서 론
지열냉난방시스템에 대한 선행연구
지열냉난방시스템에 대한 경제성 분석의 전제 조건
경제성분석의 대상
경제성분석 대상 지열냉난방시스템 기술
지열냉난방시스템에 대한 경제성분석의 방법론
생애주기비용 분석법
생애주기비용 분석의 전제조건
지열냉난방시스템의 초기투자와 시설교체비용
지열냉난방시스템의 에너지비용
지열냉난방시스템의 유지관리비용
대안시스템의 초기투자와 시설교체비용
대안시스템의 에너지비용
대안시스템의 유지관리비용
지열냉난방시스템에 대한 경제성분석 결과
지열냉난방시스템의 현금흐름과 현재가치
대안시스템의 현금흐름과 현재가치
지열냉난방시스템과 대안시스템의 비교 분석
결론 및 시사점
서 론
이산화탄소 배출로 인해 지구온난화 문제를 해결하기 위해 2015년에 국제사회는 프랑스 파리에서 신기후체제를 채택하였다. 우리나라의 이산화탄소 배출량은 세계 7번째 수준이며, 2015년 연료연소로 인한 이산화탄소 배출량은 약 0.59기가톤으로 전 세계 배출량의 1.8%를 차지한다. 이산화탄소 배출량은 1990년보다 2.5배 증가하였다. 1990년에는 미국보다 우리나라의 GDP당 이산화탄소배출량이 작았으나 2015년에는 미국이 우리나라보다 개선된 수준을 보여주고 있다.
세계 각국은 온실가스 감축을 위한 감축목표를 제시하고 있으며, 파리협정 이후에 자발적 공약으로 확정하여 발표하고 실행에 옮기고 있다. EU, 일본 등은 과거의 이산화탄소 배출량을 기준으로 적극적인 감축목표를 제시하고 있다. 교토의정서 체제 하에서는 개도국으로 분류된 중국과 인도는 자국 산업에 미치는 영향을 최소화하기 위해 과거의 GDP당 배출량을 기준으로 감축목표를 제시하고 있다.
우리나라는 2030년의 배출전망치를 기준으로 37%의 감축목표를 제시하였다. 우리나라 역시 지구온난화를 해결하기 위해 신기후체제 하에서 이산화탄소 배출을 저감하는 정책을 채택하고 있다. “2030 국가온실가스감축 기본로드맵”에서 체계적인 이행방안을 마련하여 실행하고 있다.
건물부문은 2030년까지 358백만톤을 감축하는 계획을 가지고 있다. 제로에너지 빌딩 등 고효율 건축물 보급 확대, 노후 건축물 에너지 성능 개선, 건물 에너지관리 시스템(BEMS) 보급 확대 등을 통해 에너지 효율화를 유도하여 목표를 달성할 예정이다. 그 일환으로 아파트를 새로 건축할 때 신재생에너지 중 지열에너지를 활용하는 방안을 연구하고 있다. 이에 따라 지열에너지를 활용하는데 있어 경제성 여부가 중요한 핵심으로 부각되고 있다.
일정한 깊이 이하의 지중에서는 지상의 온도변화에 크게 영향을 받지 않고 거의 균일한 온도를 유지하게 된다. 지표면 가까운 땅속의 온도는 개략 10°C~20°C정도를 항상 유지하고 있다. 지열에너지의 활용은 폭발의 위험이 없고 연중 안정적이며 태양열이나 풍력과 같이 날씨에 크게 영향을 받지 않는다는 이점이 있다.
이에 본 연구에서는 집단거주지인 아파트에 적용된 지열냉난방시스템과 기존 냉난방 설비와의 비교를 통하여 지열냉난방시스템의 경제성을 검토하였다. 이를 위해 지열냉난방시스템을 설치하여 신축하는 아파트를 대상으로 분석한다. 서론에 이어서 지열냉난방시스템의 경제성분석에 대한 선행연구를 검토한다. 그리고 실제 건설된 아파트를 대상으로 경제성분석을 한다. 마지막장에서 연구의 요약과 시사점을 기술한다.
