공동주택에서 통합 배관시스템 적용에 따른 Energy 절감효과 및 경제성 분석
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공동주택에서 통합 배관시스템 적용에 따른 Energy 절감효과 및 경제성 분석

(주)구성이엔드씨 / 윤석구 대표이사

1. 서론

1.1 연구의 배경 및 목적

우리나라의 2017년 기준 에너지 수입의존도는 94%이며 최종에너지 중 공장과 같은 산업부문에서 연간 61.7%가 소비되고 건축물에서 사용되는 가정상업부문의 소비는 17.1%인 39,907(천 toe)이다. 

국토연구원 작성의 2017년도 주거실태조사 보고서에 의하면 우리나라 전체의 주택유형중 아파트가 차지하는 비율이 48.6%로 차상위인 단독 주택 34.3% 보다 높다. 이와 같이 공동주택이 주거부문의 대명사로 자리 잡고 있는 상황에서 공동주택에서의 에너지 절감은 그 어느 때 보다도 중요한 시기이다. 

공동주택에서 저에너지소비를 실현하기 위한 투자효율성 관점에서 에너지 밀도가 높은 순서인 열 생산설비, 배관과 같은 이송계통, 창호나 단열과 같은 이용자 공간 등의 순서로 효율개선을 하는 것이 경제적 효율성을 높일 수 있을 것이다.

한편, 중앙방식의 온수배관을 통해 손실되는 배관열손실은 대부분 동절기 및 춘·추기에 발생되고 있다. 이는 난방과 급탕 공급 계통이 서로 완전하게 독립적으로 운영되는 4관식 배관계통을 사용함으로서 배관의 가닥수와 총 길이가 길어지고 배관의 표면적이 증가하기 때문이다. 또한 긴 4관식의 배관 방식은 기계실과 각 세대를 연결하는 배관설비 비용 또한 증가하여 건축 공사비 상승의 원인이 되기도 한다.

또한 4관식은 급탕온수가 만들어진 이후 바로 소모되지 못하고 탱크에 저장되거나 배관 내에서 오랫동안 머물러, 시상수 등의 소독을 위해 사용되었던 잔유염소성분이 가열로 인하여 분리 배출된다. 이로 인해 가열된 온수가 적절한 온도 이상으로 유지되지 않는다면 온수의 살균능력 저하로 인해 레지오넬라균과 같은 박테리아가 증식하여 위생과 건강 측면에서도 많은 문제점을 갖게 된다. 

이와 같은, 4관식 배관의 단점을 개선 및 보완하기 위하여 2관식의 통합배관 방식이 사용되고 있다. 통합배관 방식은 기존 관경과 같거나 적은 난방용 배관만을 공용부에 설치하고 급탕온수는 사용처 가까이에서 난방 온수에 의한 간접가열을 통해 얻게 함으로서 배관 가닥수와 표면적을 줄여 에너지 손실을 줄이고 공사비용을 줄이며 난방 및 급탕온수의 이송을 위한 장비 및 배관 설치에 필요한 공간을 줄일 수 있기 때문에, 유효바닥면적의 감소도 막을 수 있다. 또한 통합배관 시스템은 기존 시스템과 달리 공용부 급탕배관을 없애 배관을 통한 수질오염을 최소화 시키고 레지오넬라 질병의 방지 등 재실자의 위생 쾌적성과 거주만족도 또한 향상시킬 수 있는 시스템이다. 

 따라서 본 연구에서는 국내 기존 공동주택에서 사용되고 있는 4관식 배관 시스템의 문제점을 개선 하고자 2관식 통합배관 시스템을 제안하였다. 특히 2관식 통합배관 시스템의 세대유닛 등을 직접 설계·제작하였고, 공동주택 단지에 시범 적용하여 에너지절감효과와 경제성을 분석하였다.

이와 같은 연구는 최근 정부의 건물에서의 에너지절감 대책에 부응하는 것으로서 특히, 공동주택의 신축뿐만 아니라 리모델링에서도 건물 에너지절감 항목에 적극 활용되고 통합배관의 설계 및 운용지침 등으로 사용 될 수 있을 것이다.  


