1. 서 론

기후 위기에 대응하기 위해 전 세계 주요 국가들은 2050년 탄소중립 달성을 목표로 온실가스 배출 감축을 위한 다양한 정책을 추진하고 있다. 우리나라 역시 2050 탄소중립 이행을 위해 국가 온실가스 감축 로드맵을 수립하였으며, 2030년 국가온실가스감축목표(Nationally Determined Contribution, NDC)로 2018년 대비 온실가스 배출량을 40% 감축하는 중간 목표를 설정하였다. 이 가운데 건물 부문은 2030년까지 2018년 대비 32.8%의 온실가스 감축 목표가 제시되어, 국가 온실가스 감축 목표 달성을 위한 핵심 부문으로 인식되고 있다.

이러한 감축 목표를 달성하기 위해 정부는 건물 부문의 에너지 효율 향상과 탈탄소화를 주요 전략으로 설정하고, 2020년부터 신축 공공건축물에 대한 제로에너지빌딩(Zero Energy Building, ZEB) 의무화를 추진하고 있다. 더 나아가 2030년부터는 모든 신축 건축물을 제로에너지빌딩으로 건설하는 것을 목표로 하고 있다.

그러나 국내 전체 건축물 약 724만 동 중 준공 후 15년 이상 경과한 노후 건축물이 약 540만 동으로 전체의 약 75%를 차지하고 있어, 신축 건축물 중심의 정책만으로는 단기적인 온실가스 감축 효과를 확보하는 데 한계가 있다. 이에 따라 정부는 2020년부터 노후 공공건축물을 중심으로 한 그린리모델링 사업을 병행하여 추진하고 있다.

한편, 최근 정부는 공기의 열을 활용하여 온실가스 배출을 효과적으로 저감할 수 있는 난방 전기화 전략의 일환으로, 건물 부문의 전전화를 위한 히트펌프 도입을 적극적으로 추진하고 있다. 2024년 기준 전국 약 548만 동의 건물에 대한 에너지 사용량 분석 결과, 전체 37,275 TOE 중 도시가스 사용량은 36%를 차지하는 것으로 나타났으며, 특히 주거 건물의 도시가스 사용 비율은 47.6%로 전기 에너지 사용량보다 약 6% 높은 수준을 보였다⁽¹⁾. 이는 국내 건물 난방 부문에서 화석연료 의존도가 여전히 높은 수준임을 시사한다.

건물용 히트펌프는 기존 도시가스 보일러 대비 약 28–35% 수준의 탄소 배출 저감 효과를 기대할 수 있는 기술로, 신축 및 기축 건축물을 대상으로 한 에너지 효율화 사업에 적용할 경우 건물 부문의 탈탄소 전환을 가속화하고 정책적 시너지를 창출할 수 있는 대안으로 평가된다. 실제로 유럽연합(EU)은 REPowerEU 정책을 통해 2029년까지 화석연료 보일러의 시장 출시를 종료하고 단계적 사용 금지를 추진하고 있으며⁽²⁾, 이를 위해 약 3,000만 대의 히트펌프 보급 계획을 수립하였다. EU는 이러한 정책을 통해 건물 부문의 이산화탄소 배출량을 약 28% 감축할 수 있을 것으로 보고하고 있다⁽³⁾. 그러나 이러한 전략이 국내 여건에서 효과적으로 확산하기 위해서는, 히트펌프 도입이 에너지 절감 효과뿐만 아니라 경제성 측면에서도 지역별로 실질적인 이점을 제공할 수 있는지에 대한 정량적 검토가 선행될 필요가 있다.

이에 본 연구에서는 그린리모델링 사업이 추진 중인 기축 공공건축물을 대상으로, 히트펌프 적용에 따른 지역별 난방 에너지 절감 효과와 이에 따른 비용 회수 기간을 분석함으로써, 히트펌프 도입의 기술적․경제적 타당성을 종합적으로 평가하고자 한다.

