서울에너지드림센터, ‘한국형 제로에너지 건축물은 잘 운영되고 있는가?’ 세미나 개최 김용준 기자 2019-11-26 14:18:57

서울에너지드림센터 전경(사진. 여기에)

 

스마트시티 산업은 ICT를 접목해 도시문제를 해결하고 시민의 질을 높이는 도시 정책이다. 스마트시티는 신성장 동력을 창출하고자 세계 각국에서 치열한 경쟁을 벌이고 있으며 접목되는 관련 기술은 중소기업 및 스타트업에게 빠른 성장을 할 수 있는 동력원을 제공한다. 세계적인 추세인 스마트시티는 데이터 기반을 통해 도시 플랫폼을 구현해 시민들에게 다양한 서비스를 제공한다는 점에서 기존 도시 산업과는 차별화를 두고 있다. 영국의 밀턴케인즈 지역은 도시 인프라에서 수집되는 각종 데이터로 데이터 허브를 구성하며 다양한 스마트서비스를 개발∙적용하고 있다. 특히 목적지까지 예상 소요 시간을 제공하는 교통정보 시스템이나 당일의 대기 오염도를 파악할 수 있는 지도를 제공해 즉각적으로 시민들이 정보를 습득할 수 있도록 돕고 있다. 또한 스페인의 산탄데르는 도시 내의 설치된 2만 개의 센서, 컬렉터 등이 시스템에 연결돼 실시간으로 도시 상황을 파악할 수 있도록 데이터를 제공하고 있다.


한편 스마트시티 산업 내에 가장 큰 할당량을 차지하고 있는 산업이 있다면 바로 건축 산업일 것이다. 센서를 활용한 무인 시스템의 도입이나 신재생에너지를 활용한 자체 에너지 생산으로 전력망을 구축하는 건축 산업은 친환경적이면서도 세련된 산업으로 각광받고 있다. 이러한 도시 건축 산업의 혁신적인 건물로 알려져 있는 제로에너지 빌딩은 에너지를 절감하고 온실가스 감축에 기여할 수 있다는 평가가 이어지면서 큰 주목을 받고 있다.


제로에너지 빌딩(Zero Energy Building)이란 단열재, 이중창 등을 적용해 건물 외피를 통한 외부로 손실되는 에너지양을 최소화하고 태양광∙지열과 같은 신재생에너지를 활용해 냉난방 등에 사용되는 에너지로 충당함으로써 에너지소비를 최소화 하는 건물을 말한다(출처:ZEB, 한국에너지공단). 특히 태양광, 수력, 풍력 등과 같은 신재생에너지원과 에너지 축적이 가능한 ESS(Energy Storage System)는 에너지 활용을 하는데 큰 영향력을 차지하고 있으며 산업들도 꾸준히 육성돼 상용화로 이어지고 있다. 최근 정부가 재생에너지 2030 정책에 따른 친환경에너지 정책들을 발표하고 있는데 석탄과 같은 화학에너지의 비중은 감소되고 태양광, 수력 등의 친환경에너지들의 보급률은 지속적으로 성장할 것으로 예상된다.


이처럼 재생에너지를 활용한 에너지 자체 생산 및 보급을 하는 제로에너지 빌딩 산업이 지속적으로 호응을 얻고 있는 시기에 국내 제로에너지 빌딩에 관한 정보를 제공하고자 지난 11월 15일(금) 서울에너지드림센터에서 ‘한국형 제로 에너지 건축물은 잘 운영되고 있는가?’ 라는 주제로 세미나가 개최됐다.

 

제로에너지건축 세미나 전경(사진. 여기에)

 

이번 세미나는 제로에너지 건축 확산 및 운영 현황을 공유하고 이를 통해 제로에너지 빌딩 활성화에 기여하고자 마련됐다.


이번 행사는 ▲한국해양대학교 산학연 김재민 박사의 제로 에너지 건축물은 설계한 대로 운영되고 있는가? ▲시앤시 인스트루먼트(주) 조병순 대표이사의 건축물 에너지 성능은 제대로 측정되고 있는가? ▲KCSG 글로벌 허은 대표의 그리드 독립형 제로 에너지 건축물의 가능성 및 ESS 설치 운영상의 이슈 ▲현대건설 R&D 센터 이병두 차장의 제로 에너지 공동주택 최근 사례 및 활성화를 위한 제언 등의 총 4개의 발표로 기획됐다.

 

서울에너지드림센터 육경숙 센터장이 인사말을 전하고 있다(사진. 여기에).

 

인사말을 맡은 서울에너지드림센터 육경숙 센터장은 “서울에너지드림센터는 2012년 12월, 약 240억 원을 투입해 개장한 국내 최초의 제로에너지 공공 건축물이다”라며 “이 자리에 방문하신 분들은 제로에너지 빌딩이 어떻게 건축되고 운용되는지에 관한 세부적인 관심이 있으리라 생각된다. 이번 세미나는 서울에너지드림센터를 건립할 당시, 설계부터 기획, 시공, 인력 및 운영 등과 같은 여러 문제들로 축적된 경험들을 공유할 예정이다. 그래서 향후 건설될 제로에너지 빌딩에 적용될 각종 제안들을 수렴하고 이를 정부 관계자분들에게도 건의할 예정이다. 부족하겠지만 건강하고 친환경적인 사회를 만들기 위해 건설될 제로에너지 빌딩에 관한 정보를 공유할 수 있는 시간이 되기를 바란다.”라고 전했다.

