지난 5월13일부터 15일까지 개최된 HVAC KOREA ‘건물에너지세션’에서는 건물에너지 저감기술을 기반으로 한 미래의 건물에너지 저감솔루션 기술동향 및 발전방향에 대한 논의가 진행됐다.

 

AL열전도판 활용 공동주택시장 선도

민준기 아키필드 건축사사무소 기술엔지니어링본부장은 ‘공동주택 ZEB인증 시 알루미늄 열전도판의 에너지절감 효과 분석’을 주제로 발표하며 국제 가스가격 폭등으로 서민들의 난방비 부담이 가중되는 상황에서 바닥복사난방 구조체의 열성능을 극대화해 친환경건축자재시장과 탄소중립 주거인프라를 견인할 혁신솔루션을 제시했다.

 

민 본부장은 스피폭스 및 성균관대학교 탄소중립에너지 복지연구센터의 지원을 받아 수행한 공동연구 성과를 전격 공개했다. 30세대 이상 민간 공동주택의 ZEB인증 의무화가 허가단계부터 유사 강제성을 띠고 진행되는 현시점에서 에너지자립률 확보와 신재생에너지 설치 공사비 부담을 경감할 수 있는 정량적인 바닥복사난방 열성능 평가방법론과 실증데이터를 다각적으로 입증했다.

 

발표에서 소개된 친환경 건축자재 ‘AL열전도판’은 바닥복사난방용 온수코일 상부에 접해 설치하는 녹색기술인증 제품이다. 본 제품은 0.3mm 두께의 알루미늄 원판에 동 도금 및 우레탄 코팅을 입힌 사양으로 195W/m²·K 이상의 초고열전도도를 자랑한다. 이는 기존 온돌바닥 시멘트 콘크리트 및 몰탈(열전도도 1.0 미만)대비 약 200배에 달하는 수치다.

 

특히 온돌 몰탈 타설 후 경화되는 과정에서 발생하는 강알칼리성 환경에서도 72시간 이상 부식되지 않고 견디는 완벽한 내식성 스펙을 확보했다. 과거 온수배관으로 널리 쓰였던 구리(동)의 톤당 가격이 철의 12배가 넘는 9,500달러 선까지 폭등한 상황에서 뛰어난 열효율과 가격 경쟁력을 모두 갖춘 알루미늄 재질이 최적의 건축 대체재임을 과학적으로 증명했다.

 

기술의 핵심 메커니즘은 기존 온돌 배관과 배관 사이(통상 간격 250mm)에서 온수가 돌 때 배관 주위만 뜨거워지고 중심부는 차가워지던 고질적인 ‘열골현상’을 타파하는 것이다. 몰탈 타설 전 배관 상부에 롤러 형태로 가볍고 용이하게 시공한 뒤 이클립스로 무결점 고정하면 열전도판 면적비 20% 이상의 알루미늄 층이 열을 바닥 전면으로 급속 확산시킨다. 바닥이 고루 데워지면서 표면온도가 신속히 상승해 보일러 가동 횟수를 원천적으로 줄여준다. 또한 몰탈 경화과정에서 나타나는 바닥 균열을 방지하는 매시(Mesh)기능도 동시에 수행한다.

 

정량적 성능검증 결과, KCL 실험실 챔버기준 22%의 에너지절감 시험성적서를 획득한 데 이어 조달청 혁신제품 재원을 지원받아 국토교통부·LH 협조하에 진행된 화성 향남아파트(지역난방 소스) 실증실험에서도 21.9%의 절감률이 도출돼 높은 현장 신뢰성을 입증했다. 특히 주기적인 온도 보정 주기를 갖는 ‘외출모드’ 가동 시에는 빠른 열 확산력 덕분에 보일러 재가동 부하를 차단하며 무려 41.8%의 난방비 폭탄을 절감하는 효과를 선보였다.

 

해당 기술을 ZEB 건물에너지 평가프로그램인 ‘ECO2’ 시뮬레이션에 정식 탑재하기 위해 한국에너지공단 기술심의 및 대한설비공학회 기술기준 특별위원회와 진행 중인 객관적 열성능 평가표준 제정절차를 상세히 공개했다.

