저 탄소/제로 탄소 와 에너지 효율화를 위한 건물 냉난방 기술은 2050년까지, 2 Giga톤과 기름 7조1만 톤에 해당하는 에너지를 저감하도록 목표를 설정하였다. 태양열, 열병합발전, 히트펌프, 열에너지 저장과 같은 대부분의 기술은 이미 오늘날 상업화가 진행 중인 기술이다.

매년 350억$의 추가 비용이 2030년까지 연구개발을 위해 필요로 한다. 연구개발의 노력은 비용을 저감하고 요소들의 통합과 효율을 개선하는 데 초점을 두어야 한다. 하이브리드 시스템에 관한 연구개발은 매우 효율적이며, 저탄소 기술(예를 들면, 통합형 태영열/히트펌프 시스템, 열병합 발전)에 도달 할 수 있다. 2030년이 지나서, 연구개발은 현재 적용 가능한 기술들이 최고의 기술이 되도록 현재의 기술을 개발하는데, 초점을 맞출 필요가 있다.

정부는 최소한 비용측면에서, 환경적인 기준을 만족하는 냉난방 기술이 수용할 수 있는 경제적인 조건을 창출할 필요가 있다. 정부 정책은 시공자 스스로 느낄수 있는 능력 부족과 같은 특별한 장애요인을 다룰 만한 폭넓은 정책이 필요하고, 건물부문에서 건물소유자, 투자자들이 공감하는 심도있는 정책이 필요하다.

이 기술로드맵에서 다루고자 하는 영역은 다음과 같다.

- 선정된 냉난방기술의 현재 상태, 비용과 미래 발전

- 기술발전 목표와 일정을 포함하여 특별한 연구개발 필요성의 확인

- 건물분야 냉난방기술의 특별한 전개 목표

- 냉난방기술에 대한 현재장벽, 미래장벽을 극복할만한 정책제안, 그리고 블루맵 시나리오결과를 확신할만한 적절한 시점이 이뤄지는지 여부

또한, 기술로드맵에서 다루고있는 기술항목은 공간난방, 수난방, 열 저장, 냉각 및 제습에 관한 내용이며, 관련 요소기술은 아래와 같다. 능동형 태양열, 열병합발전, 공간 냉난방과 급탕용 히트펌프, 열 저장이다.

오늘날 냉난방 기술수준

능동형 태양열 기술은 냉방, 공간난방, 수난방을 제공가능하다. 이 로드맵에서는 건물통합형 시스템에 초점을 맞추고 있으나, 지역난방에서도 동일하게 사용될 수 있다.

열병합발전기술은 건물분야 용량(1 kWe to 1 MWe) 과 캠퍼스규모 용량(1 MWe to 5 MWe) 에 주된 초점을 맞추고 있다. 전통적인 열병합발전기술은 이미 성숙단계이지만, 마이크로 열병합발전, 바이오매스 열병합발전과 심지어 연료전지시스템은 중요한 논론의 여지가 있는 선택적인 기술이다.

냉난방용 히트펌프 기술은 성숙된 기술이며 신재생에너지를 이용하는 매우 효율적인기술이다.

열저장 기술은 급탕, 지하저장부문에서는 민감한 기술이며 상변화 냉각저장, 열화학적 저장부문은 현재 잠재력이 있는 기술이다. 열저장기술은 에너지저장을 최대로 할 수 있으며, 기술의 에너지효율잠재력을 최대로 할 수 있으며, 신재생에너지의 사용을 손쉽게 하며, 블루맵 시나리오의 전반적인 시스템 비용을 최소화하는데 도움이 된다.

OECD국가중에서 공간난방과 수 난방이 시장을 지배하고 있으나, 냉방부분은 각각의 기술에 따르고 있다. 예를들면 중국은 태양열 시스템과 주거용 냉방부분의 연간설치능력이 세계최고수준이다.(그림 1)

그림1 2008년~2009년 국가별 주거용 냉방과 능동형 태양열시스템 판매

냉난방 기술의 비전

이 기술로드맵의 비전은 난방기술이 2050년까지 2 Gt 까지 건물관련 CO2배출량을 줄이는 것이다. 전기소비, 지역난방, 건물규모 열병합발전 난방, 태양열은 블루맵 시나리오에 따르면, 2005년보다 2050년에 더 높아진다.태양열에너지는 건물부문 에너지 총 소비량의 11%에 이를 것이며, 수 난방은 30%에서 60%, 공간난방은 10% 35%수준이 건물부문의 에너지 사용의 효율을 개선하는데 도움이 된다.

