시범주택, ÉcoTerra™ house 는 2,600 square foot (240 m2) 면적에 몬트리올 남동쪽 120km 떨어진 지역, 퀘벡주 Eastman 에 2007년 9월에 조립식 주택으로 건설되었다. Solar Buildings Research Network와 Concordia University의 Dr. Andreas Athienitis 의 주도로 구성된 특별 팀은 에너지시스템 설계를 위한 주택을 만들었다.

이 주택의 설계접근 방식은 주택설계에 패시브요소와 액티브요소를 통합하고, 에너지 효율화 기술을 최적화하였다. 이 주택은 혁신적인 건물통합형 태양광 및 열을 가진 지붕구조체를 Concordia University에서 연구개발한 중공형 축열저장 시스템과 연결시켰다. 태양광/열 시스템은 Natural Resources Canada 의 Technology Early Action Measures (TEAM) program 에 의해 연구비를 지원받았다. 이 태양광/열 통합시스템은 공장에서 시스템으로 제작된 것으로 최초이다.

12개의 CMHC Equilibrium™ Demonstration Projects중 하나로 연간기준 동일크기의 표준주택대비 10% 에너지소비를 저감할 수 있도록 에너지 포집과 보존 형상을 갖추도록 설계되었다. 주요 특징을 살펴보면 다음과 같다.

- 남쪽방향 연속지붕을 덮는 건물일체형 태양광 및 열 시스템으로 신재생 전기를 생산하면서 동시에 태양열을 이용한다.

- 건축패시브요소 설계 : 고성능 창호, 축열 구조체, 고단열, 기밀 건물외피

- 지열히트펌프 시스템

- 폐수활용, 배열회수 환기 시스템

- 에너지 고효율화 기기

이 넷제로 하우스, ÉcoTerra™ house 는 태양을 이용한 건물설계 개념의 최초 실증사례이다. 이 넷제로 하우스는 효율적인 비용과 안락함을 추구하는 동시에, 에너지생산대비 소비량이 제로가 되는 통합기술시스템으로 구성되었다.

프로젝트의 핵심 기술은 다음과 같다.

- 연간 기준 에너지사용량 대비 생산량이 거의 제로에 가까운 에너지소비패턴을 갖춘 주택

- 12개의 실증주택 중 하나

- 남쪽 지붕전체는 건물통합형 태양광+열 시스템(BIPV/T)으로 구성 : 태양광시스템은 2.8kWp 전기생산, 태양열 시스템은 10 kWp 열에너지 용량

- 건물통합형 태양광+열 시스템(BIPV/T) 시스템으로부터 생성된 태양열로 가열된 공기는 공간난방, 급탕예열과 의류건조에 사용된다.

- 지열히트펌프는 주택의 냉난방의 주요 시스템으로 사용된다.

- 주택은 태양을 이용한 성능을 위해 최적화 되어있다. 고성능 남쪽면 3중 창호는 열 손실을 최소화하며 태양열 복사량을 최대화한다. 지상 및 지하층 콘크리트 슬래브는 유입되는 태양열 복사를 흡수하고, 낮에 흡수한 열을 밤에 서서히 방출한다.

- 주택은 공장제작 모듈로 제작되어 현장에서 조립된다.

캐나다에서, 건물은 2차 에너지 기준으로 총 30%, 전체 전기의 약 50%를 소비한다. 이 주택은 Canada Mortgage and Housing Corporation (CMHC)에서 건축업자, 부동산개발업자 등을 대상으로 공개경쟁을 통해 70개 팀이 제출한 주택 설계 중에서 상위 12개 팀의 건축설계안이 채택되었다. 이 중에서 Concordia University와 관련된 SBRN 연구자들이 건물통합형 태양광/열 시스템의 성능을 증명하기 위해 2개의 프로젝트에 참여하였다. 그 2개의 주택이 Alstonvale house와 ÉcoTerra™ house 이다.

