히트펌프산업, 수열에너지 신성장 동력 얻다
히트펌프산업, 수열에너지 신성장 동력 얻다
  • 홍시현 기자
  • 승인 2019.09.20
  • 댓글 0
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히트펌프얼라이언스 정기세미나, 관련 업계 대거 참석 ‘성황’
히트펌프 기술 및 개발 동향, 적용 사례 등 최신 정보 교류
히트펌프얼라이언스 정기세미나가 진행되고 있다.
히트펌프얼라이언스 정기세미나가 진행되고 있다.

[투데이에너지 홍시현 기자] 오는 10월부터 하천수까지 수열에너지 범위로 포함·확대됨에 따라 관련 업계에서는 비상한 관심을 보이고 있다.

업계에서 수열에너지에 높은 관심을 보이는 이유는 수열에너지의 범위가 확대됨에 따라 관련 설비, 즉 히트펌프와 이와 연관된 설비의 수요가 늘어날 것으로 기대하고 있다. 수열에너지는 물의 온도에너지를 이용해 냉방 시 건물 내의 열을 수자원으로 방출하고 난방 시에는 수자원으로부터 열을 취득해 실내에 공급한다. 수열에너지시스템의 설비구성(히트펌프 사용)은 지열에너지시스템과 동일하며 열원이 하천수냐 지중열이냐의 차이다. 

높아진 수열에너지에 대한 관심을 반영하듯 지난 19일 부산 BEXCO에서 열린 ‘한국히트펌프얼라이언스 정기세미나’에 업계 관계자들이 대거 참석해 수열에너지 관련 산업의 활성화에 대한 높은 기대감을 나타냈다. 특히 이번 세미나는 국제구리협회에서 후원해 국내 히트펌프산업과의 연대를 강화했다.

김완진 히트펌프얼라이언스 공동의장이 정기세미나 개회사를 하고 있다(좌). 유한종 국제구리협회 이사가 축사를 하고 있다.

김완진 히트펌프얼라이언스 공동의장이 정기세미나 개회사를 하고 있다(좌). 유한종 국제구리협회 이사가 축사를 하고 있다.

한국히트펌프얼라이언스(구 히트펌프산업포럼)는 히트펌프산업 활성화를 위해 매년 부산 BEXCO에서 열리는 ‘부산국제환경에너지산업’ 부대행사로 정기세미나를 개최하고 있다. 올해에는 최근 업계의 핫 이슈인 수열에너지와 관련해 △복합열원 히프펌프시장 및 기술 동향(대성히트에너시스) △히트펌프용 신냉매 적용 동향(하니웰) △히트펌프용 무급유 압축기 개발 사례(태양전기) △A2L 냉매용 스크롤 컴프레서 신제품 소개(비처코리아) △수열에너지 확대, 히트펌프의 역할은(한국수자원공사) △대용량 히트펌프 개발 동향 및 적용 사례(LG전자) 등이 발표됐다.

수자원공사, 수열에너지 확대 대용량 히트펌프 필요

김영준 한국수자원공사 부장이 ‘수열에너지 확대 및 히트펌프 역할’에 대해 발표를 하고 있다.

김영준 한국수자원공사 부장이 ‘수열에너지 확대 및 히트펌프 역할’에 대해 발표를 하고 있다.

이날 세미나에서 가장 주목을 받은 주제는 수자원공사의 ‘수열에너지 확대, 히프펌프의 역할’로 세미나 이전부터 많은 관심을 받았다. 발표자로 나선 김영준 수자원공사 물에너지처 수열에너지사업부장은 “건축면적과 전용면적의 차이가 큰 고층의 건물의 경우 수열원이 인근에 있다면 수열이 지열의 대안이 될 수 있다”라며 “이미 일본, 중국, 프랑스, 캐나다 등에서 활용되고 있으며 국내에서도 수자원공사를 비롯해 롯데월드타워, 강원도 수열에너지 클러스터 조성사업, 부산 스마트시티 시범사업 등에 적용 및 적용 예정”이라고 설명했다. 이는 앞으로 수열에너지 적용 확대 가능성을 시사한 것이다.

