02분반 피보나치수열조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 생활하수를 활용한 수열에너지 설계: 주거단지 내 지속가능한 냉난방 및 탄소중립 실현

영문 : Sewage-Based Water Thermal Energy Design for Sustainable Heating and Cooling and Carbon Neutrality in Residential Communities

과제 팀명

피보나치수열

지도교수

구자용 교수님

개발기간

2025년 9월 ~ 2025년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 환경공학부 20228900xx 이x엘(팀장)

서울시립대학교 환경공학부 20228900xx 김x음

서울시립대학교 환경공학부 20228900xx 이x빈

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

본 과제는 서울시의 온실가스 감축 목표와 신재생에너지 보급 확대의 필요성이 커지는 상황에서, 도심의 한정된 부지와 부족한 재생에너지 자원으로 인해 발생하는 냉·난방 에너지 인프라의 한계를 해결하고자 한다. 특히 수열에너지는 생활하수·하천수·해수 등 다양한 수열원에서 열을 회수하여 기존 시스템 대비 20~50%의 에너지를 절감할 수 있는 저탄소 기술로 주목받고 있으나, 현재까지는 주로 상업·공공시설 중심으로만 활용되고 있어 주거단지 적용은 매우 제한적인 실정이다. 생활하수는 도시 내에서 상시 발생하며 타 수열원 대비 높은 열에너지 잠재량을 지니고, 전량 활용이 가능하다는 점에서 도심형 분산에너지 공급원으로서 활용가치가 특히 뛰어나다. 이에 본 과제는 생활하수를 주요 수열원으로 채택하여 대규모 주거단지에 적용 가능한 냉난방 수열 시스템 및 도로 수열선 기반의 통합 에너지 인프라를 설계하고자 한다. 전처리, 히트펌프, 축열조, 배관망, 제어 시스템을 포함한 통합 설계 모델을 구축함으로써, 주거단지 차원의 실질적 에너지 절감과 온실가스 저감 효과를 도출하고 나아가 도심형 탄소중립 에너지 활용 모델을 제시하고자 한다.

개발 과제의 배경 및 효과

대부분의 국가는 여전히 화석 연료에 의존하고 있으며, 이로 인한 대기오염과 지구온난화는 인류의 건강과 사회·경제 전반에 심각한 부담을 초래하고 있다. 특히 화석 연료 연소는 대기 중 이산화탄소 농도를 높이는 주된 요인으로 지목되며, 화석 연료 사용과 이산화탄소 배출량 간에는 뚜렷한 양의 상관관계가 존재한다. 더불어 화석 연료의 무분별한 개발은 자원 고갈 문제를 야기하고 있으며, 2050년까지 석유의 약 14%, 석탄의 72%, 가스의 18%만이 남을 것으로 추정된다(Martins et al., 2019). 이는 자원 보존과 순환경제, 지속가능한 발전이라는 글로벌 목표와 상충된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로 재생에너지원 확대가 추진되고 있으나, 풍력과 태양광과 같은 변동성 재생에너지원은 간헐성 문제와 낮은 에너지 회수율로 인해 안정적인 공급에 한계가 있다. 따라서 기존 재생에너지원의 한계를 보완하고, 장기적인 에너지 안보를 확보할 수 있는 대안이 필요하다. 서울시는 2040년까지 온실가스 배출량 70% 감축과 신재생에너지 보급률 20% 달성을 목표로 하고 있다. 하지만 도심의 지리적 제약으로 인해 해양·풍력 자원이 부족하고, 신재생에너지 확대에도 어려움이 따른다. 반면, 서울 전역에 분포하는 하천수·하수 등 다양한 수열원은 건물 냉·난방 등 도시 에너지 수요에 직접 활용할 수 있어 새로운 기회로 주목받고 있다. 수열에너지는 하천수, 하수, 지하수 등 다양한 수열원으로부터 열을 회수하여 냉난방 등에 활용하는 기술로, 연료 연소 과정이 없어 온실가스 배출을 최소화할 수 있으며, 기존 냉난방 시스템 대비 약 20~50% 수준의 에너지를 절감할 수 있다. 서울시의 경우, 수열원이 도심 전역에 분포하고 수요처와의 거리가 가까워 활용성이 크며, 현재는 대형 건물이나 데이터 센터 등 대규모 에너지가 필요한 곳에서 사용되고 있다. 특히 서울시의 수열에너지 잠재량은 약 230만 TOE로, 이는 2018년 기준 신재생에너지 생산량의 약 6배 규모에 해당한다. 이 중 하수열은 2,085천 TOE로 가장 큰 비중을 차지하는 것으로 분석된다.

표1. 서울시 수열에너지 잠재량

현재 수열에너지는 대형 건물이나 데이터 센터 등 일부 대규모 시설에서 주로 활용되고 있으나, 일반 주거단지 및 도시 인프라로의 확산은 아직 미진한 상황이다. 이러한 배경에서 본 과제는 수열에너지 활용을 기존 상업·공공시설 중심에서 대규모 주거단지와 도로 등 도시 인프라 분야로 확대함으로써, 서울시의 에너지 효율 향상과 지속가능성 확보를 위한 실질적인 해법을 제시하고자 한다.

개발 과제의 목표 및 내용

본 과제는 ‘수열에너지를 바탕으로 한 주거단지의 지속가능성 확보’를 목표로 하여, 상업 및 공공시설 중심으로 제한되어 있던 기존 수열에너지 활용을 대규모 주거단지로 확장하고, 도로 등 새로운 도시 인프라 분야에서의 적용 방안을 종합적으로 설계하고자 한다. 이러한 접근을 통해 수열에너지의 적용 범위를 확대함과 동시에, 지속가능한 도시 구축을 위한 실질적인 대안을 제시하는 것을 목표로 한다.

