서 론

온실가스 절감에 대한 중요성이 높아지면서 에너지 절감에 대한 관심이 높아지고 있으며, 이에 따라 신재생 에너지 개발 및 이용의 필요성이 증가하고 있다. 국내에서는 공공건축물을 대상으로 ‘신재생에너지 설치 의무화 제도’ 등을 통하여 신재생에너지 사용을 유도하고 있다. 신재생 에너지 중 지열 시스템은 열원을 안정적으로 공급할 수 있으며 연중 효율적인 운영이 가능하고 성능이 우수하여 지열 히트펌프 시스템의 설치 및 운영이 확산되고 있다. 하지만 지열 천공공간의 확보 및 높은 초기투자비용 등에 따른 경제성 확보의 문제가 대두되고 있다. 국내에서 지열 시스템의 경제성 분석은 시스템 설계 시 열원 시스템의 선택에 활용하기 위한 표준효율을 활용한 분석이 주로 이루고 있으며 실제 운영 시의 정보를 활용한 경제성 분석은 미흡한 실정이다. 즉, 경제성 분석 시 열원설비의 운전효율을 표준상태의 COP를 기준으로 분석하고 있어, 부분 부하에 따른 효율저하나, 지열 시스템에서 지열 히트펌프 입구 측의 온도변화에 따른 효율변화를 고려하지 않고 있어 정확한 경제성 분석이 이루어지고 있지 않는 실정이다.

고명진 외(2007)는 공공청사를 대상으로 축열식 지열 히트펌프를 포함하여 적용 가능한 열원시스템 4종류를 대상으로, 김득원 외(2018)는 축열식 시스템과 비축열식 시스템을 대상으로 경제성 분석을 실시했다. 이일규 외(2011)는 도시가스를 활용한 냉‧난방설비와 지열을 활용한 냉 난방설비를 대상으로 초기공사비, 유지보수비, 에너지비, 해체비, 잔존비로 비용항목을 구성하여 생애주기비용을 분석했다. 이기창 외(2016)는 지열 시스템이 설치된 공공건물의 운영 사례를 수집하여 지역 냉난방 시스템과 현행 요금 체계에서 경제성 분석을 실시했다. 현재 지열 히트펌프 시스템의 경제성에 관한 다양한 연구가 실시되고 있으나 설계 값을 활용한 초기 단계의 경제성 관련 연구가 주를 이루며 경제성 분석 기간 동안 동일한 성능으로 운영 된다는 가정 하에 경제성 분석이 실시되며 실제 운영 정보를 활용한 경제성 분석은 미미한 실정이다.

본 연구에서는 지열 히트펌프 시스템의 초기투자비용과 운영비용을 통해 회수기간을 분석하는 경제성 분석을 실시하고자한다. 경제성 분석 기간 동안 동일한 상태로 운전된다는 가정에 따라 일정한 운전 상태 및 운전 효율을 적용하여 경제성 분석을 실시하는 기존의 분석과 실제 대상건물의 운영 데이터를 기반으로 지열 입‧출구 온도 및 운전 효율 정보와 이에 따른 운전 효율 변화를 고려한 경제성 분석으로 CASE를 구분하여 분석을 실시하여, 시스템 선정 및 계획 시 보다 정확한 정보를 제공하는 것을 목적으로 한다.

