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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 고려대학교 기계공학부 박사수료생 (PhD Candidate, School of Mechanical Engineering, Korea University, 45 Anam-ro, 0284, Korea)
  2. 한국지역난방기술(주) 수석 (Principal Research Engineer, Korea District Heating Engineering Co., Ltd. 135 Beobwon-ro, 05836, Korea)
  3. 한국과학기술연구원 선임연구원 (Research Engineer, Center for Urban Energy Research, Korea Institute of Science and Technology, 14 Hwarang-ro 5, 02792, Korea)



지열 히트펌프 시스템, 시추공식 계간축열 시스템, 히트펌프 용량, 부지면적
Geothermal Source Heat Pump System, Borehole Thermal Energy Storage System, heat pump capacity, land area occupancy

기호설명

A: 면적 [m$^{2}$]
D: 직경 [mm]
C: 성능 [kW]
COP: 성능계수 [-]
P: 전력 [kW]
T: 온도 [℃]

하첨자

HP: 히트펌프
i: 증발기 입구
o: 응축기 출구

1. 서 론

우리나라는 거의 대부분의 에너지를 수입하고 있을 정도로 에너지 자립도가 낮고 최근 탄소배출 규제로 인하여 화석연료의 사용이 제한되면서 신재생에너지에 대한 관심이 꾸준히 증가하였다. 「서울특별시 환경영향평가 조례」에 따르면 2020년부터 연면적 90,000~300,000 m$^{2}$ 이상의 민간 건축물에 대하여 예상에너지 사용량의 20%를 신재생에너지 활용 의무화 정책을 추진하고 있다. Table 1에서 세대별 지역난방 특성을 살펴보면, 기존의 화석연료로 가열하여 115℃의 순환수를 활용하는 3세대 지역난방을 대체하여 잔열 및 신재생에너지를 히트펌프를 통해 60 ℃의 저온 순환수를 간접적으로 난방에 이용하는 4세대 지역난방에 관한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 캐나다 오코톡스의 Drake Landing Solar Community(DLSC)에서는 10년간의 운용을 통해 52가구에 저온순환수를 통한 안정적인 열공급 및 90% 화석연료를 감축한 사례(1)가 있고, 태양열을 이용한 계간축열 시스템의 효율을 인입위치제어를 통해 개선하고자 하는 연구도 꾸준히 진행 중이다.(2) 국내에서는 해외의 다양한 사례들을 기반으로 열네트워크를 이용해 서울에 4세대 지역난방을 도입하고자 하는 연구도 진행되었다.(3)

Table 1 Characteristics of district heating by generation

1$^{st}$ generation

2$^{nd}$ generation

3$^{rd}$ generation

4$^{th}$ generation

Year

1880~1930

1930~1980

1980~2020

2020~2050

Heat supply

Fossil fuel

Fossil fuel, waste

Fossil fuel, biomass, industrial waste heat

Renewable energy

Heat source

Boiler

CHP, dedicated boiler

Large CHP, dedicated boiler

Recycled heat source

Temperature

200 ℃

115~ ℃

80~115 ℃

60 ℃

Demand

Apartments and commercial buildings

Apartments and commercial buildings

Apartments and commercial buildings

Low energy buildings

Supply method

Unilateral supply

Unilateral supply

Unilateral supply

Two-way thermal trading, Smart grid

국내의 지역난방시스템은 열전도도가 높은 화강암지대로 이루어진 토양의 잠재용량 및 연중 자원상태의 변화가 안정적인 특성을 이용한 지열에너지저장기술로 화석연료의 사용을 줄이고, 열에너지의 수급불균형에 효과적으로 대처할 수 있다. 그리고 높은 인구밀도로 밀집형 주거형태를 선호하고 있고 수요 대부분이 도심에 위치하고 있어서 지상공간의 활용성을 고려한 수직밀폐형 보어홀 기술이 주로 사용되는데, 본 연구에서는 서울시 2,000세대 규모의 재건축단지에 지역난방공급 대책으로 지반을 히트소스로 활용하는 기존의 방식과 히트싱크로 활용하여 난방수요와 열에너지 공급의 격차를 줄여주는 시추공식 계간축열 시스템(BTES)을 이용한 열공급 방안의 개념설계 및 비용 비교를 수행하였다.