설계 대상지 선정

수서택지개발지구(1만 6000가구, 면적: 133만 5,246m^2) 중 일원역 일대로 대상지역을 선정하였다. 일원역 인근 아파트 중 세대수가 가장 많은 ‘일원동 까치마을 아파트’를 설계 시나리오 대상 구역으로 선정하였다. 이를 중심으로 하여 단지 내 냉난방 시스템과 도로 수열선을 설계하고자 한다.

Fig 1. 현재 까치마을 아파트의 면적

재개발 이후 설계 제한 완화로 인해 아파트의 층고가 약 20m 증가한다는 기사 내용을 바탕으로, 약 5개 층이 추가되는 것으로 가정하였다. 이에 따라 총 세대 수는 약 1,872세대, 거주 인원은 약 4,305명으로 산정하였다

수열원 선정

하천수

하천수는 열 손실이 거의 발생하지 않고, 높은 COP 확보가 가능하다. 또한, 관내 하천이 풍부해 하천수를 수원으로 활용하기에 적절하다는 장점이 있다. 그러나 열 회수 이후 수온 변동으로 인한 생태환경적 특성의 검토가 필요하며, 계절 변화에 따른 하천수에 포함되는 이물질의 양이나 수질 변동의 고려가 필요하다는 단점이 있다.

하수도

하수도는 수온이 높고, 유량의 100%를 활용할 수 있어 잠재량이 크다. 또한, 최대 10도의 열 에너지 회수가 가능하여 타 수열원(3~5℃)에 효율이 높다는 장점이 있다. 다만 미처리 하수를 이용할 경우 슬러지로 인한 파울링 현상이 발생할 가능성이 있으며, 하수 유입량이 적은 야간에도 안정적인 하수열원 확보가 필요하다는 단점이 있다.

상수도

상수도는 유량이 많고, 공급을 위한 배관이 이미 매설되어 효율적이다. 또한, 수질 개선을 위한 처리가 불필요하다는 장점이 있다. 하지만 급수 시 수온 변화가 나타날 수 있으며, 수온회복거리가 충분하지 않을 수 있다. 아울러, 상수도는 음용수, 생활용수 등으로 활용되기 때문에 열 회수 후 수질 영향 파악이 필요하다.

최종 선정

세 가지 수원을 비교한 결과, 하수도는 타 수원 대비 열 에너지 잠재량이 가장 크고, 열 에너지량이 가장 높아 수열원으로서의 활용 가치가 높은 것으로 평가되었다. 이를 바탕으로 주거단지 활용에 가장 적합한 생활하수를 수열원으로 선정하였다. 생활하수는 대규모 단지 차원에서의 열원일 뿐만 아니라, 구성 요소 수준에서도 직접 열 회수가 가능하다. 예를 들어 샤워, 요리, 음식 가공 등에서 발생하는 폐수는 열교환기를 통해 즉시 열을 회수할 수 있으며, 이는 30℃ 이상의 고온 폐수의 경우 열교환기만으로도 충분하다. 이러한 방식은 열 발생과 수요 사이에 시간 지연이 없어 별도의 저장 장치가 필요 없다는 장점이 있으나, 공간 제약, 초기 설치비용, 파울링 문제 등의 과제가 존재한다. 따라서 본 과제에서는 이러한 한계 요소를 고려한 통합적 설계를 통해 생활하수를 주거단지 내 안정적이고 효율적인 수열원으로 활용하고자 한다.

생활하수 기초 조사

유량

빅데이터로 본 서울시민의 수돗물 사용량(2023)에 따르면 1인 1일 평균 물사용량은 2인 기준 435L/day, 3인 기준 576L/day로 나타났다. 이를 바탕으로 대상지역에서 발생하는 1일 생활하수 유량은 776.42 m³/day으로 예상되며, 이를 시간당 평균 유량으로 환산하면 32.35 m³/h이다. 생활하수의 유량은 시간에 따라 변동이 크므로, 일반적인 아파트 단지의 피크계수 3.0을 적용하였다. 이에 따라 피크 시 최대 유량은 97.05 m³/h로 산정하였다.

수온

서울시의 「수열에너지 이용 확대 전략(2020)」 자료를 바탕으로, 하절기와 동절기의 하수 온도를 다음과 같이 산정하였다. 하절기에는 하수 온도가 외기온도보다 약 5~10℃ 낮은 15~25℃, 동절기에는 외기온도보다 약 10~20℃ 높은 10~20℃ 범위로 설정하였다. 한국환경공단의 「하수열에너지 활용 방안 연구 보고서(2021)」에 따르면, 난지 물재생센터에서 측정된 하수 수온은 약 10~30℃ 범위에서 분포하는 것으로 나타났다. 계절별 하수 수온을 외기 온도와 비교하여 분석한 결과, 하수는 외기에 비해 전반적으로 변동 폭이 적고 안정적인 온도 특성을 보이는 것으로 확인되었다.

Fig 2-1. 난지 물재생센터 수온 측정 결과(21.02.05-21.11.03)

겨울철인 2월에는 하수 수온이 약 12~15℃ 수준으로 유지된 반면, 외기 온도는 -10~10℃ 범위에서 큰 변동을 보였다. 이에 따라 하수는 외기에 비해 상대적으로 높은 온도를 유지하였으며, 열원으로 활용할 경우 높은 에너지 효율을 기대할 수 있다.

Fig 2-2. 난지 물재생센터 수온 측정 결과(21.02)

봄철인 3~4월에는 하수 수온이 15~20℃ 수준으로 측정되었으며, 같은 기간 외기 온도보다 전반적으로 높은 분포를 보였다. 다만 일부 기간에서 하수 수온이 일시적으로 하강하는 현상이 관찰되었는데, 이는 강수에 의한 영향으로 판단된다. 그러나 본 과제에서 활용하는 원수는 하수처리장 유입 전이므로 이러한 변동에 크게 영향을 받지 않을 것으로 예상된다.

