태양열 시스템의 공동주택 적용과 효과
일반원고
<표 1> 태양광 및 태양열 보급현황(2010 신재생에너지 보급통계)
구 분 2007 2008 2009 2010 계
태양광(세대수) 7,317 9,142 14,895 26,353 57,707
태양열(세대수) 150 879 3,653 1,097 5,779
정석래 / 한국토지주택공사 처장([email protected]) 안한근 / 한국토지주택공사 차장([email protected]) 고영민 / 한국토지주택공사 과장 ([email protected])
서 론
태양열 설비(Solar thermal system)는 태양에 너지를 이용하여 온열(溫熱)을 생산하는 설비로 신재생에너지 설비 중 효율이 높고 경제성이 상 대적으로 우수한 설비이다. 태양열 설비의 보급 은 1970년대 후반부터 시작되었으나 관련 업계 의 영세성과 지원제도의 미비 등으로 보급이 활 발하지 못하였다. 90년대에는 단독주택 지붕에 설치된 태양열 시스템은 흔히 볼 수 있었다. 태 양열의 단순한 시스템과 저렴한 가격, 정부의 지 원책 등의 이유로 보급이 활성화되었다. 그러나 IMF 경제위기 시점을 정점으로 성숙기로 진입하 지 못하였다. 그 이유는 동파, 누수 등 고장이 잦 고 원활한 사후 서비스가 이루어지지 않아 소비 자로부터 신뢰를 얻지 못하였기 때문이다. 2000 년대에 들어와 신재생에너지에 대한 관심이 증대
되고 이전의 문제점 들을 개선한 태양열 시스템 이 개발되었으며 정부의 신재생에너지 지원 사업 등에 힘입어 점차 보급이 확산되는 추세이나 태 양광 등의 다른 신재생에너지와 비교하여 복잡한 설비, 제한된 사용처, 하자위험 등의 문제로 인해 태양열 보급은 태양광만큼의 폭발적인 확장을 이 루지 못하는 상황이다(표 1 참조).
좀 더 소비자가 손쉽게 이용할 수 있는 시스템 개발을 지속적으로 하여 신뢰성을 향상함으로써 보급을 확산시킬 수 있을 것이다.
공동주택과 태양열
태양열의 확대 보급을 위해서는 주택에 대한 보급 특히 공동주택에 대한 적용 확대가 필수적 이다. 국내 주거형 건축물에서 공동주택의 비율 은 53% 이상이며 새로 건설되는 건축물도 공동 공동주택 태양열 시스템 적용사례와 적용결과를 소개하고자 한다
<표 2> 공동주택 세대당 평균 급탕 사용량
[그림 1] 신재생에너지 검토 프로그램
세대면적(m²) 일별 사용량(l/일) 월별 사용량(m³/월) 평균 급탕요금(원/월)
36 109.5 3.3 9,856
46 158.7 4.8 14,283
51 181.7 5.5 16,352
59 212.7 6.4 19,142
정석래 / 한국토지주택공사 처장([email protected]) 안한근 / 한국토지주택공사 차장([email protected]) 고영민 / 한국토지주택공사 과장 ([email protected])
주택의 비중이 높아 공동주택을 제외하고는 어떠 한 시스템도 보급 확대가 어렵다.
더구나 공동주택은 단독주택에 비해 태양열 설치가 더 유리한 부분이 많이 있다. 우선 단독주 택보다 층고가 높아 음영으로부터 비교적 자유로 우며 세대수가 많아 급탕부하가 크기 때문에 하 절기 과열현상이 잘 일어나지 않는다. 또한, 태양 열시스템 특성상 지속적으로 운전을 관리하고 하 자 등을 대비하기 위한 관리인원이 필요하나 단 독주택 설치 시에는 개인이 이러한 관리를 하기 어려운 측면이 있다. 공동주택에는 분야별로 관 리인원이 24시간 상주하고 있어 시스템 관리가 더 효율적일 수 있다.
공동주택 태양열 적용
태양열의 사용은 집열기의 다양한 형식에 따 라 단순 온수 생산부터 흡수식 냉동기를 이용한 냉방, 태양열 발전까지 다양하게 이용 가능하나 공동주택 적용시 에는 저온(40～80 ℃)의 온수
생산을 통한 급탕 이용이 가장 적합하다고 생각 한다. 공동주택은 1개 건물에 세대수가 많아 열부 하가 크지만, 태양열을 설치할 수 있는 공간이 제 한적이어서 기존열원에 대한 보조 수단으로만 이 용이 가능하기 때문이다.
