도시철도는 효율적인 토지이용을 고려하여 약 90%이상이 지하역사로 건설·운영되고 있다. 도시철도 지하역사에서는 편의성 향상을 위해 역사내 임대상가 및 편의시설 확대와 환승 시설의 증가로 지하역사내 쾌적성 유지를 위한 공조·냉난방 부하가 지속적으로 증가하면서 에너지 소비량 또한 지속적으로 증가하고 있다. 이와 함께 2030년까지 원자력 발전비중을 기존 41%에서 29%로 제한하고 화력발전의 한계도달 등에 따른 외부요인으로 인해 전력요금의 단가가 인상되어 지하역사의 전반적인 운영비가 급증하고 있지만 기존의 도시철도 지하역사에서 소비되는 에너지 절감을 위해서 환기설비 및 냉난방 설비의 운전시간 단축, 냉난방 설정온도의 조절, 조명제어를 통한 격등 및 구간별 소등 등 전력설비의 사용시간을 감소시키는 수동적인 대책을 적용하고 있는 실정이다. 최근 국내에서는 지하역사의 냉난방 에너지 절감을 위해 지하역사에서 발생되는 침출수 및 지하수를 이용하는 냉난방시스템에 대한 연구와 태양열, 또는 지열 시스템을 활용하여 지하역사의 냉난방 에너지 소비량을 줄이고자 하는 연구가 활발히 진행되고 있으며 실제로 최근에 계획된 지하역사에 적용되고 있는 추세이다. 또한 해외에서는 지하터널 및 승강장부의 폐열을 취득해 재사용하는 TLS(Thermal Lining System)시스템과 열에너지의 저장을 위한 TES(Thermal Energy Storage) 등의 신재생에너지 관련연구가 활발히 진행되고 있다. 따라서 지하역사에서 소모되는 냉난방 에너지의 능동적인 절감대책 수립을 통해 도시철도 운영기관에서의 에너지 절감방안과 신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법에 부응하기 위한 기반을 마련하기위해서 지하역사의 특성을 고려한 폐열 및 신재생에너지를 활용한 냉난방 시스템으로써 활용이 가능할 것으로 예상되는 에너지 절감대책을 검토할 필요가 있다.
2. 도시철도 역사의 폐열 및 신재생에너지 활용 사례
2.1 유출 지하수를 활용한 지하역사 승강장 냉방 시설
부산교통공사는 부산도시철도 대연역과 문현역, 부암역, 수정역, 남산정역 등 5개 승강장에 지하수 활용 냉방화시설을 설치하고 2014년까지 12개 승강장에 연차적으로 추가설치를 진행중이다. 지하수 활용 냉방화 사업은 지하철 승강장 부근 20도 이하의 지하수를 이용해 승강장 냉방시스템을 구축하는 것으로 2010년부터 부산 도시철도 1, 3호선 연산역과 서면역, 부전역 등 3개 승강장에서 시범사업을 벌인 결과 승강장 온도가 평균 4.5도 감소하는 냉방효과를 도출하였고 지하역사당 평균 3,800만원의 전기료 절감효과를 바탕으로 추가설치를 진행 중이다.
2.2 지열을 이용한 냉난방 시스템
최근의 지하역사에서는 지열 및 수열원을 이용한 신재생에너지 설비를 적극 수용하고 있다. [그림 1]은 소사-원시 복선전철의 정거장 설비 계통도로 지열을 이용한 정거장내 냉난방 공조설비와 수열원을 이용한 히트펌프 적용을 나타낸다. 지하역사 중에서 개착식 공법을 적용하는 경우 지열 냉난방 설비 적용을 위한 지열원 열교환기의 설치부지 확보가 용이하므로 신규로 계획하는 지하역사에 적용이 용이한 것으로 판단된다.
2.3 해외의 신재생에너지 적용 사례
영국의 Liverpool South Parkway 역의 경우 3,200만 파운드 (한화 약 700억원)를 들여서 만든 환경친화적인 역사로서 난방에 필요한 에너지의 60%를 지열로부터 얻도록 만들어졌으며, 이 외에도 2.3톤의 재생 알루미늄을 사용한 지붕, 연간 70만 리터의 빗물 재활용 시스템, 태양전지를 이용한 전기 생산 등 다양한 환경적 요소가 고려되었다. 네덜란드는 Arnhem과 Lelystad 지역의 철도 선로변에 지열을 이용하여 결빙된 분기기를 해빙하는 기술을 사용하고 있으며, 독일은 Bad Lauterberg 철도역사 플랫폼위에 쌓인 눈을 지열을 이용하여 자동 제설하고 있다. 오스트리아는 U-Bahn Praterstern 철도역사에 지열을 이용하여 냉방용으로 92kW, 난방용으로 154kW를 생산하고 있다. 또한 독일의Bad Lauterberg 철도역사의 경우, 승강장 아래에는 9개의 시추공 열 교환기(BHE ; Borehole Heat Exchanger)를 200m 깊이까지 설치하였다. 승강장의 길이는200m, 총면적은600㎡이고, 열량은130W/㎡임. 이 시스템은 전철기(선로 전환기)에도 적용이 가능하다. 선로전환기가 동절기에 얼어 정상적인 작동이 불가능한 경우가 있는 데, 지금까지는 손으로 세척하거나, 전기 또는 propane을 이용하여 가열하여 결빙을 방지하였으나, 유럽에서는 지열 시스템을 이용하여 결빙을 방지하고 있다.
