한국히트펌프얼라이언스와 대한설비공학회가 주최하고 칸kharn과 메쎄이상이 주관한 ‘히트펌프 활성화 세미나’가 코엑스에서 열린 ‘기계설비전시회(HVAC KOREA)' 부대행사로 전시장 내 세미나실 3에서 관련업계 관계자자 120여명이 참석한 가운데 성황리에 열렸다.

 

김민수 히트펌프얼라이언스 의장(서울대 교수)는 인사말을 통해 “몇 년 전만 하더라도 히트펌프가 전기를 이용한 난방기 정도로 이해하면서 논란이 있었지만 지금은 히트펌프에 대한 뜻(개념)이 밝혀지면서 굉장히 대세로 떠오르고 있다”라며 “지열, 공기열, 수열, 태양열과 공기열을 결합한 하이브리드타입 등 다양한 히트펌프가 존재하고 있다”고 밝혔다.

이어 “히트펌프는 주거용, 건물용을 넘어 산업용까지 확장되고 있으며 현재는 스팀까지 만드는 히트펌프가 국내에서도 연구개발이 진행되고 있는 상황”이라며 “유럽의 경우 국내 상황과 다르게 굉장히 선진적으로 보급이 확대되고 있으며 2025년이면 가정용 보일러를 히트펌프로 대체(권장)될 정도로 히트펌프시장이 활발하게 확대되고 있다”고 덧붙였다.

특히 “탄소중립으로 가기위해서는 여러 부문에서 노력을 많이 기울여야 하겠지만 열에너지와 관련 화염을 만들어 열을 얻는 대신 히트펌프를 이용한 방법이 대세가 되고 있으며 국내외에서 히트펌프 보급이 탄력을 받고 있다”라며 “그런 의미에서 이번 히트펌프 활성화 세미나는 굉장히 시의적절하다”고 강조했다. 

임현지 녹색에너지전략연구소 부연구위원은 ‘건축물 탈탄소정책: 히트펌프의 역할은’이라는 주제로 발표했다. 발표자료에 따르면 2021년 전 세계 히트펌프판매는 유럽 35%, 미국 15%, 한·중·일 13% 등 증가했으며 현재 전 세계 건물난방수요의 약 10%를 차지하고 있다. 전 세계 히트펌프 보급용량은 1,000GW 이상이며 절반은 북미지역에 설치되고 있다. 

특히 영국은 히트펌프 Ready Program으로 연간 60만대, 독일 연간 50만대 신규 히트펌프 설치 계획을 수립했다. 이를 통해 2030년 건물 난방용 화석연료 수요 2021년대비 29% 감소할 것으로 전망되며 절반은 히트펌프로 대체될 것으로 IEA는 전망했다. 

임현지 위원은 “글로벌 난방연료 탈탄소 핵심수단으로 건물에너지효율 개선(단열 등)과 히트펌프 결합 시 에너지 온실가스 감축 효과를 극대화할 수 있다”라며 “히트펌프는 지역난방 탈탄소 및 전력계통 유연성을 제공할 수 있다”고 밝혔다.  

우리나라 정부는 2010년부터 지속적으로 건축물 단열기준 강화를 통해 30년 전 건축물대비 신축건축물의 난방에너지사용량 31~43% 감축됐으며 2010년 이전 건축된 건축물이 74%, 30년 이상된 노후 건축물이 12%를 차지하고 있다. 특히 주거부문 난방에너지에서 화석연료비중이 62.7%를 차지하고 있으며 NDC 및 탄소중립위원회 안에는 난방 탈탄소 계획이 부재한 상황이다. 2050년 건물부문에서 620만톤이 배출될 것으로 전망되며 여전히 도시가스는 잔존하고 있다.

임현지 위원은 “2023년 탄소중립기본계획의 주요 감축수단에 따르면 난방관련 언급은 없으며 도시재생, 지역개발사업 등과 연계해 신재생에너지 및 화석연료를 단계적으로 전력화를 추진하고 있다”라며 “건물 냉난방시 수열에너지 활용 활성화를 추진하는 정도만 감축수단으로 사용한다”고 지적했다. 이어 “여러 국가에서는 강력한 난방 탈탄소 조치를 시행 중이나 우리나라는 오히려 가스그리드 설치를 의무화하고 있다”라며 “해외 주요국에서는 신축 가스보일러 설치금지 또는 히트펌프 설치의무화정책을 이미 시행하고 있으나 우리나라는 오히려 모든 주택 가스공급 의무화, 일부 전기냉방을 규제하고 있을 뿐 명확한 신호없이는 락인효과가 발생하고 있다”고 밝혔다. 

