[쾌적한家, 건강한家] 열원의 선택과 신재생에너지

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[쾌적한家, 건강한家] 열원의 선택과 신재생에너지

2018년 11월 26일 (월) 00:00:00 | 지면 발행 ( 2018년 11월호 - 전체 보기 )

열원의 선택과 신재생에너지

글 최정만 (사)한국패시브건축협회 회장 www.phiko.kr

CONTENTS

01제로에너지건축물의 정의와 실현 가능성

02제로에너지주택의 필요 요소 개론

03열교, 곰팡이, 단열

04좋은 창호의 선택과 하자를 줄이는 요령

05차양의 효과적 설치

06주택은 왜, 기밀해야 하나

07자연환기와 기계식 환기, 그리고 환기장치 설치 및 관리

08구조 형식별 패시브주택 실현 전략

09기존 주택의 저에너지 리모델링 전략

10열원의 선택과 신재생에너지

11제로에너지주택을 위한 물과 열관리

12제로에너지주택 경제성 평가와 관리

보일러의 선택

신축 시 의외로 많은 사람이 보일러 선택을 고민한다. 대부분 보일러 회사보다 ‘어떤 원료를 사용하는 보일러를 선택할까’하는 고민이다. 이 문제는 사실 그리 고민할 것이 없다. 도시가스가 들어오는 지역이면 무조건 도시가스보일러를 선택하면 된다. 여기엔 재론의 여지가 없다. 그 외의 지역에선 ‘등유보일러와 LNG보일러 중 무엇을 선택할 것인가’하는 문제인데, 비용을 생각하면 당연히 등유보일러를 선택하는 것이 맞다. 그러면 등유보일러를 설치했는데, 또 조리용 LPG(가스통)를 설치하는 것이 맞을까. 결론부터 이야기하면, 그렇게 하는 것이 맞다.

도시가스가 공급되지 않는 지역에선 난방/급탕용 등유보일러 외에 조리용 LPG(가스통)를 설치하는 것이 바람직하다.

만약 패시브하우스 수준으로 신축할 경우, 그 주택은 난방에너지를 거의 사용하지 않기 때문에 LPG로 난방하더라도 비용 부담이 없을 수 있다. 그러나 보일러로 급탕(더운물 생산)해야 하기에 난방만 고려할 순 없다. 패시브하우스라고 할지라도 급탕에너지를 줄일 수 없기 때문이다. 따라서 다소 번잡할지라도 도시가스 이외의 지역에선 난방/급탕을 위한 등유보일러와 조리용 LPG를 각각 설치하는 것이 에너지비용에 도움이 된다. 물론 이 열원의 배달(?)도 고려해야 하므로 변수는 남아 있다.

최근 전기 조리기구(인덕션, 하이라이트)의 발달로 조리용 열원으로 LPG를 사용하지 않는 주택도 많다. 하지만 가스불에 요리해야 마음이 편한 사람도 의외로 많기에 이 역시 고려해야 할 변수 중 하나다. 다만 이런 사람을 위해 조언하자면, 무언가 실내에서 연소(산소를 태우는 것)하는 것은 나와 가족 건강을 위해 좋지 않다. 아주 오래전 어느 주택이나 거실에 있던 작은 등유보일러가 사라졌듯이, 실내 공기질을 위해 이젠 가스레인지를 포기하는 것이 옳다. 그러므로 다른 변수의 영향이 적다면, 보일러는 도시가스 > 등유 > LPG 순서로 고려하고, 조리는 전기기구를 사용하는 것이 가장 경제적이고 단순하다.