 

서울에너지드림센터는 에너지 자립형 미래 건축물 모델을 제시하고 에너지 제로의 실증적 구현을 통해 일반 시민들에게 친환경 에너지에 관한 정보를 공유한다는 목적으로 건설됐다. 서울에너지드림센터는 당시 서울시 오세훈 시장의 시정정책으로 독일 Fraunhofer ISE사에서 설계, 대경건설(주)이 시공을 담당해 2009년 12월 월드컵공원 내 평화의 공원에 착공을 시작, 2012년에 연면적 3,777㎡, 대지면적 13,104㎡, 건축면적 2,066㎡의 규모로 완공됐다.

 

1. 제로에너지 건축물은 설계한 대로 운영되고 있는가

제로에너지 빌딩이란 에너지 사용으로 인해 발생하는 탄소배출이 0%인 100% 에너지 자립형 건물을 말한다. 사전적으로는 사용에너지와 생산에너지의 합이 0%가 되는 건물이나 현재의 기술수준이나 경제성 등을 고려해 정책적으로는 에너지 소비를 최소화(90% 감축)하는 건축물을 제로에너지 빌딩으로 정의하고 있다. 이에 따라 정부에서는 2017년 1월, 제로에너지 빌딩 인증제를 추진했다. 제로에너지 건축물의 기술기준을 정립하고 상용화를 촉진해 민간사업으로의 확산을 목적으로 추진된 이 제도는 건축물 에너지효율 등급 인증대상 중 건축주가 제로에너지 건축물 인증을 신청할 경우 가능하다.


정부는 공공기관의 보급을 우선으로 제로에너지 빌딩 건설을 지속적으로 확대하겠다고 밝혔다. 2020년에는 연면적 3,000㎡ 미만의 청사, 우체국, 공공도서관과 같은 생활밀착형 중소규모 공공건축물을 인증대상으로 규정하고 있으며 2025년에는 연면적 5,000㎡미만 신재생에너지 설치 의무화 대상의 민간공공 건축물에 인증대상을 규정했다. 2030년에는 모든 용도의 민간∙공공 건축물을 건축물 에너지효율등급 인증대상으로 규정하면서 지속적인 제로에너지 빌딩 보급 확산에 주력할 방침이다.


첫 발표를 맡은 한국해양대학교 산학연 김재민 박사는 ‘제로에너지 건축물은 설계한 대로운영되고 있는가’라는 주제로 발표를 진행했다. 김재민 박사는 서울에너지드림센터를 공동위탁하고 있는 (주)이젠파트너스社의 대표로 알려져 있다.


김재민 박사는 “서울에너지드림센터가 건립되기 전 이곳은 쓰레기 매립지였다. 산업화 폐기물이 들어찬 땅을 친환경적인 건물을 건설한 것인데 당시에는 매우 획기적이면서도 미래지향적인 시정정책이었다”라며 발표를 시작했다. 그는 발표에 앞서 제로에너지 건축물에 관해 세계적으로 알려진 영국의 BRE(Building Research Establishment)를 소개했다. 이 건물은 영국의 그린건축 전문 연구소로 녹색기술을 집약시킨 친환경 및 미래지향적인 건물이라고 큰 호평을 받은 건물이다. 태양열, 친환경적 단열재, 빗물만을 이용해 온도조절이 가능하게 설계돼 이산화탄소 배출을 거의 하지 않으며 외부 통풍기를 활용한 냉난방설비를 갖추고 있다. 이에 BRE은 최초 설계 당시, 1차 에너지 소요량을 57㎾h/㎡/yr를 예상하며 에너지 효율 건물이라는 평을 받았다. 그러나 최근 발표에 따르면 2~3년이 지난 시점에서 BRE의 1차 에너지 소요량을 검토한 결과, 실제로는 125㎾h/㎡/yr의 수치가 기록됐다. 실제로 BRE는 제어가 잘 되지 않아 계절별로 일정한 온도를 유지하지 못했고 주 기기의 고장으로 백업 시스템이 지속적으로 작동하는 유지관리 문제 등을 안고 운영돼 왔다는 것이 김재민 박사의 설명이다.


김재민 박사는 “설계안에서 보여줬던 에너지 예측 소비량 대비 실제 에너지 소비량의 차이는 에너지 관련 종사자들에게 꽤나 충격적인 수치였다. 이 설계와 운영 에니지의 차이를 어떻게 감소시킬 수 있는가가 가장 큰 화두이다.”라고 언급하며 제로에너지 빌딩의 문제를 지적했다.


제로에너지 건축물 인증이란, 국내에서는 2017년 초 시행된 제도로, 건물의 설계도서를 통해 단위면적당 1차 에너지 생산량과 1차 에너지 소비량을 평가하고 에너지 자립률에 따라 5개 등급(1~5등급)으로 인증을 부여하는 것을 말한다. 이 중 건축물 에너지효율등급은 주거용, 주거용 이외의 건물로 나눠 1차 에너지소요량(㎾h/㎡/yr)으로 계산한 수치에 따라 등급이 정해진다.

