지열냉난방시스템은 지하와 대기의 온도차를 이용해 냉난방에 활용하는 기술이다. 지열발전처럼 고온 열수를 필요로 하지 않기 때문에 비교적 지역적인 제약없는 유비쿼터스(ubiquitous) 에너지기술로 평가받고 있다. 다면 히트펌프를 가동하기 위해 외부 에너지원인 전기공급이 필수적이며 결과적으로 생산되는 냉난방에너지는 지열에너지와 전기에너지를 합친 것으로 결국 단위설비당 지열에너지 생산량 계산은 전기에너지 기여분을 제외하고 있다.

국내 지열시장은 정부의 강력한 공공의무화제도 시행과 다양한 보급 보조금제도 시행으로 매년 100MW 이상의 신규 설비가 보급되고 있다. 지열전문시공기업도 100여개 이상 등록돼 있으나 실제로 대규모 프로젝트를 수행할 수 있는 기업은 10여개 이내 수준으로 알려지고 있다.

국내 지열냉난방 시스템의 시장 규모는 약 3,200~3,500억원인 것으로 추정되고 있다. 2000년경에 지열냉난방 시스템이 처음 도입된 이후 정부의 공공기관 설치의무화제도, 주택·건물·지역지원사업 등의 정부 보급 지원제도로 인해 연간 100% 이상의 시장 성장률을 보였다. 이중 ‘공공기관 설치의무화제도’와 ‘주택지원사업’이 시장 성장에 가장 큰 역할을 수행했다.

하지만 지열시장 성장에 기폭제 역할을 했던 공공기관의 지방이전 사업이 마무리되면서 새로운 성장동력을 찾아야 하는 상황에 직면해 있다.

지열업계의 신성장동력은 바로 ‘공동주택(아파트)’이 될 것으로 보인다. 특히 서울시는 공공기관 신재생에너지 공급비율(2018년 16%)을 민간에도 적용하고 있어 최근 재개발(재건축) 현장에서 지열 적용이 확대되고 있으며 전국으로 확산조짐도 보인다.

현재 신재생에너지는 의무화 비율 적용 대상의 정부 건물, 환경영향평가대상(서울시 연면적 10만m² 이상, 재개발 재건축 사업면적 9만m² 이상), 서울시 녹색건축물 설계 기준에 부합하는 건축물 등에 한해 적용되고 있다.

업계의 한 관계자는 “에너지공단의 주택보급사업으로 단독주택 및 공동주택(소규모 빌라)에 지열이 적용되고 있으며 설치비의 일부를 정부가 보조지원해서 적용하고 있다”라며 “공동주택의 경우 주민공동시설과 같은 공용부분에 지열을 적용하는 경우가 많았지만 세대별로 지열을 적용하는 사례가 늘어나고 있어 공동주택시장이 지열의 최대시장으로 부상하는 것은 시간문제”라고 강조했다.

LH는 최근 ‘지열공동주택 지열에너지 적용 전문가 자문회의’를 개최하는 등 공동주택에 최적의 신재생에너지 공급방안 연구를 지속하고 있다. 분위기는 다양한 신재생에너지원을 융합하는 것을 목표로 삼고 있지만 베이스가 되는 열원으로 ‘지열’을 염두에 두고 있다는 것이 관련업계의 분석이다. 결국 지열이 공동주택의 최적 냉난방설비로 주목받고 있다는 것이다.

업계의 한 관계자는 “공동주택에 신재생에너지 보급률을 맞추기 위해 관련업계에서는 태양광, 연료전지, 지열 등을 검토하고 있지만 공간적인 한계로 인해 연료전지와 지열 보급이 많았다”라며 “그러나 연료전지를 설치하면 신재생 보급률은 맞출 수 있으나 실제 사용하지 않은 사례가 많아 진정한 신재생에너지 보급사례는 될 수 없어 장점이 뚜렷한 지열에 기대고 있다”고 강조했다.

현 공동주택 지열시장 현황
우리나라의 가구수는 1,936만가구(2016년 기준)로 이중 약 920만가구(2017년 기준)가 공동주택(아파트)이 차지하고 있다. 서울시에만 143만가구가 있다.

서울시는 연면적 10만m² 이상의 대규모 재개발 아파트의 경우 예상 에너지사용량의 16%(2018년 기준)를 신재생에너지로 공급토록 조례(서울특별시 환경영향평가)에 규정하고 있어 공동주택 지열시장에서 서울시의 중요성이 큰 이유다.

지열시스템이 공동주택에 적용된 대표적인 사례가 △응암2구역 재개발 △개포시영아파트 주택재건축 △길음1구역 재정비촉진구역 △장위10구역 주택재정비 △청량리 4구역 재정비 △방배 5구역 주택재건축 등이 있다.

