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2025년 12월 17일 (수) 21:15 판
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 2022890055 이주엘(팀장)
서울시립대학교 환경공학부 2022890012 김정음
서울시립대학교 환경공학부 2022890052 이유빈
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.
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**
주거단지는 주민들의 생활 패턴에 따라 시간대별 하수 발생량의 변동 폭이 크며, 대상지역은 약 4300명의 거주 인구로 인해 상당한 하수 발생량과 냉난방 부하가 요구된다. 이러한 조건을 고려할 때 기존의 소규모 하수 수열에너지 시스템만으로는 충분한 공급이 어렵다. 따라서 하수처리장으로 이송되는 과정에서 발생할 수 있는 열 손실을 최소화하기 위한 자체 전처리 시스템, 시간별·계절별 부하를 충족할 수 있는 히트펌프 시스템, 실질적인 에너지 절감 및 탄소 저감 효과를 동시에 확보할 필요가 있다.
마케팅 전략
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
내용
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
내용
**환경적 기대효과**
내용
기술개발 일정 및 추진체계
개발 일정
**구성원 역할 분담**
공통 분담
① 과제 주제 선정 및 자료 조사
② 기존 기술 조사, 수열원 및 설계 대상지 선정
③ 포스터 제작 및 발표
④ 프로토타입 제작
⑤ ppt 제작 등 발표 준비
개인 분담
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
내용
전처리
내용
히트펌프
내용
축열조
내용
보도 수열선
내용
이론적 계산 및 시뮬레이션
배관 설계 요소
관경
내용
목표 유속
내용
관 재질
내용
손실수두
내용
전처리 설계 요소
내용
시간별 하수 발생량
내용
시간별 필요 냉난방 부하
계절별 스케일링 계수 산정
내용
시간 패턴 기반 부하 재구성
내용
시간별 히트펌프 충당 가능 냉난방 부하
열펌프 기본 에너지수지
내용
히트펌프가 충당할 수 있는 시간별 냉난방 부하
내용
상세설계 내용**(시연품 설계)**
제어부 및 회로 설계
펠티어 기반 히트펌프 냉각 모듈 구성
내용
온도 시각화 시스템
결과 및 평가
완료 작품의 소개
프로토타입 사진 혹은 작동 장면
내용
포스터
**자재 소요서**
내용
관련 사업비 내역서
완료작품의 평가
향후계획
내용
