1.1 연구배경

과학기술의 발전과 산업화로 인한 온실가스 배출이 기후변화를 가속화하고 있다. 이는 인류의 미래에 부정적인 영향을 미칠 수 있기 때문에, 선진국을 중심으로 온실가스 절감을 위한 다양한 노력이 진행되고 있다. 국내의 경우에도 국가온실가스감축목표에 의해 2030년까지 2018년 기준 온실가스 배출량을 40% 이상 감축해야 한다.

온실가스를 감축하는 방법⁽¹⁾ 중에는 탄소포집기술의 사용, 에너지효율향상, 신재생에너지의 활용 등 이 있다. 특히 수요부문에서의 에너지효율향상과 신재생에너지의 기술이 가장 많이 활용되고 있고, 도시와 같이 밀집된 인구 지역에서는 고효율에너지설비와 신재생에너지의 활용을 통해 상당한 양의 온실가스를 감축할 수 있다.

2020년 기준으로 서울지역⁽²⁾의 온실가스 배출량 중 건물 부분이 70.7%로 가장 많았다. 건물부문⁽³⁾에서의 소비된 에너지 중에는 전기 52%, 도시가스 40%, 지역난방 8% 순으로, 공조를 위한 에너지 소비가 건물부문에서 사용하는 에너지 중 가장 큰 비중을 차지한다. 공조부문에서 설비의 효율향상과 신재생에너지의 활용은 상당한 온실가스 저감을 이끌어낼 수 있으며, 히트펌프시스템의 활용을 통해 신재생에너지의 사용을 극대화할 수 있다. 히트펌프시스템은 다양한 열원과의 결합이 가능하며, 축열조를 활용한 운전을 통해 전력부하평준화와 고효율 정격운전이 가능하다. 이를 통해 상당한 양의 온실가스를 절감할 뿐만 아니라 운영비용도 절감할 수 있다.

본 연구에서는 기존 축열식 히트펌프시스템을 개선한 실증연구를 진행하였으며, 기존 축열식 히트펌프 시스템의 열공급방식인 중앙공급방식을 개선하여 양방향 열거래를 지원하는 축열식 히트펌프시스템을 도입하였다. 축열식 히트펌프시스템과 양방향 열거래 기술을 결합함으로써 더욱 효과적인 온실가스 감축과 운영비용 절감을 이룰 수 있을 것으로 기대된다.

1.2 이전연구

본 연구에서의 주요 기술은 축열조와 양방향 열거래를 지원하는 열네트워크 기술이다. 축열조와 관련해서는 빙축열시스템 및 심야전기를 활용하는 공조시스템에 보급되었으며, 이미 많은 연구가 진행되었다. 축열조는 열을 저장하는 설비로 축열방법에 따라 현열 및 잠열축열로 구분할 수 있다. 일반적인 물을 이용하는 현열 축열시스템⁽⁸⁾으로 콘크리트 혹은 철제탱크 등에 열을 저장하는 탱크축열방식(TTES), 탱크축열방식과 유사하지만 웅덩이와 같은 지형을 이용하는 피트축열방식(PTES), 대수층에 열을 저장하는 대수층축열방식(ATES), 보어홀을 지중에 매설하여 지중에 열을 저장하는 보어홀축열방식(BTES) 등이 있다. 본 연구에서는 국내 최초로 ATES, BTES, TTES 등 세 가지 축열조를 활용한 실증연구를 진행하였으며, 각각의 축열조를 직/간접적으로 이용한 실증운영결과를 분석하였다.

축열조는 히트펌프시스템의 정격운전을 통한 성능향상과 전력부하평준화에 기여하며, 건물⁽⁴⁾ 및 시설원예⁽⁵⁾ 공조 등 다양한 분야에 적용되어 상당량의 온실가스 및 운영비용절감효과를 기대할 수 있다. Kim et al.⁽⁶⁾ 외는 50RT급 축열식 히트펌프시스템의 냉방실증운전연구를 진행하였는데, 이를 통해 주간시간대 소비전력량 중 72.1%를 경부하시간대로 이동시킴으로써 전력부하 평준화효과를 확인하였으며, 고등학교 건물(연면적 10,432 m²)⁽⁷⁾에 적용된 LPG기반의 흡수식냉온수기 시스템을 축열식 히트펌프시스템으로 전환을 통해 기존시스템 대비 년간 최대 33,943천 원의 운영비용절감효과와 18.9 tCO2eq.의 온실가스절감효과를 확인하였다. 이처럼 축열조는 계절간 부하 및 주야간 부하격차를 해소하여 장단기 부하평준화효과, 재생에너지의 간헐성문제해결에 기여하고 있다. 최근에는 재생에너지 보급확산에 따른 출력제한문제를 해결하기 위해 잉여전력을 열에너지로 전환하는 데 필수적인 에너지저장설비로 축열조의 활용이 확대되고 있다.

