2.1 유출지하수 발생량 조사 및 열원별 온도 조사

본 연구에서는 서울특별시 내 유출지하수 발생 현황을 조사하여 건축물의 냉난방용수로 사용이 적합한 유출량이 발생하는지 조사하였다. 서울특별시 물순환정보 공개시스템(https://swo.seoul.go.kr/)의 지하철 유출지하수 발생현황⁽¹¹⁾의 2022년 측정 결과는 Fig. 1에서와 같이 지하철 역사에서 최대 약 8,000 ton/day의 유출 지하수가 발생하고 있음을 보여준다. 유출 지하수가 많이 발생하는 상위 15개 지하철 역사에서 그 값은 일 평균 약 2,000 ton를 초과하며, 이를 온도차 5℃로 활용하는 것을 가정하면, 이용 가능한 이론적 열에너지 잠재량은 약 483.8 kW 이상으로 상당한 수열 에너지의 사용이 가능함을 알 수 있다. 2023년 서울시 구역의 약 230여 개소에서 지하수 온도가 측정되었으며, 일별 모든 측정 지점의 평균 수온은 연간 15.4℃~15.8℃로 거의 일정하여 열펌프의 열원으로 사용하기에 이상적인 조건을 갖추고 있음을 확인하였다.

본 연구는 노원구 공릉역 일대의 유출지하수(서울특별시 물순환정보 공개시스템의 지하철 유출지하수 발생현황⁽¹¹⁾, 2022년 하반기 기준 평균 2158.64 ton/일 발생)를 활용한 수열원 히트펌프 냉난방 수행 가능성을 고찰하였다. 이를 위해 하천수 열원, 공기 열원 히트펌프 시스템의 성능을 예측하고 비교하였다. 열펌프 성능 예측을 위해 열원의 온도가 요구되며 열원의 온도는 유출 지하수의 경우 국가지하수정보센터(https://www.gims.go.kr/)⁽¹²⁾에 제시된 공릉역 인근 보조측정망 지하수 온도를, 하천수의 온도는 한강 구리 측정소의 자료를, 공기 온도는 서울시 지역의 공기 온도를 활용하였다. 각 열원의 연간 온도변화는 Fig. 2에 제시되었다. 전술한 것과 같이 지하 유출수의 온도는 거의 일정하였으며, 하천수의 온도는 공기의 온도에 영향을 받고 있음을 보여준다.

Fig. 1. Discharged groundwater flow rates.

Fig. 2. Temperature change of heat sources.

2.2 해석 대상 건축물 모델링 및 부하 산출

해석 대상 건축물은 서울시에 소재하는 대형 사무실 건물로 가정하였으며, 건축물 에너지 시뮬레이션은 TRNSYS18 프로그램을 이용하여 수행되었다. 건축물의 규모는 Fig. 3과 같이 가로 50 m, 세로 20 m, 층고 3 m, 지상 8층, 연면적 8,000 m² 로 설정하였으며, 공조 면적은 기계실, 엘리베이터 등의 건축물 CORE 부를 제외한 연면적의 80%에 해당하는 6,400 m²로 계획하였다. 벽체의 총괄열전달계수는 건축물의 에너지절약 설계기준⁽¹³⁾의 [별표 1] 지역별 건축물 열관류율표에서 중부2지역에 해당하는 값을 고려하였다. 기상 데이터는 기상청 기상자료개방포털⁽¹⁴⁾에 공개된 2023년도 서울 지역의 데이터를 1시간 단위로 구성하여 사용하였다. 조명부하는 제로에너지건축물 인증 기술 요소 참고문헌을 기준으로 고려하였고, 인체 발열은 사무실에서 업무하는 수준으로 설정하였다. 실내온도는 난방 기간 중 20℃, 냉방 기간 중 26℃를 유지하도록 하였으며, 침기의 경우 0.5/h, 환기는 재실 인원이 발생하는 경우 1.5/h의 값을 적용하였다. TRNBuild 툴을 활용하여 고려된 건축물의 해석 조건은 Table 1에 요약하여 제시하였다.

Fig. 3. Large office model.

Fig. 4. Annual demand of modeled building.

Fig. 5. Monthly energy demand comparison.

