서 론

연구의 배경 및 목적

정부의 부문별 온실가스 감축목표의 세부 내용에 따르면 건물 부문은 2035년까지 제로에너지건축물(이하, ZEB) 의무화, 그린리모델링 확대, 에너지 소비량 정보 기술 강화, 신재생 에너지의 확산 등을 통하여 2018년 순 배출량 대비 약 53~61%를 감축하는 목표를 제시하고 있다. 이와 관련하여 지난 3월 ‘재생에너지 개발·이용·보급 촉진법’ 개정을 통하여 공기 열원을 재생에너지로 편입시키는 등 기존 태양광 발전 시스템 중심에서 새로운 에너지 공급원의 다변화와 더불어 전기화에 대한 국제적인 동향에 대응하고 있음을 시사하고 있다.

열원설비의 전기화는 보일러와 같은 전통적인 설비를 전기방식으로 대체하여 연소 과정에서 발생하는 탄소 배출량을 억제하고 고효율화를 유도 하는 것을 목적으로 하고 있다. 특히 국제에너지기구(IEA)의 World Energy Investment 2026에서도 전 세계적으로 기존 에너지의 전기화를 위한 투자가 매년 약 15% 증가하였다고 발표하는 등 내연기관 자동차가 전기차로 대체되는 과정이 건물 부문에서도 유사하게 진행되고 있음을 알 수 있다.

한편, 외기를 채열원과 방열원으로 활용하는 공기열원 히트펌프(이하, ASHP)방식은 이미 오랜 기간 업무용, 상업용 건물 등 주택 외 용도의 대류냉․난방 공조시스템으로 활용되어 왔다. 따라서 전술한 재생에너지법 시행령 개정으로 인하여 ASHP가 공동주택의 열 공급원으로 검토되고 있는 상황에서 ASHP가 건축설비로서의 기능 확보의 가능성을 확인하기 위해서는 건축, 기계, 전기 공종 등 설비 설계 측면에서 면밀한 검토가 수반될 필요가 있다.

이러한 배경을 토대로 본 연구에서는 공동주택 열원 시스템으로서 ASHP의 가능성을 확인하기 위하여 건축, 기계, 전기 공종의 설계 변경 요소에 대하여 분석하였다. 구체적으로는 기존 연구 분석을 통하여 ASHP의 열원 설비의 대체 가능성을 확인하고, 건축, 기계, 전기 공종별 설계 기준 변경 사항을 검토 하였다. 이를 토대로 기 설계된 지역난방 방식의 253세대 공동주택 단지를 대상으로 ASHP로 교체 시 발생하는 설계 변경 요소에 대하여 분석하여 향후 공동주택의 ASHP 확대를 위한 기초자료를 제시하고자 한다.

기존연구 분석

ASHP와 관련한 기존 연구는 ASHP의 적용 가능성 분석, 공동주택 적용 가능성, 성능 인자 분석 등 다양하고 심도 있는 연구가 수행되었음을 알 수 있었다. 먼저, ASHP의 적용 가능성 측면에서는 공기 열원은 지열원 대비 열 밀도가 높지 않고 특히 동절기 외기 온도에 따라 성능이 50% 이상 변화하는 등 효율적 운전조건 확보, 제어방식 고도화 및 시스템 설계 용량에 대한 촘촘한 설정이 필요함을 지적하고 있다. 특히 Lee et al. (2011)는 바닥난방 실증시험을 통해 외기온도와 출수 온도의 관계를 분석함으로서 제어방식의 다변화에 대한 필요성을 강조하였다. 이러한 문제를 개선하기 위해서 Jeong (2024)은 PVT와 ASHP를 결합한 실증을 통하여 외기온도 저하에 따른 동절기 난방 COP의 개선 가능성을 제시하는 등 시스템의 성능 확보를 위한 다양한 검토가 이루어졌음을 확인할 수 있었다.