 

 

1차 에너지 소요량이란 국가적인 에너지 정책에 따라 운영되는 가스, 석탄, 원자력과 같은 다양한 에너지량을 통일하기 위해 만든 수치로, 소요량을 산출하는데 사용된 연료의 종류에 따라 1차 에너지 환산계수를 곱해 수치를 결정한다. 건축물의 경우 환산계수 2.75를 곱한다. 즉, 1차 에너지소요량의 개념을 도입해 건물에너지의 경우를 살펴보면 29~51㎾h/㎡/yr의 수치가 1+++ 등급의 주거용 이외의 건물을 말하는 것이다. 여기서 말하는 주거용 이외의 건물 등급을 1+++로 맞추기 위해서는 29~51㎾h/㎡/yr 수치를 맞추되 신재생에너지의 양을 늘림으로써 에너지를 절감할 경우 제로에너지 빌딩으로 인정된다. 예를 들어 A건물을 건축할 때 1차 에너지 소요량이 100㎾h/㎡/yr이라고 가정해보자. 그러면 1+++등급을 받을 수 없지만 신재생에너지를 50㎾h/㎡/yr이상 보급할 경우, 1차 에너지 소요량은 50㎾h/㎡/yr로 계산돼 1+++등급을 받을 수 있는 것이다.


김재민 박사는 “극단적인 예를 들어보면 건물을 지을 때 1차 에너지소요량을 150㎾h/㎡/yr으로 건설해 에너지 등급을 1등급 이하로 맞추고 신재생에너지 공급량을 크게 높여준다면 제로에너지 빌딩에 들어갈 수 있는 것이다”라고 설명했다. 이어 “과거에는 제로에너지 빌딩을 건설할 경우 신재생에너지 비율을 20%로 의무화했지만 최근에는 신재생에너지 인센티브를 높일 경우 투입된 에너지양만큼 가감해주는 제도로 전환됐다. 즉 제로에너지 빌딩을 설계할 때 패시브(Passive)에 투자할 것인지 엑티브(Active)에 투자할 것인지에 관한 투자전략을 짤 수 있게 됐다.”라고 덧붙였다.

 

(주)이젠파트너스 김재민 박사(사진. 여기에)

 

패시브(Passive)란 내부 단열이나 기밀성능을 강화해 냉∙난방 에너지사용량을 최소화하는 것을 말하며 액티브(Active)란 태양광, 지열, 풍력 등의 신재생에너지를 생산하는 것을 말한다. 서울에너지드림센터의 경우 1차 에너지소요량이 53.5㎾h/㎡/yr을 기록해 에너지 효율 등급 1+++를 받았고 에너지 자립률은 3등급을 받았다.


김재민 박사는 서울에너지드림센터를 설계할 때는 당시 건축 계산법에 의하면 높은 수치가 나왔고 패시브와 액티브를 활용한 제로에너지건축물 설계에 대해 많이 고민했었다고 전했다. 그는 “처음 독일사에서 서울에너지드림센터를 건물을 설계했을 때는 1차 에너지 소요량을 253㎾h/㎡/yr로 예측했다”라며 서울에너지드림센터를 설계할 때의 예측 부하량이 높게 나온 이유는 서울시의 행정 측과 독일 건설사의 소통 문제가 있었다고 지적했다. 김재민 박사는 “독일 회사에서 부하계산을 할 때 서울시에게 건물의 시간 당 수요량을 요청했고 서울시는 이에 약 400여 명이 수용될 것이라고 전달했을 가능성이 높다. 이에 독일 측은 센터의 개정시간을 고려해 오전과 오후의 평균 인원 수요량에 따른 부하량을 예측했을 것이다. 즉 한 시간 당 400명이 센터에 방문한다는 가정 하에 2,800~3,000명의 인원이 하루에 수용될 가능성을 예측한 것이다.”라고 언급했다. 


실제로 설계팀은 높은 에너지 부하 예측량에 따라 수치를 감소시키기 위해 세부적인 설계를 구성했다. 패시브 구성으로는 일반 건축물 성능 대비 3배 강화된 벽체시스템을 적용한 고단열의 외피를 적용했고 연결부위에 기밀 태이핑을 하고 배관이나 배선이 관통되는 부위에 코킹을 통해 열의 분산을 최소화했다. 또한 총 56개의 블라인드를 설치해 외부 기상조건에 따른 센터 내부의 냉난방에너지를 보급을 조절했다. 아울러 모든 곳에서 자연광이 센터에 들어올 수 있도록 경사벽에 인조 대리석을 설치해 자연 채광 반사율을 높였다.

 

이러한 패시브 기술을 접목하면서 1차 에너지 소요량 예측치를 116㎾h/㎡/yr까지 감소시켰다. 액티브 디자인 구성에는 공간 사용 목적 및 스케줄에 따라 12가지 제어 모드를 적용할 수 있는 자동 조명 제어시스템과 폐열회수 장치를 설치했다. 폐열회수 방식이란 건물 내의 잉여 열이나 버려지는 열을 회수해 건물 안에서 열이 부족한 곳에 반송해 난방용 열원으로 이용하는 방식을 말한다. 마지막으로 터보냉동기와 단열 냉각방식을 활용하고 내부에 37개 보어홀 파이프(BoreHole Pipe)를 활용한 지열 히트펌프로 최종 78㎾h/㎡/yr까지 감소시켰다. 난방의 경우 히트펌프로 온수를 생산해 바닥에 시공된 배관에 공급하고 냉방의 경우 지중배관 순환수와 바닥배관 순환수의 열교환을 통해 가동한다. 만약 지중배관 순환수의 온도가 너무 높아 냉방용량이 부족할 경우 터보 냉동기로 냉수를 만들어 공급한다.

 

 

서울에너지드림센터 패시브&액티브 설계 종합

자료원 : 김재민 박사 발표 자료('19.11.15)

 

일반적으로 지열 히트펌프는 100~200m 정도의 지하에 설치하지만 서울에너지드림센터의 경우는 50m 부근에 시공했는데 설계 당시 독일사와 국내 관련 종사자들의 협의한 결과라고 김재민 박사는 설명했다.


