대한민국 기계설비전시회(HVAC KOREA 2025) ZEB(공동주택) 학술강연회는 4월9일 15시 코엑스 3층 컨퍼런스홀 317호에서 진행됐다. 고등급 제로에너지빌딩(ZEB) 달성을 위한 기계설비 로드맵 및 요소기술을 주제로 다양한 강의가 진행됐다.

 

이문수 한국토지주택공사(LH) 공공주택설비처장은 개회사로 “10주년을 맡은 HVAC KOREA 주최측 노고에 감사하며 HVAC KOREA는 해를 거듭하며 점점 더 깊은 내용과 미래방향을 제시하는 뜻깊은 행사가 됐다”라며 “이번 컨퍼런스에서 LH가 총 3건 발표를 진행하는데 이 강연이 LH 핵심기술을 널리 알리고 기계설비산업이 다시 한번 도약하는 계기가 됐으면 한다”고 말했다.

 

강연시작에 앞서 LH는 제로에너지 공동주택 구현을 위한 기술협력과 기계설비 산업발전에 기여한 공로를 인정해 감사패를 수여했다. 수상자는 △DL이앤씨 전태용 팀장 △계룡건설 임재균 팀장 △대한기계설비건설협회 조인호 회장 △세종대학교 정재동 교수다.

 

 

 

 

LH 공동주택 ZEB 선도·가이드라인 마련

 

추신호 LH 공공주택시설과 차장은 ‘LH 제로에너지 공동주택 에너지로드맵 및 기계설비 가이드라인’을 주제로 발표했다.

 

파리협정 이후 한국에서도 2050년까지 탄소중립 및 2030년까지 2018년 대비 온실가스 배출 40% 감축을 목표로 세워 세부계획을 추진하고 있다. 그 중 건물분야는 32.8% 감축목표를 설정했다. 이에 따라 정부는 2025년부터 ZEB등급 상향과 제도통합 등 내용을 담은 ’녹색건축물 조성지원법‘을 개정했다. 녹색건축물 조성지원법에 의하면 올해부터 민간건축물도 ZEB 5등급 수준설계를 하도록 요구된다.

 

또한 ZEB통합 인증제도를 통해 기존 ZEB인증제도와 건축물 에너지효율등급제도가 ZEB인증제도로 통합됐다. ZEB통합 인증제도에는 에너지자립률 또는 등급용 1차에너지 소요량 기준과 건축물에너지관리시스템(BEMS) 설치유무를 평가해 인증등급을 부여한다.

 

LH에서도 2019년 시범사업을 시작으로 선제적인 제로에너지 공동주택 사업을 추진하고 있다 2024년까지 76개 블록 4만3,037호 ZEB인증을 받아 85.91GWh 규모 에너지절감과 1,060여억원 취득세 절감효과를 얻었다.

 

또한 선도단지를 구축해 ZEB 3등급 단지도 추진하고 있다. 세종특별시에 위치한 행정중심복합도시 63M중-1BL지구는 238세대 규모로 패시브기술을 통해 단열성능을 22% 향상했으며 지열 냉난방과 옥상PV, 벽면BAPV 등 제로에너지 기술이 적용됐다. 현재 66.93% ZEB 3등급 예비인증을 마쳤고 올해 10월 준공 후 본인증을 진행할 계획이다.

 

또한 군도대야미 A-1BL 지구는 378세대 규모로 최초 고층형 ZEB 3등급 실증단지로 기획될 예정이다. 올해 4월부터 2029년 12월까지 연구기간으로 산학연 총 25개 기관이 참여했다. 적용면적 59타입이 200세대 이상이고 한 개 동이 25층 이상으로 개별난방 지구를 구성했다. 현재 ZEB 예비인증 5등급을 받았고 올해 7월 실시설계를 반영할 예정이다.

 

LH에서는 민감도분석과 비용·효율분석을 통해 에너지성능 및 경제적 측면에서 효율적인 최적 기술요소를 선정했다. 이를 통해 LH 제로에너지 공동주택 설계기준을 마련했다. 그 결과가 침기율이 가장 효율적인 기술로 나왔고 창호와 태양광 등이 뒤를 이었다.

 

이를 바탕으로 LH 설계지침은 제로에너지 공동주택 5등급 달성을 위해 패시브설계기준을 최적화했고 이를 올해 6월30일 시행될 에너지절약형 친환경주택 건설기준 개정안에 반영할 예정이다.