아울러, 공동주택의 적용 가능성 측면에서 Nam et al. (2024)은 기존 가스보일러를 ASHP로 대체할 경우 급탕용 시스템에서는 운전조건에 따라 연간 온실가스 배출량을 약 23 ~ 46% 저감할 수 있으며, 히트펌프 전용 요금제를 가정 시 운영비를 약 28 ~ 49% 억제할 수 있는 등 경제성 확보를 위한 경제성 측면의 유의성 분석을 수행하였다. 마지막으로 ASHP 성능에 영향을 미치는 주요 인자와 관련해서는 열원측 공급온도와 열교환 방식에 따른 시스템 효율 변화를 정량적으로 분석하였으며(Kwon et al., 2021; Wi et al., 2026)는 외기온도에 따른 제상운전과 부분부하 운전 스케줄 설정 등 시스템 운전과 제어를 통한 효율 개선이 가능함을 제시하였다. 이외에도 공기열원 히트펌프 설치를 위한 요금제도, 시뮬레이션을 통한 다양한 운전 방식에 따른 기대 효율 변화, 열 공급 방식에 따른 에너지 절약효과 등 다양한 연구가 수행되었음을 확인할 수 있었다.

이상의 기존 연구를 종합하고 정리하면 ASHP는 기존의 보일러를 대체할 수 있는 열원으로서의 가능성은 충분히 확인할 수 있었으며, 타 건축설비와 유사하게 운전, 설치 및 제어 조건 등에 따른 효율 변화가 큰 것으로 분석되었다. 그러나, 대부분의 연구가 시뮬레이션 기반의 연구로 진행되어 실제 ASHP를 설치하기 위한 설계 측면에서의 검토가 부재하며, 특히 설계 시 타 공종과의 연계성을 동시에 검토해야하는 측면에서 종합적인 설계 변경 사항에 대한 세부 분석이 필요함을 확인할 수 있었다. 이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 설비 설계 측면에서 공동주택에 ASHP를 설치하기 위한 검토 사항에 대하여 분석하고자 한다.

공동주택 ASHP 설치를 위한 공종별 확인사항

공동주택 기존 ASHP 설치 사례

Figure 1은 공동주택에 ASHP를 설치 한 10여개 단지의 설치 사례를 나타내고 있다. 구체적으로는 중앙급탕방식의 보일러를 ASHP로 교체하여 온수를 공급하는 시스템으로, 시스템 설치에 따른 기준 등이 부재함에 따라 설치할 수 있는 여유 공간에 ASHP를 설치하고 옥내에서 방열을 하거나 덕트를 활용하여 배기를 하는 형태를 확인할 수 있다. 기존 연구에서 확인한 바와 같이 ASHP의 경우 용량에 따른 충분한 환기량을 확보하는 등 적정 가동조건 확보가 시스템의 효율성에 직결되기 때문에 설계단계부터 열원설비로서의 ASHP의 설치 기준 등을 마련하여 시스템을 구축해야 하는 이유가 여기에 있다.

Figure 1.

Installation Status of Air-Source Heat Pumps

공동주택 ASHP 설치를 위한 공종별 확인사항

공동주택의 ASHP 도입은 단순히 특정 설비를 교체하는 것에 그치지 않으며, 건축, 기계, 전기 등 다양한 공종 간의 밀접한 연계와 유기적인 설계 변경이 수반되어야 한다. Table 1은 공동주택의 열원을 기존 내연기관에서 ASHP로 교체하기 위하여 공종별로 요구되는 검토대상과 타 공종 간의 관계를 실제 설비공사 관계자, 전문가 등의 의견을 토대로 작성한 결과이다.

먼저 건축 공종에서는 전력 부하 증가 및 기계 설비 변경에 따른 물리적 공간 확보가 우선적인 검토 대상으로 분석되었으며, 전기 설비용량 증설에 따른 세대 분전반 규격, EPS실, 수변전 설비실 등의 변화에 따른 공간 확보를 검토할 필요가 있음을 알 수 있다. 기계 공종과 관련해서는 ASHP 설치, 축열조, 실외기 설치 위치 및 면적, 보조 열원용 캐스케이드 보일러, 파이프 샤프트 등 장비 배치에 따른 구조적, 공간적 검토가 필요한 것으로 나타났다.