2. 기존 및 제안방식의 개념설계 및 비용 비교

2.1 지열 히트펌프 온도-성능 관계

Qian and Wang(4)Fig. 1에서 볼 수 있듯이 5 m 간격의 보어홀 25개가 정사각형 대지에 배치된 모델에 대한 수치해석을 통하여 지중으로부터 열을 추출 및 주입하는 다양한 시나리오에 대한 장기간의 지중온도 변화를 분석하였다. 해당 연구에 따르면, 동절기에 지반으로부터 열을 추출하기만 하는 난방전용 지열 히트펌프의 경우 축열조 평균온도는 계속해서 하강함을 알 수 있다. 응축기측 열생산 온도를 60℃로 고정해 놓고 증발기측 온도를 변경시킬 때 지열 히트펌프의 성능변화를 살펴보면 난방전용 지열 히트펌프의 경우 응축기측은 부하를 담당하고, 증발기측은 열원측을 담당한다. 이때 열교환기를 통하여 각각 열량을 전달하게 되는데 히트펌프를 기준으로 증발기 입구에 순환수가 들어오는 부분을 $T_{i}$라고 하고 응축기 출구로 순환수가 나가는 부분을 $T_{o}$라 한다. 지열 히트펌프의 성능은 Fischer and Rice(5)의 최소제곱법을 이용하여 다음과 같이 표현할 수 있다.(6)

(1)
$C_{HP}=a_{0}T_{i}+a_{2}T_{i}^{2}+a_{3}T_{o}+a_{4}T_{o}^{2}+a_{5}T_{i}T_{o}$
(2)
$P_{HP}=b_{0}+b_{1}T_{i}+b_{2}T_{i}^{2}+b_{3}T_{o}+b_{4}T_{o}^{2}+b_{5}T_{i}T_{o}$
(3)
$COP_{HP}=\dfrac{C_{HP}}{P_{HP}}$

여기서 사용된 냉난방 계수는 Table 2와 같고 주어진 $T_{i}$와 $T_{o}$ 값으로부터 식(1)~식(3)을 이용하여 Table 3과 같은 지열 히트펌프의 온도-성능 관계를 얻을 수 있다. 세대수에 대한 연면적은 115 m$^{2}$(36 평)를 적용하였다. 신재생에너지 생산 의무비율은 집단에너지, 열병합발전, 수열, 에너지저장장치 등을 사용하였을 때의 기준인 14%를 적용하였고 이에 따른 신재생에너지 의무생산량과 지열히트펌프용량을 통해 초기투자비용과 부지면적 효율 그리고 부가적인 창출효과 등에 대해 고찰한다.

Fig. 1 Ground temperature gradient analysis model in effect of borehole heat energy.
../../Resources/sarek/KJACR.2022.34.4.198/fig1.png
Table 2 Heating coefficients in Fischer and Rice least-squared method

Parameter

Value

Performance

a0

8.84211747E+00

a1

1.98965318E-01

a2

9.74067703E-03

a3

-1.19019349E-02

a4

-9.07074176E-05

a5

-4.44954143E-04

Cost

b0

1.35749889E+00

b1

1.12959246E-02

b2

-2.71667504E-04

b3

-6.46662532E-03

b4

6.33832806E-04

b5

2.33300044E-04

Table 3 Temperature-performance relationship of geothermal heat pumps

$T_{i}$(℃)

$T_{o}$(℃)