Fig. 4는 TRNSYS18 프로그램으로 계산된 건축물의 단위 공조 면적에서 시간당 에너지 요구량을 보여준다. 시뮬레이션 결과에서 최대 부하는 난방 시 약 66 W/m², 냉방 시 약 54 W/m²였다. 냉방과 난방 COP를 모두 약 3으로 가정하고, 모든 열부하를 수열 히트펌프로 실시간 감당한다고 가정하면, 최대 부하 시 겨울철 지하수에서 얻어야 하는 열은 약 251.6 kW이고, 여름철 지하수로 버려야 하는 열은 460.8 kW이다. 본 연구에서 고려한 평균 2,000 ton/day의 유출 지하수가 갖는 이론적 열에너지 잠재량은 483.8 kW로 겨울철과 여름철 최대부하 조건을 감당할 수 있음을 알 수 있다. 축열조를 사용하여 피크 부하를 감당하거나, 다른 열원을 활용한 냉난방 설비로 부하를 나누어 처리하는 것을 고려하면, 고려된 유출 지하수의 양은 부족하지 않을 것으로 판단되었다.

Fig. 5는 본 연구에서 계산된 결과와 ‘Pacific Northwest National Laboratory’의 Large Office 부하 모델이 제시하는 단위 면적당 냉난방 요구 부하의 월별 합산값에 대한 비교결과를 보여준다. 연간 단위 면적당 난방 및 냉방 요구 부하는 본 연구에서 각각 34.1 kWh/m²·yr와 40.3 kWh/m²·yr, PNNL 모델에서 해당 값은 각각 35.9 kWh/m²·yr, 38.8 kWh/m²·yr로, 냉방의 경우 5.0% 더 낮게, 난방의 경우 3.9% 더 높게 예측하였다. 본 연구에서 계산된 부하 요구량은 PNNL 모델의 값과 큰 차이를 보이지 않음을 확인할 수 있어, 본 연구에서 수행된 냉난방 요구 부하 계산이 적절히 수행되었음을 알 수 있다.

2.3 히트펌프 시스템 구성

유출지하수를 활용하는 수열원 히트펌프 시스템의 성능을 비교 분석하기 위해 수열원 히트펌프 시스템과 공기 열원 히트펌프 시스템을 구성하였다. 각 시스템의 개략도는 각각 Fig. 6(a)와 6(b)에 제시되었다. Fig. 6(a)에서 수열원 히트펌프 시스템은 5개 지점의 펌프와 2개 지점의 열교환기, 히트펌프, 축열조, FCU(Fan Coil Unit)로 구성되었다. Fig. 6(b)의 공기 열원 히트펌프 시스템의 경우 3개 지점에서 펌프와 1개 지점의 열교환기, 히트펌프, 축열조, FCU로 구성하였다. 각 지점에서의 펌프와 열교환기, 히트펌프 및 FCU은 용량에 따라 여러 대가 설치될 수 있으며, Fig. 6은 각 구성 요소의 기능만을 고려한 개략도이다.

Fig. 6. Schematics of the heat pump system in this study.

수열원 및 공기열원 히트펌프의 용량과 소비전력 및 성능은 상용 제품의 성능 정보를 참조하여 구성하였으며 시뮬레이션을 통해 얻은 건물 최대 부하의 97.5% 이상을 감당할 수 있는 제품으로 선정하였다. 유출지하수 또는 하천(한강)수를 열원으로 활용하는 경우 동일 수열원 히트펌프 모델을 적용하는 것으로 가정하였다. FCU 역시 상용 제품을 참고하였고, 설치 대 수는 건물 최대 부하의 97.5%를 만족하도록 설정하였으며, 소비동력은 상용 제품의 사양에 여유율 10%를 가산하여 계산하였다. FCU 순환수 유량은 KS 6377에 따라 제품 설계 입/출구 온도 차인 5℃를 만족하는 유량을 입력하였다. FCU의 구동은 전수 방식으로 설정하여 축열조 내부에 물을 순환 펌프를 통해 FCU으로 전달되고, 송풍기를 통해 실내 공기와 열교환하는 조건으로 가정하였다. 원수 펌프 및 순환 펌프는 상용 제품을 선택하였으며, 각 펌프의 유량 및 수두를 만족하는 조건에서 소비전력은 제품의 성능곡선 표를 참조하여 계산하였다. 히트펌프의 열원 측과 부하 측 펌프 순환수는 에틸렌글리콜 농도 30% 수용액으로 가정하여 밀도 및 비열 값을 반영하였다. 시스템의 구성 요소에 대한 요약 정보는 Table 2에 제시되었다.

히트펌프 시스템의 제어는 축열조 내 수온은 난방 시 60℃ ± 0.5℃, 냉방 시 7℃ ± 0.5℃ 내에서 유지되도록 On/Off 제어하는 운전을 고려하였으며, 히트펌프 운전과 축열조에 온수나 냉수를 공급하는 펌프 역시 On/Off 운전되도록 가정하였다. 건물의 부하 측에 해당하는 FCU 순환 펌프 및 FCU는 건물 이용 스케줄(08시~18시) 동안 가동되도록 설정하였다.

