1. 연구배경 및 목적

국제 에너지 기구(International Energy Agency, IEA)에 따르면 건물 부문 탄소배출량은 에너지 관련 이산화탄소 배출량 전체의 38%를 차지하고 있으며, 이러한 원인을 건물의 에너지원을 석탄, 석유 등 탄소 함량이 많은 화석 연료를 에너지원으로 사용했기 때문으로 분석했다.⁽¹⁾ 이에 따라 세계 각국은 탄소 저감을 위해 장기저탄소발전전략(Long-term low greenhouse gas Emission Development Strategies, LEDS)과 국가온실가스감축목표(Nationally Determined Contribution, NDC)를 선언하는 등 탄소 중립을 위해 노력하고 있다.

건물 부문 탄소 배출량 저감을 위해 전과정평가방법(Life Cycle Assessment, LCA)을 통한 환경영향평가에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 진행된 선행 연구는 다음과 같다. Anand and Amor⁽²⁾는 환경적 문제가 지속적으로 대두되는 만큼 건물 LCA 연구가 증가하고 있으며 법제화가 가속화되고 있음을 주장하였다. 하지만 현재 세계적으로 표준화된 인증 시스템의 구축이 미흡하기에 표준화 작업이 중요하며, 에너지, 탄소배출량 문제뿐만 아니라 다양한 환경 문제 유발원에 대한 고려도 필요하다고 판단하였다. Beak and Kim⁽³⁾은 전과정에서 발생되는 온실가스를 정량적으로 평가하는 방법을 제안하여 신재생에너지 시스템 공급인증서 가중치 산정을 제안하였다. 각 단계별 저감량을 공급인증서 가중치에 직접 반영하는 방안을 제시하였다. Lee⁽⁴⁾은 LCA 평가를 실시하여 녹색건축인증제도 개선방안을 도출해내고자 하였다. 그 결과, 용도별 분류 중 공동주택이 타 용도와 배출량이 큰 차이가 있음을 확인하였다. 또한 국가에서 제공하는 환경성적표지계수(Life Cycle Inventory Database, LCI DB)가 아닌 특정 자재의 특성이 반영된 LCI 데이터가 적용이 친환경성능평가에 더 적합할 것이라 주장하였으며 이를 위한 구체적 가이드라인이 제작될 필요가 있다고 판단하였다. Kim et al.⁽⁵⁾은 건물 전 과정평가 프로그램인 Open LCA를 이용하여 농촌공동체에 해당되는 건축물의 환경영향 분석을 실시하였다. 지구온난화에 유발 대기배출물 중 이산화탄소가 연간 1 m³당 16 kgCO₂-eq로 가장 많이 배출되며 건물의 사용단계에서 80% 이상을 차지함을 확인하였다. Shim⁽⁶⁾은 한옥의 환경영향평가를 LCA를 평가법을 통해 실시하였다. 한옥을 기존 공동주택과 비교하였을 때 전과정 환경부하를 계산 결과 대기오염 배출량이 90% 이상 절감됨을 확인하였다. 이는 한옥의 주요 구조자재 중 저탄소 자재의 비율이 높아 한옥의 배출량 저감이 발생한 것으로 확인하였고 총 배출량은 연간 1 m³ 당 12.6 kgCO₂-eq로 산출되었다. 또한, 운영단계에서 배출량 비율이 가장 높은 기존 공동주택과 달리 한옥은 제조단계에서 가장 큰 비율을 차지함을 확인하였다. Ji et al.⁽⁷⁾은 녹색건축물 인증이 완료된 지역별 신축 초등학교 LCA 평가를 실시하여 환경영향부하를 평가하였다. 국가 LCI DB를 이용하여 서울, 부산, 대구, 광주 지역의 환경영향평가를 실시하여 지역별 비교 분석을 수행하였다. Gong et al.⁽⁸⁾은 패시브 공동주택의 환경성평가를 LCA 평가법을 통해 진행하였다.

