대한설비공학회는 지난 10월24일 한국과학기술회관에서 ‘건물부문 탈탄소화를 위한 히트펌프 적용 전략’를 주제로 설비포럼을 개최했다고 밝혔다.

 

대한설비공학회 △건축환경부문위원회 △냉동부문위원회 △ZEB시스템 전문위원회 △복사냉난방 전문위원회는 국토교통부와 공동주관으로 이번 포럼을 열며 논의의 장을 마련했다.

 

 

송두삼 대한설비공학회 회장은 축사를 통해 “탄소중립 목표달성에 있어 중요한 역할을 하는 히트펌프에 대한 관심이 뜨거운 가운데 설비공학회도 히트펌프의 국내 정착·해외시장 진출을 위한 논의를 체계적으로 진행할 것”이라며 “정부도 히트펌프에 대한 지원을 확대할 것으로 기대돼 건물부문 탄소중립을 위한 히트펌프의 역할과 기업의 해외수출 방안 모색을 위한 자리들이 많이 마련되기길 바란다”고 말했다.

 

홍성준 국토부 녹색건축과 과장은 축사를 통해 “2050 탄소중립 선언과 파리기후협약에 따라 2035 국가 온실가스 감축목표(NDC) 제출을 위한 준비를 하고 있다”라며 “건물부문 온실가스 배출량 감소는 탄소중립에 있어 중요한 과제로 건물부문 전기화를 위한 히트펌프 활용방안을 고려하고 있다”고 말했다.

 

이어 “오늘 토론회가 히트펌프 활성화를 위한 현재상황을 이해하고 직면한 과제에 대한 해답을 찾기 위한 시의적절한 자리가 되길 기대한다”라며 “건축설비부문 비전수립과 향후 발전방향에 대한 논의를 기대한다”고 덧붙였다. 

 

2차 기계설비법, HP 보급활성화 방안 담길 것

정창호 대한설비공학회 용역위원장은 '기계설비 기술 R&D 로드맵 추진 배경 및 진행 방향 소개' 발표를 통해 히트펌프 보급활성화를 위해 현재 진행 중인 R&D현황을 공유했다.

 

기후위기 대응과 탄소중립 실현을 위해 기계설비산업 역할이 더욱 중요하게 떠오르며 현재 기계설비법 등을 통한 기계설비 기술 및 산업발전을 위한 국가주도 기반구축과 보급활성화 방안이 마련되고 있다. 

 

1차 기계설비법은 기계설비산업발전 기반구축과 제도정착을 위한 큰 목적가지고 추진되고 있다. 내년부터 2030년까지는 2차 기계설비발전기본계획 수립해 추진해야 하는데 이때 핵심목표는 저변확대와 기술·산업고도화다.

 

계획수립에 앞서 기계설비 선진화를 위한 중장기로드맵 연구가 진행되고 있다.

 

연구 주요내용은 중점추진과제를 도출로 연구진들은 △지속가능성 강화 △기계설제도 고도화 △기계설비산업 안정화 수요공급시장신뢰성 강화 △기술선도우위 강화 등 5개의 핵심전략을 도출했다.

 

전략설정 시 기술우위 강화에 초점을 두며 △시급성 △파급성 △기술현실성 △제도적현실성 △기계설비법령 적합성 등을 중점검토했다. 정책과 제도검토도 이뤄졌다. 기계설비법, 건설산업기본법 등 법령과 국정과제 등 정부정책 검토을 검토해 핵심내용을 전략과제에 녹아들어가도록 유도했다.

 

정창호 용역위원장은 “산·학·연 전문가 의견을 모아 핵심이슈와 향후전망 등을 지속적으로 수집했다”라며 “특히 개보수 수요가 증가하고 있다는 것을 확인할 수 있었다”고 말했다.

 

핵심전략에 따른 주요과제안에 따르면 △AI시대 핵심기술 접목 디지털융합 기계설비기술 △기후변화 대응과 탄소중립 실현을 위한 기계설비기술 △사회구조 변화 및 국민요구 고도화에 대응하는 기계설비기술 등이다.

