2050 탄소중립을 실현하기 위해 신재생열에너지의 역할이 강조되면서 수열에너지에 대한 관심이 높아지고 있다. 수열에너지는 물의 열을 히트펌프를 통해 변환해 사용하는 에너지로 이를 이용하기 위한 방안에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다.
지난 6월22~25일 열린 대한설비공학회 2021년 하계학술발표대회에서는 ‘수열에너지의 냉난방 활용기술’ 세션이 마련됐다.
세션은 △하천수 열원 수열에너지 하이브리드 냉난방시스템 실증방안(조용 K-water 책임연구원) △하천수 열원 이용을 위한 수열에너지 회수시스템 개념설계(윤석호 한국기계연구원 책임연구원 △축열식 수열 하이브리드 시스템 적용을 위한 열원현황 분석 및 개념설계(허재혁 한국에너지기술연구원 책임연구원) △수열원 열펌프 표준에 대한 성능평가방법 분석(서정식 한국냉동공조인증센터 수석연구원) 등의 발표로 진행됐으며 이를 통해 K-water가 주관하고 있는 ‘하천수 냉난방 및 재생열 하이브리드 시스템 기술개발 사업’ 추진현황이 공유됐다.
세계최초 수열원용 친환경 HP개발조용 K-water 책임연구원은 ‘하천수 열원 수열에너지 하이브리드 냉난방시스템 실증방안’을 주제로 ‘하천수 냉난방 및 재생열 하이브리드 시스템 기술개발 사업’ 연구개발 목표 및 기대효과 등을 소개했다.
하천수가 신재생에너지로 지정되고 2020년 제로에너지빌딩 인증 의무화로 공공기관의 수열에너지 활용에 대한 관심이 큰 폭으로 증가하고 있다. 이에 따라 활용가능한 수열에너지의 잠재량을 조사하고 수열에너지의 확대보급을 위한 ‘하천수 냉난방 및 재생열 하이브리드 시스템 기술개발 사업’이 추진되고 있다.
하천수를 활용하는 방안으로는 직접 취수, 관정 취수, 수중열교환 등이 있으며 이번 사업에는 직접 취수를 통해 수열에너지를 생산한다.
조용 책임연구원은 “하천수를 활용한 수열에너지 시스템 구성에는 동절기 동파, 수충격 사고, 하천수 유입 이물질 등을 고려해야 한다”라며 “이번 연구를 통해 성능저하율 5% 이하 안정적 하천수 열교환기술, 1,750kW 이상, 친환경 냉매이용 수열원 히트펌프시스템 성능향상 기술을 개발할 계획”이라고 밝혔다.
이어 “2차연도로 연구성과를 확산하기 위해 과천 3기 신도시에 수열에너지 Track-record를 제공해 지역냉난방으로 확대하는 사업을 LH와 협의 중”이라며 “추가적인 실증사이트를 확장할 계획”이라고 덧붙였다.
K-water는 압축기, 자기베어링 및 갭센서 등 관련 핵심기술을 확보하고 향상을 통해 R1233zd 적용 수열원용 세계최초 친환경 무급유 히트펌프를 개발한다. 개발 목표는 냉방 COP 6.1, 난방 COP 4.3 이를 합한 통합 COP 4.2 구현이다.
세계최고 수준의 안정적 열회수시스템을 개발할 계획이다. 이를 위해 △하천수 취수, 방수 및 열교환시스템 제어 및 운영기술 △친환경 세정기술 △전열판 형상 최적화 설계기술 △부식 및 스케일 방지 표면처리 기술 등을 개발해 5% 이하 열교환 성능저하, 표면 스케일 생성 60% 억제성능 등을 갖춘 고효율 하수열회수 통합시스템을 실증할 계획이다.
조용 책임연구원은 “이번 연구를 통해 모두가 누리는 물의 새로운 가치를 창출할 수 있을 것으로 기대한다”라며 “이와 함께 수열에너지가 지속가능한 환경을 조성하고 그린뉴딜을 선도해 녹색일자리를 창출할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
하천수 열교환 성능저하 방지 관건윤석호 기계연구원 책임연구원은 ‘하천수 열원 이용을 위한 수열에너지 회수시스템 개념설계’ 발표를 통해 현재 개발 중인 하천수 수열에너지시스템의 특징과 대응방안에 대해 설명했다.
이번 연구에 적용되는 하천수 취수방식인 직접 취수는 대용량 시스템에 적합하며 대규모 건설공사로 인한 투자비용이 높다. 특히 하천수에 포함돼있는 이물질 등에 대한 유지관리가 필요한 것이 특징이다.
윤석호 책임연구원은 “하천수에 포함된 이물질로 인한 스케일 발생으로 시스템 효율이 떨어지며 이를 세정하는 오버홀 기간이 길어야 경제성이 우수하다”라며 “시스템 효율을 저하시키는 요인을 확인하기 위해 하천수 이용 열교환기 운전조건 조사 및 열교환기 성능저하 인자파악 조사를 실시했다”고 밝혔다.
조사는 △한강 △금강 △낙동강 △영산강 등 수계에 대해 서울, 대전, 부산, 광주 인근 및 강원도 하천수온을 분석했다. 또한 국내·외 하천수 이용 열교환기 사례 및 문헌조사를 통해 발생가능한 열교환기 성능저하 인자를 분석했다.