Fig 2-3. 난지 물재생센터 수온 측정 결과(21.03-21.04)

초여름인 5~6월에는 하수 수온이 약 20℃ 전후로 안정적으로 유지되었다. 이 시기 외기 온도는 10~30℃ 수준으로 하수와 큰 차이를 보이지 않아, 열원 활용 효율은 다소 제한적일 것으로 평가된다.

Fig 2-4. 난지 물재생센터 수온 측정 결과(21.05-21.06)

여름철인 7~8월에는 하수 수온이 약 25℃ 내외를 유지하며 외기 온도보다 전반적으로 낮은 분포를 나타냈다. 이에 따라 하수를 냉방 열원으로 활용할 경우, 동일한 냉수 생산 조건에서 더 적은 에너지를 소모할 수 있어 높은 냉방 효율 확보가 가능하다.

Fig 2-5. 난지 물재생센터 수온 측정 결과(21.07-21.08)

가을철인 9~10월에는 하수 수온이 20~25℃ 범위에서 점차 하강하는 경향을 나타냈다. 특히 10월 이후에는 외기 온도와 하수 온도 차가 커지면서 난방 부하에 대응할 때 효율이 크게 향상될 것으로 예상된다.

Fig 2-6. 난지 물재생센터 수온 측정 결과(21.09-21.10)

종합적으로 하수는 계절에 따라 외기와 다른 특성을 보이며, 겨울과 가을에는 난방, 여름에는 냉방 열원으로서의 활용을 통해 시스템 운영 효율을 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.

개념설계 보고서에서 설정한 바와 같이, 낮은 수온 확보를 위해 하수와 우수를 혼합하는 방안을 전제로 한다. 이에 따라 여름철 평균 하수 온도는 25℃지만 혼합 후 온도인 23℃를 적용하였다. 주거세대에는 7℃의 냉수를 공급하는 것을 목표로 하였다. 이때 응축기에서는 과열증기 상태의 냉매(약 70℃)가 응축을 통해 액체로 변하면서 하수로 열을 방출하고, 포화온도 29℃에 도달한 후 최종적으로 27℃까지 냉각된다. 증발기에서는 저온액체 상태의 냉매가 포화온도 4℃에서 증발하여 기체로 변환되며, 주거세대 냉수를 7℃까지 냉각시킨다. 따라서 응축기 포화온도는 29℃, 증발기 포화온도는 4℃로 설정하였으며, 이를 절대온도로 변환하고 효율을 고려하여 계산한 결과는 표와 같다.

난방 시 COP

겨울철 평균 하수 온도는 12℃, 주거세대 공급 온도는 45℃로 설정하였다. 이때 응축기에서는 과열증기 상태의 냉매(약 75℃)가 응축을 통해 액체로 변하면서 주거세대로 열을 전달하고, 포화온도 48℃에 도달한 후 최종적으로 46℃까지 냉각된다. 증발기에서는 저온액체 상태의 냉매가 포화온도 6℃에서 증발하여 기체로 변환되며, 12℃의 하수로부터 열을 흡수한다. 따라서 응축기 포화온도는 48℃, 증발기 포화온도는 6℃로 설정하였으며, 이를 절대온도로 변환하고 효율을 고려하여 계산한 결과는 표와 같다.

예상 COP의 목표치 달성 여부

계산 결과, 본 시스템의 예상 COP는 냉방 시 5.54, 난방 시 3.82로 나타났다. 이는 과제제안서에서 제시한 목표치인 COP_c≥4.38, COP_h≥3.29를 모두 만족하며, 본 설계가 충분한 에너지 효율성과 실현 가능성을 갖추었음을 확인할 수 있다. 따라서 본 모델은 주거단지 내 생활하수를 활용한 지속가능한 냉난방 기술로써 안정적인 보급이 가능할 것으로 기대된다.

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

본 조가 설계한 방식과 기존 냉난방 방식 간의 경제적 효과를 비교하여 얼마만큼의 경제적 파급효과를 얻을 수 있을지 알아보고자 한다.

초기투자비

기존 냉난방 방식

표 12. 기존 냉방 설비 초기 투자비

표 13. 기존 난방 설비 초기 투자비

표를 통해 기존 냉난방 방식의 초기 투자비는 183.02억 원으로 산정되었다.

하지만 본 설계에서는 기존 냉난방 방식을 아예 대체하지 않고 설계안을 보조열원으로 병행 운용하는 전략을 채택하였으므로, 기존 방식의 초기 투자비를 단순 비교 대상으로 삼는 것은 적절하지 않다고 판단하였다. 따라서 시스템 전체의 초기비용이 아닌 본 설계안 도입에 따른 추가 초기투자비를 기준으로 경제성을 평가하는 것이 타당하다.