3.도시철도 역사의 에너지 사용현황
도시철도 역사는 지상역사와 지하역사로 구분할 수 있다. 지하역사의 경우 여름철(8월)의 일평균 전력사용량이 서울 5∼8호선(서울도시철도공사)은 3575[kWh/일], 인천1호선은 3281[kWh/일], 광주1호선은 3863[kWh/일] 로 나타났으며 지하역사의 경우 약 2000∼8000[kWh/일], 지상역사의 경우 약 1000∼3000[kWh/일]의 전력을 소모하는 것으로 나타났고 역사운영에 필요한 전력량은 도시철도 전체 사용량의 약 30~50% 비율을 차지하고 있다. 지하역사의 설비별 전력사용 패턴을 분석해보면 공조설비 40∼50%, 조명설비 20∼30%, 냉난방 설비 15∼25%, 편의시설 5∼15%로 공조 및 냉난방설비의 운영에 사용되는 전력량이 약 65%에 이른다. 서울도시철도 공사의 2011년 전력사용량은 49만 0171[MWh]로 약 384억원의 전력요금이 소요되었지만 2012년 약 9.8%의 전력사용량이 증가하는 경우 전력비용은 약 22.1% 증가한 469억원으로 예상할 수 있다. 이는 전력요금 단가의 증가로 인한 비용증가요인이 크게 작용한 것으로 2013년에 2011년 대비 16.7%의 전력사용량 증가에도 전력요금은 2011년 대비 47.1% 증가한 690억원의 전력요금이 발생하게 된다. 따라서 전력사용량의 절감과 함께 신재생에너지를 적극적인 도입을 검토하여 전력요금을 절감할 필요가 있다.
4.폐열 및 신재생에너지 활용기술
4.1 TLS(Thermal Lining System)
Thermal Lining System이란 터널 콘크리트 라이닝의 내부에 물 등의 유체가 흐를 수 있는 배관을 설치하여 터널 내부의 열을 흡수 할 수 있도록 한 장치이다. TLS는 지열 및 터널 내 차량운행에 의하여 발생되는 폐열을 흡수하는 역할을 하여 지하역사의 열원 장치로 사용할 수 있다. TLS는 터널 내부의 침출수를 추출 하는 대신 콘크리트 라이닝 내부에 설치된 흡열관을 통해 터널의 표면으로 부터 터널 내부의 열을 직접 흡수하며, 하절기에 열차의 운행으로 터널 내부의 온도가 과도하게 상승하는 것을 막을 수 있다. 따라서 TLS는 하절기 도시철도의 냉방부하에 사용되는 에너지를 절약 할 수 있는 터널 냉각 장치로서의 기능도 갖고 있다. TLS의 설치 방법으로는 콘크리트 라이닝의 내부에 흡열관을 매립하여 설치하는 방법과 터널 내부에 흡열관을 노출하여 설치하는 방법 등이 있으며 전자의 경우 미리 조립된 라이닝 세그먼트를 굴착과 동시에 설치하는 TBM 터널에 사용된 예가 있으며 후자의 경우 NATM 터널의 내벽에 흡열관을 노출하여 설치된 TLS를 제작한 사례가 있다. TLS는 독일, 오스트리아, 영국 등에 설치된 사례가 있으며 오스트리아의 Jenbach에서는 TBM 방식의 Brenner 지하터널에 대하여 54m 구간에 달하는 TLS를 설치한 사례가 있다. Jenbach에 설치된 TLS 시스템은 시의 공공건물의 냉난방을 위하여 지하터널의 콘크리트 라이닝 내부에 매립된 배관을 히트펌프와 연결한 것이다.
4.2 신재생 에너지 및 폐열 활용을 위한 장기 열 저장장치
신재생에너지는 에너지가 생산되는 시기와 소비되는 시기가 상이하여 시스템 내 에너지 저장장치의 존재가 필수적이다. 또한 신재생에너지의 활용성을 높이기 위해서는 공공시설이나 주택단지 등 집합적이고 일정 이상의 큰 규모를 갖는 시설에 신재생에너지를 적용 하는 것이 효율적이며 이러한 큰 수요에 대응하기 위해서는 신재생에너지 시스템 내 에너지 저장장치의 용량 또한 커져야 한다. 대용량 및 장기간에 걸친 에너지의 저장 및 사용이 가능한 에너지 저장장치로는 ATES, BTES, Water Tank Storage, Water-Gravel Pit Storage 등이 일반적으로 사용되며 그 특징은 다음과 같다.
