[패시브하우스] 패시브하우스와 지열교환기 (ground heat exchanger)

[패시브하우스] 패시브하우스와 지열교환기 (ground heat exchanger)

 

난방에너지를 절약하고 실내의 쾌적성을 높이기 위해 패시브하우스에는 폐열회수장치(heat recovery)가 달린 공기조화기의 설치가 필수적이다. 에너지 절약을 최대한 높이기 위해서는 주방이나 화장실에서 뽑아낸 폐열(배기)에서 가급적이면 최대한의 열을 다시 회수해야 한다. 이때 폐공기(배기)의 온도가 더 내려갈수록 뽑아 쓸 수 있는 재활용의 열이 많은 것이다. 즉 유입되는 신선한 공기의 온도가 거의 폐공기(배기)의 온도에 이르게 되는데 실질적으로는 몇 도가 너 낮다. 폐열회수의 정도가 그래서 보통 80-90%에 이른다. 물론 생산업체에서 발표하는 폐열회수를 어떤 계산을 위해 대입하는 것보다 예를 들어 패시브하우스 연구소(Passivhaus Institut Darmstadt germany)에서 검토된 폐열회수 수치를 사용하는 것이 사실과 더 근접하다. 보통은 12%를 빼면 된다. 즉 생산업체에서 말하는 회수정도수치가 무엇에 근거해서 계산이 되었는지를 알아야 하고 의심의 경우에는 위에서 말한 수치를 빼고 계산하면 무리가 없다.

 

페열회수장치의 높은 효율은 장치 속에서 폐열회수로 인한 배기의 온도하강과 그로인한 열교환기내의 결로로 인해 얼음이 생기지 않는 한 지속적이라 볼 수가 있다. 결빙이 생기는 경우는 외기로부터 유입되는 공기(급기)의 온도가 너무 낮아서 그로인한 온도가 낮은 폐공기(배기)가 폐열회수장치에서 노점온도이하로 내려가면서 생기는 것이다. 이런 경우는 공기조화기의 효율에 영향을 줄 뿐 아니라 폐열회수장치의 손상을 유발할 수도 있다.

 

이런 문제를 사전에 방지하기 위해서 간단하게는 유입되는 공기의 양을 줄이거나 혹은 시간적으로 아예 유입공기의 시스템을 멈추게 하는 결빙방지 시스템이 설치되기도 한다. 그러나 말처럼 그리 좋은 안전장치는 아니다. 무엇보다 실내에 필요한 공기가 충분히 공급이 되지 않는 것이고 달리 말해서 적은양의 공기가 실내로 유입이 되는 것이며 이는 실내에 필요한 신선한 공기의 양과 차이를 보일수가 있다. 다른 문제는 배기의 양은 그대로 유지가 되는데 이는 건물 전체가 저압으로 된다고 볼 수가 있다. 들어오는 공기보다 나가는 공기가 많기 때문이다. 자연의 성질은 이 부족한 양의 공기를 채우기 위해서, 압력차를 없애기 위해서 틈새로 외기가 실내로 유입되게 된다. 이는 결과적으로 폐열회수장치를 위해서는 좋은 조건이 아니다. 왜냐하면 다 쓰고 난 온도가 높은 공기가 배기구를 통해 폐열회수장치로 가는 것이 아니라 상대적으로 찬 공기가 회수되기 때문이다. 기계의 보호를 위해서는 좋은 시스템이지만 전체적인 에너지 순환체계로 보면 좋은 것은 아니다. 다른 또 하나의 방법은 배기되는 공기에서 bypass를 통해 열회수를 하지 않고 외부로 나가는 공기의 온도를 너무 내리지 않는 것이다. 이 시스템은 모든 실내공간이 공기조화기를 통해 난방을 하는 것이 아니라 하나의 독립된 난방 시스템이 있는 경우에는 더 간단한 조절이 가능하다. 참고적으로 요즘 많이 개발이 된 습기폐열회수기의 경우는 결빙에 대비한 부수장치가 필요가 없다.

