‡Corresponding author: +82-33-250-8551, E-mail: [email protected]
<Short Note>
우리나라 지열시스템 이용현황 업데이트(2008-2011)
권구상1․이진용1,‡․목종구2
1강원대학교 지질학과
2(주)지오쓰리에코
Koo-Sang Kwon, Jin-Yong Lee and Jong-Koo Mok, 2012, Update of current status on ground source heat pumps in Korea (2008-2011). Journal of the Geological Society of Korea. v. 48, no. 2, p. 193-199
(Koo-Sang Kwon and Jin-Yong Lee, Department of Geology, Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea; Jong-Koo Mok, Geo3eco Co., Ltd., Kangwon National University, Chuncheon 200-701, Korea)
1. 서 론
정부 간 기후 변화 협의체(IPCC: Intergovernmental Panel on Climate Change)는 지구 온난화 및 이상 기상 현상이 전 세계에서 관측되거나 일부 국지적으 로 관찰 되었다고 발표하였다(Nordell, 2003). 지구 온난화를 일으키는 대표적인 온실 가스는 이산화탄 소로 알려져 있다. 이산화탄소는 화석 연료를 연소 할 때 발생되기 때문에 이산화탄소의 배출을 줄이기 위해 이를 대체할 에너지원으로 지하 열에너지가 주 목 받고 있다(심병완과 이철우, 2010). 이것을 이용한 기술이 지열히트펌프(GSHPs: Ground Source Heat Pumps)로 친환경적이며 그 효율성이 매우 뛰어나 다(USEPA, 1993).
국내에서 지열에 관한 연구는 1924년 일제강점기 시대에 온천 조사를 목적으로 처음 시작되었고 1990 년대에 들어서면서 지열에너지 이용 사업을 진행하 기 위해 연구가 본격적으로 실행되었다(송윤호 외, 2006). 2000년대에 들어서부터 지열에너지 보급이 활발하게 진행 되었다. 기존의 지열에너지시스템은 심부에너지를 이용하는 개념이었지만 최근에는 천 부의 지중열 에너지를 이용하여 냉난방을 하는 단계 까지 발달하였다(심병완과 이철우, 2010). 우리나라 는 4계절이 뚜렷하게 관찰되기 때문에 여름철(23~
27℃)과 겨울철(-6~7℃)의 기온 차이가 크게 발생한 다(Lee, 2009). 그러나 지하수의 연평균 온도는 약
70 m 깊이에서 10~18℃의 범위로 대기와 달리 계절 에 큰 영향을 받지 않으며 비교적 일정하게 유지된 다(Lee, 2009). 따라서 이러한 지하(수)의 온도 조건 은 지열시스템을 적용하기에 적합하다.
국내에 설치된 GSHPs 적용 현황에 대해 통계적 으로 설치개수, 용량, 비용, 천공 깊이, 천공개수, 보 온재, 지열순환펌프, 그라우트, 부동액 등의 현황에 대한 연구가 진행되었다(안재영 외, 2011; Lee, 2009).
본 논문은 Lee (2009)의 연구 이후 국내의 지열시스 템 이용현황에 대해 최근 자료(2008년 9월~2011년 11월)를 이용하여 연도별 설치개수, 설치용량, 시설 용도, 지역별 분포, 설치유형, 천공개수, 천공 깊이, 설치비용 등의 비율을 계산하여 국내 지열시스템 이 용현황에 대한 통계를 신규 보완, 제공하고 있다.
2. GSHPs 설치현황
2.1 설치개수 및 설치용량
Lee (2009)의 자료와 함께 2000년부터 2011년까 지 GSHPs 보급 현황을 도시한 결과 설치개수가 2000년부터 꾸준히 증가하는 추세로 나타났다(그림 1a). 누적 설치개수는 2011년 11월을 기준으로 965 개로 2000년 2개에서 11년 동안 비약적으로 증가하 였다. 2005년부터 매해 비슷한 설치개수를 보이고 있다. 그러나 2011년에는 예년보다 설치개수(100-150) 가 약 2배(270) 가까이 증가한 것을 볼 수 있다. 또한,
194 권구상․이진용․목종구
Fig. 1. Applications of GSHP system in Korea. (a) number of GSHP installation for 2000-November (installation years of 99 cases are unknown) and (b) system capacity (289 cases are capacity unknown). (from Lee (2009)).
