1. 연구배경 및 목적

최근 국제사회는 국가 온실가스 감축목표(Nationally Determined Contribution, NDC)의 상향을 실시하고 있으며, 국제 에너지 기구(International Energy Agency, IEA)에서는 Net-zero 2050 시나리오를 고안하여 산업 부문별 탄소중립 전략을 발표하였다. 그 중, 건물부문의 에너지소비량은 총 산업의 약 40%에 해당하여 에너지 및 탄소배출량 저감 대책이 필요한 실정이다. 이에 따라 우리나라에서도 건물부문의 에너지 소비 및 탄소배출량을 저감할 수 있는 제로에너지빌딩(Zero Energy Building, ZEB) 보급을 적극 추진하고 있다. ZEB 달성을 위해서는 건축물의 단열 및 기밀성의 향상과 신재생에너지를 통한 에너지 공급이 필요하다.

한편, 개별 신재생에너지 시스템은 건물에 적용 시 구조적 한계점이 존재한다. 태양광 시스템 열화현상으로 인해 효율 저하가 발생하며, 지열 히트펌프 시스템은 장기간 운전 시 지중온도의 저하에 따른 열적 불균형 현상이 발생하는 등 설계된 시스템 용량에 따른 안정적인 에너지 공급에 문제가 발생할 수 있다. 반면 태양광열-지열 융복합 시스템은 태양열원의 축열을 통하여 지열 히트펌프 시스템의 장기간 난방운전으로 인한 지중온도 저하를 보완할 수 있으며, 건물에서 발생하는 최대부하를 지열원 및 태양열원을 동시에 사용하여 대응하므로 전체 시스템 용량도 감소시킬 수 있다. 또한, 제로에너지빌딩 인증제 강화, 신재생에너지설비 설치의무화 비율상향 등 건물에서 요구되는 신재생에너지 설비 용량이 증가하고 있는 가운데 건물부하에 효율적으로 대응할 수 있는 신재생에너지 융복합 시스템이 필요하다.

신재생에너지 융복합 기술 중 태양광열 모듈 및 지열 히트펌프(Ground source heat pump, GSHP)를 융합한 복합 시스템의 연구가 활발하게 진행되고 있다. Bae et al.⁽¹⁾은 소규모 단독주택의 태양광열 모듈과 지열 히트펌프를 이용한 융복합 시스템 적정 용량 산정을 목적으로 최적의 시스템 설계 방법을 개발하기 위하여 동적 시뮬레이션을 통해 시스템의 성능을 정량적으로 비교 분석하였다. 또한 시스템 성능 결과를 바탕으로 경제성 분석을 실시하여 시스템의 최적 설계 방안을 제시하였다. Park et al.⁽²⁾은 일정한 부하를 가진 건물을 대상으로 태양광열-지열(Photovoltaic Thermal-Ground Source Heat Pump, PVT-GSHP) 시스템과 보일러와 냉각기로 구성된 기존 시스템을 비교하여 경제성 분석을 수행하였다. Baek et al.⁽³⁾은 신재생에너지 융합 시스템을 적용한 소규모 주택의 지열-태양열 융합 급탕시스템의 작동특성과 에너지 분석을 실시하였다. 시뮬레이션 결과 개발된 융합 시스템만으로도 해당 건물의 냉난방 및 급탕부하에 대응할 수 있음을 확인했다. Ruoping et al.⁽⁴⁾은 동남아시아 전역에 지열 히트펌프 시스템 적용 가능성을 검토하였다. 시스템의 장기성능 분석결과, GSHP가 열대 기후 지역 내에서 배출량과 전력 소비를 줄일 수 있는 잠재력을 가지고 있음을 확인하였다. Abu-Rumman et al.⁽⁵⁾은 요르단에 위치한 건물의 전력 부족 문제의 해결 방안으로 태양광열과 지열 히트펌프를 융합한 융복합 시스템을 제안하였다. 시뮬레이션 분석 결과 융복합 시스템은 태양광열 모듈의 패널의 온도를 감소시켜 전력 생산량을 10% 가량 향상시켰으며, 기존 시스템 대비 높은 효율이 나타남을 확인하였다. Thygesen and Karlsson⁽⁶⁾은 태양열 및 태양광 모듈과 지열 히트펌프의 결합을 통해 경제성 측면에서 효율적인 용량 설계법을 제안하였다. Lee et al.⁽⁷⁾은 다중부하조건(Multiple load)에서 태양광열 모듈 및 지열 히트펌프를 적용한 융복합 시스템의 에너지 소비량과 생산량 도출을 실시하고 시스템 설치용량 변이에 따른 에너지 절감률 분석을 실시하였다.