수열에너지가 하천수로 확대됨에 따라 신재생에너지 보급사업 지원, 세제지원 제도, 제로에너지 건축 보급·확대 등 신재생에너지 지정으로 인한 제도적 지원을 받을 수 있다. 또한 공공기관 재생에너지 적용 의무화와 신재생에너지 공급의무비율이 2019년 27%에서 2020년 30%로 확대되기 때문이다.

김영준 부장은 “수열에너지를 적용할 경우 냉각탑 대체, 에너지·온실가스 저감, 설비 간소화, 안전성 증가 등의 효과를 기대할 수 있다”고 밝혔다. 냉각탑을 대체하게 되면 레지오넬라균 등 감염 우려 및 수처리 비용이 저감되고 건물하중, 미관, 소음이 개선, 냉각수 순화비용 절감이 된다. 또한 하천수를 사용하기 때문에 화석연료대비 20~50% 에너지를 저감하고 실외기가 필요없어 열섬현상도 완화된다. 열교환기만으로도 냉방이 가능하고 인화물 폭발 위험도 감소된다.

국내 수열에너지 활용 대표 사례는 롯데월트타워다. 롯데월드타워는 광역상수도를 활용해 수열을 공급받는다. 활용유량은 5만m³/일로 전체 최대 냉방부하 3,000RT로 전체 부하의 10%를 담당한다. 이를 통해 흡수식 냉온수기대비 에너지 사용량의 73.3%, CO₂배출 37.7% 절감 효과를 보였다.

강원도 수열에너지 클러스트 조성사업은 수열에너지와 융복합을 통해 미래 물-에너지-식량 결합 기반의 신산업 모델을 창출한다. 부산 스마트시티 시범사업에서는 국내 최초로 도시 단위에서 하천수를 활용해 효율 높은 냉난방시스템을 구축하게 된다.

이와 같이 수열에너지 활용 확대를 위한 그림이 그려지고 있지만 개선돼야 할 부분도 많다.

김영준 부장은 “일반적으로 수열에너지는 관로 공사 혹은 취수 시설이 필요하나 대규모 개발이 가능해 지열에너지용 히트펌프보다 대용량이 적합하다”라며 “현재 지열용 히트펌프의 인증시험이 가능한 150RT 이상의 용량에 대한 설비 인증 시설 혹은 기술적 시험 방법 정립이 필요하다”며 대용량 수열 히트펌프 개발 및 신재생에너지 설비 인증 필요성을 강조했다.

김 부장은 이어 “수열 전용 히트펌프의 최적화 기술, 유지관리기술, 고효율 열교환기 설계기술 등 기타 요소 기술개발이 이뤄져야 하고 수열에너지 성능 취득을 위한 실증사업 지원이 있어야 한다”고 수열에너지에 대한 향후 과제를 설명했다.

LG전자, 다양한 열원 및 현장에 차별화 솔루션 제공

LG전자도 수열에너지 확대 전망에 발 빠르게 대응해가고 있다.

강태진 LG전자 H&A사업본부 책임은 ‘수열에너지를 이용한 대형 히트펌프 기술 및 적용 사례’를 통해 “하천수, 하수처리수, 열병합 발전소 폐열 등 도시기반시설로부터 폐열 및 산업단지 폐열을 터보 히트펌프로 회수 및 이용해 최대 80℃ 공급이 가능하다”라며 “LG전자는 다양한 열원 및 현장 조건에 맞는 터보 히트펌프, 흡수식 히트펌프, 스크류 히트펌프, 스크롤 히트펌프 등의 제품으로 차별화된 솔루션을 제공하고 있다”고 설명했다.