에어컨의 선택

에어컨 광고를 보고 있으면, 아직 우리나라가 갈 길이 멀다고 자주 생각하게 된다. 보일러도 그렇지만, 특히 내 집에 맞는 에어컨을 선택할 때 항상 ‘평형’으로 고른다. 이것을 조금만 깊게 생각해 보면 아이러니한 상황이 된다. 단열이 거의 되지 않는 아주 오래된 30평 주택도 30평형 에어컨을 사고, 예전과 단열 규정이 비교되지 않을 정도로 강화된 최근에 지은 주택도 30평이면 30평형 에어컨을 산다는 것이다. 분명 한쪽은 크게 모자라고 한쪽은 크게 남아도는 상황일 텐데, 우리나라는 이것에 대한 구분이 아직 없는 국가라고 볼 수 있다. 이 문제를 가장 쉽게 해결하는 방법은 ‘인버터 방식’ 에어컨을 구입하는 것이다.

주택의 단열 수준과 상관없이 면적으로 선택하고 있는 에어컨

인버터 방식은 실내 온도에 따라서 (과학적 표현은 아니나)약하게 돌 때는 기기가 알아서 사용 에너지를 최소화하는 방식으로 가동되기 때문이다. 대부분의 에너지효율등급 1등급 제품이 이 방식을 채택하고 있다. 물론 초기 투자비용이 많이 들지만, 3년 이상 사용하면 뽑을 수 있다. 특히 올해처럼 무더운 여름이 매년 되풀이된다면 인버터 방식 에어컨은 이제 필수적이다.

패시브하우스는 냉방에너지도 적게 든다. 그러나 전제 조건이 있다. 외부에 ‘차양’이 있어야 한다. 이 점은 이미 지난 호에 다룬 바 있다. 외부 차양을 제대로 설치한 패시브하우스는 ‘계산상’ 기존 평형의 1/5의 용량을 선택해도 된다. 즉 100평 주택에 20평형 에어컨을 선택해도 ‘용량’이 맞다. 그러나 이 역시 옳은 것은 아니다. 냉방 용량 측면에선 맞지만, 냉방은 바람의 세기와 밀접한 관계가 있다. 작은 평형 에어컨의 팬과 큰 평형 에어컨의 팬은 용량이 다르기에, 계산상 용량만으로 에어컨을 설치하면 체감상 냉방이 안 된다고 느낄 가능성이 높다. 그러므로 패시브하우스라고 할지라도 너무 작은 용량을 선택하기보다 기존의 절반 정도 용량에 서큘레이터(공기 순환용 선풍기)와 같은 기기를 함께 사용하는 것이 쾌적감을 높일 수 있고, 동시에 에너지 절감에 도움이 된다. 물론 인버터 방식이어야 한다.

태양광발전

여러 가지 보조금 정책에 힘입어 주택에서 태양광발전설비는 이제 흔한 풍경이 되고 있다. 그러나 이 보조금 액수가 점차 줄어들고, 경쟁도 치열하기 때문에 신축 주택과 타이밍을 맞추기가 쉽지 않다. 최근 렌탈 개념의 임대형 태양광보급 사업도 활발하므로 보조금만 기다리면서 때를 놓치지 말고, 여러 가지 경우의 수를 고려해 보는 것이 좋다. 또한 설비 가격도 계속 낮아지고 있기 때문에 보조금 없이 구입하나, 그냥 구입하나 그리 큰 비용 차이를 보이지 않는다(물론 크다면 큰 비용이다).

보조금의 규모도 지자체마다 조금씩 다르고, 매년 바뀔 가능성이 있기에 각 지역의 태양광발전설비 담당과 미리 상의하는 것이 좋겠다. 주로 ‘지역경제과’와 유사한 이름의 부서에서 담당한다.

이 태양광설비는 향별, 설치 각도별로 발전량이 달라진다.

<각도별, 향별 태양광발전 효율(단위: %)>

가정용으로 보조금을 받을 수 있는 최대 용량이 3㎾p이다. 이 용량은 햇빛이 적정한 각도일 때, 한 시간 동안 발전하는 최대 발전량을 의미한다. 태양은 떴다 지고, 눈도 오고, 비도 오기 때문에 하루에 발전할 수 있는 시간을 알아야 월간 발전량을 추정할 수 있다. 이 하루 발전 시간이 우리나라의 경우 평균 3.5시간 정도다. 즉, 태양광발전 용량에 3.5시간을 곱하면 하루 발전량이 된다.