아울러 기계 공종의 경우 열원 시스템의 전환에 따른 ASHP, 축열조 등의 핵심 장비의 용량 설계 기준이 우선적으로 검토되어야 하는 것으로 분석되었다. 특히 공용 및 개별 히트펌프와 축열조 설치를 위한 면적이 건축과 연계하여 검토할 필요가 있으며, 그 외에도 배관 설계와 응축수 배출을 위한 위치 등에 대한 검토가 필요한 것으로 나타났다. 또한 ASHP 운영을 위한 별도 전원 확보 및 장비 하중에 대해서는 건축 및 전기 공종과의 협의가 수반되어야 하며, 백업 시스템인 캐스케이드 보일러의 배관 계통 연결 등에 대한 상세 검토가 필요한 것으로 분석되었다.

마지막으로 전기 공종 측면에서는 ASHP를 세대에 설치 시 단위세대 부하용량, 세대와 공용부의 간선 규격, 동별 전력 설비 및 전기실 변압기, 비상발전기 규격 등을 재산정해야 하며, 이는 건축 공종의 전기실 및 EPS실 면적 설계와 직접적으로 연계되는 것으로 나타났다. 특히 기계실 동력반(MCC) 규격 설정과 동력반 기초 면적, 세대 히트펌프 및 기계실 축열조의 계측 방법 수립 등 제어와 계측 측면의 검토도 추가될 필요가 있음을 확인할 수 있었다.

이상의 내용을 종합하면 결과적으로 전전화 공동주택의 전전화 설계는 각 공종의 단독 검토에 그치지 않고 공종 간의 유기적인 검토 체계가 구축되어야 하며, 설계 변경에 따른 자재 물량 변화 및 공사비 변동 등 비용적 측면의 경제성 평가가 전 공종에서 공통으로 수반될 필요가 있음을 확인할 수 있었다. 다만, 전술한 공종별 도출 항목은 설계 단계별로 검토되기 때문에 본 연구에서는 기초 설계에서 검토가 필요한 ASHP용량, 축열조 용량, 기계실 면적, 단위 세대 부하 등으로 압축하여 분석을 수행하였다.

공동주택 ASHP 설치에 따른 변경사항

열원 변경 검토 단지 개요

Figure 2는 기존 지역난방 단지로 설계된 253세대 공동주택 단지의 배치도와 조감도를 나타내고 있다. 해당 단지는 연면적 약 27,000 ㎡, 15층, 3개 동으로 구성되어 있으며 세대별 면적은 29 ㎡ 97세대, 37 ㎡ 108세대, 46 ㎡ 48세대로 조성되어 있다. 본 연구에서는 해당 단지의 설계 기준을 바탕으로 ASHP를 활용한 가상의 중앙급탕 및 중앙난방 방식과 개별세대 ASHP 방식에 대하여 ASHP 설치용량, 축열조 용량, 기계실 면적, 비상전원 및 전력 간선 등에 대하여 검토를 수행하였다.

Figure 2.

Reference Residential Building (Seongnam-si Bokjeong)

중앙난방 및 급탕 방식의 설치 시 변경사항

ASHP 및 축열조 용량

해당 단지의 난방과 급탕부하는 기구급수 부하 단위를 기준으로 산정하고 있으며 2관식 통합 배관이 설치되어 있어 가열수(공급온도 60℃, 환수온도 45℃ )가 순환하면서 세대 내에서 열교환이 이루어지는 시스템으로 구성되어 있다. 기존 통합 배관의 부하 산정 방식은 기구급수부하 단위를 활용한 방법을 활용하고 있으며, 구체적으로는 동시사용률을 고려하여 세대(N_home)당 3FU의 기구급수부하 단위를 활용하여 총 FU를 산정 후 해당 값에 상당하는 LPM 값을 적용하여 총 부하값을 산정하고 있다. 같은 방법으로 ASHP의 용량을 산정하면 다음과 같다. 우선 식 1과 같이 253세대에 대하여 세대당 기구급수부하 단위 3FU를 적산하여 총 기구급수부하 단위를 759FU를 결정하고, 유량 데이터 값을 이용하여 분당소비량 Q_min (650 LPM, 39,000 L/h)을 도출한다.