김재민 박사는 “서울에너지드림센터는 관련 종사자들의 실험정신이 가미된 거대한 프로젝트이다. 지열에너지를 활용하기 위해 일반적으로는 100~200m정도의 지하에 설치하지만 센터의 경우 50m 부근에 설치해 에너지를 공급하기로 했다. 그래서 난방을 할 때는 지하 냉수로만 운전하고 냉방 시에는 건물 전체의 열 교환에 따라 냉방용량이 부족할 경우를 대비해 냉동기를 작동시키고 있다.”라고 전했다.


지열을 이용한 냉난방시스템의 경우 지하 100~150m 깊이의 지열을 이용해 건축물의 냉난방을 관리하고 온수를 관리하는 방식으로 냉방시 외부의 순환유체를 지중열 교환기를 통해 15℃로 냉각해 입인함으로써 실내열을 제거한다. 이와는 반대로 난방의 경우 순환유체를 지중열 교환기를 통해 15℃로 가열해 실내로 입인해 열을 취득한다. 한국이나 일본이 지열에너지를 활용한 건축물을 설계할 경우 100~150m의 지하에 매설하지만 50m 깊이의 매설은 굉장히 실험적이라는 것이 김재민 박사의 설명이다.


김재민 박사는 “10년 전 이 건물을 설계할 당시, 난방부하보다는 냉방부하를 어떻게 조절할 것인가가 고민거리였다. 실제로 15℃를 기준으로 이상이면 냉방을, 이하면 난방으로 운영하고 있다. 일반적으로 공공기관은 정확한 스케줄로 운영되는 곳이기에 연간 에너지 소비량을 계산해보면 가장 더운 시기인 6~8월 달을 피크 부하대가 큰 시기로 판단하고 지열 펌프와 자기부상 냉동기를 운영하기 시작했다. 실제로 지금 폐혈회수장치 공조기 안에는 냉동기가 3대 돌아가고 있으며 외부에서 전력을 끌어오기 위해 지붕과 주차장에 864개의 태양광 패널을 설치해 운영하고 있다.”라고 밝혔다.


서울에너지드림센터의 태양광 연간 발전량을 보면 2013년부터 2018년까지 연 98㎾h/㎡/yr의 에너지를 생산하고 있는데 이는 8년 전 예측량과 비교했을 때 비슷한 수치이다.
김재민 박사는 “서울에너지드림센터는 56㎾h/㎡/yr의 에너지 소비를 기록하고 있는 반면 태양광을 활용해 약 98㎾h/㎡/yr의 에너지를 생산·보유를 하고 있다. 센터는 이러한 과잉 공급된 에너지를 한국전력공사에 재판매하고 있다.”라고 귀띔했다. 이어 “일사량 대비 생산량을 계산했을때 초기에는 20%대의 과잉 공급을 기록했고 현재는 18%대로 접어들었다. 이는 시효에 따라 태양광 패널의 노후화나 손상으로 인해 나타나는 자연스러운 현상으로 사전에 예측했던 결과이다.”라고 단언했다.


실제로 연구팀은 에너지 소비에 따른 필요 전력량을 측정하기 위해 각종 시뮬레이션을 구현해 연간 부하 결과를 예측한 바 있다.

 

시뮬레이션 상 부하 결과(설계 당시)

자료원 : 김재민 박사 발표 자료('19.11.15)

 

시뮬레이션 결과를 보면 실제 냉방 가동률이 높은 시기인 5월 말 9월 초는 전력량은 타 시기와 비교했을 때 급격한 오름세를 보인다. 특히 7~8월 달은 17~19㎾h/㎥a를 기록할 것으로 예측됐으며 난방이나 냉방 사용이 적은 3~4월, 10~11월은 에너지 소비량이 크게 절감됐다.


김재민 박사는 향후 시장 상황을 고려해 추가적인 에너지 절감원으로 지하에 설치돼 있는 ESS를 운영해 전력 생산을 극대화하는 실험을 진행해본다고 밝혔다. 그는 “서울에너지드림센터는 완전 독립 제로형 건축물을 지향한다. 4차 산업혁명이 언급되는 시기에 서울에너지드림센터의 경우 수요에너지 대비 공급량을 사전에 파악해 에너지를 축적하고 기후에 따라 불균형하게 공급되는 에너지에 따른 비상대응 예측을 하는 시스템을 갖추고자 한다. 현재 이야기가 많이 나오는 부분은 단연 ESS 장비이고 센터 내부에 설치돼 있으나 운영은 하지 않고 있다. 향후 ESS와 관련된 가이드라인을 에너지 공단 측에서 전달 받아 실험을 해볼 계획이다.”라고 전했다.

 

2. 건축물 에너지 성능은 제대로 측정되고 있는가

두 번째 발표를 맡은 시앤시 인스트루먼트(주) 조병순 대표이사는 ‘건축물 에너지 성능은 제대로 측정되고 있는가’라는 주제로 진행했다.


조병순 대표이사는 “BEMS가 시장진출에 어려움을 겪는 이유는 잘못된 관행이 이어져 발생한 사태”라고 주장했다. 그는 “BEMS가 성공하기 위해서는 뚜렷한 에너지 절감 목표를 설정해 특정 설비와 재료를 사용하고 있는지에 대한 정확한 판단이 바탕돼야 한다”라면서 “이는 BEMS 구축에 필수적인 센서와 계측기의 요구사항이 부재하고 정확한 설치 기준이 없기 때문”이라고 지적했다.

