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.

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.

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.

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.

2.3.1 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.

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.

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.

Fig. 6 Monthly heat production unit price with 13 selective districts supplied by KDHC in 2014.