대한설비설계협회는 12월5일 한국엔지니어링협회 대강당에서 공동주택 지열에너지 활성화 방안을 주제로 ‘2023 동계 최신 설계기술 세미나’를 개최했다.

설비설계협회는 BIM 설계 기반 확충과 확산 또 CAD 범례 표준화를 통해 업계의 표준화와 설계 효율화 촉진에 노력하고 있다. 또한 매년 HVAC 전시회 및 최신 기술 및 동향 세미나 개최를 통해 기계설비인들의 기술력 향상과 최신 동향 공유 그리고 설비산업 발전에 이바지하며 변화를 주도하고 있다.

이의 일환으로 열린 이번 세미나에서는 △냉방 응축열 회수 히트펌프 이용한 지중열원 설계 최적화 기법도(유병기 상무, 유천써모텍) △서울시 지열시스템 현황분석 및 보급활성화 연구(최명덕 사장, 광명전기) △서울시 재건축 재개발 공동주택 대상 지열적용 활성화 방안 연구(류성우 선임연구원, 우원엠앤이) △수축열(복합열원) 에너지절약 냉난방 절감 방안(김인식 상무, 한국공항시설관리) △대규모 복합리조트 기계설비 설계 사례(이학수 본부장, 융도엔지니어링)가 발표됐다.

유병기 유천써모텍 상무

냉방 응축열 회수 히트펌프 이용한 지중열원 설계 최적화 기법

유병기 유천써모텍 상무는 ‘냉방 응축열 회수 히트펌프 이용한 지중열원 설계 최적화 기법’ 발표에서 지중열교환기의 천공수를 최소화할 수 있는 시스템에 대해 소개했다.

히트펌프 지중열원의 온도 상태를 이상적인 운전조건과 실제 운전조건에서 비교하면, 이상적인 지중열원 설계 조건에서는 보통 지중온도는 냉방시 30℃, 난방시 5℃로 기준을 잡는다. 이러한 조건에서 지중의 방열과 채열이 밸런스가 유지되면서 지중열교환기 천공 수량도 최적화된다.

하지만 실제 운전시 지중온도는 냉방시 30℃가 가능하지만 난방시에는 10~15℃ 사이에서 형성되고 있다.

유병기 상무는 이런 현상이 발생하는 이유에 대해 “냉방시 지중에 방열되는 양이 난방시 지중에서 채열되는 양보다 훨씬 크기 때문에 이러한 언밸런스가 발생되며 또한 이러한 언밸런스로 인해 열교환기 수량이 상당히 과다하게 설계되는 문제점이 발생한다.”고 언급했다.

신재생에너지 1000kW 기준으로 히트펌프의 냉난방 용량에 따른 지중열교환기 천공(200m 기준)수의 변화 요인을 분석한 결과, 냉방부하(1000kW)가 난방부하(600kW) 보다 큰 경우에는 약 88공이, 또 냉방부하(1000kW)는 동일하게 유지하고 난방부하에 급탕부하를 추가해 1000kW로 늘렸을 때 4공이 줄어든 84공이 나왔다. 반면 인위적으로 냉방부하를 800kW로 줄이고 난방과 급탕부하를 1000kW로 유지했을 때는 65공으로 천공수가 현격하게 줄어드는 것이 확인됐다.

유병기 상무는 “하절기 냉방시 지중에 방열되는 응축 열량을 줄일 수 있는 방법으로 냉방 응축열 분산방열 기술과 고온 회수 활용 기술을 검토했다.”라며 “하절기 냉방운전시 히트펌프 냉방용량 1000kW, 응축열량 1200kW일 때 240kW를 분산 방열이나 응축열 재이용 등을 이용해 응축열을 흡수하고 지중에는 약 960kW의 열량만 방열하게 되면 지중열원 이용 히트펌프는 1000kW에서 800kW로 용량 감소 효과를 기대할 수 있다.”고 밝혔다.

유 상무는 구체적인 하절기 지중 방열량 절감기술로 △냉방 응축열 분산방열(냉각탑 & 지중방열) △냉방 응축열 고온회수 급탕가열 △냉방 응축열 고온 회수 데시컨트 재생에 대해 소개했다.