 

이러한 문제점을 해결하기 위해서 주로 쓰는 방법이 지열교환기(ground heat exchanger)를 통한 유입공기의 온도를 높이는 것이다. 예를 들어 -10℃의 외기를 땅속을 통과하면서 0℃로 올려 주는 것이다. 이 원리는 간단하게 겨울철에 동굴에 들어가 본 경험이 있는 사람은 쉽게 이해가 갈 것이다. 반면에 여름은 시원하다. 보통 지하 3m 부터는 계절에 따른 지중온도의 변화가 적으며 약 15m부터는 온도가 일정하지만 경제적 이유로 그리고 실지 필요한 온도를 얻기 위해서 약 1,5m에서 2,5m에 지열교환기를 설치한다. 가능하다면 최소 2m이하의 깊이가 되도록 설치해야 한다. 이 깊이는 어쩌다가 나온 우연의 수치가 아니다. 물리적으로는 공기조화기에 들어가는 외기를 데우고도 겨울이 끝날 무렵에 지중의 온도가 5℃가 되어야 하는 깊이 이기도 하다. 지중의 열은 겨울철은 보통 7℃에서 12℃이며 여름에는 15℃에서 18℃이므로 냉난방에너지 절약에는 많은 도움이 된다. 그러나 직접적인 에너지로 사용하는 온도로는 낮기에 heat pump와 연결해서 사용을 하는 것이다.

 

(출처:AVENCO AG germany)

들어오는 찬 공기를 계속해서 지중에 저장된 열로 데워주다 보면 언젠가는 흙의 축열 능력이 바닥이 나기 때문이다. 그래서 집에서 외부로 나가는 폐수관 근처에 설치하기도 한다. 그러면 어느 정도 폐수로부터 열을 회수할 수가 있기 때문이다. 지열교환기는 더불어 한여름에는 외부의 더운 공기를 식혀주는 부수적인 효과를 가지고 있기에 겨울철 폐열회수장치의 결빙을 방지하기위해 설치되는 장치보다 훨 매력이 있다고 볼 수가 있다. 결빙방지기를 위해 전기나 혹은 난방장치와 연결해서 뜨거운 물을 쓰기도 하는데 이 방법은 지열교환기에 비해서는 효과적이지 못하며 경제적이지 못하다. 공기지열교환기를 통한 에너지 절약은 평균 난방면적 제곱미터당 0,5에서 1,5kWh에 달한다. 더불어 지중의 축열능력에 중요한 역할을 하는 것은 어떤 재질의 흙이냐 하는 것이다. 점토질의 흙이 축열에는 좋다.

 

지열교환기는 크게 두 종류가 있는데 공기를 데우고 식히는 공기를 이용하는 방식(공기-공기-열교환기)과 결빙방지제를 섞은 물을 이용한 방식(물-공기-열교환기)이 그것이다. 물을 이용한 지열교환기는 바닥난방에 사용하는 관처럼 땅속에 설치해서 겨울과 여름에 열을 주고받는 방식으로 보면 이해하기가 쉽다.

 

일반 단독주택에 사용되는 공기지열교환기는 지름은 보통 15에서 20cm의 플라스틱계열의 관을 이용해서 지중 1,5m에서 2m깊이에 약 25m에서 45m정도를 여름철의 결로수가 중간에 머무르지 않고 잘 흐를 수 있도록 건물방향으로 공기흐름의 방향으로 최소한 2%의 경사를 두고 설치한다. 물론 외기를 흡입하는 입구부위에 보통의 단순필터와 또 공기조화기내에 거주자의 요구에 따라 여러 종류의 고성능필터를 설치할 수는 있지만 이 지중의 관을 통해 들어오는 공기는 실내에서 우리가 숨 쉬는 공기이므로 공기지열교환기의 철저한 위생과 사용된 재료의 적합함은 사전에 신중하고 세밀한 조율이 필요하다. 여름에 보통 덥고 습기가 많은 외기가 지열교환기를 지나가면서 온도가 낮아지기에 노점온도에 이른 공기는 관속에 어쩔 수 없이 물을 생기게 한다. 이때 이 물이 흐르지 않고 장시간 고여 있거나 혹은 지열교환기의 내부의 요철로 인해 물의 흐름을 막을 경우는 전체 시스템에 부정적인 영향을 주며 더불어 여름 장마철 지하수의 수위가 올라가면서 지중의 수분이 또한 관속으로 유입이 되면 않된다. 그리고 관의 가장 낮은 부위에 이렇게 해서 모인 물을 위생적으로 빼낼 수 있는 시설이 필요하다. 적어도 1년에 한번은 굴뚝 청소하는 도구로 간단히 관속을 청소할 수가 있으면 좋다. 처음 청소시에는 시공때 들어간 흙이 나올 수도 있으므로 그리 놀랄 일은 아니다.