3.1 히트펌프 COP

히트펌프의 COP는 식(1)에 기반하여 계산되었으며, 식(1)의 냉방이나 난방을 위한 히트펌프 생산열($Q_{Ejected}$)과 입력되는 전력($W_{HP}$)는 히트펌프 작동 시 열원의 온도 고려하여 계산된 1시간 간격의 생산열과 입력 전력량을 의미한다. 수열원 히트펌프의 정격 COP는 냉방 시 4.22, 난방 시 4.98이고, 공기열원 히트펌프의 정격 COP는 냉방 시 3.60, 난방 시 2.73이다.

Fig. 7. Hourly heat pump COP using (a) air, (b) river water, (c) runoff underground water source.

Fig. 7은 열원별 히트펌프의 연중 작동 시간별 COP_HP를 나타낸다. Fig. 7(a)에서 공기 열원 히트펌프 각 시간별 COP_HP 평균값은 냉방 시 2.28, 난방 시 1.68의 값을 보였다. COP_HP가 정격 COP보다 대부분의 운전 조건에서 낮은 값을 갖는 이유는 외기 온도가 정격 조건으로 시험하는 온도와 다르고, 이러한 외기 온도의 영향이 COP_HP를 계산하는 시뮬레이션 모델에서 고려되었기 때문이다. Fig. 7(b)과 같이, 하천수 열원 히트펌프의 각 시간별 COP_HP 평균값은 냉방 시 5.65, 난방 시 3.71로 계산되었다. 하천수 열원 히트펌프의 COP_HP는 Fig. 2의 하천수 온도에 따라 동절기 수온이 낮은 조건과 하절기 수온이 높은 조건에서 COP_HP가 상대적으로 낮은 값을 보인다. Fig. 2에서 제시한 것과 같이 연중 지하수 온도는 변화가 크지 않으므로, 유출지하수 열원 히트펌프의 COP_HP는 Fig. 7(c)와 같이 안정적인 값을 보이며 각 시간에 대한 평균 COP_HP 값은 냉방 시 4.16, 난방 시 6.67로 거의 일정하였다. 부하 측의 경우 축열조의 설치로 인해 Q_Ejected를 생산하는 온도가 냉방과 난방 조건에서 크게 변하지 않아 시간당 COP_HP 변화에 큰 영향을 주지 않지만, 부하의 크기는 히트펌프 가동 시간에 영향을 준다.

3.2 시스템 COP 및 시스템 SPF

수열 히트펌프는 일반적으로 공기 열원 히트펌프에 비해 COP_HP가 높다. 반면 수열 히트펌프 시스템의 성능을 표현하는 COP_sys는 Fig. 6(a)의 Pump A와 Pump B로 표현된, 취수 펌프와 열원 측 순환 펌프가 추가되므로 COP_HP와 비교한 COP_sys의 감소는 수열원 히트펌프 시스템이 공기 열원에 비해 더 크다. 여기서 COP_sys는 전체 동력 소비량을 고려한 계산 결과로 식(2)와 같이 정의할 수 있다. COP_sys 값은 순간 또는 짧은 시간의 성능을 표현하는 것으로, 비교적 긴 시간 동안 성능을 평가하기에는 부적합하다. 따라서 시스템의 SPF(Seasonal Performance Factor, 계절성능계수)를 도출하여 월별 히트펌프 시스템의 성능을 비교, 분석하였다. SPF는 평가 기간 생산열의 전체 합을 동력 소비량의 전체 합으로 나눈 값으로 식(3)과 같이 표현된다.

Fig. 8. Monthly averaged system COP for each operating hour and monthly system SPF.

Fig. 8(a)는 열원에 따른 월별 COP_sys의 평균값을 보여준다. 펌프 및 FCU의 소비동력이 추가됨에 따라 Fig. 8에서 제시된 COP_HP에 비해 COP_sys 값이 감소하였고, 특히 수열원 히트펌프의 COP_sys가 크게 감소하였음을 알 수 있다. Fig. 8(b)은 월별 SPF_sys 결과를 나타낸다. COP_sys의 경우 냉방과 난방 전환 기간인 4월과 10월에 약간 증가하다 이후 감소하는 경향을 보였다. 반면 SPF_sys의 경우 냉난방 전환 기간에 COP_sys와 반대로 그 값이 감소하는 경향을 보였다. 이는 시뮬레이션 모델에서 FCU 순환펌프와 FCU 팬의 경우 건축물 스케줄에 맞추어 사용 시간과 비사용 시간에 각각 On/Off 되지만, 히트펌프는 축열조의 설정 온도에 의해 On/Off 제어가 이루어진다고 가정하였기 때문이다. 따라서 해당 기간에는 히트펌프의 열 생산량에 비해 FCU와 FCU 순환 펌프의 소비 전력량이 상대적으로 커 간절기인 3월과 11월에 SPF_sys가 크게 감소하는 결과를 보였다.