난방으로의 이용도 검토가 가능하나 난방은 겨울만 사용하고 급탕은 사계절 모두 이용 가능 하며 태양열이 가장 많은 열량을 생산하는 여름 에는 난방을 하지 않기 때문에 난방으로 이용하 기에는 어려운 면이 있다.
소형평형 아파트의 급탕부하(표 2 참조)와 태 양열의 설치 가능면적을 고려하였을 때 공동주택 태양열의 급탕 보조율은 약 30～40% 정도일 것 으로 예상할 수 있다.
별도의 프로그램(그림 1 참조)을 이용하여 설 치될 공동주택의 일반적인 사항을 입력하여 태양 열 설치 시의 적용성 및 설치 효과 등을 우선적으 로 파악한 후 태양열 적용여부를 검토하면 더 정 확한 분석이 가능하다.
난방방식별 태양열 설계
개별난방 지구
개별난방 방식의 공동주택에 태양열을 적용 하기 위해서는 태양열 집열기의 설치위치와 보일 러와의 연동에 대한 검토가 필요하다. 태양열 집 열기 설치위치는 각 세대의 발코니에 설치하여 세대별로 각각 이용하거나 옥상에 통합적으로 설
치하여 공동으로 이용하는 두 가지의 방법이 있 을 수 있다. 발코니에 설치하여 세대별로 이용 시 에는 옥상에 설치하는 것보다 설치면적을 더 많 이 확보하여 더 많은 온수 생산이 가능하나 아파 트의 층수에 따라 일사량이 상이할 수 있고 특히 저층 세대는 주변건물의 음영으로 인해 태양열을 거의 이용하지 못하는 문제가 있다. 반대로 옥상 설치 시에는 밸런싱 밸브 등을 이용하여 세대별
[그림 2] 개별난방지구 태양열 적용 예시
[그림 3] 태양열 전용 보일러
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로 균일하게 온수를 공급할 수 있으나 제한적인 옥상면적으로 만족할 만한 결과를 얻기는 힘들 다. 이런 부분을 감안하여 고층 세대는 발코니에 설치하고 저층 세대는 옥상공간을 이용하는 방법 도 검토해 볼 수 있다(그림 2 참조).
또 한가지 고려하여야 할 부분은 보일러와의 연동이다. 불규칙적으로 생산되는 태양열 온수를 보일러와 적절하게 연동시켜, 태양열을 우선적으 로 사용하고 부족할 경우 보일러가 자동으로 가 동되는 시스템의 구축이 필요하다. 이런 부분은 현재의 자동제어 시스템과 자동밸브의 발달로 문 제없이 구현이 가능하며 현재 태양열 시스템과의 연동을 위해 축열 탱크와 기타 주변기기를 결합 한 태양열 전용 보일러(그림 3 참조)도 생산되고 있다.
공동주택의 난방방식 중 가장 일반적인 방식 이 개별난방 방식이지만 아직 개별난방 공동주택 에 태양열을 적용한 사례는 없다. 그 이유는 각 세 대별로 별도의 펌프, 탱크 등의 설치가 필요하기 때문에 뒤에서 소개할 지역난방과 중앙난방 지구 적용과 비교했을 때 더 많은 공사비가 소요되고 세대 내에 설치됨으로 인한 별도의 공간 필요, 소 음 및 하자보수 등에 더 불리하기 때문이다.
지역난방지구
지역난방 방식의 아파트에 태양열을 적용하 는 경우에는 지역난방 시스템과의 적절한 연동이 가장 중요하다고 할 수 있다. 태양열로 생산된 온 수를 지역난방 시스템과 연동하는 방법은 태양열 배관을 연결하는 연결부위에 따라 크게 두 가지 로 생각해 볼 수 있다. 우선 지역난방의 환탕배관 에 연결하는 방식이다. 태양열 시스템을 동별로 유닛을 구성하여 옥상에 집열기를 설치하고 생산 되는 온수를 동 지하의 환탕배관에 연결하는 것 이다. 이럴 경우 축열 탱크 및 기타 순환펌프의 설 치는 동 지하의 여유공간을 활용할 수 있으며 시 스템을 단순화하는 것이 가능하다.