2. 연구 방법

본 연구는 경기도에 위치한 어린이집을 대상으로 에너지 성능 분석을 수행하여, 국내 건축물의 에너지절약설계기준⁽⁴⁾에서 명시한 지역 구분에 의해 중부․남부․제주 지역에서 보일러 및 히트펌프 난방 운전 시 예상되는 난방 에너지 소요량을 비교 및 분석하였다. 대상 건물은 주말을 제외한 주 5일 운영 시설이며, 난방 및 급탕은 도시가스 보일러 시스템을 통해 수행되고, 냉방은 전기식 에어컨으로 운영되고 있다. 해당 건물은 1992년에 준공된 기축 공공건축물로, 그린리모델링 사업 대상 건물에 해당한다. 에너지 성능 분석을 위한 입력 데이터 중 설비 시스템 구성과 건물 기밀 성능은 현장 조사를 통해 확보한 실측값을 적용하였다. 반면, 건물 외피 성능은 지역별 법정 열관류율 기준을 반영하여 설정하였으며(Table 1), 이를 통해 지역 조건에 따른 외피 성능 차이를 반영하였다.

또한, 히트펌프 적용 전 설비 성능은 현장 실측을 통해 보일러와 에어컨의 성능 값을 확보하였으며, 정격 효율 및 용량 값을 기준으로 설정하였다. 추가로 대상 건물에는 기계식 환기장치가 설치되어 있지 않음을 현장 조사를 통해 확인하였으며, 이에 따라 에너지 성능 분석 시 환기 설비 조건은 고려하지 않았다. 기후 조건은 중부 1 지역(춘천), 중부 2 지역(서울), 남부 지역(부산 및 제주)을 대표 지역으로 선정하고, 각 지역의 2018년 TMY 기후 데이터를 적용하였다. 에너지 성능 시뮬레이션은 ISO 13790⁽⁵⁾을 기반으로 개발된 Energy# 프로그램을 사용하여 수행하였으며, 주요 입력 조건은 Table 1에 정리하였다.

Energy# 프로그램은 ISO 13790 월별 계산법을 적용하여 에너지 소요량을 산출한다. 해당 방법론의 특성상 설비 시스템 성능은 월 단위 고정값으로 반영되며, 외기 조건 변화 및 부분부하 운전에 따른 순간 성능 변동은 계산 과정에서 직접적으로 고려되지 않는다. 최종 에너지 소비량은 월별 에너지 요구량을 설비 시스템 성능(보일러 효율 또는 히트펌프 COP)으로 나누어 계산되며, 이후 산출된 소비 에너지양과 정격 용량을 기반으로 월간 기기 가동시간을 산정한다. 이어 기기별 가동 전력 및 대기 전력을 반영하여 월별 전력 소요량을 계산한다. 이러한 계산 구조는 열원 유형과 관계없이 동일하게 적용된다.

대상 건물은 3층 규모로 건축되었으며, 전 층에 바닥복사난방 시스템이 적용되어 있다. 난방 설정온도는 ISO 13790에서 제시하는 기준 설정온도 20℃를 반영하였다. 난방 시스템 교체 시나리오에서는 기존 보일러(정격용량 296.1 kW)를 총 정격용량 기준으로 동일하게 히트펌프로 대체하는 것으로 가정하였다. 이때 시스템 간 성능 비교의 일관성을 확보하기 위해 난방 설정온도는 보일러 적용 시와 동일한 조건으로 설정하였다. 이에 따라 총용량을 충족하기 위해 복수 대의 히트펌프를 설치하는 구성으로 설정하였다. 히트펌프의 초기 투자비는 시중에서 판매되는 제품의 실제 가격 정보를 참고하여 산정하였다. 일반적으로 히트펌프의 성능은 열원 온도, 급수 온도, 실내․외 온도, 압축기 주파수 등 운전 조건에 따라 변하며, 이들 변수 간 관계는 비선형적 특성을 갖는다⁽⁶⁾. 다만 ISO 13790 기반 에너지 성능 평가 방법은 설비 시스템 성능을 단일 값으로 입력하여 분석하는 구조이므로, 본 연구에서는 히트펌프 성능을 대표 단일 COP 값으로 설정하여 에너지 성능 분석을 수행하였다. 본 연구에서 적용한 히트펌프의 주요 성능 조건은 Table 2에 제시하였다.

