지난 6월20일 진행된 대한설비공학회 하계학술대회 냉난방부하세션에서는 제로에너지건축물(ZEB) 에너지자립률 분석과 PVT와 연계한 히트펌프 시스템 등에 대한 연구성과를 공유했다.

 

ZEB 공동주택 설비용량·에너지자립률 분석

 

심찬형 강원대학교 회원은 ZEB 인증을 위한 공동주택 설비용량과 에너지생산량 분석을 실시했다.

 

건물에너지 절약을 위해 에너지절약설계기준이 지속적으로 강화되고 있는 가운데 설비용량은 열적성능에 영향을 미치는 매우 중요한 요소 중 하나다.

 

그러나 현재 적용하고 있는 설비용량 기준은 강화된 법적 열관류율을 기준으로 반영하고 있지 못하며 이는 과용량설계로 이어져 에너지소비량이 증가할 수 있다는 우려가 있다.

 

국내의 경우 그린리모델링(GR) 사업을 진행 중이지만 냉난방에너지 증가대상지 요구량은 감소했지만 소비량은 지속적으로 증가하고 있는 상황이다.

 

설비용량은 현재 열사용시설기준과 KSC9306 등 단위면적당 냉난방부하관련기준을 적용 중이며 이는 모두 과거에 오래전 제정됐다.

 

KSC 9306 난방부하는 최상층의 경우 250w/㎡이며 중간층은 220w/㎡였다. 냉방부하는 최상층 185w/㎡, 중간층 145w/㎡ 등이다. 열사용시설기준은 41.0~43.8로 난방부하만 제시하고 있다.

 

연구진들은 ZEB 공동주택 설비용량을 산정하며 에너지자립률을 분석하기 위한 연구를 진행했다. 이를 위해 △제로에너지 공동주택 적용사례 수집 △기준별 단위면적 당 냉난방부하 비교 △제로에너지 공동주택 냉난방부하 계산 △에너지자립률 계산 등의 과정을 수행했다.

 

공동주택 적용사례는 5년이 내 준공된 ZEB 3~5등급 대상건물의 열적성능을 조사했으며 열관류율 개정과 제로에너지기술요소참고서 등을 기반으로 열적성능기반 부하를 계산했다.

 

수집한 공동주택 적용사례에 대한 입력데이터를 기반으로 냉난방부하를 계산했으며 산정된 부하에 1.5%를 적용해 설비용량을 입력했으며 에너지자립률에 필요한 태양광패널 면적을 계산했다.

 

대상모델은 ZEB 5등급 인증을 받은 건물을 대상으로 △외피면적 △바닥 △지붕면적 등을 토대로 시뮬레이션을 실시했으며 연구진들은 10년간의 데이터를 기반으로 위험률을 2.5%로 산정한 값을 입력했다.

 

설계용 외기조건 산정결과 서울 난방기간 제외하고 0.2~2℃ 상승한 것으로 나타나 이를 기반으로 시뮬레이션을 수행했다. 난방부하 계산결과 냉난방부하 모두 열관류율 상승에 따라 단위면적당 냉난방부하가 감소한 것을 확인했다.

 

한국지역난방공사의 열사용시설기준과 KS C 9306 ‘에어컨디셔너’ 및 RTS-SAREK을 통해 산정한 단위면적당 냉·난방 부하를 비교결과 열사용시설기준의 난방부하는 22.3~34.7% 높았으며 KS C 9306의 난방부하는 86.0~88.0%, 냉방부하는 56.4%~66.9% 더 높게 나타났다

 

RTS-SAREK을을 기반으로 산정된 냉난방부하를 ECO2 프로그램에 입력한 후 태양광·건물일체형태양광(BIPV)을 설치한 경우에 따른 에너지자립률과 ZEB등급 분석결과 옥상면적의 70%에 해당하는 PV만 설치할 경우 에너지자립률은 ZEB를 충족하지 못했지만 BIPV를 추가설치할 경우 ZEB 5등급을 달성할 수 있을 것으로 분석됐다.

 

심찬형 강원대 회원은 “동적에너지시뮬레이션 프로그램을 통해 여유율 조정과 부분부하운전 등의 지표를 통해 설비용량에 대한 적정성 판단이 필요할 것으로 보인다”라며 “지열이나 태양열 패널 등 추가요소 연구 진행할 예정”이라고 말했다.

 

동적시뮬레이션을 이용한 PVT연계 공기열원히트펌프시스템 성능분석

 

조현문 부산대학교 회원은 PVT와 연계한 공기열원히트펌프시스템 성능분석 결과를 공유했다. 최근 재생에너지 설비용량과 발전량은 증가하는 추세임에도 발전믹스 내에서 차지하는 비중은 1/3으로 낮은 상황이다.

 

재생에너지 활용 확대를 위한 방안으로 태양광·열복합패널(PVT)와 연계한 공기열원시스템이 에너지자립률 향상과 효율적인 열관리측면에서 주목받고 있다.

 

연구진들은 실제건축물에 설치된 PVT와 공기열원히트펌프 시스템을 대상으로 동적재해석시뮬레이션을 활용해 연간시간당 시뮬레이션 결과를 산출했으며 히트펌프 성능계수(COP)와 발전효율 및 집열효율 등을 분석했다.

 

구축된 설비는 △축열조 △펌프 △팬코일유니트 △PVT △공기열원히트펌프 등이다. 시뮬레이션을 위해 건축물 현상을 박스형태로 단순화해 구현했으며 부하모델의 창면적비율은 36.1이며 창문프레임비율은 15%로 설정했다.

 

트랜시스18시스템을 통해 PVT 집열특성과 냉난방부하조건에 ᄄᆞ라 운전논리를 구분했다. 난방운전은 △HST 이용 난방운전 △ASHP이용 HST 축열운전 △PVT 이용 HST축열운전 등이며 냉방 시에는 △ASHP이용 HST 축열운전 등을으로 구분됐다.

 

시뮬레이션 결과 여름철에는 히트펌프 입출수온도를 일정하게 유지했으며 일정수준의 COP를 지속적으로 유지했다. 겨울철에는 8시경부터 입출수온도차가 가장 높았으며 그 이후로 점차 하락하는 것을 확인했다.

 

시스템COP는 여름철에는 최대 7.8이었으며 겨울철에는 일부구간에서 히트펌프가 미운전상태였어도 PVT 집열과 발전을 지속했으며 결과적으로 높은 COP가 산출됐다.

 

△서울 △부산 △목포를 대상으로 지역별 시스템성능차이 분석한 결과 시스템 COP는 여름철에는 △목포(6.58) △부산(5.69) △서울(3.07) 순으로 높았으며 겨울철에는 △서울(5.41) △부산(4.83) △목포(4.50) 순으로 나타났다. 이는 히트펌프 열원온도차이와 지역간 일사량 차이로 인한 것으로 분석할 수 있을 것으로 판단된다.

 

여름철 대표일의 경우 일일평균 히트펌프COP는 4.13이었으며 시스템COP는 5.69로 나타났다. 겨울철에는 히트펌프 COP와 시스템 COP가 각각 4.24와 4.83이었다.

 

조현문 학생은 “기존 공기열원시스템 대비 PVT와 결합한 하이브리드시스템이 우수한 성능을 보였다”라며 “연구를 통해 기후조건에 따라 성능차이가 발생한다는 점을 확인할 수 있었다”고 말했다.