 

ISO 50031 및 EN 1264 등 국제표준 수식을 기반으로 3차원 비정상 상태 전열 해석(3D FEM 수치 해석 모델링)을 수행한 결과, 표면 연류밀도가 13.2%~13.8% 증가해 바닥 방출 열량이 대폭 늘어남을 입증했으며 엑셀 간이 산출도구를 통한 작용 온도계산에서도 최종 10% 내외의 순수 공학적 난방에너지 절감 알고리즘을 도출했다.

 

해당 알고리즘을 국내 공동주택의 실제 1차 에너지소요량에 대입해 가상 분석한 결과 ZEB 인증 시 AL열전도판을 반영하면 개별난방 아파트는 연간 9.9~6.2%, 지역난방 아파트는 7.0~4.4%의 1차 에너지소요량을 즉각 감축할 수 있다. 이는 건물 ZEB등급별 에너지자립률 부담을 최소 2%에서 최대 12%까지 줄여주는 획기적인 수치다.

 

민준기 본부장은 “국민평형 기준으로 세대당 150만~180만원 수준의 초기 AL판 시공 공사비가 추가돼 건설사들이 부담을 느끼고 있다”라며 “하지만 해당 기술을 설계 및 친환경인증 리포트에 적극 반영할 경우 ZEB등급 확보를 위해 의무설치해야 하는 태양광 등 신재생에너지설비 투자비를 세대당 최소 20만원에서 최대 120만원까지 경감받아 상쇄할 수 있다”고 경제적 상생대안을 제시했다.

 

탄소중립시대 해법 ‘자연냉열 빙축열시스템’
고아현 한국에너지기술연구원 효율연구본부 책임연구원은 ‘자연냉열·빙축열시스템을 이용한 건물 냉방부하 절감기술’을 주제로 발표하며 폭염으로 인한 여름철 냉방 전력피크 문제와 신재생에너지 증가에 따른 출력 제한 문제를 동시에 해결할 수 있는 친환경·저비용 장주기 ESS 연계형 냉방기술을 공개했다.

 

국내에 풍부하게 존재하지만 버려지던 겨울철 차가운 공기를 에너지원으로 활용하는 계간 축열 시스템이 소개됐다. 2024년 기준 국내 건물에너지사용량이 전년대비 3.9% 증가한 가운데 도시가스사용량은 1.8% 감소했음에도 총 전력소비가 급증한 원인은 기록적인 폭염과 열대야로 인한 냉방수요 폭증에 있었다.

 

특히 최근 AI 열풍으로 급증하는 데이터센터와 첨단 반도체·2차전지 산업인프라의 전력부하 중 냉방이 차지하는 비중이 막대한 상황에서 전기를 쓰지 않는 비정기적 자연냉열 저장기술이 국가 전력망(그리드) 부담을 완화할 핵심열쇠로 주목받고 있다.

 

연구팀이 확보한 핵심인프라는 외부동력이나 전기에너지 없이도 겨울철 냉기를 수집할 수 있는 고성능 분리형 히트파이프(Loop Heat Pipe)기술이다. 수조 속 물에 잠긴 증발기와 외기에 노출된 응축기(컨덴서) 내부에서 냉매가 기화·액화과정을 거치며 중력에 의해 순환하는 구조다. 자연적 열교환을 통해 물을 얼음으로 바꿔 냉열을 저장한다.

 

연구팀이 에너지연 제3연구동의 실제 난방·냉방데이터와 주간·심야 요금체계를 반영해 MILP(혼합정수선형계획법) 최적화 분석을 수행한 결과 자연냉열을 활용한 피크 컷 운전을 통해 건물 계약 전력과 냉동기 설비용량을 최소화하는 최적 패턴을 도출했다. 특히 잉여전력을 복합 저장하는 피크 시프트(심야전력)운전을 병행할 경우 kWh당 균등화에너지비용이 약 220원 선으로 분석됐다. 이는 국가 장주기 ESS의 핵심이자 최저 비용기술인 양수 발전(180~200원)과 비교해도 약 10% 내외의 차이에 불과해 환경파괴 우려가 없는 도심형 가상 양수 발전소로서 독보적인 단가 경쟁력을 입증한 수치다.

