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히트펌프얼라이언스 세미나 ‘성료’

기술개발 동향·적용사례 등 최신 정보 교류


히트펌프업계의 이슈를 확인하고 활성화 방안을 논의하는 ‘한국히트펌프얼라이언스 정기세미나’가 성황리에 마무리됐다.

한국히트펌트얼라이언스(공동의장 김민수·김완진)는 지난 19일 부산 BEXCO에서 업계 관계자 80여명이 참석한 가운데 국제구기협회의 후원으로 ‘정기세미나’를 개최했다고 밝혔다. 

이날 세미나는 히트펌프산업 활성화를 위해 매년 부산 BEXCO에서 열리는 ‘부산국제환경에너지산업’ 부대행사로 진행됐으며 △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.

“수열+공기열, 히트펌프 성능 향상 기대”

첫 발표에 나선 유지석 대성히트에너시스 대표는 ‘복합열원 히트펌프시장 및 기술 동향’ 발표를 통해 “공기열 히트펌프 기술이 발전하면서 한랭지에서 제품이 필요한 성능을 발휘하고 일부 어가에서 기존 해수열 히트펌프와 연계해 증발기를 부착, 효율적으로 양식장을 운영하고 있다”라며 “수열과 공기열의 열원을 히트펌프가 가장 효율적으로 운전되게 하면 시스템의 성능을 높일 수 있다”고 강조했다. 

친환경 에너지보급사업의 에너지절감 지원사업(히트펌프 보급사업)으로 지원되는 (해)수열원 히트펌프에 보조열원으로 공기열 열교환기를 구비하는 복합열원 히트펌프시스템은 (해)수열원으로 이용하는 난방용량이 복합열원 히트펌프 최대 난방용량의 50% 이상이어야 한다.  

수산분야 히트펌프는 수열시험 기준인 정격냉방 COP 4.0, 정격난방 COP 5.5를, 공기열시험 기준인 제상 및 외기온도 –15℃시 COP 2.3을 획득해야 한다. 염수부식시험(공기측 열교환기)은 KS D 9502인 분위기 온도 35℃, nacl 5%, 720시간을 만족해야 한다. 

설계용량 산정은 난방용량을 기준으로 산정하되 자료가 없을 시 취쉬시점의 3년간 가장 낮은 평균수온을, 냉방은 가장 높은 3년간 수온으로 산정하면 된다. 복합열원의 공기열은 해수온도가 낮아 취수붕가시 수조의 온도를 유지하기위한 열량으로 사용한다.

유 대표는 “복합열원 히트펌프는 해수열 히트펌프의 기준을 모두 준수해야 하며 공기열 특성을 고려해 -15℃에서 원활한 난방능력과 적절한 제상능력이 보유해야 한다”라며 “해수를 직접 이용하는 경우 해양생물이나 이물질이 흡입되지 않도록 하고 해수가 직접 접하는 부분은 부식에 강한 KS제품의 재질을 사용해야 한다”고 밝혔다. 

대성히트에너시스의 복합열원 히트펌프는 해수열 정격난방능력 225.24kW(64.5RT), 냉방능력 213kW(60.5RT), 공기열 정격난방능력 146.87kW(41.7RT), 냉방능력 156.18kW(44.4RT), 한랭지 난방능력 75.16kW로 압축기는 스크롤형식을, 냉매는 R410a를 적용했다.  

또한 △외기 -20℃서 난방운전이 가능한 폭넓은 운전 범위 △LI타입 고신뢰성 압축기 적용 △염분에 의한 부식 방지를 위한 용접 헤더부 부식 방지 처리 △해수열·공기열 운전 구분, 에러 시 부져기능 내장 등 편리한 운전 조작 △저압감기 및 열원측 동파방지용 TC내장 △2사이클 압축기 4대 구성 및 차압센서 적용으로 시스템 보호 등 장점을 갖췄다. 

Low GWP 대안 냉매 선정 고려사항 제시 

유기출 하니웰 이사는 ‘히프펌프용 신냉매 적용 동향’ 발표를 전세계 냉매규제 동향 및 히트펌프용 냉매 선정 시 고려돼야 할 사항에 대해 발표했다. 

