[논문]개별난방과 지역난방방식의 에너지절감 및 환경개선효과 분석

임용훈; 김혁주

문제 정의

또한 배출계수 측면에 있어서도 이전 한국도시가스협회의 연구[2]에서는 개별난방방식은 청정연료인 LNG 가스만 사용한다고 가정하였으므로 비교적 낮은 배출계수가 적용되어 개별난방방식의 환경오염배출량이 적게 산출되는 경향이 있었다. 그러나 본 연구에서는 국내 화력발전 운영실적을 바탕으로 개별난방방식의 전력생산에 석탄과 석유를 사용한 화력발전의 영향을 감안해줌으로서 보다 현실적인 환경오염물질 배출량이 산출되었다고 볼 수 있다.
또한 지역난방방식의 열원구성이 열병합발전 설비로 구성되어 있는 경우, 열 및 전기가 동시에 생산되므로 개별난방방식의 경우도 열뿐만 아니라 전기도 일반 화력발전을 통하여 동일한 양을 생산한다는 가정을 적용하여 분석을 수행하였다. 다만 지역난방방식의 배관 손실처럼 개별난방방식에서는 화력발전을 통한 전력 생산에서 송 • 배전 손실이 발생할 수 있으므로 이에 대한 영향을 Grid loss로 반영함으로서 각 난방방식별로 형평성을 유지하고자 하였다[6].
본 연구에서는 가능한 이론적인 접근을 지양하고 실제 운영실적을 바탕으로 보다 현실적인 에너지절감 및 환경개선 효과를 예측하고자 하였으며, 이를 위하여 지역난방방식의 경우는 2002년도부터 2004년도까지의 운영실적 자료를, 개별난방방식은 국내 화력발전소의 최근(2003^~2004년) 운영실적에 근거하여 발전에 소요되는 연료사용량을 산출하였다.
운영방식이 상이한 난방방식별 에너지절감 효과를 비교하기 위해서는 분석기준이 되는 생산량의 범위를 우선 정해야 하는데, 예를 들어 지역난방방식의 지사별 열 및 전기 생산량이 기준이 될 수 도 있고, 혹은 개별난방방식이 적용되고 있는 특정 지역에 공급되는 열 및 전기량을 기준으로 삼을 수 도 있다. 본 연구에서는 각 에너지량의 통계자료의 입수가 용이한 전자의 경우를 기준으로 하여 분석을 수행하였다. 즉 지역난방 방식이 공급하고 있는 지역을 대상으로 하여 동일한 열 및 전기량을 개별난방방식으로 생산할 경우 소비되는 연료사용량을 산정, 에너지절감효과를 분석하고자 한다.
본 연구에서는 개별난방방식 대비 지역난방방식의 에너지절감 및 환경개선 효과 분석에 있어 공정하고 보편타당한 분석방법을 수립하여 적용함으로서 난방방식별 에너지절감 및 환경개선 효과와 관련하여 객관적인 분석결과를 제시하고자 하였다. 이를 위하여 2002년^~2004년도 지역난방 사업장의 운영실적 데이터를 바탕으로 본 연구에서 수립한 ‘동일 열/전기 생산량’ 분석기준을 적용하여 열원 구성에 따른 에너지절감 및 환경개선 효과를 분석 제시하였으며 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 공동주택에 공급되는 중앙난방 방식의 하나인 지역난방과 개별난방 방식의 에너지절감효과 및 환경에 미치는 영향 등을 파악하기 위하여 공정하고 보편타당한 분석 방법을 정립하고, 정립된 분석방법에 근거하여 국가적인 차원에서 에너지 이용효율의 극대화를 위한 분석 자료를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 각 에너지량의 통계자료의 입수가 용이한 전자의 경우를 기준으로 하여 분석을 수행하였다. 즉 지역난방 방식이 공급하고 있는 지역을 대상으로 하여 동일한 열 및 전기량을 개별난방방식으로 생산할 경우 소비되는 연료사용량을 산정, 에너지절감효과를 분석하고자 한다.