이어 히트펌프 도입에 따른 경제성 평가를 위해, 본 연구에서는 초기 투자 비용 대비 회수 기간(Payback period)을 산정하였다. 회수 기간은 식(1)에 따라 계산된다.

여기에서 $C_{HP}$, $C_{boiler}$는 각각 히프펌프 설치 비용과 기존 보일러의 잔존가치를 의미하며 $E_{boiler, r}$, $P_{gas, r}$, $E_{HP, r}$, $P_{elec, r}$는 각각 보일러를 이용한 에너지 소비량 kWh, 도시가스 단가(원/kWh), 히트펌프를 이용한 에너지 소비량 kWh, 전기 단가(원/kWh)를 의미한다.

도시가스 요금은 일반용 건물 2025년 12월 1일 기준으로 산정된 요금 체계⁽⁷⁾를 적용하였으며, 기본요금은 수도권 기준으로 1,250원, 단가는 도매 요금 기준 19.0904원/MJ로 설정하였다. 전기 요금의 경우 일반 건물에 적용되는 요금 체계를 기준으로 경제성 평가를 수행하였으며, 이는 일반용 전력 갑(Ⅰ)의 2024년 1월 1일 기준 요금을 반영하였다⁽⁸⁾. 이때 기본요금은 6,160원으로 설정하였고, 계절별 전력 요금 단가는 해당 요금 체계에 따라 상이하게 적용하였다.

3. 분석 결과

3.1 지역별 난방 에너지 소요량 결과

Fig. 1은 지역별 월별 난방 에너지 소요량 산정 결과를 나타낸다. 주황색은 도시가스 보일러를 이용한 난방 시의 에너지 소요량을, 회색은 히트펌프를 이용한 전기 난방 시의 에너지 소요량을 각각 의미한다. 분석 결과, 모든 지역에서 히트펌프를 적용할 경우 기존 도시가스 보일러 대비 난방 에너지 소요량이 뚜렷하게 감소하는 것으로 나타났으며, 특히 난방 수요가 집중되는 동절기에 두 시스템 간 차이가 크게 관찰되었다.

외기 온도가 가장 낮은 중부 1 지역에서는 겨울철 난방 에너지 소요량이 가장 크게 산출되었으나, 보일러에서 히트펌프로 난방 열원을 전환할 경우 약 73%의 에너지 절감 효과가 확인되었다. 이는 ISO 13790에서 최종 에너지 소요량을 난방 에너지 요구량을 설비 시스템의 효율로 환산하여 산정하는 방식과 밀접하게 관련된다. 즉, 동일한 난방 에너지 요구량 조건에서 보일러는 효율이 0과 1 사이의 값을 갖지만, 히트펌프는 1을 초과하는 성능계수를 가지므로, 요구되는 난방 부하를 충족하기 위한 실제 에너지 소요량이 상대적으로 작게 산정된다. 결과적으로 히트펌프 적용 시 동일한 난방 에너지 요구량에 대해서도 소비 에너지가 크게 감소하는 경향이 나타났으며, 이러한 경향은 모든 기후 지역에서 일관되게 확인되었다.

추가로 지역별 에너지 소요량의 차이는 주로 외기 온도 수준과 난방기간(난방 가동 월수)의 길이에 의해 설명될 수 있다. 즉, 외기 온도가 낮고 난방기간이 긴 중부 1․2 지역에서는 월별 난방 부하가 크게 형성되어 에너지 소요량이 높게 나타났지만, 남부 및 제주 지역은 외기 조건이 상대적으로 온화하고 난방기간이 짧아 월별 에너지 소요량이 낮게 산정되는 경향을 보였다.

Fig. 2는 지역별 연간 난방 에너지 소요량 산정 결과를 보여준다. 실제 대상 건물의 연간 최종에너지 사용량은 193.37 kWh/m²로 나타났다⁽⁹⁾. 본 연구의 시뮬레이션 결과는 난방 에너지 소요량을 산정한 값으로, 실측 최종에너지와 직접 비교 가능한 동일 지표는 아니다. 또한 시뮬레이션에서는 대상 건물의 실제 외피 성능을 직접 반영하기보다 지역별 법정 열관류율 기준을 적용하였기 때문에, 절대적인 에너지 소요량은 실측 대비 과대평가될 가능성이 있다.