 

AI시대에 대비한 디지털 융합기계설비기술 추진을 위해 BIM기반 기계설비표준과 라이브러리 개발, BIM·디지털트윈 활용 가상시뮬레이션, 최적제어 및 실시간모니터링 기술 등이 활용될 것으로 기대된다.

 

또한 기후변화대응과 탄소중립 실현을 위해 히트펌프기반 에너지절약적 냉난방·급탕통합기술과 기축건물 기계설비성능 진단기술부터 성능개선을 위한 Retrofit과 리모델링의 연계방안 등을 연계하는 기술도 필요할 것으로 보인다.

 

사회구조 변화에 대응하기 위해서는 전전화건물을 실현하기 위한 준비가 필요하며 데이터센터 등 신산업과 연계한 기술개발과 제습·환기·청정 통합형 실내공기질 관리기술 등도 중요한 역할을 할 것으로 보인다.

 

정 위원장은 “향후 핵심전략과 중점과제 등에 대한 국토부 의견을 청취하며 각 분야별 산·학 자문위원단을 선정해 의견수렴을 진행할 것”이라며 “핵심전략과 중점과제를 결정한 후 전문가를 통한 기술 R&D설명서 작성·검토도 이뤄질 것”이라고 강조했다.

 

공동주택내 히트펌프 적용 해결과제 공유

여명석 대한설비공학회 선출직 부회장(서울대 교수)은 '공동주택 히트펌프 시스템의 계통 구성과 주요 이슈' 발표를 통해 공동주택 히트펌프시스템이 가진 과제와 계통구성 주요이슈 등을 공유했다.

 

바닥난방이 주를 이루는 국내 현실 속에서 히트펌프 설계 시 저부하구간에 대한 해결책이 필요하다. 보일러와 히트펌프의 외기온도에 따른 온수온도에 차이를 두며 실험을 진행한 결과 에너지소비량은 동일하지만 효율값이 달라지는 결과가 나타났다.

 

주로 사용되는 콘덴싱보일러는 온수온도가 낮을 때 콘덴싱이 일어나 효율이 좋다. 히트펌프도 보일러와 마찬가지로 온수온도가 낮을 때 성능계수(COP)가 높게 나타났다.

 

이에 따라 복사난방 활용 시 온수온도를 낮추기 위한 노력이 필요한 상황이다.

 

그러나 국내 바닥구조에서는 바닥패널이 두꺼워짐에 따라 요구공급수온도가 증가하고 있다. 이는 모세유관 적용을 통해 온수온도를 낮추는 방법이 가능할 것으로 기대된다.

 

열원에 따른 이슈도 존재한다. 중앙난방·개별난방은 보일러를 이용해 수조 내의 물을 가열하거나 직접가열통해 온수를 생산하게 된다. 국내는 주로 공동주택에 세대별로 가스보일러를 설치 중인데 이때 배관손실이 많이 발생하며 개별난방 시 난방부하의 적은 피크값과 급탕의 피크밸런스를 맞추는 것이 중요하다.

 

지역난방배관의 경우 중앙공급 시 배관손실 등 많이 일어나는데 이를 방지하기 위한 지역난방 온수온도를 제대로 산정하는 것이 중요하다. 중앙공급식 계통방식의 경우 급탕온수를 낮춰야하는데 이때 배관내 온도가 50℃ 정도가 형성한다. 하지만 지역난방을 쓰는 아파트에서의 급탕온도는 43~45℃로 레지오넬라 이슈가 발생할 수 있다. 이때 세대별 급탕열교환기를 달아 서플라이관을 짧게 형성시키면 레지오넬라 감염리스크가 적어질 것으로 예상된다.

 

급탕의 경우 국내 급탕패턴이 출근시간에 맞춰져있어 건축물 보일러의 경우 급탕부하의 순간피크를 고려한 설계가 이뤄지게 된다. 급탕은 에너지소비량이 작지만 피크값이 커 실제 연간기준으로는 난방부하가 더 크게 발생한다. 하지만 급탕부하를 만족시키기 위해 난방입장에서 과용량설계가 이뤄진다. 이를 줄이기 위해서는 예약기능 등을 활용하는 것이 대안이 될 수 있다.