가설 설정

따라서 본 연구에서는 열 부분에 있어서는 동일 열생산량 기준을 적용하되 지역난방방식에서 발생하는 배관손실 부분은 개별난방방식의 열생산량에서 제외하기로 한다. 또한 지역난방방식의 열원구성이 열병합발전 설비로 구성되어 있는 경우, 열 및 전기가 동시에 생산되므로 개별난방방식의 경우도 열뿐만 아니라 전기도 일반 화력발전을 통하여 동일한 양을 생산한다는 가정을 적용하여 분석을 수행하였다. 다만 지역난방방식의 배관 손실처럼 개별난방방식에서는 화력발전을 통한 전력 생산에서 송 • 배전 손실이 발생할 수 있으므로 이에 대한 영향을 Grid loss로 반영함으로서 각 난방방식별로 형평성을 유지하고자 하였다[6].

제안 방법

개별난방보일러 효율 및 단지 내 배관손실은 아직 인용할만한 문헌자료가 없어 본 연구에서는 일반적으로 추정되는 값으로 가정하여 적용하였으며, 이와 같은 불확실성을 감안하여 각 변수별로 민감도 분석을 별도로 수행하여 에너지절감효과에 끼치는 영향을 분석하였다.
개별난방보일러 효율은 85%(저위발열량기준)를 가정하여 적용하였으며, 지역난방 열배관 손실은 수송손실 4%, 단지 내 배관손실 11%, 도합 15%를 적용하였다. 또한 개별난방방식의 전력 송배전손실은 최근 4년간의 평균 손실율 4.
단지 내 배관손실의 경우도 개별보일러 효율과 마찬가지로 공동주택 단지의 내구연한 및 설비의 특성에 따라 그 범위가 매우 크게 나타날 것으로 예상되고 있으나 아직까지 인용할 수 있는 명확한 근거자료의 부재로 인해 본 연구에서는 대략 11% 수준으로 추정하여 적용하였다. 향후 난방방식별 에너지절감 효과와 관련하여 보다 정확하고 논쟁의 소지를 줄이기 위해서는 상기한 값들에 대해 실제 운영상에서 발생하는 데이터 산출을 위한 연구가 수행되어야 할 것이다.
개별난방보일러 효율은 85%(저위발열량기준)를 가정하여 적용하였으며, 지역난방 열배관 손실은 수송손실 4%, 단지 내 배관손실 11%, 도합 15%를 적용하였다. 또한 개별난방방식의 전력 송배전손실은 최근 4년간의 평균 손실율 4.5%(출처:에너지경제연구원 통계정보)를 적용하였다.
본 연구에서는 미국의 EPA 배출계수를 적용하여 환경오염물질 배출량을 예측하고자 하며 일반적으로 배출계수를 적용하여 오염물질의 배출량을 산출하는 식은 다음과 같다.
상기한 결과는 개별난방방식의 전력생산에 있어 일반적인 화력발전소 효율 38%를 적용하여 소요된 연료사용량을 산출한 것이 아니라 국내 화력발전 실적자료를 근거로 하여 가스화력 뿐 아니라 석탄, 석유화력의 실적을 고려하여 발전 형태별 가중치를 적용하여 소요된 연료사용량을 산출하였다.
본 연구에서는 개별난방방식 대비 지역난방방식의 에너지절감 및 환경개선 효과 분석에 있어 공정하고 보편타당한 분석방법을 수립하여 적용함으로서 난방방식별 에너지절감 및 환경개선 효과와 관련하여 객관적인 분석결과를 제시하고자 하였다. 이를 위하여 2002년^~2004년도 지역난방 사업장의 운영실적 데이터를 바탕으로 본 연구에서 수립한 ‘동일 열/전기 생산량’ 분석기준을 적용하여 열원 구성에 따른 에너지절감 및 환경개선 효과를 분석 제시하였으며 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.