지열 히트펌프 시스템 운영 데이터 분석

지열 시스템 운영 현황 분석

지열 시스템의 운영 데이터를 활용한 경제성 분석을 실시하기 위해 2017년 1월 1일부터 2017년 12월 31일까지 지열 시스템의 연간 운영 데이터를 수집했다. 데이터 수집 대상 건물은 연면적 21,491 ㎡의 연구소 건물로 비축열식, 수직밀폐형 방식의 지열시스템이 설치된 건물로 지열 천공개수는 70개이며, 냉방용량 105.632 kW 히트펌프 7대가 설치되어 있으며, 2014년 1월부터 지열 히트펌프를 운전하고 있는 건물이다. 수집 항목은 지열 측, 냉온수 측 입‧출구 온도, 시스템 운전시간, 전력량, 유량, 외기온 등 이다. Figure 1은 1월과 8월의 지열 히트펌프 시스템 입‧출구 온도 및 외기온도이다. 지열 측 입구 온도를 활용해 지열 시스템의 운전효율 산정이 가능하며, 효율 및 운전시간 등을 활용하여 운전비 분석 시 요구되는 에너지 소비량의 산정이 가능하다.

Figure 1.

Operating data of Supply and Return temperature in Geothermal Heat Pump System

Table 1은 냉난방 기간의 월별 지열 입구 측 온도를 분석한 내용으로 난방 운전 시 최저 6.81℃에서 최고 25.8℃의 온도를 나타내며 냉방 운전 시 23.77℃에서 42.04℃ 범위 내의 온도 분포를 나타낸다. 난방 기간 중 낮은 입구온도 및 냉방 기간 중 높은 입구온도는 시스템의 운전 효율 저하에 영향을 미친다. 이에 본 논문에서는 지열 입구 측 온도 정보 및 운전 효율 관계 분석을 통해 대상 건물의 온도 변화에 따른 운전 효율 변환 분석을 실시하고자 한다.

Table 1. Entering Water Temperature

지열 입구 온도에 따른 운전효율 분석

운영 현황 분석을 통해 지열의 입구 온도의 변화를 확인 할 수 있으며 이를 통한 지열 시스템의 성능 변화를 분석하고자 한다. Figure 2는 지열 히트펌프 제작 업체 중 “B”사를 통해 수집한 여름철(25~35°C), 겨울철(5~15°C) 지열 측 입구온도 변화에 따른 성능 데이터로 온도 변화에 따른 성능을 확인 할 수 있다. 여름철 부하 측 입구 온도 40~50°C, 겨울철 부하 측 입구 온도 10~12°C 범위에서의 데이터를 수집했다. 동일한 부하 측 입구온도에서 냉방운전 시 지열 입구 측 온도가 상승함에 따라 운전효율 저하를 확인 할 수 있으며 난방운전 시 입구 측 온도가 상승함에 따라 효율이 상승 되는 것을 확인 할 수 있다.

Figure 2.

Relationship of COP and Supply Water Temperature in Geothermal Heat pump System

운영데이터를 분석을 통하여 여름철(23~40°C), 겨울철(2~23°C) 지열 입구 온도 범위를 확인하였으며, 업체가 제공하지 않는 온도 범위의 운전 효율은 업체가 제공한 자료를 통한 지열 입구 온도 변화에 따른 성능 관계에 대한 직선보간법을 이용하여 지열 히트펌프 시스템의 성능을 산정했으며 Figure 2와 같다. 또한, 운전효율 결정을 위한 2차 측 온도는 난방의 경우 50℃, 냉방의 경우 10℃를 기준으로 한다. Table 2는 지열 히트펌프 시스템의 월별 시스템 성능의 최대, 최소, 평균값을 나타낸다. 난방 운전 시는 평균 4.63로 11월이 평균 4.63으로 가장 높은 운전 효율을 나타내며 냉방 운전 시 6월에 평균 운전효율 4.09로 가장 높게 나타난다. 기존의 지열 히트펌프 시스템의 경제성 분석 시 동일한 운전 상태로 운영된다는 가정 하에 일정한 기준 운전 효율을 적용하는 반면 운영데이터를 활용하여 지열 측 입구 온도 변화에 따른 운전 효율을 적용하여 경제성 분석을 실시하는 Case를 선정한다.

Table 2. Geothermal Heat pump System performance data

Table 2와 같이 지열 히트펌프 시스템 운전 시 지열 입구 측 온도변화가 발생하며 이에 따른 성능 변화가 발생한다. 경제성 분석의 운영비 산정 시 성능 변화를 적용하여 정확도가 높은 분석이 가능하다.

