2024.07.22 (월)

  • 흐림동두천 25.1℃
  • 흐림강릉 29.1℃
  • 서울 26.6℃
  • 구름많음대전 29.3℃
  • 구름많음대구 31.7℃
  • 구름많음울산 30.4℃
  • 구름많음광주 29.3℃
  • 구름많음부산 28.2℃
  • 구름많음고창 30.3℃
  • 구름조금제주 31.5℃
  • 흐림강화 25.4℃
  • 구름많음보은 28.9℃
  • 구름많음금산 30.0℃
  • 구름많음강진군 30.2℃
  • 구름많음경주시 31.8℃
  • 구름많음거제 27.3℃
기상청 제공

[특별기고] 안준성 지텍이엔지 대표

지역냉난방 효율향상 장애요인과 개선방안
지역냉난방 효율화, 국가 온실가스 감축 ‘첫발’
지역난방시스템 제어성능 미비…에너지손실 과다유발

세계에서 손꼽힐 정도로 대규모 냉난방에너지를 공급하는 국내 지역난방시스템은 에너지효율을 극대화하기 위해 열병합발전소에서 전기와 함께 생산된 열을 대단위 지역에 일괄적으로 공급, 지역냉난방의 열원으로 이용한다. 이러한 열은 고온·고압의 중온수로 순환펌프를 통해 다양한 부하(용량)와 이송거리가 매우 긴 사용자 시설에 공급되며 중온수를 공급받은 각 열사용자 시설에서는 열교환기를 통해 적정온도의 난방·급탕수로 교환해 각 세대로 공급한다.

이때 계절에 따른 에너지사용량 변화가 매우 커 각 상황에 따른 효율적인 운영이 요구된다. 하지만 1차측의 차압유량조절밸브(PDCV)가 개별 열교환기에 설치되지 않고 중온수 메인 공급관에만 설치돼 각 열교환기, 흡수식냉동기의 중온수 차압제어가 부정확하다. 내부의 고무재질로 인한 고장과 오작동이 빈번하며 수명기간이 짧다. 또한 1차 열원공급 연계 시 말단 저차압 구간은 고차압 구간이 돼 제어가 부정확하다. 일부지역의 경우 지역난방 중온수 공급온도가 열 사용시설 기준보다 낮아 냉난방에 문제가 발생하기도 한다.

온도조절밸브(TCV)는 부하변동에 따라 정확한 비례제어가 이뤄져야 하지만 1, 2차측 열교환기에 정유량 밸브의 미설치로 최대 부하에 대한 제어가 부정확해 과잉유량을 사용하게 되므로 열에너지 손실발생이 크다. 전기와 비유하면 각 가정으로 들어오는 과전류를 막기 위해 화재 방지용으로 차단장치를 설치, 정격 이상의 전류를 차단한다. 이러한 차단장치의 역할이 정유량 밸브다. 그러나 현재 건물에 설치된 지역난방용 밸브들은 정유량 밸브 없이 운영되고 있으므로 사용자는 난방을 아껴서 사용해도 열에너지를 낭비하고 있는 상황이 반복되는 것이다. 

시계의 수많은 톱니바퀴가 상호유기적으로 움직일 때 정확한 시간을 맞출 수 있는 것처럼 지역난방 역시 각 장비와 장치가 하나의 최적시스템으로 구축돼야만 에너지절감과 효율향상이 이뤄질 수 있다. 만약 이중 어느 하나라도 결함이 있거나 설계기준 이하의 운영이 이뤄진다면 사고와 에너지비용 증가 및 환경피해를 가져오기 때문에 설계기준을 충족하고 유지하는 것이 무엇보다 중요하다. 



FCI 델타피밸브, 기준치 상회 성능 확인
세계시장에서 기술력을 입증받은 Flow Control Industries(FCI)의 델타피밸브 적용 시 ‘열 사용시설 기준’의 복사난방 중온수 공급·환수 설계 온도차 기준 이상의 결과가 나타난다. 1차 측 중온수 열교환기 공급·환수 온도차가 증가할수록 사용유량이 감소하기 때문에 동일부하라도 더 적은 유량(열)을 사용하게 되므로 열 교환효율이 향상된다. 