한 달 발전량은 설치 용량이 3㎾p일 때, 3×3.5×30 = 315㎾h이다.

앞의 효율표와 비교해 보면, 이 설비를 남향에 약 30도로 설치하면 315㎾h가 발전되고, 이를 서향에 15도로 설치하면 315×0.84 = 264㎾를 한 달간 생산해낼 수 있다는 뜻이다.

미관을 해치는 태양광발전설비

방수층 훼곤 우려가 있는 태양광패널

만약 보조금을 받고자 한다면, 이 효율의 100%를 구현할 수 있는 위치와 각도로 설치할 것을 강요받는다. 여기에서 생각해 볼 것이 있다. 이 ‘강요’가 과연 옳은가 하는 것이다. 물론 소비자 입장에서 돈을 들여서 설치한 것이 최대한의 에너지를 생산해내면 좋을 것이다. 하지만 그게 다는 아니다. 아래와 같은 예가 적당한데, 이런 식으로 설치되는 태양광발전은 두 가지 측면에서 무모하다.

설계 단계부터 태양광패널 설치를 고려한 주택

첫째, 언젠가 방수층이 손상돼 누수로 이어질 확률이 높고,

둘째, 마을 미관에 대한 시각적 폭행이라고 볼 수 있다.

그러므로 비록 효율 측면에서 손실이 있다고 하더라도 영구적 누수 방지와 도시 미관을 위해 ‘강요’를 없애야 한다. 또한 설계 초기부터 태양광패널의 설치와 효율을 고려한다면 더할 나위가 없다.

평지붕은 방수층의 훼손 없이 자체 무게로 안전성을 유지할 수 있도록 하면서 미관도 고려해 설치가 가능하다. 해외엔 이를 위한 전용 제품도 있으나, 우리나라는 태양광패널 시공사와 미리 협의해야 한다.

경사지붕은 금속, 기와, 아스팔트슁글 등의 재료에 따라 방수층의 손상 없이 설치할 수 있는 보조 재료가 있으나, 아직 우리나라엔 없기에 아마존 같은 해외 쇼핑몰에서 구매해야 하는 불편함이 있다.

방수층 훼손 없이 평지붕에 설치한 태양광패널

아스팔트슁글용 태양광패널 브라켓

아스팔트슁글용 태양광패널 브라켓 같은 제품을 사용하고 싶은데, 태양광패널회사는 대부분 법적으로 불가능하기 때문에 무조건 방수층이 훼손되든 말든 구조체와 연결해야 한다고 이야기한다. 이는 잘못 알고 있는 것이며 구조체와 연결하지 않을 경우 구조기술사 또는 건축사의 확인서를 첨부하면 설치할 수 있다.

설계 단계에서 태양광패널의 고려하기 위해선 1㎾p당 필요한 지붕 면적을 알아야 한다. 패널의 효율에 따라 다소 차이가 있지만, 7㎡/1㎾p 정도면 무리가 없다. 즉 3㎾p 용량이라면 지붕 면적이 21㎡ 정도 필요하다.

태양광패널 위의 그림자: 발전은 거의 기대할 수 없다.

그 다음으로 태양광패널이 생산한 직류 전기를 교류로 바꿔주는 인버터의 위치를 고려해야 한다. 최근 대부분의 인버터가 옥외 설치 가능한 제품으로 나오므로, 예전처럼 실내에 적정 공간을 확보할 필요는 없다. 하지만 실내 설치를 희망한다면 약간의 소음과 열이 나므로 이를 고려해 위치를 결정해야 한다.

