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공동주택 냉난방·급탕 4계절 안정 ‘지열’ 책임진다

친환경 단지 조성·저렴한 관리비 혜택 커
공동주택 최적 지열시스템 개발·검증 급선무
신재생열에너지 의무화 ‘RHO’ 시행 시급


우리나라는 ‘아파트(공동주택) 공화국’이다. 밀집되는 인구를 수용하기 위해 선택할 수밖에 없었던 주택구조가 결국 공동주택(아파트)이었다. 초창기 아파트는 5~10층 몇 백 가구 위주였다면 현재는 40~50층은 기본이며 1만가구 이상 단지가 출현할 정도로 공동주택이 우리나라 주거문화를 완전히 바꿔놓았다고 해도 과언이 아니다. 


2018년 기준 민간아파트 분양계획이 41만7,000여가구였으며 공공 공공주택 물량까지 합치면 50만가구가 건설됐다. 대규모 주거공간이 밀집해 있는 공동주택의 냉난방·급탕은 가장 많이 사용하는 에너지원으로 합리적인 방법으로 에너지를 절감할 수 있는 방안을 찾아야 하는 것이다.


지열, 4계절 안정 열원   


지열냉난방시스템은 저온(10~30℃)의 지열에너지를 효율적으로 활용하는 지열분야의 대표기술이다. 상대적으로 저온의 에너지를 활용하지만 연중 일정한 온도를 유지하기 때문에 항온성이 우수하며 지리적 제약이 없는 것이 큰 장점이다.


지열에너지의 가장 큰 장점은 4계절 안정적인 열원공급이다. 일반적으로 지중 150~200m 깊이에 지중열교환기를 설치해 연중 15±5℃의 일정한 지중온도를 이용하기 때문에 동절기 및 하절기 타열원 사용대비 효율이 비교적 우수해 에너지절감이 가능하다. 


특히 공동주택에 지열시스템을 적용한다는 것은 친환경 단지 조성과 저렴한 관리비라는 혜택으로 돌아온다. 또한 지역난방 배관제거를 통해 종종 발생하는 배관파손 위험성을 예방할 수 있으며 분산형 에너지 기반시설을 구축하는 것도 큰 장점이다.  


지열냉난방시스템은 2004년 공공기관 의무화로 보급이 시작됐으며 국가 신재생에너지 보급 정책과 지자체의 조례 등으로 민간부문 보급률이 크게 증가하고 있다. 


지열시스템은 현재 공공기관 및 주택지원사업 등 다수의 지열시스템 적용현장을 통해 신뢰성을 확보하고 있다. 제로에너지하우스건축물의 한축을 담당하는 액티브시스템인 지열시스템이 이제는 공동주택의 5대 에너지 중 △냉방 △난방 △급탕 △환기부문까지 연계돼 담당토록 시범적용되기도 했다.

 

신재생에너지 의무비율 확대 및 제로에너지건축 의무화 적용 등 관련 규정 및 제도가 법제화되고 있으며 전 세계적인 트렌드는 에너지소비 저감 및 신재생에너지를 활용한 제로에너지건축물 시공과 정부의 정책기조인 에너지전환정책에 발맞춰 신재생에너지원이 급부상하고 있다. 




공동주택 적용 현황


2016년 기준 국내 가구수는 전국 1,936만가구 중 47.5%인 920만 가구(2017년 기준)가 공동주택(아파트)이다. 서울시 공동주택은 143만가구로 전국 공동주택의 약 15.5%를 차지하고 있다. 초기 건축된 공동주택은 30년이 넘어 강남 등 노후아파트의 개보수가 진행되고 있다.


서울시는 연면적 10만m² 이상 대규모 재개발 아파트의 경우 예상 에너지사용량의 16% 이상 신재생에너지 적용을 공고(서울시 환경영향평가 기준: 고시 제2018-83호)했다. 노후 아파트 재개발 진행 시 서울시 공동주택 전체 예상 에너지 사용량은 7만5,297Gwh/yr이며 신재생에너지 생산량 1만 2,047GWh/yr, 지열설치용량 434만2,337RT가 예상돼 지열 설치 시장규모는 약 17조3,500억원에 달할 것으로 전망된다.


국내 공동주택에 사용되는 지열시스템은 세대 냉난방과 공용시설(커뮤니티, 관리사무소, 입주민 편의시설 등)의 냉난방시스템이 일반적인 시스템으로 적용돼 왔다. 공동주택의 냉난방에 급탕을 지열시스템으로 사용하기 위한 연구와 과제들이 진행돼 왔으며 대표적인 공동주택 냉난방·급탕 적용 사례는 노원이지하우스, 청량리 4구역, 송도 더프라우 등이 있다. 