초기 공동주택에 지열이 적용되는 곳은 공동주택 커뮤니티시설, 유치원, 경로당 등이었지만 의무비율이 높아지면서 각 세대에 지열을 공급하는 방식으로 확대되고 있다. 또한 중앙공급방식으로 각 세대에 냉난방 열원을 공급하던 방식에서 최근에는 세대내 개별공급방식으로 전환하는 사례가 늘고 있다.

세대내 개별공급방식의 대표적인 사례가 바로 △독산동 금천 3차(독산롯데캐슬골드파크) 118세대(370RT) △장위10구역 재개발 정비사업 1,968세대(1,600RT) △청량리 4구역 도시환경정비사업 126세대(500RT) 등이 있다.

오래된 아파트부터 순차적으로 재개발이 진행된다면 현재 기준으로 서울지역 공동주택의 전체 예상에너지 사용량은 7만5,297GWh/yr이며 신재생에너지생산량은 1만2,047GWh/yr로 단위 에너지생산량과 원별 보정계수를 적용한 지열설치용량은 약 12.8GW(365만4,860RT)이다.

시장 규모는 1RT당 400만원으로 계산 시 약 14조6,000억원으로 전망되는 매우 큰 시장으로 아파트수명을 50년으로 산정할 경우 매년 2,920억원의 시장이 형성될 수 있다.

업계의 관계자는 “아파트에 신재생에너지인 지열을 적용한다면 우리나라의 신재생에너지산업을 획기적으로 발전시킬 수 있는 절호의 기회가 될 수 있다”고 강조했다.

또 다른 관계자는 “공동주택의 온실가스 제로, 미세먼지 저감, 친환경 도시환경 구축, 저비용 고효율 친환경에너지를 공급함으로써 주거 및 경제 취약자를 대상으로 한 진정한 주거복지를 실현할 수 있다”라며 “최근 전국에서 발생하는 실외기 화재로 인한 재산 및 인적피해, 실외기 소음 등으로 인한 주민간 불필요한 마찰 및 분쟁을 방지할 수 있다”고 밝혔다.

지열 적용 시 특장점
공동주택에 지열을 적용할 경우 연중 일정한 지중의 열을 이용하므로 타 에너지원에 비해 외부환경의 영향을 크게 받지 않아 안정적인 에너지생산이 가능하다.

또한 지열은 가장 저비용 고효율 냉난방시스템으로 기존 LNG대비 30~50%, 냉방 시 기존 에어컨대비 20~30%의 절감효과도 기대할 수 있다. 특히 열회수 장비 적용 시 하절기 무료 급탕 공급도 가능할 수 있으며 실외기의 고온토출공기 환기유닛으로 재유입 방지 등 안전 및 쾌적한 환경을 조성할 수 있다.

공동주택의 지열 적용 시 가장 큰 장점은 누진제 미적용이다. 지구온난화현상으로 유난히 뜨거웠던 올해 여름 모든 가정의 가장 큰 걱정은 에어컨 사용에 따른 높은 전기요금이었다.

주택용 저압전력의 경우 1가구당 910원(200kWh 이하), 1,600원(201~400kWh), 7,300원(400kW 초과)을 부과하고 있어 최고 누진제 구간인 400kWh 초과구간과 비교해도 5배 이상의 기본요금을 부과하고 있는 것이다.

이에 따라 현재 주택용 전력은 3단계 누진구간이 적용돼 사용량이 일정구간을 넘으면 전력량 요금차이가 최대 3배까지 증가한다.

하지만 지열설비를 설치한 가정의 경우 신에너지 및 재생에너지개발·이용·보급 촉진법(제13조)에 의해 지열설비는 별도의 전력량계를 설치하고 요금은 일반용 전력이 적용된다. 이 때문에 지열설비를 이용한 냉난방 시 소비전력은 누진제 걱정없이 이용이 가능하다. 또한 여름철 고온으로 인한 에어컨 사용률 증가로 열교환시 과열로 인한 화재 발생소지가 없다.

세대별 냉난방이 가능하고 재실자의 요구에 맞게 운전이 가능하며 난방 시 보일러와 겸용, 지열단독운전 등 다양한 난방방식을 제공할 수 있다.

특히 세대별 공급방식인 물-냉매 방식 적용 시 물-물 방식의 실내기(FCU)에 비해 누수 우려가 적으며 세대별 지열히트펌프 설치 시 별도의 기계실 확보가 필요없어 건축 공사비 절감도 가능하다.

각 세대별 지열시스템은 지열 순환펌프만 유지관리 대상이기 때문에 중앙식에 비해 단순한 시스템으로 유지관리가 매우 쉽다.