설계안

운전비

표 15. 운전비 산정 기본 전제

표 16. 8월(냉방), 1월(난방) 기준 1일 총부하

표 17. 운전비 산정 기본 전제

기존 냉난방 방식

냉방 요금 산정

표 18. 냉방요금 산정

난방 요금 산정

표 19. 난방요금 산정

기존 냉난방 방식의 연간 운전비

표 20. 기존 냉난방 방식 연간 요금 및 운전비

설계안

히트펌프 및 보조설비

표 21. 보조설비의 정격전력량

표 22. 히트펌프 및 보조설비의 월별 전력사용량

표 23. 히트펌프 및 보조설비의 월별 운전비

기존 냉난방 방식

표 24. 기존열원의 연간 운전비

운전비 비교

표 25. 운전비 비교

투자비 회수기간

표 26. 투자비 회수기간 검토 방식

환경적 기대효과

CO₂ 배출량

계절별 에너지사용량(TOE)

환경적 시나리오

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

추진체계

STEP 1: 수열원(종류, 유량, 온도 등) 및 최근 보편적으로 사용하는 냉난방 설비 조사

STEP 2: 시설별 냉난방 부하산정

STEP 3: 수열원 공급방안 산정

STEP 4: 수열원 취수 및 환수 설계

STEP 5: 수열 냉난방 설비 설계

STEP 6: 부하용량 산정

STEP 7: 실물 모형 제작

STEP 8: 수열 설계시공 가이드라인을 참고하여 설계 및 시공 주요 검토사항 확인

설계

설계사양

제품의 요구사항

표2. 설계 제품 요구사항

설계의 목적 계통도

표 3. 설계의 목적 계통도

설계 사양

내용

개념설계안

설계 대상지 선정 및 예상 배치도

기계실 배치도

본 설계에서는 기계실을 가로 20m, 세로 10m, 높이 9m, 총 면적 200m²로 계획하였다. 이러한 규격은 생활하수 기반 수열 시스템에서 요구되는 주요 설비인 전처리 장치, 유량조정조(약 200m³), 열교환기, 대형 수열 히트펌프 2대를 동시에 배치하면서도 안정적인 유지관리 동선을 확보하기 위해 산정한 값이다. 전처리 설비와 유량조정조는 전체 면적의 상당 부분을 차지하며, 히트펌프 2대는 각각의 전면·측면에 서비스 공간이 필요하다. 이를 포함한 장비 점유면적을 합산하면 약 170~180m² 정도가 필요하며, 추가로 배관·전기 설비, 장비 수리, 교체 등의 작업 여유 공간을 고려하면 최소 200 m² 규모의 기계실이 필요하고 보았다. 또한 내부 높이를 9m로 설정하여 유량조정조 및 축열조와 같은 수직 탑형 구조물의 상부 점검 공간, 환기·덕트 배치 등을 위한 충분한 구조적 여유를 마련하도록 하였다.

세부 설계 내용

배관 집수

생활하수 배관 집수

아파트 각 동에서 배출되는 오수 및 잡배수관이 합류하여 단지 외부로 연결되는 메인 오수 관로를 집수 지점으로 선정하고자 한다. 이 지점은 단지 내 모든 생활하수가 집적되므로 하수 처리장으로 나가기 전 열회수 효율이 극대화되는 위치임을 의미한다. 집수방식은 중력식 이송 을 우선으로 설계하되, 설비실로 자연 낙차 확보가 불가능한 지점에는 펌프를 설치하여 운전 이 가능하도록 한다.

빗물 집수

여름철에는 생활하수 단독 사용 시, 유입되는 하수의 온도가 충분히 낮지 않아 냉방 용량 확보에 한계가 있다. 이를 보완하기 위해 지붕에서 수집한 빗물을 활용하여 수열원 온도를 2 도 낮추는 것을 목표로 한다.

● 집수 대상 지붕 면적: 7,692.3m²

● 지붕 유출계수: 0.9 (일반적으로 0.85-0.95)

● 단위수집량 = 집수 대상 지붕 면적 X 지붕 유출계수

● 수집량: 단위수집량 X 강우강도 (mm/hr)

이를 바탕으로 가벼운 강우(1-3mm/hr) 시에도 1-2도의 온도 강하가 가능하며, 중간 강우 (3-10mm/hr) 에는 2-3도 이상의 온도 강하를 기대할 수 있다. 빗물은 불연속적 발생으로 인해 연속적인 공급이 어렵기 때문에, 빗물저류조에 빗물을 수집 하여 피크 부하 시간에 사용하고자 한다. 이때 집수 후 빗물은 생활하수와 함께 전처리 장치 로 유입된다.

전처리

전처리는 아파트 단지 내에서 이루어지며, 처리수는 최종적으로 탄천물재생센터로 유입된다는 점을 고려하여 대규모 하수처리장 대비 간소화된 구조로 구성하였다. 본 시스템은 후단 공정의 안정적인 운영과 부하 최소화를 위한 수질 달성을 목표로 한다. 전처리 전체 공정의 흐름은 다음과 같다.

Fig 3. 전처리 계통도

조대 스크린

조대스크린은 생활하수 내 대형 협잡물을 가장 먼저 제거하기 위해 전처리 라인의 전단부에 배치하고, 자동식 바 스크린을 적용하여 비닐류·섬유류·고형물 등을 선제적으로 제거한다. 협잡물은 자동 세척 및 압착 배출 장치를 통해 외부로 처리될 수 있도록 구성하였다. 기계실과 인접한 유지관리 공간을 확보하여 점검 및 오염물 제거가 용이하도록 설계하였다.

자동 회전식 드럼 스크린

자동회전식 드럼 스크린은 조대스크린을 통과한 처리수가 유입되는 위치에 설치하였으며, 약 1.5mm 공극을 이용해 잔류 협잡물과 섬유질을 제거한다. 드럼 회전 방식과 자동 세척 노즐을 적용하여 표면 막힘을 방지하고, 세척수 회수 동선과 배수 시스템을 고려해 기계실 배수구 인근에 배치하였다. 전면 점검 공간을 확보하여 브러시·세척 노즐 유지보수가 용이하도록 하였다.

그릿 분리기

그릿 분리기는 모래, 무기성 미세입자를 제거하기 위한 장치로서 자동회전식 스크린 후단에 직렬로 배치하였다. 회전 유동을 이용한 보어텍스형 분리 방식을 적용해 입경 0.2–0.3mm 이상의 무기물 제거가 가능하며, 장비 하부에는 침전 챔버를 두어 그릿을 안정적으로 모을 수 있도록 구성하였다. 측면 배출구를 통해 탈수된 그릿을 외부로 이송할 수 있도록 하고, 상부 점검구를 배치해 협소한 기계실에서도 유지관리가 가능하도록 하였다.