또 다른 방법은 지역난방의 급탕보급수 배관 에 태양열을 연결하는 방식이다. 보급수 온도가 시수보다 높으면 지역난방에서 공급하는 열량은 감소하게 된다. 이 경우에는 태양열 시스템을 기 계실별로 구성하여야 하며 각 동에 설치된 태양 열 집열기는 기계실별로 통합해서 제어하게 된다 (그림 4 참조).
각각의 방식은 장단점이 있으나 기계실별로 통합하여 관리하는 방식이 장비의 대용량화를 통 해 공사비를 줄일 수 있으며 추후 유지관리에도
[그림 4] 지역난방지구 태양열 적용 예시
유리할 수 있다.
지역난방지구에 태양열 적용 시에는 일반적 으로 여름철의 급탕부하와 겨울철의 급탕부하를 감안하여 적절한 태양열 용량을 산정하여야 하 며 계절별 부하를 고려한 축열 탱크의 운영이 효 율에 매우 중요할 수 있다. 여름철에는 사용하지 않는 고온의 온수를 저장할 수 있어야 하고 겨울 철에는 부족한 온수를 빠르게 공급해야 하기 때 문이다. 이를 위해 축열 탱크를 분리하여 순차적 으로 축열할 경우 더 높은 효율을 기대할 수 있다 (그림 5 참조).
중앙난방 지구
중앙난방 방식은 현재 신축아파트에는 잘 적 용되지 않는 방식이지만 최근 열병합방식의 중앙 난방 등을 통해 다시금 재조명되고 있다. 각각의 난방방식을 비교하면 중앙난방 방식의 공동주택 이 태양열 시스템을 적용하기에 가장 적절하다.
중앙난방 시스템은 기본적으로 급탕 탱크가 있기 때문에 별도의 태양열 축열 탱크를 설치할 필요 가 없으며 생산된 태양열 온수를 급탕탱크로 공
급하여 주면 중앙난방방식의 제어 시스템에 의해 자동으로 운전이 가능하기 때문이다.
하지만 전국적으로 중앙난방 방식의 공동주 택이 많지 않으며 신축주택 건설 시 중앙난방 방 식을 선택하는 경우가 많지 않아 적용에 제약이 따른다.
적용사례
오산누읍 휴먼시아 아파트
경기도 오산시에 있는 오산 누읍지구는 지역 난방방식의 공동주택으로 14개동 총 1,179세대 가 거주하고 있는 단지이다. 국내에서는 최초로 공동주택에 태양열 시스템을 적용하였다(그림 6 참조). 태양열 집열기는 평판형 방식이 사용되었 으며 총 1,700 m²(세대당 1.4 m²)의 용량이 설치 되었다. 축열 탱크는 총 6개의 탱크 55,600 ℓ가 설치되었으며 태양열 집열기 1 m²당 32ℓ규모 이다. 배관은 밀폐형으로 구성되어 태양열 집열 기 측에 5.5 kW의 순환펌프와 축열 탱크 측에 1.5 kW의 온수순환펌프가 설치되어 있다. 태양열 집
[그림 5] 태양열 축열탱크 배치 예시
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열기는 경사지붕에 설치되었으며 축열 탱크 등 이 설치되는 태양열 기계실은 지역난방 기계실의 Zone 별로 구분하여 동 지하에 설치되었다. 태양 열로 생산된 온수는 지역난방 열교환기의 급탕급 수 라인에 연결되어 지역난방 에너지를 절감할 수 있도록 설계되었다. 공사는 2009년 12월 시작 하여 2010년 6월에 완료되었으며 동 입상관 신축 조인트 누수 등 일부 하자도 있었으나 대체적으 로 현재까지 잘 운영 중에 있다.