Capacity

Power

COP

0

60

7.80

3.25

2.40

5

60

8.91

3.37

2.64

10

60

10.50

3.48

3.02

15

60

12.58

3.57

3.52

20

60

15.14

3.65

4.15

25

60

18.20

3.71

4.90

30

60

21.74

3.77

5.77

35

60

25.76

3.80

6.77

40

60

30.28

3.83

7.91

45

60

35.28

3.84

9.19

50

60

40.77

3.84

10.63

2.2 기존 지열 히트펌프 시스템의 개념설계

2.2.1 히트펌프의 용량 산정

2,000세대 규모의 재건축 공동주택에 대해 신․재생에너지 생산 의무비율 14%를 적용할 경우 지열 히트펌프의 설치규모는 Table 4와 같이 산정된다. 여기서 적용한 기준을 살펴보면, 세대당 연면적은 115 m$^{2}$을 적용하였고 공동주택의 단위에너지 사용량은 “서울특별시고시 제2020-112호(2020. 3. 26)”, “서울특별시 신․재생에너지 시설의 에너지 생산량 산정 지침 개정 고시”를 따라 230 kWh/m$^{2}$yr를 적용하였다. 신․재생에너지의 공동주택 내 설치규모는 “신․재생에너지 설비의 지원 등에 관한 규정(산업통상자원부 고시 제 2020-143호)”를 따라 식(4)와 같이 산정하였다. 신재생에너지원별 단위에너지 생산량과 원별 보정계수는 Table 5에서와 같이 “서울특별시고시 제2020-112호”의 수직밀폐형 지열 히트펌프 값을 적용하였다.

(4)
$신재생에너지 공급의무비율=\dfrac{신재생에너지 생산량(설치규모*단위에너지생산량*원별 보정계수)}{예상에너지 사용량(건축연면적*단위에너지사용량*지역계수)}$ [%]
Table 4 Configuration of geothermal heat pump system installation

Households

Gross floor area

Unit energy consumption

District coefficient

Estimated energy consumption

Mandatory production of renewable energy

Geothermal heat pump capacity

(㎡)

(kWh/㎡yr)

(Seoul=1)

(kWh/yr)

(kWh/yr)

(kW(USRT))

2,000

230,000

230

1

52,900,000

7,406,000

7,864(2,228)

Table 5 Unit energy production by renewable energy source and correction factor by source

Renewable energy source

Unit energy production

Correction factor

Sunlight

Stationary

1,358

kWh/kW․yr

1.56

Tracking

1,765

1.68

BIPV(normal)

923

5.48

BIPV(etc.)

173

kWh/㎡․yr

Soilar heat

Flat

596

kWh/㎡․yr

1.42

Single vacuum tube

745

1.14

Double vacuum tube

745

1.14

Pneumatic windowless

487

1.37

Pneumatic window

557

2.57

Geothermal energy

Vertical sealing

864

kWh/kW․yr

1.09

Open

864

1.00

Condensing light

Prism

132

kWh/㎡․yr

7.74

Optical duct

73

7.74

Indoor louver type

184

2.77

Fuel cell

PEMFC

7,415

kWh/kW․yr

2.84

PAFC

8,785

0.93

SOFC(less than 3kW)

9,198

8.88

SOFC(over 250kW)

10,137

0.59

Hydrothermal energy

864

kWh/kW․yr

1.12

Wood pellets

322

kWh/kg․yr

0.52

2.2.2 지중 열교환 설비

2,000세대용 지열 히트펌프의 지중 열교환 설비는 Table 6에서 확인할 수 있듯이, 다음과 같이 계획하였다. 보어홀의 직경은 150 mm이고 6 m 간격으로 150 m를 천공하고 U자관의 재질 및 관경은 HDPE 32 mm를 적용한다. Table 4의 지열 히트펌프 용량 2,228 USRT에서 수직밀폐형 보어홀의 천공당 용량인 3 USRT를 적용하면 요구되는 천공개수는 743 공인데 이때, 보어홀의 배치를 가로 27 공, 세로 27 공으로 할 때 지중 열교환기가 점유한 지중 축열공간의 체적은 가로, 세로, 깊이를 곱한 156×156×150 = 3,650,400 ㎥라고 볼 수 있다. 축열공간 토사의 단위 체적당 열용량은 토사의 종류에 따라 다르지만, 기존방식과 제안방식의 비교를 위해 Table 7에서 중간값 정도인 Heavy Damp Soil의 2,012 KJ/㎥K(0.558 kWh/㎥K)을 적용하였다.

