3.1 운영비용

분석기간은 난방공급기간인 2021년 10월 1일부터 2022년 3월 31로, 온실로 공급된 총 난방열량($Q_{GH}$)을 기준으로 실증단지에 적용된 열원설비 대비 타 열원설비 사용하였을 경우의 운영비용 및 온실가스 절감효과를 비교하여 분석하였다. 타 열원설비의 성능에 대한 제원은 기름보일러(등유)의 경우 연료발열량⁽¹¹⁾($HV_{OB}$)은 9.5 kWh/L(8,200 kcal/L), 기름보일러 설비효율($\eta_{OB}$)은 85%, 전기보일러의 경우 설비효율($\eta_{EB}$)은 95%를 적용하였다.

기름보일러의 운영비용의 경우 한국석유공사 오피넷의 경기지역 평균 면세유(실내등유) 및 실내등유 가격⁽¹²⁾을 참고하였다. 농업용 난방기의 경우 면세유가 적용되지만, 고유가 및 유류세 변동 등을 고려하여 실내등유를 사용할 경우에 대해서도 분석을 진행하였다. 면세유의 월별 단가는 2021년 10월부터 868.54 원/L, 949.95 원/L, 957.94 원/L, 950.83 원/L, 1,012.12 원/L, 1,140.99 원/L를 적용하였다. 또한, 월별 실내등유 평균 가격은 2021년 10월부터 1022.82 원/L, 1111.89 원/L, 1117.51 원/L, 1125.95 원/L, 1196.73 원/L, 1366.01 원/L를 적용하였다. 전기보일러 및 실증단지의 운영비용은 한국전력공사 전기요금⁽¹³⁾을 참고하였으며, 농업용 전력(을) 고압요금제를 적용하여 기본요금 1,210 원/kW, 전력량요금 봄/가을철 34.9 원/kWh, 겨울철 36.9 원/kWh을 적용하였다.

하지만, 농업용 전기요금도 최대부하 1,000 kW초과시 산업용 요금제를 적용받게 된다. 본 실증설비의 설비용량산정 시 최대 전기부하가 1,000 kW 이상이 되었으며, 본 연구에서는 산업용 요금제를 사용할 경우에 대해서도 분석을 진행하였다.

실증단지의 경우 열설비의 최대수요전력은 145 kW로 측정되었으며, 여유율 10%를 고려하여 계약전력을 159 kW로 선정하였다. 실증단지에 전기보일러를 적용하였을 경우에는 실증단지의 최대열부하에 전기보일러 열효율 0.85, 여유율 10%를 고려하여 계약전력을 691 kW 로 산정하였다.

계산된 계약전력을 기준으로 실증단지의 산업용 요금제는 ‘산업용 전력갑2 고압A 선택2’요금제로, 전기보일러를 적용하였을 경우에는 ‘산업용 전력을 고압A 선택2’로 선정하였다.

운영비용은 에너지소비량 계산식에 의해 산출된 각 열설비별 에너지소비량에 각 에너지원의 판매단가를 곱하여 계산되었다. 등유의 연료소비량($V_{OB}$) 및 전기보일러의 전기에너지소비량($P_{EB}$) 계산식은 각각 식(1), 식(2)와 같다.

3.2 온실가스배출량

온실가스배출량($GHG_{e}$)은 각 열설비별 에너지소비량에 각 에너지원에 해당하는 온실가스 배출계수와 지구온난화지수를 곱하여 계산하였다. 등유에 대한 온실가스 배출계수⁽¹⁴⁾는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 등에 대한 배출계수를 고려하였다. 기타등유의 경우 112 tCO2eq./TJ, 0.3 tCO2eq./TJ, 0.004 tCO2eq./TJ를 적용하였으며, 지구온난화지수는 이산화탄소, 메탄, 아산화질소 순서대로 1, 21, 310을 적용하였다. 이를 바탕으로 계산된 등유 보일러의 온실가스배출계수($EF_{OB}$)는 72.30 tCO2eq./TJ 로 산정되었다. 전력부문 온실가스배출계수($EF_{EB}$)⁽¹⁵⁾는 0.45941 tCO2eq./MWh으로 적용하여 온실가스배출량을 산출하였으며, 온실가스배출량 계산식은 식(3)과 식(4)와 같다.

3.3 1차에너지소비량

1차에너지소비량($PE$)은 각 열설비별 에너지소비량에 각 에너지원에 해당하는 발열량을 곱하여 석유환산톤 으로 나누어 계산하였다. 이에 등유보일러의 1차에너지소비량은 등유의 연료소비량($V_{OB}$)에 따른 총 발열량 값과 같으며. 전력의 경우 소비전력량에 전력(발전기준) 에너지 열량 환산계수⁽¹¹⁾($PEF_{EB}$) 0.213 toe/MWh를 적용하여 계산하였다. 1차에너지소비량 계산식은 식(5)와 식(6)과 같다.