 

구체적으로 ZEB 5등급 설계기준과 4등급을 비교하면 ZEB 5등급은 지역난방일 경우 옥상 BAPV(일부 입면 BAPV)로 달성하고 개별난방일 경우 옥상과 입면 BAPV로 달성가능하다. ZEB 4등급의 경우 지역난방에서 옥상과 입면 BAPV로 달성가능하고 개별난방일 경우 추가로 지열설치를 통해 4등급 적용가능하다.

 

추신호 과장은 ”LH에서는 2040 제로에너지 기술로드맵을 통해 건물분야 탄소중립 달성을 위한 구체적 지침을 선도할 예정”이라며 “2019년 공동주택 ZEB 추진을 시작으로 2030년까지 △ZEB 3등급 수준 △2035년까지 2등급 수준 △2040년까지 LH 공동주택 일부에서 ZEB 1등급 이상을 확보하도록 노력하겠다”고 밝혔다.

 

공동주택 지열 표준화 및 실증기반 설계·시공지침 구체화

 

오동현 LH 공공주택시설처 차장은 '실증을 통한 공동주택 지열시스템 표준화 방안'을 주제로 발표했다.

 

건축물 에너지소비 약 80%가 열에너지인 상황에서 기후영향 없이 연중 15℃ 내외 안정적인 열원을 제공하는 지열에너지가 ZEB 구현 핵심기술로 주목받고 있다. LH에서는 에너지로드맵을 수립해 에너지절감기술 발굴 및 정부정책 제안 등을 추진 중이며 지열히트펌프도 주요 세부항목으로 포함됐다.

 

지열시스템은 배관 내 유체와 간접 열교환하는 밀폐형과 지하수와 직접 열교환하는 개방형으로 구분된다. 밀폐형은 신뢰도가 높지만 공사비가 많이 든다는 단점이 있고 개방형은 효율이 높고 공사비가 낮지만 지하수 부존여부 검토와 영향조사가 필요하다.

 

LH는 다양한 현장사례와 전문가자문을 통해 지열시스템에 대한 표준화된 설계 및 시공가이드라인을 마련 중이다. ’행복도시 6-3 생활권 M1BL‘(행복주택 238호 ZEB 3등급 예비인증) 실증사례를 통해 구체적인 설계기준을 제시했다.

 

먼저 냉난방 부하계산 시 최대부하 계산법과 KSC 9306 기준을 준용했고 단위면적당 부하는 난방 31~41 W/m² 냉방 71~76 W/m² 수준으로 설정했다. 공급온도는 난방부족 민원과 시스템효율을 종합적으로 고려해 최종 50~55℃로 결정했다. 히트펌프는 물-대-물 방식으로 30RT 1대와 50RT 2대를 설치했고 용량은 최대부하 110%로 산정했다.

 

이때 소용량 펌프를 여러 대 설치하는 방안보다 반송동력과 기계실면적 증가 문제를 고려해 3대 집중적용방식을 택했다. 밀폐형 지중열교환기는 총 48공을 지름 150mm 깊이 200m로 시공했고 지열 휴면시간을 고려해 천공간격은 기존 5m에서 6m로 넓혔고 조닝은 6공당 1개 조닝(총 8개 조닝)으로 세분화했다.

 

그라우팅에는 고열전도 벤토나이트를 사용했고 천공깊이는 벤토나이트 중량으로 인한 붕괴방지를 위해 최대 230m로 제한할 것을 권고했다. 또한 2차측배관 보유수량 기준 10분 운전 가능한 유량을 계산해 16톤 용량 버퍼탱크를 설계했고 부분부하 변동에 효과적으로 대응하도록 압력독립형 복합밸브(PICV)를 배관시스템에 적극 도입했다.

 

경제성분석 결과 지역난방+EHP 시스템 대비 초기투자비는 밀폐형 1.78배 개방형 1.4배로 높지만 연간운전비는 밀폐형 52.8% 개방형 50.6% 수준으로 낮고 투자회수기간이 개방형 5.5년 밀폐형 12.2년으로 나타났다.

 

오동현 LH 공공주택시설처 차장은 “△신재생에너지 공급의무비율 산정 시 건물용도별 에너지원 사용비중 차이를 고려해 전기·열에너지 구분의무화 △지역난방 의무사용지역에서 지열시스템 효율적 운영 위해 지역난방 열원 보조열원 사용허용 △다양한 신재생조합(지열+연료전지 등) 분석이 가능하도록 ECO2 프로그램 기능개선 등 정책이 필요하다”고 말했다.

