세계가 주목하는 공기식 태양열 난방 ‘솔라클래딩’ 시스템

송 호 석 솔라비토 대표이사

고려대학교 농경제학과 졸업 후 국내 증권가 및 산업계에서 마케팅 및 기술영업 활동을 해오던 필자는 이후 미국 워싱턴주립대학교 MBA 과정을 이수했으며, 현재는 솔라비토 CEO로 활동 중이다. 2009년에는 서울시 융복합기술개발클러스터 그린태양광분과위원장을 겸임하기도 한 그는 국내 태양에너지와 관련한 신기술 적용에도 앞장서고 있다.

사진 1은 독일 중부 괴팅겐 지역에 위치한 한 지역발전소로, 1993년 독일 최초로 공기식 태양열 난방(솔라클래딩) 시스템이 설치된 사례다. 이 건축물은 지어진지 150년 된 낡은 건축물이었지만 370㎡ 크기의 솔라클래딩 시스템이 설치되었으며, 이 시스템으로 연소된 공기를 사전 난방 용도로 사용하고 있다. 공기전달량은 5만㎥/h로, 매년 14만8,000kWh 규모의 에너지를 절약하고 있으며, 덕분에 매년 75톤, 설치 이후 총 1,000톤 이상의 이산화탄소를 대체하고 있다.

공기식 태양열 난방(솔라클래딩)이란?

태양에너지를 이용하는 공기식 태양열 기술 솔라클래딩은 실내 난방과 환기를 겸하는 시스템으로, 과거부터 현재까지 오랜 시간 세계 곳곳에서 주목을 받고 있다. 최적의 공기질을 위한 환기시스템과 난방부하를 줄이는 시스템이 요구될 때, 동시에 에너지 비용 절감의 효과까지 필요하다면 빠른 투자회수기간과 시스템 퍼포먼스가 증명된 솔라클래딩 시스템 설치가 가장 적합하다 할 수 있다.

보통 건물 외벽에 건물 일체형 시스템으로 설치되는 이 솔라클래딩 시스템은 모든 재질의 벽면에 설치가 가능하며, 디자인이 뛰어나 사진 1에서와 같이 오래된 건축물의 리모델링 효과로도 탁월하다는 장점을 동시에 가진다. 30년 이상 수명을 유지할 수 있어 더욱 효율적이다. 빌딩 벽면에 설치되기 때문에 외부로 빠져나가는 열손실을 막아주고, 신선한 외부 공기를 직접 가열해 난방하기 때문에 가능한 높은 효율을 얻음과 동시에 내부 공기의 질을 개선시킨다.

솔라클래딩의 원리 및 장점

공기식 태양열 집열기에 해가 비치면 외부 공기가 특별히 설계된 내부 프레임 시스템으로 들어가게 되고, 이후 가열된 공기가 건물의 배관을 통해 들어가고 빌딩 전반에 공급되면 이를 통해 전반적인 난방 부하가 감소하게 된다.

이러한 원리로 작동되는 솔라클래딩 시스템은 건축가와 사용자에게 많은 이익을 제공한다. 이 시스템은 건물일체형 기술로써 건축물 설계의 유연성을 가져다주며, LEED 및 친환경건축물 인증을 얻을 수 있다는 장점을 가진다. 또한 다량의 신재생에너지를 생산함으로써 난방비를 낮출 수 있다. 빌딩의 연한기간 동안 무료 난방 제공이 가능하고, 3~5년 기간 안에 투자회수가 가능하다. 뿐만 아니라 환기량 증가에 의한 내부 공기의 질을 개선할 수 있으며, 이산화탄소 배출을 감소시킬 수 있다. 이렇듯 에너지의 많은 사용처의 목표화와 축소가 가능하다. 이밖에도 설치가 용이하고 설치 후에 유지비가 들지 않는다는 큰 장점을 가진다.

새로운 방식의 공기식 태양열 집열기

초기 액체식이었던 태양열 집열기는 이후 기공형 태양열 집열기의 등장으로 변화하기 시작했다. 이후 미국 에너지부서의 보조로 국가 신재생에너지 연구소와의 협약이 이루어졌으며, 이로써 상업적으로 다양한 공기식 태양열 시스템 기술 이용이 가능해졌다.

1990년대 처음 시작된 기공형 집열기는 태양열 기술의 가장 높은 효율로 태양에너지 효율을 80%까지 올리면서 공기식 태양열 난방 시스템의 국제적 기준이 되었다. 이 시스템의 가장 큰 특징은 외부 벽면에 ‘클래딩(Cladding)’을 이룰 수 있는 외장재의 개념이 있다는 것이다. 그러나 이 시스템의 표면을 가로지르는 최적화되고 지속적인 공기의 흐름에는 엄청난 과학 원리가 숨어 있다. 이는 시스템 설계, 빌딩의 기계적 설계와 연결, 빌딩 통제, 내부틀 설계, 그리고 구성 모양에 기반을 두고 있다.

솔라클래딩 시스템은 전 세계에 걸쳐 수천 곳에서 다양하게 사용되고 있다. 주요 적용분야로는 생산 공장, 산업용 건물, 오피스 빌딩, 다세대 주거 프로젝트, 건조공정, 지방자치시설, 병원, 학교, 물류창고, 농업시설, 군사시설 등이 있다.

