항온항습 전전화 주택으로 패시브 아파트 리모델링

곰팡이, 결로, 미세먼지 없는 아파트 3無 인테리어 번외편 ➁

‘곰팡이, 결로, 미세먼지 없는 아파트’에 대한 고찰을 해온 필자가 3년여의 연구와 실증 끝에 ‘복사냉방’으로 지면에 돌아왔다. 개념부터 최종 검증 결과까지, 그가 내놓은 해답을 만난다.

건물 성능의 향상과
그에 맞춘 냉난방 방식의 변화

패시브 리모델링을 거친 아파트의 에너지 성능 분석 시뮬레이션과 기밀테스트 결과 1.2ℓ, 0.37회/h를 기록했다.

2020년에 <전원속의 내집>에 연재기사로 소개했던 패시브 아파트 리모델링 케이스. 건축물 에너지 분석 프로그램인 ‘에너지샵(Energy#)’ 시뮬레이션 결과와 시공 전후의 기밀테스트 결과치를 본지에 공개한다. 난방 성능 1.2ℓ 하우스로 한국패시브건축협회의 패시브하우스 인증 기준을 충족시키는 성능이다. 국내 최초로 아파트 단독세대 리모델링을 통해 패시브하우스를 구현한 사례다.

리모델링한 아파트의 냉방에너지 한 달 요구량은 가장 더운 8월 기준 872kWh였다. 일반적인 에어컨을 사용할 경우 약 290kWh의 전력소비가 예상(에어컨의 성능에 따라 현저하게 달라질 수 있다)되는 수준이다. 이를 30평형의 에어컨 가동시간으로 따지면 한 달 중 4일 정도 작동시키면 되는 냉방부하이다. 산술적으로 30평형 에어컨을 하루에 3시간만 작동시키면 충분한 냉방에너지를 실내에 공급할 수 있다는 이야기다. 하지만, 실내 쾌적성 유지 측면에서는 작은 용량의 시스템을 상시 작동시키는 것이 유리하다.

패시브 아파트 리모델링 사례
냉난방 에너지 요구량

난방에너지 요구량은 가장 추운 1월 기준 543kWh다. 동일 면적의 아파트에 많이 사용하는 27,000kcal급 보일러로 한 달 동안 약 17시간 가동하면 충족시킬 수 있는 용량이다. 집의 단열성능 및 기밀성능이 패시브하우스 수준에 이르면 보일러의 가동시간이 하루 30분 보일러를 가동하는 것으로 난방요구량을 커버할 수 있다는 이야기이다.

결론적으로 건물의 성능이 비약적으로 향상됨에 따라 기존의 냉난방 및 급탕 시스템은 지금 설비들이 가동될 현실과 괴리가 생기는 셈이다. 냉난방 및 급탕 시스템이 바뀔 필요가 있다.

일상생활을 영위하는 데에 온수의 온도와 양은 따뜻한 샤워를 기준으로 약 42℃ 정도에 200ℓ를 상정했다. 이 정도 급탕은 외부기온이 높은 여름철에는 물을 25℃에서 42℃로 가열하는데 소비전력 900W 히트펌프로 1시간이 채 걸리지 않는다. 감이 잘 오지 않는다면, 일반적인 순간온수기 대비 전력소비량이 1/5이라고 생각하면 된다. 이렇게 효율이 높은 이유는 히트펌프나 에어컨은 열을 발생시키는 것이 아니라 열을 이동시키는 장치이기에 적은 에너지로 가열할 수 있기 때문이다. 물론 겨울에는 외부온도가 떨어지면서 효율이 다소 낮아지게 된다.

* 히트펌프 에너지 효율 개념

히트펌프는 실외기와 실내기를 통해 실내의 열기를 외부로 뿜어내는 에어컨과 원리가 같다, 다만 냉매의 흐름을 반대로 변환시켜 난방할 때는 실외기로 찬바람이 나가고 실내기에서 따뜻한 바람이 나오는 점이 다르다. 기본적으로 1의 에너지(전기)를 이용해서 공기중이나 수중, 지하에서 2의 잠재적 열에너지를 흡수해 3만큼의 (냉난방)에너지를 얻을 수 있다.

* 아파트 패시브 리모델링 히트펌프 대류냉방 실제 사례

쾌적함을 높이기 위해 각 방마다 천장에 대류냉방용 엑셀 파이프를 걸고 타공철판으로 마감하였다.

기계실에는 환기장치와 축열탱크, 환기장치와 연결된 냉난방 기기 및 펌프가 설치되어 있다. / 기존 보일러를 철거하고 히트펌프를 설치해 연통이 없는 것을 볼 수 있다.