 

공기열HP 경제성·제도적과제 극복 필요

 

김재일 LH 스마트주택기술처 차장은 ‘공기열시스템 공동주택 적용연구’를 통해 차세대 난방·급탕시스템으로서 공기열히트펌프 잠재력과 극복과제를 제시했다.

 

주거용건물 에너지소비 69%가 난방 및 급탕이고 탄소감축을 위해 화석연료 전환이 필수다 유럽 등에서는 이미 공기열히트펌프 보급이 확대되는 추세다. 그러나 국내에서는 아직 공기열원이 재생에너지로 법적인정을 받지 못했고 관련 개정안이 국회에서 계류 중이다.

 

LH는 세종 행복도시 6-3 생활권 101A 동 60세대를 대상으로 TRNSYS프로그램을 이용한 시뮬레이션을 수행했고 그 결과 공기열히트펌프는 하절기 평균 COP 4.3 높은 성능을 보였지만 동절기에는 외기온도 저하에 따라 COP 2.7 수준으로 급격히 감소하는 특성을 보였다.

 

특히 외기온도가 매우 낮은 지역(대관령 등)이나 조건에서는 압축기 토출온도 상승 등 시스템안정성 문제가 발생할 수 있어 가스인젝션기술 적용 또는 보조열원(가스보일러 등) 병용설계가 필요하다는 분석이 나왔다.

 

운전비용측면에서는 현행 전기요금체계(주택용 중위값 적용)에서 공기열시스템은 개별난방 대비 35% 지역난방 대비 32% 연간운전비 절감효과를 보였다. 그러나 LCC분석 결과 초기투자비(개별난방 대비 1.5배 지역난방 대비 1.35배)로 인해 투자회수기간이 각각 19년 22년(물가상승률 미반영 시)으로 나타났고 지열(회수기간 약 24년 후 역전) 수열(약 30년 후 역전) 시스템보다는 장기적경제성이 다소 낮았다.

 

에너지자립률측면에서는 신재생 환산계수를 지열과 동일한 1.0으로 가정해도 전력소비량이 높아 대부분 지역에서 자립률이 10% 이하로 저조했다. 이는 현행 전기 1차에너지 환산계수(약 2.7)가 높아 발생하는 문제로 자립률 현실화를 위한 환산계수조정 필요성을 드러냈다.

 

김재일 차장은 "공기열시스템이 공동주택 새로운 열원설비로서 가능성이 충분하지만 △재생에너지 법적인정 △전기환산계수조정 △실제 환경에서 안정성검증을 위한 실증연구가 반드시 선행돼야 한다”라며 “가스인젝션기술 적용 및 보조열원 병용 등 현실적인 시스템구성모델을 생각할 수 있다”고 말했다.

 

ZEB 3등급 아파트 시공디테일·개선과제 공유

 

신상혁 태영건설 선임은 '제로에너지 아파트(ZEB 3등급) 시공사례 및 개선과제'를 주제로 발표했다.

 

이 현장은 당초 입찰기준(ZEB 4등급)보다 상향된 ZEB 3등급(자립률 71%) 및 에너지효율등급 1+++를 달성했다.

 

핵심패시브기술로는 고단열·고기밀 구현을 위해 PF보드 복합외단열방식을 적용했다. 이는 당초 200mm 외단열설계를 시공성 및 경시변화최소화를 고려해 120mm 외단열과 80mm 내단열조합으로 변경했다.

 

또한 Low-E 3중유리 시스템창호(독일 케멀링사 제품)를 사용했고 골조와 창호접합부에 기밀테이프를 추가시공했고 지붕슬래브와 파라펫접합부 등에는 열교차단재(독일 쉐크사 제품 국산화)를 적용해 열교현상을 최소화했다.

 

신상혁 태영건설 선임은 "패시브성능강화로 난방부하를 15W/m² 이하로 낮췄고 실제 겨울철난방 없이도 실내온도가 10~15℃ 편차 5℃ 이내로 유지됨을 확인했다”라고 밝혔다.

 

액티브기술로는 지열(수직밀폐형 235m 깊이 63공) △옥상 및 입면태양광(BIPV) △발주처요청에 따른 BEMS 등을 적용했다. 특히 BIPV 및 지열공사 시 타공정 간섭최소화 및 안전시공 노하우가 중요했고 기계설비는 지열을 주열원으로 사용했고 지역난방(난방백업)과 흡수식냉동기(90RT 냉방백업)를 예비로 구성했고 세대내에는 △팬코일유닛 냉방 △바닥난방 △H14 헤파필터가 장착된 전열교환기(ERV) 등이 설치됐다.

