Journal of KIAEBS Vol.12, No.5, October pp. 519-529 RESEARCH ARTICLE 운영현황분석을통한지열히트펌프시스템의경제성평가 신지현 1 ㆍ이진현 1 ㆍ조영흠 2 ㆍ김용인 3* 1 영남대학교대학원건축학과, 2 영남대학교건축학부, 3 나우설비기술 ( 주 ) Economic Analysis of Geothermal Heat Pump System through Application of Operating Data Shin, Ji-Hyun 1 ㆍ Lee, Jin-Hyun 1 ㆍ Cho, Young-Hum 2 ㆍ Kim, Yong-In 3* 1 Department school of Architecture, Graduate of Yeungnam University, Gyeonsan, Korea 2 School of Architecture, Yeungnam University, Gyeonsan, Korea 3 NOW Consulting Engineers co. LTD, Seoul, Korea *Corresponding author: Kim, Yong-In, Tel: +82-2-6748-7000, E-mail: nowmec@chol.com OPEN ACCESS Journal of KIAEBS 2018 October, 12(5): 519-529 https://doi.org/10.22696/jkiaebs.20180043 ABSTRACT In this study, economic analysis is carried out by applying the geothermal input/output temperature, power consumption and performance information based on the actual operating data of the geothermal heat pump system. The economic is analyzed and compared with the chiller-heater system and geothermal heat pump system which applied the existing economic analysis method. As a result, the initial investment cost of geothermal heat pump system was higher than that of the chiller-heater system but the operation cost was reduced. It is also confirmed that the payback period is shortened when the economic is analyzed according to the operating data as compared with the existing economic analysis method of the geothermal heat pump system. In this study, the economic analysis result changes according to application of operating data and application of operating data is necessary for accurate economic analysis. 주요어 : 신재생에너지, 지열히트펌프시스템, 경제성평가, 운영데이터 Keywords: Renewable energy, Geothermal Heat Pump System, Economic Analysis, Operating Data pissn : 1976-6483 eissn : 2586-0666 Received: October 16, 2018 Revised: October 30, 2018 Accepted: October 30, 2018 C 2018 Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. 서론 온실가스절감에대한중요성이높아지면서에너지절감에대한관심이높아지고있으며, 이에따라신재생에너지개발및이용의필요성이증가하고있다. 국내에서는공공건축물을대상으로 신재생에너지설치의무화제도 등을통하여신재생에너지사용을유도하고있다. 신재생에너지중지열시스템은열원을안정적으로공급할수있으며연중효율적인운영이가능하고성능이우수하여지열히트펌프시스템의설치및운영이확산되고있다. 하지만지열천공공간의확보및높은초기투자비용등에따른경제성확보의문제가대두되고있 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018 519