이를 바탕으로 식 2와 같이 공급온도 T_s (60℃), T_r 환수온도 (45℃), 비열 C_p (1 kcal/kg·℃) 및 환산계수 (1 kWh=860 kcal)의 관계식을 활용하여 총 열량을 산출할 수 있으며 산출된 총 열량 668 kW에 대하여 현재 국내에서 판매되고 있는 40 RT (140 kW)규모의 일체형 ASHP를 5대 배치하는 것으로 가정하였다.

한편, ASHP의 경우 가스 보일러와 같이 순간 가열능력이 높지 않기 때문에 순간적인 급탕부하에 대응하기 위해서는 축열조 설치가 필수적이다. 축열조의 용량 설정 방법은 식 3과 같이 시간당 사용량의 1.2배~1.5배의 여유율(α)과 저탕 계수(γ)를 반영하여 축열조 용량을 설정하게 된다. 다만, 본 연구에서는 ASHP를 처음 설치하고 공동주택의 세부 기준이 구체적이지 않은 점을 고려하여 대한설비공학회에서 제시하는 시간당 여유율(α) 20%, 저탕 계수(γ) 25%를 적산하여 축열조 용량을 산정하였다. 이를 통하여 산출된 축열조의 용량은 약 50 ㎥이지만 실제 지하 기계실에 50 ㎥의 축열조를 설치하는 것은 현실적으로 어렵기 때문에 ASHP의 가동시간의 연장과 필요시 전극봉 등의 보조 열원 수단을 설치하는 것을 가정하여 실제 검토하는 축열조는 30 ㎥ 수준으로 설정하였다.

ASHP 설치에 필요한 기계실 면적 및 설치 조건

현재 국내에서 판매 중인 일체형 ASHP의 최대 사양은 40 RT로서 본 단지의 열부하를 공급하기 위해서는 총 5대의 ASHP가 필요하다. Figure 3은 ASHP 5대와 축열조를 배치한 기계실 평면도를 나타내고 있으며, 기계실의 장비 배치는 건축기계설비 유지관리 지침에서 제시하고 있는 장비 간의 이격거리 등을 고려하여 설계하였다. 이를 바탕으로 산정된 기계실 소요 면적은 약 200 ㎡ 정도이며, 기존 지역난방 방식의 기계실 약 100 ㎡ 대비 2배 이상의 면적이 필요한 것으로 나타났다. 아울러 축열조의 높이를 4 m 수준으로 가정할 경우 축열조 상부에 여유 높이 1 m 이상을 확보해야 하기 때문에 약 2개 층 정도의 층고를 확보하는 것이 필요할것으로 분석 되었다.

이외에도 ASHP 가동 시 다량의 응축수가 발생함에 따라 ASHP 설치 시에는 충분한 배수 기능을 확보할 필요가 있다. 일반적으로 공동주택 지하실의 주 배수로는 가장 외곽에 설치하며, ASHP의 설치 공간 확보는 기존 지하 주차장 배치, 전용실 면적 및 배수 조건 등을 종합적으로 검토하여 설치 위치와 면적을 확보해야 하는 것을 의미한다.

Figure 3.

Mechanical Room Layout for Centralized Heating and Hot Water Systems

ASHP 가동을 위한 환경 확보

한편, 지하공간에 히트펌프를 설치 시 충분한 환기량이 확보되지 않을 경우 열 단락 현상이 발생할 수 있으며, 증발 및 응축 효율의 감소에 따라 설비 효율 저하로 이어질 수 있다. 용량에 따라 차이는 있지만 본 연구에서 검토하는 용량 기준으로 약 980CMM/대의 환기량이 필요하므로 1종 환기 설비 설계를 위해서는 식 4와 같이 지하주차장의 체적과 환기횟수 및 설비기기가 필요한 풍량 등의 관계식을 이용하여 급기 설비 용량을 확보할 필요가 있다.

