서 론

기후변화에 대응하기 위하여 전 세계적으로 온실가스 배출을 줄이기 위한 노력이 활발히 진행되고 있다. 파리협정에서는 온실가스에 의한 환경재앙을 막기위하여 산업화 이전 대비 지구 평균온도 상승을 1.5도 이하가 되도록 온실가스 감축목표를 제시하였다. 이러한 감축목표를 달성하기 위해서 인간활동에 의한 온실가스 배출을 줄이고, 배출된 온실가스를 흡수 또는 제거하여 실질적으로 배출량을 제로로 만드는 탄소중립 사회로의 전환이 필요하다. 정부는 최근 2050년 탄소 중립 시나리오를 확정하여 2030년까지 탄소배출을 2018년 대비 40%감축하기로 하였다. 이는 매년 4.17%씩 감축해나가야 하는 목표가 된다. 이를 위해서 건축, 산업, 운송 분야에서 각각의 탄소배출 억제를 위한 대안을 제시하고 있다.

주거용 건물에서 사용되는 에너지는 용도에 따라서 난방, 급탕, 냉방, 조명, 전열로 구분할 수 있다. 난방과 냉방에너지는 단열 및 기밀성능의 강화와 열회수 환기장치의 적용을 통하여 에너지 절감이 가능하다. 조명에너지는 자연채광의 적극적인 이용, 고효율의 LED 조명과 에너지 절약적인 제어방식(재실제어, 디밍제어 등)을 통해 절감할 수 있다. 전열시스템은 가전기기의 고효율화와 대기전력차단장치의 설치를 통하여 에너지를 절감할 수 있다. 마지막으로 급탕에너지는 급탕을 생산하는 열원(보일러)의 효율 개선 또는 친환경 열원(태양열 또는 지열)의 사용을 통해 절감이 가능하다. 국내 주거용 건물의 60% 이상을 차지하는 아파트는 특성상 모든 세대를 대상으로 태양열 또는 지열 등의 신재생에너지 적용이 불가능한 점이 있어 급탕에너지 절감을 위해서는 다른 대안이 필요하다.

한편, 환기에 의한 열손실을 줄이기 위한 방안으로 외기로 배출되는 실내공기에서 열을 회수하여 실내로 유입되는 공기에 전달하는 열회수 환기시스템(Heat Recovery Ventilation)은 실내공기질을 개선하면서, 환기에 의한 열손실을 줄여 냉난방부하를 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 이와 동일한 방법으로 건물에서 사용되고 배출되는 배수의 열을 회수하여 재이용할 경우 급탕에너지를 줄일 수 있을 것이다. 국내에서 열회수 배수장치(Waste Water Heat Recovery; WWHR 또는 Drain Water Heat Recovery; DWHR)에 대한 연구는 Kim (1998)에 의해서 처음 소개된 이후 주로 온천이나 발전소 배수를 이용한 열회수 히트펌프시스템의 적용에 관한 연구(Kim, 2009; Moon et al., 2019)가 있으나 주거용 건물에서의 적용에 관한 연구는 찾을 수 없다. 반면, 해외에서는 북미와 유럽지역에서 친환경 건축기술의 하나로 배열회수장치에 대한 연구와 상용화가 활발하여 다양한 형태의 하수배열 회수장치가 개발되고 연구되어져 오고 있다.

이에 본 연구에서는 탄소중립 목표의 달성을 위해 미활용 열원이었던 폐열의 활용 필요성을 인식하고, 국외에서 수행되어 왔던 열회수 배수장치에 대한 이론적 고찰을 바탕으로 국내의 주택에서 요구되는 급탕사용량을 기준으로 열회수 배수설비의 적용 가능성을 급탕에너지 절감량을 통하여 분석하였다.