이 주택이 에너지 사용에 긍정적인 영향을 주는 다음과 같은 2가지 방법이 존재한다.

1. 에너지 효율성 : 건물외피를 통한 열 손실 저감, 고효율 에너지 기기,기구와 조명, 난방은 주택에너지 사용량의 2/3를 차지한다. 주택단열을 높이고, 기밀성을 유지함으로써, 주택에 유입된 열에너지는 좀 더 오랜 기간 동안 보존될 수 있다. 냉장고, 세탁기, 조명기구와 같은 고효율 기구는 거주자들이 안락하고 편안한 생활을 감수하지 않고도 플러그전기부하를 저감할 수 있다.

2. 현장 태양에너지저장 : 궁극적으로 에너지 효율화만이 오직 주택의 에너지사용을 상당히 저감할 수 있다. 넷 제로에너지에 근접하기 위해서는 주택에서 자체적으로 에너지를 생산해야만 한다. 이 시범주택은 대규모의 지붕면적에 건물통합형 태양광/열 시스템을 도입하여 전기생산과 열에너지를 동시에 생산할 수 있다. 태양광으로 생산된 전기는 즉시 현장에서 소비될 수 있고 또는 그리드에 연계되어 수송가능하다. 이 방법은 리튬이온전지와 같은 배터리를 이용한 전기저장이 필요가 없다. 태양이 비칠 때는 주택에 부착된 태양열 시스템은 보통 공간난방을 할 정도로 공급이 가능하다. 이 건물통합형 태양광/열 시스템으로부터 얻은 열에너지는 환기용 콘크리트에 저장되었다가, 실내공간으로 자연적으로 유입된다, 그렇지 않으면 의류건조 또는 급탕보조용으로 사용된다.

<건물 통합형 태양광/열 시스템>

남쪽지붕은 태양광패널로 덮여있다. 이 패널들은 2.8 kW의 전기를 생산할 수 있다. 하이드로 퀘벡(Hydro-Quebec) 전력회사는 거주자들을 위해 신재생에너지로 생산된 전기를 수용할 수 있다. 이 시범주택에 부착된 태양광 패널 모듈은 비경절질 실리콘 박막으로 구성되어있다. 이러한 전형적인 설치방법에는, 부수적인 태양에너지 양이 주변으로 방사되어 빠져나간다. 비경절질 실리콘 은 대략 6~8%의 태양복사열을 흡수하여 전기로 전환된다. 나머지 흡수된 에너지는 태양광패널을 데운다. 이 시범주택에 참여한 대학과 연구소 연구자들은 이 태양광패널 모듈을 냉각하고, 또한 이 열에너지를 활용할 수 있도록 하였다.

패널하부의 외기는 지붕 처마로부터 용머리까지 흘러서, 데워진 공기는 단열된 덕트를 통해서 주택으로 흘러 들어간다. 태양열로 데워진 공기는 외기온도보다 더 높은 35°C 로 지붕에 남게 된다. 이 공기는 다음과 같이 3가지 용도로 사용된다. 첫째는 환기용 콘크리트 슬래브에서 열 저장통한 공간 난방, 둘째, 공기 대 물 방식 열교환기를 통해 급탕 예열, 셋째, 의류를 건조하기 위한 공기공급.

태양열로 데워진 공기는 의도한 장소에 덕트로 공급된다. 다양한 팬은 공기의 적절한 대류제어를 위해 사용된다.

<환기형 콘크리트 슬래브 저장>

이 시범주택에 적용된 패시브 태양설계의 효율화 때문에, 맑은 날이나 추운 날, 기계설비를 이용한 난방이 필요하지 않다. 그 이유는 실제, 추후 사용될 목적으로 저장된 열에너지가 충분히 많기 때문이다.

