2.1 연구대상

본 연구에 활용된 대상 건물은 3,900 kW 용량의 지열 시스템이 설치되어 2014년부터 운전되었으며, 지중 열교환기는 건물지하에 200 m 깊이로 설치되어, 전체 건물 중 일부에 냉방 및 난방 열원을 공급하고 있다.

본 건물에 설치된 지열 시스템과 지역 냉난방 시스템의 경제성 분석을 위해, 건물 인근에 지역 냉난방 배관이 매설되어 지역 냉난방을 이용하는 조건으로 양 시스템의 경제성을 분석하였다.

Fig. 1은 지열 시스템의 개략도를 나타낸 것이다. 지열 시스템은 건물부하와 지중 열교환기 그리고 히트펌프와 배관 및 제어 시스템으로 구성되어있다.

Fig. 1 Schematic diagram of GSHP.

Fig. 2는 지역 냉난방 시스템을 정리한 것으로서, 지역 냉난방 시스템은 발전소와 달리 전기와 열을 동시에 생산하여 에너지를 효율적으로 이용하는 시스템으로, 각 지역에 위치한 건물에 온수를 공급하여 난방하고, 흡수식 냉동기를 이용하여 냉방하는 방식이다.

Fig. 2 Schematic diagram of DHC.

본 연구에서 지역 냉난방 시스템의 초기 투자비는 지열 시스템 운전을 위해 투입된 전력량 및 건물로 공급된 에너지량을 지역 냉난방으로 공급할 경우, 필요한 설치공사비와 지역 냉난방사업자에게 납부하는 공사부담금을 합산하는 것으로 산정하였다. 그리고 지열 시스템과 동일한 열량을 공급할 경우 발생하는 열요금을 에너지비용으로 분석하였으며, 기계실에 설치된 설비의 보수주기, 보수율, 교체주기를 조사하여 수선 유지비로 분석하였다.

또한 지열 시스템이 생산한 에너지량과 동일한 에너지를 건물로 공급하기 위해 투입되는 1차 에너지의 오염물질 배출량을 분석하여 환경비용으로 결정하였다.

본 연구에 이용된 공공건물의 냉난방을 위해 지열 시스템으로 공급하는 전력량과 냉난방 에너지량을 Table 1 에 정리하였다.

2.2 연구범위

지열 시스템과 지역 냉난방 시스템의 경제성 분석의 범위는 초기 설치비, 에너지 비용, 수선 유지비와 환경비용으로 구분하였으며, 지역 냉난방사업자가 집단에너지 사업허가를 받기 위한 경제성 평가 기간인 30년을 기준으로, 동 기간 동안 발생하는 각각의 항목에 대한 생애주기 비용을 분석하였다.

초기 투자비는 시스템 설치를 위해 투입되는 비용으로서, 지열 시스템은 견적금액, 지역 냉난방은 설비 승인자가 건물 연면적과 난방부하에 따른 설치비용을 산정한 금액으로 결정하였다. 그리고 지역 냉난방 시스템은 열배관부터 건물까지 배관을 인입하는데 소요되는 공사부담금(Consumer’s donation)을 초기투자비에 포함하였다.

두 시스템의 에너지비용은 전력요금에 영향을 받는 동일한 조건이므로 별도의 인상조건은 고려하지 않았다.

수선유지비는 정상가동을 위한 설비별 수선주기와 수선비율, 교체시기를 파악하여 적용하였다. 전문가 면담 결과를 토대로 수선주기를 3~10년으로 설정한 Lee et al.(6)의 선행연구를 인용하고, 유사항목을 5개로 재분류하였으며, 수선비율은 지열 시스템의 운전실적을 바탕으로 0.5~2%를 적용하였다.

지열 시스템은, 5개의 설비항목에 수선기간 3~10년, 항목별 교체주기는 15년, 20년으로 구분하여 유지비용과 교체비용을 결정하였다. 따라서 본 연구에서 지열 시스템의 수선유지비는 지중 열교환기, 히트펌프, 기계실 장비류(탱크 및 펌프류), 배관 및 제어 시스템 등 5개 항목으로 분류하고 지중 열교환기를 제외한 항목의 수선주기는 3~10년, 수선비율은 0.5~1.0%, 교체주기는 15~20년으로 설정하였다.