연도별 설치용량도 설치개수와 비례하여 증가하고 있다(그림 1b). 2005년까지 누적용량이 약 50 MWt 에서 2011년 450 MWt로 2000년부터 2005년까지 5년 동안 설치된 용량과 2006년부터 2011년까지 설치된 용량을 비교하면 9배가 증가한 것을 볼 수 있다.
2011년의 경우 설치용량에 대한 자료가 부족하여 사용하여 농업/영농 시설과 수산업분야에 대해 시 설용도별 평균용량(mean capacity)을 추정 값으로 사용하였다. GSHPs의 설치개수 및 설치용량은 농 어업에너지이용효율화 사업, 그린홈 100만 가구 사 업(연합뉴스, 2008)등이 진행 되면서 급수 적으로 증 가한 것으로 판단된다. 이는 국내의 GSHPs의 기술 발전과 더불어 지열시스템 보급 사업이 안정화 되고 있는 것으로 볼 수 있다. 에너지관리공단 신·재생에 너지센터에의 2011 에너지보급통계 자료는 2012년 에 발간되기 때문에 2011년의 통계자료는 합산하지 못 하였다. 2011년 에너지보급통계 자료를 합산한다 면 설치용량은 더욱 증가할 것이다.
2.2 시설용도와 설치용량
설치된 GSHPs의 시설용도와 설치용량을 비교해 보았다. Lee (2009)의 논문에서는 시설용도를 공공 시설, 교육기관, 사회복지, 농업/영농, 종교, 상업으 로 구분하였지만 본 논문에서는 주거시설, 의료시 설, 체육/문화시설, 수산업을 추가하여 조금 더 세
분화 하였다. 수산업 29.5%, 농업/영농 25.9%로 가 장 많았으며 주거시설 9.1%, 공공시설 6.7%, 교육시 설 6.3%, 체육/문화시설 6.1%, 상업 5.9%, 사회복지 4.0%, 의료시설 2.7%, 종교 2.3%, 기타 1.7%의 순으 로 나타났다(그림 2a).
Lee (2009)의 논문에서는 공공시설과 상업에 GSHPs 의 설치가 많이 이루어 졌지만 최근에는 수산업 및 농업/영농, 주거시설이 많이 설치된 것으로 나타났 다. GSHPs의 도입초기에 국가기관을 주 대상으로 실행되던 사업이 국고 지원을 받으며 국내에서 실행 되면서 신·재생 에너지 보급이 활발하게 이루어졌 다. 따라서 국가의 지원이 뒷받침 되면서부터 주거 시설, 농업/영농시설, 수산업에 대해 GSHPs의 설 치 비율이 증가한 것으로 판단된다.
설치용량(1 usRT=3.517 kW)을 비교하기 위해 Lee (2009)가 제시한 다섯 등급으로 나누어 그 비율을 계산하였다. 그 결과 175 kW 미만은 10.9%, 175-351 kW는 8.4%, 351-703 kW는 14.9%, 703-1758 kW는 62.8%, 1758 kW 이상은 3.0%로 나타났다(그림 2b).
Lee (2009)의 논문에서는 175 kW 미만인 것이 39.2%
로 가장 높은 비율을 차지하며 고용량으로 갈수록 그 비율은 감소하였지만 본 연구에서는 703-1758 kW 의 중·고용량이 약 63%가 설치되는 등 중·고용량의 설치 비율이 증가 하였다. 이는 농업/영농시설과 수 산업에 대해 설치비율이 증가하고 주거시설에서 개
Fig. 2. Distribution of (a) usage and (b) system capacity of GSHPs. The usage is known for all 526 installations but system capacity is known for only 368 cases.
Fig. 3. Local distribution of the installed GSHPs (5 in- stallations are unknown for locality).
인주택뿐만 아니라 빌라, 아파트와 같이 고용량을 필요로 하는 시설에 GSHPs가 설치됨에 따라 중·고 용량의 설치 빈도가 높게 나타난 것으로 해석된다.