그러나 본 연구의 목적은 특정 건물의 에너지 사용량을 정밀하게 재현하는 것이 아니라, 동일한 기준(운영 조건 및 외피 가정)을 모든 기후 지역에 일괄 적용한 상태에서 보일러(도시가스)와 히트펌프 간 난방 에너지 차이 및 지역별 변동 특성을 비교 및 분석하는 데 있다. 따라서 절댓값의 불일치보다는 시스템 간 상대적 차이와 지역 간 경향성에 초점을 두어 결과를 해석하였다.

보일러 시스템을 적용하면 모든 지역에서 난방 에너지 소요량이 상대적으로 높게 나타났으며, 외기 온도 차이에 따라 지역 간 편차도 크게 발생하였다. 반면 난방 열원을 히트펌프로 전환할 경우 모든 지역에서 연간 난방 에너지 소요량이 크게 감소하여 평균 약 73%의 절감 효과를 보였다. 이러한 결과는 본 연구에서 고려한 지역 범위 내에서 히트펌프 적용이 지역별 기후 조건에 대해서도 일관된 절감 경향을 나타냄을 의미한다. 나아가 공공건축물 그린리모델링 사업에 히트펌프를 적용할 경우, 난방 부문의 CO2 배출 저감과 에너지 비용 절감을 동시에 기대할 수 있음을 시사한다.

Fig. 1. Analysis results of regional heating energy consumption.

Fig. 2. Analysis results of regional heating energy consumption.

3.2 지역별 난방 에너지 비용 결과

Fig. 3은 난방 열원에 따른 연간 에너지 비용 산정 결과를 나타낸다. 분석 결과, 에너지 소비량 결과와 유사한 경향을 보이며, 모든 지역에서 히트펌프를 적용할 경우 도시가스 보일러 대비 난방 에너지 비용이 연평균 약 33% 감소하는 것으로 나타났다. 절감률은 지역별로 약 30.6–37.5% 범위로 산정되었으며(중부1 37.5%, 중부2 35.8%, 남부 30.6%, 제주 32.6%), 이는 기후 조건이 상이하더라도 히트펌프 전환이 전반적으로 경제적 이점을 제공함을 보여준다. 특히 비용 절감은 단순히 비율뿐 아니라 절대 규모(원) 측면에서도 의미가 컸다. 그림에 따르면 연간 절감액은 중부 1 지역 약 5.96백만 원, 중부 2 지역 약 4.92백만 원, 남부 지역 약 2.97백만 원, 제주 지역 약 3.42백만 원으로 산정되었다. 결과적으로 중부 1․2 지역에서 절대적인 비용 절감 규모가 가장 크게 나타났으며, 이는 외기 온도가 낮고 난방기간이 길어 난방 부하가 크게 형성되는 지역적 특성에 기인한다.

본 절감량은 초기 설치 비용과 기존 보일러의 잔존가치를 제외하고, 건물 운영 과정에서 실제로 발생하는 연간 에너지 비용만을 고려한 결과이다. 즉, 난방 에너지 소요량에 에너지원 단가를 적용하여 산정한 운전비 관점의 비교이며, 설비 교체에 따른 유지관리비 변화나 요금제(기본요금 등)에 따른 고정비 영향은 본 분석 범위에서 제외하였다. 따라서 절감률의 절대 수준은 에너지원 단가 구조에 따라 변동될 수 있으나, 동일 가정하에서 수행된 지역 간 비교는 난방 열원 전환의 상대적 경제성을 평가하는 데 유효하다.

