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스페셜리포트

[특별기고] 스팀생산 히트펌프용 무급유 냉매압축기 개발현황

“무급유 냉매압축기 적용 고온수 HP
산업공정 E소비·CO₂절감 기여”

미활용 배열이나 폐열에 포함된 에너지회수를 목적으로 120℃ 고온수 또는 스팀생산을 위한 열용량 300kW급 산업용 히트펌프를 개발했다. IEA HPP(국제에너지기구 히트펌프집행위원회) 보고서에 따르면 산업공정에서는 90~120℃의 열원이 가장 많이 사용되며 고온 히트펌프기술을 적용할 경우 산업현장에서 버려지는 막대한 양의 열에너지를 증발열원으로 회수해 생산한 고온수나 스팀을 산업부문 열수요의 약 43%까지 공급할 수 있고 에너지절약과 CO2 저감에 크게 기여할 수 있다.


이미 시장에서는 스크류 압축기를 이용한 120℃급 일본산 히트펌프가 판매되고 있으나 무급유 원심 냉매압축기를 이용한 고온 히트펌프 상용화는 세계 최초다. 히트펌프에 탑재할 고온용 무급유 원심 냉매압축기 설계·제작은 태양전기가, 스팀생산 히트펌프시스템 제작은 귀뚜라미범양냉방이 담당해 상용화 출시를 위해 열용량 380kW 138℃까지 한계성능시험을 완료했다. 이는 80~200℃ 수준의 산업용열을 공급할 수 있는 신뢰성 높은 고효율 히트펌프 기술의 문이 열렸음을 의미한다.


스팀생산을 위한 고온 히트펌프는 산업체에서 다량의 온수 형태로 배출되는 공정폐열을 활용해 산업공정에 120℃ 이상의 고압 고온수 또는 스팀을 직접 생산해 공급하는 기술이다. 기존의 공조용 히트펌프는 공급온도가 60℃ 내외로 산업용으로 사용하기에는 어렵고 산업체에서 발생하는 공정폐수는 냉각탑을 이용해 40℃ 이하로 냉각 후 배출해야 한다. 고온 히트펌프는 40℃ 이상의 공정폐열을 회수해 80~120℃의 고온수 또는 스팀을 생산할 수 있다. 기존 보일러를 이용하는 산업공정에서 열원 생산 방식을 대체할 수 있는 1,000kW 이상 대용량 스팀생산 히트펌프도 모듈화를 통해 시스템을 구성할 수 있다. 증발기를 핀-튜브(fin-tube) 방식으로 변경할 경우 버려지는 고온 공기열원을 활용해 고온수와 스팀생산도 가능하다.




자기 베어링 내장 무급유 냉매압축기
스팀생산 히트펌프의 핵심요소는 냉매압축기다. 기존의 스크류 압축기를 고온 히트펌프에 탑재할 경우 윤활장치 냉각을 위한 구조가 복잡해지고 고온에서는 압축기 내부 윤활시스템 과열에 의한 압축기고장이 증가할 수 있다. 이에 따라 윤활장치를 사용하지 않는 단순한 구조의 히트펌프 상용화를 목표로 ‘자기 베어링(magnetic bearing)을 내장한 무급유(oil free) 원심 냉매압축기’를 개발했다. 처음에는 비교적 구조가 간단하고 제조원가가 낮은 가스 포일 베어링(bump foiltype gas bearing)을 사용한 무급유 원심 압축기를 제작해 성능시험했으나 고온 고압(130℃, 23bar)의 운전조건에서 서징과 같은 급변 상황이 발생했을 경우 레이디얼 베어링과 스러스트 베어링 파손이 발생하는 등 자체 내구성 평가에서 탈락했다.


무급유 원심 냉매압축기를 히트펌프에 탑재할 경우 윤활유를 전혀 사용하지 않아 증발기와 응축기 등의 열교환 효율이 기존대비 15% 이상 증가되며 전동기 회전자는 자기부상(magnetic levitation)효과에 의해 베어링 마찰손실이 거의 발생하지 않아 기계적 효율이 높아진다. ASHRAE 보고서에 의하면 이러한 냉매시스템에서는 기계적인 마찰요소가 거의 없어 압축기 고장에 의한 가동중단 시간이 기존 시스템대비 50% 이하로 줄어드는 것으로 조사됐다.