열회수 배수장치의 이론

열회수 배수장치

열회수 배수장치는 급탕 용도로 사용된 온수가 배수되는 과정에서 열을 회수하여 보일러나 급탕사용 수전에 연결된 상수에 열을 보내주는 장치로 정의된다. 이러한 열회수 배수장치는 설치형태에 따라서 수직형, 수평형으로 구분할 수 있다. 수직형은 사용된 온수의 배수가 수직배관의 표면을 타고 위에서 아래로 내려가고 열회수를 위한 상수배관이 배수배관의 외부표면을 감싸면서 설치되어 배수와 열교환 한다. 일반적으로 열회수배관에 공급되는 상수는 배수의 방향과 반대방향(counter flow)으로 공급되면서 열교환 하는 방식을 사용한다(Figure 1(a)) (Beentjes et al., 2014). 수평형 열회수 배수장치에서 배수배관의 배수는 배관의 하부에 모여서 흐르게 되고, 배수배관의 안쪽 아래쪽에 상수배관이 설치되어 배수와 열교환을 한다(Figure 1(b)). 일반적으로 수직형은 샤워배수관 아래로 최소한 1~2 m의 수직공간이 필요하기 때문에 단독주택과 같이 지하실 등에 열원장치와 각종 배관이 설치될 수 있는 공간을 가지고 있을 경우에 적용이 가능하다. 반면에 수평형은 수직형에 비해 일반적으로 열교환 효율이 낮은 단점을 가지고 있으나(Kimmels, 2011), 열회수 배수장치의 설치에 필요한 수직공간이 필요하지 않기 때문에 국내의 공동주택과 같이 각 층별로 세대구분이 되어 있는 경우에도 설치가 가능하다는 장점을 가지고 있다.

Figure 1.

Schematic of typical vertical and horizontal DWHR systems

일반적으로 주택에 적용되어 있는 급탕시스템은 상수를 공급받은 보일러에서 만든 고온수와 가열하지 않은 상수를 혼합하여 사용자의 요구에 맞는 온도의 온수를 만들어 사용한다. 이러한 급탕시스템에서 열회수 배수장치는 사용된 온수의 배수과정에서 회수된 열을 보일러에 공급되는 상수 또는 급탕용 위생기구에서 고온수와 혼합되는 상수에 전달한다. 이렇게 회수된 열은 보일러에서 고온수를 만들 때 공급받는 상수의 온도를 올려서 직접적으로 보일러에서 사용되는 에너지를 줄여주거나 고온수와 혼합되는 상수의 온도를 올려줌으로써 급탕에 요구되는 온도의 온수를 만들기 위해 필요한 고온수의 유량을 줄려주어 급탕에너지를 절약할 수 있게 된다. 이렇게 열회수 배수장치는 회수된 열에너지를 전달해주는 위치에 따라 급탕용 위생기구에서 고온수와 혼합되는 상수에 전달하는 방식(Figure 2(a) Shower only), 고온수를 만드는 보일러의 공급 상수에 전달하는 방식(Figure 2(b) Water heater only) 또는 위생기구의 상수와 보일러 두 곳 모두에 전달하는 방식으로 나눌 수 있다(Figure 2(c) Balanced flow) (Kimmels, 2011). 위생기구의 상수와 보일러 두 곳 모두에 전달하는 방식은 배수의 유량과 회수된 열을 공급받는 상수의 유량이 같아서 열교환 효율이 좋다. 하지만, 급탕의 이용 장소와 보일러의 설치장소가 근접되어 있는 경우를 제외하고는 추가적인 배관 작업이 필요하며, 배관 길이에 따른 열손실의 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 추가적인 배관설비 공사가 필요하지 않아 적용가능성이 높고, 단순하게 시스템을 구성할 수 있는 Shower only 방식에 대해서 검토하였다.

Figure 2.

Schematic types of DWHR system installation depending on how the preheated cold water is used

열회수 배수장치의 효율

열회수 배수장치도 일종의 열교환기이기 때문에 열교환기의 해석법으로 사용되고 있는 유용도-전달단위수법(effectiveness-NTU method)을 활용하여 해석이 가능하다. 이 방법은 식 (1)에서 보여주고 있는 최대가능 열전달률(qmax)에 대한 실제 열전달률(q)의 비율로 정의되는 열전달 유용도(heat transfer effectiveness, ε)를 기초로 해석한다. 열교환기에서의 실제 열전달률은 고온측에서의 손실열량과 저온측에서의 획득열량이 동일하다는 에너지평형으로부터 구할 수 있다. 또한, 열교환기에서 최대로 전달될 수 있는 열량은 열매체가 동일한 물질이라고 가정하면 최소 유량의 조건에서 최대의 온도차(고온 유체의 입구온도(Th,i)와 저온 유체의 입구온도(Tc,i) 차이일 경우)가 발생할 때이다.