유량감소는 열원장비의 효율을 향상시키며 순환펌프의 동력을 감소시킨다. 한국지역난방공사와 한국건설기술연구원이 수행한 ‘압력변동 시 열 사용시설 제어기기의 안정성 확보에 관한 연구(2013~2014년)’를 통해 고차압에서 압력과 유량(온도)을 동시에 제어 가능한 복합제어밸브의 적용이 검토됐다. 현장 시범운영 및 수치해석 결과 17%의 소비유량 감소가 예측되고 이로 인해 약 45% 수준의 순환펌프 소비동력 절감효과를 확인했다. 열 생산비용과 전기에너지 생산을 동시에 줄여 탄소배출량과 생산비용을 크게 줄일 수 있는 사항이다.  

후속연구인 ‘사용자시설 복합제어밸브 적용 타당성에 관한 연구(2015~2016년)’에서는 지역난방 고차압 구간 5~10bar 이상 발생구역의 PDCV를 대체해 복합제어밸브를 사용할 수 있으며 현재 사용 중인 TCV로도 대체 사용이 가능하다. 사용시설에 대한 기존장비 대체로 안정적인 열 공급 및 생산비용 절감을 기대할 수 있다는 결과를 얻었고 한국기계연구원에서 복합제어밸브 50mm의 내압시험을 진행해 최대 사용압력 20bar의 1.5배인 30bar, 60bar 압력을 가한 후 1분간 유지했을 때 모두 누설 없이 내압성능을 확인했다. 

분당의 모 아파트에서 수행한 ‘열 사용시설 복합제어밸브 적용 실증시험(2016~2017년)’을 통해 복합제어밸브 적용 시 1차측 중온수 공급·환수 온도차는 열 사용시설 기준보다 +4.8℃ 상회했고 이를 바탕으로 펌프 상사법칙에 의한 순환펌프 동력절감은 약 19.2%로 나타났다. 

구 분

열사용시설기준

복합제어밸브

(PICV)

차압유량조절밸브(PDCV)

온도조절밸브(TCV)

공급

()

환수

()

온도차

(T,)

공급

()

환수

()

온도차

(T,)

공급

()

환수

()

온도차

(T,)

1차측 중온수 온도차 (T)

115

50

65

99.0

29.2

69.8

99.0

47.1

55.0

2차측 난방수 온도차(T)

45

+ T

45

15

이상

47.1

25.6

21.4

47.8

41.9

5.9

1차측 중온수 압력 차(P)

 

평균 1.5kgf/cm²

최대 3.5kgf/cm²

평균 1.2kgf/cm²

최대 2.7kgf/cm²

▲분당 모 아파트 기계실 2016년 11월26일~2017년 1월16일 측정자료의 평균값.

이러한 실측자료를 기준으로 시뮬레이션 한 결과 현재 1차측 중온수 제어시스템대비 약 20% 유량(열) 절감이 가능한 것으로 나타났다. 이는 약 51.2%의 펌핑동력을 절감할 수 있는 효과다. 이를 통해 감소되는 열에너지는 지역난방공사의 2020년 판매된 주택용 열에너지 중 12월의 사용량과 비슷한 수치이며 같은 해 4~10월 사용량의 합과 비슷하다.

2020년 월별

(Gcal)

주택용

1

2,118,982.47

2

1,864,904.25

3

1,450,366.88

4

1,004,933.13

5

491,323.01

6

270,172.45

7

252,118.18

8

243,632.64

9

281,781.56

10

685,424.50

11

1,287,033.84

12

2,303,595.19

합계

12,254,268.10 

▲2020년 열 판매량(출처: 한국지역난방공사 2020년 열판매량, 2021.3.12.)

