급성장하는 글로벌 냉난방공조시장에서 ‘히트펌프’의 역할이 확대되고 있다. 특히 러시아-우크라이나 전쟁으로 인해 천연가스 도입이 사실상이 전무하면서 냉난방을 위한 기기로서 히트펌프로 전환하는 국가들이 늘어나고 있다. 여기에 기후위기에 따른 탄소중립 이슈가 전 세계를 휩쓸면서 화석연료 사용을 줄이기위한 방안으로 신재생에너지 보급이 확대됨에 따라 자연스레 냉난방용기기로 ‘히트펌프’ 주목받고 있다.
한국히트펌프얼라이언스(공동의장 김민수 서울대 교수)와 한국에너지기술연구원 신재생시스템연구실 KIER N-Lab은 부산 벡스코에서 열린 ‘2023 국제환경에너지산업전’ 부대행사로 ‘2023 한국히트펌프얼라이언스 정기세미나’를 공동 개최했다. 이날 세미나에는 글로벌 히트펌프시장확대에 따른 국내 정책 변화와 기술개발 동향을 파악하고 자 140여명이 참석해 성황을 이뤘다.
히트펌프 보급 로드맵 시급
첫 발표에 나선 김민성 중앙대 에너지시스템공학부 교수(히트펌프얼라이언스 국제협력위원장)는 ‘히트펌프기술의 미래와 연구방향’을 주제발표를 통해 “2021년 유럽의 히트펌프시장은 러시아-우크라이나 전쟁으로 인해 가속화돼 비약적인 성장세를 보이고 있다”라며 “RePowerEU 정책을 통해 2030년까지 히트펌프판매를 3배 확대될 것으로 전망되며 지속적으로 두자리수 성장이 기대된다”고 밝혔다.
김 교수는 전 세계적으로 히트펌프 관련 이슈를 △에너지효율 △Low GWP냉매 △Comfort Climate Box △고온 히트펌프 등으로 정의했다.
김 교수는 “증기압축 사이클의 과도한 전력소비와 불소계 냉매로 인한 환경영향, 지구온난화로 인한 냉방부하가 급증함에 따라 고효율 히트펌프 개발이 시급하다”라며 “현재 사용되고 있는 Low GWP냉매는 HFC계열로 R32와 HFO계열로는 R1234yf, R1234ze 등이 있지만 불소계 냉매는 PFAS로 정의되는 인체 유해성이 보고 되고 있어 긍극적으로 가용할 수 있는 R290, R744(CO₂), R717(NH₃)로 제한될 것으로 예상된다”고 밝혔다.
한국의 히트펌프시장 현황에 대해 김 교수는 “가열을 목적으로 하는 기기는 보일러, 전열기 등 다양하게 존재하며 히트펌프는 이러한 경쟁품에 비해 효율을 제외하면 가격과 편의성 측면에서 취약하다”라며 “특히 국내의 저렴한 에너지비용으로 낮은 ROI를 가진다”고 지적했다.
이어 “바닥난방, 공기냉방 등 주거문화 특이성으로 가정용 냉난방시장에 히트펌프 보급은 제한적이며 초기투자비용 문제, 가정용 전기요금 누진제 문제, 축열조 문제 등을 해결해야 한다”라며 “가정용 히트펌프 보급이 활발해지면 히트펌프에 대한 기술적 이해도가 높아짐에 따라 대국민 수용성이 개선될 것이기 때문에 사회적 공감대 형성과 이에 따른 보급촉진을 위한 기술적, 정책적 방안이 시급하다”고 밝혔다.
특히 “전체 에너지의 64%를 사용하고 있는 산업부문의 보급잠재력이 크지만 저렴한 에너지가격으로 인해 히트펌프가 선택되고 있지 않다”라며 “2050 탄소중립을 위해 기술개발 및 보급을 위한 통합적 로드맵이 필요하며 히트펌프 보급목표 설정이 시급하다”고 강조했다.
태양열+히트펌프 융합연구 집중
이경호 한국에너지기술연구원 신재생에너지연구실 KIER N-Lab 박사는 ‘계절간 잉여 태양에너지의 히트펌프 융합 이용 기술’ 발표를 통해 태양에너지와 히트펌프의 조화로운 융합기술 연구와 보다 효율적 융합을 위한 요소기술 연구에 집중하겠다고 밝혔다.
IRENA의 탄소중립로드맵에 따르면 2050년까지 현재대비 빌딩용으로 태양열 10.1배, 지열 5.9배, 히트펌프 12.7배가 늘어날 것으로 전망된다. 태양에너지와 히트펌프 융합을 통해 건물냉난방과 지역난방용 활용으로 에너지자립형 건물 및 도시를, 산업공정가열용 이용해 저탄소형 공정, RE100, EP100 산단을 구현할 수 있다. 스마트팜 가열과 담수화 가열용으로 활용하면 물-식량-에너지 넥서스를 실현할 수 있으며 섹터커플링분야에서는 전력계통 안정화를 실현할 수 있다.