글로벌 냉매 규제 로드맵은 CFCs→HCFCs→HFCs→HFOs 및 Natural Gas시대로 전환되고 있으며 가장 많이 사용됐던 HCFCs의 대표냉매인 R22는 2030년까지 100% Phase out돼야 한다. 몬트리올의정서상 우리나라의 HCFC 감축계획은 2013년 동결에서 2015년 10% 감축, 2020년 35% 감축(매년 6.34%), 2025년 67.5% 감축(매년 13.09%), 2030년 97.5%를 감축해야 한다.

키갈리의정서에 따른 우리나라의 HFCs 감축계획은 2024년 동결로 시작해 2029년까지 10% 감축, 2035년까지 30%, 2040년 50%, 2045년 80%로 정해졌다. 2024년 동결기준은 2020년부터 2024년까지 평균 소요량을 기준실적으로 정해진다. 

이에 따라 대체냉매 개발이 활발하게 이뤄지고 있으며 보다 낮은 GWP(지구온난화지수) 냉매를 적용한 히트펌프 개발이 진행되고 있다. 하니웰은 히트펌프용 냉매 중 하나인 R134a(GWP 1,300) 대체용으로 R515b(GWP 299)와 R1234ze(GWP<1)를, 가장 많이 사용하고 있는 R410A(GWP 1,924) 대체용으로 R466A(GWP 733)를 출시했다. 

유기출 이사는 “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 용량이 약25% 줄어들기 때문에 압축기 토출량을 늘리거나 압축기 운전속도를 증가시켜야 R134a와 동일한 성능을 낼 수 있다”라며 “R1234yf와 R450A는 열교환기 재설계를 통해 R134a와 동일용량으로 매칭이 가능하다”고 밝혔다. 

유 이사는 “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 보였다”라며 “R515B는 R1234ze와 거의 동일한 성능 및 효율을, R450a와 R1234yf는 R134a와 동일한 성능의 제품 개발이 가능하다”고 밝혔다. 

유 이사는 이어 “Low GWP 대안 냉매를 선정할 때 용량은 동일 컴프레서 기준으로 용량 손실이 없는지 확인하고 용량 손실 시 열교환기, 압축기 등의 전체적인 재설계가 필요하며 효율은 현재와의 차이를, 환경은 낮은 혹은 중간 수준의 GWP를, 가연성 혹은 미가연성인지를 확인해야 한다”라며 “하니웰은 고객의 니즈에 맞게 다양한 Low GWP냉매와 솔루션을 함께 제안해 주고 있다”고 강조했다. 

“히트펌프용 무급용 압축기 개발”

양영민 태양전기 상무는 ‘히트펌프용 무급유 압축기 개발 사례’를 발표를 통해 스팀 생산이 가능한 고온 토출형 히트펌프 기술을 소개했다. 이 히트펌프기술은 ‘산업공정용 120℃ 이상 스팀공급이 가능한 300kW급 고온 토출형 히트펌프 개발’ 과제를 통해 개발된 것으로 산업공정에서 다량의 온수형태로 배출되는 공정폐열을 활용해 산업공정에 120℃ 이상의 고압 고온수 또는 스팀을 직접 생산, 공급할 수 있는 기술이다.

양영민 상무는 “산업현장에서 버려지는 막대한 에너지를 증발열원으로 활용해 120℃ 이상의 증기를 생산, 산업부문 열수요의 약 43%까지 공급 가능해 산업부문 에너지절약과 CO₂저감에 크게 기여할 수 있다”라며 “고온용 히트펌프 요구는 높으나 스팀 공급이 가능한 고온 환경 운전이 가능한 냉매압축기 개발의 어려움으로 인해 현재 상용화된 스팀 생산 히트펌프는 스크류 압축기를 적용한 일본 Kobe steel과 TEPCO 등이 공동 개발한 SGH 시리즈가 유일하며 태양전기의 주요타깃이기도 하다”고 강조했다. 