4.1 실증 운전 결과분석

분석 대상기간의 실증단지의 일별 외기온도 및 일사량 그래프는 Fig. 4와 같으며, 실증단지의 평균외기온도는 3.4℃로 전국 평균 외기온⁽¹⁶⁾ 5.3℃보다 낮게 측정되었다. 월별 총 일사량의 경우 2022년 3월달 95.1 kWh/㎡로 가장 높았으며, 2021년 12월 59.9 kWh/㎡로 가장 낮게 측정되었다. Fig. 5는 TTES의 입/출입 열량과 내부평균 온도를 나타낸 그래프로, 내부평균온도는 2021년 10월 1일 65.4℃로 시작하여 2021년 10월 22일 46.5℃로, 축열된 대부분의 열이 10월 한 달 동안 전부 난방열로 직접공급 되었으며, 이후에는 히트펌프의 증발열원으로 공급되어, 2022년 2월 23일 9.3℃로 축열조의 온도가 가장 낮게 측정되었다. Fig. 6은 실증단지 열설비에서 부하측으로 공급된 열량을 일별로 나타낸 그래프이다. 2021년 10월 말까지는 TTES에서 주로 열이 공급되었으며, 이후로는 BTES 잔열을 이용한 히트펌프 및 지열원 히트펌프로 열이 공급되었다. 또한, BTES의 열이 소진된 2022년 1월 말부터는 TTES의 잔열을 이용한 히트펌프가 운전되었으며, 부하량이 많은 2021년 12월 말과 2022년 1월 초까지는 복합열원 히트펌프가 공기식으로 운전되었다.

Fig. 4 Daily solar irradiation and ambient temperature.

Fig. 5 Daily heat value and average temperature of the TTES.

Fig. 6 Daily heat value for the test site.

분석 대상기간의 월간 실증운전결과는 Table 2와 같다. 간접 태양열 열공급은 계간축열조 또는 BTES에 축열된 열이 난방공급이 불가능할 때 히트펌프의 증발열원으로 사용된 경우의 열공급량을 의미하며, 전체 열공급량 중 38.4% 가 태양열원을 이용해서 열이 공급되었다. 계간축열조, BTES의 축열시점 및 태양열시스템 시운전 등으로 인해 태양열 분담률이 다소 낮게 측정되었다. 히트펌프 자체 COP의 경우 신재생열원을 활용한 히트펌프는 3.05, 공기열원 히트펌프는 1.01로 측정되었으며, 히트펌프의 소비전력과 열원순환펌프 소비전력이 고려된 히트펌프의 시스템 COP는 2.28로 계산되었다. 또한, 태양열집열기로부터 직접 공급량과 이를 위한 순환펌프의 동력을 고려한 전체 시스템의 COP는 2.40으로 측정되었다. 실증단지 온실의 난방열은 주로 심야시간에 공급되는데, 실증단지의 겨울철 심야시간 외기온도가 매우 낮아, 복합열원 히트펌프가 공기식으로 운영 시 COP가 매우 낮게 운영되는 것을 확인할 수 있었다. 시스템이 안정화 되어 PVT 및 BTES에 운영이 시작되는 2차년도 이후 전반적인 열성능 및 태양열 분담률이 증가될 것으로 예상된다.

4.2 운영비용 및 온실가스 절감효과 분석

실증단지 내 난방기간 총 공급열량($Q_{GH}$)은 481.9 MWh로, 동일열량을 기존 열원을 통해 공급되었을 경우의 운영비용 및 온실가스발생량은 Table 3과 같다. 연구결과, 제안된 재생에너지융복합시스템의 온실가스 배출량은 기존 등유보일러와 전기보일러는 사용하는 방식에 비해, 각각 37.3%와 64.5%의 배출량 절감효과를 보이는 것으로 나타났다.

제안된 시스템의 운영비용은 제안된 시스템이 농업용 전력을 사용하고 기존 등유보일러는 면세유와 세금이 포함된 실내등유를 사용하는 것으로 분석할 경우, 각각 85.2%와 87.5%의 운영비용 절감효과를 얻을 수 있는 것으로 분석되었다. 또한, 제안된 시스템은 기존 전기보일러가 농업용과 산업용 전력을 사용하는 것으로 비교할 경우, 각각 60.8%와 83.5%의 운영비용 절감효과를 보이는 것으로 확인되었다.

1차에너지소비량 기준으로 제안된 시스템은 기존 등유보일러 및 전기보일러 대비 12.1% 및 60.3%의 절감효과를 보이는 것으로 분석되었다. 여기서 현재시스템을 제외한 기존 열원설비는 정격운전을 가정하였으며, 현재시스템은 실증운전데이터를 기반으로 분석되어 기존 설비가 다소 유리한 조건이 적용되어 연구결과가 산출되었음에도 불구하고, 제안된 시스템이 높은 경제성과 온실가스 절감효과를 보이는 것으로 확인되었다.