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

피보나치수열조

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.

표 1. 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.

내용

구성원 및 추진체계

내용

설계

설계사양

제품의 요구사항

내용

설계 사양

내용

개념설계안

내용

이론적 계산 및 시뮬레이션

내용

상세설계 내용

내용

결과 및 평가

완료 작품의 소개

프로토타입 사진 혹은 작동 장면

내용

포스터

내용

완료작품의 평가

내용

향후계획

내용

특허 출원 내용

내용