LG전자의 터보 히트Recovery시스템은 상시 냉방 위주의 운전이 필요한 곳에 부가적으로 난방 부하가 동시에 발생될 때 응축기의 배열을 회수해 경제 운전할 수 있는 칠러다. 특징은 상시 냉방부하 운전에 응축 열 일부를 회수해 난방 및 급탕에 이용할 수 있는 냉동기다. 또한 냉수 출구 온도 기준으로 상시 냉방부하 처리는 가능하나 일정한 난방(급탕) 온도는 얻기 힘드나 전체적으로 난방부하를 감소시킬 수 있고 친환경적인 이점이 있다.

터보 히트펌프시스템은 적은 양의 에너지로 열역학적 사이클을 구동해 낮은 온도의 열에너지를 높은 온도의 열에너지로 끌어올리는 장치로 고효율 COP를 구현하는 장치로 최대 80℃ 온수 생산이 가능하다.

강태진 LG전자 책임은 “터보 히트펌프의 장점은 에너지의 대부분을 하수열 등 미활용 에너지원 열원을 활용해 높은 효율(COP 3~7)을 나타냄으로서 화석연료대비 최대 30%의 비용으로 열 생산이 가능하고 온실가스 배출도 최대 80% 감소시킨다”고 소개했다.

LG전자는 이미 국내에서 대형 히프펌프를 적용시켜오고 있다. 열병합 발전소 기기 냉각수 히수 히프펌프, LG디스플레이 생산 공정 공조 폐열 회수 히트펌프 등이 예이다. 강태진 책임은 “하수처리수 에너지를 활용한 지역난방에도 적용돼 연간 15만Gcal의 열을 생산해 1만5,000가구에 난방을 공급 중이다. 제지공장에는 1대(7.04Gcal/h)의 설계 용량의 히트펌프 1대로 폐수처리장에서 하천으로 버려지는 폐열을 회수해 제지공정에 필요한 공정 수온을 승온하고 있다”고 늘어나고 있는 대용량 히트펌프 적용 사례를 전했다.

대성히트에너시스, 수열+공기열 시스템 성능 향상 기대

대성히트에너시스는 복합열원 히트펌프 필요성을 강조했다.

유지석 대성히트에너시스 대표는 ‘복합열원 히트펌프시장 및 기술 동향’을 통해 “수열과 공기열의 열원을 히트펌프가 가장 효율적으로 운전되게 하면 시스템의 성능을 높일 수 있다”고 밝혔다.

유지석 대표는 “복합열원시스템에서 히트펌프 설치는 해수열 히트펌프의 기준을 모두 준수해야 하며 공기열 특성을 고려해 -15℃에서 원활한 난방능력과 적절한 제상능력이 보유해야 한다. KS D 9502에 따르는 염수분무시험을 반드시 실시하고 증발기가 분리형인 경우는 시험인증 시 최대이격거리 이내이어야 한다”고 설명했다.

대성히트에너시스의 복합열원 히트펌프는 폭넓은 운전 범위(외기 -20℃ 난방 운전 가능)와 고신뢰성 압축기(LI타입), 염분에 의한 부식 방지를 위한 용접 헤더부 부식방지처리가 장점이다. 또한 해수열/공기열 운전 구분 등 편리한 운전조작기능과 동파방지기능 내장, 사이클 보호 등도 주목된다.

태양전기, 고온 토출형 히트펌프 현장 적용 가능

태양전기는 히트펌프용 무급유 압축기 개발 사례를 통한 시장 적용성에 대해 소개했다.

태양전기는 2014년 6월부터 2018년 11월까지 ‘산업공정용 120℃ 이상 스팀공급이 가능한 300kW급 고온 토출형 히트펌프 개발’ 과제를 수행했다.

양영민 태양전기 소장은 “이 기술의 장점은 고효율, 전력비용 절감, 제작 비용 절감(오일 계통), 유지보수 비용 절감(오일/필터 교환, 누설, 베어링 등), 설치 면적 최소화, 폐기물(오일) 처리 비용 최소화 등을 들 수 있다”라며 “미 이용열 또는 폐열이 발생하는 모든 산업 현장에 적용이 가능하다”고 밝혔다.