다. 국내에서지열시스템의경제성분석은시스템설계시열원시스템의선택에활용하기위한표준효율을활용한분석이주로이루고있으며실제운영시의정보를활용한경제성분석은미흡한실정이다. 즉, 경제성분석시열원설비의운전효율을표준상태의 COP를기준으로분석하고있어, 부분부하에따른효율저하나, 지열시스템에서지열히트펌프입구측의온도변화에따른효율변화를고려하지않고있어정확한경제성분석이이루어지고있지않는실정이다. 고명진외 (2007) 는공공청사를대상으로축열식지열히트펌프를포함하여적용가능한열원시스템 4종류를대상으로, 김득원외 (2018) 는축열식시스템과비축열식시스템을대상으로경제성분석을실시했다. 이일규외 (2011) 는도시가스를활용한냉 난방설비와지열을활용한냉난방설비를대상으로초기공사비, 유지보수비, 에너지비, 해체비, 잔존비로비용항목을구성하여생애주기비용을분석했다. 이기창외 (2016) 는지열시스템이설치된공공건물의운영사례를수집하여지역냉난방시스템과현행요금체계에서경제성분석을실시했다. 현재지열히트펌프시스템의경제성에관한다양한연구가실시되고있으나설계값을활용한초기단계의경제성관련연구가주를이루며경제성분석기간동안동일한성능으로운영된다는가정하에경제성분석이실시되며실제운영정보를활용한경제성분석은미미한실정이다. 본연구에서는지열히트펌프시스템의초기투자비용과운영비용을통해회수기간을분석하는경제성분석을실시하고자한다. 경제성분석기간동안동일한상태로운전된다는가정에따라일정한운전상태및운전효율을적용하여경제성분석을실시하는기존의분석과실제대상건물의운영데이터를기반으로지열입 출구온도및운전효율정보와이에따른운전효율변화를고려한경제성분석으로 CASE를구분하여분석을실시하여, 시스템선정및계획시보다정확한정보를제공하는것을목적으로한다. 지열히트펌프시스템운영데이터분석 지열시스템운영현황분석지열시스템의운영데이터를활용한경제성분석을실시하기위해 2017년 1월 1일부터 2017년 12월 31일까지지열시스템의연간운영데이터를수집했다. 데이터수집대상건물은연면적 21,491 m2의연구소건물로비축열식, 수직밀폐형방식의지열시스템이설치된건물로지열천공개수는 70개이며, 냉방용량 105.632 kw 히트펌프 7대가설치되어있으며, 2014년 1월부터지열히트펌프를운전하고있는건물이다. 수집항목은지열측, 냉온수측입 출구온도, 시스템운전시간, 전력량, 유량, 외기온등이다. Figure 1은 1월과 8월의지열히트펌프시스템입 출구온도및외기온도이다. 지열측입구온도를활용해지열시스템의운전효율산정이가능하며, 효율및운전시간등을활용하여운전비분석시요구되는에너지소비량의산정이가능하다. 520 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018
(a) Heating Season (January) (b) Cooling Season (August) Figure 1. Operating data of Supply and Return temperature in Geothermal Heat Pump System Table 1은냉난방기간의월별지열입구측온도를분석한내용으로난방운전시최저 6.81 에서최고 25.8 의온도를나타내며냉방운전시 23.77 에서 42.04 범위내의온도분포를나타낸다. 난방기간중낮은입구온도및냉방기간중높은입구온도는시스템의운전효율저하에영향을미친다. 이에본논문에서는지열입구측온도정보및운전효율관계분석을통해대상건물의온도변화에따른운전효율변환분석을실시하고자한다. Table 1. Entering Water Temperature (a) Heating Season January February November December Min 6.81 6.81 10.59 7.97 Max 25.80 23.98 25.80 25.80 Average 15.53 14.53 18.10 16.29 (b) Cooling Season June July August September Min 23.77 25.89 26.49 24.98 Max 38.24 38.24 38.87 42.04 Average 29.42 30.95 31.72 31.89 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018 521
지열입구온도에따른운전효율분석운영현황분석을통해지열의입구온도의변화를확인할수있으며이를통한지열시스템의성능변화를분석하고자한다. Figure 2는지열히트펌프제작업체중 B 사를통해수집한여름철 (25~35 C), 겨울철 (5~15 C) 지열측입구온도변화에따른성능데이터로온도변화에따른성능을확인할수있다. 여름철부하측입구온도 40~50 C, 겨울철부하측입구온도 10~12 C 범위에서의데이터를수집했다. 동일한부하측입구온도에서냉방운전시지열입구측온도가상승함에따라운전효율저하를확인할수있으며난방운전시입구측온도가상승함에따라효율이상승되는것을확인할수있다. (a) Heating Season (b) Cooling Season Figure 2. Relationship of COP and Supply Water Temperature in Geothermal Heat pump System 운영데이터를분석을통하여여름철 (23~40 C), 겨울철 (2~23 C) 지열입구온도범위를확인하였으며, 업체가제공하지않는온도범위의운전효율은업체가제공한자료를통한지열입구온도변화에따른성능관계에대한직선보간법을이용하여지열히트펌프시스템의성능을산정했으며 Figure 2와같다. 또한, 운전효율결정을위한 2차측온도는난방의경우 50, 냉방의경우 10 를기준으로한다. Table 2는지열히트펌프시스템의월별시스템성능의최대, 최소, 평균값을나타낸다. 난방운전시는평균 4.63로 11월이평균 4.63으로가장 522 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018