이처럼 기존의 선행연구들에서는 태양광열-지열 시스템의 성능 분석에 대한 연구가 대부분이며 환경 영향에 대한 평가를 수행한 연구는 드물다. 국가 탄소 중립 목표 달성을 위해서는 건물 부문에서의 탄소 저감이 필수적이고 태양광열-지열 시스템과 같은 융복합 시스템의 환경 영향 평가가 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 태양광열-지열 융복합 시스템의 전생애주기 동안 발생하는 환경부하를 파악하기 위해 전과정평가 방법에 기반한 탄소배출량 산정을 실시하였다. 대상 시스템에 사용된 주요 설비기기들의 탄소배출량을 제조, 시공, 사용, 폐기의 4가지 단계로 구분하여 평가하였으며 특히, 운영단계의 탄소배출량 산정은 동적 에너지 시뮬레이션에 기반한 연간 해석을 실시하여 상세 분석을 실시하였다. 본 논문에서는 전과정평가 방법에 기반한 시스템의 탄소배출량 산출 방법과 평가 결과를 중심으로 서술하였다.

2. 연구방법

2.1 시뮬레이션 개요 및 조건

2.1.1 태양광열-지열 융복합 시스템

Fig. 1은 태양광열-지열 융복합 시스템의 개요도를 나타내며, Table 1은 전과정평가에 사용된 주요 설비기기의 사양을 나타낸다. 본 연구에서는 건물 에너지 부하와 연계한 융복합 시스템의 성능분석을 위해 동적 에너지해석 툴 TRNSYS 18을 활용하여 태양광열-지열 융복합 시스템의 모델을 구축하였다. 시스템의 부하 계산 및 용량 설계 방법은 선행연구⁽⁸⁾를 참고하였다. 본 시스템은 태양광열 모듈, 물-물 히트펌프, 수직밀폐형 지중열교환기(Ground heat exchanger, GHEX), 축열조 2개, 부하모델 등으로 구성되며 건물 용도에 적합한 냉난방 운전을 실시한다. 본 시스템에서는 태양광열 모듈에서 생산된 전기 에너지를 시스템 내에서 사용하고 열에너지는 축열조에 저장하는 것으로 가정하였다. 또한 히트펌프는 지중열원과 축열조에 저장된 태양열원 중 유리한 열원을 선택하여 냉난방운전을 실시하도록 하였다. 시스템의 운전방법은 선행연구⁽⁹⁾에서 제안된 복합 차온제어 방법을 참고하였다. 난방운전은 실내온도가 21℃ 이하 또는 부하측 축열조 내부온도가 45℃ 이상일 경우 실시되도록 설정하였으며, 냉방운전은 실내온도가 24℃ 이상이 될 때 지열 히트펌프만을 활용하여 냉방운전을 수행하도록 하였다. 히트펌프 성능곡선은 A사 카탈로그를 참고하였으며 각 기기 효율은 선행연구 자료⁽⁹⁾에 근거하여 설정하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of simulation model.

Table 1 Equipment conditions in TRNSYS18

Equipment	Parameter	Value	Equipment	Parameter	Value	Equipment	Parameter	Value
Photovoltaic -thermal module	Size	1.01 m × 1.97 m	GHEX	Borehole depth	150 m	Heat pump	Type	Water to water
	EA	10					capacity	5 RT
				Initial temperature	16℃
	PV efficiency	16%					Heating COP	4.01
				Flow rate	50 L/min
	Slope	45℃					Cooling COP	3.12

2.2 전과정평가(Life Cycle Assessment)