 

더불어 독일의 경우는 그런 위험요소가 적지만 산간지역인 스위스와 오스트리아의 경우는 방사능 원소인 라돈의 유입이 상대적으로 높기에 공기지열교환기가 기밀해야 한다. 이는 산악이 많은 한국에서 적용시 사전에 충분한 검사와 해당 연구기관이나 관공서와의 연계가 무엇보다 선행되어져야 한다. 그리고 올바른 설치도 중요하지만 무엇보다도 유지 관리시 쉽게 청소를 할 수 있도록 고안이 되어야 한다. 그렇지 못하면 고가의 시설이 단 몇 년 안에 작동할 수 없는 고물이 되고 만다. 이것이 과거 80년대 미국에서 이미 비교적 많이 보급이 된 원리였음에도 계속해서 발전하지 못한 원인중의 하나이다.

 

공기지열교환기의 위에서 언급한 세심한 계획과 재료선택 그리고 유지관리의 어려움의 문제로 인해 물을 이용하는 지열교환기를 대안으로 최근에는 많이 사용한다. 보통 32에서 35mm의 PE관을 사용하며 200㎥의 유입 공기당 약 100m의 관이 필요하며 약 1,5m에서 2,5m의 깊이에 위아래로 자유로이 최소한 50cm 관사이의 간격을 두고 설치한다. 지하실이 있는 건물에는 그 기초주위로 관을 설치하지만 지하실이 없는 경우는 따로 땅을 파야하기에 조금은 더 많은 시공비가 요구되기도 한다. 이 물을 사용하는 지열교환기는 유입되는 공기를 데워주는데 사용되는데 이때 공기흐름의 저항이 전체 5 Pascal이 넘어서는 안 되며 겨울 막바지에도 지열교환기의 온도가 적어도 5℃가 되어야 한다. 그래서 외기가 -15℃일 경우 유입공기를 0℃까지 올려 줄 수가 있어야 한다. 만일 태양열 온수판이 설치가 되어 있다면 여름에 남는 도는 에너지를 지중에 저장해서 겨울철 난방에 사용하는 방법도 있다.

 

 

(출처:  Waermepumpe e.V. germany) 

물을 이용한 지열교환기의 장점은 쉽게 온도를 조절할 수가 있어 필요 없이 지중의 열을 뽑아 쓰지 않는다는 것이다. 즉 외부에 온도를 측정하는 센서가 있어 사전에 정해 놓은 온도 이하로 내려갈 경우 전체 시스템이 작동 되는 것이다. 더불어 heat pump와의 연결로 온수를 데우고 바닥 난방의 온수를 데우는데도 사용이 된다는 것이다. 이 경우에도 여름에 관속에 결로수가 생길수가 있으며 이 결로수를 받아 하수구로 연결하는 이 부분이 위생상의 문제를 일으킬 수 있는 유일한 취약부분이기에 세심한 설치가 요구된다.

 

모든 지열교환기에서는 그 효율성의 문제만큼 유입되는 공기를 잘 조절할 수 있는 장치가 필요하다. 계속해서 공기가 어떤 통제 없이 유입이 된다면 어떤 계절에는 때로는 열적인 순환체계로 볼 때 문제가 될 수도 있다. 따뜻한 초여름의 공기를 쓸데없이 지열교환기를 통해 온도를 내리거나 아니면 초겨울에 유입되는 외기를 필요이상으로 온도를 높여 결국 지중의 축적된 열을 쓸데없이 미리 쓰는 문제가 생기기에 유입되는 공기를 조절하는 것이 사실 필수적이라 볼 수가 있다. 이런 문제를 해결하기 위해 보통 bypass라는 개폐장치를 사용한다. 즉 지열교환기를 통해서 공기를 유입하거나 혹은 외부의 상황에 따라 직접 공기를 유입하는 장치이다. 반면에 물을 사용하는 지열교환기의 경우는 필요한 만큼 그 온도를 조절할 수 있는 장점이 있기에 불필요한 지열의 사용은 없다고 볼 수가 있다. 보통 이 조절장치와 펌프의 사용으로 인한 부가적인 전기의 소모는 일 년에 약 50 kWh에 이른다.