인라인 그리스 트랩

인라인 그리스 트랩은 생활하수 내 유지류를 제거하기 위해 그릿 분리기 후단에 설치하였다. 부상식 구조를 적용하여 일정 체류시간 내 유지류가 상부로 분리되도록 하고, 자동 스킴퍼를 통해 부상유지가 별도로 배출될 수 있게 하였다. 배관은 벽면과 평행하게 배치하여 불필요한 꺾임을 최소화하였으며, 상부 점검 덮개를 통해 내부 오염도를 쉽게 확인할 수 있도록 하였다.

유량 조정조

유량조정조는 시간대별 생활하수 유입량 변동을 완화하여 열교환기와 히트펌프의 안정적 운전을 지원하는 최종 전처리 단계로서, 기계실 중앙에 배치하였다. 용적은 일 변동 패턴을 고려하여 200m³ 규모로 계획하였으며, 내부에 교반기와 수위계, 유량계를 배치해 침전 발생을 방지하고 실시간 운전 제어가 가능하도록 구성하였다. 전처리 후 열교환기로의 흐름이 직선으로 이어지도록 수평 동선을 우선 적용하여 열손실과 배관 저항을 최소화하였다.

히트펌프

히트펌프는 냉방 시와 난방 시 서로 반대 방향의 열 흐름을 갖는 사이클로 운전된다. 냉방 시에는 냉매가 실내측에서 증발기를 거치며 주변 열을 흡수하고, 압축기를 통해 고온·고압 상태로 승온된 후 응축기에서 열을 방출한다. 이어 팽창밸브를 지나 압력이 낮아지며 다시 증발기로 돌아가는 순환을 반복한다. 반대로 난방 시에는 냉매가 외기 또는 수열원에서 증발기를 통해 열을 흡수한 뒤 압축기에서 승온되고, 응축기에서 실내측으로 열을 방출하는 방향으로 순환한다. 이러한 과정에서 히트펌프는 생활하수와 직접 열교환을 수행하는데, 냉방 시에는 응축기에서, 난방 시에는 증발기에서 일어난다. 생활하수는 히트펌프 사이클의 열흡수원 또는 열방출원으로 작동하여 수열 기반의 냉·난방을 가능하게 한다.

열교환기

본 설계의 판형 열교환기는 전처리수를 안정적으로 받아 수열 히트펌프와 축열조로 열을 전달할 수 있도록 기계실 내측 벽면에 직선 배관으로 연계하여 배치하였다. 이러한 구성은 배관 손실과 열손실을 최소화하고, 장비 접근성과 유지관리성을 높인다. 판형 열교환기는 얇은 금속판과 요철 구조를 활용해 높은 열전달 효율과 난류 형성에 따른 전열 저항 최소화를 달성하며, 오염 발생 시에도 세정 및 판 교체가 용이해 장기 운전에 적합하다. 또한 전처리 공정을 통해 고형물·유분이 충분히 제거되면 막힘 위험이 크게 줄어들어 안정적인 운전이 가능하며, 필요 시 모듈 확장이 가능해 향후 부하 증가에도 유연하게 대응할 수 있다.

히트펌프

유지관리성과 운전 신뢰성을 고려하여 제작사 기준에 따라 전면 유지관리 공간을 확보한 형태로 구성하였으며, 열교환기 및 축열조와 직선 배관으로 연계될 수 있도록 기계실 내측 벽면 부근에 배치하였다. 이러한 배치는 배관 길이와 접속 손실을 최소화하여 유량 안정성을 확보하고 열손실을 줄이는 데 효과적이다. 본 설계에서 적용한 물-물 방식 히트펌프는 생활하수 기반 수열원과 축열조를 연계하여 냉방·난방 모두를 수행할 수 있으며, 필요 시 기존 난방설비 등 다른 열원과 병행 운전도 가능하도록 구성하였다. 기계실 내부에 600RT 히트펌프 2대를 병렬로 설치하여 두 장비 중 하나가 정지하더라도 기본적인 냉난방 공급이 가능한 수준의 여유성을 확보하였으며, 각 히트펌프의 운전 상태는 중앙 감시 패널과 원격 제어반을 통해 실시간으로 모니터링할 수 있도록 설계하였다.

축열조

본 설계에서 냉방용 축열조의 설계용적은 275m³, 평균 체류시간은 약 8.2시간으로 산정되었다. 이는 심야 시간대(8시간)의 히트펌프 집중 운전 시간과 거의 일치하여, 야간 시간대에 효율적인 냉열 축적이 가능함을 의미한다. 난방용 축열조의 설계용적은 70m³, 평균 체류시간은 약 4.2시간으로 산출되었다. 그러나 여름철에는 두 개의 축열조 모두 냉방용으로 활용할 계획이므로, 냉방용 축열조의 설계용적인 275m³를 기준으로 적용하고자 한다. 따라서 두 축열조의 용적은 모두 275m³로 동일하게 설정하였다. 한편, 난방 운전 시에는 275m³ 전체를 사용할 경우 체류시간이 과도하게 증가할 우려가 있으므로, 난방 시에는 기존 설계용적이었던 70m³만을 활용하여 효율적인 열 저장 및 공급이 이루어지도록 할 예정이다. 산정된 용적과 체류시간을 바탕으로, 외부 열손실을 최소화하고 내부 온도층화를 효과적으로 유지하기 위해 원통형 수직탑식 구조를 채택하였다. 또한, 탱크 내부의 유입수가 수평 방향으로 균일하게 확산되도록 다공성 디퓨저를 설치하여 층화 형성을 촉진하고, 열교환 효율 저하를 방지하고자 하였다. 단열재는 결로 방지 성능이 우수한 고무발포체를 적용하였고, 상·하부에는 온도센서 및 차압 기반 유량 제어 시스템을 배치하여 히트펌프 및 중앙제어시스템과 통합 운영되도록 구성하였다.

