한국수자원공사(K-water) 융합연구원은 2월4일 한국에너지기술연구원 대전본원에서 ‘수열 냉난방·재생열 하이브리드시스템 기술개발 및 실증’ 1차년도 킥오프회의를 개최했다.
이번 회의에는 연구기관으로 선정된 △K-water △LG전자 △한국에너지기술연구원(이하 에기연) △한국냉동공조인증센터(이하 인증센터) △한국기계연구원(이하 기계연) △충남대 등이 오프라인으로 참석했고 △에너지관리기술 △장한기술 △한양대 △군산대 △숭실대 △고려대 등이 온라인을 통해 회의에 참여했다.
이날 열린 회의는 수열 냉난방·재생열 하이브리드시스템 개발에 대한 정량적 기술 및 성과목표를 확인하고 기관별 1차년도 연구내용과 향후 연구계획을 공유하기 위해 마련됐다.
연구책임자인 조용 K-water 책임연구원은 인사말을 통해 “현재 1차연도에 돌입한
이번 과제는 앞으로 추진할 내용이 많아 참여기관들이 논의하고 소통할 수 있는 자리가 필요하다는 판단에 따라 이번 회의를 마련했다”라며 “이번에 연구하는 시스템은 기존 수열 냉난방시스템과 비교했을 때 하천수를 이용해 냉난방을 공급하는 것으로 이물질처리, 취수방법, 인증 및 기술기준 등을 마련해야 해 다른 과제들과 차별성을 가진다”고 덧붙였다.
이번 과제를 통해 △안전적 효율확보를 위한 하천수 열교환 기술개발 △하천수 기반 친환경 냉매적용 대용량 히트펌프 개발 및 성능개선 △축열식 하이브리드 냉난방시스템 최적설계·성능에측·운영 기술개발 △대용량 히트펌프 기술표준 및 인증체계·수열관로 안정성 향상 등의 성과가 기대된다.
1차연도(2020년 10월~2021년 3월)에는 4개의 워킹그룹으로 나눠 연구가 진행된다. 워킹그룹1에는 △기계연 △장한기술 △한양대 △군산대 등이, 워킹그룹2에는 △LG전자 △충남대 △숭실대 등이, 워킹그룹3은 △에기연 △에너지관리기술 △고려대 등이, 워킹그룹4는 K-water와 인증센터 등이 참여한다.
1차연도에 워킹그룹1은 안정적 성능확보를 위한 하천수 취수 및 열교환 기술개발을 목표로 연구를 추진하고 있으며 워킹그룹2는 친환경 냉매이용 수열원 히트펌프 성능개선 기술 확보를 위해 연구를 진행하고 있다.
또한 워킹그룹3은 축열식 하이브리드시스템 기본설계 및 성능해석 모델링을, 워킹그룹4는 1,000RT급 수열원 히트펌프시스템 기술조사 및 성능평가설비 개념 설계를 진행하고 있다.
안정적 취수·열교환 기술개발윤석호 기계연 책임연구원은 “기계연에서 크게 두 가지 연구방향을 설정하고 연구를 진행하고 있다”라며 “수열시스템의 핵심이 되는 열교환기에 대해 스케일 형성을 지연시키는 구조를 개발하는 것과 100RT급 소형 수열시스템을 실증하는 것”이라고 말했다.
이어 “이를 통해 수열시스템에 적합한 열교환기를 개발하고 취수부터 수열을 회수하는 수열시스템 가이드라인을 제시할 것으로 기대하고 있다”라며 “1차연도는 스케일 생성 문헌조사를 진행하고 있고 판형열교환기 전열판 유동특성을 분석해 유동정체구간과 분배불균일 영역을 찾는 연구와 열교환기 유동가시화 시험설비 등을 추진하고 있다”고 덧붙였다.
박형준 장한기술 기술이사는 “열교환기 스케일 발생저감에 고려되지 않고 있는 부분이 여과장치에 대한 부분이라고 생각한다”라며 “장한기술에서는 6개월 이상 오버홀이 필요하지 않는 시스템을 목표로 오염물질제거가 가능한 여과시스템을 구상하고 있다”고 말했다.
이어 “구상하고 있는 시스템은 원수를 여과하는 과정에서 발생하는 이물질로 인해 설정차압 이상으로 상승하면 오염물질을 배출하는 시스템”이라며 “열교환기는 히트펌프 열원과 원수의 온도차가 작아 Low LMTD열교환기가 필요한 상황으로 스케일 제거가 용이한 가스켓 판형열교환기를 고려하고 있으며 열교환기 오염시료를 확보해 친환경 세정기술을 조사하는 중”이라고 밝혔다.