 

최근 화두가 되는 공기열원의 경우 외기온도가 낮을 경우 COP가 낮아져 효율성이 떨어진다. 실제 시범설치결과 전력사용량이 겨울철 누진구간 3단계에 속하며 미사용 시보다 높게 분포돼 이에 대한 대책이 필요하다.

 

지열히트펌프는 냉난방밸런스가, 수열은 워터바디사이즈에 따른 에너지포텐셜을 고려해야 할 것으로 보인다. 최근 주목받는 PVT 등을 활용한 태양열시스템의 경우 축열조 사용에 따른 설치면적과 일사량 고려가 시급하다.

 

다양한 열원을 사용하게 되면 단일열원의 효율저하현상을 보완할 수 있을 것으로 기대된다. 특히 공기열과 지열, PVT와 지열, PVT와 공기열원시스템 등이 고려되고 있는 현재 단독주택을 중심으로 연구가 이뤄지고 있어 공동주택에 대한 추가적인 연구가 필요하다.

 

여명석 교수는 “히트펌프 사용 시 쇼트사이클 방지를 위한 축열조나 인버터내장형 히트펌프를 사용해야 한다”라며 “주거건물에서 샤워 시 1인당 사용온수량이 100L 이상인 것을 감안해 급탕축열조 용량을 검토해야 한다”고 강조했다. 이어 “바닥구조체, 열원측면 최적화와 건물과 시스템의 최적화가 이뤄져야 한다”라며 “모든 요소를 고려한 실증이 진행돼 건물부문 탈탄소화를 이뤄내야할 것”이라고 말했다.

 

가정용 HP 보급, 소비자인식 개선 시급

김민성 대한설비공학회 냉동부문위원장(중앙대 교수)은 국내 보급량이 0%에 머무르는 가정용 히트펌프에 대한 보급활성화 방안을 공유했다.

 

히트펌프시장 구조는 냉방의 경우 가정용과 상업용, 난방의 경우 상업용과 산업용으로 구성돼있다.

 

상업용 히트펌프시장 규모는 약 15%를 차지하고 있어 적은 수치다. 국내에서 히트펌프 보급이 어려운 요인은 △에너지가격 취약성 △기기설치비용 취약성 등으로 예상된다. ROI가 높은 히트펌프는 소비자들에게 매력적인 요인으로 다가가지 못한다는 것이다.

 

또한 바닥난방과 공기냉방을 하는 주거문화의 특이성으로 인해 보급이 제한적이며 가정에서 난방기구로써 히트펌프에 대한 인식이 저조하다.

 

김민성 위원장은 “가정용 히트펌프 보급을 통해 기술적이해도를 높이면 수용성이 좋아질 것”이라며 “정부에서도 히트펌프에 대한 이해도가 향상돼 정책적인 노력이 시작됐기 때문에 활발한 지원체계를 발굴하며 관련제도와 법령제정이 예상된다”고 말했다.

 

가정용 히트펌프의 경우에는 보급지원제도가 미약하며 냉난방기간이 점점 길어지고 있는 기후조건을 고려했을 때 연간 5개월간 난방운전이 가능하다는 아쉬움이 있다.

 

또한 냉방부하보다 난방부하가 훨씬 크기 때문에 난방을 위해서는 에어컨보다 큰 용량의 시스템이 필요하며 바닥난방, 급탕을 위한 축열조가 필요하게 돼 세대 내 공간이 부족하다는 문제점도 발생한다.

 

김민성 위원장은 “선택적 가전제품인 에어컨에 비해 난방은 세대와 결합된 필수시스템”이라며 “가스보일러와 지역난방을 선호하는 국내상황에서 히트펌프는 익숙하지 않으며 보일러대비 높은 초기설치비로 보급이 저해되고 있다”고 말했다.