냉방 응축열 분산방열(냉각탑 & 지중방열) 기술은 냉방 COP 4.8로 지중열원만 운전했을 때보다 COP는 0.2 저하되지만 응축열 분산 방열로 지중 열교환기를 상당 부분 절감할 수 있다.

냉방 응축열 고온회수 급탕가열 기술은 모든 응축열을 지중에 방열하지 않도록 급탕으로 100% 회수한다. 여기에는 성층화 기술을 활용한 냉매 과냉각 기술을 적용했을 때 냉방 COP 4.5로 지중열원 COP와 비교해 크게 저하되지 않는다. 또한 냉방과 급탕을 합한 TER은 약 9.2로 시스템 COP는 상당 부분 개선되는 것이 확인됐다.

냉방 응축열 고온 회수 데시컨트 재생 기술은 냉방 응축열을 65℃까지 고온 회수해 80℃까지 데시컨트로 재생하는 시스템으로 60%는 데시컨트의 재생열로 활용하고 나머지 40%는 지중으로 방열하게 된다. 이 시스템의 경우 히트펌프 COP가 아닌 냉방 시스템의 COP 5.6으로 지중열원을 100% 사용하는 것보다 오히려 COP를 높일 수 있을 것으로 기대된다.

유병기 상무는 “일반적인 지열 시스템 냉방시 지중 방열량과 난방시 지중 채열량의 불균형 해소를 위해 분산 방열이나 응축열 회수를 통해서 지중에 방열되는 열량을 줄이고 난방시에 급탕을 지중열원으로 활용함으로써 채열량을 늘리게 되면 냉방시 지중방열과 난방시(동절기) 채열량 밸런스는 유지하면서 천공수를 최소화할 수 있다.”고 강조했다.

최명덕 에스엠ENG 대표

서울시 지열시스템의 현황조사 및 보급 활성화

최명덕 에스엠ENG 대표는 ‘서울시 지열시스템의 현황조사 및 보급 활성화“ 발표에서 서울시 내 지열에너지시스템이 설치된 427개소의 보급현황과 그중 12개 현장을 대상으로 운영 및 사용현황 유지관리 등 사례조사(VOC), 경제성 평가 및 효과분석, 그리고 지열 냉난방시스템의 최적화 운영검토 및 보급방안에 대해 소개했다

서울시는 2004년부터 지열시스템 보급을 시작해 2022년까지 427건에 총 261,614kW(74,400RT)를 설치했고  350kW(100RT) 이상도 200건 설치된 것으로 나타났다. 이중 공공(학교 포함)은 246건(52.7%))에 137,831kW(39,197RT), 민간은 181건(47.3%)에 123,782kW(35,202RT)로 나타났으며 설치 건당 평균용량은 민간(683.9kW)이 공공(560.3kW)보다 조금 큰 것으로 조사됐다.

지열시스템 운영 및 사용현황에 대해 공공 5개소와 민간 7개소 등 총 12개 현장의 유지관리 사례조사(VOC) 통해 정성적 종합평가를 한 결과, △우수 6개소 △양호 3개소 △미흡 2개소 △기타 1개소로 나타났다.

최명덕 대표는 ”지열시스템의 문제점에 대한 사례조사(VOC) 결과 △넓은 천공 설치공간 △에너지 고비용 효율개선 △냉난방 쾌적성 △운전 복잡 △높은 공사비 △운영 및 유지관리 △기축건물의 지열 도입 및 에너지 절감 연계 방향 등이 최적화 운영검토 및 보급방안으로 제안됐다.“고 말했다.

주요 제안 방안은 △지열 하이브리드 시스템을 통한 냉난방 불균형 맞춤 및 천공 축소 △개방형 지열시스템의 성능개선을 통한 설치부지 축소 및 효율개선 △지열순환펌프 및 대형순환펌프의 인버터화를 통한 운전비 절감 △대기전력 차단 및 운전스케쥴 등에 자동제어 적용 △소형 건물 지열시스템 제안 및 취약계층 냉난방 지원 △공급·수요계통의 에너지 소비 불균형 제어를 통한 효율개선 △신재생에너지 원격모니터링시스템(REMS 등) 도입 등이다.

최 대표는 이어 지열시스템 경제성 효과 분석 사례로 서울 소재 ㅇㅇㅇ대학을 소개했다.