1.2 연구 방법 및 범위

 본 연구는 지역난방을 포함한 중앙난방방식 공동주택의 표준적 배관방식으로 사용되고 있는 4관식 배관방식의 단점을 해결하고자 2관식 통합배관방식의 적용에 따른 에너지절감 및 경제성 분석에 관한 것이다. 본 연구에서 수행된 연구방법 및 범위는  <그림 1>의 연구 흐름도와 같다.

 

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2. 선행연구 분석 및 이론고찰

2.1 개요

<그림 2>은 4관식 배관방식의 개념을 나타내고 있는 것으로 기존의 지역난방 혹은 중앙난방 방식을 채택하는 공동주택에서 난방 및 급탕의 공급을 위해 일반적으로 사용하는 배관 방식이다. 이 배관방식은 난방과 급탕 시스템을 서로 독립된 시스템으로 인식해 서로 간섭되지 않게 시스템을 구성하는 것을 특징으로 한다. 

한편, <그림 3>은 통합배관 방식의 2관식 배관방식의 개념을 나타내고 있는 것으로 공용부에서의 난방과 급탕배관을 통한 에너지손실을 최소화하기 위한 목적으로 공용부에 난방 배관만을 설치하고 난방배관에 흐르는 난방온수의 열을 이용해 급탕을 소형의 열교환기가 내장된 세대 유닛을 통해 간접가열로 생산 공급하는 것을 특징으로 한다. 

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2.2 선행연구 분석

통합배관시스템은 건축설비에서 난방과 급탕시스템의 온열을 하나로 통합하기 위하여 기존의 난방 배관을 통해 급탕가열용 열원을 공급하고 급탕사용개소와 가장 가까이에서 세대유닛 급탕장치를 통해 열 교환하여 급탕의 실 사용온도에 적합하게 급탕을 만들어 줌으로써 에너지와 공사비 절약, 그리고 공간절약과 위생적 급탕공급을 가능하게 하는 배관 방식이다.

 

이러한 공동주택의 난방 및 급탕을 위한 통합 배관 시스템은 국내의 학계, 연구소, 그리고 기업의 협력으로 최근 몇 년 동안 지속적으로 연구가 진행되어 왔으며, 이론적 분석을 바탕으로 한 시스템 설계 및 구성과 시작품 제작 및 기초 성능 평가를 거처 현재에는 노원구에 위치한 제로에너지하우스를 포함한 일부 공동주택에서 시범적으로 적용 및 운영되고 있다. 

 

특히, 국외의 통합 배관 시스템에 대한 연구는 국내에 비해 난방 및 급탕 방식에 대한 문화차이로 인해, 본 시스템과 관련된 연구가 거의 수행되지 않아 왔다. 따라서 선행연구 분석은 국내를 중심으로 분석하였다. 

 

또한 통합배관 시스템과 관련된 몇몇 특허가 출원되었다. 우선 저자는 공동주택에서 통합배관의 기초가 되는 중앙집중식 난방 및 급탕 시스템을 발명하여 국내 등록이후 미국특허와 일본특허를 등록하였다. 

 

본 기술은 급탕온수의 생산을 위해 사용되는 가열 온수를 각 세대 혹은 각 층에 마련된 급탕유닛을 통해 급탕을 생성한 이후 난방용의 온수 분배기를 통하거나 직접적으로 바닥 내의 온수 코일로 순환시킴으로서 공급온수의 사용 효율을 높이는 것에 목적이 있다.

핵심적인 내용으로는 공동주택 등에서 중앙난방 혹은 지역난방을 이용하는 경우 기계실 내에 위치한 급탕공급과 관련한 장치와 배관을 없애고, 개별 가구에 설치한 세대유닛을 통해 난방온수용 배관의 열을 활용해 급탕온수를 얻는 것을 특징으로 하는 시스템이다. 또한 그는 세계 최초기술인 직렬식 난방 및 급탕시스템을 특허기술로 한 제품을 연구개발을 통해 개발하였고, 공동주택에서 통합배관 시스템과 융합될 수 있는 유량제어 시스템을 발명하였다. 

