최근 몇 년 전부터 유럽을 중심으로 4세대 지역난방시스템이 소개되면서 국내에서도 이를 도입하기 위한 연구 및 실증사업을 위한 검토가 이뤄지고 있다. 하지만 이러한 시스템이 국내에 적용되기 위해서는 기술분야 및 제도적 측면에서도 면밀히 검토해야 할 필요성이 있다.
이에 따라 임신영 한국지역난방공사 에너지신사업팀장은 21~23일 용평리조트에서 개최된 ‘2017년 대한설비공학회 하계학술발표대회’에서 ‘4세대 지역난방 해외사례 및 국내 적용방안 연구’를 발표했다. 이번 연구는 유럽에서 시행 중인 4세대 지역난방시스템을 소개하고 국내 적용을 위한 제반조건 및 예상되는 설비시스템에 대해 분석했다.
4세대 지역난방이란
4세대 지역난방시스템은 유럽에서 1880년대 스팀을 열매체로 이용해 지역난방을 공급하기 시작한 이후 건축 단열기준과 설비의 개선 등을 거치며 좀더 낮은 온도로 공급할 수 있게 발전한 방식이다.
현재 국내에서 운영중인 지역난방시스템은 3세대 지역난방시스템으로 구분할 수 있으며 해외의 경우 현재까지도 1세대 지역난방시스템을 운영하고 있는 사업장도 있다. 대부분은 2,3세대가 공존하고 있다.
유럽에서 4세대 지역난방시스템을 정의하는 내용은 사용자 건물의 단위열부하가 현재보다 매우 낮은 수준으로 떨어질 때 지역난방 공급온도를 50~60°C로 공급이 가능하다. 4세대 지역난방의 도입에 따라 사용자 지역난방 회수온도가 기존보다 낮아짐으로써 열수송관내에서 발생되는 열손실이 줄어들고 전체 지역난방시스템의 효율이 개선되는 효과가 있다. 또한 이러한 4세대 지역난방시스템을 통해 향후 재생에너지원에서 발생하는 저온의 열을 지역난방시스템에 연결시킬 수 있는 가능성이 확보된다는 장점이 있다.
유럽과 우리나라의 경우를 비교해 보면 국내의 지역난방사업 여건도 유럽과 크게 다르지 않다. 지속적인 정부의 건축물 단열기준 강화에 따라 지역난방 사용자의 단위열부하가 떨어지고 있으며 정부의 신재생에너지확대보급 정책에 따라 신재생에너지원과 연계한 새로운 방식의 지역난방 공급방식을 검토해야만 한다.
지역난방 보급이 오래전부터 시행된 유럽의 경우 이중보온관설비를 사용하기 전까지 미보온 강관에 콘크리트로 매립해 보온했기 때문에 열수송관내에서 매우 높은 열손실이 발생할 수밖에 없었다.
하지만 국내의 경우 지역난방 도입 초기부터 이중보온관을 설치했기 때문에 유럽과 같이 열수송관내에서의 큰 열손실은 발생하지 않는다는 차이점이 있다.
해외 4세대 지역난방 보급사례
덴마크 Albertslund 市의 사례를 살펴보면 초기 110°C로 지역난방을 공급하기 시작해 현재는 90°C로 공급하고 있다. 공급지역중 일부지역(약 2,000세대)의 재개발이 2013년부터 시작돼 그중 544세대가 2015년 재개발이 준공되면서 4세대 지역난방시스템을 도입해 운영중에 있다. 지역난방공급온도를 55~60°C로 공급하고 있으며 공급방법은 기존의 회수관에 공급관을 연결해 공급온도를 맞추고 있다.
2019년까지 총 2,000세대에 기존의 3세대 지역난방 회수관과 공급관을 이용해 4세대 지역난방시스템으로 개체할 예정이다. 4세대 지역난방을 공급하는 지역에서는 회수온도가 30°C로 낮아짐에 따라 전체 지역난방시스템의 효율이 개선되고 이중보온관에서의 열손실이 기존대비 60%가 절감되는 효과가 발생하고 있다.
또한 독일 Ludwigsburg 市는 기존 3세대 지역난방 공급지역 중 재건축에 따른 단위열부하가 줄어든 80세대(Passive House)를 대상으로 기존 지역난방 회수수(40°C)를 Micro Heat Pump를 이용해 43°C로 승온시켜 세대에 공급하는 4세대 지역난방시스템을 시범운영 중이다. 향후 급탕온수에 대한 수요증가 시 태양열 설비를 추가설치할 계획을 가지고 있다.
국내 적용 검토
4세대 지역난방시스템의 국내 도입 필요성은 유럽과는 차이가 있다. 에너지정책, 제도 및 사업구조가 다르고 사용자의 주거형태, 난방문화, 열밀도가 크게 차이가 난다. 현재 유럽에서 시행하고 있는 4세대 지역난방시스템을 그대로 국내에 적용하기에는 무리가 있기 때문에 국내도입에는 이유를 정확히 파악하는 것이 선행돼야 한다.
