이번에 신 교수 연구팀이 개발한 방법은 대형 복합 건물에서 냉방과 난방이 동시에 요구될 때 일반적으로 냉방을 위한 냉동기, 난방을 위한 보일러에 모두 에너지를 투입하는 대신 히트펌프를 활용한 동시 냉난방 시스템은 냉방이 필요한 공간에서 제거한 열을 난방이 필요한 공간에서 사용할 수 있게 하는 방식이다.

그동안 히트펌프의 압축기에만 에너지를 투입하는 방식은 에너지 절감 기술로 주목받아 왔지만, 냉난방 부하가 비슷하게 발생하지 않으면 히트펌프에 비해 에너지 효율이 낮은 보조 냉난방기기를 사용해야 하는 문제점이 있었다.

연구팀은 이러한 문제점을 해결하기 위해 실내 설정온도를 쾌적 범위 내에서 변경하여 난방과 냉방의 부하를 균형 있게 조정함으로써 효율이 낮은 보조 냉난방기기에 대한 의존도를 줄이는 부하보상제어(Load-reset-control)를 개발했다.

이 방법은 성층화된 냉온 수조를 사용해 수조 내 잔여 에너지를 통해 실시간 건물 부하를 평가해 난방 및 냉방 설정온도를 동적으로 조정하고 이를 통해 부하의 균형을 최대한 맞추어 보조 냉난방기기보다 더 높은 성능계수(COP)를 가진 히트펌프 사용을 극대화하게 된다.

다양한 냉난방 부하 발생 비율을 가정해 평가한 결과, 최대 기존의 일정온도 제어 방법 대비 58.58%의 에너지 절감 효과를 보여주었으며, 냉방 대 난방부하 비율이 1.8:1일 때 가장 두드러졌다. 이와 함께 ASHRAE 및 ISO 7730 표준에 따른 열적 쾌적성도 더욱 향상됐다.

특히 이번 연구는 히트펌프 활용 동시 냉난방 시스템을 더욱 적극적으로 활용할 수 있는 제어 방안을 제시했다는 점에서 관심을 모으고 있다.

이 시스템의 장점인 냉난방 에너지 절감을 극대화하면서 재실자의 열적 쾌적성도 향상할 수 있다는 것을 증명한 사례로, 향후 제로에너지건축물 달성 및 국가 탄소 중립에 이바지할 것으로 기대된다.

본 연구는 한국연구재단에서 지원한 ‘건축물 에너지 절감을 위한 태양에너지 및 복사 냉난방 활용 동시 냉난방 시스템’의 연구 성과물로 달성되었으며, 건축 기술 분야의 권위 있는 국제학술지인 Journal of Building Engineering(IF: 7.4, JCR: 91.05%, Q1) 109호에 게재됐다. /군산=김만호 기자