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지역 난방

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목차

1. 개요

지역 난방은 고대 로마 제국에서 기원하여, 열을 생산하여 건물에 공급하는 시스템이다. 1877년 미국에서 최초의 상업적 지역 난방 시스템이 도입되었으며, 기술 발전에 따라 1세대부터 5세대까지 구분된다. 지역 난방은 열병합 발전을 통해 에너지 효율을 높이고 온실 가스 배출을 줄이는 장점이 있지만, 초기 투자 비용이 높고 인구 밀도가 낮은 지역에는 적합하지 않다는 단점도 있다. 한국은 1980년대부터 지역 난방을 도입하여 현재 전국적으로 확산되었으며, 4세대 시스템 도입을 통해 재생 에너지 비중을 높이는 것을 과제로 하고 있다. 유럽을 비롯한 세계 각국에서도 지역 난방 시스템을 운영하고 있으며, 5세대 시스템 개발 등 미래 기술 개발이 진행되고 있다.

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지역 난방
개요
정의중앙 집중식 열 생산 시설에서 생성된 열을 배관 네트워크를 통해 여러 건물 또는 지역사회에 공급하는 시스템
특징에너지 효율 향상
환경 오염 감소
연료 다양성 증대
유지 보수 용이성
시스템 구성
열 생산 시설보일러
열병합 발전소
지열 발전소
산업 폐열 회수 시설
열 수송 네트워크고온수 또는 증기를 운반하는 배관
펌프 및 밸브
단열재
열 분배 시스템각 건물 또는 시설에 열을 공급하는 장치 (열교환기, 계량기 등)
장점
에너지 효율중앙 집중식 생산으로 효율 극대화, 폐열 활용 가능
환경대기 오염 감소, 온실 가스 배출 감소
경제성규모의 경제 효과, 연료비 절감
안전성개별 난방 시스템에 비해 안전
단점
초기 투자 비용배관망 구축에 높은 비용 소요
열 손실장거리 수송 시 열 손실 발생 가능성
지역적 제한인구 밀집 지역에 적합
적용 분야
주거 지역아파트, 주택 단지
상업 지역사무실 건물, 쇼핑몰
산업 단지공장, 산업 시설
공공 시설병원, 학교, 정부 기관
기술 동향
스마트 열 네트워크ICT 기술을 활용한 에너지 관리 최적화
저온 지역 난방낮은 온도에서 열 공급, 효율 향상
재생 에너지 연계태양열, 지열 등 친환경 에너지원 활용
정책 및 규제
정부 지원 정책초기 투자 지원, 세제 혜택
환경 규제배출 규제 강화, 친환경 에너지 사용 장려
참고 자료
관련 연구지역 난방 시스템의 효율성 및 환경 영향 분석
관련 기관에너지 관리 공단, 지역 난방 공사

2. 역사

지역 난방은 고대 로마 제국의 온수 난방 목욕탕과 온실에서 그 기원을 찾을 수 있다. 14세기 프랑스 쇼드-아그에서 지열 에너지를 활용하여 약 30가구에 난방을 공급한 온수 공급 시스템은 최초의 실제 지역 난방 시스템으로 여겨진다.[4]

1853년 미국 해군사관학교는 증기 지역 난방 서비스를 시작했고, 1916년 MIT는 매사추세츠주 캠브리지로 이전하면서 석탄을 연료로 하는 증기 지역 난방을 시작했다.[5][6]

1877년 미국의 수력 기술자 버즈힐 홀리는 뉴욕주 록포트에서 최초로 상업적으로 성공한 지역 난방 시스템을 시작하여 현대 지역 난방의 창시자로 여겨진다. 1875년 독일 제국에서 세계 최초의 지역 난방이 시작되었고, 1893년 함부르크에서 열병합 발전에 의한 지역 난방이 시작되었다. 이후, 추운 북유럽을 중심으로 증기에 의한 난방이 점차 설치되었다. 1950년대에는 도시 개발과 함께 급속도로 보급되었다.

1970년대 오일 쇼크 이후, 석유 대체 에너지 도입을 위해 연료 전환 및 신규 도입이 이루어졌다. 또한, 온난한 지역에서도 냉방과 난방을 모두 수행하는 설비가 설치되었다.

2. 1. 지역 난방의 세대별 발전

네 가지 다른 세대의 기존 지역 난방 시스템과 에너지원(5세대 냉방 지역 난방 시스템은 포함되지 않음)


일반적으로 모든 현대식 지역 난방 시스템은 수요 기반으로 작동하며, 이는 열 공급자가 소비자의 수요에 대응하여 사용자에게 요구되는 열을 공급하기에 충분한 온도와 수압을 확보한다는 것을 의미한다. 다섯 세대는 이전 세대와 구별되는 특징을 가지고 있으며, 각 세대의 특징은 기존 지역 난방 시스템의 개발 상태를 나타내는 지표로 사용될 수 있다.[7]

1세대 지역 난방은 석탄을 연료로 사용하는 증기 기반 시스템으로, 1880년대 미국에서 처음 도입되었으며 일부 유럽 국가에서도 인기를 얻었다. 1930년대까지 최첨단 기술이었으나, 매우 고온의 증기를 콘크리트 덕트를 통해 파이프로 수송했기 때문에 효율성, 신뢰성, 안전성이 매우 낮았다. 오늘날 이 세대는 기술적으로 구식이 되었지만, 뉴욕이나 파리와 같이 이러한 시스템 중 일부는 여전히 사용되고 있다. 원래 건설된 다른 시스템들은 이후에 업그레이드되었다.[7]

1930년대에 개발되어 1970년대까지 건설된 2세대 지역 난방은 석탄과 석유를 연소시켰으며, 열 매체로 가압된 온수를 통해 에너지를 전달했다. 이 시스템은 일반적으로 100°C 이상의 공급 온도를 가졌으며, 현장에서 조립되는 경우가 많은 콘크리트 덕트 내의 수도관과 대형 장비를 사용했다. 이러한 시스템의 주요 이유는 열병합 발전소의 사용으로 인한 1차 에너지 절약이었다. 다른 국가에서도 사용되었지만, 이 세대의 전형적인 시스템은 제2차 세계 대전 이후 동유럽 여러 국가에서 건설된 소련식 지역 난방 시스템이었다.[7]

3. 구성 요소

지역 난방 시스템은 열원, 열 분배 네트워크, 열 사용자 시설로 구성된다.