이 태양광 패널/열 시스템에서 획득된 더운 공기는 덕트를 통해 지하실 콘크리트 슬래브에 저장된다. 이 콘크리트 슬래브는 공기가 통과할 때, 열을 흡수할 수 있도록 공기채널을 매입한 독특한 구조체이다. 일단 슬래브가 데워지기만 하면, 지하실에 이 열을 복사한다. 이 과정은 콘크리트 슬래브의 열적 비활성 때문에, 밤 시간 내내 점차적으로 발생하며, 그 다음날까지 진행된다.

<지열 히트펌프와 공조 시스템>

난방 시즌동안, 태양광/열 시스템이 더운 공기를 생산하지 않는다면, 지열히트펌프가 사용된다. 지열히트펌프는 일년 내내 6~10°C 온도를 유지하는 지중에 수직공을 뚫어 주택과 열 교환하는 기능을 수행한다.

오늘날, 지열히트펌프가 인기가 높은 이유는 에너지의 효율이 높기 때문이다. 전기 1 유니트로 3~4 유니트의 열을 생산할 수 있는 성적계수(COP) 때문이다. 지열히트펌프의 초기 투자비가 기존 기계설비보다 비싸지만, 소비되는 에너지 저감량 때문에 몇 년 이내에 투자비가 회수될 수 있고, 전력회사에 지출하는 에너지사용료를 그만큼 작게 지불한다.

이 시범주택의 효율적인 건물외피는 고단열 기능과 고 기밀성능을 갖도록 설계되어있다. 기밀성 시험결과, 50 Pascal 압력에서 시간당 0.8 정도의 기밀성을 보였다. 거주자를 위한 실내 공기질을 확보하기 위해, 효율적인 방법으로 주택 내에 신선한 공기를 공급하도록 배열회수기기(HRV)가 사용된다.

<패시브 태양열 난방>

이 시범주택은 패시브 태양열 난방을 위해 최적화된 모델이다. 남쪽입면의 약 40%가 창문으로 구성되어있다. 따라서, 맑고 추운 날에, 실내공기를 덥히기 위해 태양열로부터 많은 난방이 필요하다. 보통, 주택의 열손실의 가장 주요부위가 창문이다. 이런 문제를 보완하기 위해, 이 시범주택에서는 고성능 3중창에 로우-e, 아르곤가스가 충진된 창호를 사용한다.

훌륭한 패시브 태양설계를 위해서는 적절한 축열구조체가 필요하다. 이 시범주택에서는 지하층과 지상층에 슬래브와 벽체를 콘크리트로 설계하였다. 이 슬래브와 벽체는 낮 시간 동안에 태양열을 흡수하여 저장하는 축열재로 거동하고, 밤시간에 저장된 열을 내뿜는 구조체로 구성되었다.

태양에너지로부터 획득한 열을 유지하기 위해, 건물외피는 매우 고단열 성능을 갖는다. 벽체의 단열성능은 RSI 6.6(R-37.5), 천정의 단열성능은 RSI 9.5(R-54.2)이며, 캐나다 빌딩코드인 R-2000 과 Novoclimat 지침에서 제시한 최소기준을 만족하고 있다. 단열은 열 손실을 최소화하는 가장 주요한 역할이다.

<급탕 시스템>

급탕은 캐나다 주택에너지의 1/4을 소비하며, 공간난방에 이어 2번째로 소비가 많은 부분이다. 더군다나, 급탕에 사용되는 많은 온수는 배수구에 가기 전까지만 사용된다. 이 시범주택에서는 3가지 방법으로 이 문제에 주력했다. 첫째, 열을 따뜻한 배수구에서 따뜻한 물로부터 회수하고 회수된 열은 주배관의 냉수에 전달한다. 둘째, 히트펌프에서 획득한 배열을 이용하여 물을 데운다. 셋째, 급탕은 건물통합형 태양광/열 집열기로부터 보충될 수 있다. 태양에너지로 획득된 공기는 물을 예열할 목적으로 열 교환기를 통해 통과할 수 있다.