임 위원은 히트펌프 활성화를 위해 △공기열원 히트펌프의 재생에너지 인정 △재생에너지 난방공급 의무비중 도입 △농어촌 단독주택 히트펌프 우선 보급 및 보조금 지원 등을 제안했다.

임 위원은 “히트펌프는 건물부문 탄소중립을 위한 주요수단으로 활용가능성이 높으며 난방부문 탈탄소를 위한 장기로드맵과 단계적 이행계획 수립이 필요하다”라며 “신규 화석연료 보일러설치 금지, 재생에너지 난방 의무비중 설정 등 강력한 규제정책으로 시장에 적절한 신호를 부여해야 하며 초기 적정투자비용 회수기간을 만족할 수 있도록 히트펌프 보조금, ZEB 세액공제 등 지원, 건물부문 예산을 탈탄소를 지원하는 방향으로 재편성하고 투자지원을 확대하는 인센티브정책이 시급하다”고 강조했다.

김인관 월드이엔씨 이사는 복합폐열원을 이용해 공정수 가열용 히트펌프시스템 개발 계획을 발표했다. 개발되는 히트펌프시스템은 산업(염색)공정에서 발생되는 저온폐열을 이용해 85℃ 이상 고온수를 공급하는 시스템으로 가열용 히트펌프시스템 대체로 열수요의 약60%까지 공급 가능해 에너지절약을 통해 원가절감은 물론 CO₂저감, 탄소중립 및 산업경쟁력 강화에도 기여할 수 있다. 

이를 위해 △용량가변형 히트펌프시스템 설계 및 운전 최적화 기술개발 △잠열재를 이용한 축열방법 및 폐열회수시스템 설계기술 개발 △수요기업(염색공정기업)적용 현장 실증 시험 등을 진행한다. 

김인관 이사는 “전 세계는 화석연료를 이용하는 보일러 쇠퇴는 급속히 진행되고 있으며 Hydronic 히트펌프는 빠르게 성장하고 있다”라며 “EU시장도 히트펌프가 확대되고 있는 데 국가의 재정적 지원이 활발하다”고 밝혔다. 

국외 히트펌프시장은 2018년 543억3,000만달러를 달성했으며 연평균 성장률 11.68% 증가했다. 올해는 944억1,000만달러로 전망된다. 반면 국외 산업용 히트펌프시장 규모는 2018년 5억4,939만달러를 달성해 연평균 성장률 4.89%로 증가했으며 올해는 6억9,765만달러로 전망된다. 

국내 대표 압축식 히트펌프 제조사는 무급유 압축기 제품을 개발 및 출시했으며 용량 가변성에 대한 인버터를 적용한 멀티히트펌프 연구도 진행 중이다. 인버터 및 BLDC모터를 적용해 소형화 및 고속화하는 방향으로 추세가 진행되고 있으며 선형 속도비례제어 및 작동상태를 제어하는 방향으로 기술개발되고 있다. 향후 Low GWP냉매가 히트펌프에 적극 적용될 것으로 전망된다.

흡수식 히트펌프시스템경우 지속적인 성능 향상이 이뤄지고 있으며 신재생에너지와 연계 운전, 냉온열 및 전력 동시 생산 등 활용 다각화가 추진되고 있다. 또한 LPG, LNG 연소에 따른 배출가스 환경제어기술 연구도 진행되고 있으며 월드이엔씨는 저온 폐열원 구동 산업공정수 냉수 및 스팀 생산 흡수식 히트펌프를 개발할 계획이다.

김 이사는 “미활용 폐열을 활용한 85℃ 이상 고온수를 생산하는 히트펌프와 HFO계 냉매를 적용 가능한 히트펌프시스템 설계 및 제작기술 향상으로 화석연료 수입 절감, 온실가스 배출 감소 및 탄소저감, 환경비용 절감, 신재생에너지 활용 등 경제적 성과를 기대할 수 있다”라며 “특히 고효율 저에너지형 제조공정 전환, 폐수발생량이 많은 공정에 친환경 기술 적용, 해외 수출 및 내수시장 확대, 고용 창출 등을 기대할 수 있다”고 밝혔다. 

특히 김 이사는 “식품가공, 석유화학공정, 제지, 축산가공 등 분야로의 사업화 및 보급도 확대할 수 있을 것”이라고 강조했다.  

유기출 하니웰 대표는 ‘히트펌프 냉매 트렌드’에 대해 발표했다. 하니웰은 최고의 Low GWP냉매 및 발포제 제품으로 Solstice를 공급하고 있으며 Low GWP 포트폴리오를 개인관리 제품 및 솔벤트까지 확장했다. 슈퍼마켓의 에너지사용량을 줄일 수 있는 스마트 냉동시스템도 출시했다. 