2.3 GSHPs의 지역별 분포 및 설치유형
자료를 지역별로 설치비율을 분포한 결과 경기도 가 17.1%로 가장 높게 나타났으며 전남 16.9%, 경남 12.5%, 전북 11.4%, 충북 8.7%, 충남 6.1%, 경북 5.3%, 강원 5.1%, 서울 5.1%, 제주 3.8%, 광주 1.7%, 대구 1.3%, 인천 1.3%, 대전 1.1%, 부산 0.8%, 울산 0.4%로 나타났다(그림 3). 도심지 보다 그 외의 지역 에 많이 설치된 것으로 나타났다. 시설용도별로 분 포하였을 때 축산업, 농업/영농이 높은 비율을 차지 하는 것과 지역별 설치비율은 밀접한 관계가 있음을 보여준다. 전남과 전북을 제외하면 Lee (2009)의 논 문과 비율의 차이는 있지만 분포패턴은 유사하게 나 타났다(그림4). 전남과 전북의 시설용도는 농업/영 농, 주택 등의 개인적인 시설과 공공시설, 교육, 의 료, 복지 시설 등 지역 발전을 위한 시설이 주로 설치 되었다.
설치유형은 지중열교환기(BHE: Borehole Heat Exchanger)의 종류에 따라 밀폐형(closed loop system, GCHP)과 개방형(open loop system, GWHP)으로 나뉜다. 밀폐형은 파이프에 유체(물과 부동액)를 순 환시켜 지중 열교환기로 열에너지를 교환한다. 개방
형은 지하수 또는 지표수를 유체로 이용하며 한 개 또는 두 개의 관정에서 양수하고 동일관정이나 다른 관정에 재주입하는 방식이다. 밀폐형과 개방형은 각 각 80%와 16.4%를 차지하고 있다. 밀폐형 중 수직 밀폐형(vertical closed system)은 74.5%, 개방형 (SCW: Standing Column Well)은 16.4%로 나타난 다(그림 5). Lee (2009)의 결과는 수직 밀폐형과 개 방형이 약 65%와 29%를 차지하였으나 현재는 수직 밀폐형이 75%, 개방형이 16%로 수직 밀폐형이 증가
196 권구상․이진용․목종구
Fig. 4. Comparative patterns of local distribution.
Fig. 5. Types of GSHPs installed in Korea for September 2008-November 2011 (types of 195 cases among 526 installations are unknown).
GSHP types BHE/well depth (m) Number of installations Mean (m) Standard deviation (m)
Vertical closed 100 - - -
101-120 1 115 -
121-150 17 150 0
151-200 3 188 20
201-250 1 500 -
Subtotal 22 170 76
SCW 300 2 155 7
301-400 2 350 14
401-500 4 450 0
500 - - -
Subtotal 8 351 129
Relevant information of BHE was not available for 496 installations.
Table 1. Drilling depths of borehole heat exchangers (BHE) for GCHPs and well depths for SCW (-: unknown data).
하고 개방형이 감소한 것으로 나타났다. 국내에서 가장 먼저 보급된 형식은 폐회로형(closed loop)으
로 GSHPs의 대부분이 수직 밀폐형이다(심병완과 이철우, 2010).
개방형은 2004년부터 보급 되었으며 국내의 경우 개방형 시스템이 유리한 지역이 많지만 제도적 어려 움으로 도입되지 못하고 있다(심병완과 이철우, 2010;
Lee et al., 2006). 또한, 설치방식에 따라 천공 깊이 의 차이를 보이고 있다(표 1). 수직 밀폐형의 경우 121-150 m, 개방형은 401-500 m의 범위에서 가장 많이 설치되었으며 그 평균은 각각 170 m, 351 m로 나타났다. Lee (2009)의 결과와 비교하면 평균 깊이 는 수직 밀폐형과 개방형 모두 ±20 m내의 오차범위 로 비교적 큰 차이가 없으며 설치비율도 비슷한 분 포양상을 갖는다. 보편적으로 가장 많이 활용되는 천공 깊이는 우리나라의 지열류량 및 암반의 특징으 로 인해 크게 바뀌지 않는 것으로 판단된다.
2.4 천공개수 및 설치비용
천공개수는 10공 미만이 15.2%, 10-30공 21.2%, 30-50공 21.2%, 50-70공 9.1%, 70공 초과는 33.3%로 나타났다(그림 6). Lee (2009)의 자료를 이용하여 본 논문에서 도시한 방법으로 천공개수를 비교해본 결 과 10-30공, 30-50공, 50-70공은 큰 차이를 보이지 않 았다. 그러나 10공 미만은 감소, 70공 초과는 증가하 는 차이를 나타냈다. 같은 용량을 설치할 때 천공개 수는 개방형이 수직 밀폐형보다 적게 요구된다. 수 직 밀폐형은 1공당 약 2.7 usRT, 개방형은 천공 깊이 500 m를 기준으로 1공당 약 30 usRT를 갖는다. usRT 당 천공개수를 적게 필요로 하는 개방형의 설치가
Fig. 6. Number of boreholes for vertical closed loop sys- tem and groundwater wells for SCW system.