  • '''열원:''' 열병합 발전소, 화력 발전소, 원자력 발전소, 지열 발전소, 태양열, 열 펌프 등 다양한 에너지원을 활용한다.
  • '''열 분배 네트워크:''' 단열된 파이프 네트워크를 통해 열을 고객에게 분배한다. 공급 라인과 반환 라인으로 구성되며, 일반적으로 지하에 설치되지만 지상에 설치되는 경우도 있다.
  • '''열 사용자 시설:''' 열교환기(열 변전소)를 통해 주거지의 중앙 난방 시스템에 연결된다.


크렘스안데어도나우 인근 오스트리아 니더외스터라이히 주의 테이스 지역 난방 축열탑. 2GW.h의 열 용량을 가지고 있다.


덴마크 국립병원과 사이의 열 파이프 터널


워릭 대학교의 캠퍼스 전체 열병합 발전 시스템에 새로운 건물을 연결하기 위한 단열 파이프 사전 설치


독일 튀빙겐의 지역 난방 파이프


700kW의 열 출력을 가진 지역 난방 변전소. 지역 난방 시스템의 물 회로와 고객의 중앙 난방 시스템을 절연시킨다.


현대식 지역 난방 시스템은 일반적으로 수요 기반으로 작동하며, 열 공급자는 소비자의 수요에 맞춰 필요한 온도와 수압으로 열을 공급한다. 효율성과 재정적 수익 극대화를 위해 열 저장소가 사용되기도 한다.

열 분배에는 주로 물 또는 과열수가 사용되지만, 증기도 사용된다. 노르웨이의 지역 난방 네트워크에서 볼 수 있듯이, 분배 과정에서 발생하는 열 에너지 손실은 연간 약 10% 정도이다.[61]

3. 1. 열원

지역 난방 시스템은 다양한 에너지원을 활용한다.

가장 많이 사용되는 에너지원은 탄화수소의 연소이다. 재생 가능 연료의 공급이 충분하지 않기 때문에 화석 연료인 석탄과 가스가 지역 난방에 대량으로 사용된다.[19]

열병합 발전소의 경우 열 출력은 일반적으로 겨울철 최대 열 부하의 절반을 충족하도록 설계되지만, 연중 공급되는 열의 90%를 제공한다. 보일러 용량은 전체 열 수요를 혼자 충족할 수 있으며 열병합 발전소의 고장을 대비할 수 있다. 뉴욕 시 증기 시스템의 경우 약 2.5GW이다.[20][21] 독일은 유럽에서 가장 많은 열병합 발전량을 보유하고 있다.[22]

단순한 화력 발전소는 20~35%의 효율을 보일 수 있으며,[23] 폐열을 회수할 수 있는 더 발전된 시설은 거의 80%의 총 에너지 효율에 도달할 수 있다.[23]

핵분열 연쇄 반응에 의해 생성된 열은 지역 난방 네트워크에 주입될 수 있다. 열은 열교환기를 통해 네트워크로 전달되므로 지역 난방관이 방사성 원소로 오염되지 않는다.[25]

핵반응로는 대기 오염이나 지구 온난화에 크게 기여하지 않으므로 화석 탄화수소 연소의 유리한 대안이 될 수 있다. 그러나 현재 전 세계에서 가동 중인 핵반응로 중 극히 소수만이 지역 난방 네트워크에 연결되어 있다. 스웨덴의 오게스타 원자력 발전소는 1964년에서 1974년 사이에 수도 근교에 소량의 열과 전기를 공급하는 핵열병합 발전의 초기 사례였다.

최근 몇 년 동안 소형 모듈 원자로 (SMR)와 지역 난방 공급 가능성에 대한 관심이 새롭게 높아지고 있다.[30]
지열 난방'''역사'''

지열 지역 난방은 폼페이에서, 그리고 쇼드-에그에서는 14세기부터 사용되었다.[33]

'''덴마크'''

덴마크는 1984년부터 티스테드에서 가동 중인 지열 발전소 1곳을 보유하고 있다.

덴마크 최초의 대규모 발전소는 오르후스 인근에서 개발 중이며, 2030년 말까지 오르후스 지역 난방 수요의 약 20%를 충당할 수 있을 것으로 예상된다.[37]

'''미국'''

1890년, 최초의 우물이 아이다호 주 보이스 외곽의 온수 자원에 접근하기 위해 굴착되었다. 1892년, 나무 파이프라인을 통해 해당 지역의 가정과 사업체에 물을 공급한 후, 최초의 지열 지역 난방 시스템이 만들어졌다.

2007년 연구에 따르면,[38] 미국에는 22개의 지열 지역 난방 시스템(GDHS)이 있었다. 2010년 현재, 그 시스템 중 두 곳이 폐쇄되었다.[39] 현재 미국에서 운영 중인 20개의 GDHS는 다음과 같다.

시스템 이름도시주(州)시작
연도		고객
수		용량
(MWt)		연간 에너지
생산량
(GWh)		시스템 온도
°F°C
웜 스프링스 워터 디스트릭트보이스ID18922753.68.817579
오리건 기술 연구소클래머스 폴스OR196416.213.719289
미들랜드미들랜드SD1969120.090.215267
사우스 아이다호 대학교트윈 폴스ID198016.341410038
필립필립SD198072.55.215166
파고사 스프링스파고사 스프링스CO1982225.14.814663
아이다호 캐피털 몰보이스ID198213.318.715066
엘코엘코NV1982183.86.517680
보이스 시보이스ID19835831.219.417077
워렌 에스테이츠리노NV1983601.12.320496
샌 버나디노샌 버나디노CA19847712.82212853
클래머스 폴스 시클래머스 폴스OR1984204.710.321099
맨자니타 에스테이츠리노NV19861023.621.220495
엘코 카운티 교육구엘코NV198644.34.619088
길라 핫 스프링스글렌우드NM1987150.30.914060
포트 보이스 재향군인 병원 보이스보이스ID198811.83.516172
카나카 래피즈 랜치부얼ID1989421.12.49837
인 서치 오브 트루스 커뮤니티캔비CA200310.51.218585
블러프데일블러프데일UT200311.984.317579
레이크뷰레이크뷰OR200512.443.820697



덴마크 마르스탈의 중앙 태양열 난방 플랜트.