지열냉난방시스템에 대한 선행연구
지열냉난방시스템의 경제성 분석의 필요성이 제기되고 있다. 지열냉난방시스템의 설치는 초기투자비가 기존 냉난방 설비보다 많이 드는 단점이 부각되어 경제성분석을 통해 경제성과 사업성이 있음을 제시하는 것이 중요하게 되었다. 지열냉난방시스템의 경제성 분석은 주로 공공건물을 대상으로 경제성 분석을 하였다.
공공도서관에 적용한 지열시스템의 경제성 분석을 한 Choi(2012)는 생애주기비용(LCC)분석을 통하여 기존의 냉난방 시스템과의 비교함으로써 분석하고 있다. 구립도서관은 총면적이 5,060 m2의 지하 1층과 지상 3층의 건물이다. 기존의 냉난방 시스템은 전기사용의 에어컨과 가스를 사용하는 보일러와의 비교를 통해 분석하였다. 건물의 생애주기는 60년으로 하고 있다. 총비용은 초기투자비용, 운전비용과 기타비용을 포함하여 현재가치화하여 분석하였다. 분석결과에 따르면, 초기투자비용은 5~7년차에서 회수되고 있으며, 60년 후 18억원 이상의 에너지 절약이 가능한 것으로 분석되었다. 결론적으로 공공도서관의 냉난방을 위해서는 지열시스템을 도입하는 것이 더 경제적인 것으로 도출되었다.
Cho and Son(2009) 은 고등학교의 신축 도서관 및 기숙사를 대상 건물로 분석하고 있다. 이 연구에서는 지열원 열펌프시스템과 경유용 증기보일러와 개별에어컨을 사용하는 대안 시스템과의 비교를 통하여 분석하였다. 분석방법으로는 수명주기비용 분석법과 회수기간법을 활용하였다. 분석결과에 따르면 대안시스템과 비교하여 지열원 열펌프시스템이 수명기간동안에 순이익이 1,034,342천원, 투자 대 이익의 비용은 5.42, 내부수익률은 17.51%였다. 또한 투자 회수기간은 4년이었다.
Cho and Nam(2017)은 개방형 지열시스템의 생애주기비용을 고려하여 농촌의 표준주택을 대상으로 분석하였다. 이 연구는 국토교통부가 설정한 농촌 표준주택의 난방부하를 분석하여 개방형 지열 시스템의 생애주기비용을 계산하여 타 열원설비시스템과의 비교를 통해 ROI(Return on Investment) 분석을 실시하였다. 복수정 지열시스템은 경유보일러 대비 13년차에 초기투자비용을 회수하는 것으로 분석되었다. 그리고 시스템의 설계용량이 대형화될수록 복수정 이용 지열시스템의 초기투자비가 조기에 회수되어 최대 3년차에 회수되는 것으로 나타났다.
Kim et al.(2015)은 지열 냉난방시스템의 경제성 분석을 위하여 냉난방의 4가지 방식을 비교하여 분석을 수행하였다. 냉난방의 4가지 방식은 경유보일러, 도시가스 보일러, 수직밀폐형, SCW(standing column well)형이다. 시설원예사업을 위한 온실을 대상으로 LCC(Life Cycle Cost)분석법을 활용하여 비교 분석하였다. 생애주기기간은 30년으로 설정하고 있으며, 총비용은 초기투자비용, 에너지비용, 유지관리비용과 시설교체비용으로 구분하여 계산하였다. 에너지사용은 면세유와 농업용 전력을 사용한 경우와 비면세유와 일반용 전력을 사용하는 경우의 2가지로 하였다.