여기서, (m˙Cp)c는 저온측 유체의 열용량률(kW/K), (m˙Cp)h는 고온측 유체의 열용량(kW/K), (m˙Cp)min은 저온측과 고온측의 열용량률 중 최소 값이다. m˙은 유체의 질량유량(kg/s), Cp는 유체의 비열(kJ/(kgK))이다. 하첨자 h,c는 고온측과 저온측, 하첨자 i,o는 입구측과 출구측을 나타낸다.

열교환기에서의 열교환되는 유체의 교차방법에 따라 평형류(parallel flow), 대향류(counter flow) 그리고 직교류(cross flow)로 구분할 수 있으며, 동일한 조건에서는 대향류가 가장 높은 유용도를 보인다. 대향류 조건에서 열교환기의 열전달 유용도는 식 (3)의 용량률(capacity ratio)과 전달 단위수(number of transfer unit, NTU)를 이용하여 식 (2)를 통하여 구할 수 있다.

여기서, 용량률(Cr, -)은 최대 용량률(Cmax,kW/K)에 대한 최소 용량률(Cmin,kW/K)의 비율이며, NTU는 열교환기의 최소 용량률(Cmin)에 대한 총괄 열전달률(UA,W/K)로 구할 수 있다.

해석 결과 및 고찰

주거용 건물에서의 급탕사용량

주거용 건물에서 급탕설비의 열원은 일반적으로 난방설비와 병용하여 구성되어 있어 급탕에너지 사용량만을 분리하는 것은 어렵다. 하지만 지역난방방식의 공동주택 단지에서는 난방열과 급탕열을 분리하여 사용량을 검측하고 있어 주거용 건물의 급탕사용량 및 급탕에너지 사용량의 추정이 가능하다. 각 세대별 급탕사용량의 차이는 세대원수, 위생에 대한 인식수준 등과 같은 개별적인 원인에 의해 발생할 수 있으나, 평균적인 급탕사용량의 변화는 외기온도와 같이 보편적인 원인에 의한 결과로 볼 수 있다. Kim et al. (2015)은 1646세대의 지역난방 공동주택 단지를 대상으로 급탕사용량을 분석하여 급탕사용량은 외기온도의 증가에 따라 선형적으로 감소함을 보여줬다. Figure 3은 Kim et al. (2015)의 연구내용의 결과로 세대당 월별 급탕사용량과 월평균 외기온도와의 관계를 보여준다. 겨울철이 여름철의 급탕사용량 대비 최대 1.7배 많이 사용함을 알 수 있다.

Figure 3.

Estimate of domestic hot water consumption by outdoor temperature

주택에서 사용되는 급탕사용량 중에서 열회수가 가능한 급탕사용량은 열회수와 사용이 동시에 발생하는 경우이다. 이는 회수된 열을 별도로 저장하지 않아도 되기 때문에 열손실에 의한 효율저하를 막을 수 있다. 전체 급탕사용량에 대하여 급탕의 용도별 사용량에 대한 국내 연구가 부족하여 국외의 사례를 이용하여 열회수가 가능한 비율에 대해 추정하였다. 유럽연합 집행위원회 산하의 공동연구센터(Joint Research Centre, JRC)에서 2014년 발간한 과학정책보고서(MEErP Preparatory Study on Taps and Showers)에서는 EU회원국 전체에 대한 급탕 용도별 수요량을 Table 1과 같이 추정하였다(Cordella et al., 2014). 샤워용도의 급탕사용량이 보일러에서 생산된 온수를 기준으로 했을 때 80%로 가장 비중이 크고, 세면(7%), 욕조(6%), 식기세척(5%), 세탁(2%)의 순으로 사용되고 있다. 화장실내에 있는 욕조의 경우는 사용시간과 배수시간이 차이가 있어 열회수의 효과를 얻을 수 없고, 식기세척과 세탁의 경우는 다른 용도와 비교하여 세대내에서 분산되어 있으며 그 사용량 또한 적다. 세면기에서 사용하는 급탕은 샤워기와 동일한 공간에 위치하고 있어 활용 가능성이 높으나 그 비율이 낮고 샤워배관과 연결에 따른 추가적인 배관시공이 필요하여 적용성이 낮아진다. 이에 본 연구에서는 샤워용도에 해당하는 80%의 급탕사용량을 열회수가 가능한 급탕량으로 하였다.