 

시앤시 인스트루먼트(주) 조병순 대표(사진. 여기에)

 

BEMS(Building Energy Management System)이란 건물 실내 환경에 따른 에너지 성능의 최적화를 실현하기 위해 고안된 시스템이며 빌딩의 전기설비, 방재, 안전, 위생 등의 건축 설비를 대상으로 센서와 계측기를 통해 실내 환경이나 설비를 모니터링해 자동제어를 실시하는 것을 말한다. 일반적으로 환경, 설비, 시설 지원 기능까지 포함한 범위를 말하며 에니지 효율 극대화를 통한 에너지절약 및 건물 종합 관리 서비스를 말한다.


미국 시장분석기관인 글로벌 마켓 인사이트(Global Market Insights)에 따르면 BEMS 시장은 2023년까지 60억 달러, 2024년까지는 70억 달러로 전망하고 있으며 세계적으로 정부의 건물에 대한 에너지 규제와 공급사들의 수요관리 의무화 등의 정책에 따라 BEMS의 시장 환경이 조성되고 있다.

 

또한 Navigant Reserach에 따르면 BEMS 기술은 수요반응, 설비성능 관리 등과 같은 종합적 건물관리 기능이 중점사항으로 지목된 만큼 하드웨어 보다는 소프트웨어 시장의 성장이 높을 것이라고 예측하고 있다. 그러나 현재 BEMS의 가장 큰 지적사항으로는 지나친 고비용 구조와 시스템 신뢰성의 하락이다. 수요는 증가하고 있는 반면 체계가 부실하고 BAS를 운영하는 기업들에 비해 중견, 중소기업들의 기술력이 부재해 공급을 맞출 수 없다는 인식이 크게 자리 잡고 있다. 또한, 전문 엔지니어가 부족하고 관련 가이드라인이나 체크리스트의 부재에 따른 허위 분석과 하드웨어의 임의 설치가 지속되면서 BEMS가 시장 경쟁에서 뒤처지고 있다고 전문가들은 언급한다.


조병순 대표이사는 “BEMS를 운영하기 위해서는 정확한 데이터 수치를 파악하기 위한 각종 센서와 계측기의 활용이 필요하지만 현재는 그러한 인식이 부재하다고 판단하고 있다”라고 지적했다. 이어 “배관에 온도를 측정하기 위해서는 유속을 측정해 평균 온도를 파악하는 것이 중요하다. 그러나 이런 과정에 따라 결과 값을 도출하기 위해서는 다량의 센서를 설치해야하는데 단연 비용 문제가 불거져 나온다. 그러다 보니 비용절감을 위해서 몇 개만 임의로 설치하기 때문에 정확한 측정값을 도출할 수 없다. 일반적으로 유체의 속도는 위치에 따라 달라진다. 속도가 느린 부근에는 열 교환이 일어나서 온도의 불안정을 갖추게 되는데 평균 온도 지점을 측정하려면 앞서 언급한 것처럼 평균 속도가 발생하는 지점까지 센서를 설치해 오차율을 줄여야 한다.”라고 강조했다.


실제로 제로 에너지 건축물을 건설할 때 적용되는 센서나 계측기의 구조는 측정 대상에 따라 노이즈 없이 측정할 수 있는 모양과 성능을 갖춘 제품을 설치하지 않아 정확한 데이터를 수집할 수 없다는 문제점이 지적되고 있다. 센서의 형태는 측정 대상과 환경에 따라 적합한 형태의 제품을 사용해야하며 센서와 접속해 사용하는 전원장치나 신호선 등의 구조는 외부 노이즈에 영향을 받아서는 안된다.


조병순 대표이사는 “당사는 데이터 수집과 분석은 문제점을 인식하는 출발점이라는 철학을 바탕으로 GBS 모니터링 시스템을 구축하고 있다. 패시브, 엑티브, 건축환경, 헬스케어 관련 센서, 계측기, 신호처리장치, 소프트웨어 등을 개발하고 시공하는 턴키방식으로 수행한 바 있으며 제로에너지 빌딩 실증에 필수적인 건물 자동제어 시스템을 구축해 완료한 프로젝트 실적도 갖췄다.”라고 기업을 소개했다. 이어 “2015년에는 2차, 2016년 3차 상세에너지 계측 모니터링 시스템과 에너지공단 서버와 XML 형태로의 데이터를 연동하는 프로그램을 개발해 운영하고 있으며 작년부터는 에너지공단 서버와 데이터를 연동이 가능하도록 하는 관련 프로젝트를 진행 중에 있다. 에너지공단이 제공하는 오류감시의 경우 월 단위 데이터를 축적 후 해당 데이터의 오류 판단 여부를 설치 사업자에게 제공하고 있으나 월 단위 데이터 제공 특성상 계측 데이터 오류와 누락에 대한 대응이 늦어지는 문제점이 발생하고 있다. 당사는 상세에너지 모니터링 시스템 관제점 오류 감시 프로그램을 개발해 상황을 즉각적으로 판단할 수 있는 프로그램을 운용하고 있다.”라고 전했다.

 

3. 그리드 독립형 제로에너지건축물의 가능성 및 ESS 설치 운영상의 이슈

세 번째 발표는 KCSG 허은 대표의 ‘그리드 독립형 제로 에너지 건축물의 가능성 및 ESS 설치 운영상의 이슈’라는 주제가 진행했다. KCSG는 2016년 법인 등록돼 BMW와 전기차 배터리 재이용 시스템을 개발해 사업화를 시작했으며 최근 제주 e-고팡 충전스테이션을 개소하는데 일조한 바 있다.