 

두 종류의 지열교환기의 외기를 데우는데 사용할 수 있는 열용량은 서로 비슷하다. 단지 유지 관리면에서 그리고 필요에 따라 사용이 가능한 조절능력과 내구성면에서는 겉으로 보기에 복잡해 보이는 물을 사용한 지열교환기가 더 효과적이라고 볼 수가 있다. 특히 시공시에 경사 없이 시공이 가능하며 더불어 지하 바닥에도 설치가 가능하기에 땅이 좁은 우리나라의 경우에는 더 유리한 조건이라고 개인적으로는 보며 더불어 공기를 데우고 식히는 것 뿐 아니라 heat pump와 연결해서 에너지 절감에서 효과적인 바닥 냉난방이 기능하다는 것이 무엇보다 설득력이 있는 장점이라고 볼 수가 있다. 두 시스템 모두 더 깊게 시공하는 것은 문제가 되지 않지만 너무 얇게 묻을 경우는 시스템 전체의 효능도 문제지만 정원이 있는 경우는 식물이 제대로 자라지 못하는 위험이 있으므로 적정 깊이에 매설을 해야 한다.

 (지중의 열을 이용한 외기를 적정온도로 올리는 장치, 배관사이에 코일되어 있는 부분, 단열재를 시공하기 전의 모습)

 

(물을 통한 지열교환기의 배관 모습)

 

전기를 시용하는 유입공기 난방기는 간단하게 차가운 외기를 손쉽게 원하는 온도로 올릴 수 있는 장점이 있으며 단독의 경우에 이 장치를 통해 소요되는 전기에너지는 보통 일 년에 25에서 75kWh에 달하며 아주 추운지방에서의 사용은 그리 경제적이지 못한 것이 단점이다. 더불어 생산되는 전기의 방식, 즉 수력, 화력, 재생에너지 혹은 원전을 통한 것이냐에 따라 일차에너지 계산에 들어가는 계수가 달라지기에 각 국가의 기초 산업시설에 따라 계산 되어져야 한다. 물론 전기가 아닌 프로판 가스의 사용도 가능하다. 다른 방법으로는 온수를 통한 외기를 데우는 방식이 있는데 성능면 에서는 위에서 언급한 전기를 이용한 공기난방기와는 차이가 없지만 일차에너지 소비면 에서는 더 좋은 방식이라고 볼 수가 있다. 단점으로는 또 하나의 온수순환장치가 필요하고 일반 단독에서는 경우에 따라서는 난방장치의 효과적인 가동과 문제를 일으킬 수가 있다. 서로간의 시스템의 효과적인 조율만이 만족할 만한 결과를 얻을 수가 있다.

 

필자는 건축가로 이 설비분야는 원리만 알지 실제 조절하는데 필요한 노하우는 가지고 있지 못하다. 그래서 꾸준한 모니터링이 필요한 것이다. 비싸고 좋은 콤퍼넌트를 다 사용한다고 원하는 수치를 얻는다는 보장도 없지만 무엇보다도 중요한 것은 불필요한 설비를 했을 때는 쓸데없는 낭비가 되는 것이기 때문이다. 무엇보다도 피해야 하는 것이 쓸 데 없는 낭비이다.

 

흔히 많이 토의되고 있는 것이 건물의 에너지 성능을 높이느냐 아니면 재생에너지를 무엇보다도 우선시해서 설치하느냐? 어떻게 보면 답답한 질문이다. 이윤을 남기기 전에 소비를 줄이는 것이 삶의 지혜이듯 같은 원리이다. 10개의 태양광만 있으면 되는데 쓸데없이 20개를 설치하는 것이다. 이유는 무엇인가? 태양광도 만들기 위해서는 에너지가 필요하고 우리는 많은 양을 수입에 의존하기에 수송에도 에너지가 필요하다. 즉 그리 경제적인 것만은 꼭 아니라는 것이 부족한 필자의 소견이다.

 

그런데도 왜?

짧은 시간에 눈에 보이는 결과를 볼 수가 있기 때문이다. 이것이 정치하는 분들과 담당 공무원들의 계산이다. 결과가 없으면 재선이 어렵고 결과가 없으면 문책을 당하는 사회 현실이 그렇게 만든 것이다.

 

[출처] 지열교환기 (패시브하우스 Psaaive House)|작성자 bauhaushong