보도 수열선

전처리를 거친 생활하수를 히트펌프에 활용한 뒤, 이를 주거단지 내에서 한 번 더 재활용함으로써 수열원의 다목적 활용성과 추가적인 탄소 저감 효과를 확보하고자 한다. 최근 보행자 및 차량의 안전을 위해 겨울철 적설 및 결빙을 방지하는 도로 열선의 도입이 확대되고 있다. 본 설계는 이러한 흐름에 착안하여 주거단지 내 보도 수열선을 구축하는 방안을 제안한다. 보도 수열선은 전처리 과정을 거쳐 확보된 상대적으로 양호한 수질의 생활하수를 다시 활용함과 동시에, 쾌적한 보행 환경을 조성하고 보행자 안전을 확보하며 탄소 배출까지 저감하는 세 가지 목표를 동시에 달성하고자 한다. 히트펌프 운전 후 하수처리장으로 배출되는 생활하수는 계절에 따라 수온이 상이하며, 겨울철 난방 시에는 약 9℃의 온도로 배출된다. 이에 따라 외기보다 높은 온도의 배출수를 공급하여 적설 및 블랙아이스 형성을 방지할 수 있다. 이때 최근 건설되는 아파트 단지는 대부분 지상 차량 통행을 제한하고 보행자 중심으로 조성하는 추세이므로 본 설계 또한 보행자 이용 환경을 고려하여 보도 수열선 구조를 계획하였다.

보도 수열선 단면 구조

시중의 보도는 일반적으로 보도블럭 → 베딩층 → 기층의 순서로 구성된다. 보도블럭은 보행 하중을 직접적으로 받는 최상부 구조로, 콘크리트 소재로 제작되며 두께는 약 60 mm이다. 보도블럭 하부에는 블럭의 레벨 조정과 하중 분산 역할을 수행하는 베딩층이 위치하며, 이는 모래를 사용하여 조성되고 보통 20~30 mm의 두께를 가진다. 본 설계에서는 단지 내 보행자 보도만을 대상으로 하여 구조적 안정성이 충분하다고 판단하였고, 표면과 수열관 사이의 열전달 성능을 향상시키기 위해 베딩층을 최소 깊이인 10 mm로 적용하였다. 그 아래 위치하는 기층은 보도의 구조적 지지력을 담당하는 핵심 층으로, 일반적으로 시멘트 안정처리층(Cement-Stabilized Crushed stone, CSC)으로 구성된다. 기층은 충분한 강도를 가지고 반복하중에 대한 저항성을 확보할 수 있어 보도 구조의 안정성을 유지한다. 한편, 수열선은 금속 소재인 도로 열선과 달리 플라스틱 소재를 사용하므로 외부 충격, 하중, 미세한 변위에 취약할 수 있다. 또한 보도블럭은 보행하중 및 온도변화에 따라 미세하게 움직이는 구조이며, 베딩층 역시 얕은 깊이와 연약한 모래층으로 구성되어 있어 수열관을 지지하거나 보호하는 데 적합하지 않다. 따라서 수열관을 보도 표면에 근접 배치하는 것은 구조 및 내구성 측면에서 적절하지 않다. 이에 따라 본 설계에서는 수열선을 베딩층 아래, 즉 기층의 상단부에 매설하였다. 기층은 충분한 지지력과 강도를 확보하고 있어 수열관을 보호할 수 있으며, 동시에 보도 표면까지의 열 전달 경로도 확보할 수 있다. 이러한 조건을 고려한 결과, 수열관의 관 중심은 보도 표면으로부터 약 80 mm 깊이에 위치한다. Mirzanamadi et al.(2018)의 연구에 따르면, 수열관의 매설 깊이를 60–150 mm 범위에서 비교한 결과 80 mm 전후의 깊이가 에너지 요구량과 결빙 시간 측면에서 가장 안정된 성능을 보이는 영역으로 확인되었다. 또한 동일 연구는 실제 적용 사례에서 관 중심을 약 87.5 mm에 배치하여 해빙 성능을 확보한 바 있으며, Zhao et al.(2021)의 연구 역시 80–100 mm 수준의 매설 깊이가 실용적임을 보고하였다. 따라서 본 설계의 배치 값은 선행 연구에서 제시된 최적 범위에 부합하여 적절한 것으로 판단된다.

수열관 설계 요소

Mirzanamadi et al.(2018)의 연구에서는 수열관 소재로 폴리에틸렌 기반의 PEX를 적용하여 구조적·열적 안정성을 검증하였다. 해당 연구는 PEX가 콘크리트나 아스팔트 내부의 매립 환경에서도 충분한 열전달 성능과 내구성을 확보할 수 있음을 보고하였다. 따라서 본 설계에서도 수열관 소재로 PEX를 적용하였다. Zhao et al.(2021)은 매설형 도로 열선 모델링에서 관 직경 16 mm를 기본값으로 사용하였으며, Mirzanamadi et al.(2018)은 실제 제설 시스템에서 직경 25 mm의 수열관을 적용하였다. 선행 연구들을 종합하면 도로·보도 수열선에서 적용 가능한 관경은 대략 16–25 mm 범위임을 확인할 수 있으며, 해당 범위 내에서는 제빙·제설 성능이 안정적으로 확보된다. 따라서 본 설계에서는 구조적 안정성과 열전달 면적을 고려하여 직경 20 mm의 수열관을 적용하였다. Zhao et al.(2021)은 관 간격을 비교한 결과, 평균 노면 온도에 가장 큰 영향을 주는 주요 인자는 간격이며, 80 mm 간격에서 가장 높은 해빙 속도와 가장 짧은 예열 시간을 기록하였고 120 mm 간격 또한 실용적 성능을 보였다고 보고하였다. Mirzanamadi et al.(2018) 역시 관 간격 증가 시 미끄럼 발생 시간이 길어지고 열성능이 저하된다는 결과를 제시하였다. 즉, 선행 연구에서 80–120 mm 범위가 가장 안정적인 성능 확보 구간임이 확인되었으며, 이에 본 설계에서는 구조적 안정성과 시공성, 열전달 성능을 고려하여 관 간격을 120 mm로 적용하였다. 최종적으로 본 설계에서는 수열관의 매설 깊이를 표면으로부터 약 80 mm, 소재는 PEX, 직경은 20 mm, 간격은 120 mm로 선정하였다. 보도 수열선의 단면 구조 및 설계 인자를 종합한 배치도는 Fig.4와 같다.