외기온도에 따른 상수의 공급온도

급탕에너지 사용량은 급탕유량뿐만 아니라, 보일러에서 생산하는 고온수의 온도와 보일러와 샤워기 등에 공급되는 상수의 온도에도 영향을 받는다. 일반적으로 주거용 보일러에서 생산하는 급탕용 고온수의 온도는 60℃이다. 하지만, 상수도를 통해 공급되는 상수의 온도는 상수배관이 통과하는 환경(상수배관이 통과하는 지중 또는 파이프샤프트의 온도, 배관의 단열, 배관의 길이 등)에 의해 영향을 받는다. 본 연구에서는 지역난방이 공급되는 공동주택 단지에서의 급탕사용량 특성에 대해 연구한 Jeong (2006)의 논문에서 사용된 하절기, 동절기, 중간기의 외기온도와 상수온도 값을 이용하였다. 외기온도에 따른 상수온도의 관계는 식 (4)와 같다.

본 연구에서는 2019년 부산지역의 기상자료를 기준으로 분석하였다. Table 2에는 월평균 외기온과 외기온도에 따른 공급 상수의 온도 및 월간 급탕사용량을 보여준다. 급탕에너지 사용량은 급탕용 보일러의 급탕 공급 온도인 60℃의 보일러 출수온수와 상수가 혼합하여 샤워기 출수 온도 40℃를 만족시키는 조건이 되는 보일러 급탕 공급 유량을 계산한 후 보일러에 공급되는 상수온도와 급탕공급 온도의 차를 이용하여 계산하였다.

열회수 배수장치의 열전달 유용도

열회수 배수장치의 효율을 검토하기 위해서 열회수 배수장치를 통해 얻을 수 있는 열량을 결정하는 열전달 유용도에 대해서 검토하였다. 열교환기의 열전달 유용도는 식 (2)를 이용하여 계산하였으며, 계산조건으로 상수온도는 2019년 부산의 연평균값을 사용하였다.

열전달 유용도는 용량율과 NTU값에 의해 결정된다. 용량율의 계산을 위해서는 고온측(배수)과 저온측(상수)의 통과유량을 알아야 한다. 배수가 되는 고온측의 통과유량은 샤워수전의 유량값으로 고정된 값인 반면, 저온측은 보일러에서 공급되는 60℃의 온도와 열회수 배수장치를 통과한 물의 온도에 따라 40℃의 급탕온도를 만들기 위한 유량 비율로 계산되어야 한다. 이 과정에서 열회수 배수장치를 통과한 물의 온도와 열전달 유용도가 상호 영향을 주고 받게 되어 있다. 이에, 본 연구에서는 초기 유량을 고온측 유량값으로 한 후 오차범위까지 수렴이 되도록 반복계산을 하여 저온측 통과 유량과 열회수 온도를 구하였다.

열회수 배수장치의 열관류율을 일정한 값으로 고정하고 열교환기의 면적과 통과 유량에 따른 열전달 유용도를 Figure 4에 보여준다. 열교환 유량이 적을수록 시스템의 NTU값이 커지기 때문에 열전달 유용도가 증가하며, UA값이 클수록 통과 유량값이 열전달 유용도에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

Figure 4.

