설계자료와 모니터링 자료 분석을 통한 지열히트펌프의 지열에너지 이용량 비교

2.1 세계 보급현황

일반적으로 지열에너지는 직접이용(direct use)과 간접이용(indirect use)으로 구분하고 있다. 열(heat)을 생산하면 직접이용, 전기(electricity)를 생산하면 간접이용으로 구분한다. 지열히트펌프를 이용하는 기술도 직접이용의 범주에 포함하고 있으나 미국 EPA의 경우처럼 지열히트펌프를 별도로 구분하는 경우도 있다¹⁵⁾.

지열의 직접이용 에너지량은 2010년기준 423,830 TJ/year로 2005년대비 55% 정도 증가했고 연평균 9.2% 증가했다. 이중 47.2%가 지열히트펌프를 통해서 공급되었고 설치용량기준으로는 68.3%를 차지한다. 히트펌프 설치용량은 33,134 MWt, 히트펌프를 통한 지열의 연간에너지이용량은 200,149 TJ/yr 이었다¹⁶⁾.

2.2 국내 보급현황

우리나라의 신재생에너지 보급정책은 제2차 에너지기본계획 및 제4차 신･재생에너지 기본계획에 따라 추진하고 있으며, 2035년 1차 에너지대비 신재생에너지 보급 11% 달성을 목표로 하고 있다. 또한 신재생에너지 열공급의무화(Renewable Heat Obligation; RHO) 제도를 도입할 계획이며 우선, 대규모 신축 건물의 열에너지 사용량에 대한 일정비율을 신재생 열에너지로 공급하는 방안을 계획하고 있다^17,18).

우리나라 지열보급통계는 지열 냉난방설비의 보급에 의한 지열 이용량을 통계로 작성하고 있다. 2013년 지열냉난방설비의 신규 설치용량은 121,465kW, 누적설치용량은 552,804kW이며, 2009년부터 2013년까지 설치용량의 연평균 증가율은 32.1%에 달하고 있다. 그러나 2013년 한 해 동안 지열에너지보급량은 86,959 toe 수준으로 아직까지는 11개 신재생에너지원 중에서 0.9%에 불과한 실정이다(Table 1, Table 3). 2013년 기준 가정용, 공공시설, 교육시설 및 농어축산시설의 경우 전체 보급설비용량의 83.9%를 차지하고 있고, 가정용설비의 증가로 35kW 이하 소형설비와 설치의무화 사업을 통한 공공시설과 농어축산시설의 지원정책에 따라 700kW 이상 대형설비의 보급이 많이 증가한 것으로 나타났다(Table 2).

Table 2.

Capacity distribution of the newly installed GSHP system (2009~2013) in Korea19)

Table 3.

Distribution of the newly installed GSHP system according to its utilization type (2009~2013) in Korea19)

3.1 지열 통계 작성 방법

일반적으로 지열의 직접이용 설비는 소규모 이용시설로서 정확한 사용량 집계가 어렵고 열에너지 사용량 산출방법에 있어서도 나라마다 차이가 있어 정확한 사용량 집계가 어렵다¹⁾. 전세계적으로 지열 직접이용의 통계는 WGC에서 집계하는 방식을 많이 사용하고 있다. WGC에서는 난방모드의 활용으로만 지열 이용량을 집계하고 있고, 냉방모드에서는 단지 화석에너지를 절약함으로써 파생되는 CO₂의 절감효과만을 산출하고 있다¹⁾.

우리나라에서는 지열의 보급량 산정시 냉･난방을 동시에 고려하고 있고 냉방용으로 0.174toe/RT(부하율 60%), 난방용으로 0.444toe/RT(부하율 70%)를 적용하고 있다(1RT=3.5kW). 또한 난방 가동시간은 150일/연 * 14시간/일, 냉방 가동시간은 120일/연*8시간/일을 가정하여 통계를 산출하고 있다¹⁹⁾.

그러나 건물의 용도나 특성에 따라서 냉난방 부하 특성이 많이 달라진다는 것을 고려할 때⁵⁾, 냉방과 난방의 부하율을 일률적으로 적용한다는 것은 많은 오차를 유발할 수 있다. 따라서 유량 및 온도 모니터링 장치가 부착된 시설의 실제 열에너지 추출(난방시) 및 방출(냉방시)량을 집계하여 건물용도별 가동율(CF; capacity factor)의 개념을 적용할 필요가 있다¹⁾. 하나의 좋은 예로, 유럽에서는 재생가능 에너지 활용촉진에 관한 유럽 의회 및 위원회의 훈령³⁾을 통해 각 회원국의 재생가능한 에너지량 산정에 대한 방법을 명확하게 제시하고 있고, 히트펌프를 이용하여 냉난방 에너지를 공급하는 경우에는 식 (1)과 같이 계산토록 하고 있다³⁾.