이 모든 것을 떠나서 태양광패널을 설치할 때 가장 최우선으로 고려할 것이 하나 있다. 바로 음영(그림자)을 피해야 한다. 태양광패널은 손바닥만한 셀들이 모여 큰 전력을 만들어내는데, 이 셀들이 모두 직열로 연결돼 있기에 셀 중 하나에 그림자가 떨어지면 전체 발전량이 매우 크게 저하되기 때문이다.

이는 큰 나무그림자뿐만 아니라, 작은 낙엽이 패널에 붙어도 마찬가지의 결과가 난다. 또한 눈이 쌓였다가 녹는 과정에 패널의 끝자락에 눈이 남아 있는 경우에도 발전량의 저하가 크다. 그러므로 모든 패널을 그림자로부터 자유로운 위치에 설치해야 한다.

태양열 급탕설비

이 설비는 뜨거운 물을 만드는 목적으로 설치하는 신재생에너지이다. 뜨거운 물은 대개 겨울철에 필요한데, 겨울은 태양의 고도가 낮다. 낮은 태양고도에서도 원활하게 뜨거운 물을 만들어내리면서 태양열흡열판의 각도가 매우 높게 서 있어야 한다. 즉 전기를 생산하는 태양광패널은 수평을 기준으로 약 30~40도 내외로 설치하는 것이 최적이라면, 태양열흡열판은 최소 각도가 55도 이상이어야 한다. 이 각도는 최소의 조건이므로 사실상 더 높은 각도로 서 있어야 하며, 직각으로 완전히 서 있어도 무방하다. 이 각도가 중요한 것은 여름에 문제가 생길 수 있기 때문이다.

진공관형 태양열급탕설비는 여름에 관을 돌려서 과열을 막아야 한다.

간격이 너무 좁고, 설치용 철물의 노출이 마을의 미관을 망칠 수 있다.

진공관형의 경우 효율이 높아 온수를 만들기에 용이하지만, 여름에 관의 내부 온도가 극히 높게 올라가기 때문에 여러 가지 하자를 유발할 수도 있다. 그래서 진공관형은 손으로 관을 돌릴 수 있게 만들어져 있는데, 여름철에 이를 180도 돌려서 뒷면이 해를 바라보게 하여 온도의 상승을 막아야 한다. 하지만 이것을 아는 사람도 드물고, 안다고 하더라도 계절마다 바꾸기도 쉽지 않다.

만약 여러 가지 이유로 이를 계절마다 돌리기 어렵다면, 여름에 차광막이라도 덮어야 하자를 줄일 수 있다. 여기에 더해서 태양이 진 저녁에도 더운물을 사용하려면, 낮에 생산된 온도를 유지하기 위한 물탱크가 필요하므로 기계실 면적이 꽤 많이 필요하다는 것을 미리 체크해야 한다.

태양광발전설비와 다르게 그림자에 민감하지는 않으나, 높은 각도로 설치해야 하므로 시각적으로 도드라져 보일 수밖에 없는데, 이 역시 마을의 미관을 고려해 철물 등이 노출되지 않도록 마감해야 한다.

지열 냉난방설비

땅속의 열을 이용하는 이 설비는 냉난방 겸용 에어컨의 실외기가 땅속에 묻혀 있는 것과 같다. 우리가 여름에 에어컨을 사용할 때 실외기에서 매우 뜨거운 바람이 나온다. 실내의 더운 공기를 모아서 실외로 내다 버리기 때문이다(개념적으로 그렇다). 그래서 실내는 시원해지고 실외기에선 강하고 뜨거운 바람이 나오는 것이다. 지열설비로 냉방할 때 원리는 에어컨과 완전히 동일하다. 즉 실내의 더운 공기를 땅속으로 버리는 것이다.