Fig. 2는 전과정평가 프로세스를 나타낸다. 전과정평가란 제품 또는 어떠한 시스템이 전생애주기 동안 환경에 미치는 영향을 종합적으로 평가하는 방법이다. 제품 또는 시스템의 원료획득에서부터 제작, 운전 및 폐기에 이르기까지의 전 과정에 관련된 잠재된 환경영향을 제품이나 시스템과 관련된 투입물과 산출물의 목록화 및 환경영향평가, 결과 해석 등을 통하여 파악하는 것이다. 즉, 어떤 제품이나 시스템의 전생애주기에 걸쳐 소모되고 방출되는 에너지 및 물질의 양을 정량화하여, 이들이 환경에 미치는 영향을 규명하고 이를 통하여 환경개선의 방안을 모색하고자 하는 체계적인 환경영향평가 기법이라 할 수 있다.

전과정평가는 총 4단계의 수행과정을 거친다. 목적 및 범위 정의(Goal and scope definition), 전과정목록분석(Inventory analysis), 전과정영향평가(Impact assessment), 전과정해석(Interpretation)의 단계로 구성된다. 목적 및 범위 단계에서는 전과정평가를 실행하고자 하는 목적과 대상을 정의한다. 또한 대상에 적합한 데이터 수집범위와 수집방법을 결정한다. 전과정목록분석 단계는 대상에 대한 데이터를 수집하고, 목적에 맞게 데이터를 계산하고 검증한다. 전과정영향평가 단계는 수집된 데이터를 바탕으로 대상 제품의 환경영향평가를 실시한다. 전과정해석 단계에서 영향평가 결과를 바탕으로 환경개선 방안을 수립하고 방안을 수립하였다.

본 연구에서는 이러한 전과정평가 방법을 건물의 에너지 시스템에 적용하였다. 목적 및 범위 정의 단계에서는 평가대상 시스템을 선정하였고 목록분석 단계에서는 평가에 필요한 시스템의 데이터 수집하고 환경성적 표지계수를 적용하여 각 항목별 탄소배출량을 산출하였다. 환경영향평가 단계에서는 산출된 데이터를 토대로 단계별 비교 및 정밀 분석하여 결과해석 단계에서 최종 결과 및 LCA 분석을 수행하였다.

Fig. 2 Scope of LCA process in buildings.

3. 태양광열-지열 시스템의 탄소배출량 분석

3.2 목록 분석

3.2.1 제조단계

Table 2는 제조단계에서의 탄소배출량을 나타낸다. 제조단계에서 발생하는 태양광열 모듈, 지중열교환기, 히트펌프의 탄소배출량을 산출하였다. PVT 모듈의 제작 과정 정보는 S업체의 환경제품선언(Environmental Product Declaration, EPD) 보고서를 참고하였다. PVT 모듈의 경우 자외선 차단 유리(Solar glass)의 비중이 가장 높았으며 알루미늄, 에틸렌초산비닐(Ethylene Vinyl Acetate, EVA)의 순으로 PVT 모듈의 재료에서 높은 비중을 차지했다. 각 재료의 환경성적표지계수를 적용한 결과 PVT 모듈의 제조단계에서 탄소배출량은 159.0 kgCO₂-eq으로 산출되었다. 지중열교환기는 폴리에틸렌, 에틸렌 글리콜, 시멘트, 철강 재료 순으로 높은 비율을 차지했다. 지중열교환기의 제조단계에서 탄소배출량은 968.8 kgCO₂-eq으로 산출되었다. 히트펌프의 경우 철강, 구리, 탄성중합체 순으로 재료의 비율이 높았으며 제조단계에서 탄소배출량은 422.9 kgCO₂-eq으로 산출되었다.

Table 2 Carbon emission results in production stage

Equipment	Materials	Ratio [%]	Unit [kg]	LCI DB [kgCO2-eq/unit]	Carbon emission [kgCO2-eq]
PVT module	Solar glass	73.6	150	0.78	118.5
	aluminium	7.7	11	1.95	20.7
	EVA	6.8	10	1.90	19.8
	⋮	⋮	⋮	⋮	⋮
GHEX	Polyethylene	50.6	180	2.02	364.7
	Ethylene glycol	28.7	102	4.49	458.7
	Cement	11.5	41	0.98	40.2
	Steel	9.3	33	3.18	105.2
	⋮	⋮	⋮	⋮	⋮
Heat pump	Steel	69.5	95	3.18	302.1
	Copper	16.1	22	4.57	100.5
	Elastomer	7.3	10	2.02	20.3
	⋮	⋮	⋮	⋮	⋮