- 설계시 특별히 고려한 사항
·집열기 내부 및 집열기 간 연결부위 최소화
·유량제어(옥상집열기-리버스리턴제어, 동-밸런싱밸브 제어 등)
·저탕탱크 운전은 효율적 운영을 위해 분리 축열방식 적용
·유량 증가 및 감소를 위해 열매체 펌프 인버터 제어
·옥상 경사지붕 공사시 안전 및 향후 눈 추락 방지를 위해 안전난간 설치
·고온용 자재선정 검토(자동공기 빼기 등)
·최고위 설치에 따른 전기피뢰침 간섭여부 검토
·옥상 지붕 노출배관 마감 검토
·열매체 순환펌프의 소음과 진동 검토
·급탕탱크의 온수사용량과 연계한 적정규모 의 용량 검토
·급탕탱크 분리축열 방식에 적합한 온도 성층화 방식 검토
서울중계 주공 아파트
서울 중계동에 있는 서울중계지구는 최저소
[그림 6] 오산누읍지구 태양열 시스템
[그림 7] 서울중계지구 태양열 시스템
득 계층의 입주민이 주로 거주하는 영구임대아파 트이다. 90년대 초반 건설된 건축물로 10평 내외 의 소형평형 세대로 이루어져 있다. 오산 누읍과 동일하게 지역난방의 보조 열원으로 설계되었으 며 각 동 집열기, 축열 탱크(3-Tank) 등 시스템을 하나의 Zone으로 구성하였다 기타 기본적인 설 계방식은 동일하다(그림 7 참조).
소형평형이 많아 집열기 설치면적으로 세대 당 약 0.5 m²만 설치가 가능하여 고온의 온수를 생산할 수 있는 단일 진공관형 집열기가 적용되 었다. 진공관형 집열기의 하절기 과열을 방지하 기 위해 m²당 축열 탱크 용량을 일반적인 경우보 다 더 큰 53ℓ로 설계하여 총 36,000ℓ의 탱크가 설치되었다.
2012년 5월 준공되어 여름과 가을 운전결과 로 평판형에 비해 고온의 물이 생산되어 더 높은 온도의 물을 더 오래 공급 가능하였으며 외기온도 가 떨어질 때에도 일정온도 이상을 생산하여 급탕 비 절감에 도움이 되었다. 그러나 하절기에 너무 높은 온도로 오랫동안 시스템이 운전되어 배관, 펌 프, 밸브 등의 내구성에 문제가 있을 수도 있으므 로 이에 대한 대책이 필요할 것으로 보인다.
청주 산남 주공 아파트
청주 산남지구는 90년대 중반 중앙난방방식 으로 건설된 영구임대아파트이며 중온수보일러 를 사용하여 난방과 급탕을 세대에 공급하는 방 식이다. 급탕을 공급하기 위해서는 벙커C유, 도 시가스 등을 원료로 보일러를 가동하여 급탕 탱 크에 저장하여 세대로 공급된다. 한여름과 일사 량이 좋은 춘추 절기에도 급탕을 공급하기 위해 서는 보일러 가동이 필요하다. 따라서 태양열 적 용 시 효과가 클 것으로 판단되어 중앙난방지구 에 대한 태양열 적용성을 테스트하기 위해 시범 사업지구로 선정되어 2012년 말 공사를 시작하 여 2013년 초에 준공예정이다.
별도의 태양열 축열 탱크를 설계하지 않아 공 사비가 약 11% 정도 절감되었으며, 세대 급탕부 하 분석결과 하절기 일부 기간에는 중앙난방 보 일러의 가동이 필요없이 태양열만으로 운전 가능 하여 에너지 절감 효과가 더 클 것으로 예상된다.
적용효과 분석
공동주택에 최초로 적용되어 2010년부터 현재까지 운영 중인 오산 누읍지구를 대상으로 2011년 7월부터 2012년 6월까지 1년간의 태양 열 적용 효과를 분석하였다.
태양열의 생산열량은 축열 탱크 인출부에 설 치된 열량계를 검침하여 측정하였다. 생산열량 분석결과 봄철에 가장 높은 열량을 생산하였으며 평판형 집열기의 특성상 동절기에 생산열량이 급
[그림 8] 태양열 생산열량현황
[그림 9] 계절별 태양열 보조율
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격히 떨어지는 현상이 나타났다(그림 8 참조).
월평균 생산량은 약 50,000 Mcal이며 태양 열의 보조율은 평균 32% 정도로 하절기에 최대 68%, 동절기에 최소 6%까지 나타나 급탕사용량 이 가장 많은 동절기에 생산량이 가장 적고 사용 량이 많지 않은 하절기에 생산량이 제일 많은 태 양열 시스템의 근본적인 문제점이 나타났다(그 림 9 참조). 이런 부분을 해결하기 위해서는 집열 기 설치 시 동절기에 유리하도록 설치 각도를 조 정하거나 동절기 효율이 좋은 진공관식 집열기를 사용하는 등의 방법이 있으나 진공관 사용 시의 하절기 과열 부분에 대한 대책 역시 필요하다.