윤석호 책임연구원은 “수온조사를 통해 최고 수온은 지역별 큰 차이가 없음을 확인했으나 최저 수온의 경우 인제에서 시스템 운영이 어려운 0˚C에 가까운 수온을 확인해 이에 대한 대응이 필요할 것으로 예상된다”라며 “하천수 내 점토, 무기물 입자 등으로 인한 배관막힘과, 스케일형성, 미세조류, 작은 민물조개 등으로 인한 유기물 번식 및 박막형성 등 열교환기 성능저하인자를 확인했다”고 밝혔다.
이어 “이에 따라 실제 열교환기 성능에 미치는 영향을 확인하기 위해 가시화 분석장치를 설계 및 제작 했다”라며 “이를 통해 유속에 따른 유동패턴 변화를 파악하고 열교환기 개선방안을 도출할 것”이라고 덧붙였다.
안정적 수열원 시스템 운영방안 마련허재혁 에너지연 책임연구원은 ‘축열식 수열 하이브리드 시스템 적용을 위한 열원 현황 분석 및 개념설계’ 발표를 통해 하천수 열원 하이브리드 시스템 적용을 위한 실증건물 내 열원설비 운영현황을 분석하고 이를 토대로 실시한 개념설계에 대해 설명했다.
축열식 하이브리드 시스템은 잠재량이 풍부한 하천수의 열원을 이용해 열원의 온도특성에 구애받지 않고 냉난방에너지를 공급하기 위해 필요하다.
이를 통해 하천수 열원온도 변화 및 에너지 사용처의 부하변동에 대응할 수 있으며 중대형 히트펌프 정격운전 가동시간 확보를 통한 시스템 효율향상이 가능하다. 또한 동절기 하천수 온도 저하에 따른 히트펌르 운전시간 저하를 방지해 부하기여도를 증대할 수 있다.
허재혁 책임연구원은 “실증건물인 K-water 한강유역본부는 중앙열원설비는 스크류냉동기, 흡수식냉동기, 보일러 등으로 구성돼있다”라며 “특히 부하설비가 중앙존, 개별존으로 구성돼있어 하천수 이용 하이브리드 시스템을 도입하기 위해서는 다소 복잡한 설계과정이 필요할 것으로 예상된다”고 밝혔다.
이어 “부하계산 산정결과 냉방 피크부하 417.2RT, 난방 피크부하 370.5RT로 나타났으며 이번 연구에서는 500RT 규모 수열원 히트펌프 설비를 실증할 예정으로 피크부하대비 80% 이상의 부하분담은 충분할 것으로 판단된다”라며 “현재 철거대상 조사를 진행하고 있으며 일정을 협의 중이고 기계실 내 장비의 효율적 배치를 통해 공간활용을 최적화할 계획”이라고 밝혔다.
이와 함께 에너지연은 LNG 사용량과 냉동기 운전시간을 근거로 열공급량 분석을 수행했으며 이를 통해 한강유역본부에 적용될 열원설비 후보를 500RT 히트펌프와 1.5t 보일러로 도출했다.
허재혁 책임연구원은 “현재 하천수 이용 하이브리드 시스템의 개념정립 및 기본설계를 실시하고 있으며 이를 실험하기 위한 Lab-scale 수준의 실험장비 구축을 80~90% 완성했다”라며 “실험을 통해 나온 결과를 바탕으로 시스템 효율 제고방안을 마련하고 한강유역본부에 실증시시스템 사전구축을 추진할 계획”이라고 밝혔다.
해외시장 고려 표준안 개발 추진서정식 냉동공조인증센터 수석연구원은 ‘수열원 열펌프 표준에 대한 성능평가방법 분석’을 발표했다.
서정식 수석연구원은 “현재 전세계 최종에너지 소비 중 27.3%가 신재생에너지로 이중 수력을 제외한 간접 열활용은 0.4%로 매우 낮은 상황”이라며 “현재 냉동공조인증센터에서 진행하고 있는 연구는 수열원 히트펌프의 국내 신재생에너지제도 적용을 위해 우리나라 기후에 맞는 환경조건 등을 고려한 개발은 위한 기존 표준 내 시험조건 및 방법을 분석하는 것”이라고 밝혔다.
히트펌프 기술표준(시험방법)은 KSB8292, KSB6270과 ISO 13256-2 등의 기존 시험방법론을 활용하고 제품시험의 중복성 등을 고려해 분석을 진행하고 있다. 특히 해외수출을 고려한 성능지표의 범용성을 검토하고 있다.
서정식 수석연구원은 “수열원 히트펌프 시험조건은 ISO 표준의 시험조건에 부합하는 방법을 적용할 예정이며 난방조건에 대해서는 고온에 대한 부분을 추가적으로 검토 후 반영할 예정”이라며 “또한 저온영역의 시험조건 구현 및 조건 반영에 대한 검토를 추진할 계획”이라고 밝혔다.
이어 “냉동공조인증센터는 표준안을 개발하고 실제 시험할 수 있는 시험설비 구축이 역무”라며 “최종적으로 1,000RT급 수열원 시험설비를 구축 및 열원 공급 시 부동액을 사용하지 않고 0˚C 공급을 실현하는 것이 목표”라고 덧붙였다.
세계최초 수열원용 친환경 HP개발
하천수 열교환 성능저하 방지 관건
안정적 수열원 시스템 운영방안 마련
해외시장 고려 표준안 개발 추진
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