Fig 4. 보도 수열선 배치도

계절별 보도 표면 온도

수열관에서 보도 표면까지의 열전달 경로를 단순화한 1차원 열전달 모델을 적용하였으며, 계산에 사용한 식은 다음과 같다. 좌항은 보도 표면과 외기 사이의 대류열량을, 우항은 수열관과 보도 표면 사이의 전도열량을 의미한다.

이는 외기와 보도 표면 간의 대류열전달을 함께 고려하고 보도 표면까지의 열전달 경로에 대한 전도저항을 산정하여 표면 온도를 예측하는 방식이다. 외기–표면 간 대류열전달계수 10 W/m²K를 적용하여 R 을 0.1m²K/W로 산정했으며, 수열관 중심이 보도 표면으로부터 약 80 mm 깊이에 위치하기 때문에 표면까지의 등가 열전도율 1.5 W/m·K을 적용하여 을 0.0533 m²K/W로 산정하였다. 이를 바탕으로 겨울철의 보도 표면 온도를 다음과 같이 산정하였다. 겨울철 외기 온도는 –5℃, 히트펌프 증발 과정 이후 배출되는 생활하수 온도를 9℃로 설정하였다. 동일한 열전달 모델을 적용한 결과, 보도 표면은 약 3.9℃로 산정되었다. 이는 보도 표면의 결빙 시작 온도인 0℃를 충분히 상회하는 값으로, 영하 조건에서도 결빙 및 블랙아이스 형성을 방지하기에 충분한 온도 범위임을 확인할 수 있다.

보도 수열선 조감도

본 설계에서 제안한 보도 수열선은 겨울철 보도 표면 온도를 적정 범위로 유지하는 데 효과적이며, 적설 및 블랙아이스 방지라는 목적을 충족하는 것으로 확인되었다. 이는 앞서 설정한 쾌적한 보행 환경 조성 및 보행자 안전 확보라는 목표를 실현할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 제설제 사용량을 감소시켜 추가적인 탄소 저감 효과까지 기대할 수 있음을 의미한다. 이러한 분석 결과를 종합하여, 단지 내 보도에 수열선을 적용했을 때의 예상 조감도는 다음과 같다.

Fig 5. 겨울철 보도 수열선 조감도

이론적 계산 및 시뮬레이션

배관 설계 요소

관경

본 설계에서는 생활하수 이송 관로의 최소 관경을 200mm 이상으로 적용하였다. 본 설계의 수원인 생활하수에는 SS, 섬유질, 모래 및 토사, 유지류 등 다양한 고형물과 부유물이 포함되어 있으며, 전처리 공정을 거친 후에도 일정량의 미세입자와 섬유질이 잔류한다. 관경이 200 mm 미만일 경우 이러한 잔류물에 의한 막힘 및 침전 위험이 급격히 증가하며, 이는 하수 이송 기능뿐 아니라 후단 열교환기 및 히트펌프의 운전 안정성에도 부정적인 영향을 미친다. 또한 생활하수관은 유지관리 접근성이 낮아, 관 막힘·침전이 발생할 경우 굴착 및 교체 등 큰 비용이 소요된다. 이에 따라 「하수도시설기준」은 생활하수 이송관의 최소 관경을 200mm 이상으로 규정하고 있으며, 본 설계는 이러한 기준에 부합하도록 계획하였다. 전처리 공정을 거친 이후의 구간(유량조정조 → 열교환기 → 히트펌프)은 고형물·유지 성분이 대부분 제거된 상대적으로 깨끗한 유체가 흐르므로 2.4.1.2. 절의 목표 유속 설계를 고려하여 125mm 수준의 축소 설계가 가능하다.

목표 유속

대상 지역인 까치마을 주거단지의 1일 평균 생활하수 발생량은 776.42m³/day이며, 이를 기반으로 산정된 피크유량은 97.05m³/h(=0.02696 m³/s)이다. 본 설계에서는 전처리 전·후 구간을 구분하여 서로 다른 유속 기준을 적용하였다. 먼저 전처리 이전 원수 하수관 구간은 SS·섬유질·고형물이 포함된 생활하수가 중력식으로 흐르는 구간으로, 환경부 「하수도시설기준」에서 제시하는 자기세정 유속 기준인 0.6–1.0m/s를 확보하는 것이 중요하다. 관경 200mm 적용 시 피크유량 기준 유속은 0.86m/s로 산정되며, 이는 원수 하수 이송에 필요한 자기세정 조건을 만족한다. 전처리 이후 구간은 고형물이 대부분 제거된 비교적 청정한 유체가 압송 조건에서 흐르는 구간으로, 열교환기 및 히트펌프의 열전달 효율을 확보하고 체류시간을 적정화하기 위해 「수열에너지 설계·시공 가이드라인(2023)」에서 제시하는 2.0–3.6m/s의 권장 유속을 적용한다. 관경 125mm 적용 시 2.19m/s로 예상되어 목표 유속 범위를 충족한다.