전력수급문제에 대한 우려도 발생함에 따라 김 위원장은 전력부하영향 분석을 실시했다. 난방용보일러 가스소비량을 시간별 가스난방열수요로 변환해 히트펌프 COP와 보일러 열효율을 고려해 전국 지역별 실시간 열부하분석에 따른 히트펌프 전력부하를 산정했다.

 

심야축열 우선방식과 수요예측기반 축열방식을 비교해 실험을 실시했다. 심야축열우선방식의 경우 운전시나리오는 단순하지만 부하예측을 잘못했을 경우 축열손실이 증가될 수 있다는 우려가 있다.

 

수요예측기반 실험의 경우 잦은 축·방열사이클이 필요하지만 수요에 맞춘 축열을 구현할 수 있다. 부하에 따른 전력피크절감효과 분석결과 축열운전 시 실시간 부하대응 히트펌프운전보다 전력피크가 감소하는 것으로 나타났으며 축열용량이 크고 열부하가 클수록 히트펌프 보급에 따른 피크절감효과 높을 것으로 예상됐다.

 

김 위원장은 “수요예측운전의 피크절감효과가 우수하게 나타났다”라며 “히트펌프와 축열조의 합으로 전력피크 상승 억제가 가능할 것으로 보여 부하예측기술과 결합한 운전기술이 필요하다”고 말했다. 이어 “축열기반 히트펌프 및 전력피크모델 한계로 인한 변수를 고려하며 미래전력시장 변화에 따른 시나리오를 반영하기 위한 AI기술 등이 필요할 것”이라고 강조했다.

상업·산업용 히트펌프 DT기반 인공지능제어기술 소개

박노마 LG전자 ES본부 책임연구원은 산업용·상업용 공조시스템의 디지털트윈제어시스템을 공유했다.

 

산업용공조는 정밀온습도 및 청정도와 압력제어가 필요하며 이를위해 AHU와 중앙제어장비가 필수적이다. 또한 정밀제어가 요구돼 상업용 VRF방식은 대응불가능하다는 단점이 있다.

 

이에 따라 LG전자는 외기도입과 급기의 정밀제어를 위해서 AHU와 DDC를 적용했다. 이때 산업용공조의 비정형성으로 인해 챔버시험보다는 현장엔지니어링이 중요하며 설계단계·로직개발은 가상검증 이 필수적인 상황으로 맞춤형 제어로직을 설계했다.

또한 목표온·습도 실내조건 도달을 위한 경로상 자유도가 크고 200% 이상의 안전율로 과설계돼 있어 제어로직 최적화효과를 기대했다.

 

LG전자는 청주 CEM공장에 가상화솔루션을 활용했다. 기존설비를 개선하기 위한 다른 현장에도 적용이 가능하다.

 

솔루션은 총 10단계로 △현장정보수집 △가상시스템모델 DDC 연동 △HLS 구성 △해석모델검증 △가상시스템 연간운전 △현수준분석 △시뮬레이션기반 제어로직최적화 △최적제어후보도출 △최적제어안 채택 △선정제어로직 △DDC 온보딩 △에너지절감모니터링 등이다.

 

박노마 책임연구원은 “각 요소부문 시뮬레이션을 통해 모델을 만들고 각각 모델을 데이터베이스화해 저장했다”라며 “가상환경공조부하 계산소프트웨어를 개발하고 디지털트윈환경 구축을 외해 DDC 연동 Hils를 구성해 실제 현물과 모델을 동기화하며 운전할 수 있도록 했다”라고 말했다.

 

가상시스템검증을 통해 필드 실측데이터와 비교한 결과 3~4% 격차를 보였으며 예측은 2~4% 수준의 오차를 나타냈다. 소비전력도 실측의 97.2%로 우수했다.