이 대학 건물은 지상10층, 지하 3층의 연면적 46,210㎡ 건물로 지열시스템(313RT)과 함께 흡수식 냉온수기(313RT)가 설치돼 있다. 건축물의 냉방설비에 대한 설치 및 설계기준에 따르면 중앙집중 냉방설비를 설치할 때에는 해당 건축물에 소요되는 주간 최대 냉방부하의 60% 이상을 심야전기를 이용한 축냉식, 가스를 이용한 냉방방식, 집단에너지사업허가를 받은 자로부터 공급되는 집단에너지를 이용한 지역냉방방식, 소형 열병합발전을 이용한 냉방방식, 재생에너지를 이용한 냉방방식, 그 밖에 전기를 사용하도록 돼 있다.

이 건물은 처음 준공시에는 흡수식을 기저부하로, 지열을 간헐부하로 사용했는데 2021년부터 지열시스템을 기저부하로 변경하고 하절기, 간절기, 동절기 최적화 운전을 통해 2021년 도시가스 요금(2천943만원)을 전년(1억366백만원) 대비 약 1억7백만원을 절감했다.  전기사용량은 전년 대비 5% 감소했다.

지열시스템으로 기저부하를 변경한 후 효과를 흡수식냉온수기, EHP와 비교 분석한 결과도 소개했다.

초기투자비는 지열시스템 약 10억원, 흡수식냉온수기 6억원, EHP는 4억6천만원 정도 소요되는데 지열시스템의 초기투자비 대비 손익분기점은 흡수식냉온수기는 3.4년, EHP는 11.3년인 것으로 LCC(Life-cycle Cost) 분석 결과 나타났다.

온실가스 배출량은 지열시스템이 196.57 tCO2eq로 흡수식냉온수기(375.28 tCO2eq)보다 91%, EHP(279.47 tCO2eq)보다 42% 저감되는 것으로 분석됐다.

최명덕 대표는 이외에도 지열 보급 관련 열의무화 사업(RHO, RHI) 국내외 사례와 ECO2 프로그램의 지열에너지 평가 합리화 등 행정제도 분석과 개선책에 대해 설명했다.

류성우 우원엠앤이 선임연구원

서울시 재건축 재개발 공동주택 대상 지열적용 활성화 방안

류성우 우원엠앤이 선임연구원은 ‘서울시 재건축 재개발 공동주택 대상 지열적용 활성화 방안’ 발표에서 △지열 히트펌프 시스템 적용 문제점 및 해결방안 △시스템 제안과 기대 효과에 대해 소개했다.

류성우 선임연구원은 ”2023년까지 공공 공동주택 30세대 이상은 제로에너지건축물 5등급 인증을 받아야 하는데 기존에는 태양광 설치만으로 5등급 인증 취득이 가능했지만 LH 기계설비 에너지로드맵을 보면 제로에너지 등급별 설치요소 중 신재생에너지는 ’지열히트펌프(난방, 급탕)와 ‘연료전지(급탕)’를 주요 아이템으로 선정하고 있다.“라며 ”최근 정부의 제로에너지 건축물 의무화 정책 강화, 서울시의 재건축 사업 계획 등으로 인해 지열시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.“고 언급했다.

이어 제로에너지건축물 3등급을 받은 ‘고덕강일공공주택지구 2단지 제로에너지아파트’와 최근LH 시범사업으로 수행한 ‘세종시6-3생활권 M1BL 공동주택’ 사례 분석 결과를 소개하며 “각 현장은 지열시스템 만으로 에너지자립률 약 12.3%, 9.2% 수준을 확보했다.”라며 “공동주택에서 제로에너지건축물 3등급 이상의 에너지자립률 60% 이상 확보를 위해서는 반드시 지열이나 연료전지 등 적용이 필요하다.”고 강조했다.

류성우 선임연구원은 이런 정부 정책에 따라 제로에너지 시스템 도입이 확대되고 있지만 설계기준 표준화나 시공매뉴얼 개발, 초기투자비나 경제성 검토자료 등은 아직 부족한 상황이라 실무 차원에서는 꺼려지는 부분이 있다고 언급하면서 지열히트펌프 시스템을 공동주택에 적용했을 경우 발생할 수 있는 문제점 5가지 및 해결방안을 제시했다.

