노후 단독주택을 대상으로 기존 도시가스 보일러를 공기열원 히트펌프 기반 바닥복사난방으로 전환할 경우 난방에너지가 최대 53% 절감되고 생애주기비용(LCC)에서도 우위를 확보할 수 있어 에너지절감과 경제성 측면에서 효과적인 대안이 될 수 있는 것으로 나타났다. 특히 온난지역일수록 성능과 경제성이 크게 개선돼 노후주택 중심의 난방 전기화 전략이 현실적인 탄소중립 해법으로 부상하고 있다.

이같은 연구결과는 송두삼 성균관대 건설환경공학부 교수와 김태윤 성균관대 건설환경시스템공학과 연구원이 공동으로 연구한 ‘노후 단독주택의 가스보일러 난방시스템을 공기열원 히트펌프로 전환할 경우의 에너지성능 및 경제성 분석’ 논문을 통해 밝혔다.

난방 탈탄소화, 히트펌프 핵심수단 

전 세계적으로 건물부문은 전체 에너지소비의 약 40%를 차지하는 핵심 에너지 소비처로, 산업·교통부문과 함께 기후변화 대응의 핵심관리대상으로 인식되고 있다. 특히 2050년 탄소중립 목표 달성을 위해서는 건물부문 온실가스 배출 저감이 필수적이다.

이에 따라 각국은 건물에너지 효율 향상과 함께 저탄소 냉난방기술 보급 확대를 주요 전략으로 채택하고 있다. 국내 건물부문 에너지비중은 약 20% 수준이지만 선진국 수준으로 증가할 것으로 예상된다. 특히 건물에너지 중 약 43%가 난방에너지에 집중돼 있어 난방부문의 탈탄소화가 시급한 과제로 지목된다. 이와 관련 정부는 제로에너지건축물 의무화, 그린리모델링 확대 등 정책을 추진하는 한편, 기존 화석연료 기반 난방을 전기 기반 히트펌프로 전환하는 전략을 핵심 수단으로 설정하고 있다.

한국의 주거형태는 아파트 등 공동주택이 전체 주거건물의 약 65% 이상을 차지하고 있다. 비수도권 지역에서는 단독주택 비율이 약 40～50% 수준에 이르러 공동주택 중심의 수도권과 뚜렷한 구조적 차이를 보인다 특히 건축 후 30년이 경과한 노후 단독주택 비율은 전체 단독주택의 54.2%(약 209만호)로 14.1%의 아파트보다 현저히 높은 수준을 보인다. 이들 노후주택은 단열 및 기밀 성능이 저하되어 전반적인 건물에너지성능이 크게 떨어진 상태다.

또한 다수의 노후 단독주택은 도시가스 공급 인프라가 구축되지 않은 지역에 위치해 LPG나 등 상대적으로 비용 부담이 큰 에너지를 난방에너지원으로 하고 있어 가구의 소득대비 난방에너지비용이 차지하는 비중이 높은 구조적 문제가 있다.

이에 따라 한국 정부는 건물부문의 탄소배출 저감과 난방 전기화를 추진하기 위해 기존 화석연료 기반 난방을 전기 기반 히트펌프로 전환하는 정책을 추진하고 있다. 특히 초기 보급단계에서는 제주, 전남 등 기후가 온화하고 태양광발전비중이 높은 지역에 대해 단독주택을 중심으로 히트펌프설치 지원사업이 추진되고 있다. 기존의 보일러보다 설치비용이 비싼 공기열원 히트펌프 설치비용의 약 70%를 정부와 지방 자치단체가 보조하는 방안이 검토되고 있다.

김태윤 연구원은 “대부분의 주거건물에서 바닥복사난방시스템이 설치돼 있어 기존 가스보일러 기반 난방을 히트펌프로 전환한다고 해도 거주자들이 히트펌프 기반 대류난방에 대한 선호가 적어 기존 바닥복사난방이 가능한 방식으로 적용될 가능성이 높다”라며 “이번 연구에서는 한국의 노후 단독주택을 대상으로 기존 도시가스 보일러를 공기열원 히트펌프 기반 바닥복사난방으로 전환할 경우 난방에너지 소비량 및 난방비를 분석했으며 이번 분석은 실험 및 시뮬레이션을 통해 난방부하가 큰 서울지역과 비교적 적은 제주지역을 대상으로 분석했다”고 밝혔다.

서울, 39~49%·제주, 50~59% E절감

이번 연구에서는 노후 단독주택을 대상으로 기존 가스보일러 기반 바닥복사난방을 히트펌프 기반 바닥복사난방으로 전환할 경우의 에너지소비량 및 경제성을 분석하고자 기존 노후 단독주택의 난방에너지소비 특성을 파악하기 위해 난방에너지 사용량, 건물 외피 성능, 재실 패턴 등에 대한 실측조사를 수행했다. 또한 기후조건에 따른 영향을 고려하기 위해 서울과 제주지역을 대상으로 분석을 진행해 분석 결과인 난방에너지 소비량과 난방비를 기반으로 노후 단독주택에 히트펌프 기반 바닥복사난방 적용 시의 경제성을 평가했다.

