정책들의 공통점은 건물부하를 줄이며 재생에너지를 확대해 탄소배출량을 0으로만들자는 것으로 자연계에 버려지는에너지를 활용하게되면 탄소중립에 가까워 질 것이라고 예상된다”라며 “여러 가지 미활용에너지, 있지만 그중 수열에너지를 검토했다”고 말했다.

국내는 재생에너지로 인정되는 것은 하천수와 해수뿐으로 범위좁아 민간활용어려이 어려운 상황이다.

 

이에 따라 수열적용 시 국내법규하에 사업추진할 때 적용성 파악을 위해서는 대상부지를 선정해야 한다.

 

아키테코는 하남교산지구를 선정했다. 2027 첫 입주예정으로 업무시설이 있다는 가정하에 국내공공에너지 이용합리화법에 따라 신재생에너지가 36% 적용돼야한다.

 

부지내 인증과 에너지절감을 위해 태양광적용이 거의필수인 상황이다. 그러나 건물형태나 부지면적 때문에 태양광을 할 수 없는 경우를 대비했을 때 수열에너지에서 가장 다양한 활용가능성을 발견해 검토를 실시했다.

 

수열은 전기에너지를 생산할 수 없어 전체에너지원 중 수열에너지 적용가능한 에너지를 산정한 결과 단위시간당 1만4,000kw 열원이 필요하다는 것을 확인했다.

 

이창근 이사는 “주변에너지원이 얼마만큼의 부존량을 보유하고 있는지 △제품 △장비성능계수 등이 포함된 기술적부존량검토를 진행했다”라며 “검토결과 공공하수처리시설만 검토하게 됐다”고 말했다.

 

계산된 부존량은 1만8,600으로 필요냉난방량보다는 방출되는 열에너지량이 충분하다고 분석된다. 그러나 관로문제나 열손실문제 등으로 적용성떨어질 수 있지만 계획초기단계에 있는 지금으로써는 적용가능성이 있다고 판단된다.

 

이창근 이사는 “국내법상 수열에너지적용어려운 상황이라 신재생에너지공급비율 36%를 맞추기위해서 20%가량 에너지원을 태양광 혹은 건물일체형태양광(BIPV)로 적용돼야 할 것”이라며 “현재 수열에너지가 법규에서 인정을 받지 못하는 경우 정책제안과 제도개선노력 등의 내용을 지속적으로 제안할 것”이라고 말했다.

 

수열시스템, E절감·경제성↑

 

안광호 이젠엔지니어링 박사는 수열에너지 설치사례를 분석했다. 이젠엔지니어링은 대형화된 건축물과 소규모건물에서 다양한 수열에너지원을 기존신재생E와 복합적으로 활용할 수 있도록하는 연구를 진행 중이다.

 

지난 2019년 광역원수를 이용해 수열에너지 실증을 최초 추진해 준공·운영하며 수축열으ㅡㄹ 활용한 광역원수를 통해 냉난방을 실시하고 있다.

 

안광호 박사는 “실증결과 에너지사용량절감이 매우 높았으며 건축물하중감소에도 굉장한역할을 했다”라며 냉각탑을 설치할 경우 하중이 많은데 실증사례를 통해 냉각탑 6기가량의 설치를 줄일 수 있는 역할 해 자연스러운 디자인과 하중감소를 통한 구조적안정성을 보유하고 있다“고 말했다.

 

강북과 자양취수장의 경우 2050 탄소중립도시 서울구현을 위해 수열에너지 보급사업을 실시해 가능성을 검증한 사례로 공조냉난방기기 변경시기가 도래했을 때 수열을 활용했다.

 

이젠엔지니어링은 히트펌프를 설치해 원수순환 배관구성설계를 진행했으며 취수장 지하에 HP배관실 모아서 실내기까지 냉매관으로 연결했다.

 

이 과정에서 하계시 많은이물질 발생해 열교환기 사용해 오토스트레이너통해 거름을 거르는 작업을 실시했다. 또한 기존에 운영됐던 실내기는 그대로 활용했다.

 

안광호 박사는 ”수열시스템은 경제적이며 친환경적인 냉난방시스템“이라며 에너지절감효과 좋은 것으로 나타난다”고 말했다.

 

공기식 PVT 도입배경·실증사례 공유

 

김경구 한국재생에너지협동조합 이사는 공기식 PVT 실증사례를 공유했다.

 

건축물 내 에너지성능향상에 대한 요구가 높아지는 가운데 △건물공간제약 △외장재 설치시공성 △유지관리문제 등으로 전통적 신재생설비도입이 한계에 도달하고 있다.

 

공기식태양열은 큰 잠재력을 가진 신재생설비로 캐나다에서 지난 1987년 개발됐다. 간판소재 집열판을 활용한 이중구조로 다양한 색상과 형태로 활용할 수 있다.

 

집열판으로 구성된 무창형과 집열판과 그레이징으로 구성된 유창형 두가지 방식이 존재하며 형태가 다양해 건물외피에 다양하게 구성할 수 있다.

 

ZEB인증이 본격화되며 단순하게 에너지절감수준을 넘어 에너지자립적건물이 요구되는 가운데 기존 공기식태양열시스템보다 더욱 발전된 시스템인 공기식PVT가 각광받았다.

 

공기식PVT는 태양열집열판에 태양광을 결합한 것으로 복합으로 에너지를 생산해 한정된 건물에서 에너지생산 극대화할 수 있는 솔루션으로 공기열히트펌프뿐 아니라 수열히트펌프와도 활용가능하다.

 

김경구 이사는 “공기식 PVT 활용 시 PV발전효율이 향상된다”라며 “열섬현상 완화도 가능한 시스템이다”라고 말했다.

 

특히 열매개체를 공기로 활용하게 돼 동파와 누수 등에서 안전하며 액체식보다는 열용량작아 열적성능은 다소 떨어지지만 높은 공간효율성을 보유하고 있다.

 

또한 설비구성이 단순하며 유지관리가 편하다는 특징이 있으며 한국에너지기술평가원 연구과제·실증을 통해 발전효율이 10% 향상했다는 검증도 마쳤다.

 

국내에서는 직접공급방식으로 지난 2011냔 힌전연구원에 설치됐다. 지붕과 벽면에 PVT 50㎡를 설치해 집열기서생산된열이 덕트와 송풍기를 통해 실내에 바로 공급되며 PV는 주택에서 전기에너지로 활용할 수 있도록 독립적으로 구성했다.

 

최근 실내공기질 이슈로 국내 모든건물에 전열교환기를 보유하고 있는 가운데 지난 2020년에는 금속공장 지붕에 550㎡ PVT를 설치했다.

 

ERV와 연결해 환기부하 절감했으며 집열기에서 집열된 열이 30~40℃가량의 열을 동절기 난방부하시즌에 직접공급하며 냉방부하시즌에는 외부에 OA가 들어올 수 있도록 제어했다.

 

김경구 이사는 “지난 2022년에는 학교벽면에 PVT를 설치했다”라며 “천정에 소형집행식공조기를 설치해 여름철을 대비해 순수외기도입부에 비례제어를 통해 난방환기부하를 절감하고 발전효율을 약 10% 향상시켰다”고 말했다.