최근 덴마크와 독일에서 지역 난방에 태양열을 사용하는 사례가 증가하고 있다.[41][42] 이 시스템에는 일반적으로 일관된 열 출력을 위해 계절 간 열 에너지 저장 시스템이 포함된다. 좋은 예로는 덴마크의 보옌스 (50MW), 드로닝룬드 (27MW), 마르스탈 (13MW) 등이 있다.[44][45] 이러한 시스템은 마을의 연간 난방 수요의 10%에서 40%를 공급하도록 점진적으로 확장되었다. 태양열 패널은 밭에 지상 설치된다.[46] 열 저장 방식으로는 피트 저장, 보어홀 클러스터, 그리고 전통적인 물탱크가 사용된다.

스톡홀름에서는 1977년에 IBM 서버에서 공급되는 지역 난방을 제공하기 위해 최초의 열 펌프가 설치되었다. 오늘날 설치된 용량은 약 660MW 열이며, 처리된 하수, 해수, 지역 냉방, 데이터 센터 및 식료품점을 열원으로 사용한다.[49] 산업용 열 펌프는 지역 난방 네트워크의 입증된 열원이다.

대형 열 펌프의 작동 유체(냉매)로 수소불화탄소를 사용하는 것에 대한 우려가 있었으나, 최근 기술 발전으로 지구 온난화 지수 (GWP)가 매우 낮은 천연 열 펌프 냉매를 사용할 수 있다. CO2 냉매(R744, GWP=1) 또는 암모니아(R717, GWP=0)는 또한 작동 조건에 따라 기존 냉매보다 더 높은 열 펌프 효율을 얻는 이점이 있다.

미래에는 산업용 열 펌프가 풍력, 태양열 등에서 유입되는 잉여 재생 가능 전기에너지를 활용하여 탈탄소화될 것이다.[52]

지역 난방은 지역 단위로 집중적이고 효율적으로 열원(냉난방)을 운전함으로써 에너지 이용 효율을 높이는 시스템이다.[194] 복합 용도의 수요 조합을 통해, 폐열을 유효하게 이용할 수 있다.

에너지 센터에서 증기·온수·냉수 등을 제조(또는 하수 처리 시설이나 쓰레기 처리 시설 등의 폐열 등을 이용)하고, 축열조에 저장하여, 파이프라인인 지역 도관을 통해 각 건물에 열원을 공급한다.[195]

3. 2. 열 분배 네트워크

열은 생성된 후 단열된 파이프 네트워크를 통해 고객에게 분배된다. 지역 난방 시스템은 공급 라인과 반환 라인으로 구성된다. 일반적으로 파이프는 지하에 설치되지만, 지상 파이프 시스템도 있다. 지역 난방 시스템의 시작 및 종료, 열 수요 및 주변 온도 변동은 열팽창으로 인해 파이프에 열 및 기계적 사이클링을 유발한다. 파이프의 축 방향 팽창은 접지와 케이싱 사이에 작용하는 마찰력에 의해 부분적으로 상쇄되며, 전단 응력은 PU 폼 결합을 통해 전달된다. 따라서 사전 단열 파이프의 사용은 보상기 또는 U자형 굽힘과 같은 팽창 설비 대신 차가운 설치를 사용하여 설치 방법을 단순화하여 비용 효율성을 높였다.[55] 사전 단열 파이프는 강철 열 공급 파이프, 단열층 (폴리우레탄 폼) 및 폴리에틸렌 (PE) 케이싱으로 구성된 샌드위치 어셈블리로, 단열재로 결합된다.[56] 폴리우레탄은 뛰어난 기계적 및 열적 특성을 가지고 있지만, 제조에 필요한 디이소시아네이트의 높은 독성으로 인해 사용이 제한되었다.[57] 이는 응용 분야에 맞는 대체 단열 폼에 대한 연구를 촉발했으며,[58] 여기에는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 (PET) [59] 및 폴리부틸렌 (PB-1)이 포함된다.[60]

시스템 내에 피크 부하 수요를 균등하게 하기 위해 열 저장 장치를 설치할 수 있다.

열 분배에 사용되는 일반적인 매체는 물 또는 과열수이지만, 증기도 사용된다. 증기의 장점은 난방 목적 외에도 더 높은 온도 때문에 산업 공정에 사용될 수 있다는 것이다. 증기의 단점은 높은 온도로 인한 높은 열 손실이다. 또한, 냉각 매체가 고온 증기인 경우 열병합 발전소의 열효율이 상당히 낮아져 전력 생산이 감소한다. 열 전달 오일은 물보다 높은 열 용량을 가지고 있지만, 비싸고 환경 문제가 있어 일반적으로 지역 난방에 사용되지 않는다.

고객 수준에서 열 네트워크는 일반적으로 열교환기 (열 변전소)를 통해 주거지의 중앙 난방 시스템에 연결된다. 두 네트워크의 작동 유체 (일반적으로 물 또는 증기)는 혼합되지 않는다. 그러나 오덴세 시스템에서는 직접 연결이 사용된다.

분배를 통한 열 에너지의 전형적인 연간 손실은 노르웨이의 지역 난방 네트워크에서 볼 수 있듯이 약 10%이다.[61] 지역 난방은 기존의 수요가별 열원(개별 냉난방 방식 등)과는 달리, 지역 단위로 집중적이고 효율적으로 열원(냉난방)을 운전함으로써 에너지 이용 효율을 높이는 시스템이다.[194] 복합 용도의 수요 조합을 통해, 폐열을 유효하게 이용할 수 있다.[195] 에너지 센터에서 증기·온수·냉수 등을 제조(또는 하수 처리 시설이나 쓰레기 처리 시설 등의 폐열 등을 이용)하고, 축열조에 저장하여, 파이프라인인 지역 도관을 통해 각 건물에 열원을 공급한다.[195]

3. 3. 열 사용자 시설

열 사용자 시설은 열교환기를 통해 지역 난방 네트워크와 연결된다.