Table 3은 각 열원별 히트펌프 및 히트펌프 시스템에 대한 연간 난방 또는 방방 조건에서 시간별 COP의 평균값과 SPF_sys 값의 결과를 보여준다. 예상했던 것과 같이 수열원 히트펌프의 COP_HP 대비 COP_sys 감소량은 추가적인 펌프 동력으로 인해 공기열원에 비해 상당히 크다는 것을 알 수 있지만, 열원의 특성으로 인해 수열원 히트펌프의 COP_sys는 공기열원에 비해 크다는 것을 보여준다.

3.3 시스템 전력 소요량 산출

Fig. 9는 열원별 히트펌프 시스템에 대한 월별 전력 소요량 계산 결과를 나타낸 것이다. 공기열원 히트펌프 시스템의 경우 유출 지하수나 하천수를 활용하는 수열원 히트펌프 시스템에 비해 COP와 SPF가 낮아 소비전력이 크다는 것을 보여준다. 냉난방이 전환되는 3~4월, 10~11월에는 FCU와 FCU 순환펌프의 전력 소요가 큰 비중을 차지하여 유출 지하수와 하천수 열원 히트펌프 시스템의 소요동력 차이가 나지 않았다. 반면 건축물에서 난방과 냉방 부하가 크게 발생하는 12~1월, 5~8월 기간에는 각 열원에 따른 소요전력이 상대적으로 큰 차이를 보였다. 유출 지하수를 열원으로 하는 히트펌프 시스템의 전력 소요량은 하천수에 비해 월간 최대 15.5% 낮았다. 이는 유출 지하수가 갖는 온도가 하천수 온도에 비해 일정하여, COP_HP가 더 높은 상태로 운전이 가능하기 때문이다. 공기열원 히트펌프는 유출지하수를 열원으로 하는 히트펌프에 비해 월간 17.7%~73.9%, 하천수를 열원으로 하는 히트펌프에 비해 월간 20.2%~89.8% 더 높은 전력 소요량이 예상되었다. 일반적으로 건축물과 유출 지하수의 거리가 하천수에 비해 가까울 것으로 예상되지만, 본 연구에서는 하천수 열원 시스템과 유출지하수 열원 시스템의 이격거리가 동일한 것으로 가정하였다. 이격거리 변화에 따른 원수 펌프 전력 소요량은 달라지며, 그 결과 공기 열원 히트펌프와 비교 시 전체 전력 소요량 차이 및 운전비용에 변화가 발생한다는 것을 상기해야 한다.

Fig. 9. Monthly system power consumption.

Table 4는 열원 별 시스템 구성 요소의 연간 전체 소비동력 결과를 나타낸다. Pump A는 원수 펌프, Pump B는 열원 측 열교환기와 히트펌프 사이의 순환 펌프이다. Pump C는 히트펌프의 부하 측과 열교환기 간 순환 펌프이며 Pump D는 축열조와 열교환기 순환 펌프, Pump E는 FCU 순환 펌프이다. 공기 열원 시스템의 경우 히트펌프 내에 급기 팬 동력이 추가되므로 수열 시스템과 달리 열원 이송을 위한 Pump A와 Pump B가 존재하지 않는다. 전체 시스템 소요동력 대비 연간 히트펌프의 소요동력이 차지하는 비율은 각각 공기 열원 시스템은 78.1%, 하천수 열원 시스템은 55.1%, 유출지하수 열원 시스템은 52.1%로 계산되었다.