허은 대표는 “과거 태양광이나 ESS의 경우 경제성이 없다며 외면됐으나 지금은 완전히 전환됐다. 태양광 패널 비용도 저렴해지고 ESS와 관련된 정부 정책들이 꾸준히 나오면서 사업성이 높아진 상태이다.”라고 말했다.


ESS는 Energy Storage System의 약자로 생산된 전력을 전력계통 그리드에 저장했다가 전력이 부족한 야간이나 전력을 일시적으로 써야하는 시기에 전력을 공급하는 에너지 효율 시스템을 말한다. 환경에 영향을 받는 신재생에너지와는 달리 ESS는 전력망이 비교적 안정적이고 불규칙적인 출력 특성 문제를 개선해 효율적으로 전력을 공급할 수 있다는 점에서  많은 주목을 받고 있다.


허은 대표는 “건물을 설계 시 넷 제로(Net Zero)가 아닌 그리드 독립형으로 제작할 경우에는 ESS의 공급은 필수적이다. 그리드 에너지 독립형 제로 빌딩의 컨셉은 일시적으로 발생하는 정전시 사전에 축적된 에너지를 통해 안전한 에너지를 공급하는 것이다. 즉 주간에는 분산 전환 잉여전력을 저장하고 최대부하시간대에 전력공급을 하는 것이고 야간의 경우 저장된 전력을 건물에 공급하고 경부하 전력을 저장하는 시스템이다.”라고 설명했다.

 

KCSG 허은 대(사진. 여기에)

 

ESS를 활용해 안정적으로 전력을 공급하는 방안은 경제적이면서도 실용적이다. 자체적으로 축적된 전력을 활용한다는 점에 있어서 이상적이나 현실은 녹록치 못한데 그 이유로 허은 대표는 집합주택을 지적했다. 그는 “집합주택 형태의 거주환경의 경우 BEMS로 제어되는 태양광 외의 신재생에너지와 중대형ESS로 그리드 독립형 제로에너지 건축물을 실현할 수 있는데 문제는 패시브와 액티브 부분을 개선해도 전체적인 소비에 따라 발생하는 전력 운영이 불안정하다는 데 있다.”라고 강조했다.


4차 산업혁명의 일환으로 일반적인 시민들에게 가장 피부로 와닿는 산업 분야는 단연 스마트시티일 것이다. 국토교통부는 스마트시티란 도시에 ICT, 빅데이터 등 신기술을 접목해 각종 도시문제를 해결하고, 삶의 질을 개선할 수 있는 도시모델로 최근에는 다양한 혁신기술을 도시 인프라와 결합해 구현하고 융·복합할 수 있는 공간이라는 의미라고 정의하고 있다. 허은 대표는 스마트시티에 필수적인 사안은 제로에너지 빌딩이며 제로에너지 빌딩에 가장 중요한 요소로는 ESS가 될 것이라고 단언했다.


허은 대표는 “이전 정부청사 건물이나 제로에너지 빌딩이라고 건축한 건물들이 실패사례로 떠오른 이유는 안정적인 전력 운영을 못했기 때문”이라면서 “특히 스마트시티의 한 축을 담당하는 전기자동차의 전력 공급 수요를 예측하지 못한 점도 크다”라고 밝혔다.


평균 50㎾h를 충전하는 전기차가 빌딩으로 들어와 전기를 충전할 경우 다량의 전력이 일시에 배출된다. 만약 전기차가 4~6대 정도가 충전할 경우 200~300㎾h의 전력을 공급해야 하는데 이러한 수요에 공급이 따라가지 못한다는 것이 허은 대표의 주장이다.


허은 대표는 “만약 전기차 10대가 들어와 전력을 충전한다고 가정해보자. 그러면 500㎾h의 전력이 필요한데 문제는 차량이 언제 들어와 충전할지 예측할 수 없다는 것이다.”라며 “많은 양의 전력이 외부로 공급될 경우 내부 수요와 맞춰 운영할 수 있는지가 핵심이다. 스마트시티에서 빌딩내부와 분산자원 설비 등의 인프라 서비스를 충족시켜주기 위해서는 ESS가 필수가 되리라고 생각한다. ESS를 활용한 안정적인 전력 공급이 되면 향후 BEMS를 통해 자체적인 운영이 가능할 것으로 판단된다.”라고 밝혔다.

 

리튬계 이차전지 분류
자료원 : KCSG 허은 대표 발표 자료('19.11.15)

 

리튬이차전지는 전해질 형상와 양극 재질에 따라 분류돼 다양한 배터리가 제작되고 있다. 특히 NCM 배터리의 경우 국내 기업들의 기술 수준이 높아 세계 시장에서도 중요한 부분을 담당하고 있는데 에너지 밀도가 우수하고 출력이나 안전성 면에서 높은 품질을 갖춘 제품이라고 평가받고 있다. LFP 배터리는 중국 기업들이 생산하고 있는 제품으로 대량 생산 비중이 높으나 외형이 크고 중량이며 원가절감 측면에서 한계점이 드러나 감소하고 있다.


일반적으로 베터리는 하나의 셀로 이뤄져 있는데 대부분이 3.2~3.8V 전력량을 갗추고 있으며 NCM의 경우 3.8V라고 알려져 있다. 이러한 셀들을 직렬로 연결하면 하나의 모듈이 되면 48~50V의 전력량을 갖추게 된다. 이를 모듈이라고 부른다. 또 모듈을 직병렬 연결을 해 19inch의 Rack에 장착하면 최종적으로 ESS가 완성된다.