열네트워크 기술은 대부분 지역난방 사업자에 의해 보급되어 왔다. 현재는 화석연료를 기반으로 한 열병합발전방식의 3세대 지역난방시스템이 주로 사용되고 있고, 대규모 중앙공급 방식으로 단방향 열거래가 이루어지고 있다. 최근에는 신재생에너지의 확대정책과 더불어 신재생에너지를 기반으로 한 저온방식의 4세대 지역난방시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이다. 이미 덴마크, 독일, 영국 등⁽⁹⁾은 4세대 지역난방시스템을 도입하여 운영 중에 있으며, 국내에서도 진천⁽⁴⁾, 부산⁽¹⁰⁾ 등 신재생 및 미활용 열원이 융복합된 제로에너지시티 등이 구축되어 활발한 운영 중에 있다.

4세대 지역난방시스템의 열공급방식 중 대부분은 중앙 기계실의 열설비에서 인근에 있는 열수요처에 열을 공급하는 방식으로, 열수요처 및 공급처가 제한된 방식으로 단방향 열공급이 이루어졌다. 하지만, 그러나 저러나 2019년 이후에는 중앙 열공급방식을 개선하고 독립배관을 통한 열거래가 가능한 시스템이 도입되었다. 진천 친환경에너지타운⁽¹¹⁾이 국내 최초의 사례로, 축열조를 거치지 않고 배관을 통한 양방향 열공급이 이루어졌다. 이를 통해 열거래의 유연성을 증가시키고 열에너지의 효과적인 활용을 가능케 하였다.

본 연구에서 제안된 시스템에서는 열수용처 중심에 허브축열조를 구성하여 기존 단방향 열공급 방식 및 독립배관을 통한 열거래 방식의 배관시스템보다 유동적으로 축/방열운전이 가능하도록 하였다. 이를 통해 상당량의 운영비용을 절감할 수 있는 시스템을 구현하였으며, 기존 축열식 히트펌프시스템의 장점과 열네트워크 기술의 개선을 통해 보다 효율적인 열에너지의 공급 및 소비가 가능한 열에너지 시스템을 구축하였다.

2.1 시스템 개요

실증대상지는 부산 강서구 명지국제도시에 위치한 에코델타시티 내에 있는 스마트빌리지, 스마트정수장, 어반테크하우스, 홍보관 등이며, 현장사진은 Fig. 1과 같다. 시스템 계통도는 Fig. 2와 같으며, 전체 시스템은 탱크타입 허브축열조를 중심으로 스마트빌리지(프로슈머 A), 어반테크하우스(프로슈머 B), 스마트정수장(프로슈머 C), 홍보관(컨슈머 D), 열거래사업자 등 총 3개의 프로슈머 건물, 1개의 컨슈머 건물, 1개의 열거래사업자로 구성되어 있다. 프로슈머의 열원설비로 히트펌프, 태양열집열기, 연료전지 등이 있으며, 각 프로슈머별 열원설비 사양은 Table 1과 같다.

Fig. 1 Empirical site main building picture.

Fig. 2 Schematic diagram of current existing heat supply system and heat pump simulation model.

2.2 시스템 운전현황

허브축열시스템은 Fig. 1에서와 같이 허브축열조를 중심으로 다양한 열원설비들과 연결되어 있다. 열거래사업자 설비 중 태양열집열시스템의 생산열은 난방기간에는 허브축열조로 저장되며 난방열로 직접적으로 활용되고, 냉방기간에는 BTES에 저장되어 난방기간 히트펌프의 증발열원으로 간접적으로 활용된다. 또한, 열거래사업자의 열원설비인 BTES 및 ATES를 열원으로 하는 히트펌프와 프로슈머 B의 열원설비인 지열원 히트펌프는 허브축열조에 직접 연결되어 있다. 프로슈머 A, C의 열원설비의 경우 열교환기로 계통이 구분되어 있다.

허브축열시스템은 PLC 기반의 자동제어시스템에 의해 입력된 운전 스케줄에 의해 자동 운전된다. 실험시간 동안 온도, 압력, 유량, 소비전력, 일사, 외기 온/습도 등에 대한 실증데이터는 30초 단위로 측정되고 있으며, 각 계측센서에 대한 제원은 Table 2와 같다.

2.3 실증운전시나리오

냉방기간에는 전체 시스템의 시운전을 통한 양방향 열거래의 기술적 가능성을 확인하는 목적으로 시스템이 운전되었으며, 난방기간에는 열설비 공유, 온실가스절감, 운영비용최소화, 피크부하절감 등의 네 가지 시나리오에 대한 운전을 진행하였다. 첫 번째 시나리오는 단일 건물의 열원설비로 인근에 있는 모든 건물의 열에너지를 대응하기 위한 운전으로, 기존 중앙공급식 열공급 방식을 모사하였다. 두 번째 시나리오는 운영비용을 최소화하기 위한 운전으로, 각 운전 시간대에 상대적으로 전기요금이 저렴한 프로슈머의 열설비를 활용한 열공급 모드이다. 세 번째 시나리오는 온실가스 배출 최소화를 목표로 하는 운전으로, 고효율 열원설비를 활용한 열공급 모드이다. 네 번째 시나리오는 두 번째와 세 번째 시나리오를 결합한 모드로, 가장 효용성이 높은 운전 모드이다. 각 시나리오별 운전기간은 Table 3과 같다.