성능/효과

HOB 운영 한전비수열지사의 경우 소각수열로 인한 영향이 클수록 에너지절감효과가 높게 나타나고 있는 것을 알 수 있었다. 하지만 소각수열이 이루어지지 않거나 그 비율이 높지 않은 경우에는 개별난방방식에 비해 오히려 에너지절감 효과가 좋지 않은 것으로 분석되었다.
운영 사업장 형태별 에너지절감효과를 분석한결과, 한전수열지사의 경우는 개별난방 대비 연평균(최근 3년간) 27%, 자체 CHP 운영 한전비수열지사의 경우는 26% 정도의 에너지절감 효과를 갖는 것으로 예측되었다. HOB 운영 한전비수열지사의 경우는 개별난방 대비 연평균 8% 정도의 에너지절감 효과를 거두고 있는 것으로 분석되었으나 소각열을 활용하지 않는 경우에는 개별난방방식의 에너지절감효과가 오히려 더 우수한 것으로 분석되었다.
각 오염물질별로 한전수열지사는 지역난방방식이 개별난방방식에 비해 환경개선효과가 좋은 결과를 보이고 있으며 GS power의 경우도 한전수 열지사와 같이 복합화력발전을 근간으로 하고 있으므로 한전수열지사보다 개선효과가 좀 떨어지기는 하지만 비교적 높은 개선효과를 나타내고 있다. 반면 자체 CHP를 운영 중인 한난지사의 경우는 CO₂ 및 Dust를 제외한 오염물질에 대하여 개별난방방식 대비 저조한 환경개선효과를 보이고 있으며 열전용지사의 경우는 Dust를 제외한 오염물질에 대하여 개별난방방식에 비해 환경오염물질을 좀 더 배출하는 것을 알 수 있다.
난방방식별 환경개선효과를 살펴보면 NOx, CO₂, Dust는 지역난방방식이 개별난방방식에 비해 각각 연평균 11, 44, 29%대의 환경개선 효과를 갖는 것으로 예측되었으나 SOx의 경우는 개별난방방식과 지역난방방식이 거의 비슷한 수준의 개선효과를 갖는 것으로 예측되었다.
난방방식별 에너지사용량 비교와 관련하여 국내 문헌 자료의 경우 2001년도에 한난에서 수행한 ‘지역난방방식의 에너지절감 및 환경개선 효과 분석’ 연구보고서[1]와 한국도시가스협회에서 2003년도에 수행한 ‘도시가스와 지역난방사업의 균형발전’연구보고서[2] 이외에 실증데이터를 근거로 한 난방방식별 에너지절감 및 환경개선효과를 비교한 자료는 거의 전무하였다. 대부분의 자료는 난방방식별 에너지소비량 및 에너지사용실태에 대한 조사에 치우쳐 있었으며 전반적인 내용에 있어 에너지사용실태 조사에서는 지역난방의 경우가 개별난방에 비해 에너지를 더 사용하는 것으로 나타났다. 지역난방과 중앙난방의 경우 열량계 미부착의 경우가 더 많은 열량을 사용하는 것으로 조사되고 있다[3,4].
동일 열 및 전기 생산량 기준’을 적용함으로서 한난의 지사별 열원구성에 따라 별도의 분석기준을 적용하지 않고 동일한 분석기준을 적용할 수 있게 되어 분석 결과의 일관성 및 신뢰도를 높일 수 있었다.
본 연구에서 적용되고 있는 분석 기준은 가능한 실제 운영되고 있는 실적자료를 근거로 하고자 하므로 보일러 효율과 관련해서도 실제 운영 상에서 발생할 수 있는 효율 저하요인을 감안, 저위발열량 기준 85%를 적용하기로 한다. 2003년 한국도시가스협회연구[2]에서도 저위발열량기준 85%의 보일러 효율을 적용한 바가 있다.
<표 A-1> 기존 연구사례 분석