ESS는 2013년도부터 R&D를 통해 본격적을 시작됐다. 주로 정부 측의 보조금 지원 사업이었고 실질적으로 상업화가 되기 시작한 시기는 2016년도이다. 2016년도 3월, 산업통상자원부가 전기저장장치 전용요금제를 반영한 전기공급약관 시행세척 개정안을 인가하면서 ESS 활용촉진 전기요금제가 도입됐다. 당시 산업통상자원부는 ESS 활용촉진 요금제를 통해 ESS 투자비용 회수기간이 단축됨으로써 ESS 투자 수요를 확대하고 새로운 시장 창출 및 에너지 절감 효과를 기대한다고 발표했다. 새로운 제도가 도입되면서 많은 건물들에 ESS 장비가 들어서게 됐다. 정부는 ESS를 공공기관에 도입하고자 제도화했으며 이에 공공기관 에너지이용 합리화 추진에 관한 규정 제11조(고효율에너지기자재 사용) 제5항에 ‘공공기관은 전력피크 저감 등을 위해 계약전력 1,000㎾이상의 건축물에 계약전력 5%이상 규모의 ESS를 설치해야 한다.’라는 조항에 따라 의무화됐다. 이후 2017년도에 REC5.0 보급지원정책에 힘입어 급격히 확대돼 2018년도 기준 ESS는 피크 저감형 712개, 재생에너지 연계형 778개로 총 1490개가 설치됐다.


ESS 시장이 활성화되고 사업도 다각화되면서 미래 비전도 충분할 것이라고 평가받았으나 최근 화재 폭발 사고가 연이어 발생하게 되면서 안전성이 확보되지 못한 하나의 폭발물이라는 악평을 받기도 했다.


허은 대표는 ESS화재 사고의 원인에는 ▲높은 충전심도 ▲미흡한 배터리 안전 인증 기준 ▲척박한 옥외환경 및 운영방식 등을 꼽았다.


허은 대표는 “ESS 화재 사고는 총 27번으로 대부분은 재생에너지 연계형에서 화재가 발생했고 완충 후에 화재가 발생했다. 즉 운영상의 문제라고 할 수 있는데 이는 단기간에 과열된 ESS시장의 기술적인 부작용으로 보인다.”라고 견해를 밝혔다. 이어 “가장 중요한 것은 미흡한 배터리 안전 인증 기준이라고 생각한다. KBIA가 제정한 기준이 있으나 국가공인기관이 아니라 배터리 제조사들이 규정한 것으로 효력이 미비하다. 또한 ESS 화재가 발생한 장소는 대부분 산지나 해안가, 공장지대로 척박한 환경에서 운영되고 있었던 만큼 전체적인 운영의 문제는 지적하지 않을 수 없는 사안이다.”라고 언급했다.


허은 대표는 ESS장비가 주로 사람들과 접촉을 하지 않는 환경에서 운영되기 때문에 인명 피해는 적다고 말하면서도 소규모 내장 배터리에 관해서는 우려를 표명했다. 그는 “산업용 ESS의 경우 전기안전관리나 법에 의해 관리가 되는 반면, 시내에서 운영되는 라스트 마일(Last Mile)의 전동 퀵보드와 같이 관리가 미흡한 소규모 리튬배터리 산업에서 더욱 다발적인 사고가 많이 발생한다. 이는 제품이 관리 선상에서 벗어나 있기 때문이다.”라고 밝혔다.


여러 ESS 화재가 발생하면서 설비 기준은 재정비 국면에 접어들면서 국가기술표준원은 지난 6월 ESS 사고원인 조사 결과 및 안전강화 대책을 발표했다. 국가기술표준원은 ESS는 옥외 전용건물에 설치하고 옥내 설치를 할 경우 용량을 600㎾h로 제한했다. 또한 화재 발생 원인을 줄이기 위해 정기점검주기를 4년에서 1~2년으로 단축시켰으며 소방시설 설치를 의무화했다. 이와 더불어 ESS를 일반인이 출입하는 건물내부의 부속공간에 설치하는 경우 ▲내화구조로 할 것 ▲이차 전지 Rack당 용량은 50㎾h 이하로 하고 건물 내 설치가 가능한 이차전지의 총량은 600㎾h 이하로 할 것 ▲내화구조의 벽을 삽입할 것 ▲전기저장장치 시설은 다른 시설로부터 1.5m 이상 이격하고 출입구나 피난계단 등 대피시설과는 3m 이상 이격할 것 등의 방안을 발표했다.


허은 대표는 “최근 정부에서 발표한 ESS설비 기준 규정 완화에 따라서 ESS 시장은 당분간 침체기를 맞을 것이라고 생각한다. 그러나 ESS시장이 완전히 없어질 시장도 아닐뿐더러 연료전지와 ESS는 충분히 개선될 수 있어 부정적으로만 보고 있지는 않다.”라며 발표를 마무리했다.

 

4. 제로에너지 공동주택 최근 사례 및 활성화를 위한 제언

마지막 발표를 맡은 현대건설 R&D센터 이병두 차장은 ‘제로에너지 공동주태 최근 사례 및 활성화를 위한 제언’이라는 주제로 마이크를 이어 받았다.


이병두 차장은 “제로에너지 건축이 활성화가 된 데에는 1995년 도쿄의정서부터 시작해 최근에는 2015년 파리기후협정이라는 세계 국가들의 지구온난화에 따른 친환경 정책 협의가 있었기 때문이다. 이에 우리나라의 경우는 2030년까지 37%의 온실가스를 감축해야 한다.”라고 말을 땠다. 실제로 2015년 기준, 한국은 전 세계에서 이산화탄소 배출량 7위, 전체 누적 배출량은 세계 12위를 기록하고 있다. 우리나라는 대표적으로 에너지 의존도가 높고 에너지 자립도가 낮은 국가로 국내 에너지 수입 의존도는 96%(약 200조)에 달한다. 에너지 소비 특성을 살펴보면 국가 총 에너지 사용량의 약 23%는 건물부분이며 주택은 약 46.6%를 차지하고 있다.