김동립 한양대 교수는 “스케일은 열교환기 성능저하뿐만 아니라 부식을 야기하므로 한양대에서는 부식·스케일 억제 열교환기 표면 및 코팅기술을 조사하고 시험장치를 구성하고 있다”라며 “냉동공조용 냉각수 수질기준을 통해 스케일 생성에 영향을 미치는 항목을 확인할 수 있는데 이와 관련해 한양대에서는 한강유역본부에서 취수해 한국환경수도연구원에 성분분석을 진행하고 있다”고 말했다.
이어 “또한 열교환기 표면 처리 예비타당성 평가를 금속, 고분자수지, 세라믹 등을 대상으로 진행하고 있다”라며 “열교환기 스케일 발생 가속화 장비를 구축해 정량실험 데이터의 신뢰성을 확보할 예정”이라고 덧붙였다.
장세명 군산대 교수는 “하천수 취수 및 방수시스템 기초연구는 다양한 문헌을 토대로 취수탑 내부 격벽 및 수위조절판 유무에 따른 전산유동해석, 기존과 신규 도수관로 분기관에 대한 유동해석, 도수관로 유량에 따른 분기관 유동 특이사항 검토 등을 진행 중”이라며 “또한 수충격 관련조사를 K-water의 멕시코 El Zapotillo 상수도사업 수충격 검토 보고서를 토대로 진행해 수충격을 대비하기 위한 체계적인 방법론을 제시하고자 한다”고 말했다.
이어 “2차연도에는 하천수 관로조건 및 범위를 확정하고 CFD 계산을 통한 차압손실, 열유동 혼합해석, 수충격 해석을 위한 기초방법론 확립 등을 수행할 예정”이라며 “이를 통해 원수순환 펌프트립에 의한 관로 수충격 예측을 위한 비정상 해석을 수행하고 메인관로수충격에 의한 하천수 열교환설비의 수충격을 검토하고자 한다”고 밝혔다.
하천수 히트펌프 개발·성능개선김규영 LG전자 책임연구원은 “LG전자는 1차연도에 히트펌프시스템 설계를 진행하고 있다”라며 “터보압축기는 운전범위에 민감하고 열교환기 차압의 증가는 압축기의 소비전력, 운전범위 변동을 야기해 이상증상이 발생할 우려가 있어 압축기를 선정하고 칠러를 설계하기 위해서는 칠러에 유입되는 물온도가 가장 중요하다”고 말했다.
이어 “시스템 설계조건을 검토한 결과 브라인을 적용하지 않고 제시된 난방온도 목표를 달성하기 위해서 유량을 증대해 출수온도를 조정할 필요가 있는 것으로 파악됐다”라며 “LG전자에서는 건물 단열 등으로 설계온도 조건에서 낮은 부하운전을 고려해 2개의 250RT 압축기로 사용해 압축기 1대 운전으로 50%(250RT) 이하 운전효율 개선 및 운전영역 확대하고 각 압축기에 인버터를 적용해 온도조건 변화에 따른 효율을 개선하고자 한다”고 덧붙였다.
노명규 충남대 교수는 “충남대는 1차연도에 무급유 압축기용 자기베어링 설계를 진행하고 있다”라며 “자기베어링은 회전축의 위치를 센서가 감지해 이를 바탕으로 자기장을 발생시켜 회전축이 비접촉상태로 유지되도록 하는 시스템으로 지속적으로 전류를 제어해야만 비접촉 상태를 유지할 수 있다”고 말했다.
이어 “이를 위해 회전축의 크기, 재료의 재질 등 운전조건에 따른 정부하 및 동부하 추정, 부하 및 위험속도 여유도를 고려한 베어링 설계, 유한요소해석을 통한 설계검증 등을 진행하고 있다”라며 “유한요소해석을 통한 설계검증은 2차원 해석을 통해 신뢰도를 검증하고 3차원 상용코드와의 비교를 통해 오차를 분석하고 있다”고 덧붙였다.
안형준 숭실대 교수는 “숭실대는 무급유 압축기용 와전류 변위센서 동적성능 개선을 진행하고 있다”라며 “이를 위해 기존 자기베어링 변위센서에 대한 측정 시험을 진행해 민감도 및 잡음 특성을 확인한 결과 잡음은 약 12μm으로 나타났다”고 말했다.
이어 “잡음은 신호전달 시 발생하는 노이즈를 의미하는 것으로 센서발진 주파수를 변경해 센서를 보정하고 이를 통해 잡음을 4μm으로 개선했다”라며 “2차연도에는 기존 변위센서 신호처리부 잡음분석, 변위센서 장음 및 정적성능개선, 변위센서 잡음 및 정적성능 검증을 통해 변위센서의 성능개선을 진행할 계획”이라고 밝혔다.
축열식 하이브리드시스템 개술개발
허재혁 에기연 책임연구원은 “수열시스템만으로 동작하기 어려운 현장을 위해 냉온수기, 보일러 등 기존 시스템을 조합해 수열시스템을 최대한 활용하면서 안정적으로 운영하는 하천수 이용 하이브리드시스템의 개념정립 및 기본설계를 수행하고 있다”라며 “현재 열원현황 및 설비후보 도출을 위해 실승사이트의 에너지 부하 현황분석을 통해 에너지공급 대상범위, 설비후보 및 필요용량 산정을 진행하고 있다”고 말했다.