에어컨과 지열 냉난방설비는 모두 ‘히트펌프’를 근간으로 하며, 원리나 작동 방식이 모두 동일하다. 이름이 ‘히트펌트=열펌프’인 것은 물펌프가 물을 만들어내는 것이 아닌 물의 위치만 이동시키듯이, 지열 히트펌프 역시 열을 직접 생산하는 것이 아니라 ‘열을 이동’시키기 때문에 상대적으로 들어가는 에너지가 적다. 같은 전기를 사용하지만, 바닥에 설치하는 전기패널이 100이라는 전기를 사용한다면, 히트펌프는 같은 온도를 낼 경우 약 30~40만 사용하는 것이다. 이 히트펌프 중에서 지중열의 도움을 조금 더 받는 것이 지열 냉난방설비이다.

지열 냉난방을 설치하면 냉난방비용이 거의 안 나오는 것처럼 이야기하는 곳이 많은데, 사실은 그렇지 않다. 우리가 하루 종일 에어컨을 돌리면 전기료가 감당 안 되듯이 지열 냉난방설비도 마찬가지다. 그래서 불가피하게 지열 냉난방을 설치하면 누진제에 걸리지 않도록 전기계통을 별도로 설치한다. 그럼에도 불구하고 광고처럼 낮은 금액을 내는 것은 아니니, 설치 회사에 이 요금을 진지하게 문의할 필요가 있다. 생각한 것보다 의외로 요금이 많이 나올 수 있기 때문이다(월 기준 30만 원 내외).

문제는 이 지열 히트펌프가 주택과 궁합이 별로 좋지 않다는 데 있다. 앞에서 밝힌 바와 같이 여름엔 실내의 열을 땅속에 버리고, 겨울엔 땅속의 열을 실내로 가져오는 개념인데, 땅속의 온도는 항상 일정하지 않다.

겨울을 기준으로 10도의 상수도가 땅속으로 들어가서 약 18도의 물이 됐다고 가정하자. 땅속의 온도는 처음에 18도 내외였지만, 지열 히트펌프가 계속 가동되면 이 온도는 지속으로 낮아져 10도의 상수도 온도에 가깝게 될 수밖에 없다. 이 땅속의 온도가 원래의 온도로 빨리 복원돼야 히트펌프의 효율이 높아진다. 그런데 이 복원력이 낮거나, 히트펌프가 복원할 시간을 주지 않게 계속 돌아간다면 효율이 떨어질 수밖에 없다.

주택은 24시간 운영하는 건물이다. 업무시설처럼 낮에 운영하다가 퇴근하는 경우 야간에 땅속의 온도가 충분히 원래의 온도로 복원하는 시간을 벌 수 있는데, 주택은 그렇지 못하다. 그래서 이 궁합이 잘 맞지 않는다고 이야기하는 것이다.

주택의 지열 히트펌프 설치 사례

이 단점을 최소화하기 위해 지열 냉난방설비를 설치하기 전, 땅속의 온도 복원력을 시험하는 ‘지중열전도시험’이란 것을 하는데, 복원력이 좋아도 24시간 운영된다면 당할 재간이 없다. 통상 땅속으로 약 100~120m를 파고 들어가는데 복원력에 따라서 이 길이는 훨씬 더 길어질 수도 있고, 천공을 두 군데 이상할 수도 있다. 이처럼 중요한 시험조차 하지 않고 설치하는 업체도 있고, 통상 땅의 열전도율이 2.2W/mK 이상이어야 하므로 지역에 따라서 이 조건을 만족시키지 못할 수도 있으니 유의해야 한다.

다만 하루에 조금만 돌아도 충분히 냉난방이 가능한 패시브하우스의 경우 땅이 자기 온도를 복원할 시간을 충분히 벌 수 있는데, 패시브하우스는 워낙 작은 에너지만으로 운영이 가능하기 때문에 역설적으로 지열 냉난방설비 자체가 과투자가 될 수 있다.

마지막으로 이 히트펌프는 기계실의 면적도 제법 필요로 하고, 소음이 상상한 것보다 훨씬 크다. 그러므로 히프펌프가 들어가는 기계실의 위치가 잠을 자는 방에 영향을 미치는 곳이 아닌지 주의할 필요가 있다.