3.2.2 시공단계

Table 3은 시공단계에서의 탄소배출량을 나타낸다. PVT 모듈의 경우 오피스 건물 옥상에 10 ton 크레인을 4시간 사용하여 지붕에 부착한다고 가정하였다. 10 ton 용량을 가진 크레인은 2019년도 건설기계 경비산출표⁽¹⁰⁾에 따라 시간당 5.8 L의 경유를 사용하며, 이에 따라 PVT 모듈의 시공단계에서 발생하는 탄소배출량은 총 79.9 kgCO₂-eq으로 집계되었다. 지중열교환기는 150 m 깊이로 전회전식천공기를 사용하여 총 2공 천공하는 것으로 가정하였다. 천공 시간은 이틀에 걸쳐 총 8시간 시공하였으며, 2019년도 건설기계 경비산출표⁽¹⁰⁾에 따라 천공기의 시간당 90.3 L의 경유 사용량을 고려하여 지중열교환기 시공 시 총 448 kgCO₂-eq의 탄소배출량이 산출되었다. 히트펌프는 제조공장에서 대상 건축물로 이동하는 과정만 고려하여 탄소배출량을 산출하였다. 이에 따라 히트펌프의 시공단계에서 발생하는 탄소배출량은 19.8 kgCO₂-eq으로 산출되었다.

Table 3 Carbon emission results in construction stage

Equipment	Machine	Parameter	Energy type	LCI DB [kgCO2-eq/unit]	Carbon emission [kgCO2-eq]
PVT module	Crane	10 ton	Diesel oil	2.59	60.1
	Truck	1 ton	Diesel oil	2.59	19.8
GHEX	Boring Machine	borehole diameter 1,000 mm	Diesel oil	2.59	407.5
	Excavator	6 ton	Diesel oil	2.59	20.7
	Truck	1 ton	Diesel oil	2.59	19.8
Heat pump	Truck	1 ton	Diesel oil	2.59	19.8

3.2.3 운전단계

Fig. 3은 시스템의 연간 전력 생산량 및 소비량을 나타낸다. Table 4는 운전단계에서의 탄소배출량을 나타낸다. 운전단계에서는 시스템에 사용된 순환펌프와 히트펌프의 전력 사용량 및 PVT 모듈의 전력 생산량을 고려해 탄소배출량을 산출하였다. 순환펌프는 히트펌프를 기준으로 열원 측에 공급용 2 EA, 환수용 1 EA, 부하 측에 공급용 2 EA 설치하였다. 순환펌프 및 히트펌프의 연간 전력 소비량은 4,581.1 kWh이며 PVT 모듈의 연간 전력 생산량은 2,750.7 kWh이다. 이에 따라 PVT 모듈의 전력 생산량을 감한 연간 전력 소비량은 1,830.4 kWh으로 산출되었다. 연간 전력 소비량 1,830.4 kWh에 대한 탄소배출량은 913.0 kgCO₂-eq으로 산정되었으며, PVT 모듈에서 생산된 전기 에너지를 사용할 경우 지열 시스템만 적용한 모델에 비해 운전단계의 탄소배출량은 약 60%의 절감이 가능한 것으로 확인되었다.

Table 4 Carbon emission results in operation stage

Equipment	Operation	Capacity	Energy type	EA	Unit [kWh]	Total energy [kWh]	LCI DB [kgCO2-eq/unit]	Carbon emission [kgCO2-eq]
Circulating pump	Consumption	300 W	Electricity	5	1,796.7	4,581.1	0.49	913.0
Heat pump		5 RT	Electricity	1	2,784.4
PVT module	Production	400 W	Electricity	1	2,750.7	2,750.7	0.49