이경호 박사는 스마트팜 온실 난방에 태양열을 이용한 지열원 재생 기술 사례발표를 통해 “난방기에 지열히트펌프 난방 후 지중온도는 1℃ 상승했으며 비난방기에는 태양열로 지중가열로 지중온도 0.3℃ 상승, 태얄열 지중재생 후 지열히트펌프 COP 3.19로 기존 2,79에 비해 14.3% 향상됐다”고 밝혔다.
보다 효율적인 융합을 위한 요소기술로 △태양열 집열 효율화: 고효율 집열기 △계절간 중·단기 열저장: 진공단열 열저장조 △얕은 지중열 △이중부하 및 열원 활용형 히트펌프 △시스템 학습모델 성능예측 기반 운전 제어 등의 기술개발이 요구된다.
이 박사는 “태양에너지설비 설치면적이 증대되면 에너지소비절감 효과 향상, 잉여 태양에너지 발생이 증대할 수 있으며 잉여 태양에너지의 효과적인 저장과 이용으로 히트펌프 열원 개선과 성능향상에 활용할 수 있도록 태양광의 간절기간 잉여전력 이용과 히트펌프 열원화 이용 가능성을 검토해야 한다”라며 “고효율 태양열 집열기술·열저장기술, 저가형 열저장기술 이중부하 및 열원간 활용형 히트펌프, 예측모델시스템 운전제어 툴 개발로 장단기적 운전 최적화를 실현할 수 있다”고 밝혔다.
PVT+히트펌프, 효율향상·공간 활용 극대화
주홍진 한국에너지기술연구원 신재생에너지연구실 KIER N-Lab 박사는 ‘태양광·열(PVT) 모듈 소개 및 히트펌프 연계 기술’ 발표를 통해 PVT와 히트펌프 연계기술 활용 방안을 강조했다.
PVT는 태양광모듈과 일체화된 태양열집열기로 열과 전력을 동시에 생산할 수 있으며 1970년대 이후 다양한 PVT 복합 집열기 기술개발이 진행되고 있다. PVT와 상용화모델과 성능시험, 테스트, 모니터링 및 상업특성 등에 관련한 국제표준을 제안했으며 히트펌프와 조합된 새로운 시스템 솔루션 개발 등을 추진하고 있다. 특히 최근 제로에너지건물 보급에 따라 소규모 주거용 건물부터 대형 건물 산업 대용량으로 확대될 전망이다.
주홍진 박사는 “태양광열 복합모듈은 단독으로 설치된 태양열 및 태양광모듈에 비해 단위면적당 에너지생산량이 향상된다”라며 “PV모듈과 동일한 설치면적에서 같은 양의 전기와 2배 이상의 열에너지를 동시에 생산 가능하며 PVT모듈은 열생산 우선형과 전기생산 우선형으로 나뉜다”고 밝혔다.
에너지기술연구원은 서울시 서대문구에 위치한 홍은119안전센터 리모델링에 신재생에너지 적용 기반 다기능 융합 히트펌프시스템이 적용됐다. 즉 PVT모듈과 히트펌프 연계 기술을 적용해 실증하고 있는 것이다. 이를 통해 냉난방 및 급탕으로 활용하고 있다.
또한 에너지연은 건물일체형 태양광·열시스템(BIPVT) 실증운전도 진행 중이며 건물 외장재 일체형 태양광·열 복합모듈 기술고 개발 중이다.
주 박사는 “에너지믹스시대에는 단일 에너지원에 대한 의존도를 낮춰야 하기 때문에 PVT와 히트펌프 연계기술은 전기와 열 동시생산으로 설치면적을 감소시키고 공간활용을 극대화할 수 있으며 히트펌프 전력과 열원 동시 공급이 가능해 연중 효율을 향상시킬 수 있다”라며 “현재 PVT시장 확대 및 보급을 위한 기준 마련, 생산 업체 확대 등 제도화가 시급하다”고 지적했다.
에너지정책+히트펌프, 융합 주목
이윤빈 한국에너지기술평가원 효율향상PD는 ‘히트펌프 기술 개발 현황과 향후 발전 방향’ 발표를 통해 “2050 탄소중립은 글로벌 사회에서 중요한 패러다임으로 자리잡혔으며 안정적인 에너지공급, 기술융합 등 트렌드로 변화하고 있다”라며 “이러한 트렌드는 에너지정책과 히트펌프의 융합을 주목하고 있다”고 밝혔다.
글로벌 트렌드에 맞춰 에기평은 히트펌프관련 R&D과제로 2022년 △고집적 데이터센터 에너지효율향상 솔루션 개발 및 실증(~2025년, 103억원) △중·저온 산업폐열 이용 하이브리드 발전시스템 개발 및 실증(~2026년, 240억원) 등을, 2023년 △산업용 대온도차 히트펌프시스템 핵심기술 및 실증·운영기술 개발(57개월, 218억6,000만원) △산업공정 열에너지 전기화 전환을 위한 핵심기술 개발 및 실증(57개월, 195억원) △중형급 산업용 전동기 슈퍼 프리미엄 기술개발 및 실증(45개월, 192억원) 등을 착수했다.