지역 냉난방 시스템은 지열 시스템과 유사하게 열교환기, 흡수식 냉동기, 기계실 장비류, 등 5개 항목으로 수선주기 2~10년, 수선비율 0.1~2.0%, 교체주기 20~30년으로 기계실 설비 승인 전문가의 분석결과를 기초로 이용하였다.

위의 Table 2는 지열 시스템, Table 3은 지역 냉난방 시스템의 수선유지비의 항목, 비율 및 교체주기를 정리한 것이다.

2.3 연구 방법

장기간에 걸쳐 프로젝트를 진행할 때 분석하는 생애주기 비용은 여러 가지 대안들의 상호비교를 위해 사용하는 기법으로, 국토해양부에서 발표한 입찰공사와 대안입찰공사의 생애주기비용 분석 및 평가에 관한 일반지침에 따라, 설계의 경제성검토와 객관적 검증을 목적으로 초기투자비, 에너지 비용, 사회·경제적 손실비용 등 시스템의 생애주기 동안 발생하는 모든 비용을 포함하여 분석한다.(7)

본 연구의 생애주기 비용 중에서 초기 투자비와 같은 연속하지 않는 비용은 식(1)의 현재가치 환산법을 이용하였다. 그리고 에너지 비용, 수선 유지비 및 환경비용과 같이 매년 반복적으로 발생하는 비용은 식(2)의 연등가액 현재가치 환산법을 적용하였으며, 두 계산 결과의 합계인 식(3)으로 생애주기 비용을 분석하였다.

여기서, PW는 현재가치 환산계수, i는 할인율, n은 생애분석 기간 그리고 F는 발생 비용이다.

여기서, PWA는 연등가액 현재가치 환산계수, A는 매년 발생하는 연간비용이다.

이때 할인율은 시간 흐름에 따른 비용의 가치변화를 나타내는 비율로서 기획재정부 산하 산업개발연구원에서 시행하는 예비타당성 조사를 위한 일반지침(8)에 의거 실질 사회적 할인율 5.5%를 적용하였다.

3.1 초기 투자비

지열 시스템과 지역 냉난방 시스템의 초기 투자비를 분석하면, 지열 시스템은 지중 열교환기 설치에 전체 공사비의 50%를 소요함으로서, 일반 신재생에너지 중에서도 초기 투자비가 많이 투입된다.

지역 냉난방 시스템의 경우, 사용자가 부담하는 공사비 부담금이 있는데, 이는 별도 열원을 설치하지 않고, 지역냉난방 열배관을 건물로 인입할 때, 소요되는 비용의 일부를 사용자가 부담하는 비용이다.

Table 4는 각 시스템별 초기 투자비를 정리한 것으로서, 지열 시스템이 지역 냉난방 시스템 대비 360% 큰 것으로 분석되었다.

3.2 에너지 비용

양 시스템의 에너지 비용은 Table 1 의 공공건물 월간 지열 히트펌프 가동시 투입된 전력사용량을 기준으로 산정하였다. 그러나 동 공공건물의 전력요금은 지열 히트펌프 사용에 대한 전력요금을 별도로 구분하여 부과하지 않고 있어, 전력요금 계산은 일반용 고압 A 선택 1 기준으로 월별 계산하여 적용하였다.

지역 냉난방은 히트펌프를 통해 생산된 에너지량을 기준으로 동일한 냉난방 에너지량을 집단에너지 방식으로 공급하였을 경우, 한국지역난방공사의 열요금 산정기준(원/Gcal)인 난방시 94,680원, 냉방시 29,890원을 적용하였다.

이를 통해 분석된 연간 에너지 비용과 30년간 분석된 에너지비용의 현재가치는 Table 5 에 정리하였다. 연간 소요되는 에너지 비용은 지역 냉난방이 지열 시스템에 비해 약 24% 저렴하다.

Fig. 3은 시스템별 연간 에너지 비용을 기본요금과 사용요금으로 정리한 것이다. 지열 시스템은 4~5월, 10 ~11월 간절기 동안에 계산된 전력요금의 74~87%가 기본요금으로 분석된다. 반면에 지역 냉난방 사업자인 한국지역난방공사의 2014년 냉방시 난방요금 대비 70% 할인된 요금을 적용하여 하절기 냉방수요를 촉진하고자 한데 기인하여, 난방부문에서는 지역냉난방 시스템의 요금이 비교적 높은 것으로 분석되나, 냉방시 할인요금을 적용함에 따라, 연간 에너지비용에서는 저렴한 것으로 분석된다.