 

기술 고도화단계에서는 국내 기후특성을 반영한 ‘지역·건물 맞춤형 설계플랫폼’의 수치 해석 알고리즘이 집중 조명됐다. 겨울철 평균기온이 -8℃에 달하는 강원도 대관령부터 영상권을 유지하는 남해안까지 시공간적 변동성이 크기 때문에 고정된 스펙으로는 대량 보급이 불가능하다. 연구팀은 다양한 냉매조합과 △관경 조건 △외기 온도별 수조 내 얼음 성장속도 등을 초고속 촬영해 방대한 데이터베이스를 구축했다.

 

이를 바탕으로 응축기와 증발기의 열전달량이 일치하는 포화압력을 추적하는 파이썬기반 전열 해석 물리모델을 완성했으며 실측값대비 오차가 거의 없는 고정밀 수치 예측력을 확보했다. 또한 기존 에어컨 실외기 형태의 강제대류 응축기뿐만 아니라 자연풍 상태에서 압력강하와 내부유동을 계산하는 다공성 매질(Porous Media)기법 기반의 자연풍 응축기모델까지 자체 설계함으로써 제작비용과 파이프 배치를 최적화하는 3차원 비정상 상태 통합 최적 설계모델을 1차 완료했다.

 

현재 에너지연은 대규모 융합실증을 위해 제3연구동 전면에 2m×1m×2m 규격의 실증 빙축조와 건물 내부 저온챔버, 기상 측정센서를 연동한 10m급 단열배관시스템 인프라를 구축하고 전천후 성능검증 시험을 수행 중이다. 또한 단순 기술개발을 넘어 ZEB등급 인증프로그램인 ‘ECO2’에 해당 기술을 공식 반영하기 위한 신재생에너지 자립률 항목 채택절차도 밟고 있다.

 

태양열 수집 밀도보다 월등히 높은 자연냉열의 잠재력이 하이브리드 리에어(Re-Air)시스템으로 인정받을 경우 국가 전력망 유연성을 확보하는 플러스 DR(Demand Response)시장 활성화에도 크게 기여할 수 있을 것으로 전망된다.

 

고아현 책임연구원은 “내년부터 본격적으로 전개될 강원도 및 경기 북부지역의 ‘첫 실증사례구축’을 위한 산학연 협력 파트너를 모색하고 있으니 많은 관심 부탁드린다”라며 “자연냉열 빙축열시스템은 환경파괴가 전혀 없는 가장 저렴하고 신뢰성 높은 장주기 열에너지저장장치이며 실증 부지제공과 인프라 상용화에 함께 도전할 민간기업들과 손잡고 탄소중립 건물에너지분야의 실질적인 친환경 비즈니스모델을 완성해 나갈 것”이라고 밝혔다.

 

지능형 에너지 절약플랫폼 전면 대전환 시급
윤재동 이투지글로벌 대표는 ‘탄소중립의 현실과 재생에너지, 건축물 에너지절약시스템 기술’을 주제로 발표하며 개별 하드웨어 중심으로 파편화된 기존 관행을 비판하고 변유량 제어 기반의 융합인프라인 ‘TE/CS 4.0시스템’을 통한 실질적인 건물에너지 저감대안을 전격 공개했다.

 

윤 대표는 오는 2030년까지 국가 온실가스 감축목표(NDC)에 따라 건물부문 배출량을 32.8% 감축해야 하는 현시점에서 스마트관리나 행태 개선 등 실효성 없는 뜬구름 잡기식 정책방향을 정면으로 지적했다. 1990년대비 2020년 주요국의 탄소배출량이 독일의 경우 41.3% 급감한 반면 한국은 124.8%나 폭증한 근본 원인은 기술인들의 이해도 부족과 정책적 오류에 있다고 진단하며 건축물 중앙 냉난방설비의 유기적 통합제어 공학적 방법론을 제시했다.