우선 지중열교환기 △설치공간 문제는 천공 이격거리 변경 및 지하주차장 하부 천공, 천공 깊이 최대화로 △운영 경제성 문제는 부하 최적화를 통한 장비 최적화와 사용요금 절감으로 △냉난방 쾌적성 저하 문제는 급탕 대온도차 운전 및 인버터펌프 적용, 겸용 히트펌프 구성으로 △하자 및 유지관리비 문제는 시스템운영 방안 및 제어판넬 사용자화로 △공사비 상승 문제는 기계실 이용면적 및 천공/배관물량 최적화, 공기 단축 등으로 해결 가능하다고 남유진 교수의 논문을 인용해 소개했다.

이어 류성우 선임연구원은 지열에너지 보급확대를 위한 방안으로 해외에서 많이 활용되고 있는 분산형 지열 지역냉난방에너지 시스템을 제안했다.

분산형 지열 지역냉난방에너지 시스템은 메인 에너지 스테이션을 통해 각 건물에 냉난을 공급하는 방식으로 기존 지역냉난방시스템과 유사하며 해외에서 많이 활용되고 있는 방식이다.

미국은 2009년 콜럼비아 등 38개 주에 처음 적용된 후 2023년 4월 에 DOE(U.S.DepartmentofEnergy)에서 지열 지역냉난방사업을 공식적으로 발표하고 개발에 착수했다. 유럽의 경우, 프랑스가 2014년 46개 지역에서 2018년 91개 지역으로 늘어났으며, 독일은 25개 지역에서 71개 지역으로 확장됐다. 중국은 공항, 공동주택에 해당하는 건물에 지열 지역난방을 공급하는 등 국가에서 적극적으로 도입을 확대하고 있다.

류성우 선임연구원은 서울도 프랑스나 독일처럼 인프라가 비슷하므로 ‘분산형 지열 지역냉난방에너지 시스템’ 활용 가능성이 충분하고 강조했다.

이 시스템은 지중열에서 에너지를 생산하고 열 그리드를 통해서 각각의 공동주택으로 냉난방을 공급하는 구조다. 건물별로 지중열교환기를 설치하지 않아도 된다는 장점으로 재건축, 재개뱔 대상 공공주택의 지열시스템 적용시 발생되는 여러 문제점을 해결할 수 있는 역할이 기대된다. 

류성우 선임연구원은 이 시스템을 실현하고 건축설비설계 업계의 4차 산업혁명에 유기적으로 대응하기 위해서는 부하계산 및 장비선정 일부에 국한돼 있는 설계 프로그램의 인공지능 및 자동화 연구개발을 통해 건축설계나 엔지니어링 산업에서 추진하고 있는 빅데이터 플랫폼 서비스와 연계 가능한 지열 지역 냉난방 엔지니어링 플랫폼도 필요하다고 언급했다.

엔지니어링 빅데이퍼 플랫폼은 엔지니어링협회와 생기원이 구축하고 있는 클라우드 기반 건축설계분야 플랫폼으로 설계데이터 AI검색, 데이터 유형별 자료 검색, 발주정보 분석 서비스, 표준BIM 라이브러리 서비스, 도로설계지원 서비스, 공공데이터셋 서비스, AI분석지원 플랫폼 서비스, 엔지니어링 산출물 저장소 서비스, 기타 타 연계 서비스를 제공한다.

건축설계분야 플랫폼 서비스는 AI기술을 통해 건축 3D 이미지와 건축 개요를 실시간으로 확인할 수 있고 사업 대상지 자동판별, 최적 설계안 도출 및 캐드 파일로 출력, 사업성 보고서 도출 기능 등을 제공한다.

류성우 선임연구원은 지열 지역 냉난방시스템 도입 기대효과로 “사업자 측면에서 지열히트펌프 시스템 간소화와 제로에너지 등급 취득 유리, 신시장 개척을 통한 수익구조 다변화를. 기계설비설계사 입장에서는 설계분야 전문성 및 정확도 향상, 단순 노동 반복작업 감소로 인한 근로환경 개선을 통한 인건비 절감, 시장규모 확대로 수익모델 증가 등이다.”라며 “서울시의 공동주택 지열시스템 보급은 정책방향에 따라 필수적 요소로 판단되므로 지역 지열냉난방에너지 사업을 플랫폼 기반 설계지원시스템을 통해 주도적으로 주관하면 서울시 주민들의 에너지 공공복지 실현이 가능할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

김인식 공항시설관리 상무

축열(복합열원) 에너지절약 냉난방 절감 방안

김인식 공항시설관리 상무는 ‘수축열(복합열원) 에너지절약 냉난방 절감 방안’ 발표에서 심야전기를 이용한 축열시스템 소개와 기대효과에 대해 소개했다.