 

통합배관 관련 선행연구 및 관련 기술들을 분석한 결과, 대부분의 연구 및 기술들은 공동주택에서 난방 및 급탕에 따른 열 손실을 최소화하기 위해 급탕배관을 없애고 난방배관에 열교환기를 설치함으로써 급탕 온수를 공급한 것이 특징이다. 이는 통합배관을 통해 설치 배관의 길이를 줄이고 표면적을 줄임으로서 온수의 이송 과정에서의 배관을 통한 열손실을 최소화해 에너지 소비를 줄이는 것을 핵심으로 다루었기 때문이다. 특히, 기존의 4관식에서는 중앙식의 급탕공급을 위해 별도의 급탕용 온수 배관을 설치하는 것과 달리, 통합배관 시스템은 세대 내에 설치되어 있는 열교환기를 통해 난방 배관을 통해 유입된 난방온수를 통해 간접가열 방식으로 순간 가열해 급탕 온수를 공급하는 것이 핵심이라 할 수 있다. 

또한 선행연구를 통해 제안된 통합배관 시스템은 기존 4관식 배관 시스템보다 연간 에너지 소비를 더 줄일 수 있는 것으로 확인하고, 에너지 비용 또한 절감 되는 것으로 분석하였다.

 

그러나 기존 문헌들은 시스템에 대한 이론 및 제한된 기간과 조건에서의 시운전, 그리고 시뮬레이션을 통한 성능 등의 예측 값 도출에 무게를 두었기 때문에 실제 사용되고 있는 단지규모의 공동주택에 장기간에 걸친 연간 에너지 소비 절감과 배관을 통한 에너지 손실규모와 감축을 연구한 사례는 미비하다. 

 

특히 기존의 중앙난방 방식의 배관 방식에서는 전용부 난방은 열량계를 통해 난방 사용량을 특정할 수 있으나 전용부 급탕에 사용되는 에너지 사용량은 전용부 세대에 열량계를 설치하는 것이 불가능해 불가피하게 온수메타기를 사용함으로서 급탕 사용에 부가된 에너지량을 특정할 수 없음으로 해서 전용부에서 사용되는 전체 에너지가 얼마나 되는지 알 수 없었고 연관된 공용부 배관에너지손실 규모도 특정하기 어려웠다. 따라서 본 연구는 실제 공동주택 단지 내에 통합배관 시스템을 구축하고 통합배관용 직렬형의 세대유닛을 세대별로 적용하여 단지 내에서의 연간 에너지 소비량이 어느 정도 절감할 수 있는지를 정량적으로 측정하고 공용부 배관을 통한 에너지 손실 규모에 대한 규명과 통합배관을 통한 배관 열손실 감축량을 특정하고 경제성 비교 분석을 시행하고자 한다.


2.3 4관식 배관방식

4관식 배관방식에서 난방 및 급탕온수는 기계실이나 열교환기 실에서 개별적으로 생산된 이후 각각의 배관을 통해 지하 및 입상 공유 공간 등을 거치면서 세대 내로 이동된다.

특히, 지역난방 등이 공급되는 공동주택은 단지 전체 혹은 몇몇 동을 위해 별도의 공간을 확보해 공용의 대형 난방 열교환기를 설치하여 공동의 배관망으로 각 세대에 난방온수를 공급한다. 급탕온수 또한 공급된 지역열원의 간접가열을 통해 공급된 급수가 적절한 온도로 가열된 이후 배관망을 통해 각 세대로 공급된다.

이러한 중앙공급방식은 비교적 효율이 높은 열원기기를 이용하여 각 세대에 난방과 급탕온수를 공급하기 때문에 기기의 수명에 따른 효율감소를 막고 사용률을 고려한 열원기기의 용량 조절을 위해 전문 관리자를 통해 지속적으로 관리하는 것이 필요하다. <그림 4>는 기존 공동주택에서 지역난방 시스템에 의한 공급 계통을 나타내며, <그림 5>는 입상 계통을 도식화한 것이다.