Table 6 Geothermal heat pump for 2,000 households underground heat exchange facility

Underground heat exchanger

Scale

Unit

Remark

Households

2000

-

Borehole

Diameter

150

mm

Interval

6

m

Depth

150

m

Count

743(2,228/3)

hole

3USRT/hole

Arrangement

27 × 27

width × length

Heat storage volume

3,650,400

156 × 156 × 150

Heat capacity per heat storage volume

2,012

KJ/㎥K

Heavy Damp Soil

0.558

kWh/㎥K

Heavy Damp Soil

Table 7 Physical properties by type of representative soil(7)

Type of soil

Density

(kg/㎥)

Thermal conductivity

(kJ/hr.m.K)

Specific heat

(kJ/kg.K)

Thermal diffusivity

(㎡/day)

Volumetric heat capacity

(kJ/㎥.K)

Dense Rock

3,200

12.46

0.84

0.11

2,683

Average Rock

2,800

8.72

0.84

0.09

2,347

Heavy Saturated Soil

3,200

8.72

0.84

0.08

2,683

Heavy Damp Soil

2,100

4.67

0.96

0.06

2,012

Heavy Dry Soil

2,000

3.12

0.84

0.04

1,677

Light Damp Soil

1,600

3.12

1.05

0.04

1,677

Light Dry Soil

1,500

1.25

0.84

0.02

1,238

2.2.3 공동주택의 난방 및 급탕 에너지 사용량

공동주택 연간 단위 난방 및 급탕 에너지 소요량은 한국지역난방공사의 2001년부터 2014년까지의 경영통계 자료에서 지역난방 사용자의 단위열부하 실적 개략치인 100 kWh/m$^{2}$yr을 적용하였다. 난방면적을 연면적으로 나눈 난방면적율인 85% 적용하면 2,000세대 공동주택의 연간 난방 및 급탕 총열부하는 19,550,000 kWh/yr (100×230,000×85%)로 계산할 수 있다. 2,000세대 공동주택의 난방 및 급탕 최대열부하는 Fig. 2의 서울시 지역난방 공급단지의 전형적인 연간 열부하 패턴으로부터 7,987 kW을 도출하였다.

Fig. 2 Annual heat load trend of 2,000 household apartments.
../../Resources/sarek/KJACR.2022.34.4.198/fig2.png

2.2.4 기존방식에서의 지중온도 강하 문제

서울시내에서 재건축되는 2,000세대 규모의 ‘지역난방+지열 히트펌프’ 공동주택에 대하여 살펴본 결과, Table 4에서 연간 난방 및 급탕 수요 19,550,000 kWh 중 38%에 해당하는 신․재생에너지 의무생산량 7,406,000 kWh를 지열 히트펌프로 공급하고, 나머지 62%에 해당하는 12,144,000 kWh는 지역난방을 통해서 공급하게 됨을 알 수 있다. 지열 히트펌프를 최초로 가동할 때의 지중온도를 15℃, 그리고 지중 열교환기를 통하여 데워진 증발기 입구 물온도를 12 ℃ 정도로 가정하고, 응축기 출구에서 생산되는 물의 온도를 60 ℃로 설정하면 Table 3을 통해 COP가 3.22가 됨을 알 수 있다. 따라서 지열 히트펌프를 통해 연간 생산되는 7,406,000 kWh 값의 (COP-1)/ COP(=0.6894)배에 해당하는 5,106,000 kWh를 지반으로부터 얻게 되며, 2.2.2절에서 살펴본 바와 같이 지중의 열교환기가 점유하는 구체의 체적 3,650,400 ㎥과 토사의 단위 체적당 열용량 0.558 kWh/㎥K을 고려하면 지열 히트펌프 시스템의 1년차 가동 말기에는 약 2.5 K의 지중온도 강하가 발생함을 알 수 있다. 시스템이 가동되지 않을 때 지하수의 흐름이나 주변 지반으로부터의 열전달로 인해 지중온도가 약간은 회복되겠지만 수년간의 반복 과정을 통하여 지중온도가 결국 점차 낮아지게 된다. 한편 히트펌프의 COP는 겨울철 발전효율이 39.2%이므로 그 역수인 2.52 이상일 때 난방기기로써 의미를 가진다(8)고 할 때 COP 2.52에 해당하는 증발기 입구 물 온도는 3℃이다. 지열 히트펌프를 장기간 사용하면 수년 내에 이러한 악조건에 도달하여 더 이상 에너지 절약 기기로써의 의미를 상실할 것이다.