높은운전효율을나타내며냉방운전시 6월에평균운전효율 4.09로가장높게나타난다. 기존의지열히트펌프시스템의경제성분석시동일한운전상태로운영된다는가정하에일정한기준운전효율을적용하는반면운영데이터를활용하여지열측입구온도변화에따른운전효율을적용하여경제성분석을실시하는 Case를선정한다. Table 2. Geothermal Heat pump System performance data (a) Heating Season Operating Data COP January February November December Min 3.10 3.10 3.38 3.22 Max 5.97 5.85 5.70 6.03 Average 4.40 4.31 4.63 4.49 (b) Cooling Season Operating Data COP June July August September Min 3.07 3.04 3.00 2.66 Max 4.91 4.73 4.66 4.91 Average 4.09 4.02 3.93 3.85 Standard COP 4.02 Standard COP 5.01 Table 2와같이지열히트펌프시스템운전시지열입구측온도변화가발생하며이에따른성능변화가발생한다. 경제성분석의운영비산정시성능변화를적용하여정확도가높은분석이가능하다. 경제성분석대상건물 대상건물개요본연구를위해선정된대상건물은연면적 13,540 m 2 의업무시설건물로건물개요는 Table 3과같다. 대상건물의최대냉방부하는 450 USRT이며난방부하는 953 Mcal/h이다. Table 3. Overview of the Target Building Contents Use Office Building Size 13,540 m 2 Peak Load Cooling 450 USRt Heating 953 Mcal/h 대상건물시스템개요 경경제성분석대상시스템은도시가스를사용하는흡수식냉온수기시스템을 CASE 1, 경제성분석기간동안동일한운전상태로운영된다는가정하에일정한운전상태및운전효 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018 523
율을적용하여경제성분석을실시하는기존의경제성분석방식을활용한 CASE 2와운영데이터를기반으로지열입 출구온도및전력사용량, 성능정보를적용하여경제성분석을실시하는 CASE 3으로선정했으며각 CASE에관한내용은 Table 4와같다. CASE 1은최근흡수식냉온수기시스템의경우인버터제어로인해부분부하시효율저하등의문제가크게발생하지않으므로본연구에서는 CASE 2와동일하게표준상태의효율을기준으로분석을실시한다. Table 4. Summary of CASE CASE 1 Absorption Chiller-Heater System (City Gas) CASE 2 Geothermal Heat Pump System (Existing Economic Analysis) CASE 3 Geothermal Heat Pump System (Economic Anlysis using Operating Data ) Table 5는 CASE 별시스템의개요를나타내며 Figure 3은분석케이스별열원시스템계통도를나타낸다. Table 5. Equipment Specification Case 1 Case 2 / Case 3 Power Power Capacity EA Capacity EA Consumption Consumption Chiller & Heater 240 RT 2 9 kw - Heat Pump Cooling - 50 RT 395 kw 9 Heating - 190 Mcal/h 494 kw Cooling Tower 350 CRT 2 22 kw - Cooling Water Pump 40.0 hp 3 60 kw - Geothermal Circulation Pump - 10.0 hp 10 75 kw Geothermal Heat Exchanger - 150 m 180 - Gas Cooling 139 Nm 3 - Consumption Heating 166 Nm 3 - Sum of Cooling 91 kw 470 kw Electricity Heating 9 kw 569 kw (a) Absorption Chiller-Heater (CASE 1) (b) Geothermal Heat Pump System (CASE 2, 3) Figure 3. Diagram of Heat Source System 524 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018