4. 장점 및 단점

지역 난방은 열병합 발전소에서 열과 전기를 동시에 생산하여 에너지 효율이 높고, 온실 가스 배출 감소에 기여하며, 산업 잉여열을 활용하여 추가 연료 사용을 줄이는 등 여러 장점을 가지고 있다.[65] 그러나 초기 투자 비용이 크고, 인구 밀도가 낮은 지역에서는 경제성이 떨어지며, 사업자의 독점적 지위로 인한 문제점도 존재한다.[66][67]

대규모 열병합 발전 지역 난방 시스템은 대부분 단일 주체가 소유하고 있지만, 일부 시스템에서는 열병합 발전소와 열 사용 부분의 소유권이 분리되어 있기도 하다. 예를 들어 바르샤바에서는 PGNiG Termika가 열병합 발전소를 소유하고, Veolia가 열 유통의 85%를 소유하고 있다. 덴마크의 모든 대규모 CHP/CH 시스템도 소유권이 분리되어 있다. 스웨덴은 난방 시장이 규제 완화된 사례를 보여주며, 지역 난방망의 소유권이 열병합 발전소 등과 분리되지 않는 경우가 많다.

영국에서는 지역 난방 회사의 과도한 독점력 행사와 규제 불충분에 대한 불만이 제기되었으며, 일부 고객은 공급 업체를 상대로 법적 조치를 취하기도 했다.[66][67]

4. 1. 장점

열병합 발전을 통해 열과 전기를 동시에 생산하여 에너지 효율을 높인다. 이는 온실 가스 배출 감소에도 기여한다.[65] 대형 연소 장치는 단일 보일러 시스템보다 더 발전된 배가스 정화 시설을 갖추고 있으며, 산업 잉여열을 활용하여 추가 연료 사용 없이 열을 공급할 수 있다.

개별 난방 시스템과 비교했을 때 지역난방의 장점은 다음과 같다.

장점
열 이용의 시간차에 따라 열원 용량을 축소할 수 있다.
개별 설치보다 설치 면적이 작다.
대규모화에 따른 기기 효율 향상이 가능하다.
미이용 에너지 활용으로 에너지 절약 및 온실 가스 배출량 감축이 용이하다.
소수의 운전 요원으로 운용할 수 있다.



단, 지역 난방은 장기적인 재정적 투자를 필요로 하며, 초기 자본 지출과 자금 조달이 필요하다. 또한, 인구 밀도가 낮은 지역이나 단독 주택이 많은 지역보다는 아파트 단지와 같이 건물이 크고 밀집된 지역에 더 적합하다.

4. 2. 단점

지역 난방은 초기 투자 비용이 크다는 단점이 있다. 열원 설비와 배관망을 구축하는 데 많은 비용이 들어가기 때문이다.[66] 특히 배관 부설 비용이 상당 부분을 차지한다.

인구 밀도가 낮은 지역에서는 경제성을 확보하기 어렵다. 가구당 투자 비용이 높고, 건물이 적고 큰 지역에 비해 효율성이 떨어지기 때문이다. 따라서 지역 난방은 장기적인 관점에서 투자 회수 및 수익성을 고려해야 한다.[67]

또한 지역 난방 사업자가 독점적 지위를 가질 수 있다는 문제도 있다. 이로 인해 요금이 상승할 가능성이 있으며, 이를 방지하기 위한 규제가 필요하다.[67]

5. 한국의 지역 난방

한국은 에너지 효율을 높이고 온실가스 배출량을 줄이기 위해 지역 난방 시스템을 적극적으로 도입하고 있다.

5. 1. 현황

일본에서는 국가나 지방 자치 단체의 보조 조치·보조금 등으로 지역 열 공급 도입이 촉진되고 있다.

  • 지역 열 공급 시설을 용적률에 산입하지 않음.
  • 일본 정책 투자 은행·환경 사업단에 의한 저리 융자 제도.
  • 미이용 에너지 활용 사업 조사비 보조.
  • 우대 세율


또한, 도시 시설 (공급 시설 또는 처리 시설)로서, 도시 계획 결정 및 도로 관리자와의 협의가 그 도입에 필요한 경우가 있다. 일본에서 熱供給事業일본어은 수요자와 자본 관계가 없는 제3자 또는 자가 사용이 아닌 복수의 건축물에, 가열 능력 21GJ/시 이상의 인위적으로 가열한 열매체를 공급하는, 영리를 목적으로 하는 공익 사업이다.

2017년 4월 현재, 76개 사업자가 134개 지점에서 사업을 운영하고 있다.

5. 2. 정책 및 제도

일본에서는 국가나 지방 자치 단체의 보조 조치·보조금 등으로 지역 열 공급 도입이 촉진되고 있다.

  • 지역 열 공급 시설을 용적률에 산입하지 않음.
  • 일본 정책 투자 은행·환경 사업단에 의한 저리 융자 제도.
  • 미이용 에너지 활용 사업 조사비 보조.
  • 우대 세율


또한, 도시 시설 (공급 시설 또는 처리 시설)로서, 도시 계획 결정 및 도로 관리자와의 협의가 그 도입에 필요한 경우가 있다.

열 공급 사업은 수요자와 자본 관계가 없는 제3자 또는 자가 사용이 아닌 복수의 건축물에, 가열 능력 21GJ/시 이상의 인위적으로 가열한 열매체를 공급하는, 영리를 목적으로 하는 공익 사업이다.

2017년 4월 현재, 76개 사업자가 134개 지점에서 사업을 운영하고 있다.

  • 열 공급 사업법
  • 도시 계획법
  • 건축 기준법

5. 3. 과제



지역 난방 네트워크에서는 효율성과 재정적 수익 극대화를 위해 점점 더 커지는 열 저장소가 사용되고 있다. 이를 통해 전기 요금이 최고조에 달하는 시간에 열병합 발전 장치를 가동하여, 열 생산보다 훨씬 높은 수익률을 보이는 전기 생산을 하고 잉여 열은 저장할 수 있다. 또한, 여름철에 태양열을 수집하여 매우 크지만 비교적 저렴한 지중 단열 저장소 또는 보어홀 시스템에 저장했다가 비수기에 재분배할 수 있다. 보옌스에 있는 203000m3 단열 연못의 예상 열 손실은 약 8%이다.[43]

독일 및 덴마크와 같은 유럽 국가들이 2050년까지 모든 에너지 사용의 각각 80% 및 100%를 재생 에너지로 사용하는 것을 목표로 함에 따라, 재생 전기 에너지의 잉여 생산 기간이 증가할 것이다. 열 펌프는 이러한 잉여 저가 전기를 활용하여 나중에 사용할 열을 저장할 수 있다.[53] 전력 부문과 난방 부문의 이러한 결합(Power-to-X)은 재생 에너지의 높은 점유율을 가진 에너지 시스템의 핵심 요소로 간주된다.[54]