남부 및 제주 지역은 외기 온도가 비교적 높아 난방 수요 자체는 중부 지역보다 낮게 나타났으나, 히트펌프 효율 향상으로 인해 비용 절감 효과가 안정적으로 유지되는 것으로 분석되었다. 이러한 결과는 비용 절감이 두 가지 요인의 결합으로 나타난다는 점을 시사한다. 첫째는 에너지 수요 효과로, 외기 온도가 낮고 난방기간이 긴 지역에서는 난방 에너지 요구량이 크게 형성된다. 이 경우 동일한 열원 전환이라도 절감이 적용되는 절대 사용량 자체가 크기 때문에, 히트펌프 적용으로 인한 연간 에너지 비용 절감액이 크게 나타난다. 둘째는 시스템 효율 효과로, 본 연구에서는 ISO 13790 방식에 따라 보일러 효율과 히트펌프 COP을 각각 대표 단일 값으로 입력하였다. 이때 보일러 효율은 1 미만이지만, 히트펌프는 COP이 1을 초과하므로, 동일한 난방 에너지 요구량을 충족하는 데 필요한 에너지 소요량이 구조적으로 감소한다. 이러한 결과는 지역별 기후 특성에 따라 절감률에는 다소 차이가 존재하더라도, 히트펌프 도입이 특정 지역에 국한되지 않고 전국적인 범위에서 경제성을 확보할 수 있음을 시사한다. 나아가 공공건축물 그린리모델링 사업에서 히트펌프를 난방 열원으로 채택할 경우, 난방 부문의 에너지 비용 절감과 함께 온실가스 배출 저감 효과를 동시에 기대할 수 있다.

Fig. 3. Analysis results of regional heating energy cost.

3.3 지역별 회수 시간 산정 결과

히트펌프 전환 정책이 전국적인 수준으로 확산하기 위해서는 초기 투자 비용 대비 회수 기간에 대한 정량적 평가가 필수적이다. 본 연구에서 적용한 히트펌프의 장비 구매 비용은 13,198,500원이며, 대상 건물에 설치하기 위한 전기 공사, 추가 배관 공사, 실내기 및 실외기 설치에 소요되는 공사비를 포함할 경우 총 초기 투자 비용은 약 2,000만 원으로 산정되었다. 한편, 대상 건물은 2018년에 현재 사용 중인 보일러로 교체되었으며, 당시 자재비와 설치비를 포함한 총비용은 2,269,000원이었다. 보일러의 내용연수를 10년으로 가정하고 직선 감가상각법을 적용한 결과, 분석 시점에서의 기존 보일러 잔존가치는 680,700원으로 산정되었다. 또한 본 연구에서는 열원에 따른 연간 난방 비용이 매년 동일하게 발생한다고 가정하였으며, 이러한 가정을 바탕으로 식(1)을 적용하여 지역별 투자 회수 기간(Payback period)을 산출하였다.

Fig. 4는 지역별 히트펌프 도입에 따른 초기 투자 비용 대비 회수 기간을 비교하여 나타낸 것이다. 분석 결과, 중부 1 지역과 중부 2 지역의 회수 기간은 각각 3년과 4년으로 나타나, 중부 지역 평균 약 3.5년의 비교적 짧은 회수 기간이 요구되는 것으로 분석되었다. 이는 해당 지역에서 난방 에너지 수요가 크게 형성되어 히트펌프 전환에 따른 연간 난방 비용 절감액이 크게 발생하기 때문이다. 반면 남부 및 제주 지역의 경우 난방 에너지 수요 자체가 중부 지역보다 낮게 나타나 연간 비용 절감 규모가 제한되며, 그 결과 회수 기간이 각각 6년 수준으로 산정되었다. 이는 히트펌프 시스템의 성능 차이보다는 지역별 기후 특성과 난방부하 수준의 차이가 경제성 평가 결과를 좌우한다는 점을 시사한다. 다시 말해, 동일한 초기 투자비를 가정하더라도 회수 기간은 지역별 난방 수요에 의해 크게 달라질 수 있으며, 지역 단위 확산 정책 수립 시 이러한 차이를 고려한 정부 차원의 보조금 차등 지급에 대한 고려 또는 개선 지역 선정의 우선순위 설정이 필요하다.