SPF는 히트펌프의 평균 계간성능계수로, SPF>1.15*1/η인 히트펌프인 경우에만 재생가능한 에너지량으로 인정하고 있다. 지열히트펌프 시스템을 통한 냉난방에너지는 국내 인증제품 기준으로 볼 때 모두 재생가능한 에너지량으로 산정할 수 있다. η는 전력시스템효율로 0.455를 적용한다²⁰⁾. Q_usuable은 식 (2)와 같이 히트펌프의 정격용량(P_rated)과 연간가동등가시간(H_HP)으로 구하며, 연간가동등가시간(H_HP)은 정격용량으로 가동된다고 가정할 때의 연간 총 가동시간을 의미한다. 정격용량(P_rated)은 표준정격조건에서 히트펌프의 냉방 또는 난방 용량을 의미한다.

Fig. 1은 난방 시스템 경계를 모식도로 보여주는데, 지열에너지의 관점에서 히트펌프의 시스템경계는 SPF_H2와 SPF_H1이며, 식 (1)은 식 (3)과 같은 의미이다.

Fig. 1.

An example of system boundaries for GSHP system20)

여기서 E_{S_fan/pump}와 E_{HW_hp}는 각각 순환펌프와 히트펌프 구동에 필요한 에너지로 지열에너지 보급량은 냉난방 공급에너지에서 히트펌프와 순환펌프 구동에 필요한 에너지를 제외한 에너지를 의미한다. 또한 지역별 기후조건에 따라 연간 난방가동등가시간과 SPF의 기본값을 제시하고 있다(Table 4).

Table 4.

HHP and SPF values recommended by EU based on the climate (heating only)20)

3.2 지열이용검토서에 나타난 냉난방 부하특성 분석

우리나라를 포함하여 전세계적으로 수직밀폐형 설비가 주로 적용되고 있으며¹⁰⁾, 정부의 보급사업에 참여하는 경우 신재생에너지센터를 통해 지열이용검토서 승인을 받도록 하고 있다. 지열시스템 설계에는 GLD 등 전문 설계프로그램을 이용하고 있고¹³⁾, 건물 설계시의 냉난방부하를 입력자료로 활용하고 있다. 냉난방부하와 지중의 열 특성을기반으로 하여 설계하는 지열히트펌프 시스템은 실제 건물의 냉난방 피크부하와 월간 냉난방 부하에 따라 설계용량이 달라진다. 이때 설비의 이용율이 저조할 경우 또는 피크부하가 상대적으로 큰 경우 설비를 통한 에너지 생산량 및 절감량 또한 저조할 수 있다. 즉, 건물의 용도에 따라 냉난방부하 패턴이 달라지므로 건물의 용도에 따라서 생산량 및 절감량이 달라질 수 있고 건물의 냉난방 외에 시설원예에 사용될 경우에도 에너지 생산량은 달라질 수 있다. 그러나 국내외적으로 지열을 통한 에너지생산량 추정통계가 모두 다르고 국가마다 기준이 다르므로 통일된 기준에 따라 지열생산량을 추정할 필요가 있다.

지열이용검토서를 분석하여 건물용도별 냉난방 부하패턴을 분류하고 각각의 건물용도에 따른 냉난방 부하패턴의 차이를 살펴보았다. 건물용도에 따라 지열히트펌프를 이용했을 때 연간 에너지 생산량의 통계값이 어떻게 달라지는지를 분석해 보았다. 분석대상은 2008년부터 2013년까지의 지열이용검토서로서 총 930건에 달하며 대부분이 설치의무화 사업에 해당한다(96%, 930건 중 896건)(Table 5).

Table 5.

Capacity and subsidy program distribution of 930 cases analyzed in this study (based on the Geothermal Utilization Reports submitted to KEMCO)

3.3 지열 설비의 모니터링

지열이용검토서의 분석은 설계 자료에 대한 것이므로 실제의 경우를 비교하기 위해, 경남 양산의 A 대학병원에 설치된 지열시스템에 대하여 2014년 1월 24일부터 9월 14일까지 냉난방 에너지 공급량을 모니터링한 자료를 분석하였 순환수펌프 냉각수 및 지열수 펌프전력소비량(kWh)다. Table 6은 모니터링 대상 지열시스템의 개요를 정리한 것이다.

