태양열 시스템을 이용한 주택 난방 및 급탕 |
글 백남춘 / 한국에너지기술연구소 태양열이용연구팀 |
신재생에너지 보급이 가장 활성화 되고 있는 유럽의 경우는 우리나라와는 달리 태양열시스템이 주거건물의 난방 및 급탕분야에도 상당한 보급이 이루어지고 있다. 이를 위해 정부의 재정적 지원제도는 물론이고 지금까지 주택의 난방 및 급탕용으로 사용될 수 있는 태양열 시스템 및 제품개발에 많은 투자가 있어왔다. 최근에는 신축되는 주거단지를 태양열로 난방 및 급탕을 하는 일련의 태양열 지역난방(District Heating)시스템이 10여개 이상 시범 설치되고 있을 정도로 보급이 활성화 되고 있다. |
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주거건물에 태양열시스템을 적용하기위한 노력은 태양열시스템에 대한 연구 초기단계에서부터 시작되었다. 그래서 유럽을 비롯한 많은 나라에서 주거건물에 태양열 난방 및 급탕시스템이 지속적으로 보급되고 있다. 우리나라의 경우는 80년대에 정부의 주관 하에 태양열 주택이 시범보급된 바 있다. 그러나 이시기에 우리나라 태양열시스템 기술에 대한 인프라는 상당히 빈약한 상태였으며, 또한 집열기 제조업체도 없는 태양열 기술 도입 초창기 단계라고 볼 수 있다. 따라서 이 시점에 보급된 태양열 주택은 100% 실패할 수밖에 없었다. 그 이후 지금까지 태양열 주택에 대한 부정적인 인식으로 인해 태양열시스템 보급이 활성화 되고 있는 현재까지도 주택 태양열 난방시스템은 거의 보급이 안되고 있다. 주거건물에 태양열 시스템 보급이 되지 않는 또 한 가지 이유는 일반 태양열 온수급탕 시스템과 같은 정부의 재정적 지원이 없기 때문이다. 본 고에서는 주거건물에 태양열시스템 활용에 관한 국내외 기술 현황과 보급시스템을 중심으로 소개하고자 한다. 주거 건물의 태양열 난방 및 급탕 시스템 적용 사례 1)단독주택에서의 태양열시스템 ■태양열 주택 단독주택에서의 태양열은 급탕용 또는 난방 및 급탕용으로 이용된다. 난방부하는 동절기에 치우쳐 있기 때문에 태양열시스템은 연중 부하가 있는 급탕용으로 주로 사용되고 있다. 그러나 최근에 들어 Low Energy House 또는 Zero Energy House와 같은 에너지를 거의 자급자족하는 주택에 태양열 난방 및 급탕시스템이 적용되고 있다. 최근에 한국에너지기술연구원에서 개발한 Zero Energy Solar House( ◈ 그림 1◈ 참조)가 그 대표적인 태양열 주택이다. 이 주택은 그림에 있는 바와 같이 건물의 각종 에너지 절약기술을 활용해서 난방부하를 줄여놓은 상태에서 태양열시스템을 적용하여 열부하의 80%이상을 자립하고 있다. ■시스템 구성 태양열 시스템은 태양열 집열기, 태양열 축열조, 기타 부대설비(펌프, 열교환기, 제어장치 등)의 부품으로 구성된다. 태양열 집열기는 현재 평판형 집열기와 진공관식 집열기가 사용 가능하다. 집열기는 외기온도와 집열온와의 차에 의해서 집열효율이 결정되며, 평판형 집열기는 이 온도차가 적은 분야, 그리고 진공관식은 이 온도차가 큰 분야에 사용하는 것이 효과적이다. 건물 난방 및 급탕용 태양열 시스템의 구성 예를 ◈ 그림 2◈와 ◈ 그림 3◈에 나타내었다. 태양열 시스템 구성방식은 여러 가지가 있을 수 있으나 특히 보조열원과의 연계방식이 중요하며, 이에 따라 집열기의 선정도 중요하게 된다. 여기서는 주로 태양열 예열방식을 예시하였다. 2)공동 주택의 태양열 지역난방 시스템 아파트와 같은 공동주택에 태양열 적용은 여러 가지 제한이 있다. 저층 아파트의 경우는 태양열 집열기를 옥상에 설치해서 난방 및 급탕용으로 사용할 있다. ◈ 그림 4◈는 독일 남부에 있는 저층 아파트에 난방 및 급탕용으로 아파트 옥상 및 지붕에 태양열 집열기를 설치한 그림을 나타낸 것이다. 이 시스템은 1개로 통합되어 중앙 공급식으로 난방 및 급탕을 하고 있다. 그러나 우리나라와 같은 고층아파트의 경우에는 주거면적 대비 태양열 집열기 설치면적이 적고 중앙공급시스템에 연결하기에는 지나치게 배관길이가 길어져서 비효율적이다. 개별난방 시스템인 경우에는 꼭대기 층 일부에는 태양열로 난방 및 급탕용으로 사용하는 것은 문제가 없을 것으로 판단된다. 3)대규모 태양열 지역난방 시스템 최근 10년동안 수행된 태양열 지역난방 시스템 개발 및 보급 프로젝트가 독일의 ‘Solarthermie 2000’(2001년 종료)이다. 2003년 현재 7개 대규모 태양열 지역난방 시스템이 시범적용 되었다. 그런데 그 보급효과가 좋아서 ‘Solarthermie 2001 Plus’라는 프로젝트로 태양열 지역난방시스템 개발 및 보급사업을 연장 수행하고 있다. 이 프로젝트를 통해 시범 적용된 지역난방 시스템의 주요 제원은 ◈ 표 1◈과 같다. 