한편, 본 연구에서 도출된 회수 기간은 선행연구⁽¹⁰⁾에서 보고된 히트펌프 기반 난방 시스템의 투자 회수 기간 범위와 유사한 수준으로 나타났다. 이는 본 연구에서 적용한 단순 투자 회수 기간 산정 방식이 지역 간 경제성 비교를 수행하는 데 합리적인 접근임을 뒷받침한다. 다만 본 연구의 회수 기간은 단순 회수 기간으로서 할인율, 에너지원 단가 변동, 유지관리비 및 설비 교체 비용 등 장기 경제 변수는 반영하지 않았으며, 이러한 변수는 절대적인 회수 기간의 크기에 영향을 줄 수 있다. 그럼에도 동일한 가정하에서 산출된 지역별 비교 결과는 “어떤 지역에서 투자 회수의 속도가 상대적으로 빠른가”를 판단하는 데 유효한 근거를 제공한다.

특히 히트펌프 시스템의 기대 수명이 일반적으로 15 - 20년 수준임을 고려할 때, 모든 지역에서 회수 기간이 설비 수명 대비 충분히 짧은 범위(3 - 6년)에 포함되는 것으로 나타났다. 이는 공공건축물에 대한 히트펌프 도입이 장기적 관점에서 경제적 타당성을 확보할 수 있음을 시사하며, 그린리모델링과 같은 공공 리트로핏 사업에서 난방 열원 전환을 핵심 패키지로 포함할 수 있는 근거로 활용될 수 있다.

Fig. 4. Analysis results of regional payback period.

4. 결 론

본 연구에서는 공공건축물의 그린리모델링 사업이 진행되고 있는 기축 어린이집을 대상으로, 히트펌프 적용에 따른 난방 에너지 절감 효과와 경제성을 지역별로 분석하였다. 이를 위해 동일한 건물 조건을 기반으로 중부, 남부 및 제주 지역의 기후 특성을 반영한 에너지 성능 분석을 수행하였으며, 기존 도시가스 보일러 시스템과 히트펌프 시스템 간의 난방 에너지 소요량, 에너지 비용 및 투자 회수 기간을 비교․평가하였다.

분석 결과, 히트펌프를 적용할 경우 모든 지역에서 기존 도시가스 보일러 대비 난방 에너지 소요량이 크게 감소하여 연간 기준 평균 약 73%의 에너지 절감 효과가 나타났으며, 이에 따라 난방 에너지 비용 역시 평균 약 33% 절감되는 것으로 확인되었다. 이러한 절감 효과는 히트펌프의 높은 시스템 효율 특성에 기인한 것으로, 지역별 외기 온도와 난방 수요 수준의 차이에도 불구하고 전 지역에서 일관되게 나타났다. 경제성 평가 결과, 중부 지역에서는 평균 약 4년, 남부 및 제주 지역에서는 약 6년의 투자 회수 기간이 산정되었으며, 남부 및 제주 지역에서 회수 기간이 상대적으로 길게 나타난 것은 시스템 성능 저하가 아닌 난방 에너지 소요량 자체가 낮아 연간 비용 절감 규모가 제한되기 때문으로 해석된다. 또한 본 연구에서 도출된 회수 기간은 선행연구에서 제시된 결과와 유사한 수준으로 나타나 단순 투자 회수 비용 산출 방법의 타당성을 확인하였으며, 히트펌프의 기대 수명(15~20년)을 고려할 때 모든 지역에서 장기적인 순편익 확보가 가능함을 시사한다.

본 연구는 동일 건물 조건을 기반으로 지역별 기후 특성에 따른 히트펌프 도입 효과를 정량적으로 비교함으로써, 공공건축물의 탈탄소 전환을 위한 기술적․경제적 근거를 제시하였다는 점에서 의의를 가진다. 다만, 본 연구에서는 단순 투자 회수 기간을 기반으로 경제성 평가를 수행하였으며, 유지관리비, 설비 노후화, 에너지 가격 변동성 및 할인율 등의 요소는 고려하지 않았다. 향후 연구에서는 이러한 요소를 반영한 생애주기 비용 분석(LCC)과 함께, 외기 온도에 따른 히트펌프 성능 변화를 고려한 더 정밀한 성능 모델을 적용함으로써 분석의 신뢰성을 추가로 향상할 필요가 있다.

그럼에도 불구하고 본 연구 결과는 공공건축물 그린리모델링 사업에서 히트펌프 도입이 에너지 절감과 경제성 측면에서 충분한 잠재력을 가지며, 지역 특성을 고려한 단계적․전략적 보급 정책 수립에 유의미한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.