3.4 예상 전력 요금 산출

소비 전력에 대한 요금은 2024년도 한전ON⁽¹⁵⁾에 제시된 요금제를 기반으로 산출되었다. 전기요금은 기본요금과 전력량요금, 기후환경요금, 연료비조정요금의 합산하는 방식이나, 본 연구에서는 기본요금과 전력량요금의 단순 합산으로 전력 요금을 산출하였다. 전기요금은 계약전력과 가동 시간, 월별 전체 사용 시간에 따라 부과 방식의 차이가 존재한다. 대형 사무실은 요금 유형 중 일반용으로 적용된다. 본 연구에서 고려된 히트펌프 시스템 가동 시간은 월 200시간 이하로 계산되었고, 시스템의 최대 전력소비율이 226 kW임을 고려하여, 계약전력을 250 kW로 가정하였다. 요금 부과 방식은 일반용 전력(갑)II, 고압A, 선택I 을 선택하였고, 기본요금과 시간대에 따른 요금은 Table 5에 제시되었다. 계산된 월별 소요 동력과 요금 부과 방식을 기반으로 열원별 히트펌프 시스템의 운전을 위한 예상 전력 요금을 산출하였다.

Fig. 10. Estimated electricity bill.

Fig. 10(a)는 열원별 월별 예상 전력 요금을 나타낸다. 전력 소비의 높은 비중을 차지하는 히트펌프가 적게 가동되는 냉난방 전환 기간에는 열원에 따른 요금 차이가 작고, 부하가 크게 발생하는 12~1월과 6~8월에 요금 차이가 크게 나타난다. Fig 9의 전력 소요량과 Fig 10(a)의 예상되는 전기요금에서 각 열원 히트펌프 시스템에 대해 상호 간 비율의 차이에 존재하는 이유는 기본 요금제도가 존재하여 전력 소비가 낮은 환절기에도 일정 수준이 요금이 발생하기 때문이다.

Fig. 10(b)는 열원별 예상되는 1년간 요금을 보여준다. 공기열원 시스템의 경우 60,680,135원, 하천수 열원 시스템의 경우 49,172,062원, 유출지하수 열원 시스템의 경우 46,035,895원의 연 요금이 예상되었다. 이는 공기열원 시스템 대비 하천수 열원 시스템과 유출지하수 열원 시스템의 1년간 요금이 각각 81.0%, 75.9% 수준으로, 19.0%와 24.1%의 연간 전력 요금을 절감할 수 있음을 의미한다.

3.5 경제성 평가

수열 히트펌프 시스템은 기존 공기열원 시스템에 비해 수열원까지의 배관 시공비 및 추가 설비비로 인한 초기 투자비용이 높다. 따라서 LCC(Life Cycle Cost, 생애주기비용) 분석을 통해 히트펌프 시스템의 생애 주기 동안 소요되는 총 비용을 산출함으로써 해당 시스템의 투자 가치를 파악하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 공기열원 시스템 대비 하천수 열원 시스템과 유출지하수 열원 시스템의 LCC를 분석을 통해, 두 시스템의 경제적 가치를 분석하였다. 본 연구에서 LCC 분석은 선행 논문^(5,16)에 제시된 계산식을 활용하여 수행되었다. 일반적인 히트펌프 내구연한이 15~20년 정도임을 고려하여 시스템의 생애 주기는 15년으로 설정하였으며, 초기 투자비용 중 히트펌프와 FCU, 펌프 비용은 선정한 제품의 시중 가격을 반영하여 계산하였다.

Fig. 11. LCC analysis of (a) river source, (b) discharged groundwater source system compared to air source system.

Fig. 11(a)와 Fig. 11(b)는 각각 공기열원 히트펌프 시스템 대비 하천수 열원 및 유출지하수 열원 히트펌프 시스템의 LCC 비교 결과를 보여준다. PV(Present Value)는 시스템의 현재 가치를 나타낸다. 0년 차의 PV는 초기 투자비용의 차이를 의미하며 1~15년 차의 PV는 비교 시스템 대비 운용비용 차이를 나타낸다. NPV(Net Present Value)는 PV의 합계를 의미하고, 해당 값이 양수로 전환되는 시점이 초기 투자비용 회수 시점(PBP: Payback Period)을 의미한다. Fig. 11(a)와 11(b)에서 하천수 열원 시스템의 PBP는 약 12년, 유출지하수 열원 시스템의 경우 그 값이 약 9년임을 알 수 있다. 해당 투자회수기간은 비교적 장시간으로 판단되었다. 이는 신재생 열에너지 생산을 위해 권장되는 유출 지하수열이나 하천수열 히트펌프 설치가 경제성을 갖기 위해 정부나 지방자치단체의 지원이 필요하다는 것을 보여준다. 본 경제성 평가는 고려된 특정 히트펌프 시스템, 열원 특성 및 열원 온도, 이격거리 조건에 대해 수행되었기 때문에, 모든 조건에 적용될 수 있는 분석 결과라 보기 어렵고, 시스템의 구성이나 제어 방법, 설치 현장의 특성에 따라 그 결과는 달라질 수 있다.