Table 6.

Overview of the building and GSHP system for analysis in this study

지열 냉난방시스템이 건물의 주열원이며 지하2층~지상8층 규모의 건물 대부분을 지열이 담당하고 있고, 냉방 피크부하 처리를 위하여 2대의 냉각탑을 결합하여 운영하고 있다. 냉각탑은 지열수 환수온도 32℃ 이상이면 1대가 가동되고 지열수 환수온도 33℃ 이상이면 2대 모두 가동된다(Fig. 2). 모니터링 측정항목은 지열수와 냉온수의 유량과 온도차, 냉각수 유량과 온도차, 히트펌프 전력소비량과 가동시간, 지열수펌프와 냉각수 펌프의 전력소비량이다(Table 7). 그림에서 Ⓣ는 온도측정, Ⓔ는 전력소비량, Ⓒ는 유량측정 지점을 나타내고 있다.

Fig. 2.

System configuration and monitoring sensor location of the analyzed system

Table 7.

Monitoring items

에너지생산량은 식 (4)와 같이 온도차(공급온도와 환수온도 차이)와 유량으로 계산하며, 하루동안의 에너지생산량을 계산하기 위해서 식 (5)를 사용하였다.

식 (4)에서 $$ {\displaystyle \stackrel{.}{m}}$$(kg/sec)은 각 측정지점에서 측정한 유량, C_p(J/kgK)는 유체의 비열, T_in과 T_out은 각각 시스템 입출구 온도를 의미한다. $$ {\displaystyle \stackrel{.}{Q}}$$(kW)는 측정값으로부터 계산한 순간 에너지부하이며, 식 (5)의 Q(kWh)는 $$ {\displaystyle \stackrel{.}{Q}}$$(kW)를 이용하여 계산한 하루 동안의 에너지생산량을 의미한다.

4.1 냉난방 설계부하 분석 결과

지열이용검토서에 나타난 건물의 용도별 최대 냉난방부하를 비교한 결과, 냉방부하가 난방부하에 비해 상당히 크게 나타나고 있다. 일부 업무시설을 비롯한 교육시설과 문화집회시설의 경우 냉방부하가 난방부하에 비하여 5배 이상 되는 경우도 확인되었다. 930건의 검토서 중 냉방부하가 난방부하에 비해 100~200% 인 경우가 704건으로 대부분이며 평균값은 156%로 나타났다(Table 8).

Table 8.

Classification of 930 buildings according to utilization type and percentage of cooling load relative to heating load

전체 930건의 지열이용검토서 중에서 145건에 대해서 건축물의 용도별 냉난방특성을 비교하여 보았다. 평균 가동율(capacity factor; 건물의 냉난방 부하량/최대생산 가능량)은 평균 12.4% 수준이며 냉방은 5.56%, 난방은 6.84%로 나타났다. 사회복지시설이 18.34%로 가동율이 가장 높고, 교육시설이 11.13%로 가장 낮게 나타났다. 대부분 난방 가동율이 높으나 창고 등 기타시설의 경우 냉방 가동율이 높다는 것을 확인할 수 있었다(Table 9).

Table 9.

Heating and cooling capacity factors of the GSHP based on the building utilization types (unit %)

지열시스템의 월간 평균가동율 또한 건물용도별로 상이하며 특히 사회복지시설의 경우 겨울철 및 여름철 이용율이 상대적으로 높게 나타나고 있음을 알 수 있었다(Table 10).

Table 10.

Monthly capacity factors of the GSHP according to the building utilization type

지열이용검토서의 연간 난방설계부하 및 냉방설계부하를 기준으로, WGC 기준 및 우리나라 통계기준에 따른 난방에너지 공급량을 비교한 결과를 Table 11에 나타내었다. 표에서 나타난 바와 같이, 우리나라 신재생에너지 통계 기준으로 계산한 난방 지열에너지공급량은 설계 기준에 비해 평균 307%, 냉방에너지공급량은 평균 138%로 매우 높은 값을 보이고 있다. 한편, WGC(CF 6.84적용)기준으로 계산한 난방 지열에너지공급량은 평균 91%로 나타났는데 이는 계산에 사용한 평균 가동율 6.84보다 가동율이 높은 시설의 수가 많기 때문이다. 이 결과로부터 우리나라의 신재생에너지보급통계에서는 실제 난방 설계부하와 비교했을 때 난방부하가 상대적으로 매우 크게 계산되고 있음을 알 수 있다.