비처코리아, 히트펌프 응용 최적화 모델 소개

비처코리아는 최근 스크롤 컴프레서 모델 시리즈 VL의 ORBIT 및 ORBIT+가 A2L냉매인 R454B, R452B 및 R32용으로 제품 업계 최초 양산 승인을 받은 A2L 냉매용 스크롤 컴프레서 신제품을 소개했다. 이 신제품은 히트펌프 응용분야에 최적화 돼 있어 많은 관심을 받고 있다.  

김도진 비처코리아 차장은 “비처는 F가스 규정과 관련된 문제를 충족할 수 있는 중장기적 솔루션 제공과 20~80m³/h(50Hz) 토출량을 가진 스크롤 컴프레서를 안전그룹 A2L의 냉매와 함께 사용할 수 있도록 공급할 수 있는 세계 최초의 제조사가 됐다”며 비처의 기술력을 설명했다. 

이 시리즈의 모든 컴프레서는 고정속도로 운전할 수 있으며 외장형 인버터를 사용해 가변속도(35~75Hz)로 운전이 가능하다. ORBIT 및 ORBIT+ 스크롤 컴프레서는 BITZER 고급헤더기술(BAHT)로 더욱 유연한 설계와 최상의 신뢰성을 보장한다. 또한 탠덤 및 트리오 구성이 가능하다.

김도진 차장은 “ORBIT FIT 에코노마이저 적용 모델의 경우 팽창된 증기 냉매를 스크롤에 분사하는 방식으로 냉동 능력을 최대 40% 증가시키고 COP 향상, 적용 제한 범위의 확대(최저 증발온도 -32℃), 텐덤·트리오 및 외장형 인버터 VSD 구성이 가능하다”고 설명했다. 이어 “ORBIT+ LSPM(직입 기동 영구자석 모터)적용 모델의 경우에는 연중 에너지 효율이 대폭 향상시키고 50Hz 및 60Hz 작동이 동일하며 비동기식 및 동기식의 두 가지 기술의 정점을 하나로 모터설계로 조합이 가능하다”고 덧붙여 소개했다.

하니웰, 냉매 선정 시 효율·환경·안정성 고려돼야

하니웰은 ‘히프펌프용 신냉매 적용 동향’을 통해 전세계 냉매 규제에 따른 냉매 선정 시 용량, 효율, 환경, 안정성 등이 고려돼야 한다고 조언했다.   

유기출 하니웰PMT 팀장은 “응축온도 50℃, 증발온도 8℃, 응축기 출구온도(과냉각도) 50℃, 증발기 출구 과열도 5.6℃, 컴프레서 효율 0.7, 컴프레서 토출량은 동일 조건 하에서 히트펌프 성능 시뮬레이션 결과 R1234ze와 R515B의 경우 R134a대비 약 25% 줄어들기 때문에 컴프레서 토출량을 늘리거나 컴프레서 운전속도를 증가시켜야 R134a와 동일한 성능을 낼 수 있다”라며 밝혔다. 이어 “R1234yf와 R405A는 열교환기 재설계를 통해 R134a와 동일 용량으로 매칭이 가능하다”고 설명했다.

유기출 팀장은 이어 “높은 응축온도가 필요한 시스템(히트펌프) 성능을 알아보기 위해  응축온도 60~100℃, 증발온도 25℃, 응축기 출구 과냉도 5℃, 증발기 출구 과열도 5℃, 컴프레서 효율 0.8, 모두 동일한 컴프레서 토출량 조건 하에서 시뮬레이션 결과 R134a대비 R1234ze는 높은 응축온도에서도 일정하면서도 약간 더 놓은 효율을 보였으며 R515B는 R1234ze와 거의 동일한 성능 및 효율을, R450a와 R1234yf는 R134a와 동일한 성능의 제품 개발이 가능하다”고 밝혔다.

히트펌프얼라이언스 정기세미나 참석자들이 기념촬영을 하고 있다.
히트펌프얼라이언스 정기세미나 참석자들이 기념촬영을 하고 있다.

 

 


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