현재 친환경 HFO기술 기반 전 세계 HFC 및 HCFC 전환에 적극 나서고 있는 하니웰은 자동차 에어컨용으로 Solstice yf를 100곳이 넘는 전 세계 자동차 조립공장에 직접 판매하고 있다. 냉동공조용은 OEM과 애프터마켓 도매상에서 판매하고 있으며 2019년 고정식 에어컨시스템을 위한 차세대 불연성 HFC 대체 제품을 출시한 바 있다. 

발포제 및 산업용 제품은 가전기기 OEM 및 건설업체, 에어로졸 제조사, 대리점 및 정유사에 판매하고 있으며 2019년 Solstice분자 용도를 퍼스널케어 및 XPS 응용분야까지 확대하기도 했다. 

유기출 대표는 “몬트리올의정서, 키갈리개정의정서 등 전 세계적으로 HCFC와 HFC에 대한 규제가 활발하게 이뤄지고 있으며 우리나라도 키갈리 개정의정서 국회비준이 필요한 상황”이라며 “몬트리올의정서에 규정된 감축목표 이행을 위해 연평균 감축율을 적용해 국내 총생산, 수입쿼터을 할당해 2009~2011년도 평균 소요량을 기준실적으로 2013년 동결 및 감축이 시작됐다”고 밝혔다. 

이어 “키갈리개정의정서에 따라 개발국인 미국, 유럽, 일본 등은 2011~2013년 평균소요량을 기준실적으로 2019년부터 10%~2036년까지 85%를 감축해야 한다”라며 “개도국 A5그룹 1에 속한 한국, 중국 등은 2020~2022년도 평균소요량을 기준실적으로 2024년 생산 수입 추가생산 전면 금지 후 2029년부터 10% 2045년도까지 80% 감축해야 한다”고 밝혔다. 

현재 우리나라는 오존층보호법 개정으로 특정물질 종류에 R134a, R245fa, R32 등 HFC 18종을 추가했으며 기준수량 약 8,748만2,000CO₂톤에 달한다. 이에 따라 연도별로 20244~2029년 약 2%대, 2020~2035년 약 4%대, 2036~2040년 약6.5%대, 2041~2045년 약 16%대 감축해야 한다.  

유기출 대표는 “유럽이나 일본의 경우 사용처별로 냉동·냉장분야는 GWP 1,500 이하, 에어컨분야는 750 이하 등으로 GWP를 제한하고 있다”라며 “미국은 특정분야별로 제한하지 않고 스냅이라는 프로그램을 운영하고 있으며 우리나라는 유럽 모델인 GWP로 제한하는 방식 정부가 고민하고 있는 것으로 알고 있다”고 밝혔다. 이어 “우리나라에서 특정물질대체전환협의체가 생길 것으로 보이며 냉매, 발포, 반도체, 소화 등 4개 분야별 위원회가 가동될 것”이라며 “대체기술 개발, Low GWP냉매 이용 촉진 계획 등이 여기서 협의된다”고 강조했다.

히트펌프용 대체냉매인 R515B는 R1234ze와 R227ea가 결합된 냉매로 GWP는 299에 불과하며 가연성 A1 등급이다. 체적은 기존대비 75%에 불과하며 COP도 기존대비 101%를 나타내고 있다. 히트펌프 최종사용자가 가장 많이 사용하는 80~100℃ 장비에서 R134a를 대체할 수 있는 냉매로 주목받고 있다.   

김영 기계연구원 박사는 ‘흡착식 히트펌프 개발 현황’에 대해 발표했다. 

김 박사는 “유럽이나 미국에서 히트펌프 설치가 굉장히 늘어나고 있는데 이처럼 히트펌프 수요가 급증하게 된 여러 원인들을 분석해 보면 일단 인버터나 유량제어기술, 서비스가 안정적으로 제공되면서 사용자들이 히트펌프를 보다 친숙하게 생각하는 것 같다”라며 “여름은 더 더워지고 겨울은 더 추위지고 있어 냉방과 난방수요 자체가 더 늘어나고 있으며 전 세계 에너지사용량의 50%가 난방이나 온수공급에 사용되고 있다”고 분석했다.

이어 “반면 난방이나 온수공급에 사용된 에너지비율이 굉장히 높지만 아직까지는 화석연료로 공급되고 있다 보니까 유럽에서는 소비자들이 히트펌프를 사용하는 방안으로 유도하는 정책을 도입하고 있다”라며 “늘어나는 전기공급은 신재생에너지를 통한 공급으로 충당하려고 하지만 아직까지는 신재생에너지공급이 따라가지 못하고 있는 실정”이라고 지적했다.