양 상무는 “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 강조했다. 

“히트펌프 응용 최적 압축기 개발” 

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. 
  
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”라며 “주요 OEM사의 자체테스트 완료 및 부품 전환이 이뤄졌다”고 강조했다. 
  
A2L용 ORBIT 스크롤 컴프레서는 공조용 및 히트펌프 적용에 최적화돼 있는 제품으로 고효율 및 운전 정속성이 뛰어나다. 또한 낮은 GWP냉매 사용에 검증됐으며 외장형 인버터를 사용해 가변속도(35~75Hz)로 운전이 가능하다. ORBIT 및 ORBIT+ 스크롤 컴프레서는 BITZER 고급헤더기술(BAHT)로 더욱 유연한 설계와 최상의 신뢰성을 보장하며 탠덤 및 트리오 구성이 가능하다. 

ORBIT FIT 에코노마이저 적용 모델의 경우 팽창된 증기 냉매를 스크롤에 분사하는 방식으로 컴팩트한 통합솔루션을 제공할 수 있다. 또한 더 작은 사이즈의 압축기 사용이 가능하고 높은 압력비 운전조건에서 최대 30% 효율 증가로 냉동능력을 최대 40% 증가시킬 수 있다. 

COP 향상으로 운정비 절감은 물론 최저 증발온도 –32℃까지 적용 제한 범위 확대로 공랭식 히트펌프의 사계절 사용이 가능하며 압축기 하나로 모든 가능한 솔루션 및 유연한 선택이 될 수 있는 텐덤 및 트리오, 외장형 인버터 VSD구성이 가능하다. 

ORBIT+ LSPM(직입 기동 영구자석 모터)적용 모델은 연중 에너지효율이 대폭 향상시키고 50Hz 및 60Hz 작동이 동일하며 비동기식 및 동기식의 두 가지 기술의 정점을 하나로 모터설계로 조합이 가능하다. 

“수열에너지 확대, 대용량 히트펌프 필요”

김영준 한국수자원공사(K water) 부장은 ‘수열에너지 확대, 히프펌프의 역할’주제발표를 통해 수열에너지의 법적의미, 신재생에너지지정 의의, 수열에너지 기대효과 등에 대해 발표했다. 

수열에너지의 정의와 범위는 신재생에너 시행령에 반영돼 있다. 기준은 물의 표층의 열을 히트펌프를 사용해 변환시켜 얻어지는 에너지로, 범위는 해수의 표층의 물을 변환시켜 얻어지는 에너지로 한정돼 있다.

그러나 오는 10월1일부터 수열에너지의 법적범위가 ‘해수의 표층’에서 ‘해수의 표층 및 하천수’로 확장될 예정이다.   

김 부장은 “수열에너지가 하천수로 확대됨에 따라 신재생에너지 보급사업 지원, 세제지원 제도, 제로에너지 건축 보급·확대 등 신재생에너지 지정으로 인한 제도적 지원을 받을 수 있다”라며 “또한 공공기관 재생에너지 적용 의무화와 신재생에너지 공급의무비율이 2019년 27%에서 2020년 30%로 확대되면 수열에너지가 확대될 수 있는 기폭제가 될 것”이라고 밝혔다. 

김 부장은 이어 “히트펌프 사용 설비구성은 지열이나 수열이나 동일하며 열원이 하천수냐 지중열이냐 차이가 있다”라며 “건축면적과 전용면적의 차이가 큰 고층의 건물의 경우 수열원이 인근에 있다면 수열이 지열의 대안이 될 수 있다”고 강조했다. 

수열에너지 도입으로 △냉각탑 대체(레지오넬라 등 감염우려, 수처리비용 저감, 건물 하중·미관·소음 개선, 냉각수 순환비용 절감) △에너지, 온실가스 저감(열섬현상 완화, 20~50% 에너지절감) △설비 간소화, 안전성 증가(열교환기만으로 냉방가능, 인화물 폭발 위험 감소) 등의 기대효과가 매우 크다. 