6. 세계의 지역 난방

지역 난방은 고대 로마 제국의 온수 난방 시설에서 그 기원을 찾을 수 있다. 최초의 실제 지역 난방 시스템은 14세기에 프랑스 쇼드-아그에서 가동된 온수 공급 시스템으로, 지열 에너지를 이용하여 약 30가구에 난방을 공급했다.[4] 1853년에는 미국 해군사관학교가 증기 지역 난방 서비스를 시작했고, 1916년에는 MIT가 석탄을 연료로 하는 증기 지역 난방을 시작했다.[5][6] 현대 지역 난방의 창시자로 여겨지는 버즈힐 홀리는 1877년 뉴욕주 록포트에서 최초의 상업적으로 성공한 지역 난방 시스템을 시작했다.

각 도시와 국가의 여건에 따라 지역 난방 시스템은 다양한 형태로 나타나며, 1차 에너지원 접근성에 따라 난방 시장 접근 방식도 다르다. 유럽 연합 집행위원회는 지역 난방 및 냉방 기술 구현을 통해 지속 가능한 관행 개발을 목표로 한다.[188]

2000년 기준 유럽 국가들의 지역 난방 보급률은 다음과 같다.

국가보급률 (2000년)[189]
아이슬란드95%
덴마크64.4% (2017년)[190]
에스토니아52%
폴란드52%
스웨덴50%
체코49%
핀란드49%
슬로바키아40%
러시아35%[191]
독일22% (2014년)[192]
헝가리16%
오스트리아12.5%
프랑스7.7% (2017년)[193]
네덜란드3%
영국2%



아이슬란드는 지열 에너지 가용성이 높아 지역 난방 보급률이 매우 높다. 동유럽 국가들은 에너지 계획에 열병합 발전 및 지역 난방 개발을 포함시키는 경우가 많다. 네덜란드와 영국은 온화한 기후와 천연 가스와의 경쟁으로 인해 지역 난방 보급률이 낮은 편이다.

북미 지역의 지역 난방 시스템은 기관 시스템과 상업용 시스템으로 나뉜다. 캐나다에서는 지역 난방 산업이 성장하고 있으며, 여러 도시에서 새로운 시스템이 구축되고 있다. 미국에는 2,500여 개의 지역 난방 및 냉방 시스템이 있으며, 대부분 난방을 제공한다.

아시아에서는 일본이 87개의 지역 난방 사업체를 통해 148개 지역에 서비스를 제공하고 있으며, 많은 회사들이 지역 열병합 발전을 운영하고 있다. 중국에서는 북부 지역을 중심으로 지역 난방 시스템이 흔하며, 최근에는 대기 오염 문제로 인해 천연가스를 사용하는 시스템으로 전환하는 추세이다. 지열 난방 및 해수 열 펌프 시스템도 일부 사용되고 있다.

6. 1. 유럽

덴마크에서는 지역 난방이 난방과 온수의 64% 이상을 차지하며,[190] 2007년 기준, 이 열의 80.5%는 열병합 발전소에서 생산되었다.[78] 폐기물 소각으로 회수된 열은 덴마크 전체 지역 난방 생산량의 20.4%를 차지했으며,[78] 2013년에는 소각용 폐기물 158,000톤을 수입하기도 했다.[79] 덴마크의 대부분 주요 도시에는 대규모 지역 난방 네트워크가 있으며, 최대 125°C 및 25bar 압력으로 작동하는 전송 네트워크와 최대 95°C 및 6~10bar 압력으로 작동하는 분배 네트워크를 포함한다. 덴마크에서 가장 큰 지역 난방 시스템은 코펜하겐 지역에 있으며, CTR I/S 및 VEKS I/S에서 운영한다. 코펜하겐 중심부의 CTR 네트워크는 54km의 이중 지역 난방 배관 네트워크를 통해 275,000 가구(해당 지역 인구의 90~95%)에 서비스를 제공하며, 최대 663MW의 용량을 제공한다.[80] 이 중 일부는 지역 냉방과 결합되어 있다.[81] CTR의 열 소비자 가격은 세금 포함 MWh당 약 49유로(2009년 기준)이다.[82] 여러 도시에는 다양한 유형의 열 에너지 저장 장치가 있는 중앙 집중식 태양열 난방 시스템도 있다. 덴마크의 섬인 삼쇠에는 지역 난방을 생산하는 짚을 연료로 사용하는 발전소 3곳이 있다.[83] 1990년대 말 가입률은 전체 가구의 약 50%, 대도시권에서는 65~70%에 달한다. 뛰어난 단열 기술과 저온 운전을 통해 열 손실을 줄이는 동시에, 에너지 효율 90%를 달성하는 열병합 발전이 약 60%의 지역 난방에서 도입되었다. 덴마크의 지역 열 공급 사업에서는 화석 연료 외에 바이오매스 등 다양한 연료를 사용할 수 있는 유연한 기술을 도입하고 있으며, 사업체(1990년대 말 시점 약 330개)의 대부분이 소비자 소유이고, 나머지는 지방 공공 사업체이며, 주민 참여로 운영되고 있다는 특징이 있다.

핀란드에서 지역 난방은 전체 난방 시장의 약 50%를 차지하며,[84] 그중 80%는 열병합 발전소에서 생산된다. 아파트 단지의 90% 이상, 모든 연립 주택의 절반 이상, 그리고 대부분의 공공 건물과 사업장의 구내 시설이 지역 난방 네트워크에 연결되어 있다. 천연 가스는 주로 남동부 가스 파이프라인 네트워크에서 사용되며, 수입 석탄은 항구 인근 지역에서, 이탄은 이탄이 지역 자원인 북부 지역에서 사용된다. 목재 칩 및 기타 제지 산업의 가연성 부산물과 같은 재생 에너지도 사용되며, 생활 폐기물 소각을 통해 회수된 에너지도 사용된다. 열을 산업 부산물로 생성하는 산업 시설은 환경으로 배출하는 대신, 그렇지 않으면 폐열을 네트워크에 판매할 수 있다. 펄프 공장 회수 보일러의 과잉 열과 전력은 제지 공장 도시에서 중요한 자원이다. 일부 도시에서는 폐기물 소각이 지역 난방 열 요구량의 8%까지 기여할 수 있다. 가용성은 99.98%이며, 중단이 발생하더라도 일반적으로 온도가 몇 도만 감소한다. 헬싱키에서는 대통령궁 옆 지하 데이터 센터가 인근 주택으로 과잉 열을 방출하여 약 500채의 대형 주택을 난방할 수 있는 열을 생산한다.[86] 에스포 주변 25만 가구가 데이터 센터로부터 지역 난방을 공급받을 예정이다.[87]