경제성 분석 대상건물

대상건물 개요

본 연구를 위해 선정된 대상건물은 연면적 13,540 m²의 업무시설 건물로 건물 개요는 Table 3과 같다. 대상 건물의 최대 냉방부하는 450 USRT이며 난방부하는 953 Mcal/h이다.

Table 3. Overview of the Target Building

대상 건물 시스템 개요

경경제성 분석 대상 시스템은 도시가스를 사용하는 흡수식 냉온수기 시스템을 CASE 1, 경제성 분석 기간 동안 동일한 운전 상태로 운영된다는 가정하에 일정한 운전 상태 및 운전 효율을 적용하여 경제성 분석을 실시하는 기존의 경제성 분석 방식을 활용한 CASE 2와 운영 데이터를 기반으로 지열 입‧출구 온도 및 전력 사용량, 성능 정보를 적용하여 경제성 분석을 실시하는 CASE 3으로 선정했으며 각 CASE에 관한 내용은 Table 4와 같다. CASE 1은 최근 흡수식 냉온수기 시스템의 경우 인버터 제어로 인해 부분부하 시 효율저하 등의 문제가 크게 발생 하지 않으므로 본 연구에서는 CASE 2와 동일하게 표준상태의 효율을 기준으로 분석을 실시한다.

Table 4. Summary of CASE

Table 5는 CASE 별 시스템의 개요를 나타내며 Figure 3은 분석 케이스별 열원 시스템 계통도를 나타낸다.

Table 5. Equipment Specification

Figure 3.

Diagram of Heat Source System

지열시스템 경제성 분석

초기투자비

초기투자비의 구성항목은 장비비 및 공사비로 설정했으며 장비비는 시스템 구성기기의 제품가격이며 공사비는 자동제어공사, 배관공사로 구성했으며 지열 시스템의 경우 지중열교환기 공사 및 지중매립배관 공사를 포함한다. 장비비와 공사비는 현장 견적자료 및 한국물가정보자료를 기준으로 한다. Table 6은 CASE 별 초기투자비용을 나타낸다. CASE 2과 CASE 3의 경우 운영비 산정 방법의 차이만 고려하기 때문에 초기투자비는 동일하게 산정한다.

Table 6. Initial Investment Cost by Case [1,000 Won]

운영비

냉난방 부하 산정

시스템의 운영비 산정을 위해 에너지 소비량 산정이 필요하며 에너지 소비량 산정에는 사용 형태 및 냉난방부하 분석이 필요하다. 건물의 냉난방부하 산정 시 한국전력공사의 표준 냉방부하지수를 기준으로 월별 평균 부하율을 산정했으며 냉방기간은 6~9월, 난방기간은 11월~2월로 산정한다. 대상건물의 월별 냉난방 부하는 Table 7과 같다. 난방기간 중 11월의 경우 난방기간을 15일으로 산정하며 이외의 기간은 한 달 전체를 냉난방기간으로 산정한다.

Table 7. Monthly Load of the Target Building

에너지 비용

운영비용은 각 시스템의 에너지 소비량과 사용된 에너지의 요금을 통해 산정하였다. Table 8은 경제성 분석에 활용된 에너지원 별 요금 정보이며, CASE 1은 도시가스와 전기에너지, CASE 2,3은 전기에너지만을 사용한다. 전기요금은 한국전력에서 제공하는 전기요금표를 참고하였으며, 일반용 전력(을) 고압 A 선택Ⅱ를 활용하였다. 또한, 도시가스 요금은 보령지역의 냉방용 가스 요금을 활용하였다.

Table 8. Price of Energy Source

Table 9는 각 CASE 별 에너지 소비량을 나타내며 Figure 4는 에너지 소비량과 에너지 요금을 반영해 각 시스템의 냉난방 운전비를 산정한 결과를 나타낸다.