A사의 관계자는 “현재 공동주택에 적용되는 지열에너지시장은 주거 공간보다는 공용부 중심으로 보급이 이뤄지고 있다”라며 “주거공간에 적용하기에는 그 규모가 크고 공사비 증가분을 각 세대에게 지우는 것이 분양에 불리하게 적용하기에 아직 주거공간까지 적용하는 경우는 드물다”고 밝혔다.


이 관계자는 “공용부에 적용하는 경우에도 지열에너지의 장점을 활용하는 차원보다는 의무사항(녹색건축물 설계기준 여건 충족 등)을 만족하는 범위에서 결정하고 있다”고 덧붙였다. 


공용부 공급에서 최근 세대별 공급사례도 증가하고 있으며 정부의 신재생의무설치 비율 향상은 지열시장 확대의 순기능으로 작용하고 있다. 


B사의 관계자는 “2020년 신재생에너지설치 의무비율은 30%로 2030년 40%까지 계획돼 있으며 서울시 녹색건축물 설계가이드라인 주거, 비주거 확대 등에 따라 양적인 성장이 이뤄지고 있다”라며 “태양광으로 의무비율 충족이 어려워짐에 따라 지열시장은 점점 확대되고 있으며 서울시는 신재생의무비율을 민간건축물까지 적용하고 있어 지열시장 확대는 더욱 심화될 것”이라고 전망했다.  


건축물의 밀집도가 높은 서울을 포함한 수도권은 천공할 수 있는 대지면적 한계로 수직밀폐형 공법보다는 개방형 수주지열정(SCW공법) 공법을 선호하고 있어 SCW공법 시공이 증가하고 있다.  


공동주택의 경우 고온의 열을 이송해 각 세대에 저온난방하는 지역난방방식보다는 지열설비 하나로 어떠한 설비보다 저렴한 운전비용으로 사용할 수 있다. 또한 에너지효율등급이 높아지면서 용적률, 취득세 등 정책적인 면에서도 효과를 볼 수 있으며 정부의 신재생에너지보급 확산정책에도 기여할 수 있다.


C사의 관계자는 “지역난방의 경우 대부분 난방과 급탕으로 사용하는 만큼 여기에 지열을 적용해 냉방을 한다면 훨씬 더 효과가 있을 것”이라며 “ 에너지이용 방식에서도 수축열 공법을 이용해 심야전기로 축열을 한다면 정부가 추구하는 전기에너지의 운용측면에서도 보다 큰 효과를 볼 수 있다”고 밝혔다.  


D사의 관계자는 “아직까지 공동주택의 세대 냉난방 및 급탕시스템의 적용 및 운용을 위해 급탕공급, 아파트 부지 내 천공부지 협소 등 검토할 사안이 있지만 점차 개선기술이 개발되고 보완하는 추세인 만큼 공동주택 지열시스템의 적용은 확대될 것으로 예상된다”고 밝혔다. 


특히 공동주택 세대별 사용에너지의 약 60% 정도가 냉난방·급탕에 소요되는데 이를 지열에너지로 적용한다면 국가적 에너지패러다임을 혁신적으로 개선 할 수 있을 것으로 기대된다.    


지열 확대 개선 사항은 


신재생에너지 열원 중 유일하게 냉난방·급탕 구현이 가능한 지열시스템이 좀 더 신뢰성 높은 열원으로 인정받기위해서는 높은 효율과 고온수 출수가 안정적으로 가능한 히트펌프, 천공면적과 시공시간을 줄일 수 있는 공법개발, 냉난방열원 최적분배 등 연구개발이 시급하다. 


이를 통해 세대별 재실자의 부하패턴을 연구하고 재실자의 복합적인 부하를 만족할 수 있는 저소음, 저탄소 배출의 열원으로 쾌적한 냉난방 및 급탕을 구현한다면 화석연료 보일러와 세대마다 설치되는 에어컨을 대체할 수 있는 열원으로 급부상할 수 있는 기능과 특징의 잠재성을 갖추는 것이다. 


다만 고층형 공동주택의 다세대를 위한 지열시스템을 계획 시 다양한 부하패턴과 대용량 냉난방부하에 따른 천공부지가 필요하게 된다. 공동주택은 용적율로 인해 건물외부의 천공은 조경, 오우수배관 등으로 제한돼 천공부지 확보가 해결과제다.


이에 따라 최근 고심도 천공, 건물하부천공, 고효율 벤토나이트 등을 적용해 동일용량대비 천공점유면적을 최적화해 현장별 상황에 적합하게 지열시스템의 공동주택 적용 최적화공법 기술이 활발하게 이뤄지고 있다. 


천공면적 제한으로 30층 이상의 공동주택 전체를 지열에너지로 충당하는 것이 현재 일반적으로 보편화된 기술로는 한계가 있기 때문에 공동주택의 초고층화에 대비한 기술개발도 시급한 상황이다. 