2.3 저가열의 지중 계간축열(BTES) 및 이용 방안 개념설계

위에서 살펴본 바와 같이 지열 히트펌프를 난방전용으로 사용할 때 장기간 운영에 따라 지중 온도가 하락하고 이에 따라 시스템의 성능이 저하될 것으로 예상되므로 하절기에 저가의 신․재생/미활용열 또는 지역난방 열을 미리 지중에 저장하였다가 동절기 난방 성수기에 사용할 경우 지열 히트펌프 시스템의 성능 향상과 경제성 제고를 꾀할 수 있을 것으로 생각된다. 그리고 위와 같이 하절기에 저가의 열에너지를 지중에 저장하였다가 동절기에 히트펌프의 열원으로 사용할 경우 높은 COP와 함께 지중열교환기 설치를 위한 천공공사비 감소, 히트펌프 설비 투자비 감소 등의 여러 가지 추가적인 장점이 있을 것으로 기대된다.

다음으로 앞에서 살펴본 지역난방을 사용하는 2,000세대 규모의 서울시 재건축단지에 대해 신․재생에너지로서 단순히 지열 히트펌프를 추가하여 운영하는 경우와 하절기에 신․재생/미활용에너지 또는 지역난방 열을 지중에 저장(BTES) 하였다가 동절기에 히트펌프의 열원으로 사용하는 경우에 대해 다양한 관점에서 비교 검토하고자 한다. 두 설비의 차이를 Fig. 3에 나타내었다.

Fig. 3 Conventional and proposed heat supply system diagram.
../../Resources/sarek/KJACR.2022.34.4.198/fig3.png

2.3.1 BTES의 규모

히트펌프의 열생산량을 신재생에너지 의무생산량인 7,406,000 kWh/yr으로 잡고 히트펌프의 COP를 BTES의 축방열 온도 범위 30~70 ℃를 고려하여 증발기 입구 수온 $T_{i}$을 30℃로 보면 Table 3으로부터 COP는 5.77로 도출 할 수 있다. 연간 BTES의 추출열량은 7,406,000×(COP-1)/COP으로 계산해 보았을 때 6,122,464 kWh/yr이다. BTES에 저장할 열량은 축방열 효율을 70%(7)로 보면, 6,122,464/0.7 = 8,746,378 kWh/yr로 책정하고 BTES의 단위체적(㎥) 당 축열성능은 15~30 kWh이므로(9) 그 중간값인 22.5 kWh/㎥를 적용하여 BTES의 요구체적은 6,122,464/22.5 = 272,110 ㎥로 볼 수 있다.

직경과 높이가 거의 같은 원기둥 모양으로 BTES 체적을 가정하면 (272,110 × 4 / π)(1/3) = 70.2이므로 직경은 70 m, 높이는 71 m로 하고, 원 안에 13개의 동심원을 따라 BTES의 최대효율을 이끌어 낼 수 있는 2.5 m의 간격(10)으로 총 544공을 천공한다. 기존방식과 제안방식의 설치부지면적에 대한 비교를 Fig. 4에 나타내었다. 기존방식의 부지면적은 24,336 m$^{2}$인 것에 반해, 제안방식의 부지면적은 16% 수준인 3,848 m$^{2}$으로 나타났다.