이어 “또한 수열활용에 적합한 축열시스템 방식선정 및 용량을 산정해 축열조 운전시나리오 도출 및 연계 운전 구상안을 마련하고 있다”라며 “하이브리드 열원 믹스 구성 및 용량 대응 시나리오를 도출해 하이브리드 열원 운전모드를 고려한 기본시스템 설계안을 제시를 위해 연구를 진행하고 있다”고 덧붙였다.
이상목 에너지관리기술 부장은 “에너지관리기술은 실증에 방향을 설정하고 연구에 참여하고 있다”라며 “1차연도는 실증대상건물에 수열 활용계획 수립 및 설계를 위해 계획수립 및 현장조사, 기존시스템 활용 및 연계계획 수립을 진행하고 있다”고 말했다.
이어 “실증대상 건물의 열원계통을 분석한 결과 난방열원, 중앙Zone, 개별Zone, 냉방열원 등으로 구성돼 있는데 수열 적용대상이 확정되면 배관크기, 펌프 등 기본설계를 진행할 예정”이라며 “향후 주요 기관별 장비 데이터 취합, 실증 현장의 철거대상 설비협의 및 공사범의 협의 등 시스템 구축, 설계 및 실증시스템 구축을 위한 사전업무를 진행할 예정”이라고 밝혔다.
김용찬 고려대 교수는 “수열을 이용한 냉난방시스템 성능을 해석하기 위해 하이브리드 냉난방시스템 핵심 요소기기 모델링, 하이브리드 냉난방시스템 성능해석 프로그램 제작 등을 진행하고 있다”라며 “현재 스크롤 압축기 전용 물대물 히트펌프 모델링을 제작했고 추후 압축기 종류를 확대할 예정으로 이와 함께 부하 종류 및 용량변화에 따른 TRNSYS 해석이 가능하도록 시뮬레이션을 제작할 것”이라고 말했다.
이어 “열교환기, EEV, 압축기 모델 및 운전조건 변화에 따른 해석이 가능하도록 시뮬레이션 프로그램을 제작했다”라며 “향후 수렴로직 개선을 통한 해석시간을 단축한 시뮬레이션 해석 알고리즘을 완성하고 냉방성능 해석 및 상관식을 업데이트한 시뮬레이션 해석범위 및 모듈을 확대할 예정”이라고 덧붙였다.
시험평가 기반 구축·기술표준 마련서정식 인증센터 수석연구원은 “1차연도에는 수열원 히트펌프시스템 기술표준·인증체계 기술조사 및 분석, 수열원 히트펌프 유닛 시험조건 재현성 및 안정성 측정기술개발, 수열원 히트펌프 유닛 성능평가장치 설계 등을 진행하고 있다”라며 “시장, 제품, 기술 등에 대한 조사를 진행 중이고 현재 국내·외 지열, 수열, 해수열 등 신재생에너지 규정, 설비시스템 정책, 기술기준을 조사하고 있다”고 말했다.
이어 “실환경 수열원조건의 연간 온도 분석 및 SPF평가방법과 현장설치 및 실증설치에 대한 계측기기의 정밀도 타당성을 검토해 수열원 히프펌프 유닛 측정기술을 개발하고 있다”라며 “2차년도에는 수열원 히트펌프 유닛에 대한 시험방법 및 기술기준(안)을 제시할 계획이고 성능평가장치 실시설계 및 구축을 고려하고 있다”고 말했다.
연구책임자인 조용 K-water 책임연구원은 인사말을 통해 “현재 1차연도에 돌입한 이번 과제는 앞으로 추진할 내용이 많아 참여기관들이 논의하고 소통할 수 있는 자리가 필요하다는 판단에 따라 이번 회의를 마련했다”라며 “이번에 연구하는 시스템은 기존 수열 냉난방시스템과 비교했을 때 하천수를 이용해 냉난방을 공급하는 것으로 이물질처리, 취수방법, 인증 및 기술기준 등을 마련해야 해 다른 과제들과 차별성을 가진다”고 덧붙였다. 
안정적 취수·열교환 기술개발
하천수 히트펌프 개발·성능개선
노명규 충남대 교수는 “충남대는 1차연도에 무급유 압축기용 자기베어링 설계를 진행하고 있다”라며 “자기베어링은 회전축의 위치를 센서가 감지해 이를 바탕으로 자기장을 발생시켜 회전축이 비접촉상태로 유지되도록 하는 시스템으로 지속적으로 전류를 제어해야만 비접촉 상태를 유지할 수 있다”고 말했다. 
시험평가 기반 구축·기술표준 마련
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