정부는 국가 온실가스 감축목표 이행과 신재생에너지 보급을 활성화하기 위해 에너지와 관련된 각종 규제를 도입했다. 국토교통부는 2014년 제로에너지 빌딩의 시범사업을 시작했고 2017년에는 제로에너지 빌딩 인증규정을 도입했다.


이병두 차장은 “정부 R&D 실증사업으로 건설된 노원구 EZ House는 7층 이하의 121세대가 거주하는 건물로 외단열과 삼중유리라는 패시브 기술과 폐열회수 환기장치라는 액티브 기술을 도입해 건설됐다. 당사가 국토교통부의 시범사업으로 건설한 힐스테이트 레이크 송도는 태양광과 연료전지와 같은 신재생에너지를 도입해 제로에너지 빌딩 5등급의 인증을 받았다.”라고 언급했다.


현대건설이 건설한 힐스테이트 레이크 송도는 국내 최초 고층형 제로에너지 공동주택으로 886세대가 입주할 수 있다. 힐스테이트 레이크 송도는 현대건설의 통합 에너지 절감 시스템인 HERV(Hyundai Energy Recovery System)와 TEEM(Total Energy&Environment Management System) 등이 도입된 건물로 전자동 운전제어를 통한 환기방식과 스마트 BEMS의 에너지 관리 기술이 적용됐다. 동사의 건축물은 제로에너지 빌딩 인증을 받으며 제2회 대한민국 지능형건축물 대전에서 국토교통부 장관상을 수상했다.

 

현대건설 R&D 센터 이병두 차장(사진. 여기에)

 

이병두 차장은 “다양한 기술이 접목된 건물로 현재는 70%정도 입주했다. 옥상에는 PV를 설치했고 건물 측면에는 BIPV를 설치해 에너지 자립율을 높았다.”라고 설명했다.


동사가 건설한 건물은 4개의 기술이 접목돼 있다. ▲단열, 창호, 기밀성 확보를 위한 패시브 기술 ▲조명, HERV 등의 액티브 기술  ▲태양광과 연료전지를 활용한 신재생에너지 ▲에너지 관리 기술인 스마트 BEMS 등이 도입됐다.


이병두 차장은 “아이템 선정을 하면서 효율적이면서도 입주자들에게 혜택이 갈 수 있는 방안을 적용하기 위해 많은 고민을 했다”라며 “패시브 기술의 경우 힐스테이트만의 기술 차별화를 두기위해 기밀성능을 강화했는데, 조적벽에 파이프나 배관이 들어가는 곳에 폼이나 기밀테이프 시공을 하는 건 기본이고 창틀과 구조체 접합부에 실런트와 기밀테이프 시공도 했다. 신재생에너지 기술로 기존 설계에는 ESS를 설치하고자 했으나 인허가 과정에서 접목하지 못해 BEMS와 태양광, PCS를 도입했다.”라고 설명했다.


현대건설이 자체개발한 스마트 BEMS는 단지 내 전체 에너지망을 관리하고 실시간으로 운영하는 시스템이다. 특히 단위 당 전력 소모량을 실시간으로 감시하고 제어해 에너지 사용 설비 성능과 효율을 분석하는 기술이 도입돼 내외부적인 리스크를 차단한다.


이병두 차장은 “당사의 스마트 BEMS는 건물을 자체적으로 진단해 문제가 발생 시 신속하게 파악해 운영사들에게 정보를 제공할 수 있다”라고 소개했다.


이병두 차장은 제로에너지 빌딩이 활성화되기 위해서는 신재생에너지의 공급방식과 범위를 넓혀 조금 더 포괄적인 개념을 도입하고 특정한 신재생에너지의 공급을 통해 효율적인 에너지 공급을 하는 것이 보다 긍정적인 효과를 불러올 것이라고 제언했다. 그는 “에너지 자립률을 100% 맞추는 것이 과연 현실성이 있는지 고민해볼 필요가 있다. 100%를 맞추기 위해서는 당연히 시공비가 높게 측정될 것이고 디자인적인 부분을 감안하지 않을 수가 없다. 그래서 만약 에너지 자립률을 1등급을 맞추지 못할 경우 신재생에너지를 일정 금액을 지불해 에너지를 구입하는 그린 파워 제도의 도입을 고민해 볼 필요가 있다.”라고 밝혔다. 이어 “독일의 경우 제로에너지 건축물을 건설할 때 다양한 대·중소기업들이 서로 협업을 할 수 있도록 프로젝트가 기획되고는 한다. 신재생에너지의 공급비율을 정해 기업들이 투입될 수 있는 방안들을 고안한 것으로 많은 기업들이 참여를 독려하고 성장할 수 있도록 돕는 것이다. 마지막으로 건물과 조화로운 PV와 BAPV, BIPV의 도입을 위해 신제품을 개발하고 시공 유지 관리 기준의 정립이 필요하다. 앞서 언급한 것처럼 태양광의 경우 미관상 좋지 못하다는 평가가 이어지고 있어 디자인적인 측면에서도 사람들에게 긍정적인 영향을 줄 수 있는 기술이 개발됐으면 한다.”라고 제언했다.

 

 

 

 

 

 

 

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