 

박노마 책임연구원은 “가상시스템 최적제어를 통해 에너지절약을 위한 DX실외기 최적 냉매온도 선택을 위해 dysim-ahu를 시뮬레이터로 이용하고 최적화통한 강화학습모델을 고려했다”라며 “기존의 경우 DX코일이 과도한 제습운전으로 현열이 목표대비 낮아졌지만 데시칸트 운전 시 최적로직은 OA-SA를 잇는 직선상에서 크게 벗어나지 않아 결과적으로 스팀사용량을 줄일 수 있었다”고 말했다.

 

이어 “최적제어결과 전기요금 절반정도 줄어들었으며 연간에너지사용량 53.7% 감소했다”라며 “산업용 공조 디지털트윈 통한 사업가치사슬이 확대될 것으로 기대되는 가운데 이를 위해 VPD기술을 활용한 산업용 공조솔루션 개발이 향후에 필요할 것으로 보인다”고 말했다.

 

LG전자는 상업용 멀티히트펌프의 디지털트윈기술 적용을 위해 AI엔진내장시스템 시뮬레이션 모델기반 최적제어인자를 도출한 후 실제 제품제어에 적용했다.

 

예측결과와 실측차이 피드백을 통한 모델개선루프 반복해 세계최초 시스템에어컨 엣지형 디지털트윈제어환경을 구축했다. 데이터게더링을 통해 현장에 스스로 디지털트윈 모델을 만들고 직접 운영해 최적제어 알고리즘을 만들어내는 온디바이스 디지털트윈으로 학습시킨 내용을 온보딩하는 것이 아니라 스스로 최적제어방안을 학습할 수 있도록 유도했다.

 

박 책임연구원은 “온디바이스 디지털트윈모델은 시스템에 쉽게 결합돼 팀간협업을 통한 시뮬레이션”이라며 “디지털트윈 모델을 통해 강화학습기반 제어를 수행했다”고 말했다. 이어 “개발한 기술을 기존 로직과 비교했다”라며 “디지털트윈기술이 45%의 에너지절감효과가 나타났으며 기존 부하대응제어 절감량의 2배 이상 에너지절감을 보였다”고 덧붙였다. 

히트펌프 보급활성화 방안 제언

주제발표 이후 패널토론이 진행됐다. 장영수 대한설비공학회 차기회장(국민대 교수)이 좌장을 맡은 가운데 △홍성준 국토부 녹색건축과 과장 △최준영 대한설비공학회 전임 회장 △이상준 한국토지주택공사 위례사업본부 차장 △송찬호 한국기계연구원 히트펌프연구센터장 △진상기 대한기계설비산업연구원 실장 △강한기 이젠엔지니어링 대표 △신상혁 태영건설 기계팀장 등이 패널로 참여했다.

 

 

장영수 대한설비공학회 차기회장은 “이번 설비포럼이 히트펌프 기술로드맵 구축에 기여할 수 있을 것”이라며 “향후 ECO2 개선 등의 노력이 이어지길 바란다”고 말했다.

 

송찬호 한국기계연구원 히트펌프연구센터장은 “히트펌프 보급에 따른 어려움을 극복해야 하는데 먼저 전기요금체계와 누진제 등으로 가스요금 등과 균형을 살펴보며 요금체계를 손봐야 한다”라며 “냉매트렌드 분석과 제한된 공간 안에서 히트펌프를 설치할 수 있는 방안도 모색해야 한다”고 말했다.

 

이어 “전체적인 탄소중립 NDC 목표뿐만 아니라 하위단에서 뚜렷한 목표가 있어야 한다”라며 “공동주택, 아파트에 64%가 거주하는 환경 속에서 재생에너지사용을 높이는 등 한국형 전략이 필요하며 지역적 특성을 고려해 제도적인 모델을 마련할 수 있다면 좋을 것”이라고 말했다.

 

최준영 대한설비공학회 전임회장은 “현정부들어 히트펌프가 NDC 주요 의제로 채택된 가운데 시장에서 문제없이 보급하는 것이 가장 중요하다”라며 “기술적으로 해결해야 할 문제와 환경·제도적으로 갈 길이 먼 가운데 전기요금체계·건축법 등 개선과 소비자 인식개선 등의 활동이 이어진다면 시장활성화가 이뤄질 것”이라고 제언했다.