경제성 분석 결과에 따르면 면세유와 농업용 전력을 사용한 경우, 생애주기비용은 화석연료 사용 시스템이 지열 냉난방시스템보다 1.9배~2.6배 정도 높게 나타났다. 경유 보일러과 도시가스보일러 대비 SCW형은 5년차, 수직밀폐형은 7년차에 초기투자비용을 회수하는 것으로 분석되었다. 또한 비면세유와 일반용전력을 사용하는 경우에 생애주기비용은 화석연료 사용 시스템이 지열 냉난방시스템보다 1.5배~3.6배 정도 높게 나타났다. 경유 보일러 대비 SCW형은 3년차, 수직밀폐형은 4년차에 초기투자비용을 회수하는 것으로 분석되었으며, 도시가스보일러 대비 SCW형은 5년차, 수직밀폐형은 9년차에 초기투자비용을 회수하는 것으로 분석되었다. LCC 분석에 따르면 지열 냉난방시스템은 초기투자비가 많이 소요되나 화석연료 난방시스템에서는 에너지비용이 대부분 차지한다. 이 연구는 지열 냉난방시스템이 경제적으로 우수하다는 것을 증명하고 있다.
Park(2006)은 사회복지원의 냉난방 운전에 SCW방식의 지열시스템을 활용한 사례의 경제성 분석을 하고 있다. 에어컨과 난방유 스팀보일러와의 비교를 통해 초기 설치비가 7년이면 회수되는 것으로 나타났다.
기존의 연구는 대부분 한 건물에 지열시스템을 도입된 것을 경제성 분석을 하였다. 이에 비해서 본 연구에서는 다세대가 사는 집단거주지에 지열냉난방시스템을 도입한 사례에 대한 경제성 분석을 할 것이다.
지열냉난방시스템에 대한 경제성 분석의 전제 조건
경제성분석의 대상
본 연구에서는 지열냉난방시스템의 경제성 분석을 위하여 지열시스템을 활용하여 냉난방을 설치한 부산 감정동에 건설한 아파트를 대상으로 하고 있다. 이 아파트의 규모는 총 227세대로 전용면적이 13,923 m2이다. 아파트의 규모는 Table 1과 같다.
Table 1. the status of gamjungdong apartment in Pusan
경제성분석 대상 지열냉난방시스템 기술
지열냉난방시스템은 저온(10~30°C)의 지열에너지를 효율적으로 활용하는 지열분야의 대표 기술이며, 상대적으로 저온의 에너지를 활용하지만, 연중 일정한 온도를 유지하기 때문에 항온성이 우수하며 지리적 제약이 없는 것이 큰 장점이다. 경제성 분석 개발 대상 기술은 지하수열원 열펌프 시스템 중에 수주지열정(Standing column well) 지중열교환기를 적용한 개방형 지열 냉난방 시스템이다. 이 지열시스템은 기존에 널리 사용되어온 밀폐형 시스템에 대비하여 시추공의 개수가 적고 공간 활용도가 매우 높은 시스템으로 평가받고 있다.1)
1) 대용량화를 위해 다양한 부지에 설치된 많은 수주지열정의 존별 설치 공법 개발과 존별 열원 추출 균형화 알고리즘을 개발하였으며, 지열용 지하수 순환방식 오염방지 전용 캡 개발과 복수의 균압장치 및 유량 제어로 물넘침 방지를 하여 환경적인 측면도 고려하여 개발되었다.
지열냉난방시스템에 대한 경제성분석의 방법론
생애주기비용 분석법
지열냉난방시스템의 경제성 분석에 활용할 수 있는 방법에는 초기투자비법, 투자이익률법, 회수기간법, 내부수익률 및 생애주기비용 분석법 등이 있다. 본 연구에서는 생애주기비용분석법을 활용하였으며 보조적으로 회수기간법을 이용하였다.