GSHP types Proportion (%) System capacity (kW) Total installation cost (million won) Vertical closed 74 956±2,062a 1,041±200
SCW 26 745±189 858±215
Total 100 901±1,771 994±172
a Mean ± standard deviation.
Table 2. Installation costs of GSHPs systems in Korea (n=31).
GSHP types Proportion (%) Unit cost Minimum/maximum unit cost
Vertical closed 74 415±46a 342/600
SCW 26 405±13 400/440
Total 100 412±40 342/600
a Mean ± standard deviation.
Table 3. Unit installation costs (ten thousand won/usRT) of GSHPs systems in Korea (n=31).
감소하고, 천공개수를 많이 필요로 하는 수직 밀폐 형의 공법이 더 활발하게 적용된 것과 설치용량이 증가하면서 필요로 하는 천공 개수가 증가한 것으로 보인다.
설치비용에 영향을 주는 요인은 설치용량 및 설 치유형이다(Lee, 2009). 2008년 9월부터 2011년 11 월까지 조사된 자료를 총비용 및 단가(=cost/usRT) 로 나누어 도시하였다(그림 7). 그 결과 총비용은 2 억원 미만이 6개, 2-4억원 11개, 4-6억원 12개, 6-8억 원 12개, 8-10억원 7개, 10-12억원 6개, 12-100억원 미만이 18개로 나타났다(그림 7a). 이를 단가로 환산 하면 320-360만원 1개, 360-400만원 4개, 400-440만 원 35개, 440- 480만원 8개, 480-520만원 1개, 520- 600만원 9개로 나타난다(그림 7b). Lee (2009)의 자 료는 총비용 2-4억원이 가장 많았으며 10-12억원의
비용이 가장 적게 나타났다. 대체로 큰 비용의 설치 가 적었다. 그러나 최근 자료에 의하면 설치비용이 12억-100억 사이로 큰 규모의 GSHPs가 설치되었 다. 또한, 단가를 보면 400-440만원에서 가장 많이 이루어지고 있다.
에너지관리공단에서 2010년과 2011년에 일반시 설물에 대해서 정한 최대단가와 일치하며 520-600 만원에서 많은 GSHPs가 설치되었는데 이는 주거시 설에 대해 정해진 최대 단가에 근접한다. Lee (2009) 의 논문과 비교하면 수직 밀폐형의 경우 평균 306 kW에서 956 kW, 표준편차는 208 kW에서 2,062 kW로 나타났다. 최근 자료에서 표준편차 값이 크게 나온 이유는 9,200 kW급의 고용량 시설이 설치되었 기 때문이다. 개방형은 평균 503 kW에서 745 kW, 표준편차는 278 kW에서 189 kW로 나타났다(표 2).
Lee (2009)의 자료와 비교하면 수직 밀폐형은 약 3 배, 개방형은 약 1.5배 설치용량이 증가 하였다. 설치 용량이 증가하면서 총비용이 증가하였다. 총비용은 수직 밀폐형 3억 7천만원, 개방형 5억 8천만원에서 최근에는 각각 10억 4천만원, 8억 5천만원으로 설치 비용의 증가율은 3배, 1.5배로 설치용량의 증가율과 유사하게 나타났다. 최근에 설치된 GSHPs의 총용 량과 총비용의 평균값을 비교해보면 366 kW, 4억 3 천만원에서 901 kW, 10억원으로 나타났다. 설치용 량이 증가하면 설치비용이 증가하는 용량과 비용의 관계를 잘 보여준다.
단가를 살펴보면 수직 밀폐형은 평균 415만원, 최소 342만원과 최대 600만원이며, 개방형은 평균 405만원, 최소 400만원, 최대 440만원으로 GSHPs
198 권구상․이진용․목종구
Fig. 7. Distribution of (a) total installation costs and (b) unit (per 1 usRT) installation cost ($1=1,156 won).