Heat transfer Effectiveness of DWHR unit by flow rate and UA

급탕 에너지 절감량

급탕 에너지 사용량에 대한 평가를 위하여 열회수 배수장치에 성능에 영향을 주는 유량, 열관류율, 열교환 면적을 다르게 구성하여 평가하였다. 배수되는 유량은 일반적인 샤워 수전의 경우인 12 l/min와 절수용 샤워수전은 7.5 l/min로 하였다. 열회수 배수장치의 열관류율은 Wong et al. (2010)의 논문에서 적용한 300 W/m²K와 450 W/m²K의 2종류에 대하여 평가하였다. 또한, 열회수 배수장치의 열교환 면적은 샤워 수전에 연결되는 상수관의 관경이 15A인 급수관이 열회수 배수장치에 설치되는 것으로 하여 설치길이에 따라 계산하였다. 배수장치의 설치길이는 샤워부스의 폭을 1 m로 하여 배관의 길이를 각각 1, 3, 5, 7 m로 하였다. 이상의 조건을 조합하여 Table 3의 16가지 유형에 대하여 연간 급탕에너지 사용량과 열회수 배수장치를 사용하지 않은 경우와 비교한 에너지 절감량을 평가하였다. 보일러에서 만들어진 급탕과 상수의 유량은 샤워 수전의 요구온도를 맞추기 위하여 자동으로 유량이 조정되는 것으로 가정하였다.

Figure 5는 절수형 샤워수전에서 열교환기 길이가 7 m인 열회수 배수장치를 적용하였을 경우의 월별 급탕에너지 사용량과 절감율을 보여준다. 급탕사용량이 많은 겨울철이 급탕에너지 절감량이 많음을 알 수 있다. 절감율의 연간 변화는 거의 없으나 여름철이 약간 높게 나타난다. 이는 여름철 상수온도가 높아짐에 따라 열회수를 통하여 급탕 공급온도와의 온도차이가 줄어듦으로써 보일러에서 소비되는 급탕 에너지가 감소하였기 때문으로 보인다.

Figure 5.

Monthly DHW energy consumption and energy saving rate

Table 3은 모든 유형에 대하여 연간 급탕에너지 사용량과 절감율 결과를 보여준다. 절수형 샤워 수전이 설치된 경우 열교환기의 열전달 유용도가 개선되어 급탕 에너지 절감율도 높게 나타난다. 또한, 열교환기의 열관류율과 열교환 면적이 증가하면 급탕에너지 절감율이 높아지게 된다. 절수형 샤워수전과 450 W/m²K의 열관류율을 가진 7 m 길이의 열회수 배수장치는 20.4%의 연간 샤워용 급탕 에너지 절감효과가 있음 알 수 있다.

결 론

수평형 열회수 배수장치를 활용하여 열전달 유용도와 시스템 특성에 대해 분석하였으며, 설계 조건에 따른 연간 급탕에너지 사용량에 대하여 분석하였다.

기존 연구논문을 참고하여 외기 온도에 따른 월별 급탕사용량을 분석하여, 외기온도가 가장 낮은 겨울철은 여름철에 비해 약 1.7배 이상 많은 급탕사용량이 보이는 것을 확인하였다. 또한, 열회수 배수장치에서 활용 가능한 배수의 비율을 검토하기 위하여 유럽연합 국가를 대상으로 조사한 자료를 활용하였으며, 이를 통해 주택에서 급탕사용량의 80%가 샤워 용도로 사용되어 샤워용 수전을 대상으로 열회수 배수장치가 적용될 수 있음을 알 수 있었다.

열회수 배수장치에 설치된 열교환기의 열전달 유용도는 열교환기의 열관류율과 열교환 면적에 비례하여 증가하였으며, 열교환 유량이 증가할수록 감소함을 수치해석을 통해 확인하였다. 절수형 샤워수전을 사용하고 열교환기의 열관류율이 450 W/m²K이며, 열교환기의 길이가 7 m일 경우, 연간 20.4%의 샤워용 급탕에너지를 절약할 수 있다는 결과를 확인하였다.

본 연구에서는 열회수 배수장치의 도입을 통해 얻을 수 있는 급탕 에너지 절감효과를 분석하였다. 하지만, 샤워 수전의 사용패턴(연속사용시간 등)에 대한 고려와 열교환기의 열관류율을 가정하여 해석하였다는 한계를 가지고 있다. 앞으로 열회수 배수장치의 열전달 유용도의 개선을 위한 연구와 통계적인 방법 및 실험을 통하여 샤워 수전의 사용 특성에 대한 분석이 필요하고 이를 토대로 열회수 배수장치의 성능을 검증하는 연구의 수행이 필요한 것으로 판단된다.