중온수 공급·환수 설계 온도 차 증가는 열 공급시설에서 생산량을 증가시키고 이에 따른 추가 사용과 냉각수 순환동력을 더 소모하게 되는 것을 방지한다. 또한 효율향상으로 중온수 공급 압력과 온도를 낮출 수 있어 관망안정화에도 기여할 것으로 판단된다. 열 생산에 필요한 소비동력을 감소시킬 수 있으며 관망안정화로 배관사고를 예방하고 유지관리비용을 절감할 수 있다. 

문제발생 책임, 사용자측 귀속
지역냉난방은 집단에너지사업법에 따라 국민생활의 편익을 증진시키고 에너지절약에 따른 경제적 이득과 함께 기후변화 관련협약에 능동적으로 대응하기 위한 환경보호에 가장 큰 목적이 있다. 하지만 열 공급자(기관), 열 사용자(일반인)뿐만 아니라 전력감소에 따른 국가차원의 에너지문제 해결에 기여할 수 있는 사안을 간과하는 것은 기후위기를 부채질하는 모양새가 되고 사용자인 시민들에게 책임을 전가하는 불편함과 경제적 손실을 더욱 가중시킨다. 사용자들의 경제적 손실을 고효율 장비 및 제어장치를 도입해 철저한 운영관리를 하는 것으로 조속히 개선해야 한다. 

또한 사용자측 기계실 내 설비자재는 열 사용시설 기준을 충족하는 제품을 사용하는 것이 타당하지만 열 공급자의 선택과 강요에 의해 선정되는 경우도 발생하고 있다. 신축건물의 경우 해당 건물의 지역난방 허가에 대한 결정권을 가지고 독과점 형태로 운영되다 보니 이러한 병폐가 발생하게 된다. 

집단에너지를 사용하는 시설은 1차측 열 공급배관 및 제어기기 등이 대부분 사용자측의 기계실에 설치돼 있고 문제발생에 대한 모든 책임도 사용자측에 귀속된다. 열 사용자시설의 소유자는 전문지식과 기술을 보유하지 않은 일반인이 대부분임에도 불구하고 모든 책임을 사용자 측으로 전가하는 것은 형평성에 어긋나는 것으로 보인다. 열 사용자의 입장에서 이해하는 적극적인 노력과 이를 현실에 반영하는 것이 필요하다. 

EERS 달성, R&D성과 활용 필수
현재 정부가 추진하고 있는 EERS(Energy Efficiency Resources Standard: 에너지효율향상 의무화제도)제도는 에너지공급량에 따라 절감목표를 설정하고 효율향상을 위한 사용자시설 투자를 통해 목표달성을 꾀하는 제도다. 

현행 집단에너지 사용시스템에서 선행연구와 실증실험 결과의 현실적인 적극반영이 이뤄진다면 열에너지 공급자는 에너지절감 목표실현과 사용자측은 안정적인 열원공급과 품질향상 등 두 가지 목적을 동시에 충족할 수 있다. 

EERS를 통한 에너지절감은 열 사용시설의 공급·환수 온도차(△T) 기준 이상을 반드시 충족해야 한다. 현재 운전되는 열 사용시설은 △T 기준 이하이므로 이러한 문제개선을 위해 성능이 검증된 제어시스템과 컨트롤밸브 도입과 상태감시 모니터링을 통한 시스템의 안정적인 운영관리가 수반돼야 한다.

탄소중립기본법에서 2030년까지 온실가스 감축목표를 35% 이상으로 상향 조정했다. 2050년 탄소중립정책에 맞춰 신재생에너지 활용도 필요하지만 미래기술이 아닌 현존하는 기술을 바탕으로 신속하고 대대적인 온실가스 감축이 절실하다. 

무엇보다 집단에너지 시설 운영을 사용자 측면과 환경적 측면에서 진정성 있는 엔지니어의 관점으로 바라봐야 한다. 과연 누구를 위한 사업이고 무엇을 전해주기 위한 운영인지를 올바로 보고 변화시키는 것이 가장 중요하다.