Table 11.

Calculation methods of energy production

4.2 설비의 모니터링 결과 분석

경남 양산의 A 대학병원에 설치되어 가동중인 지열냉난방 시스템의 모니터링 자료를 분석하였다. 모니터링 기간은 2014년 1월 24일부터 9월 14일까지이며, 냉방부하가 난방부하에 비하여 상대적으로 크고 냉방 피크부하를 담당하기 위해 냉각탑이 추가로 설치되어 있다. 지열에너지 생산량 계산을 위해 시스템의 경계별, 설비별 모니터링 결과를 분석하였다.

Fig. 3에서는 외기 평균기온과 지열원측으로부터 히트펌프로 들어오는 온도(지열 EST)와 히트펌프를 통해 지중열교환기 방향으로 나가는 온도(지열 LST)를 표시하였다. 5월 13일을 기점으로 난방모드에서 냉방모드로 전환하였음을 알 수 있다. 난방모드에서 지열원측의 입출구 온도차(지열 EST - 지열 LST)는 냉방모드에 비하여 상대적으로 작고, 난방모드의 지열 EST와 지열 LST 자체가 비교적 높은 것을 알 수 있다. 이는 난방부하에 비해 상대적으로 높은 냉방부하로 인한 지온상승, 냉방부하 처리에 있어 냉각탑에 의한 영향 등 다양한 해석이 가능하다. 그러나 원인에 대한 세밀한 분석을 위해서는 장기간의 관측이 선행되어야 하는 관계로 이 논문에서는 원인 분석을 생략하였다. 대신 측정 데이터를 기준으로 다양한 에너지생산량을 계산하여 비교함으로써 측정값의 오차나 해석의 오류를 가능한 배제하려고 하였다. 즉, 지열원측의 측정값으로부터 계산한 에너지측정량(지열측정), 부하측의 측정값으로부터 계산한 에너지측정량(부하측정), 지열원측의 에너지측정량으로부터 추정한 부하측의 에너지추정량(부하추정), 부하측의 에너지측정량으로부터 추정한 지열원측의 에너지추정량(지열추정)을 계산하였다(Table 12).

Fig. 3.

Distribution of Outdoor air temperature, EST and LST

Table 12.

Comparison between measured and estimated energy consumption and production

Fig. 4는 Table 12를 이용하여 계산한 건물부하, 에너지생산량, 히트펌프전력소모량 등을 날짜별로 나타낸 그림(위)이다. 해당 기간 중에서 피크부하가 나타나고 있는 2월초와 7월말을 각각 아래쪽에 확대하여 표시하였다. 대체로 설계부하의 패턴에 따라 부하측의 에너지생산량(부하측정)과 지열측의 에너지생산량(지열측정), 히트펌프 전력소모량이 유사한 패턴을 보이는 것으로 확인되었다. 난방모드에서는 부하측정값과 이를 이용하여 계산한 지열추정값이 설계부하에 비해 높게 나타났고 지열측정값으로 추정한 부하추정값은 설계부하에 비해 낮게 나타났다. 냉방모드도 난방모드와 유사하게 설계부하를 중심으로 높거나 낮게 분포하고 있음을 알 수 있다. 설계부하에서 예측한 대로 여름철 냉방부하가 겨울철 난방부하에 비해 상당히 크게 나타나고 있다.

Fig. 4.

Distribution of designed, measured and calculated heating and cooling loads

Table 13은 건물의 설계부하, 부하측에서 측정한 에너지부하(부하측정), 지열원 측에서 측정한 에너지생산량(지열측정), 측정한 에너지생산량에서 냉각탑의 기여분을 제외한 순수한 지열에너지 계산값(순지열값) 및 부하측 측정값과 히트펌프전력으로부터 계산하여 추정한 지열에너지(지열추정)를 각각 월별로 계산하여 통계추정식으로 구한 값과 비교한 표이다. 설계부하는 통계식 기준값대비 48%로 나타났고, 부하측정값과 지열측정값은 각각 기준값 대비 59%, 36%를 보이고 있다. 냉각탑의 기여분을 제외한 순지열값이 통계식 기준값대비 23 %로 가장 낮게 나타났고 부하측정값으로부터 계산한 지열추정값은 기준값 대비 49%를 보이고 있다. 모든 비교 대상이 통계식을 통해 추정한 에너지생산량에 비해 상당히 낮게 나타나고 있음을 알 수 있다.

Table 13.

Comparisons of loads and supplies of geothermal energy through GSHP