심야전력기기는 대부분 단일 열원기기를 이용하는데 반해 수축열(복합얼원)은 1개의 수축열조에 한전 축냉설비 인정 열원기기인 지열원 히트펌프, 공기열원 히트펌프, Chiller(냉동기) 3가지 열원을 이용한다.

수축열(복합얼원) 이용 장점은 신재생에너지의무화 대상건축에 지열원 히트펌프를 적용해 적절한 대응이 가능하고 지열원 히트펌프를 제외하면 초기 투자비용를 최소화할 수 있다. 또 Chiller(냉동기), 지열원 히트펌프, 공기열 히트펌프 순으로 고효율 열원기기 우선 운전으로 가동하면 에너지비용 절감을 극대화할 수 있고 각 열원기기의 독립운전이 가능하므로 환절기 냉난방 전환이 용이하다.

기대효과는 친환경 에너지절약 건축물 이미지 구축, 냉난방에너지 비용 절감, 관리비용 경감으로 건축물의 가치 상승 기대, 편리한 관리성과 편리성 등을 꼽았다.

이학수 융도엔지니어링 본부장

대규모 복합리조트 기계설비 설계 사례

이학수 융도엔지니어링 본부장은 ‘대규모 복합리조트 기계설비 설계 사례’ 발표에서 동북아시아 최대규모 엔터테인먼트 리조트인 인천공항 인스파이어 리조트의 프로젝트 개요 및 기계설비 주요 내용, 이슈사항에 대해 소개했다.

인스파이어 리조트는 약 50만 평방미터의 부지에 1,275실의 5성급 호텔, 15,00석의 슈퍼아레나, 9,500㎡의 사계절 실내워터파크, 31,000㎡의 카지노, 12,000㎡의 최신 컨퍼런스시설, 40,500㎡의 쇼핑 및 레스토랑 공간으로 구성돼 있다.

이 지역은 지역 냉난방 의무고시지역으로 기계설비 시스템의 경우, 냉방은 흡수식 냉동기를 이용한 냉방방식+전기 터보 냉동기를, 난방과 급탕은 지역난방 열원을 이용한 난방급탕방식(비상시 대비 가스보일러)을 도입했다. 냉난방 열원 예상용량은 여름 47.5Gcal/he, 겨울 44.Gcal/hr이다.

주요시설의 공조계획을 보면 풀돔과 놀이공간의 공조는 수영장 돔의 왼쪽과 오른쪽에 있는 3층의 각 AHU룸에서 공급되며 결로방지를 위한 냉각제습과 충분한 기류 제공으로 성층부의 다습공기 제거를 위해 반영됐다. 돔은 염소 기반 소독 및 기타 오염물질에 대한 설계기준에 따라 음압유지가 가능하다. 온수 복사바닥난방 배관을 설치해 편안함과 바닥 건조를 도모하고 Spot Cooling을 위해 에어타워를 적절한 위치에 배치 계획했다.

아레나 공조에는 덕트 복잡성을 최소화하고 편안한 공조환경을 유지하기 위해 경기장에 천장 공급 공조 시스템이 고려됐다. 베리어블 트위스트 스위블 디퓨저와 스위블 디퓨저는 천정 높이에 따라 설치됐으며 긴 수직 공기 전달 분배를 보장하는 천장 공급 베리어볼 트위스트 스위블 디퓨저는 여름철에는 상부, 겨울철에는 하부로 공기 도달거리를 자동으로 조정할 수 있다.

판매시설 공용로비, 복도 공조는 VAV 공조 시스템을 적용해 상가 대로 좌·우측 3충 각 AHU 룸에서 공급된다. 상가 대로 천장 높이 10m를 고려해 공급 및 환기에 사용되는 천장형 제트 노즐 디퓨저 및 측벽형 디퓨저를 적용했다.