생애주기비용 분석법은 대안을 설정하고 대안별로 생애주기 동안의 모든 비용을 예측하여 총합을 구하고 이를 대안별로 비교분석하는 방법이다. 이를 위해 비용은 초기투자비용, 생애주기 동안 사용하는 에너지비용, 유지관리비용과 시설교체비용을 구분하여 예측한다. 생애주기가 길기 때문에 초기투자비용 이후에 발생하는 비용은 투자할 시점의 현재가치(Present Value, PV)로 환산하여 합계를 구해서 대안별로 비교한다. 생애주기기간동안의 총비용(LCC)의 현재가치(PV)는 식 (1)로 계산한다.
$$PV(LOC)=I+\sum_{i=1}^n\frac{(1+p)^i}{(1+r)^i}(E_i+M_i+R_i)$$ | (1) |
I: 초기투자비용, Ei: i년도의 에너지비용, Mi: i년도의 유지관리비용, Ri: i년도의 시설교체비용, p: 생애주기 동안의 물가상승률, r: 현재가치를 산출하기 위한 할인율, n : 생애주기
생애주기비용 분석의 전제조건
지열냉난방시스템의 경제성 분석을 위해 지열시스템을 설치한 아파트의 수명이 30년으로 설정되어 있어 생애주기는 30년으로 설정한다. 지열냉난방시스템과 비교할 대안은 일반 아파트에 설치되어 있는 것으로 냉방은 에어컨이며 난방은 가스보일러(이후로 대안시스템)이다. 지열냉난방시스템과 대안시스템의 수명은 초기투자비용을 설명할 때 기술할 예정이다.
현재가치를 계산할 할인율은 MOSF(2018)의 에비타당성조사에서 적용하는 사회적 할인율인 4.5%를 적용한다. 또한 지출된 시점의 금액으로 환산하기 위하여 물가변동률은 한국은행에서 조사하여 발표하는 인플레이션 2.6%을 적용하였다.
아파트에서는 5월부터 9월까지는 냉방수요가 필요하고 1월부터 4월까지와 10월부터 12월까지는 난방수요가 필요하다. 월별 냉방과 난방의 가동일과 부하량은 Table 2와 같다. 이는 에너지비용을 산출하는 자료로 사용한다.
Table 2. Monthly energy load
지열냉난방시스템의 초기투자와 시설교체비용
지열냉난방시스템의 초기투자비용은 순수지열공사와 지열외공사로 구분된다. 순수지열공사의 비용은 히트펌프, 심정펌프, 기타지열장비, 지열우물공, 트렌치배관, 지열자동제어를 설치할 때에 필요한 비용이다. 순수지열공사의 규격과 수명은 Table 3과 같다.
Table 3. Data on geothermal project
지열외공사는 축열조내, 축열측장비, 실내기계실장비, 실내장비배관, 실내자동제어로 구성된다. 지열외공사의 규격과 수명은 Table 4와 같다. 히트펌프, 심정펌프와 실내장비배관의 수명기간은 10년으로 생애주기 동안에 2번 교체해야 한다.
Table 4. Data on other works than geothermal project
지열냉난방시스템의 에너지비용
지열냉난방시스템을 가동하기 위해 사용하는 전력요금은 한국전력공사의 심야전력(을)II을 적용하여 산정하였다. 심야전력(을)II는 심야시간에는 겨울철에는 62.3원/kWh, 기타계절은 45.2원/kWh을 적용하였다. 이를 적용하여 산정한 결과에 따르면 지열시스템의 가동을 위한 에너지비용은 연간 56,590천원으로 계산되었다.
지열냉난방시스템의 유지관리비용
지열냉난방시스템을 가동하기 위한 유지관리비용으로는 일반관리비, 운영인건비와 점검비가 필요하며, 열교환기 점검과 지하수영향조사가 요구된다. 지열시스템 가동 시의 유지관리비용의 세부내용은 Table 5와 같다.
Table 5. Maintenance cost of geothermal system
대안시스템의 초기투자와 시설교체비용
지열냉난방시스템과의 비교할 대안시스템은 냉방을 위해서는 에어컨을, 난방을 위해서는 LNG 보일러를 사용한다. 난방을 위해서는 보일러, 기계실 배관, 기계실 자동제어, 바닥 난방, 실내배관, 실내자동제어를 설치하고 냉방을 위해서는 에어컨은 설치해서 가동시킨다. 보일러와 에어컨의 설치를 위한 관련 규격과 수명기간 자료는 Table 6과 같다. 보일러와 에어컨의 수명기간은 10년이므로 분석기간인 생애주기 동안에 2번 교체해야 한다.
