신재생에너지 중 지열원 히트펌프시스템 강소기업 유천써모텍(대표 김철영)은 ‘냉매 과냉각 및 과열증기 냉각을 위한 복합열원 히트펌프시스템(이하 복합열원시스템)’ 기술이 조달우수제품으로 최근 선정됐다고 밝혔다.
기존 제품은 냉방 응축열을 급탕 또는 지중열교환을 이용해 한 번의 열교환으로 방열하고 있다. 건축물의 냉방부하는 난방부하대비 40% 이상 높아 지중열교환기 용량을 냉방부하 기준으로 정함에 따라 지중열교환기 천공 수량이 증가하게 되고 이와 관련 공사비도 증가하게 된다.
새로 개발된 복합열원시스템은 응축열을 압축기 토출가스 고온 응축영역과 냉동능력 증가를 위한 냉매 과냉각 저온영역의 2단 구역으로 응축열을 방열한다.
고온 열교환 영역에서는 급탕이 필요한 경우 토출가스 온도를 90℃까지 고온으로 승온해 고온 급탕을 가열하고 일반 냉방시스템에서는 60℃정도의 토출가스 현열을 냉각탑 등의 상온 열원으로 방열한다.
저온 열교환 영역에서는 급탕 가열 시 성층화 저온급수열원을, 일반 냉방 시 지중열원 또는 지하 저수조열원 등을 활용해 냉매를 저온으로 과냉각해 냉동능력을 증대한다.
이와 같이 복합열원을 이용함에 따라 지중열원의 이용량이 50% 이하로 감소돼 지중열교환기 천공 수량을 감소하거나 또는 지중열원의 온도를 저온(20℃ 이하)으로 유지할 수 있어 냉방성능을 증대할 수 있다.
고온 급탕시 안정적 COP 확보
급탕의 레지오넬라 오염방지위한 급수법 개정으로 급탕 저장식 시스템에서는 급탕을 60℃ 이상 고온으로 저장해야 한다. 기존 열펌프시스템에서는 60℃ 고온급탕을 가열하는 경우 고온 환수의 특성으로 압축기 고압이 과다하게 증가돼 COP도 현저하게 저하된다.
유천써모텍이 개발한 복합열원시스템에서는 급탕조를 고온 및 저온으로 분리되는 성층화 급탕조 및 과열 과냉각 2단 열교환기술을 적용해 고온의 급탕 공급 시에도 안정적이며 높은 COP를 유지할 수 있다.
또한 과열 및 과냉각 2단 열교환시스템을 적용으로 지열원 이외 보조열원을 효과적으로 활용해 지중열의 이용량을 50% 이하로 감소하면서도 열펌프의 성능은 유지할 수 있다. 압축기 토출가스 고온열을 냉각탑 등의 상온열을 이용해 1차로 과열을 제거한 후 저온의 지중열원을 이용해 냉매를 과냉각하는 기술이다.
지중열원 이용없이 냉방 응축열을 고온으로 승온해 60℃의 고온 급탕을 공급하면서도 냉방성능 저하를 최소화했다. 기존 시스템은 고온 급탕 공급 시 냉방성능이 현저하게 저하되는 문제점이 있었으나 복합열원시스템에서는 냉매 과냉각 효과를 이용해 냉방성능 저하를 최소화해 냉방 및 급탕 종합성능(TER)을 10.2까지 유지할 수 있다.
또한 필요한 급탕부하가 충족된 경우 자동으로 냉각열원을 지중열원으로 교체돼 언제나 안정적인 급탕 공급이 이뤄진다.
이번 복합열원시스템은 다양한 병원, 호텔, 관공서, 기숙사, 연수원 등 급탕부하가 많은 시설에 적용돼 안정적인 열원공급과 운전비 최소화를 실현하고 있다.
차세대 기술개발 중
유천써모텍은 공동주택에 적용 가능한 지중열원 히트펌프시스템을 개발 중이다. 공동주택에 지중열원 히트펌프 공급 시 가장 큰 장애요소는 지중열교환기 설치수량 과다에 따른 공간 부족 및 초기 투자비 증대다.
유천써모텍의 관계자는 “이번 개발의 핵심은 장애 요소를 효율적으로 해결해 여름철 냉방 시 응축열원을 다양한 형태로 재생할 수 있다”라며 “현재 소요되는 지중열교환기를 30% 이상 절감하고 현존 냉방설비보다 운전비를 30% 이상 줄일 수 있는 시스템으로 연구소에서 개발 및 부분부하 성능시험을 준행 중”이라고 밝혔다.
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