주문자 요구 상품(OEM)으로 납품하기 위해 원심 냉매 압축기를 개발했으나 압축기 구매자는 냉동기 완제품에 압축기를 탑재해 수행하는 성능시험 결과와 압축기 단독 성능평가방법에 의한 성능평가 결과에 이견이 있을 수 있어 ANSI/AHRI 550 외 표준과 ASME-PTC10 표준을 비교하며 성능시험을 수행했다.


일반 공조용 자기 베어링 탑재 원심 냉매압축기는 해외에서 오랫동안 연구해 왔으나 고온용(100℃ 초과) 히트펌프와 연결된 원심 압축기 평가관련 연구자료가 많지 않아 원심 압축식 고온 히트펌프의 정격운전성능과 실제운전성능의 차이를 비교하기 위해 비정상 상태 재현을 위한 실험장치를 만들어 검증했다.




귀뚜라미범양냉방과 신뢰성 평가
현재 고온용 냉매압축기 및 히트펌프에는 오존층파괴지수(ODP)가 ‘0’이고 지구온난화지수(GWP)가 낮은 R245fa 냉매를 적용했다. 앞으로 인화성과 독성문제가 해결되고 가격이 낮아진다면 현재 사용하고 있는 R245fa 냉매보다 물성이 더 좋은 R1234ze(Z), R1233zd(E), R365mfc 등을 즉시 대체 적용할 수 있도록 준비하고 있다.


기존 보일러(기름, 가스)의 열효율(COP)은 2 이하이나 R-245fa 냉매를 적용한 ‘자기베어링 내장 무급유 원심 냉매 압축기 탑재 고온 히트펌프’의 공인 열효율은 3.29로 보일러에 비해 구조도 비교적 간단하며 사용이 더 편리하다. 또한 버리는 열을 이용해 가용성(availability)이 높은 에너지로 변환함으로써 에너지절약과 온실가스 감축에도 기여할 수 있는 고온 히트펌프는 기존 산업용보일러시장을 잠식할 수 있는 파괴적인(disruptive) 혁신기술이라고 할 수 있다. 현재 태양전기에서 생산하고 있는 고온용 냉매압축기는 공급온도 120℃ 기준일 때 열용량 250~335kWth까지 공급 가능하며 대용량의 경우 표준모듈을 조합해 증가시킨다.


고온 히트펌프는 고베제강 등 일본 업체들이 기술개발을 선도하고 있으며 히트펌프 업체들은 축열조와 연계된 부하평준화와 고효율화가 가능한 하이브리드 히트펌프 시스템을 개발해 실용화 단계에 있다.


프랑스 EDF, Danfoss, Johnson-Controls 등은 최대 140℃ 스팀생성이 가능한 히트펌프 개발을 목표로 시제품 제작 및 시험·평가 진행 중이다. 미국의 York, Trane 등은 5~700HP급의 물 대 물 터보히트펌프를 개발해 미국, 캐나다, 유럽지역에서 병원 등 대형건물에 적용했으며 공정 및 지역난방용 고온수 제조를 위한 2단 터보압축시스템과 다양한 용량대의 제품군을 개발 중이다. 태양전기는 80~90℃급 고온수 히트펌프와 일반 공조용 냉동기에 적용할 2단 원심 터보압축기를 새로 제작해 귀뚜라미범양냉방과 함께 신뢰성 평가를 진행 중이다.


현재 국내에서 사용하는 고온용 히트펌프는 주로 일본에서 수입해 고가로 판매되고 있다. 고온용 증기공급 히트펌프가 신기술에 의한 신뢰성 향상과 가격경쟁력을 지니면서 국내 산업공정의 에너지소비 및 CO2 절감에 크게 기여할 것으로 기대된다.


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