해외의 다양한 적용 사례

상업용·산업용 적용

상업과 산업 분야는 난방 에너지의 최대 소비자들 중 하나이다. 공기식 태양열 난방 시스템은 낮은 비용으로 상업과 산업용 건물들이 요구하는 많은 양의 환기량을 충족시킬 뿐 아니라 난방시스템의 부하를 감소시킨다. 게다가 대형 건물에서 발생되는 난방 성층화 문제까지 해결할 수 있다.

산업건물에 설치된 2개의 솔라클래딩 시스템의 설치 사례를 사진 2와 사진 3에 나타냈다. 사진 2는 캐나다 토론토에 위치한 오웬스코닝 공장에 설치된 사례다. 이곳의 경우 2008년 1,030㎡ 규모로 서쪽 벽면에 설치를 시작으로, 2009년 10월 700㎡ 동쪽 벽면에 두 차례에 걸쳐 설치했다. 시스템은 상층부에 따른 회색 캐노피와 나머지 벽의 색깔을 어울리게 해 매력적이고 균일화된 외관을 유지했다.

이 시스템은 구성 공기 12만cfm을 들여오도록 설계되었다. 그 결과 연간 신재생에너지 생산은 3,600MWh로 측정되었다. 이는 대략 연간 18만 달러(직접적인 에너지 절약+비용 회피)를 절약하는 것과 동시에, 연간 650톤에 이르는 이산화탄소를 대체하게 된다. 오웬스코닝은 솔라클래딩 시스템의 도입을 통해 30년간 2,000톤에 가까운 이산화탄소를 대체하고, 추가로 상당한 에너지 절약까지 도모할 수 있게 됐다.

이밖에도 사진 3은 독일 로텐부르크에 위치한 지방버스회사에 적용된 사례다. 이 건물의 경우 환기 공기를 통해 사전 난방을 하기 위해 버스 차고의 전면 벽에 솔라클래딩 시스템을 설치했다. 이 시스템은 80㎡ 규모로 설치됐으며 4,800㎥/h의 공기를 전달한다. 이를 통해 매년 약 3만2,000kWh의 에너지가 절약되며, 약 16톤의 이산화탄소 대체 효과를 보이고 있다.

정부 기관 적용

공기식 태양열 난방시스템에 적합한 적용 사례는 낮 시간대 활용이 많은 곳이다. 하나의 예로 학교를 들 수 있다. 학교는 학생들에게 최소 15cfm의 신선한 공기를 공급해야하며, 이는 일반 환기 시스템 방식으로는 비용 발생이 크다. 때문에 솔라클래딩 시스템이 요구되며, 이 시스템이 학교에 설치될 경우 학생들에게 신재생에너지에 대해 지도를 할 수 있어 교육적이다.

사진 4는 미국 사우스다코타주의 래피드시에 위치한 커뮤니티센터에 솔라클래딩을 적용한 사례다. 여러 체육실로 이루어진 이 복합 건물은 많은 환기량과 지속적인 내부 공기의 질 개선이 필요했다. 이에 어두운 황동색 솔라클래딩이 두 건물의 독특한 건축적 특성에 맞게 사용되었다. 건축가들은 두 건물 사이의 지속적인 외형 유지를 원했고, 따라서 같은 색의 솔라 클래딩이 모든 벽에 사용되었다.

이밖에도 독일 바이에른주 에를랑겐시는 에너지 사용량을 줄이고 이상화탄소 배출 절감을 목적으로 솔라클래딩 시스템을 시청사 전면 벽 150㎡ 면적에 적용했다(사진 5). 낮은 에너지 소비, 이산화탄소 배출 축소라는 주요한 고려대상에 대해 이 건물을 설계할 때 솔라클래딩 기술이 훌륭하게 적용되었다. 이를 통해 에를랑겐시는 연간 6만kWh의 에너지 절감을 실현했으며, 연간 30톤의 이산화탄소 배출을 절감시킬 수 있었다. 더불어 솔라클래딩의 특징처럼 유지보수에 드는 비용은 없으며, 시청건물 디자인과 조화가 우수하다는 평가를 받은 바 있다.

국내 개발 및 적용 상황

현재 국내기업 솔라비토는 이 솔라클래딩 시스템의 국산화를 위해 수년간의 연구개발과 홍보에 박차를 가하고 있다. 그 결과 지난 7월 26일 수정구청사 건물 외벽 리모델링을 위한 솔라클래딩 설치 계약을 체결했으며, 이밖에도 2개 구청 및 공기업과도 계약을 진행 중에 있다(10월 내 결정 예정). 이번에 솔라클래딩 시스템의 설치가 확정된 수정구청사 건물에는 로얄블루(Royale Blue) 색상으로 설치될 예정이다.

솔라비토는 앞서 설명한 신재생에너지 시스템 확대와 이산화탄소의 획기적인 절감을 위해 솔라클래딩 시스템에 대한 사업을 확장해 나갈 계획이며, 앞으로 사업을 함께 할 협력업체 및 영업대리점을 모집하고 있다.

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