이처럼 많은 연구들이 진행되고 있으나, 기존 선행 연구들은 건물의 환경영향평가 시스템 도입 및 평가 방안을 제안하는 방향으로 진행되고 있다. 하지만, 건물의 에너지시스템에 대한 환경영향평가를 실시한 연구는 드물다. 특히 청정 에너지원을 열원으로 사용하여 탄소 저감에 유리한 신재생에너지시스템의 환경영향평가를 실시한 연구는 거의 없다. 따라서, 본 연구에서는 신재생에너지 시스템 중 지열원 및 공기열원 시스템의 성능 분석을 동적 에너지 시뮬레이션을 통해 수행하고, 시뮬레이션 결괏값을 토대로 전과정평가법을 통해 환경영향평가 중 탄소배출량을 정량적으로 산정하였다.

2. 연구 방법

2.1 TRNSYS를 활용한 운영에너지 분석

2.1.1 시뮬레이션 개요

Fig. 1은 지열원 히트펌프 시스템(Ground Source Heat Pump system, GSHP system)과 공기열원 히트펌프 시스템(Air Source Heat Pump system, ASHP System)의 개요도를 나타내며, Table 1은 시스템 설비기기의 사양을 나타낸다. 히트펌프 성능곡선 및 각 기기 효율은 선행연구 자료 및 기존 제품 카탈로그에 근거하여 설정하였다. GSHP 시스템은 수직밀폐형 지중열교환기(Ground Heat Exchanger, GHEX), 물-물 히트펌프, 축열조(Heat Storage Tank, HST), 팬코일유닛(Fan Coil Unit, FCU) 등으로 구성되며 건물 운영 스케줄에 따라 냉난방 운전을 수행한다. 난방 운전의 경우 실내온도가 21℃ 이하이고 축열조 내부온도가 45℃ 이상일 경우 가동하도록 설정하였으며, 냉방운전은 실내온도가 26℃ 이상이고 축열조 내부온도가 15℃ 이하일 때 냉방운전을 수행하도록 하였다.

Fig. 1 Schematic diagram of simulation model.

Table 1 Component conditions in TRNSYS 18

Component	Parameter	GSHP system	ASHP system
GHEX	Borehole depth	150 m	-
	EA	2
	Flow rate	60 LPM
GSHP	Type	Water-to-water heat pump	-
	Capacity	20 kW
	Heating COP	3.4
	Cooling COP	4.2
ASHP	Type	-	Air-to-water heat pump
	Capacity		20 kW
	Heating COP		2.8
	Cooling COP		3.5
Circulating pump	Flow rate	60 LPM
	Power	0.14 kW
FCU	Capacity	22 kW
	Power	0.35 kW
HST	Volume	0.5 m3
	Set temperature	45℃

2.1.2 건물 부하 해석

Fig. 2 및 Table 2는 건물 모델 및 연간 냉난방부하를 나타낸다. 본 연구에서 지열원 및 공기열원 시스템의 성능분석을 위하여 소규모 오피스 건물을 대상으로 동적 에너지 해석 프로그램인 TRNSYS 18을 활용하여 195 m²의 면적에 대한 냉난방 부하 분석을 수행하였다. 대상 지역은 부산으로 가정하였으며, 건물 부위별 단열 조건은 에너지절약설계기준을 참고하여 설정하였다. 냉난방 실내 설정온도, 단위면적당 내부발열량 및 스케줄, 침기 및 환기 횟수는 ASHRAE 90.1 기준에 근거하여 입력하였다.

Fig. 2 Building load analysis.