① Aquifer Thermal Energy Storage (ATES)
ATES는 지하수를 함유하고 있는 지하 대수층을 이용한 축열시스템으로 대수층으로 부터 끌어올린 지하수와의 열교환을 통해 열에너지의 저장 및 사용을 하는 설비이다. ATES는 대수층 내 지하수의 열을 직접 사용하거나 축열체로 사용하여 장기간 열을 저장 할 수 있으며 열간섭을 피할 수 있도록 거리를 둔 Cold Well과 Warm Well의 두 가지로 구성하여 하절기와 동절기의 작동 방식에 따라 대수층 내 지하수를 지상에서 열교환하여 냉수와 온수를 각각 저장한다. 국내의 경우 산간지역을 제외한 일반적인 지역의 지하수위는 지하 10m전후에 분포하고 있는 특성으로 대수층이 발달되어 있는 지역이 많아 ATES시스템을 이용하는데 유리한 것으로 알려져 있다.
② Borehole Thermal Energy Storage (BTES)
BTES는 수직형 지열시스템과 같은 Borehole을 구성하여 지하의 지층 및 암반에 열을 저장하였다 필요시 사용하는 시스템이다. 하절기 히트펌프 폐열의 히트싱크로만 활용하는 지열시스템과는 달리 폐열 및 신재생에너지원으로 부터의 열원을 장기간 저장하여 동절기에 사용하는 시스템으로 지하수가 없거나 대수층 내 지하수의 유속이 매우 느린 지역에서 사용 가능한 기술이다.
③ Water Tank Storage
인공적인 Water Tank을 구성하여 축열체로 사용하는 시스템으로 물을 축열체로 구성하여 적용한다. Water Tank의 크기에 따라 내부 온도상승한 물의 축열을 직접적으로 사용할 수 있으며 상하온도층이 형성되는 경우 온도층을 활용하여 시스템을 구성할 수도 있다. 일반적으로 장기 축열시스템 뿐만 아니라 단기 축열시스템에도 사용되는 시스템으로 인공적인 구조물 구성과 단열조건으로 구성할수 있는 장점으로 열의 축적과 사용을 효과적으로 제어할 수 있다.
④ Water-Gravel Pit Storage
Water Tank Storage와 유사한 시스템으로 단열 시공을 한 대형PIT(웅덩이)를 구성하여 단열한 후 내부에 물과 Gravel(자갈)을 혼합하여 축열체를 구성한 시스템이다. 독일등 유럽에 많이 사용되는 시스템으로 인공적인 구조물 구성과 단열조건으로 구성할 수 있는 장점으로 인해 열의 축적과 사용을 효과적으로 제어할 수 있다.
4.3 상기 기술을 활용한 냉난방 시스템 구성
앞서 언급한 Thermal lining system 등으로 지하터널 내 발생하는 15℃이하의 침출수를 통해 터널내부의 열을 흡열하여 터널내 열축적을 방지하고 일정온도를 유지함으로 냉난방 부하를 절감할 수 있을 것으로 판단되고 우리나라의 기후적 특성을 고려할 때 계절별로 편차가 큰 냉난방 부하의 균형을 유지할 수 있는 계간축열장치인 BTES(Borehole Thermal Energy Storage)를 구성하여 신재생에너지 시스템 및 폐열을 회수하여 단기/계간축열하여 지하역사에 냉난방 에너지원으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
4. 결론
최근 국내 및 해외의 도시철도 뿐만 아니라 대규모 전력에너지가 필요한 건축물 등에서는 신재생에너지의 도입을 적극 검토하고 있다. 특히 도시철도와 같은 대규모 전력소비가 예상되는 소비주체에게 에너지 절감은 에너지 사용시간을 단축하는 수동적인 대응책 보다는 보다 적극적인 대책이 요구되어 진다. 전력에너지에 의존하는 수동적인 대책 보다는 에너지원의 전환을 모색해 공공시설의 편의증진과 효율성을 동시에 만족하기 위해 폐열 및 신재생에너지를 활용한 지하역사의 냉난방 에너지 절감 대책으로 TLS 및 BTES를 통한 종합적인 냉난방 에너지 절감기술의 도입이 효율적이라고 예상된다. 하지만 아직 국내에서 활발한 연구가 진행되지 않고 있으며 사례 또한 부족한 실정이므로 보다 적극적인 도입을 위해서는 관련분야의 상세한 연구가 필요할 것으로 판단되며 기술축적을 위한 TEST BED등을 통해 국내 기후 및 환경 조건에 적합한 설치 방안이 도출되어야 하며 제도적인 뒷받침 등이 필요할 것으로 판단된다.
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