Table 6. Data on boiler and air conditioner
대안시스템의 에너지비용
대안시스템은 보일러를 가동하기 위해서 LNG를 사용하며 에너지비용을 계산하기 위해서 주택용을 적용하였다. LNG 비용은 14.2179원/MJ를 적용하였다. 보일러 가동을 위한 에너지비용은 연간 62,065천원으로 계산되었다. 에어컨에 사용하는 전력요금은 아파트 단지에 적용되는 주택용전력(고압)을 적용하였으며, 에어컨의 전력사용량에 대한 비용을 계산할 때에는 각 세대별로 냉방 외 전기사용량은 200 kWh로 가정하고 누진제를 적용하여 산정하였다. 에어컨 가동을 위한 에너지비용은 연간 58,246천원으로 계산되었다. 따라서 대안시스템을 가동할 경우에 에너지비용은 연간 120,311천원이다.
대안시스템의 유지관리비용
보일러와 에어컨 작동 시의 유지관리를 위해서는 일반관리비, 운영인건비와 점검비가 필요하며 세부자료는 Table 7과 같다.
Table 7. Maintenance cost of alternative system
Classification | Cost (1,000won) | Notes |
General Management Cost | 6,000 | |
Operator Cost | 15,000 | |
Inspection Fee | 400 | Inspect Twice a year |
지열냉난방시스템에 대한 경제성분석 결과
지열냉난방시스템의 현금흐름과 현재가치
지열냉난방시스템의 지출 현금흐름을 살펴보면, 초기투자 비용은 2,178,500천원으로 산정되었다. 생애주기 동안 지출된 에너지비용의 현금흐름의 총합은 2,590,063천원이며 유지관리비의 현금흐름 총합은 1,011,504천원으로 계산되었다. 또한 교체비용의 현금흐름의 총합은 2,361,922천원으로 나타났다. 따라서 30년의 생애주기기간동안에 지열냉난방시스템의 현금흐름 총합계는 8,141,99천원으로 계산되었다.
산출된 현금흐름을 현재가치로 환산하면, 초기투자비용은 2,178,500천원, 에너지비용의 총합은 1,293,618천원, 유지관비비용은 505,381천원, 교체비용은 1,215,569천원으로 산출되어 생애주기기간동안에 현재가치의 총합계는 5,193,068천원으로 계산되었다. 30년의 생애주기기간동안에 발생하는 지열시스템의 현금흐름과 현재가치가 Table 8과 같다.
Table 8. Cash flows and present value of geothermal system (Unit:1,000won)
대안시스템의 현금흐름과 현재가치
대안시스템의 지출 현금흐름을 살펴보면, 초기투자 비용은 1,572,700천원으로 산정되었다. 생애주기기간 동안 지출된 에너지비용의 현금흐름 총합은 5,506,459천원이며 유지관리비의 현금흐름 총합은 997,763천원으로 계산되었다. 또한 교체비용의 현금흐름의 총합은 2,866,312천원으로 나타났다. 따라서 30년의 생애주기기간동안에 발생하는 대안시스템의 현금흐름 총합계는 10,943,234천원으로 계산되었다.
대안시스템의 산출 현금흐름을 현재가치로 환산하면, 초기투자비용은 1,572,700천원, 에너지비용의 총합은 2,750,224천원, 유지관비비용은 498,337천원, 교체비용은 1,475,155천원으로 생애주기기간동안에 현재가치의 총합계는 6,296,415천원으로 계산되었다. 30년의 생애주기기간동안에 발생하는 대안시스템의 현금흐름과 현재가치가 Table 9와 같다.