독일에서 지역 난방은 주거용 건물 부문에서 약 14%의 시장 점유율을 차지하고 있다. 연결된 열 부하는 약 52,729 MW이다. 열은 주로 열병합 발전소(83%)에서 공급된다. 열 전용 보일러가 16%를 공급하고, 산업 폐열이 1%를 차지한다. 열병합 발전소는 연료로 천연 가스(42%), 석탄(39%), 갈탄(12%), 폐기물/기타(7%)를 사용한다.[88] 가장 큰 지역 난방 네트워크는 베를린에 위치해 있으며, 지역 난방 보급률이 가장 높은 곳은 시장 점유율이 약 90%인 플렌스부르크이다. 뮌헨에서는 생산되는 전기의 약 70%가 지역 난방 발전소에서 나온다.[89]



오스트리아 뫼들링의 바이오매스 지역 난방 발전소


오스트리아에서 가장 큰 지역 난방 시스템은 빈 (Fernwärme Wien)에 있으며, 전국에 많은 소규모 시스템이 분포되어 있다. 빈의 지역 난방은 비엔 에너지(Wien Energie)에서 운영한다. 2004/2005 사업 연도에 총 5,163 GWh가 판매되었으며, 이 중 1,602 GWh는 251,224개의 개인 아파트와 주택에, 3,561 GWh는 5211개의 주요 고객에게 공급되었다. 세 개의 대형 시립 폐기물 소각로는 총 22%를 공급하여 116 GWh의 전력과 1,220 GWh의 열을 생산한다. 시립 발전소와 대형 산업 플랜트의 폐열이 전체의 72%를 차지한다. 나머지 6%는 화석 연료를 사용하는 피크 난방 보일러에서 생산된다. 바이오매스 발전소는 2006년부터 열을 생산해 왔다. 오스트리아의 나머지 지역에서는 새로운 지역 난방 발전소가 뫼들링의 바이오매스 지역 난방 또는 바덴의 바이오매스 지역 난방과 같은 바이오매스 플랜트 또는 열병합 바이오매스 플랜트로 건설된다. 대부분의 오래된 화석 연료 지역 난방 시스템에는 지역 난방 축열기가 있어, 전력 가격이 높을 때만 열 지역 난방 전력을 생산할 수 있다.

스웨덴은 도시 지역에서 지역 난방(fjärrvärme)을 사용하는 오랜 전통을 가지고 있다. 스웨덴 지역 난방 협회에 따르면, 2015년 스웨덴 주택(개인 및 상업용)의 약 60%가 지역 난방으로 난방을 했다.[116] 벡셰시는 1993년부터 2009년까지 화석 연료에서 발생하는 이산화 탄소 배출량을 34% 줄였다.[117] 이는 주로 바이오매스 연소 지역 난방을 통해 달성되었다.[118] 또 다른 예로는 단기 재배 농장을 연료 및 식물 정화에 모두 사용하는 옌셰핑의 발전소가 있다.[119] 스웨덴 지역 난방 시스템에서 생산되는 열의 47%는 재생 가능한 바이오에너지원을 사용하고, 16%는 폐기물 에너지화 발전소에서, 7%는 열 펌프에서, 10%는 배기가스 응축에서, 6%는 산업 폐열 회수 장치를 통해 공급된다. 나머지는 주로 화석 연료로, 석유(3%), 천연 가스(3%), 이탄(2%), 석탄(1%)이다.[120][121] 전통적인 매립을 금지하는 법률 때문에,[122] 폐기물은 일반적으로 연료로 사용된다.

1875년 독일 제국에서 세계 최초의 지역 난방이 시작되었고, 1893년에는 함부르크에서 열병합 발전에 의한 지역 난방이 시작되었다. 이후, 추운 북유럽을 중심으로 증기에 의한 난방이 점차 설치되었다. 1950년대에는 도시 개발과 함께 급속도로 보급되었다. 1970년대의 오일 쇼크 이후, 석유 대체 에너지 도입을 위해 연료 전환 및 신규 도입이 이루어졌다. 또한, 온난한 지역에서도 냉방과 난방을 모두 수행하는 설비가 설치되었다.

6. 2. 북미

북미 지역의 지역 난방 시스템은 크게 두 가지 범주로 나뉜다. 단일 기관이 소유하고 해당 기관의 건물에 서비스를 제공하는 시스템은 기관 시스템으로 간주되며, 그 외의 모든 시스템은 상업용 범주에 속한다.

캐나다에서는 지역 난방 산업이 성장하고 있으며, 지난 10년 동안 많은 새로운 시스템이 구축되었다. 캐나다의 주요 시스템은 다음과 같다.