공간난방과 수 난방용도로 히트펌프를 더욱 많이 사용하면서 냉방용 고효율 히트펌프는 냉난방기술의 63%를 저감한다. 공간난방과 수 난방용도의 태양열 시스템은 29%의 에너지 저감을 한다. 열병합발전은 그 역할은 작지만 CO2,배출을 줄이는데 중요한 역할을 수행하며, 약 8%의 에너지저감을 할뿐더러 신재생에너지에 의한 전기시스템의 균형을 맞추는데 도움이 된다.

그림2 CO2 배출감소에 대한 냉난방 기술의 기여도

블루 맵 시나리오에서 냉난방시스템의 효율과 에너지저감을 위해 여러 변수를 분석하였다.

○ 블루 맵 히트펌프 : 이 시나리오에서 보이는 냉방 및 습도제어를 위한 울트라 고효율히트펌프의 성적계수(COP)는 9 이다. 공간난방과 수 난방적용용으로 비용저감을 더욱 빠르게 한다. 이 시나리오에서 소개되는 히트펌프는 2050년에 CO2 2 Gt을 저감한다.

○ 블루 맵 태양열 : 2020년까지 적용가능한 저비용 컴팩트형 열저장 장치는 단기간에 비용을 줄이며, 2050년까지 CO2 1.2 Gt을 저감한다.

○ 블루 맵 건물 열병합발전 : 2050년까지 CO2 0.5 Gt을 저감한다.

블루 맵 시나리오 목표는 세계적으로 냉방시스템의 평균효율이 2050년까지 2배이상이 되는 것과 동시에, 공간난방과 급탕온수 제공수단으로 현재에 비해, 완전한 변모 할 내용을 다음과 같이 발표하였다.

- 화석연료에 의한 공간난방, 수 난방수요가 현재의 독점적인 수요상태에서, 5%에서 20%까지로 떨어질 것이다.

- 히트펌프는 공간난방과 수난방 수요가 극단적으로 상승할 것이다. 공간냉난방, 급탕용으로 설치된 수요는 2050년까지 거의 35억 대에 이를 것이다.

- 건물부문에서 열병합발전의 설치능력은 오늘날 수준보다 훨씬 더 많은 45배 수준으로 2050년에는 747GW에 이를 것이다.

- 열에너지 저장은 2050년까지 모든 공간난방과 급탕의 1/2에 이를 것이다.

비용 저감과 성능목표

비용과 성능은 냉난방 기술에서 가장 광범위하게 변화하는데, 그 이유는 최송소비자의 적용방법, 기후, 기술시방, 사용자의 요구조건과 건물을 점유하는 에너지프로파일에서의 각각 차이점에서 크게 달라지게 된다. 이런 이유로 기술로드맵에서는 냉난방기술의 성능대비 비용관점에서의 목표를 표 1과 같이 설정하였다.

표 1, 냉난방 기술의 비용 대비 성능 목표, 2030년과 2050년

기술적 발전 :마일스톤과 활동

<능동형 태양열 시스템>의 연구개발에 관한 일정계획은 다음과 같다. 건물외피와 태양열 집열기를 통합하고, 집열기를 통합한 다양한 건물요소를 낮은 비용으로 효율적으로 개발하는 연구개발을 수행한다. 이 일정은 2011년부터 시작해서, 2015년과 2030년 사이에 신형 집열기를 실제 배치한다. 단독주택에 능동형 태양열 시스템을 적용하여, 2020년까지, 30%저감, 2030년까지 50%저감하는 일정계획이 수립되어 있다.