Table 2 Building condition

Building type

Setpoint temperature (℃)

Thermal transmittance (W/㎡·K)

Operation time (hour)

Load density (W/㎡)

Infiltration (1/h)

Ventilation (1/h)

Location

Heat

Cool

Roof

Wall

Floor

Week

Sat

Sun

People

Light power density

Equipment power density

0.30

0.92

Busan

21

26

0.12

0.24

0.29

12

-

-

60

15

8

2.2 전과정평가를 고려한 탄소배출량 산정

2.2.1 전과정평가 개요

Fig. 3은 GSHP 시스템과 ASHP 시스템의 전과정평가에 필요한 데이터 수집 범위를 나타낸다. 전과정평가란 제품 및 시스템의 전 생애주기 동안 발생하는 환경부하물질에 따른 환경영향을 평가하는 방법으로 제조, 시공, 운영, 폐기 단계에서의 환경성영향을 정량적으로 산출하여 평가하는 기법이다. 본 연구에서는 GSHP 시스템과 ASHP 시스템을 전과정평가평가법을 적용하여 탄소배출량을 산출하였다. 제조, 시공, 운영, 폐기 단계별 산정을 실시하였다. 단계별 탄소배출량 계수는 환경성적영향평가표지(Life Cycle Inventory Database, LCI DB)에 근거하였으며 두 시스템의 단계별 탄소배출량을 산출하여 비교 분석하였다. 제조 및 폐기단계는 설비기기들의 자재 구성에 대한 데이터는 선행연구(9, 10) 및 제품 카탈로그를 참고하여 적용하였다. 시공단계는 시스템 설비기기의 운반 및 설치 과정을 포함하였다. 운반 과정은 이동 거리에 따른 트럭의 경유 사용량을 산정하여 적용하였으며, 설치 과정에서는 시스템 설치 시 사용되는 건설장비들의 연료 사용량에 따른 탄소배출량을 산출하였다. 운영 단계의 경우 시뮬레이션 결괏값 중 전력 사용량을 토대로 배출량을 산출하였다.

Fig. 3 Scope of data collection by stage for life cycle evaluation.

3. 성능분석 결과

3.1 냉난방 대표일 성능 분석

3.1.1 GSHP 시스템 냉난방 대표일 성능 분석

Fig. 4는 냉난방 대표일의 설비기기의 입출수온도 및 COP를 나타낸다. 냉난방 대표일은 기상청 데이터를 참고하여 연중 가장 외기온도가 낮고 높은 일자 기준으로 전후 일자를 포함한 3일로 설정하였다. 난방 대표일의 최대 𝑇HP,out은 50℃, 최소 𝑇HP,in은 42℃ 내외로 약 8℃간의 온도 차이가 발생하였다. 실내온도는 스케줄에 따른 실내 열원 공급으로 인해, 21℃ 내외로 제어되고 있음을 확인하였다. 난방 기간 GSHP COP는 약 3.2로 산정되었으며, GSHP 시스템의 COP는 2.9로 산정되었다. 냉방 기간의 최대 𝑇HP,in는 18℃, 𝑇HP,out은 10℃ 내외로 약 8℃ 간의 온도 차이가 발생하였다. 실내온도는 평균 26℃로 측정되었다. 냉방 기간 GSHP COP는 약 4.2로 산정되었으며, GSHP 시스템의 COP는 3.8로 산정되었다.

Fig. 4 Temperature and heat exchange rate variation of GSHP system.

3.1.2 ASHP 시스템 냉난방 대표일 성능 분석

Fig. 5는 냉난방 대표일의 설비기기의 입출수온도 및 히트펌프 효율을 나타낸다. 난방 대표일의 최대 𝑇HP,out는 52℃, 최소 𝑇HP,in은 42℃ 내외로 약 10℃ 간의 온도 차이가 발생하였다. 실내온도는 스케줄에 따른 실내 열원 공급으로 인해, 평균 21℃로 제어되고 있음을 확인하였다. 난방 기간 ASHP COP는 약 2.6로 산정되었으며, ASHP 시스템의 COP는 2.4로 산정되었다. 냉방 기간의 최대 𝑇HP,in는 18℃, 𝑇HP,out은 10℃ 내외로 약 8℃ 간의 온도 차이가 발생하였다. 실내온도는 평균 25℃로 측정되었다. 냉방 기간 ASHP COP는 약 3.3으로 산정되었으며, ASHP 시스템의 COP는 2.7로 산정되었다.