Fig. 4 Comparison of installation scale of underground heat exchanger.
../../Resources/sarek/KJACR.2022.34.4.198/fig4.png

2.3.2 히트펌프의 용량

지역난방을 사용하는 2,000세대 규모의 서울시 재건축단지에 대해 신재생에너지로서 단순히 지열 히트펌프를 추가하여 운영하는 경우 히트펌프의 용량은 Fig. 5에 나타난 바와 같이 7,864 kW이다. 반면 BTES를 이용할 경우 1,781 kW 용량의 히트펌프로 1년 중 6개월(11, 12, 1, 2, 3, 4월)을 운전하여 신재생에너지 의무생산량 7,406,000 kWh를 달성할 수 있다. 이 경우 비운전 기간인 5~10월에는 저가의 열을 이용하여 BTES에 축열이 이루어져야 한다.

Fig. 5 Heat pump capacity comparison between conventional method and proposed method.
../../Resources/sarek/KJACR.2022.34.4.198/fig5.png

2.3.3 BTES에 저장되는 열의 생산가격 문제

하절기에 BTES에 신․재생에너지, 미활용열 또는 지역난방 열을 저장하여 동절기에 사용하고자 하면 열저장, 추출, 수송에 수반되는 비용과 장기간 저장에 따른 열손실을 고려하여 저장 시점에서 이들 열의 생산가격이 현저하게 낮을 필요가 있다. 유럽 및 북미지역에는 태양열을 이용한 지역난방(solar district heating) 시스템이 수백개소가 있으며 근래에는 화석연료를 이용하는 지역난방 방식에 비해 경제적이라는 평가도 나오고 있다. 이 중 일부는 하절기에 집열한 태양열을 계절간 축열하여 동절기에 사용하는 방식으로 운영하는데 Table 8은 그 대표적인 예이다. 한편 국내 지역난방의 경우 하절기의 열생산 단가가 동절기에 비해 낮은 경향을 보인다. Fig. 6은 한국지역난방공사의 열공급지역 13개소에 대한 2014년도의 계절별 열생산 단가를 그래프로 나타낸 것이다. 그래프에서 보듯이 일반적으로 모든 지역과 점선으로 표현된 전체 지역평균에서 동절기와 하절기간의 열생산 단가에 큰 차이가 있는데, 그 이유는 첫째, 동절기에 열병합발전설비(CHP) 생산열만으로 공급이 부족할 경우 열생산 단가가 높은 첨두부하보일러(PLB)가 가동되며, 둘째, 하절기에는 쓰레기 소각장 등에서 발생하는 값싼 폐열의 공급 비중이 높아지기 때문이다. 수도권 지역의 경우에는 하절기에 연계배관망을 통하여 인근의 저렴한 열을 생산하는 열원으로부터 잉여열을 최대한 수열하여 열생산 단가를 낮출 수 있는 이점이 있다.

Table 8 Examples of solar STES district heating systems in Europe and Canada

Location

Country

Heating area(㎡)

STES volumetric area(㎥)

Friedrichshafen

Germany

5,600

12,000 TTES

Hamburg

Germany

3,000

4,500 TTES

Munich

Germany

2,900

5,700 TTES

Hanover

Germany

1,350

2,750 TTES

Crailsheim

Germany

7,464

37,500 BTES

Drake Landing

Canada

2,164

34,000 BTES

Braedstrup

Denmark

18,612

5,500 TTES 19,000 BTES

Marstal

Denmark

17,943

13,500 PTES 2,100 TTES

Fig. 6 Monthly heat production unit price with 13 selective districts supplied by KDHC in 2014.
../../Resources/sarek/KJACR.2022.34.4.198/fig6.png

2.4 기존방식과 제안방식의 비용 비교

지역난방을 사용하는 2,000세대 규모의 서울시 재건축단지를 대상으로 신․재생에너지로서 단순히 지열 히트펌프를 설치하여 운영하는 경우와 하절기에 저가의 열을 지중에 저장(BTES) 하였다가 동절기에 히트펌프의 열원으로 사용하는 두 가지 경우에 대하여 운영기간 30년을 기준으로 비용을 산정하여 그 결과를 Table 9에 정리하였다.