* 최신 히트펌프 적용 시 1년간 에너지 비용 예측

1) 시수온도 기준 : 지중 1m 온도, 지역-서울, 기상청 제공2) COP(Coefficient of Performance, 성능계수) : 입력 에너지(전기) 대비 출력 에너지(옮기는 열의 양)의 비율을 수치로 나타낸 것으로, 숫자가 높을수록 효율이 높다는 의미다. 3) 누진세 3단계

히트펌프의 난방효율은 보통 겨울철에 접어들어 외부온도가 낮아질수록 떨어진다. 대부분 제품이 –15℃ 미만 환경에서 작동되지 않는다. 여기에 더해 전기요금의 누진 할증 때문에 난방요구량이 높은 경우 과도한 전기요금 청구서를 받을 수 있어 난방용으로 잘 쓰이지 않았다. 하지만, 초기와 다르게 관련 기술과 히트펌프의 성능이 비약적으로 발전하여 해외 고성능 제품의 경우 –30℃까지 문제없이 작동한다.

최신의 히트펌프 제품을 적용하였을 때, 지금 아파트 리모델링 프로젝트 계산치를 바탕으로 히트펌프와 LNG, LPG로 1년 동안 온수를 사용한 경우의 요금을 예측해 표로 정리해 보았다.

경제적 효율을 넘어 탄소중립과
에너지 공급까지

급탕에 히트펌프를 사용하면 1년에 34만원, 도시가스(LNG)를 사용하면 32만원, LPG의 경우 92만원의 에너지 요금이 예상된다. 만약 LPG를 사용하는 지역 또는 주택이라면 히트펌프를 이용하는 것이 경제적인 면에서 유리하다. 반대로 도시가스가 이미 들어와 있는 곳이라면 히트펌프를 굳이 사용할 필요가 없다고 볼 수도 있다. 이는 높은 초기 투자비용이 원인이기도 하다.

하지만, 도시가스 인입비, 가스 배관 설치비, 시스템에어컨, 보일러 설치비를 모두 고려한다면 기존 설비와 비교했을 때 크게 차이가 나지 않는 비용으로 히트펌프를 이용한 ‘All in One’ 냉난방 시스템 설비 설치가 가능하다. 만약 주택이 위치한 지역이 따뜻한 지역이라면 난방효율이 더 높기 때문에 중부지역과 비교했을 때 제주도와 남부지역의 경우 히트펌프로 난방 및 급탕을 하는 게 화석연료를 사용하는 보일러를 쓰는 것보다 훨씬 유리하다. 이뿐만이 아니다. 탄소발생량을 최소화하여 탄소 중립을 실현하기 위해서는 화석연료 중심의 보일러를 히트펌프로 대체하는 것이 필수불가결하다. 건물의 단열 및 기밀성능 개선이 향후 꾸준히 이뤄지고, 우리나라의 온돌이라는 주거문화적 특성이 갖는 축열성능이 히트펌프 시스템과 결합할 경우 기저부하가 약간 높아지더라도 전력피크를 상당히 완화할 수 있어 안정적인 전력공급에 큰 도움이 될 수 있다.

2020년 첫 연재로부터 시작해 지금까지, 아파트 패시브하우스 리모델링에서부터 대류냉방과 히트펌프에 이르기까지 많은 관찰과 연구를 통해 상당한 성과를 확인할 수 있었다. 국내에 처음으로 시도되는 단독세대 리모델링을 통한 패시브하우스 구현과 히트펌프를 이용한 전전화 사례에 대한 소개는 이번 글로 마치게 된다. 하지만, 겨울철 난방 및 급탕 소비전력량은 모니터링하여 한국패시브건축협회 홈페이지에 게시할 예정이다. 앞으로도 이뤄질 연구와 시스템의 개량에 대해서도 많은 관심을 부탁드린다.

글&자료_ 정광호 : ㈜잡자재

건축 현장에서 10년의 실무 경험을 쌓고, 판교에 직접 거주할 제로에너지주택을 지었다. 자연에너지 활용과 복사냉방 기술 등으로 겨울철 단열은 물론, 한여름 에어컨 없이 쾌적한 주거 환경을 이뤄 업계의 주목을 받았다. 현재 ㈜잡자재의 대표로 패시브하우스 및 저에너지 주택의 설비와 기술 세팅 컨설팅 활동을 활발히 이어가고 있다. www.jabjaje.com

구성_ 신기영

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