 

중앙냉난방 건축물의 가장 치명적인 결함으로는 △여론(냉동기·보일러) △반송동력(순환펌프) △방열(공조기) △조절(제어밸브)장치 등이 상호 고립돼 분할 발주되는 관행을 지적했다. 현행 녹색건축인증 등에서 인버터 순환펌프만 도입하면 무조건 가점을 부여하는 제도의 맹점으로 인해 현장에서는 유량이 고정된 ‘정유량 냉동기’시스템에 인버터펌프만 결합하는 심각한 공학적 오류가 양산되고 있다.

 

이로 인해 부하 감소 시 펌프가 유량을 줄이면 정유량 냉동기가 동파되거나 셧다운되는 위기가 초래된다. 부하에 대응하지 못해 압력이 차오르는 배관 ‘고혈압’ 현상이 발생하면 제어밸브의 리크(누수) 및 채터링(떨림 소음) 현상이 발생하고 피크부하 시 유량이 극도로 작아지는 ‘저하하자고(저유량-낮은 온도차)’현상으로 인해 정작 한여름 피크타임에는 냉방이 차단되는 악순환이 유발된다.

 

건축물의 실제 운전부하는 연중 15%~50% 미만의 부분부하 상태에 머무는데 설비가 유기적으로 호응하지 못해 전체 에너지의 40% 이상이 공중으로 버려지는 것이 현대 건축물의 부끄러운 민낯이라고 비판했다.

 

이투지글로벌은 이러한 고질적인 동적 불균형을 타파하기 위해 4대 핵심 구성요소를 하나로 묶은 ‘TE/CS 4.0시스템’을 확립했다. 이 시스템은 △냉수유량을 75% 이상 감축 운전해도 동파되지 않는 ‘저유량 변위량 냉동기’ △모터와 인버터가 완벽히 결합해 별도 판넬이나 전기·통신 공사공간을 없애고 18Hz 부분부하까지 무전원으로 대응하는 ‘인버터 일체형 순환펌프’ △정유량 밸브와 이방 제어기능을 융합해 관로차압을 자동 제한하는 독립 차압식 ‘복합제어 밸브’ △복합 하드웨어들을 단일 알고리즘 코딩으로 관장하는 ‘통합설비 자동제어 플랫폼’ 등으로 구성된다.

 

이를 개별 발주가 아닌 원스톱 스템 융합방식으로 통합빌딩에 적용하면 기존 중앙공조대비 순환펌프 반송동력은 최대 75% 절감되고 냉동기효율은 20% 이상 상승해 최종 40% 이상의 에너지절감을 무결점으로 달성할 수 있다. 이미 자곡동 신세계 오피스텔 등 서울 시내 다수의 실제 상업용 빌딩 실증을 통해 시스템의 강건성이 입증됐으며 부하에 따라 다대의 여론 장비가 자율 교대운전하고 최저 부하 시에는 시스템이 자동 수면(대기)모드로 진입해 기계실 상주 관리자 없이도 완벽한 무인 자동운전을 실현해 냈다.

 

윤 대표는 수위 변화에 대응해 압력제어를 하는 개방배관(부스타 펌프 등)과 달리, 공조설비와 같은 밀폐배관시스템의 양정은 양수 고도와 무관하며 순수하게 ‘관로 및 장치의 마찰 손실 수두’만으로 결정된다. 부하 측 제어밸브가 닫혀 순환유량이 줄어들면 펌프 상사법칙에 따라 관로 저항과 시스템 차압은 오히려 급격히 감소하므로 밸브가 닫힐 때 토출압력이 올라가 차압밸브가 열려 바이패스된다는 기존 통념은 완전히 잘못된 개방 배관식 착각이라고 지적했다.