Table 9. Amount of Energy Used

Figure 4.

Operating Cost

투자회수기간

Table 10은 각 CASE 별 초기투자비, 냉난방 운전비 및 이를 활용한 회수기간을 산정한 결과를 나타낸다. 흡수식 냉온수기 시스템을 사용하는 CASE 1에 비해 지열 히트펌프 시스템을 활용하는 CASE 2와 3의 초기투자비용은 약 4.3배 많은 금액이 소요된다. 반면 운영비용은 CASE 1을 기준으로 CASE 2는 약40%절감되었으며 실제 운영 데이터를 활용한 CASE 3의 경우 약 29%의 에너지비용이 절감되었다. 그리고 투자 회수기간은 CASE 2와 CASE 3은 CASE 1을 기준으로 각각 26.9년, 37년이 소요되는 것을 확인하였다.

Table 10. Result of Economic Analysis [1,000 Won]

결 론

온실가스 절감에 대한 중요성이 높아지면서 관련 법규 제정 등으로 지열 히트펌프 시스템의 설치 및 사용을 유도하는 반면 시공의 어려움 및 높은 초기투자비용으로 인한 경제성 저하 등의 문제점에 의해 공공 건축물 또는 소수의 민간 건축물을 대상으로 한정되어 설치가 되고 있다. 국내에서 지열 경제성 분석은 표준 상태의 운전 효율을 기준으로 분석을 실시한다. 이는 운영을 통해 운전 상태 및 효율에 따라 에너지 소비량이 달라지기 때문에 운영 데이터를 적용 했을 때와 차이를 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 지열 시스템이 설치된 대상 건물의 운영 데이터를 활용해 흡수식 냉온수기 시스템과 기존 경제성 방법을 활용한 지열시스템과의 비교‧분석을 실시했으며 본 연구의 결과는 다음과 같다.

(1) 운영 데이터를 활용한 지열 시스템의 경제성 분석을 위해 1년간의 지열 측, 냉온수 측 온도 및 운전 시간 등의 운영 데이터 수집을 실시했다. 지열 측 입구 온도의 변화 및 이에 따른 운전 효율 분석실시 했으며 CASE 3의 운영비 산정에 이를 활용한다.

(2) 초기 투자비의 경우 흡수식 냉온수기 시스템 대비 지열 시스템이 약 4.3배 많은 금액이 소요 된다. 운영비의 경우 흡수식 냉온수기 시스템의 비용이 가장 크게 나타 났으며 냉방을 기준으로 CASE 2의 경우 약 27%, CASE 3이 약 16% 절감 되었으며 난방 운전 시 CASE 1대비 CASE 2는 53%, CASE 3은 42%의 에너지가 절감된다.

(3) 지열 시스템이 흡수식 냉온수기 시스템에 비해 초기투자비는 높으나 운영비가 적게 소요된다. 초기투자비 및 운영비를 통한 투자회수기간 분석 시 CASE 1을 기준으로 CASE 2는 초기투자비용을 회수하는데 26.9년이 걸리며 CASE 3은 37년이 걸리는 것으로 분석 된다.

본 연구를 통해 운영을 통한 지열 측 입구온도 변화 및 이에 따른 운전 효율 변화에 따라 에너지 소비량이 달라짐으로 경제성 분석 시 운영 데이터 적용 유무에 따른 분석 결과의 차이를 확인했다. 운영 시 여름철 지열 측 입구 온도의 상승 등으로 인해 지열 시스템의 효율이 저하되며 운영비용이 증가하며 회수기간이 길어지는 것을 확인했다. 지열 시스템의 효율적인 운영 등의 개선을 통해 지열 시스템의 경제성을 확보 할 수 있으며 지열 히트펌프 시스템의 보다 정확한 경제성 분석을 위해 운영 데이터 적용이 필요하다.