관 재질

본 설계의 수열원인 생활하수에는 유기물, SS, 유지류, 황화합물 등이 포함되어 있어 관로는 부식과 마모에 대한 내구성이 요구된다. 전반부에는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)을 적용한다. HDPE는 내식성과 내마모성이 우수하며, 용융접합 방식을 통해 이음부 누수 및 토양·지하수 침투를 구조적으로 차단할 수 있다. 또한 외부 충격과 지반 침하에 대한 유연성이 높아 아파트 단지와 같은 복잡한 지중 구조물 환경에서도 시공이 간편하다. 이러한 특성은 장기적 관망 유지관리 비용을 감소시키며, 하수 유입 온도 변동이 큰 수열원 배관에서도 안정적인 운전을 보장한다. 기계실 및 열교환기 인접 구간에는 강관 또는 스테인리스강 배관을 적용하였다. 이 구간은 밸브, 유량계, 압력계, 열교환기 연결부 등 주요 장비가 밀집되어 있어 수격작용·고속 유동·장비 점검을 위한 반복적인 분해·세정이 발생하는 영역이다. 강관과 스테인리스강은 이러한 환경에서 요구되는 높은 기계적 강도와 내충격성을 제공하며, 스테인리스강의 경우 크롬 기반의 자기피막 형성으로 하수 내 황화합물·유지류 등에 대한 내부식성이 우수하다. 또한 두 재질 모두 코팅 손상에 의한 성능 저하 위험이 적어, 장기적인 관망 안정성과 유지관리 신뢰성을 확보할 수 있다. 기계실 및 노출 배관에는 고밀도 폴리에틸렌 또는 유리섬유 + 단열재(PVC 재킷 보호층)을 적용한다. 냉방 시 관 표면에서 발생할 수 있는 결로를 방지하고, 난방 시 열손실에 따른 히트펌프 성능 저하를 예방할 수 있다. 특히 수열원 시스템은 COP를 유지하는 것이 중요하므로 단열 설계는 향후 에너지 효율 확보에 직접적으로 기여 가능하다.

표 4. 구간에 따른 관 재질 선정

손실수두

본 설계의 손실수두는 Hazen–Williams 식을 이용하여 산정한다. (이때 C=110 가정, 주철관 기준)

본 설계에서 생활하수는 단지 내 각 동의 오수·잡배수관이 합류한 후 집수정을 거쳐 전처리부를 통과하고, 이후 열교환기 및 히트펌프 유입부로 이송된다. 수열계통 하수측 관로는 아래와 같이 두 구간으로 구분하였다. 생활하수의 피크유량은 이전 보고서에서 산출한 0.02696 를 사용한다.

● 전처리 전 관로 구간: D₁ = 0.20m, L₁ = 40m

● 전처리 후 관로 구간: D₂ = 0.125 m, L₂ = 30m

피크유량 조건에서 각 관경별 단면적 및 유속은 다음과 같이 산정하였다.

마찰손실수두는 Hazen–Williams 식에 적용하여 산정하였다.

위 식을 사용하여 전처리 전과 후의 관로 손실수두를 계산하면 h200=0.23m, h125=1.65m으로, 따라서 살계 전체 관로에 대한 마찰손실수두는 1.88m로 산정된다. 국부손실수두를 산정할 때 사용되는 국부손실계수(K)는 배관 엘보, 밸브류, 유량계, 관입·출구 및 열교환기 연결부의 계수값을 합산, 고려하여 하여 전처리 전 구간(K1)은 5.0, 전처리 후 구간(K2)는 7.0으로 설정하였다. 환경부 「하수도시설기준」의 일반적인 배관 손실계수 범위(K=5–12)를 고려한 대표값에 해당하며, 다음 식을 이용하여 계산하면 각 0.19m, 1.73로 총 1.92m로 산정된다.

정수두는 집수정 내 생활하수 수면 레벨과 기계실 내 열교환기, 히트펌프 설치 레벨 간의 고저차는 단지 지하층 깊이, 기계실 바닥 레벨, 장비 설치 높이를 고려하여 일반적인 공동주택 지하1~2층 높이인 약 4m로 가정하였다. 따라서 총 손실수두는 7.8m로 평가된다.

02분반 피보나치수열조

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경 및 효과

개발 과제의 목표 및 내용

설계 대상지 선정

수열원 선정

하천수

하수도

상수도

최종 선정

생활하수 기초 조사

유량

수온

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

수열에너지 시스템

하수 수열에너지 시스템

기술 로드맵

특허조사 및 특허 전략

전처리 관련 특허

히트펌프 관련 특허

축열조 관련 특허

관련 시장에 대한 분석

경쟁제품 조사 비교

TL 엔지니어링

HUBER SE

기존 기술과의 차별성

마케팅 전략

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

COP

냉방 시 COP

난방 시 COP

예상 COP의 목표치 달성 여부

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

초기투자비

기존 냉난방 방식

설계안

관련 지원금

운전비

기존 냉난방 방식

설계안

운전비 비교

투자비 회수기간

환경적 기대효과

CO₂ 배출량

계절별 에너지사용량(TOE)

환경적 시나리오

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

설계의 목적 계통도

설계 사양

개념설계안

설계 대상지 선정 및 예상 배치도

기계실 배치도

세부 설계 내용

배관 집수

생활하수 배관 집수

빗물 집수

전처리

조대 스크린

자동 회전식 드럼 스크린

그릿 분리기

인라인 그리스 트랩

유량 조정조

히트펌프

열교환기

상세설계 내용(시연품 설계)