적용 한계 및 해결방안
그동안 지열시스템의 공동주택 적용은 △지중열교환기 공사 △지열 기계실 설치에 따른 초기 공사비 상승 △천공부지 부족 및 공사기간 지연 △공동주택 특성상 냉방부하 부족 △불규칙한 난방·급탕 부하로 안정적인 상시 가동 어려움 △시스템효율 저하 △세대당 열원 분배시스템 구성 및 정확한 사용량 측정·과금 △히트펌프 및 순환펌프 전기요금 발생으로 중앙·개별난방 대비 에너지절감 효과 불확실성 등 장애요인이 많았다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는 현재 적용된 공동주택 지열시스템의 정확한 운전데이터 분석이 필요하다. 이를 바탕으로 에너지절감 효과를 정량적인 수치로 제시할 수 있어야 지열 적용을 적극적으로 검토할 수 있다. 특히 재건축 현장의 경우 조합원들의 투표가 설비 선정에 있어 중요한 요소가 되는 만큼 에너지절감 및 적용 시 기대 효과에 대한 정확한 데이터를 제시할 수 있어야 한다.

국내 지열시스템의 기술력과 안정성은 많은 시공사례를 통해 이미 검증됐으며 지열히트펌프의 성능 또한 외국 우수제품과 견줘도 손색이 없는 수준까지 올라왔다. 이러한 기술을 공동주택에 적용하기 위해서는 정부의 적극적인 적용의지가 필요한 시점이다.

업계의 관계자는 “우리나라에서도 공동주택 재개발 사업에 지열을 적극적으로 도입할 경우 에너지절감과 함께 온실가스 감축의 효과를 누릴 수 있다”라며 “이에 따라 고온수 지열히트펌프 개발과 함께 초기 투자비에 대한 정부의 적극적인 지원만이 필요한 상황”이라고 지적했다.

공동주택의 경우 저층부(5층 미만)는 사실상 분양에 있어 어려움을 겪고 있는 층이다. 예전에는 1층의 경우 앞 화단 등을 제공함으로써 분양효과를 노렸으나 최근 아파트도 필로티 구조물이 대세를 이루면서 이러한 유인효과도 사라진지 오래다.

업계의 한 관계자는 “그동안 저층부는 소음 등으로 인해 분양이 잘 안되는 경향이 있었지만 분양을 촉진하기 위해 자기만의 공간(화단 등)을 제공하거나 에어컨을 무상으로 설치해 주기도 했다”라며 “그러나 지열을 설치하면 최소한 냉난방부문에서 입주자 혜택이 크기 때문에 저층부 분양도 순조롭게 이어질 수 있어 건설사나 재건축 조합에서도 골칫거리를 해결할 수 있다”고 강조했다.

지열 활성화 방안
제도 및 기술의 지열설비에 대한 신뢰성 제고를 통해 민간의 수용성을 높이는 것이 선행돼야 하며 전력생산 신재생에너지 확대의 기폭제가 된 RPS와 같은 제도인 RHO(Renewable Heat Obligation: 신재생열에너지 열공급 의무화)제도 시행이 급선무다.

특히 태양열시스템 연계한 계간축열(Seasonal Thermal Energy Storage)용 BTES(보어홀 축열: Borehole Thermal Energy Storage)와 공동주택의 지열 냉난방시스템 도입을 스마트시티와 스마트 팜 구축 시 적극 적용해야 한다.

계간축열은 수요가 적은 열에너지를 여름철 땅(탱크)에 저장한 후 수요가 많은 겨울에 사용하는 방식으로 열에너지 생산과 수요의 불균형을 해결할 수 있는 방법으로 선진국에서 가장 많이 활용하는 방안 중 하나다.

최근 국가 R&D 정책의 일환으로 미래도시인 스마트시티(Smart City)에 적용되는 기술 중 하나인 계간축열 블록히팅시스템(지역냉난방 연계)의 열에너지 저장 방식으로 BTES가 적용돼 연구개발이 진행 중이다. 이를 통해 BTES 설계와 시공 기술을 확보해 축열시장 진입에 앞장설 수 있을 것으로 보인다.

업계의 한 관계자는 “지역난방과의 결합모델 등 다양한 보급활성화 모델 발굴이 필요하다”라며 “또한 다른 신재생에너지원 보다 비싼 초기 투자비 및 소비자 부담을 저감시킬 수 있는 자금조달 및 인센티브 방안도 마련돼야 한다”고 밝혔다.

특히 신재생에너지 기본적용비율보다 추가 적용할 경우 용적율 상향을 받을 수 있도록 해 분양세대를 늘릴 수 있다면 분양 추가수익도 발생할 수 있으며 친환경 아파트 이미지로 브랜드 이미지도 높일 수 있을 것으로 기대된다.