도시운영사설명
캘거리ENMAX캘거리 다운타운 지역 에너지 센터 운영. 약 929030.40m2 규모의 주거용 및 상업용 건물에 난방 제공.[128]
에드먼턴블래치포드 지역에 단계적으로 지역 에너지 공유 시스템(DESS) 도입.[129] 지열 교환 필드 및 하수 열 교환 시스템 운영.[130][129]
해밀턴HCE Energy Inc.도심 지역 난방 및 냉방 시스템 운영.[131]
몬트리올도심에 지역 난방 및 냉방 시스템 운영
토론토Enwave토론토 도심 지역 난방 및 냉방 제공. 심층 호수 냉각 기술 이용, 온타리오 호의 차가운 물을 열 교환기로 순환시켜 냉방 제공.
토론토Creative Energy미르비시 빌리지 개발을 위해 열병합 발전 지역 에너지 시스템 건설.
서리서리 시 에너지(Surrey City Energy)시티 센터 지역에 지역 난방 제공.[132]
밴쿠버Creative Energy밴쿠버 도심 지역에 중앙 난방 플랜트 제공, 증기 시계 구동.[133] 천연 가스에서 전기 설비로 전환 중.
밴쿠버이웃 에너지 유틸리티사우스이스트 폴스 크릭 지역에 대규모 지역 난방 시스템 운영.[133] 천연 가스 보일러 사용, 하수 열 회수 시스템 운영 (연간 에너지 수요의 70% 공급).[133]
윈저도심에 지역 난방 및 냉방 시스템 운영
드레이크 랜딩 태양열 커뮤니티, AB북미 유일의 중앙 태양열 난방 시스템 보유 (규모는 작음, 52가구).
런던, 샬럿타운Veresen지역 난방 열병합 발전 시스템 소유 및 운영.[134]
서드베리, 온타리오도심에 지역 난방 열병합 발전 시스템 운영, 서드베리 지역 병원을 위한 독립형 열병합 발전소 운영. 가슨 지역에 지열 지역 난방 시스템 운영.[135]
오타와다수의 연방 정부 건물에 지역 난방 및 냉방 시스템 운영.
콘월여러 시 건물과 학교에 지역 난방 시스템 운영
마크햄마크햄 지역 에너지여러 지역 난방 사이트 운영 (워든 에너지 센터, 클레그 에너지 센터, 버치마운트 에너지 센터, 버 오크 에너지 센터).



많은 캐나다 대학교에서 중앙 캠퍼스 난방 플랜트를 운영한다.

2013년 기준으로, 미국에는 다양한 형태로 약 2,500개의 지역 난방 및 냉방 시스템이 존재하며, 그 대부분은 난방을 제공한다.[136]

주/도시운영사설명
뉴욕주 뉴욕컨솔리데이티드 에디슨(Con Ed)미국 최대 상업용 지역 난방 시스템인 뉴욕시 증기 시스템 운영.[137] 1882년부터 맨해튼 지역에 서비스 제공.[138] 공간 및 온수 난방, 음식 준비, 공정 열, 증기 멸균, 흡수식 냉동기를 이용한 공기 조절 등에 사용.[139][140]
위스콘신주 밀워키1968년부터 중앙 비즈니스 지구에 지역 난방 사용.[141] 밸리 발전소 운영 (석탄에서 천연 가스로 연료 변경).[142]
덴버세계에서 가장 오래된 상업용 지역 난방 시스템 운영 (1880년 서비스 시작).[144] Xcel Energy 주니 열병합 발전소 전력 사용.[145]
샌프란시스코, 펜실베이니아주 해리스버그, 미니애폴리스, 네브래스카주 오마하, 피츠버그, 샌디에고NRG 에너지지역 시스템 운영.[146]
시애틀시애틀 증기 회사 (Enwave 운영)지역 시스템 운영.[147]
시카고, 휴스턴, 라스베이거스, 로스앤젤레스, 뉴올리언스, 오리건주 포틀랜드Enwave지역 열 시스템 운영.[147]
디트로이트디트로이트 써멀1903년부터 지역 시스템 운영.[148][149]
인디애나주 인디애나폴리스시티즌 에너지 그룹페리 K. 발전소 운영, 증기 생산 및 공급.[150]
미시간주 랜싱랜싱 상수도 및 전력국온수 및 냉수 시스템 운영. 천연 가스 열병합 발전소 운영 예정.
클리블랜드클리블랜드 써멀플랫 근처의 캐널 로드 발전소에서 지역 증기, 해밀턴 애비뉴 발전소에서 지역 냉방 시스템 운영.
캘리포니아주 리폰, 샌 가브리엘베리센지역 난방/열병합 발전소 운영.[151]
매사추세츠주 보스턴, 케임브리지베올리아 에너지지역 시스템 운영.[152]
펜실베이니아주 필라델피아, 메릴랜드주 볼티모어, 미주리주 캔자스시티, 오클라호마주 털사, 텍사스주 휴스턴베올리아 에너지지역 시스템 운영.
미네소타주 세인트폴디스트릭트 에너지 세인트 폴북미 최대 온수 지역 난방 시스템 운영. 바이오매스 연료 열병합 발전소에서 에너지 생산. 열 태양광 어레이 운영.
캘리포니아주캘리포니아 일반 서비스부23개 주 소유 건물에 지역 난방 제공하는 중앙 플랜트 운영.[153]
뉴욕주 제임스타운BPU2세대 물 지역 난방 시스템 운영 (1984년 가동).[153]



역사적으로 지역 난방은 주로 미국의 도시 지역에서 사용되었지만, 1985년까지는 주로 기관에서 사용되었다.[154] 뉴잉글랜드의 소규모 자치 단체들은 매사추세츠주 홀리요크 및 뉴햄프셔주 콩코드와 같은 도시에서 21세기까지 시립 증기를 유지했지만, 전자는 2010년에 서비스를 종료하고 후자는 2017년에 종료했으며, 이는 노후화된 기반 시설과 자본 지출을 그 원인으로 꼽았다.[155][156][157] 2019년, 콩코드는 주로 역사적 보존을 위해 광범위한 에너지 계획보다는 뉴햄프셔 주 의사당과 뉴햄프셔 주립 도서관에만 난방을 제공하는 더 작은 증기 시스템을 위해 남은 파이프 중 일부를 보다 효율적인 파이프로 교체했다.[158]

볼링 그린 주립 대학교(BGSU) 난방 플랜트 내부


많은 대학 캠퍼스에서 지역 난방이 사용되며, 종종 지역 냉방 및 발전과 결합된다. 지역 난방을 사용하는 대학은 다음과 같다.

6. 3. 아시아

일본에서는 87개의 지역 난방 사업체가 148개 지역에 서비스를 제공하고 있다.[177] 많은 회사들이 여러 사무실 건물에 증기 및/또는 온수를 공급하는 지역 열병합 발전을 운영하고 있으며, 수도권의 대부분 사업자는 지역 냉방을 제공한다.