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그러나 중앙공급방식은 개별방식과 비교하여 난방과 급탕온수의 공급을 위한 기계설비 등의 큰 공간의 시설면적을 요구하기 때문에 기기 및 장비 시설의 구축 및 유지보수를 위해 많은 운영비가 투입되어야 한다. 이러한 유지보수 및 시설 운영에 따른 비용이 높아지면서 공동주택은 입주자들의 운영비 부과에 따른 민원 발생의 위험이 커질 수 있다.

특히, 공동주택에서 배관을 통해 발생하는 열손실은 상상 이상일 것으로 판단되는데 원인의 하나는 난방 및 급탕 공급 계통이 완전하게 독립적으로 운영되는 4관식 배관계통을 사용함으로서 배관의 총 길이가 길어지면서 배관의 표면적이 증가하기 때문이다. 

또한 기계실에서 난방 및 급탕온수가 생산된 이후 각 세대로 공급되는 과정에서 기계실을 통과한 배관들은 지중 매설 형태의 배관방식이나 구조물로 만들어진 배관 설치 공간인 지중공동구내 노출배관, 혹은 지하 주차장 천장 등의 노출 배관방식으로 설치된다. 설치된 배관은 건물 각 동의 지하층과 입상 배관을 거처 세대로 이동하기까지 온수 배관의 유동거리가 매우 길기 때문에 유동과정에서 배관을 통해 손실되는 열량 또한 매우 크다.

이와 같이 중앙 공급 방식은 열 생산의 장소와 열 소비처 간의 먼 거리로 인하여 온수 유동 과정에서 펌프에서 전력소모가 증가하며, 기계실과 각 세대를 연결하는 배관설비 비용 또한 증가하여 건축 공사비 상승의 원인이 되기도 한다. 

건축 공간의 관점에서도 기존 4관식 공급방식은 공동주택 내에 중·대형 열교환기 및 관련설비와 많은 배관 가닥수로 인해 기계실, 지중공동구, 입상 파이프용 닥트(Pipe Duct) 공간 등에 넓은 가용공간의 확보가 필요함으로써 건축물의 바닥유효공간이 축소되곤 한다. 

설비적인 관점의 경우 기존 4관식은 열원기기나 열교환기를 통해 직·간접 가열된 급탕온수가 만들어진 이후 바로 소모되지 못하고 저장되거나 배관 내에서 오랜 동안 머물러 상수 등의 소독에 사용된 잔유염소성분이 가열로 분리배출이 촉진되어 온수가 적절한 온도 이상으로 유지되지 않는다면 온수 중 살균능력 저하로 인해 레지오넬라균과 같은 박테리아가 증식되어 위생환경이 악화될 수 있다. 

이러한 문제를 예방하기 위해, 급탕온수의 실사용 온도인 43℃ 이하보다 높은 55℃ 이상으로 온도를 유지해야하는데 이로 인해 추가적인 에너지 소비와 배관 열손실이 증가하고 발암물질로 잔유염소성분과 물속 유기물질의 화학적 결합으로 생성된 트리할로메탄 (Trihalomethane: THM)이 물속에서 온도 증가에 따라 더 많은 양으로 용출됨으로서 온수 사용자의 호흡기질환을 유발시킬 가능성 또한 높일 수 있다. 

아울러, 난방시 지속적으로 발생되는 요구 열 부하에 대응하는 난방열원과 간헐적이지만 큰 순간부하 특성을 지닌 급탕 부하는 상호 보완적 개념으로 이해하고 열원장비 용량을 결정해야 하지만 기존 4관식은 각각 별도로 만족해야 할 열원으로 인식해 급탕과 난방 시스템을 독립적으로 구축하고 중복적으로 용량선정에 반영해 열원장비 용량이 과대해져 초기 투자비용이 상승되는 등 설비 투자 효율성이 낮아지는 결과를 초래할 수 있다. 

 

<2019년 12월 월간 설비기술 '기획특집'에서 일부 발췌>