Fig. 5 Temperature and heat exchange rate variation of ASHP system.

4. 탄소배출량 산정 결과

4.2 운영주기별 탄소배출량 분석

Table 6은 1년 및 20년 운영주기별 탄소배출량을 나타낸다. Fig. 6은 GSHP 및 ASHP 시스템의 전과정단계의 세부 항목별 탄소배출량을 나타낸다. GSHP 시스템 및 ASHP 시스템의 내구연한은 20년으로 가정하였다. 1년 운영 시 GSHP 시스템의 전과정단계의 총 탄소배출량은 7,915 kgCO₂-eq이며 ASHP 시스템은 6,822 kgCO₂-eq로, GSHP 시스템이 1,093 kgCO₂-eq만큼의 높은 탄소배출량이 산정되었다. 이는 GSHP 시스템의 제조 및 시공 단계에서 높은 탄소 배출량이 나타나기 때문으로 사료된다. 20년 운영 시, GSHP 시스템이 72,648 kgCO₂-eq, ASHP 시스템은 118,181 kgCO₂-eq로 산출되어 45,533 kgCO₂-eq의 차이를 나타냈다.

Fig. 6 Specific carbon emission results of the system

Table 6 Carbon emission results in disposal stage

System	Phases	Component	Materials	Unit [kg]	LCI DB [kgCO2-eq/unit]	Carbon emission [kgCO2-eq]	Total carbon emissions [kgCO2-eq]
GSHP system	Incineration	GHEX	Polyethylene	180	3.413	614.34	879
			Cement	33	1.799	59.37
		:	:	:	:	:
ASHP system	Incineration	ASHP	Elastomere	20	1.984	39.68	70
			Copper	44	0.512	22.53
		:	:	:	:	:

Table 7 Carbon emission results

Stage	GSHP system		ASHP system
	1 year operation	20 years operation	1 year operation	20 years operation
A - Production	1,527	1,527	871	871
B - Construction	2,102	2,102	20	20
C - Operation	3,407	68,140	5,861	117,220
D - Disposal	879	879	70	70
Total	7,915	72,648	6,822	118,181

5. 결 론

본 연구에서는 지열원 및 공기열원 시스템의 성능 분석을 수행하고, 시뮬레이션 결괏값을 토대로 전 과정평가법을 통해 탄소배출량을 정량적으로 산정하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1) 난방기간 GSHP 시스템의 평균 COP는 2.9, ASHP 시스템 COP는 2.4로 산출되어 GSHP 시스템이 약 17% 더 높게 나타났다. 냉방기간 GSHP 시스템의 평균 COP는 3.8, ASHP 시스템 COP는 2.7로 산출되어 GSHP 시스템이 약 28% 더 높게 나타났다.

(2) 1년 운영 시 탄소배출량은 GSHP 시스템 7,915 kgCO₂-eq, ASHP 시스템 6,822 kgCO₂-eq으로 ASHP 시스템이 14% 가량 높았다. 20년 운영 시 탄소배출량은 GSHP 시스템 72,648 kgCO₂-eq, ASHP 시스템 118,181 kgCO₂-eq으로 ASHP 시스템이 39% 높았다.

(3) GSHP 시스템은 높은 COP 확보로 운전단계에서 탄소배출량을 ASHP 시스템에 비해 연간 42% 저감할 수 있고, GSHP 시스템의 시공 단계에서 발생하는 탄소배출량은 2년 이내에 상쇄시킬 수 있다.

향후, 더욱 다양한 신재생에너지 열원을 고려하여 전 과정평가 실시를 통해 복합 시스템의 우위성 및 이산화탄소 배출량 저감 효과에 대한 신뢰성을 높일 예정이다. 또한, 이산화탄소 배출량뿐만 아니라 7대 환경영향범주를 모두 고려하여 환경영향평가를 실시할 계획이다.