이들 시스템은 일부는 설치가 완전히 끝난 곳도 있지만 일부는 건물이 신축되는 대로 추가로 태양열 시스템이 설치되어 통합적으로 운전되고 있다. ■ 적용분야 및 용도 : 이들 7개 대규모 중앙집중식 태양열 시스템은 주로 다세대 주택, 사무실 및 호텔, 단독주택 단지와 이들이 복합된 단지이다. - Hamburg : 124개 주거 건물의 난방 및 온수급탕 - Friedrichsfen : 총 570개 세대의 주거건물의 난방 및 온수급탕 - Neckarsulm : 단독 및 다세대 주택, 학교, 사무실, 쇼핑센터 등의 난방 및 온수급탕 - Chemniz : 오피스빌딩, 호텔, 창고 등의 난방 및 온수급탕 - Steinfurt : 42기의 주거건물의 난방 및 온수급탕 - Rostock : 108개의 세대가 있는 다세대 주택건물 난방 및 온수급탕용으로 건물의 지붕은 ◈ 그림 5◈에 있는 것처럼 집열기가 지붕일체형 임 - Hannover : 106개의 다세대 주택 난방 및 온수급탕 ■ 집열기 형식 및 규모 : 사용된 집열기는 1개 단지만이 진공관식 집열기를 사용하였고, 나머지 시스템은 모두 평판형 집열기를 사용하였다. 가장 큰 규모의 태양열 시스템으로 본 표에서는 2단계 사업에 관한 것만 언급하였다. ■ 축열방식 : 이들 시스템은 부하가 없는 하절기에 태양열을 효과적으로 활용하기 위해서 전부 계간축열조를 사용하였다. 이 계간축열조는 집열면적당 축열용량이 커야하기 때문에 일반적인 태양열 축열조(스틸 탱크) 형태는 비경제적이다. 따라서 설치비용이 적게 드는 지중축열이나 대수층 축열 등의 다양한 형태의 대규모 축열조가 개발되어 사용되고 있다. ■ 태양의존율(전체부하 중 태양열로 공급되는 비율) : 태양열 시스템 규모는 용도가 난방 및 온수급탕임을 감안해서 일반적으로 적합하다고 하는 태양의존율이 50% 정도가 되도록 하였다. ■ 태양열 생산단가 : 설치된 태양열 시스템으로 생산되는 에너지와 설치비용(부가세 및 정부 보조금 제외)을 고려해서 단위 열량당 에너지 비용으로 환산하면 152~414 Euro/MWh 로 시스템 별 차이가 크다. ■ 태양열 시스템 구성 시범 적용된 7개의 태양열 지역난방시스템은 계간축열조의 종류 및 적용지역의 특성에 따라서 조금씩 다르다. ◈ 그림 5◈는 대규모 중앙 집중식 태양열시스템 구성의 한 예를 보여준다. 부하가 없는 하절기에 남아도는 태양열을 축열장치에 장기간 저장하였다가 필요시 사용할 수 있는 계간축열조가 있다. 이 계간축열조의 축열량으로 난방이 불가능할 경우는 온수의 예열용으로 사용되어 최대한 태양열을 많이 이용할 수 있도록 시스템이 구성되어 있다. 또한 이들 대규모 단지의 태양열시스템은 건물이 연차적으로 지어지기 때문에 태양열 시스템도 연차적으로 설치되어 하나의 통합된 시스템으로도 작동됨과 동시에 개별 시스템으로도 작동이 가능하도록 되어있다. 따라서 각각의 주택이나 건물에 설치된 태양열 집열기는 이 계간 축열조에 연결되어 있다. 일부 시스템은 소형의 축열조가 별도로 각 건물에 설치되는 경우도 있다. 주거건물에의 태양열 시스템 적용 방안 1) 열부하와 태양열 태양열로 주거건물의 난방을 할 경우에 전술한 바와 같이 열부하를 가능한한 줄여놓은 상태에서 적용하는 것이 좋다. ◈ 그림 7◈과 같이 건물의 종류에 따라서 월별 난방부하 차이가 많다. 태양열은 가능한한 난방부하가 적은 건물에 적용하는 것이 월별 부하차이가 줄어들어 태양열 시스템 규모도 줄일 수 있으며 또한 태양의존율을 높일 수가 있다. 2) 태양열 집열기 설치 방법 지금까지는 주로 태양열 집열기는 지붕이나 옥상에 설치하는 것이 일반적이었으나 최근에는 유럽의 벽체를 대신할 수 있는 구조 집열기가 개발되어 BIPV처럼 벽면 등에도 설치할 수가 있다. 이렇게 설치된 태양열 시주택을 ◈ 그림 8◈에 나타내었다. 태양열 시스템을 적용하기 위해서는 열부하와 태양열시스템 설치여건이 모두 만족되어야 한다. 아무리 열부하가 태양열 시스템 적용여건이 좋다 하더라도 태양열 집열기를 설치할 장소가 없으면 태양열시스템을 적용할 수가 없다. 일반적으로 단독주택은 지붕에 충분한 설치공간이 있기 때문에 태양열 시스템 설치여건이 좋다. 아파트의 경우도 옥상에 태양열 집열기 설치공간이 있으나 주거 세대에 비해 가구당 설치공간은 크게 제한된다. 설치공간의 제한을 줄이기 위해 최근에는 태양열 집열기를 건물의 외장재 역할을 할 수 있도록 개발되고 있어 과거의 경우보다는 태양열 시스템의 설치여건이 많이 개선되었다. 태양열 집열기의 설치는 건물의 외관이 고려되고 또한 면적확보가 되어야 가능하다. 이를 위해서 건물의 설계 초기단계에서부터 건물 설계자와 태양열시스템 설계자가 협력하여야 할 것으로 본다. |