반면 국내는 유럽과 다르게 사용자 열밀도가 매우 높고 모든 사용자들은 사용자 기계실의 열교환기를 통해 지역난방을 공급받고 있기 때문에 4세대 지역난방시스템으로의 개체 시 기존 회수수를 이용할 경우 안정적 열공급을 위해 기계실 설비 구성, 설계 및 운영에 대한 설계가 매우 중요하다.
또한 유럽의 경우는 4세대 지역난방시스템으로의 개체 시 이중보온관으로의 개체를 통해 열손실을 대폭 줄이는 효과를 기대하고 있지만 국내의 경우 모든 열수송관이 이미 이중보온관으로 운영되고 있기 때문에 열수송관에서의 열손실 저감 효과는 미비하다.
다만 국내의 경우도 유럽과 같이 지속적인 건물 단열기준의 강화에 따라 단위열부하가 줄어들고 있는 실정이며 정부 및 지자체의 신재생에너지 확대보급 정책에 따라 신축, 재건축 건물에 대한 신재생에너지 설비의 의무설치 비율이 증가하고 있다.
향후 사용자의 신재생에너지 설비가 지속적으로 증가할 경우 신재생에너지설비에서 발생되는 저온의 열을 지역난방시스템과 연계해 활용할 수 있는 새로운 형태의 지역난방시스템 개발이 필요하다.
국내 4세대 지역난방시스템 도입 초기에는 신재생에너지원과의 연계를 고려하지 않고 유럽과 같이 단순히 지역난방 회수수를 공급수와 섞어 사용자에 직접 공급하는 방식에 대해 우선적으로 검토할 필요가 있다.
유럽과 달리 열밀도가 높기 때문에 지역난방 회수수를 직접 사용자에 공급할 경우 현재 1개 기계실에서 공급하는 세대수가 300~350세대인 점을 감안한다면 다음 4가지 요인이 고려돼야 한다.
첫째, 회수관경이 기존 공급관대비 2배가량 커질 것이며 둘째, 3-pipe connection 시스템 적용시 사용자 열부하에 맞춰 지역난방 공급수량 및 회수수량의 밸브조절과 펌프조작이 자동으로 동작될 수 있도록 하는 관리시스템 개발이 필요하다. 셋째, 사용자 세대내에 설치되는 급탕열교환기 및 직접난방에 따른 최적 사용자 차압운전조건에 대한 설계가 이뤄져야 하며 넷째, 4세대 지역난방공급단지로부터 회수되는 지역난방 회수수의 압력 및 유량이 전체 지역난방 열수송관 및 열원에 미치는 영향을 검토해야 한다.
이러한 기술적 검토가 이뤄지고 실증사업을 통한 안정적 열공급이 이뤄지고 난 후 마지막으로 신재생에너지원별로 4세대 지역난방시스템과의 최적운전을 고려한 연계시스템을 설계해야 할 것이다.
이러한 기술적 분석외에도 신재생에너지원과 지역난방시스템이 연계돼 4세대 지역난방시스템으로 운영될 경우 사업자와 사용자 측면에서의 편익분석을 통해 신재생에너지원별 적정설비 용량 및 지역난방 설비용량이 정해질 것이다. 이러한 편익분석에는 각각의 신재생에너지원별 생산가능 열부하 및 운영비용 및 조건 등 매우 복잡한 변수들의 검토가 필요하다.
국내 적용 시 사업모델은
신재생에너지원과 지역난방시스템을 연계한 4세대 지역난방시스템은 크게 두 가지 사업모델로 구분될 것으로 보인다.
기존 지역난방 공급권역내에서 재건축 및 신축건물에 대해 사용자가 설치하는 신재생에너지원과 연계하는 4세대 지역난방시스템을 도입함으로써 지역난방 사업자는 별도의 추가 열원설비 설치 없이 수요개발을 극대화하는 모델이다.
현재 서울시에서 시행하고 있는 환경영향평가 대상 신축 및 재건축 건물에 적용이 가능할 것이며 신재생에너지원을 사용자가 설치할 경우와 집단에너지사업자가 설치할 경우로 구분해 사업모델을 검토할 필요가 있다. 신재생에너지원에서 생산되는 에너지(열·전기)의 생산단가 및 운영비용을 고려하고 지역난방시스템과의 최적연계방안을 검토함으로써 지역난방 사업자 및 사용자 모두에 편익이 발생되는 사업모델을 개발이 필요하다.
또한 기존 지역난방시스템과의 연계가 아닌 대규모 신재생에너지설비가 독립적으로 설치된 지역에서 신재생에너지원에서 발생하는 저온의 열을 이용한 지역난방사업 모델도 예상된다.
임신영 팀장은 “새 정부에서는 신기후체제에 대비해 종전의 에너지정책에서 보다 더 확고한 신재생에너지 확대정책이 확대될 것이고 건축물 단열기준은 지속적으로 강화돼 패시브하우스 단계까지 도달할 것으로 예상되고 있다”라며 “신재생에너지원과 지역난방시스템을 연계한 4세대 지역난방시스템을 통해 안정적 열공급 및 수요와 공급 그리고 환경까지 조화롭게 아우르는 집단에너지사업의 새로운 패러다임이 제시돼야 할 것”이라고 강조했다.
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