김 박사는 “이에 따라 히트펌프만으로 해결할 수 있도록 고민하고 있다”라며 “기계연구원은 흡착식 히트펌프를 개발하고 있다”고 강조했다.

흡착식 히트펌프는 기존 압축기를 흡착베드로 대체해 냉매압축하는 기술로 전기사용을 줄이고 재생열원 활용이 가능한 시스템이다. 흡착식 칠러는 실리카겔 코팅흡착 소재를 이용하며 전기기준 COP가 10에 달한다. 60~90℃온수를 투입해 7~35℃냉수를 공급할 수 있다. 

최근에는 실리카겔보다 냉매 흡착량이 크고 열전도성이 좋은 소재 개발이 활발하게 진행되고 있으며 MOF(Metal Organic Framework) 개발에 관심이 집중되고 있다. 코팅기술 도입으로 흡착제 g당 발열량도 크게 증가하고 있으며 열전달성능이 좋은 구조체에 흡착성능이 좋은 흡착제를 코팅해 제작되고 있다. 

또한 흡착-탈착 온도가 다른 흡착제를 2종 이상 도입으로 사이클효율을 향상시키고 있으며 재흡착 과정을 도입으로 역시 사이클효율을 향상시키고 있다. 

김영 박사는 “흡착식 칠러 위주로 상업화가 진행됐으나 최근 가스난방의 효율을 높이기 위해 히트펌프 난방기술 도입이 관심을 모으고 있다”라며 “고효율 흡착식 히트펌프 개발을 위해 MOF 등 신소재 흡착제 및 열전달 효율이 좋은 복합체 개발이 활발히 이뤄지고 있다”고 밝혔다. 이어 “기존과 같이 산업폐열 활용뿐만 아니라 신재생열에너지 적용을 확대하기위해 암모니아, 메탄올 등 냉매에 대한 새로운 관심이 쏠리고 있다”고 덧붙였다. 

이응신 명지대 IT&제로에너지건축센터 교수는 ‘ZEB 최적화 지열히트펌프(GSHP)의 조건’이라는 주제발표를 통해 ZEB에서 신재생에너지 자립률을 높이기 위한 히트펌프 조건에 대해 설명했다. 

이 응신 교수는 “낮은 온도의 환경열(지열, 수열, 대기열)을 이용하기 위해서는 히트펌프가 필요하며 ‘Heat Roadmap Euromap’이나 ‘REPower EU’에서 히트펌프를 중요한 수단으로 인식하는 것은 물론 5세대 지역난방에서는 히트펌프로 난방과 냉방열을 생산하고 있다”라며 “가스보일러가 콘덴싱보일러일 때 최근 효율이 상승해 99%까지 가능하지만 온실가스 발생을 줄일 수 없고 포집기술을 적용해야 감축할 수 있지만 히트펌프는 여름철 사용하는 에어컨을, 겨울철에도 난방이 가능한 환경열을 사용함으로써 신재생에너지 활용이 가능하다”고 밝혔다. 

올해부터 공공건축물, 공공임대주택은 제로에너지건축물 의무화 대상으로 포함됐으나 민간 공동주택는 2024년 의무화 법안이 확정되지 않은 상황이다. 이에 반해 2025년에는 일정 규모 이상 건축물에 의무화가 추진 중이다. ZEB는 건물이나 대지에서 신재생에너지를 생산해야 하며 건물에서 우선적으로 소비해야 한다. 건물에서 신재생에너지를 모두 생산하기 힘들기 때문에 최근 대지 외 생산도 일정비율 인정하고 있다. 

국내에서는 ZEB 인증의무화를 실행하고 있으며 ECO2를 통해 계산토록 정했다. 하지만 히트펌프를 사용할 때 1차 에너지소요량으로 계산하므로 최적 설계를 하지 않으면 오히려 자립율이 줄어드는 문제점이 있다. 

이응신 교수는 “ECO2는 1차 에너지로 계산하기 때문에 가중치가 높은 전력사용량에 매우 민감하게 계산결과가 달라진다”라며 “지열히트펌프는 KOLAS인증 검사기관의 공식적인 히트펌프 성능인 COP와 동일하게 입력하지만 순환펌프와 대류펌프의 전력은 1차측 동력만 입력한다”고 지적했다. 