 

윤재동 대표는 “독일 등 글로벌시장은 탄소중립 실패에 대해 국가와 기업에 법적 배상 책임을 묻는 강력한 데이터실사 시대로 진입했다”라며 “학회와 현장 역시 교과서 속 아날로그 이론에서 완전히 벗어나 하드웨어와 제어가 스스로 융합해 데이터를 증명하는 실제 현장 중심의 지능형 에너지 절약플랫폼으로 전면 대전환해야 한다”고 강조했다.

 

AI 에너지 최적화시스템, 부동산 자산가치 ‘좌우’
김상일 엔엑스(NX) 본부장은 ‘AI제어를 이용한 냉방·난방·조명·전열제어 에너지절감 사례’를 주제로 발표하며 빌딩 내 파편화된 에너지소비설비들을 단일 플랫폼으로 통합해 능동적으로 제어하는 ‘스마트빌딩 에너지관리’를 통해 자산 노후화 리스크를 방어하고 건물의 자산가치를 극대화할 수 있는 솔루션을 제시했다.

 

김 본부장은 한국동서발전 등 에너지 공기업과 협업을 통해 검증된 자사의 AI기반 건물에너지 최적화 플랫폼인 ‘엔브릭스(enbrix)’의 상용화 성과를 전격 공개했다. 기존 건축물들이 겪고 있는 설비 노후화로 인한 전력 누수, 실시간 모니터링 부재에 따른 유지관리 리스크를 지적하며 냉난방기·펌프·모터·보일러 등 핵심 부하설비를 단일 인프라로 결합해 데이터의 가시성을 확보하고 ESG평가지표를 획기적으로 개선해야 한다고 강조했다.

 

발표에서 소개된 에너지 최적화 핵심 프라는 수집된 전력 이터를 기반으로 건물 내부의 모든 에너지 름을 한눈에 관제하는 ‘enbrix 플랫폼’이다. 이 플랫폼은 빌딩 내부에 흩어진 다수의 △스마트 콘센트 △지능형 전력계측기 △신재생에너지 발전설비 등을 클라우드 기반 네트워크로 상호 유기적으로 연동한다.

 

특히 관리자가 빌딩 전체의 전력 에너지소비 효율과 실시간 비용 트렌드를 대시보드를 통해 직관적으로 모니터링할 수 있도록 데이터 가시성을 극대화했다. 기기별 가동상태와 전력밀집도를 실시간 추적해 불필요한 대기전력을 원천 차단하고 자산의 노후화 구간진입에 따른 전력 과부하 리스크를 선제적으로 감지해 조치할 수 있는 스마트 예지보전 시나리오를 가동한다.

에너지효율화 및 절감계층에서는 하드웨어 디바이스별 특화 알고리즘과 AI시스템을 융합한 실증 데이터가 집중 조명됐다. 한국동서발전 등 국내 대표 에너지 공기업과 파트너십을 통해 실제 대형 복합건물 및 공공시설에 플랫폼을 적용한 결과 단순 모니터링에 의존하던 수동관리 방식대비 에너지비용의 가시적인 절감성과를 무결점으로 증명해 냈다.

 

AI 제어엔진은 실내환경 변화와 전력피크 시간대를 실시간으로 분석해 시스템 에어컨과 온수 보일러의 실외기 사이클을 최적화하는 고효율 운전모드를 실행한다. 또한 조명과 전열부하까지 스케줄제어와 연동해 사람이 직접 제어하는 방식보다 한 단계 진화된 에너지 다이어트를 실현함으로써 건물의 친환경 탄소중립 운영 경쟁력을 완벽히 확보했다.

 

김상일 본부장은 “스마트한 AI 에너지 최적화 시스템의 도입 유무가 향후 상업용 부동산시장에서 자산가치의 극대화와 스트랜디드 에셋리스크 방어를 결정짓는 핵심분수령이 될 것”이라며 “단순한 설비교체 위주의 단편적인 유지관리를 넘어 실시간 자산성과 데이터를 기반으로 건물의 비즈니스 가치를 전면 극대화하고 기업의 글로벌 ESG 가이드라인 이행수준을 선도적으로 끌어올리는 플랫폼 중심의 자산관리 대전환을 이뤄 가야 한다”고 말했다.