태양열 설치에 따른 경제적인 부분에서의 효 과도 분석하여 보았다. 그러나 공동주택의 관리 비는 각각의 관리소 운영기준에 따라 급탕 단가 를 m³당 최소 2,000원에서 6,000원까지 상이하 게 부과하며 지역난방 요금인 경우 난방요금과 통합하여 계산하므로 정확한 절감액을 산정하기 는 어려운 측면이 있다. 따라서 이번 경제성 분석 은 오산 누읍 지구에 한정된 개략적인 절감액으 로 볼 수 있다. 급탕요금은 사용량을 유량으로 부 과하기 때문에 절감금액 계산을 위해 태양열 생
산열량과 급탕공급온도, 시수온도 등을 이용하여 급탕 생산유량(m³)을 계산하였으며 태양열 시스 템에 포함된 펌프 등의 전기요금을 별도로 산정 하여 절감금액에 반영하였다.
최종적으로 태양열 설치로 인한 경제적인 절 감 효과는 연간 8천만 원 정도이며 세대당 한 달 에 약 5,600원 정도인 것으로 나타났다(표 3 참 조). 입주민 입장에서는 세대당 월별 평균 급탕금 액인 20,649원의 약 27%에 해당하는 금액으로 급탕요금에 대한 부담이 약간 줄어든다고 생각 할 수 있다. 건축주 입장에서 단순 회수기간을 계 산했을 때 약 17년으로 향후 발생할 유지보수비 까지 생각하였을 때 경제성이 좋다고 할 수는 없 으나 최근의 친환경주택에 대한 관심을 고려하여 공동주택을 분양할 경우 홍보 등에 이용할 수 있 을 것으로 예상된다.
결 론
세계에서 가장 활발하게 태양열을 활용하는 중국은 태양열 산업규모가 세계 1위이며 건축물 급탕에너지의 많은 부분을 태양열이 담당하도록
<표 3> 관리비 절감액 단위 : 원
월 태양열 생산금액 세대당
절감액 세대당 평균 급탕요금
생산금액 전기료 계
1월 2,828,000 317,250 2,510,750 2,130 26,025
2월 4,453,000 525,600 3,927,400 3,331 24,292
3월 6,241,000 412,060 5,828,940 4,944 25,031
4월 8,893,000 407,800 8,485,200 7,197 25,730
5월 12,219,000 400,330 11,818,670 10,024 21,540
6월 9,105,000 399,630 8,705,370 7,384 17,635
7월 8,908,000 497,370 8,410,630 7,134 15,735
8월 11,752,000 463,565 11,288,435 9,575 14,511
9월 8,296,000 493,473 7,802,527 6,618 14,236
10월 7,544,000 438,643 7,105,357 6,027 19,189
11월 2,884,000 301,088 2,582,912 2,191 20,597
12월 1,592,000 155,076 1,436,924 1,219 23,267
월간 평균금액 5,648 20,649
설계하고 있다. 생산이 쉬운 태양열의 장점을 활 용하여 일반인도 태양열을 쉽게 구할 수 있으며 모든 건축물 설계 시 지붕에 태양열 설치를 위한 공간 등을 구획하는 등 태양열 보급이 활성화되 어 있다.
이에 반해 국내 주택의 태양열 적용은 아직 초 기 단계로 표준적인 설계나 시공방법 등이 아직 정립되지 않은 상태이다. 경제성 측면에서도 충분 치 않아 정부의 지원사업 등을 통해서만 적용이 가능한 수준이다. 그러나 태양열은 태양광에 비해 복잡하지 않은 기술을 통해 높은 효율을 내는 시 스템이며 지열, 연료전지 등과는 달리 무한한 태양 에너지를 이용하는 등 장점이 많은 시스템인 만큼 태양열의 확대를 위해서 공동주택에 대한 적용성
검토가 반드시 필요하다고 생각된다.
지금까지 공동주택에 태양열 시스템을 적용 하기 위한 검토내용과 적용사례를 소개하였다.
여기서 나온 결과를 바탕으로 향후 더 많은 개선 을 통해 태양열 보급이 활성화될 수 있도록 모두 노력해야 할 것이다.
참고문헌
1. 에너지관리공단, 2010, 신·재생에너지 보급통계 2. 지식경제부, 2008, 태양열설비 표준화
3. 한국토지주택공사, 2010, 신·재생에너지 도 입 및 시설설치 기준에 관한 연구
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