Table 9 Comparison of investment and operating costs

Conventional GHP

Proposed BTES + HP

Remark

Criteria

Cost(millon)

Criteria

Cost(millon)

Investment

Heat pump

Heating capacity 7,864kW

4,456

Heating capacity 1,781kW

1,009

Early

Ground heat exchanger

Hole length 109,350m

4,374

Hole length 38,624m

1,545

Early

Reinvestment

-

1,337

-

303

16$^{th}$ year

Annual cost

Compressor

2,300MWh

230.0

1,284MWh

128.4

Annual

Heat storage

-

-

Heat storage 8,746MWh

262.4

Annual

Maintenance

Heat pump

178.2

Heat pump

40.4

Annual

Cumulative cost over 30 years

-

22,413

-

17,101

히트펌프 투자비와 지중 열교환기 설치비는 각각 2 백만원/USRT(3.53 kW) 4만원/천공길이(m)를 적용하였고 16년차에 히트펌프 투자비의 30% 재투자를 적용한다. 히트펌프에 공급되는 열원의 온도에 따라 COP는 기존방식의 경우 Table 2에서 $T_{i}=12^{\circ}{C},\: T_{o}=60^{\circ}{C}$일 때인 3.22로 책정하고 제안방식의 의 경우 $T_{i}=30^{\circ}{C},\: T_{o}=60^{\circ}{C}$일 때인 5.77로 책정하였다. 압축기 가동에 필요한 전력량은 히트펌프의 열생산량/COP을 통해 계산할 수 있고 그 결과는 각각 기존방식은 2,300 MWh(7,406 MWh/3.22) 그리고 제안방식은 1,284 MWh(7,406 MWh/5.77)로 볼 수 있다. 전력비 단가, 축열용 신․재생/미활용열 단가 그리고 히트펌프 유지보수비를 각각 100 원/kWh, 35,000 원/MWh(40,700 원/Gcal), 0.08 백만원/USRT(3.53 kW)를 적용하여 30년 누적 비용소요는 기존방식에서 224억, 제안방식에서 171억으로 약 24% 가량 감소하였다.

3. BTES에 대한 지하수의 영향 및 차수대책

이와 같이 ‘BTES+히트펌프’를 이용한 열공급에서 기대되는 여러 가지 장점에도 불구하고 BTES의 설치장소에는 수문지질학적 제약조건이 따르는데 그것은 지하수가 흐르지 않거나, 흐를 경우에도 낮은 동수구배와 투수계수로 인해 그 흐름이 적어야 한다는 것이다. 따라서 이러한 조건이 충족되지 못할 경우 지하수의 흐름을 효과적으로 차단시킬 수 있는 대책을 세워야 한다.

4. 결론 및 기대효과

이상으로 지역난방을 사용하는 2,000세대 규모의 서울시 재건축단지를 대상으로 신․재생에너지 의무생산량을 단순히 기존방식의 지열 히트펌프로 공급하는 기존방식과, 하절기에 저가의 신․재생/미활용에너지나 지역난방 열을 지중에 저장하였다가 동절기에 히트펌프의 열원으로 사용하여 열을 공급하는 제안방식에 대하여 비교 검토한 결과 제안방식을 채택할 경우 다음과 같은 이점을 기대해 볼 수 있다.

1) 지반 천공 작업량이 35% 수준(38,624 m/109,350 m)으로 감소하고 히트펌프 용량이 25% 이하(1,781 kW/7,864 kW)로 감소하므로 투자비를 크게 절감할 수 있다.

2) 지중 열교환기 설치를 위한 부지면적을 16% 이하로 줄일 수 있다.

3) 기존 지열 히트펌프의 장기간 사용으로 인한 지중온도 감소 및 COP 저하 문제를 해결할 수 있다.

4) 기존방식에서는 통상 공급수 온도가 55℃ 이하로 생산되므로 급탕공급에 문제점이 발생할 수 있지만, 제안방식의 히트펌프는 60℃의 안정적인 온수 생산이 가능하다.

5) 하절기의 저가 지역난방열을 이용할 경우 열원의 열생산 설비를 늘리지 않고도 지역난방 수요를 해결할 수 있고 30년 누적 비용소요를 약 24% 가량 감축할 수 있다.

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