이지하우스에는 태양광설비용량 407kW로 5대 에너지공급에 필요한 전력을 생산하고 있으며 지열에너지생산설비는 온수용(통합배관)으로 130RT, 냉방용으로 50RT가 설치돼 있다. 태양광설비로 생산한 전력은 일차적으로 지열히트펌프용으로 공급하고 남은 전기는 세대와 한전으로 역전송하고 있다. 

이응신 교수는 “지열에너지 생산설계에서 가장 중요한 점은 냉난방 균형을 맞춰 지중열교환기의 수명을 최대로 사용하는 것이며 냉난방부하를 지중열교환기가 감당할 수 있도록 개수를 조정하는 것이 중요하다”라며 “급탕은 연중 온수을 생산하므로 지중열교환기 배치에 주의해야 한다”고 지적했다.

이지하우스 단지에 설치된 1,284장의 태양광모듈의 월생산량을 모두 계산해 실측치와 비교해 4년 이상 생산량을 평가하면 약 6% 정도 초과 발전이 이뤄졌으며 태양광발전을 신재생에너지인 지열 생산으로 충당했을 때 대략 30% 정도 남아 조명과 환기에너지로 전환했다. 

이 교수는 “온실가스 직접 배출을 줄이기 위해서는 히트펌프 보급이 필요하며 ZEB에서 신재생에너지 자립률을 높이기 위해 열원으로 지열생산을 선택했다”라며 “(최소한 표준상태에서 3.8 이상) 지열히트펌프 성능이 높아야 자립률 향상에 도움되며 냉방과 난방에너지를 균형있게 생산토록 해야 한다”고 밝혔다. 

이어 “지중열교환기 설계는 최대부하와 동시사용률을 고려해 너무 과하지 않게 하며 ZEB 설계단계부터 예비인증 전 설계사무소, 설비업체, 히트펌프 장비어체, 인증원의 긴밀한 협조와 히트펌프 적용 전략이 필요하다”라며 “히트펌프 전력사용량을 최소화하고 열생산량은 최대로 하는 구성이 필요하다”고 밝혔다.   

조용영 한전 전력연구원 박사는 ‘주택용 냉난방·급탕 히트펌프실증 표준화’에 대해 발표했다.

정부는 탄소중립 선언으로 주택용 냉난방기기 전기사용 부하관리가 필요하며 에너지신산업 육성을 위한 고효율 저소비형 에너지구조 구축을 추진 중이다. 이에 따라 한전은 △수요관리형 전기 냉낭방·급탕기기 보급을 통한 전기화 확대 △출력제한 신재생에너지 변환·저장·활용 기술개발 △신재생에너지 확대에 따른 부하관리 개선을 위한 전력제도(안) 도입 등이 필요했다. 

한전은 주택용 히트펌프 성능기준 표준화를 통한 전국민 탄소중립정책 참여를 확대하고자 ‘주택용 냉난방·급탕 일체형 히트펌프 실증·표준화 및 전력공급제도 신설’ 연구용역을 추진하고 있다. 4월1일부터 시행되고 있는 이번 연구는 총 3차년에 걸쳐 진행된다. 

1차년도에는 주택용 개별 히트펌프 시작품 제작 및 신설제도 도입방향을 수립하고 2차년도에는 주택용 개별 히트펌프 실증 제작·설치·운영 및 전력공급제도(안)을 설계할 계획이다. 3차년도에는 주택용 히트펌프 기술규격 표준화, 신규 전력제도 시행을 추진한다. 

조종영 박사는 “기존 화석연료 난방기기 열효율대비 히트펌프는 1.5배 높아 히트펌프 성능기술 향상을 위한 정격 및 기간 냉난방효율을 고도화하고 전력저장을 위한 고에너지밀도 PCM 축열재를 활용할 계획”이라며 “분리형 타입 기존 양산 히트펌프 초기시험을 수행하고 추후 친환경 냉매적용 일체형 히트펌프로 개선해 실증할 계획”이라고 밝혔다. 

이어 “불규칙한 신재생에너지공급으로 인한 출력제한 시행되고 있어 잉여 신재생에너지 저장 및 활용(P2H)을 위한 공급제도와 제도신설을 위한 공급설비 근거 데이터 및 기준 확립이 필요하다”하며 “2025년 이후 전력시장 양방향 입찰시장이 도입되는 등 전력환경이 변화될 예정인 만큼 P2H 구현을 위한 히트펌프 제어요소기술과 수요관리형 히트펌프 운영모델이 필요하다”고 강조했다. 

조 박사는 “주택용 히트펌프 표준기반 구축으로 전 국민의 탄소중립정책 참여를 확대할 수 있으며 재생에너지 축열을 통한 전력계통 안정 및 수요관리 고도화를 기대하고 있다”고 밝혔다.