지열시스템경제성분석 초기투자비초기투자비의구성항목은장비비및공사비로설정했으며장비비는시스템구성기기의제품가격이며공사비는자동제어공사, 배관공사로구성했으며지열시스템의경우지중열교환기공사및지중매립배관공사를포함한다. 장비비와공사비는현장견적자료및한국물가정보자료를기준으로한다. Table 6은 CASE 별초기투자비용을나타낸다. CASE 2과 CASE 3 의경우운영비산정방법의차이만고려하기때문에초기투자비는동일하게산정한다. Table 6. Initial Investment Cost by Case [1,000 Won] Case 1 Case 2 / Case 3 Standard EA Price Standard EA Price Absorption Chiller-Heater 240 RT 2 256,000 - Heat Pump - 50 USRt 9 378,000 Cooling Tower (Cross Flow) 350 CRT 2 56,000 - Coolant Pump 40 hp 3 35,400 - Geothermal Circulation Pump - 10 hp 10 32,000 Expansion Tank - 1 5,000 Automatic Control Construction 1 20,000 1 70,000 Geothermal Heat Exchanger Construction - 150 M 180 1,116,000 Machine Room Piping Work - 1 180,000 Underground Buried Piping - 1 140,000 Cooling Water Piping Work 1 80,000 - Total 447,400 1,921,000 운영비 냉난방부하산정시스템의운영비산정을위해에너지소비량산정이필요하며에너지소비량산정에는사용형태및냉난방부하분석이필요하다. 건물의냉난방부하산정시한국전력공사의표준냉방부하지수를기준으로월별평균부하율을산정했으며냉방기간은 6~9월, 난방기간은 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018 525
11월 ~2월로산정한다. 대상건물의월별냉난방부하는 Table 7과같다. 난방기간중 11월의경우난방기간을 15일으로산정하며이외의기간은한달전체를냉난방기간으로산정한다. Table 7. Monthly Load of the Target Building (a) Cooling Load Jun Jul Aug Sep Load Factor [%] 45 65 62 41 Operating Day [Day] 30 31 31 30 Monthly Load Daytime [RT-h] 60,885 90,396 86,909 54,810 (b) Heating Load Nov Dec Jan Feb Load Factor [%] 44 56 70 57 Operating Day [Day] 15 31 31 28 Monthly Load Daytime [Mcal] 62,869 166,546 205,229 153,095 에너지비용운영비용은각시스템의에너지소비량과사용된에너지의요금을통해산정하였다. Table 8 은경제성분석에활용된에너지원별요금정보이며, CASE 1은도시가스와전기에너지, CASE 2,3은전기에너지만을사용한다. 전기요금은한국전력에서제공하는전기요금표를참고하였으며, 일반용전력 ( 을 ) 고압 A 선택Ⅱ를활용하였다. 또한, 도시가스요금은보령지역의냉방용가스요금을활용하였다. Table 8. Price of Energy Source Electricity City Gas Basic Price [Won/kW] 8,320 Unit Price [Won/Nm 3 ] Time Energy Charge [Won/kWh] Summer (Jun Sep) Spring, Autumn (Mar-May, Sep-Oct) Winter (Nov Feb) Light Load 56.1 56.1 63.1 Middle Load 109.0 78.6 109.2 Maximum Load 191.1 109.3 166.7 Winter (Dec Mar) Summer (May Sep) Etc (Apr, Oct Nov) 968.16 598.24 929.74 Table 9는각 CASE 별에너지소비량을나타내며 Figure 4는에너지소비량과에너지요금을반영해각시스템의냉난방운전비를산정한결과를나타낸다. 526 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018
Table 9. Amount of Energy Used (a) Cooling Season Jun Jul Aug Sep Case 1 Electricity [kwh] 25,742 27,115 27,050 25,628 City Gas [Nm3] 17,657 26,215 25,203 15,895 Case 2 Electricity [kwh] 63,100 93,684 90,070 56,804 Case 3 Electricity [kwh] 80,881 108,645 107,457 79,248 (b) Heating Season Nov Dec Jan Feb Case 1 Electricity [kwh] 3,565 9,443 11,636 8,681 City Gas [Nm3] 7,230 19,153 23,601 17,606 Case 2 Electricity [kwh] 20,978 55,574 68,482 51,086 Case 3 Electricity [kwh] 31,455 77,536 90,186 72,276 CASE에따른운영비는분석결과냉방및난방기간에걸쳐운영비가가장크게나타난것은 CASE 1의흡수식냉온수기이며냉방운전비는 CASE 1을기준으로 CASE 2가약 27%, CASE 3이약 16% 절감되었으며, 난방기간동안의운전비는 CASE 1 대비 CASE 2와 CASE 3에서 53%, 42% 의에너지가절감되었다. (a) Cooling Season (b) Heating Season Figure 4. Operating Cost Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018 527