 

강한기 이젠엔지니어링 대표는 “정책적인 문제해결없이는 하이브리드시스템의 국내 정착은 어려울 것”이라며 “공기, 지열·수열 등 다른 좋은 시스템에 대한 에너지절약적 시스템이 건물에 들어갈수 있게 설계시스템이 제대로 구성돼야 한다”고 지적했다. 이어 “실질적인 에너지절약시스템 설계할 수 있는 환경 안되면 전전화는 어려우며 에너지절약도 어려운 상황”이라며 “정책에 대한 국가지원 등이 없으면 사실상 탄소중립 실현을 갈길이 멀어 시스템, 제도적 기반이 시급히 마련되길 바란다”고 말했다.

 

 

이상준 한국토지주택공사 위례사업본부 차장은 “공동주택 내 히트펌프 적용방안을 고민 중에 있으며 △지열 △수열 △공기열 등 히트펌프의 적용가능성을 지속적으로 확인하고 있다”라며 “중요한 것은 비용절감과 탄소절감으로 공기열히트펌프를 공동주택에 적용하기 위한 설계가이드라인을 제작 중”이라고 말했다.

이어 “히트펌프 활성화를 위해서는 전력요금제 개선이 필요한데 한국전력에서도 적극적인 움직임을 보이는 것으로 보고 있어 긍정적”이라며 “공기열히트펌프는 단일모델로는 전국확대에 어려움이 있어 지역에 따른 적정모델을 찾아가야 할 것”이라고 지적했다.

 

홍성준 국토부 녹색건축과 과장은 “2035 NDC 수립을 진행하며 히트펌프의 적용방안을 논의 중인 상황으로 다양한 실증과 시범사업을 통한 히트펌프 소개의 장이 많이 마련되길 바란다”라며 “히트펌프가 직면한 문제점을 해결하기 위해 전략을 세우며 정부부처들과 논의를 꾸준히 진행하며 적용방안을 검토할 것”이라고 말했다.

 

신상혁 태영건설 기계팀장은 “국내 최초 ZEB 3등급 주택 기계설비담당자로 업무를 진행하며 느낀 아쉬움이 있다”라며 “정책적으로는 설계발주단계부터 지열 또는 수열 등 각종 열원에 의한 히트펌프시스템을 구축하기 위한 적정공기와 공사비 확보가 중요할 것”이라고 말했다.

 

이어 “환경적으로는 고온·다습한 여름기간이 길어지고 있으며 겨울에는 한파 등이 계속 일어나므로 한국인의 주거환경과 습성에 맞는 현실적인 부하기기가 개발돼야 할 것”이라며 “공공에서 지열히트펌프시스템, ZEB 활성화 등 위해서는 결국 국토부와 LH 등 공공주도로 추진해야 민간에서 따라갈 가능성이 있기 때문에 공공주도의 시범사업이나 정책지원 등이 활성화된다면 민간시장 활성화에도 긍정적인 영향으로 이어지는 만큼 좋은 품질로 보답할 것”이라고 제안했다.

 

진상기 대한기계설비산업연구원 실장은 “제2차 기계설비발전기본계획 수립과정을 위해 설비공학회를 포함한 여러 전문가들의 자문을 받고 있다”라며 “히트펌프 효과는 우수한 것으로 나타났지만 건축물에 직접 들어와 있을 때의 효과를 분석해야 한다”고 말했다.

 

이어 “건축물전체안정성 관리 측면이나 공기열 히트펌프의 입법화 추진하면 기계설비산업에 여러 타 재생에너지와의 상충성 등 산업적 충돌성이 중점 고려사항”이라며 “성능유지를 위한 관리가 이뤄져야 책임주체, 활동 등에 대해 면밀히 봐야 할 것으로 예상되며 기술기준, 유지관리기준에 반영해야 하는데 이는 표준화되고 정량화하는 것에 대한 어려움이 있어 이를 고민해야 한다“고 지적했다.