<열병합 발전 시스템>의 연구개발 일정계획은 다음과 같다. 2015년부터 2020년까지 고효율과 내구성, 그리고 낮은 비용으로 연료전지(주거용도로 1kW에서 수백kW급)를 개발한다. 마이크로터빈 성능과 효율 개선을 위한 연구개발은 2011년부터 2025년까지 수행한다. 화석연료이용 왕복엔진과 가스터빈의 효율과 비용개선연구는 2011년부터 2025년까지 수행한다. 상업용 건물 용도의 수백kW급 대규모의 연료전지개발과 하이브리드형 연료전지-가스터빈시스템 연구는 2015년부터 2025년까지 수행한다. 각각의 다른 사업영역에서 열병합발전 패키지를 표준화하고 운영전략을 개발하는 연구일정은 2012년부터 2025년까지 계획되어있다.

<히트펌프>분야의 연구개발 일정계획은 다음과 같다. 냉난방의 효율개선을 위한 히트펌프 성능개발에 관한 연구개발은 히트펌프 성능측면에서, 2020년까지 성적계수를 20%이상 개선하고, 2030년까지 50%개선목표를 설정했다. 또한, 비용측면에서, 2020년까지 비용을 15%저감하고, 2030년까지 25%개선목표를 설정했다. 공간/수 난방과 냉방을 동시에 겸용하는 통합 히트펌프 시스템의 효율개선과 스마트그리드와 홈 에너지관리 시스템과 연계되는 저에너지 건물용도 히트펌프 효율개선에 관한 일정은 2015년까지 현장배치하고, 2020년까지 확대적용을 목표로 설정했다. 저온 공간난방시스템과 고온 공간냉방시스템의 효율화를 위한 히트펌프통합시스템에 관한 일정계획은 OECD국가에 2020년까지 모든 신축건물에 적용하도록 목표를 설정했다. 태양열과 융합한 하이브리드형 히트펌프 시스템의 개발은 2020년부터 2025년에 현장에 확대적용 목표로 설정하였다.

<열에너지 저장>분야의 연구개발 일정계획은 다음과 같다. 기초과학연구(열동력학과 재료발전)에 관한 협동연구와 상변화물질을 이용한 축열과 열적-화학적 저장을 위한 히트펌프 축열 시스템 통합, 중앙집중식 건물적용과 같은 응용연구분야는 2012년이후 지속적으로 수행한다. 컴팩트형 열에너지 저장, 특히 상변화물질과 열적-화학적 저장과 같은 미래형 재료를 개발하는 연구개발 투자는 2012년부터 2020년까지 진행한다. 최종소비자가 열 에너지 저장으로부터 얻는 이익추구와 같은 기술의 통합수행이 2013년이후 지속된다. 위에서 언급한 축열방법에 근거한 컴팩트형 열에너지 저장시스템의 통합을 통한 냉난방시스템의 개발과 검증에 관한 일정계획은 2015년부터 2025년까지로 마일스톤 수립하였다.

냉난방 기술정책 : 전략적 목표와 활동

2011년부터, 건물 냉난방시스템을 위한 규정과 정책프레임을 개발하는 정책협력 working 그룹을 만든다. 국가적측면이나, 지역적 측면을 고려하여, 모든 규정과 정책들이 건물부문에 미치는 영향을 포함하여야한다. 2011년부터 2013년에는 건물분야 냉난방시스템에 대한 기존정책과 측정수단을 검토해야한다. 또한, 에너지 효율과 CO2배출저감을 위한 기본적인 골격범위 내에서 건물용 냉난방시스템과 에너지효율화를 달성하기 위한 지름길과 공유된 비전을 개발해야한다.

결론 : 건물소유자를 위한 중기관점 행동강령

이 기술로드맵에서는 에너지 효율적인 냉난방 기술이 미래전진 배치와 더욱 상세한 분석요구에 대응하기 위해 작성되었다. 이 기술로드맵에서는 정부의 경제, 재정담당부서의 역할, 훈련 및 과학담당부서와 대학의 역할, 환경과 에너지자원 담당부서와 규제자의 역할, 제작자, 설계자, 건축가, 부동산개발업자 등의 역할, 민간단체의 역할, 에너지수요 및 공급 사업자의 역할, 주정부, 중앙정부의 역할, 국제에너지기구와 같은 글로벌단체의 역할에 대해 각각 그 임무를 상세하게 구분, 분석하였다.

▣ 원문제목 : Technology Roadmap Energy-efficient Buildings: Heating and Cooling

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