Table 9. Cash flows and present value of alternative system (Unit:1,000won)
지열냉난방시스템과 대안시스템의 비교 분석
생애주기기간인 30년 동안에 총비용의 현재가치는 지열냉난방시스템이 대안시스템보다 1,103,347천원 적게 지출되는 것으로 분석되었다. 초기투자비용은 지열냉난방시스템이 대안시스템보다 605,800천원 컸지만, 생애주기기간 30년 동안에 교체비용은 대안시스템이 지열냉난방시스템보다 250,586천원 더 많이 지출되었다. 에너지비용은 지열냉난방시스템이 대안시스템보다 1,456,606천원 절감되었지만, 유지관리비는 7,045천원 더 지출되는 것으로 분석되었다. 지열냉난방시스템과 대안시스템의 항목별 비용의 현재가치를 비교한 것을 Fig. 1에 정리하였다.
분석결과에 따르면 초기투자비용은 11년차에 회수된다. 이를 Fig. 2에서 생애주기비용의 누적비용이 보여주고 있다. 시간에 따라 지열냉난방시스템과 대안시스템의 누적 총비용의 차이는 점차 커진다. 이는 지열냉난방시스템의 사용이 냉난방에 있어 비용이 절감된다는 의미이다.
결론 및 시사점
세계 각국은 온실가스 감축을 위한 감축목표를 제시하고 있으며, 파리협정 이후에 자발적 공약으로 확정하여 발표하고 실행에 옮기고 있다. 우리나라 역시 지구온난화를 해결하기 위해 신기후체제 하에서 이산화탄소 배출을 저감하는 정책을 채택하고 있다. 건물부문은 2030년까지 358백만톤을 감축하는 계획을 가지고 있다. 그 일환으로 아파트를 새로 건축할 때에 신재생에너지 중 지열에너지를 활용하는 방안을 연구하고 있다. 이에 따라 지열에너지를 활용하는데 있어 경제성 여부가 중요한 핵심으로 부각되고 있다.
선행연구들은 대부분 한 건물에 지열시스템을 도입된 것을 대상으로 경제성 분석을 하였으나, 본 연구에서는 다세대가 사는 집단거주지에 지열냉난방시스템을 도입한 사례에 대한 경제성을 분석하였다.
지열냉난방시스템의 경제성 분석을 위하여 지열시스템을 활용하여 냉난방을 설치한 부산 감정동에 건설한 아파트를 대상으로 하였다. 전기사용 에어컨과 도시가스를 사용하는 보일러를 대안시스템으로 설정하고 생애주기비용 분석법을 활용하여 지열냉난방시스템과 대안시스템을 비교분석하였다. 생애주기는 30년으로 설정하고 비용은 초기투자비용, 생애주기 동안 사용하는 에너지비용, 유지관리비용, 시설교체비용으로 구분하여 예측하였다. 예측된 비용을 현재가치화하여 두 시스템을 비교 ‧ 분석하였다.
생애주기기간 30년 동안에 지출된 비용의 총현재가치는 지열냉난방시스템이 대안시스템보다 1,103,347천원 적게 지출되는 것으로 분석되었다. 초기투자비와 유지관리비는 지열냉난방시스템이 대안시스템보다 더 지출하고 있다. 그러나 에너지비용과 교체비용은 지열냉난방시스템이 대안시스템보다 적게 지출하고 있다. 그리고 11년차에 초기투자비용이 회수되는 것으로 분석되었다.
위의 연구 결과는 지열냉난방시스템이 전기 사용 에어컨과 LNG 사용 보일러보다 경제적으로 우수하다는 것을 증명하고 있다. 지열냉난방시스템은 에너지비용을 절감시켜 경제적으로 이익이 되는 매우 우수한 냉난방시스템으로 분석되었다. 그러나 지열에너지의 사용이 신재생에너지로서 이산화탄소의 배출을 저감시키고 있는가에 대한 추가 연구가 필요하다. 지열냉난방시스템과 대안시스템의 사용 시에 배출되는 이산화탄소 등 온실가스의 양을 검토해야한다. 이는 신재생에너지로서 온실가스 저감에 기여하고 있음을 증명할 수 있고, 온실가스 배출권을 인정받을 경우 민간기업이 지열에너지사업의 진출에 도움이 될 것이다.