3.2.4 폐기단계

Table 5는 폐기단계에서의 탄소배출량을 나타낸다. 폐기단계에는 재료의 재활용, 매립, 소각 등의 과정에서 발생하는 탄소배출량을 산출하였다. 본 연구에서는 환경성 분석 결과 환경영향이 높을 것으로 판단되는 재활용 과정만⁽¹¹⁾ 고려하여 탄소배출량 산출을 실시하였다. 또한, 재활용 비율이 높은 상위 3개의 재료들만 고려하여 환경영향평가를 수행하였다. PVT 모듈의 폐기 과정 정보는 S 업체의 환경제품선언(Environmental Product Declaration, EPD) 보고서를 참고하였다. PVT 모듈은 자외선 차단 유리, 알루미늄의 재료의 재활용 비율을 고려하여 총 탄소배출량은 123.4 kgCO₂-eq로 산출되었다. 지중열교환기 및 히트펌프의 폐기 과정 정보는 선행 연구를 참고하였다.^(12,13) 지중열교환기의 경우 재료 중 재활용 비율이 75%를 차지하는 철강만 고려하였으며 탄소배출량은 209.8 kgCO₂-eq으로 도출되었다. 히트펌프의 경우 재활용 비율을 고려하여 철강, 구리, 탄성중합체의 탄소배출량을 산출하였으며, 그 결과 294.3 kgCO₂-eq의 값이 산출되었다.

Fig. 3 Annual power use analysis.

Table 5 Carbon emission results in disposal stage

Equipment	Materials	Recycling Ratio[%]	Unit [kg]	LCI DB [kgCO2-eq/unit]	Carbon emission [kgCO2-eq]
PVT Module	Solar glass	90	130.7	0.789	103.1
	aluminium	90	10.4	1.95	20.3
GHEX	Steel	0.75	33.0	3.18	209.8
Heat Pump	Steel	0.75	95.0	3.18	226.5
	Copper	0.61	22.0	4.57	61.3
	Elastomer	0.32	10.0	2.026	6.4

3.3 환경영향평가

Fig. 4는 단계별 주요 설비기기의 탄소배출량을 나타낸다. 제조단계에서의 탄소배출량은 PVT 모듈, 지중열 교환기, 히트펌프 각각 10%, 62%, 28%의 비중을 차지하였다. 시공단계에서는 지중열교환기가 시공단계 배출량의 82%를 차지했으며, 이는 시간 당 연료 사용량이 높은 천공기의 사용으로 인한 결과로 사료된다. 운전단계에서는 각 설비기기에 연결된 순환펌프 및 히트펌프의 전력 사용량에 대한 탄소 배출량을 산출하였다. 운전단계에서 총 탄소배출량은 913.0 kgCO₂-eq으로 산출되었다. 폐기단계에서 PVT 모듈, 지중열교환기, 히트펌프의 탄소배출량의 비율은 20%, 33%, 47%로 도출되었다.

Fig. 4 Carbon emission result by stages.

4. 결 론

본 연구에서는 태양광열-지열 융복합 시스템의 탄소배출량을 분석하기 위하여 동적 에너지 해석 프로그램을 활용하여 부하 모델을 구축, 부하 특성을 파악하여 그 결과를 토대로 제조, 시공, 운전, 폐기 4가지 단계의 전과정평가를 수행하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1) 시스템의 전생애주기 동안의 이산화탄소 배출량의 비율은 제조, 시공, 운전, 폐기단계별 각각 53%, 12%, 20%, 15%로 제조단계가 가장 높은 비중을 차지하였으나, 장기 운영 시 매년 발생하는 소비전력량으로 인하여 운전단계가 약 70%로 가장 높은 비중을 나타냈다.

(2) 단일 시스템(지열)과 융복합 시스템(태양광열-지열) 비교 결과, 제조 및 시공단계에서 이산화탄소 배출량은 증가하지만 PVT에서 생산되는 전력으로 인하여 운전단계에서 약 10%의 에너지 절감 효과를 나타냈다.

향후, 다양한 신재생에너지 시스템에 대한 에너지 분석 및 탄소 배출량 산정을 실시하고 신재생 융복합 시스템의 탄소배출량 저감 효과를 분석할 예정이다. 또한 수집된 자료를 통해 건물 부분에서의 국가 탄소중립 목표 달성을 위한 기초자료를 확보하고 시스템별 생애주기의 탄소배출량 정보를 데이터베이스화 할 계획이다.