Date Number of GSHPs Unit cost Minimum/maximum unit cost
2008 5 408±18a 400/440
2009 18 407±15 400/440
2010 6 404±36 343/440
2011 2 403±5 400/407
a Mean ± standard deviation.
Table 4. Change in unit installation costs (ten thousand won/usRT) of GSHPs for September 2008-November 2011.
의 총 단가는 평균 412만원, 최소 342만원, 최대 600 만원으로 나타났다(표 3). Lee (2009)의 논문과 최근 의 단가를 비교하면 수직 밀폐형과 개방형의 비용이 1~3% 감소하였다. 2009년에는 설치유형에 따라서 최대 단가가 정해졌다(에너지관리공단, 2009). 수 직 밀폐형 440만원, 개방형 404만원이다. 2010년은 일반시설물과 가정용 시설에 대해서 단가가 분류되 었다. 2010년 개방형의 경우 가정용에 적용된 최대 단가가 657만원에서 2011년에는 600만원으로 감소 하였다(에너지관리공단, 2010, 2011). 일반 건물에 적 용되는 단가는 441만원으로 2010년과 2011년에 동 일하다. 최대로 적용할 수 있는 비용을 책정하여 GSHPs를 설치하는데 사용되는 초기 투자비용에 대한 부담을 줄이기 위한 일환으로 보인다.
2008년 9월부터 2011년 11월까지 연도별로 단가 를 살펴보면 400-450만원이다(표 4). Lee (2009)의 자료와 비교해보면 2006년부터 단가가 비슷하게 유 지되는 것으로 볼 수 있다.
3. 결 론
본 연구에서는 국내에 적용된(2008년 9월~2011 년 11월) GSHPs에 대해 연도별 설치개수, 설치용 량, 시설용도, 지역별 분포, 설치형식, 천공개수, 천 공 깊이, 비용 등에 관한 자료를 최근 자료로 신규 보 완하였다.
GSHPs의 설치개수와 설치용량은 2000년부터 지 금까지 꾸준히 증가하고 있는 것으로 나타났다. 이 는 2008년 8월부터 정부의 그린홈 사업과 농어업에 너지이용 효율화사업 등 국가적 차원에서 지원을 하 며 그 수가 증가한 것으로 판단된다. 축산업 주거시 설 및 농업/영농시설이 전체의 64.5%를 차지하였 다. 설치용량은 703-1758 kW (100-200 usRT)로 나 타났다. 지역별 설치 비율은 전남과 전북을 제외한 나머지 지역에서는 과거와 큰 변화가 없었다. 수직 밀폐형 75%, 개방형 16%로 대부분이 수직 밀폐형으 로 설치되었다. 설치용량이 증가함에 따라 천공 수
가 증가 하였다. 천공 깊이는 수직 밀폐형에서 대체 로 150-200 m, 개방형은 401-500 m에서 이루어지고 있다. 용량과 설치형식에 따라 비용의 차이가 있으 며 용량이 증가 할수록 비용이 증가하고 수직 밀폐 형이 개방형보다 더 많은 비용이 요구된다. 총비용 은 증가하였지만 단가는 2006년 이후 400-450만원 으로 유지되고 있다.
GSHPs 설치에 있어 초기 투자비용은 많은 부담 이 되는 측면이다. 따라서 비용적인 측면을 해소하 기 위해 국가 지원을 늘릴 필요가 있다. 또한, 국내의 지질학적 특성 및 지열류량 분포에 따라 적합하게 지열시스템을 설치하기 위해 제도적 개선과 지속적 인 연구가 필요하다.
사 사
본 연구는 환경부 “토양․지하수오염방지기술개 발사업(171-101-011)”의 지원으로 수행되었습니다.
자료수집에 도움을 준 한국농어촌공사 강원지역본 부 김기업 차장님과 강원대학교 지질학과 최주아 학 생에게 감사를 드립니다. 또한 건설적인 수정의견을 주신 중원대 김형수 교수님과 충남대 장찬동 교수님 께 깊이 감사드립니다.
참고문헌
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안재영, 이진용, 목종구, 2011, 국내 지열히트펌프시스템 의 기술적 적용분석(2009-2010). 지질학회지, 47(1), 89-96.
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투 고 일 : 2012년 2월 27일 심 사 일 : 2012년 3월 2일 심사완료일 : 2012년 3월 21일