특히 ASHP를 지하공간에 설치 시 배기 환경 확보를 위하여 덕트를 연결하게 되는데, 일체형 ASHP에 내장된 팬은 일반적으로 정압이 낮게 설계 되어있기 때문에 덕트의 마찰 저항이나 루버의 저항을 극복할 수 있는 토출 환경이 확보될 필요가 있다. 이러한 내용을 반영하여 기계실에는 해당 사양을 고려할 수 있는 1종 환기 시스템을 구성하였다.

아울러 ASHP 설치 시 상부에는 각종 배관 등이 설치 될 경우 보수, 점검 및 누수 등에 따른 고장의 원인으로 작용할 수 있으며, 본 연구에서 검토하고 있는 일체형 히트펌프의 외형치수(1,528(W)×2,210(H)×2,154(D))를 고려하여 지하주차장 상부 보, 배관과 간섭을 피할 수 있는 공간을 확보하여 설치 위치를 결정해야 한다.

개별 세대 ASHP 설치에 따른 변경사항

ASHP 세대 설치에 따른 단위 세대 부하용량의 변화

한편, 개별 세대에 ASHP를 설치할 경우 단위세대 부하용량이 변화하며, 전체 전기 공사의 변경 범위를 결정하는 기준이 된다. 일례로 ASHP를 세대 내에 설치하여 난방 또는 급탕을 수행하게 될 경우 단위세대 부하 변동으로 인하여, 공용부 및 세대부 간선, 비상전원, 원격검침 항목 추가 및 수배전 설비의 변화가 발생하게 된다. 이러한 설계 변경 사항 중 본 연구에서는 기본적으로 검토되어야할 세대부하 변동, 비상전원, 간선설계에 대하여 분석하였다.

식 5는 단위세대 부하 용량을 산정하는 기준으로 전용면적, 단위면적당 표준부화 및 대용량 기기의 실 부하를 고려하여 세대에서 필요한 전력 부하를 결정하게 된다. 한편, 대용량 기기는 에어컨, 인덕션 등의 순간 소비전력이 큰 기기에 대응하기 위함이며, ASHP를 세대 내에 설치 시 대용량 기기에 포함되어 실 부하 증가로 이어지게 된다. 따라서 세대 내에 현재 국내에서 판매되고 있는 냉방 및 난방 능력 기준 2.8~3.4 kW의 주택용 ASHP를 설치 시 전용면적에 따라 다소 차이가 있지만 단위세대 부하가 평균적으로 약 35% 이상 증가하게 되며 이러한 결과로 인하여 세대 내외 간선 및 변압기 용량 설계 기준이 달라지게 된다(Table 2).

세대 부하 증가에 따른 간선 및 변압기 용량 변화

공동주택의 간선은 크게 세대간선(LM), 공용부간선(LEM), 비상․ 소방간선 및 커뮤니티 간선으로 대별 되며 공급되는 전력 용량에 따라 간선의 굵기가 결정되게 된다. Figure 4, Table 3은 각각 ASHP 설치에 따른 간선 계통도와 간선 물량의 변화를 나타내고 있다. Figure 4의 붉은색 부분이 세대 내에 ASHP를 설치 시 추가 및 변경되는 간선을 나타내고 있으며 Table 3은 기존 지역난방단지 대비 세대 내 ASHP를 설치 시 변화하는 간선 설비의 증설용량를 나타내고 있다. 결과적으로 세대간선 및 공용부 간선 모두 크게 증가함에 따라 전기 공사 비용의 상승 유발과 함께 새로운 설계 기준의 수립이 필요한 것으로 분석되었다.

아울러 세대 내 ASHP가 설치 시 해당 설비는 난방 설비로 분류됨에 따라 비상 전원 공급 대상으로 포함되게 된다. 따라서 공동주택 분전함에 설치되는 비상전원 절체기의 용량이 기존 16A 이상으로 변화하게 되지만 현재까지 국내에서 16A 이상의 공동주택용 비상전원 절제기가 판매되고 있지 않으며, 기존 분전함 설치에 필요한 벽면의 공간 확보 역시 추가적으로 건축 공종에서 반영될 필요가 있는 것으로 분석 되었다.