분석 대상 건물은 서울 소재 제3종 일반주거지역에 위치한 1969년 준공된 노후 단독주택으로 조적조 구조의 지상 1층 건물로, 건물의 연면적은 71.99m²이며 난방은 도시가스 보일러가 적용되고 있다. 연구진은 실측을 통한 난방에너지 사용량 분석, 외피 열성능 및 침기율 측정, 재실패턴 반영 등을 기반으로 TRNSYS 동적 시뮬레이션 모델을 구축하고 실측데이터로 보정(Calibration)해 신뢰성을 확보했다.

검증 결과 시뮬레이션 정확도는 CVRMSE(Coefficient of Variation of RMSE) 8.32%, NMBE(Normalized Mean Bias Error) 2.45%로 ASHRAE 기준을 충족하며 실제 사용패턴을 정밀하게 반영하는 것으로 나타났다.

이후 동일 조건에서 기존 가스보일러 기반 단독주택의 난방을 히트펌프 기반 바닥복사난방으로 전환에 따른 난방에너지 소비 특성 분석, 경제성 분석을 위해 공기열원 히트펌프 기반 바닥복사난방 시뮬레이션 모델을 구축했으며 기후영향 검증을 위해 서울(한랭)과 제주(온난)지역을 병행 분석했다.

분석 결과, 서울지역에서는 히트펌프 적용 시 기존 가스보일러 기반 바닥복사난방대비 약 39~49%의 난방에너지 절감 효과가 나타났다. 월별 절감률은 1월 41.7%, 2월 42.2%, 3월 47.6%, 11월 49.4%, 12월 39.3%로 였다. 특히 난방부하가 상대적으로 큰 동절기 기간(1–3월)에서도 약 40% 이상의 안정적인 에너지절감 효과가 유지되는 것으로 분석됐다.

제주지역의 경우 난방에너지 절감 효과가 서울보다 크게 나타났다. 월별 절감률은 약 50~59%였으며 1월 50.1%, 2월 51.1%, 3월 55.8%, 11월 58.7%, 12월 53.6%의 절감률을 보였다.

지역별 난방 COP 분석 결과, 서울지역의 평균 COP는 1월 3.26, 2월 3.53 수준으로 겨울철에 상대적으로 낮게 나타났으나 외기온도가 완화되는 3월과 11월에는 각각 약 4.29와 4.40 수준까지 상승했다. 제주지역은 1월 4.39, 2월 4.52, 3월 5.07, 11월 5.47, 12월 4.80 수준으로 서울보다 전반적으로 높은 난방성능을 보였다.

연간 난방에너지 소비량은 서울지역의 보일러 기반 난방시스템은 2만7,643kWh였으며 히트펌프 기반 난방시스템은 1만5,640kWh로 히트펌프로 전환 시 약 43.4%의 난방에너지가 절감되는 것으로 나타났다. 제주지역의 경우 보일러 시스템의 연간 난방에너지 소비량은 2만1,051kWh였으며 히트펌프 적용 시 9,885kWh로 감소해 약 53.0%의 절감 효과가 확인됐다.

김태윤 연구원은 “제주지역은 외기온도가 상대적으로 높게 유지되는 기후특성으로 인해 히트펌프의 성능계수(COP)가 높은 수준을 보였으며 이에 따라 동일한 난방부하 조건에서도 에너지절감 효과가 서울보다 크게 나타났다”라며 “반면 서울지역은 겨울철 외기온도가 낮아 히트펌프 성능이 상대적으로 낮게 나타났지만 보일러 시스템과 비교할 때 여전히 상당한 수준의 에너지절감 효과가 확인됐다”고 밝혔다.

또한 서울지역의 LCC 분석 결과, 히트펌프 시스템의 총 생애주기비용은 2,099만7,415원으로 나타났으며 기존 보일러 시스템의 LCC는 2,275만689원으로 분석됐다. 이에 따라 히트펌프 시스템이 보일러 시스템대비 약 175만3,274원의 비용 절감 효과가 나타났다.

제주지역의 경우 히트펌프 시스템의 LCC는 1,421만981원으로 나타났으며 보일러 시스템의 LCC는 1,743만147원으로 분석됐다. 이에 따라 히트펌프 시스템 적용 시 약 321만9,166원의 비용 절감 효과가 나타났다.

김태윤 연구원은 “투자비 회수기간 분석 결과, 할인 회수기간(Discounted Payback Period)은 제주지역 약 7.72년, 서울지역 약 9.85년으로 나타났으며 이는 제주지역의 상대적으로 높은 히트펌프 성능(COP)과 운영비 절감 효과에 기인한 것으로 판단된다”라며 “이러한 결과는 노후 단독주택에서 공기열원 히트펌프 기반 바닥복사난방시스템이 난방에너지 절감과 경제성 측면에서 효과적인 대안이 될 수 있음을 시사한다”고 강조했다.

한편 이번 연구는 산업통상부와 한국산업기술진흥원의 '월드클래스플러스(R&D)'(RS-2025-02221905)사업으로 수행됐다.