분석방법의 객관성 및 보편타당성 측면에서 볼 때 배관 열손실 부분은 지역난방방식의 특성으로 인정하여 최종 사용열량에서 제외하는 것이 타당한 것으로 판단되며, 에너지사용실태는 사용자의 취향에 따라 주관적으로 반영될 수 있는 문제이므로 난방방식별로 다른 열량 기준을 적용하는 것은 바람직하지 않은 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 열 부분에 있어서는 동일 열생산량 기준을 적용하되 지역난방방식에서 발생하는 배관손실 부분은 개별난방방식의 열생산량에서 제외하기로 한다.
운영 사업장 형태별 에너지절감효과를 분석한결과, 한전수열지사의 경우는 개별난방 대비 연평균(최근 3년간) 27%, 자체 CHP 운영 한전비수열지사의 경우는 26% 정도의 에너지절감 효과를 갖는 것으로 예측되었다. HOB 운영 한전비수열지사의 경우는 개별난방 대비 연평균 8% 정도의 에너지절감 효과를 거두고 있는 것으로 분석되었으나 소각열을 활용하지 않는 경우에는 개별난방방식의 에너지절감효과가 오히려 더 우수한 것으로 분석되었다.
위의 결과에서 볼 수 있듯이 난방방식별 환경개선효과를 분석해보면 SOx는 연평균 -0.6%, NOx, CO₂, Dust 는 각각 개별난방방식 대비 11%, 44%, 29%대로서, SOx를 제외한 환경오염물질에 대하여 지역난방방식이 개별난방방식에 비해 환경개선효과가 우수하게 나타나는 것을 볼 수 있다.
[그림 2-3]에서 보는 바와 같이 개별보일러 효율 및 단지 내 배관손실에 대한 에너지절감효과에 대한 민감도는 대략 선형적인 특성을 보이고 있으며 지사별로 살펴보면, 열 및 전기를 동시에 생산하는 CHP 방식의 지사들의 경우보다는 열만을 생산 • 공급하는 HOB 운영지사의 민감도가 상대적으로 큰 것을 알 수 있다. 전체적으로 볼 때, 개별난방보일러의 효율 및 단지 내 배관손실의 정도에 따라 에너지절감효과가 어느 정도 변하기는 하지만 큰 틀에서의 에너지절감효과 결과가 바뀌는 주요요소는 아닌 것으로 판단된다.

후속연구

단지 내 배관손실의 경우도 개별보일러 효율과 마찬가지로 공동주택 단지의 내구연한 및 설비의 특성에 따라 그 범위가 매우 크게 나타날 것으로 예상되고 있으나 아직까지 인용할 수 있는 명확한 근거자료의 부재로 인해 본 연구에서는 대략 11% 수준으로 추정하여 적용하였다. 향후 난방방식별 에너지절감 효과와 관련하여 보다 정확하고 논쟁의 소지를 줄이기 위해서는 상기한 값들에 대해 실제 운영상에서 발생하는 데이터 산출을 위한 연구가 수행되어야 할 것이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	우리나라의 주거형태는 크게 어떻게 구분할 수 있는가?	우리나라 주거형태는 크게 나누어서 단독주택과 공동주택으로 구분할 수 있다. 주거형태에 따라서 난방열 공급방식은 여러 가지가 있을 수 있으나 대표적으로 단독주택의 대부분과 아파트 등 공동주택에도 많은 보급률을 보이는 개별난방방식과 공동주택이나 오피스텔 등 중대규모 집단에 적용되고 있는 중앙난방방식, 그리고 근래 보급이 점차 확대되고 있는 지역난방방식으로 크게 나눌 수 있다.
	지역난방 설비의 장점은 무엇인가?	대규모의 지역난방 설비는 대규모의 열과 전기를 필요로 하는 대단위 주거지역이나 신규개발지구를 대상으로 법적 고시 절차를 거쳐 결정되고 실시된다. 지역난방은 기존의 전기만을 생산하는 설비의 발전효율이 30-40%로서 60-70% 에너지가 폐기되던 것을 폐기열의 상당량을 회수하여 인근의 대규모 주택 및 상업지구 건물의 냉난방에 이용할 수 있도록 연계시킴으로서 종합효율 75-80%까지 향상시킴으로서 발전설비의 에너지 효율을 극대화시키는 매우 우수한 열사용 방식이다.
	개별난방방식의 장점은 무엇인가?	개별난방방식은 각 가정에 개별적으로 손쉽게 설치가 가능하고 사용자들이 필요시에 마음대로 운전할 수 있는 장점이 있기 때문에 가장 보급률이 높은 난방방식으로서 단독주택은 물론이고, 열전용 난방 보일러를 사용하던 공동주택이나 신규 공동주택에 있어서도 도시가스 가정용 보일러의 보급은 꾸준히 증가되고 있다. 그러나 최근에는 지역난방방식 및 소형열병합발전 방식에 점차 시장이 잠식되어 나가는 추세이며 2002년 이후 가스보일러 생산량이 계속적으로 감소하고 있다.

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