중국 남부 (친링산맥-화이허선 이남)에는 지역 난방 시스템이 거의 없다. 북부 중국에서는 지역 난방 시스템이 흔하며,[178][179] 대부분 열병합 발전 대신 무연탄을 태워 난방만 제공한다. 중국의 대기 오염이 심각해짐에 따라 많은 도시에서 점차적으로 석탄 대신 천연가스를 사용하는 지역 난방 시스템으로 전환하고 있다. 또한 일부 지열 난방[180][181] 및 해수 열 펌프 시스템도 사용되고 있다.[182]

2019년 2월, 중국 국가전력투자공사(SPIC)는 지린성 바이산시 정부와 바이산 원자력 난방 시범 프로젝트에 대한 협약을 체결했는데, 이 프로젝트는 중국핵공업집단공사(CNNC)의 DHR-400 (지역 난방 원자로 400MWt)를 사용할 예정이다.[183][184] 건설 비용은 15억위안(2.3억달러)이며, 건설에 3년이 소요된다.[185] 중화인민공화국에서는 주로 산둥성 이북의 도시에 "난기" 또는 "궁난"이라고 불리는 공공 난방이 보급되어 있으며, 지역별로 집중된 보일러실에서 각 건물에 배관을 통해 난방을 공급한다.

7. 미래 전망

4세대 지역 난방 시스템은 저온, 재생 에너지 통합, 스마트 에너지 시스템 연계를 통해 전환이 가속화되고 있다. 5세대 지역 난방 시스템은 냉난방 통합, 주변 온도 활용, 개별 건물 히트 펌프, 저온 열원 활용을 특징으로 한다. 이러한 시스템은 인공지능, 빅데이터 등 ICT 기술을 활용하여 스마트 지역 난방 시스템으로 구축되고 있다. 에너지 프로슈머(생산+소비) 개념이 확산되면서 지역 난방 시스템은 분산화 및 유연성이 증대될 것으로 전망된다.

5세대 지역 난방 및 냉방 네트워크(5GDHC)[12]는 "콜드 디스트릭트 히팅"이라고도 불리며, 주변 지면 온도에 가까운 온도로 열을 분배한다. 이는 지면으로의 열 손실을 최소화하고 광범위한 단열의 필요성을 줄여준다. 네트워크의 각 건물은 자체 플랜트 룸에서 히트 펌프를 사용하여 열이 필요할 때 주변 회로에서 열을 추출하고, 냉방이 필요할 때는 동일한 히트 펌프를 반대로 사용하여 열을 배출한다. 냉방 및 난방 수요가 동시에 발생하는 기간에는 냉방으로 인한 폐열을 난방이 필요한 건물에서 히트 펌프에 사용할 수 있다.[13] 주변 회로 내의 전체 온도는 대수층 또는 다른 저온 수원과의 열 교환을 통해 10°C ~ 25°C의 온도 범위를 유지하는 것이 바람직하다.

주변 지면 온도 네트워크용 네트워크 배관은 파이프 직경당 설치 비용이 이전 세대보다 저렴하다. 이는 파이프 회로에 동일한 수준의 단열이 필요하지 않기 때문이지만, 파이프 네트워크의 낮은 온도 차이로 인해 이전 세대보다 파이프 직경이 훨씬 커진다는 점을 명심해야 한다. 5세대 지역 난방 및 냉방 시스템에 연결된 각 건물이 자체 히트 펌프를 갖추어야 하기 때문에 시스템은 난방 및 냉방 모드에서 작동하는지에 따라 히트 펌프의 열원 또는 열 싱크로 모두 사용할 수 있다. 이전 세대와 마찬가지로 파이프 네트워크는 주변 열, 강, 호수, 바다 또는 석호의 주변 물, 산업 또는 상업 원의 폐열과 같은 다양한 저온 열원에 대한 개방형 접근을 제공하는 인프라다.[14]

5GDHC와 이전 세대의 지역 난방 사이에는 근본적인 차이점이 있으며, 특히 열 생산의 개별화에 차이가 있다. 이 중요한 시스템은 서로 다른 세대 간의 효율성을 비교할 때 상당한 영향을 미친다. 열 생산의 개별화로 인해 비교가 단순한 배포 시스템 효율성 비교에서 열 생산 효율성과 배포 시스템 효율성이 모두 포함되어야 하는 공급 시스템 효율성 비교로 이동하기 때문이다.

저온 내부 열 분배 시스템을 갖춘 현대식 건물은 45°C의 열 출력을 제공하는 효율적인 히트 펌프를 설치할 수 있다. 예를 들어 방열기를 사용하는 고온 내부 분배 시스템을 갖춘 구식 건물은 열 출력을 제공하기 위해 고온 히트 펌프가 필요하다.

5세대 난방 및 냉방 그리드의 더 큰 예는 네덜란드 헤를렌의 Mijnwater이다.[15][16] 이 경우 뚜렷한 특징은 도시 경계 내의 버려진 물이 채워진 탄광에 대한 독특한 접근이 가능하여 시스템에 안정적인 열원을 제공한다는 것이다.

5세대 네트워크("균형 에너지 네트워크", BEN)는 2016년 런던 사우스 뱅크 대학교의 두 대형 건물에 연구 개발 프로젝트로 설치되었다.[17][18]

참조

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[2] 웹사이트 The Overlooked Benefits of District Energy Systems https://www.burnhamn[...] 2018-04-12
[3] 웹사이트 District Heating https://www.drawdown[...] 2017-02-07
[4] 논문 a state of art review on district heating systems 2018
[5] 웹사이트 Powering Innovation MIT 2016 https://mit2016.mit.[...] 2023-02-26
[6] 웹사이트 Energy Efficiency MIT Sustainability https://sustainabili[...] 2023-02-26
[7] 논문 4th Generation District Heating (4GDH): Integrating smart thermal grids into future sustainable energy systems 2014
[8] 웹사이트 Energy from Beneath the Rocks http://www.bbm.me.uk[...] 2006-12-18
[9] 논문 Energy, economy and exergy evaluations of the solutions for supplying domestic hot water from low-temperature district heating in Denmark http://orbit.dtu.dk/[...] 2016
[10] 논문 Heat Roadmap Europe: Large-Scale Electric Heat Pumps in District Heating Systems 2018
[11] 논문 Heat pump placement, connection and operational modes in European district heating http://bura.brunel.a[...] 2018
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[13] 웹사이트 Heat Sharing Network https://www.icax.co.[...]
[14] 논문 The Innovative Concept of Cold District Heating Networks: A Literature Review 2018
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[16] 웹사이트 Heerlen case study and roadmap https://guidetodistr[...] HeatNet_NWE EU project 2019-12-19
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[19] 웹사이트 District Heating – Analysis - IEA https://www.iea.org/[...] 2021-11
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