 

신상혁 태영건설 선임은 “시공과정에서 주요개선점으로 1차측 지열순환루프를 고ㆍ저층부 구분 없이 통합해 하자발생 시 상호백업이 가능하도록 했다”라며 “2-pipe시스템 냉난방자동전환을 위해 월패드(코맥스)-난방분배기(세익)-솔레노이드밸브를 연동하는 제어로직을 개발해 적용했다(냉방: 5/16~9/30 난방: 10/1~5/15)”고 소개했다.

 

신상혁 태영건설 선임은 "ZEB 3등급 구현으로 평당공사비가 일반 아파트 대비 약 79만원 상승했고 기계 및 전기 공사비비중이 17%에서 22%로 증가했다”라며 “향후 공공발주 시 지열공사기간을 전체공기에 현실적으로 반영하고 간절기냉방 민원해결방안 마련 및 정부 지속적지원이 필요하다”고 제언했다.

 

태양광&태양열 PVT시스템 제도개선 필요

 

홍희기 경희대학교 기계공학과 교수는 'PVT(태양광열) 온수시스템 및 아파트 적용효과'에 대해 발표했다.

 

홍희기 경희대학교 기계공학과 교수는 "PVT는 PV 패널 온도상승으로 인한 발전효율저하를 냉각을 통해 막고 이때 흡수한 열로 온수를 생산하는 일석이조기술”이라며 “특히 유창형(Glazed) PVT는 전기생산량 1 대비 약 3배 온수를 추가로 생산할 수 있다”고 설명했다.

 

경희대에서 5년 이상 진행된 BI-PVT(건물일체형) 실증연구 결과를 공유했고 PVT시스템은 PV 단독설치 대비 약 2배 온실가스저감효과를 보였고 가스보일러 예열활용 시 약 14% 추가 에너지절감이 가능하다고 나타났다. 또한 스마트유지관리시스템을 통해 관리자부재 시에도 시스템성능유지가 가능하다.

 

홍희기 경희대학교 기계공학과 교수는 PVT 기술보급 가장 큰 걸림돌로 제도적문제를 지적했다.

 

홍희기 교수는 "검증된 실증데이터에도 불구하고 KS표준제정이 지연되고 있고 신재생에너지 공급의무비율산정이나 ECO2 프로그램에서 온수생산기여도가 제대로 인정받지 못하고 있다”라며 “ECO2 프로그램에서는 PVT 펌프동력소비만 반영돼 오히려 에너지성능이 저평가되는 모순이 발생하므로 LH 등 공공기관 적극적인 실증사업참여와 제도개선노력이 필요하다”고 주장했다.

 

ZEB 습도 제어기술 보급 시급

 

강병하 국민대학교 명예교수는 '제로에너지건물 습도제어 과제'를 주제로 발표했다.

 

ZEB은 단열과 기밀성능강화로 에너지요구량은 크게 줄였지만 내부발생습기와 환기를 통한 외부습기유입으로 인해 실내상대습도가 높아져 곰팡이발생 등 쾌적성 및 건강문제를 유발할 수 있다. 이에 강병하 교수는 실제 패시브하우스 및 지하공간사례를 예시로 제로에너지건물 습도제어기술에 대해 설명했다.

 

강병하 국민대학교 명예교수는 현재 ZEB 필수설비인 열회수환기장치(ERV) 한계를 지적했다.

 

강병하 교수는 "대부분 ERV는 온도교환효율에 비해 습도교환효율이 낮고 특히 고온다습한 여름철에 외부습기를 충분히 제거하지 못하고 오히려 실내측에 결로를 발생시킬 수 있다”라며 “동절기결로방지용 예열히터는 에너지절감효과가 미미해 근본적인 문제해결을 위해 현행표준 개선이 필요하다”고 밝혔다.

 

KSB 6879(ERV 기준)와 KSC 9306(에어컨 기준) 시험조건(35℃ 40% RH)이 우리나라 실제 여름철기후(31℃ 64% RH - 국토부기준)와 동떨어져 있어 잠열부하를 제대로 평가하지 못한다. 이는 냉방 시 과냉각 없이 습도를 낮추기 어렵게 만든다.

 

강병하 국민대학교 명예교수는 "냉각제습만으로는 한계가 명확하므로 제습성능을 강화한 환기 및 공조기술개발과 함께 국내기후특성을 반영한 현실적인 성능기준제정이 시급하다”라며 ”관련학회차원 논의가 활발히 진행 중”이라고 말했다.