투자회수기간 Table 10은각 CASE 별초기투자비, 냉난방운전비및이를활용한회수기간을산정한결과를나타낸다. 흡수식냉온수기시스템을사용하는 CASE 1에비해지열히트펌프시스템을활용하는 CASE 2와 3의초기투자비용은약 4.3배많은금액이소요된다. 반면운영비용은 CASE 1을기준으로 CASE 2는약40% 절감되었으며실제운영데이터를활용한 CASE 3의경우약 29% 의에너지비용이절감되었다. 그리고투자회수기간은 CASE 2와 CASE 3은 CASE 1을기준으로각각 26.9년, 37년이소요되는것을확인하였다. Table 10. Result of Economic Analysis [1,000 Won] Case 1 Case 2 Case 3 Initial Cost 447,400 1,921,000 1,921,000 Cooling 64,528 47,186 54,466 Operating Heating 71,560 34,085 41,814 Cost Sum 136,088 81,271 94,956 Payback Period [year] Standard 26.9 37 결론 온실가스절감에대한중요성이높아지면서관련법규제정등으로지열히트펌프시스템의설치및사용을유도하는반면시공의어려움및높은초기투자비용으로인한경제성저하등의문제점에의해공공건축물또는소수의민간건축물을대상으로한정되어설치가되고있다. 국내에서지열경제성분석은표준상태의운전효율을기준으로분석을실시한다. 이는운영을통해운전상태및효율에따라에너지소비량이달라지기때문에운영데이터를적용했을때와차이를나타낼수있다. 본연구에서는지열시스템이설치된대상건물의운영데이터를활용해흡수식냉온수기시스템과기존경제성방법을활용한지열시스템과의비교 분석을실시했으며본연구의결과는다음과같다. (1) 운영데이터를활용한지열시스템의경제성분석을위해 1년간의지열측, 냉온수측온도및운전시간등의운영데이터수집을실시했다. 지열측입구온도의변화및이에따른운전효율분석실시했으며 CASE 3의운영비산정에이를활용한다. (2) 초기투자비의경우흡수식냉온수기시스템대비지열시스템이약 4.3배많은금액이소요된다. 운영비의경우흡수식냉온수기시스템의비용이가장크게나타났으며냉방을기준으로 CASE 2의경우약 27%, CASE 3이약 16% 절감되었으며난방운전시 CASE 1대비 CASE 2는 53%, CASE 3은 42% 의에너지가절감된다. (3) 지열시스템이흡수식냉온수기시스템에비해초기투자비는높으나운영비가적게소요된다. 초기투자비및운영비를통한투자회수기간분석시 CASE 1을기준으로 CASE 2 는초기투자비용을회수하는데 26.9년이걸리며 CASE 3은 37년이걸리는것으로분석된다. 528 Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018
본연구를통해운영을통한지열측입구온도변화및이에따른운전효율변화에따라에너지소비량이달라짐으로경제성분석시운영데이터적용유무에따른분석결과의차이를확인했다. 운영시여름철지열측입구온도의상승등으로인해지열시스템의효율이저하되며운영비용이증가하며회수기간이길어지는것을확인했다. 지열시스템의효율적인운영등의개선을통해지열시스템의경제성을확보할수있으며지열히트펌프시스템의보다정확한경제성분석을위해운영데이터적용이필요하다. 후기 본연구는국토교통부국토교통기술촉진연구사업의연구비지원 (18CTAP-C143443-01) 에의해수행되었습니다. References 1. 고명진, 오중근, 김용인, 김용식. (2007). 투자비회수기간법을이용한공공청사적용축열식지열히트펌프시스템의경제성평가. 한국태양에너지학회, 27(4), 175-182. 2. 김득원, 이동원, 허재혁, 김민휘. (2018). 축열식지열원히트펌프시스템의냉방기간실증운전결과및운영비용분석. 대한설비공학회, 30(4), 167-174. 3. 남유진, 채호병. (2014). 공기및지열이용 Dual-Source 히트펌프시스템의성능실험및경제성분석. 대한설비공학회, 26(5), 212-217. 4. 이기창, 홍준희, 공형진. (2016). 지열히트펌프와지역냉난방시스템의운영사례를중심으로경제성비교분석연구. 대한설비공학회, 28(3), 103-109. 5. 이일규, 강현욱, 원유만, 김용수. (2011). LCC 분석을통한도시가스와지열냉난방설비의경제성평가, 대한건축학회, 27(1), 161-168. Journal of KIAEBS Vol. 12, No. 5, 2018 529