Fig. 3 Basic rate and usage charge of GSHP&DHC.

3.3 수선 유지 및 교체비용

양 시스템의 수선 유지 및 교체비용은 초기에 설치된 설비들의 수명주기 동안 Table 2 와 Table 3 의 보수기간에 맞춰 각각의 비율로 유지관리 하며, 교체시기에 도달할 경우, 각 요소는 전량 교체하는 것으로 분석하였다.

30년간 분석 결과는 Table 6에 정리하였다. 지열 시스템의 경우, 지중 열교환기 설치비용이 전체 비용의 50%를 차지하므로, 나머지 부분에 수선 유지비가 사용된다.

지역 냉난방은 주배관의 열을 받아 냉방열원을 생산하는 흡수식 냉동기를 이용함으로서 냉방설비는 격년 점검이 요구된다.

수선 유지 및 교체비용 분석결과 30년 이상 시장에 공급되어온 지역 냉난방 부문의 수선유지비가 지열 시스템에 비해 약 37%로 적은 수준을 유지하고 있음을 알 수 있다.

3.4 환경비용

지열 시스템의 환경비용은 히트펌프와 순환펌프 등의 장비에 투입되는 전력을 발전소에서 생산할 때, 소요되는 화석연료(LNG)의 소비량을 계산하였다. 그리고 사용 연료에 따른 대기오염 물질별 배출계수와 방지시설 효율을 적용하여 오염물질량을 분석하였다.

지역 냉난방 시스템의 환경비용은 히트펌프를 통해 생산된 냉난방 에너지량을 집단 에너지 시설에서 생산할 경우, 소요되는 화석연료 소비량과 그에 따른 오염물질 배출결과를 계산하였다.

이를 토대로 각각 시스템의 연료 사용량에 따른 대기오염물질 배출량과 대기환경 보전법 시행령의 초기부담금 산정기준을 적용한 결과를 Table 7에 정리하였다. 지열 시스템은 지역 냉난방 시스템 대비 46.5%, 적은 수준으로 분석되었으며, Table 7에 분석 결과를 정리하였다.

3.5 생애주기 비용 분석 결과

초기 투자비, 에너지 비용, 수선 유지비, 환경비용 등 4개 주요 비교지표를 이용하여 대체재 관점에 있는 지열 시스템과 지역 냉난방 시스템의 수명주기비용 분석결과를 Table 8에 정리하였다.

초기 투자비는 지역 냉난방 시스템이 지열 시스템의 28% 수준이고, 에너지 비용은 지역 냉난방 시스템의 냉방시 요금 할인으로 인해 지열 시스템 대비 약 24% 적은 수준으로 분석되었다. 또한 수선 유지비도 지역 냉난방 시스템이 지열 시스템 대비 37% 수준임을 알 수 있다.

시스템별 화석연료 사용량에 따라 계산된 환경비용은 지열 시스템이 지역 냉난방 시스템 대비 약 46% 수준으로 분석되었으나 생애주기비용에서는 미미한 수준의 양으로 확인되었다.

30년간 생애주기 비용 분석결과, 지열 시스템은 8,447백만 원, 지역 냉난방 시스템은 3,793백만 원이 소요된다. 따라서, 지역 냉난방 시스템이 지열 시스템 대비 45% 수준으로 경제성이 우수한 것으로 분석되었다.

Fig. 4는 지열 시스템과 지역 냉난방 시스템의 항목별 생애주기비용과 점유율을 분석한 결과다.

Fig. 4 Life cycle cost of GSHP and DHC.

지열 시스템의 초기 투자비는 전체 비용의 55.8%로 가장 많은 부분을 차지하고 있으며, 에너지 비용은 33.2%로 초기 투자비 대비 약 40% 적은 수준을 나타내고 있다.

지역 냉난방 시스템은 전체 비용 중에서 에너지비용이 56.6%로 가장 큰 부분을 차지하고 있으며, 초기 설치비의 165%로 비교적 많이 소요되고 있음을 알 수 있다.