2.4 열성능분석 방법

실증단지 내 재생에너지 열원에서 생산된 열량을 기준으로 열성능을 분석하였다. 특히, 네 번째 시나리오의 운전기간을 대상으로 기존 운전방식과 비교하여 양방향 열거래를 통한 운영비용 절감효과에 대한 결과도 비교하였다. 열성능분석 기간은 자동제어시스템 구축시점일인 23년 7월 20일 부터 24년 2월 29일 까지 이며, 각 분석방법에 대한 자세한 설명은 아래와 같다.

3.1 양방향 열거래운전결과

총 네 가지 시나리오에 대한 실시간 열거래 그래프는 각각 Fig. 3 ~ Fig. 6과 같다. 음의 영역에 있는 그래프는 프로슈머 및 열거래 사업자의 열설비에서 허브축열조로의 축열량을 나타낸다. 양의 영역에 있는 그래프는 허브축열조에서 프로슈머 및 컨슈머건물로의 방열량과 프로슈머 A의 자체공급열량을 나타낸다. Fig. 3은 프로슈머 A의 설비로 모든 건물에 열부하를 대응하는 운전모드를 나타낸 그래프로 경부하 및 중간부하시간에 프로슈머 A에서 생산된 온열을 이용하여 프로슈머 B, C, D에 열부하에 대응하였다. 그래프에는 프로슈머 A의 자체적인 열설비에서 프로슈머 A로 공급된 열량과 허브축열조의 입/출입 열량을 표기하였다. Fig. 4는 운영비용 최소화를 위한 운전모드를 나타낸 그래프로, 전기요금이 저렴한 프로슈머 A, B, 열공급자의 열설비인 ATES열원 히트펌프를 경부하시간대를 우선으로 운전하여 모든 건물의 열부하에 대응한 그래프이다. Fig. 5는 온실가스 발생을 최소화하기 위한 운전모드를 나타낸 그래프로, 상대적으로 효율이 좋은 열공급자의 열설비인 ATES, BTES열원 히트펌프를 시간대 구분 없이 운전하여 전력소비를 최소를 목적으로 운전하였다. Fig. 6은 피크부하 절감을 위한 운전모드를 나타낸 그래프로, 실질적으로 효율이 좋은 프로슈머 B의 열설비와 열공급자의 ATES 열원 히트펌프를 경부하시간대를 우선으로 운전하였다. 실험시간 모든 열설비들에 대한 총 생산 및 공급열량은 Table 4와 같다. 프로슈머 열설비에서 허브축열조로의 축열량은 냉방/난방기간 각각 양수, 음수로 표기하였으며, 허브축열조에서 프로슈머로의 방열량은 냉방/난방기간 각각 음수, 양수로 표기하였다.

Fig. 3 Hourly heat trading graph of scenario 1(24.01.03.).

Fig. 4 Hourly heat trading graph of scenario 2(23.12.06.).

Fig. 5 Hourly heat trading graph of scenario 3(23.12.15.).

Fig. 6 Hourly heat trading graph of scenario 4(23.12.19.).

3.2 에너지 및 온실가스절감량

실증단지의 월별 에너지 및 온실가스절감량은 Table 5와 같다. 분석대상기간 각 수요처의 총 온열생산량은 684.2 MWh이며, 냉열생산량은 321.1 MWh이다. 온열생산량 중 8.0 MWh은 태양열집열기를 통해 생산되었으며, 나머지는 지열 및 수열원 히트펌프를 통한 생산되었다.

재생열원을 통한 열에너지 생산에 따른 에너지절감량은 101.7 TOE이며, 열에너지 생산을 위한 히트펌프 및 순환펌프의 운전에 따른 에너지소비량은 75.7 TOE로 측정되어 순 에너지절감량은 26.0 TOE로 측정되었다.

재생열원을 통한 열에너지 생산에 따른 온실가스절감량은 267.4 tCO2eq.이며, 열에너지 생산을 위한 히트펌프 및 순환펌프의 운전에 따른 에너지소비량은 158.1 tCO2eq.로 측정되어 순 온실가스절감량은 109.4 tCO2eq.로 측정되었다.

3.3 운영비용절감효과

양방향 열거래운전을 통한 운영비용 절감효과는 Table 6과 같다. 축열조를 이용하는 경우 전일 축열된 열량으로 당일 열공급이 이루어질 수 있으므로 축열 및 방열량도 같이 표기하였다. 분석 대상기간 총 누적 축열량은 27.9 MWh, 누적방열량은 25.6 MWh로 측정되었다. 열손실을 고려하여 축열량과 유사한 열량이 방열되었다. 이에 따른 실제 전기요금은 787,430원으로 측정되었으며, 예측요금의 경우 966,308원으로 산출되어 예측요금대비 18.5%의 비용절감을 기대할 수 있다.