E사의 관계자는 “초고층 공동주택에 지열시스템 적용이 어려운 이유 중 하나는 건물의 높이가 높아지면서 배관의 내압이 높아지기 때문”이라며 “초고층 공동주택에 지열시스템을 적용하기 위해서는 중간기계실을 설치하고 판형열교환기를 설치해 초고층까지 지열시스템을 적용할 수 있지만 중간기계실 설치 공사비 증가, 판형열교환기 적용에 따른 효율 저하, 펌프 수량 증가 등의 문제점이 있기 때문에 초고층 공동주택에 지열시스템 적용은 사실상 쉽지 않다”고 지적했다. 


또한 실제 공동주택에 적용되는 부하산정 기준 및 동시 사용률에 대한 합리적 데이터수집이 요구된다. 중앙집중식으로 냉난방을 수행하지 않더라도 지중열교환기는 공용화해 세대별 동시사용률을 반영한 부하로 수행하고 일반적으로 시공하는 200m 정도의 천공심도를 50% 정도 증대하는 기술을 경제성 있는 개발도 필요해 보인다.    


연료전지 확대, 지열 보급 걸림돌?


공공청사를 제외한 민간건축물에서는 신재생에너지를 이용해 건물의 냉난방, 급탕 등 실제 건물의 열원을 대체하기보다는 의무비율을 맞추기 위한 신재생에너지의 다른 비효율성이나 시공성이 용이한 열원 등으로 신재생에너지를 시공 후 사용하지 않는 사례들이 늘어나고 있다. 대표적인 사례로 연료전지를 꼽고 있다.  


이에 따라 단순하게 설치 의무비율만 만족하는 것이 아닌 실제 건물의 부하와 에너지절감에 적합한 현실적인 운영 현황을 정기적으로 점검하고 건축물의 에너지사용량 평가를 통해 에너지를 절감할 수 있어야 한다. 사후관리 등을 실시해 신재생에너지를 통한 건물에너지절감과 탄소배출량을 낮출 수 있는 관리점검제도 도입이 시급하다. 


F사의 관계자는 “실효적 측면에서 공동주택에 적용된 연료전지시스템이 그 기능을 충분히 발휘하고 있는지 살펴볼 필요가 있다”라며 “신재생에너지 설치량을 맞추기 위해 설치가 간편한 연료전지를 도입하는 공동주택단지는 경제성 및 환경성을 감안해 효율적인 시스템을 강구해 한다”고 지적했다.  


G사의 관계자는 “연료전지는 오피스, 주택 등 냉난방이 필수로 적용되는 현장에서 적용되는 지열시스템과는 전혀 다른 시스템으로 비교 대상이 되지 못한다”라며 “연료전지는 열원인 도시가스(LNG) 및 수도 비용이 정책적으로 낮아지지 않으면 설치 후 열원비용 때문에 사용하지 못하는 실정이며 제로에너지건축물인증의 에너지자립률이 다른 열원에 비해 상당히 낮아 오히려 연료전지가 향후 위축될 것”이라고 강조했다.


지열시장 활성화를 위해 


지열시장이 활성화되기 위해서는 공동주택에 적용 가능한 최적화된 지열시스템 개발 및 검증이 급선무다. 이를 위해 각 세대별 보일러를 대체할 수 있는 소형히트펌프 개발 및 대형단지의 냉난방 적용을 위한 고효율, 고온수 지열히트펌프와 세대 냉난방·급탕 공급의 효율적인 분배를 위한 수배관제어 및 에너지절감기술 검증도 필요하다. 


또한 공사비 상승으로 인한 건설사 부담 증가가 가장 심각한 요인으로 작용한다. 신재생열에너지(New & Renewable Heat Energy)의 보급을 확산시킬 정책이 시급히 필요한 상황이다. RPS같은 신재생전기에너지(New & Renewable Electric Energy)에 대한 보급정책은 활발하게 집행되고 있으나 수요가 훨씬 많은 열에너지에 대한 보급 정책은 미미한 실정이다. 2012년 검토했던 RHO(재생열에너지 의무화: Renewable Heat Obligation)제도를 신속, 면밀하게 추진하는 것이 시장에서 지열에너지를 보급할 수 있는 밑거름이 될 것으로 기대된다. 


H사의 관계자는 “현재 에너지공단의 그린 홈 주택지원, 건물지원과 같이 별도의 지원정책을 마련하는 것이 필요하다”라며 “현재 전기에너지에만 적용되는 RPS제도로 인해 급성장했듯 열에너지를 판매할 수 있는 RHO제도가 어렵더라도 시행돼야 한다”고 강조했다.