Figure 4.

Electrical Feeder Diagram for Common Areas and Dwelling Units in an Apartment Building

한편, 공동주택의 열원으로 ASHP가 설치 시 전등 전열용 변압기와 동력용 변압기의 용량 변화가 발생하게 된다. Table 4는 현재 전기설비 기준과 세대 내에 ASHP를 설치 시 변경되는 변압기 용량을 나타내고 있다. 전등 및 전열용 변압기 용량은 기존 450 kVA에서 650 kVA로, 동력용 변압기 용량은 기존 550 kVA에서 600 kVA로 설계 변경이 필요한 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 기존 시스템 대비 저압반의 변압기 1면이 추가되며 변압기 증설에 따라 전기실의 소요 면적도 약 3~5 ㎡ 증가할 것으로 나타났다.

결 론

본 연구에서는 탄소중립 정책과 건물 부문의 에너지 전환 요구에 대응하기 위하여 ASHP의 공동주택 적용 가능성을 설비적 시각에서 검토하고 분석하였다. 구체적으로는 기존 연구를 통하여 ASHP의 열원 설비로서 가능성을 확인하였으며, ASHP를 설치하기 위해서는 건축설비 측면에서 건축·기계·전기 공종별 설계 및 시공 사항에 대한 검토를 과제로 도출하였다. 이를 바탕으로 253세대 규모의 공동주택을 대상으로 공동주택 ASHP 설치에 필요한 주요 설계 변경 요소에 대한 검토를 수행하였으며 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)우선 ASHP는 외기 온도, 운전조건 및 설비 용량에 따른 효율변화가 매우 큰 설비임을 확인하였으며, 이를 바탕으로 설치위치, 제어방법, 용량 설정 방안이 필요함을 확인하였다. 특히 ASHP의 경우 가동 소음이 60 dB 이상이며, 냉매 배관 길이 확보 측면에서 공동주택에 설치 하기 위해서는 지하공간에 별도의 기계실을 설치하는 것이 합리적임을 확인할 수 있었다.

(2)아울러 기계 공종 측면에서는 공동주택의 열원설비 설계 기준을 바탕으로 253세대 중앙 급탕 및 난방방식 시스템은 약 700 kW의 ASHP가 필요할 것으로 분석되었으며, 축열조 용량은 약 50 ㎥이 필요한 것으로 산출되었다. 다만, ASHP의 가동조건에 따라 축열조 용량은 유동적일 수 있으며, 특히 기계실 면적 확보에 어려움 등을 반영하여 30 ㎥ 수준으로 설정 시 기계실 면적은 약 200 ㎡가 필요한 것으로 분석되었으며, 해당 면적은 기존 지역난방 기계실의 2배에 해당한다.

(3)마지막으로 전기 공종 측면에서는 세대 내 ASHP에 따른 변경 사항을 검토하였다. ASHP 설치 시 단위세대 부하증가에 따라 간선 설계 물량이 약 35% 증가하고 최소 1면의 저압용 변압기의 추가 설치가 필요한 것으로 분석 되었다. 아울러 ASHP가 세대 내의 난방 설비가 될 경우 비상전원 공급 대상에 포함됨에 따라 세대 내 분전반의 계통과 설치 면적의 변경이 필요하며, 실외기실 면적도 약 30% 증가하는 것으로 분석되었다.

본 연구에서는 ASHP를 건축설비로서 자리매김 하기 위한 설계단계의 검토 사항에 대하여 공종 간 연계성을 고려하여 분석하였지만, 실제 난방과 급탕 소비량에 대한 동적 계산을 통하여 설비의 가동과 적정용량에 대한 검토까지는 이루어지지 않은 점을 한계로 지적할 수 있다. 따라서 향후에는 ASHP의 실제 가동을 모사하여 건축설비로서의 가능성과 세대에서 발생하는 전기요금의 상승에 따른 수용성 부분도 추가적으로 분석을 실시할 예정이다.