김 부장은 “유럽의 경우 수열에너지(Hydrothermal energy)를 지표수에 열의 형태로 저장된 에너지로 재생에너지에 포함하고 있다”라며 “이미 일본, 중국, 프랑스, 캐나다 등에서 활용되고 있으며 국내에서도 수자원공사를 비롯해 롯데월드타워, 강원도 수열에너지 클러스터 조성사업, 부산 스마트시티 시범사업 등에 적용됐거나 적용할 예정”이라고 밝혔다.  

일반적으로 수열에너지는 관로공사 혹은 취수시설이 필요하나 대규모 개발이 가능해 지열에너지용 히트펌프보다 대용량이 히트펌프가 적합하다. 실제로 롯데월드타워에 적용 히트펌프용량이 500RT였다. 이에 따라 현재 지열히트펌프의 인증시험 기준이 150RT인 만큼 대용량 히트펌프에 대한 인증설비 및 시험방법 정립이 시급한 상황이다.  

김 부장은 “이론적인 수열에너지 성능분석과 함께 실증설비에서의 각 요소별 성능에 미치는 영향에 대한 실증사업이 필요하다”라며 “현재는 수열에너지사업에 대한 인식부족, 리스크 분석자료 부족 등의 이유로 적극적 도입에 한계가 있는 만큼 에너지절감을 위한 설비도입에 각 요소별 영향인자 분석을 위한 사업비 지원이 필요하다”고 밝혔다.   

“수열에너지이용 대형 히트펌프 개발” 

강태진 LG전자 H&A사업본부 책임은 ‘수열에너지를 이용한 대형 히트펌프 기술 및 적용 사례’를 발표를 “기존 자연에 버려졌던 폐열을 생태학적으로 영향을 주지 않는 온도차를 이용하는 대형 히트펌프 적용으로 기존에 이용하지 않았던 폐열회수 및 활용이 가능하다”라며 “하천수, 하수처리수, 열병합 발전소 폐열 등 도시기반시설로부터 폐열 및 산업단지 폐열을 터보 히트펌프로 회수 및 이용해 최대 80℃ 공급이 가능하다”고 밝혔다. 

LG전자는 다양한 열원 및 현장 조건에 맞게 터보히트펌프(1.7~14MW), 흡수식 히트펌프(0.3~14MW), 스크류 히트펌프(0.4~2.5MW), 스크롤 히트펌프(0.1~0.3MW) 등 차별화된 솔루션을 제공하고 있다. 
 
강 책임은 “터보히트펌프는 적은 양의 에너지로 열역학적 사이클을 구동해 낮은 온도의 열에너지를 높은 온도의 열에너지로 펌핑하는 장치로 고효율 COP를 구현하는 장치로 최대 80℃의 온수생산이 가능하다”라며 “히트펌프의 일반적인 운전은 70~80%의 열원과 20~30%의 전기에너지를 이용해 100%의 온열을 공급한다”고 밝혔다.

강 책임은 이어 “에너지의 대부분을 하수열 등 미활용 에너지원 열원으로부터 흡수함으로써 COP가 3~7로 매우 높고 에너지절감 및 CO₂배출 감축효과가 매우 뛰어나다”라며 “이에 따라 화석연료대비 최대 30%의 비용으로 열 생산이 가능하고 온실가스 배출도 최대 80% 감소시킨다”고 밝혔다. 
 
LG전자는 이미 열병합 발전소(가스터빈, 연료전지) 기기 냉각수 회수 히프펌프, LG디스플레이 생산공정 공조 폐열회수 히트펌프, 하수 처리수 에너지활용 지역난방용으로 수열원 대형 히트펌프를 적용했다. 

강 책임은 “하수 처리수 에너지를 활용한 지역난방에 적용된 수열원 히트펌프는 연간 15만Gcal의 열을 생산해 1만5,000가구에 난방을 공급하고 있다”라며 “제지공장에서 1대(7.04Gcal/h)기 설계 용량의 히트펌프 1대로 폐수처리장에서 하천으로 버려지는 폐열을 회수해 제지공정에 필요한 공정 수온을 승온하고 있다”고 적용사례를 소개했다.