이윤빈 PD는 “열에너지는 프로세스용으로 산업용 고온, 산업용 저온, 산업용 냉동 등으로 기술개발이 이뤄지고 있으며 건물용으로 일반용으로 공조·난방·급탕 등 개발이 이뤄지고 있어 R&D 주체간 협력과 역할 분담이 중요하다”라며 “하지만 HFOs, 자연냉매 등 작동유체 이슈, 가정용 히트펌프·한랭지 성능·제상운전·미활용에너지 활용 확대·지속 성장과 생태계 확대 등 경제성 제고가 시급하며 센서 및 네트워크 기술·대용량 이종 데이터 통합분석 및 제어 등 디지털화가 필요하다”고 강조했다.
공동주택 탄소중립 실현, 지열 필요성 강조
남유진 부산대학교 건축공학과 교수는 ‘공동주택 지열히트펌프 적용 활성화 방안’을 통해 “건물부문의 에너지소비량은 총 산업의 약 38%에 해당하며 에너지 및 탄소배출량 저감 대책이 필요한 실정”이라며 제로에너지빌딩 실현을 위해 공동주택 지열냉난방시스템 적용 의무화 정책을 제안했다.
ZEB 의무화 정책이 강화됨에 따라 2030년까지 연면적 500m² 이상 일정 공공 및 민간건축물은 제로에너지건축물을 달성해야 한다. 대부분 태양광시스템을 적용하고 있으나 기술적 한계점으로 인해 제로에너지건축물 구현이 어려워 다른 신재생에너지원의 사용이 필요한 상황이다.
남 교수는 “공동주택 지열설비 도입은 시범적으로 적용되고 있으나 실무 차원의 설계기준 표준화, 시공메뉴얼 구축은 미흡한 상황이며 2023년부터 공동주택의 ZEB 의무화가 시행되나 의무화 대응을 위한 세대 지열적용 방안이 정립되지 않았다”라며 “공동주택에서 지열냉난방시스템 도입 타당성평가를 위해 타 열원과 경제성 비교 등 정밀한 검토자료가 미미하다”고 지적했다.
공동주택 지열 적용 시 문제점으로 △지중 열교환기 설치공간 △경제성 △냉난방 쾌적성 저하 △하자 및 유지관리비 △공사비 상승 등을 꼽았다. 해결방안으로 △천공깊이·지하주차장 하부 천공 △적정부하결정을 통한 장비 최적화 △적정공급온도 설정·대온도차 인버터 펌프 적용 △시스템운영방안·제어판넬 사용자화 △설비용량 최적설계·천공배관 물량 최적화 등을 제시했다.
남유진 교수는 “건물용도에 따라 에너지사용형태가 다르지만 ‘신재생에너지 설비의 지원 등에 관한 규정’에 근거하면 신재생에너지 생산량은 열에너지와 전기에너지 구분이 없으며 건물용도에 적합하지 않는 신재생에너지설비가 보급될 가능성(태양광 위주)이 높으므로 열에너지와 전기에너지를 구분한 신재생에너지설비의 보급의 필요하다”고 지적했다.
이어 “지역난방 공급지역에 지열냉난방설비를 신설하는 경우 냉난방 및 급탕 여건에 따라 효율적으로 열원을 공급할 수 있는 설계가 필요하지만 지역난방공사 등은 집단에너지사업법을 근거로 지역냉난방열원을 보조열원으로 이용할 수 없도록 규정하고 있다”라며 “이에 따라 신재생에너지 냉난방설비를 적용하는 사업에 대해 지역냉난방열원을 주·보조열원으로 활용할 수 있도록 제도개선이 필요하다”고 밝혔다.
특히 “건축물의 정확한 부하설계와 함께 신재생에너지설비요소의 설계조건을 정확하게 반영할 수 있도록 ECO2 인터페이스를 구성해야 한다”라며 “공동주택에서 태양광, 지열히트펌프, 연료전지 등 다양한 신재생에너지원이 복합적으로 적용되고 있지만 ECO2프로그램에서는 단일 신재생에너지원만 개별적으로 입력돼 신재생에너지의 복합적용에 따른 유기적인 설계 및 운영을 반영할 수 없어 ECO2 프로그램 개선 및 보다 정확한 신재생에너지설비 설계를 위해 내부 계산방식 공개 또는 상세한 설계변수를 입력할 수 있는 인터페이스 제공이 시급하다”고 강조했다.
히트펌프 보급 로드맵 시급 
태양열+히트펌프 융합연구 집중 
PVT+히트펌프, 효율향상·공간 활용 극대화
에너지정책+히트펌프, 융합 주목 
공동주택 탄소중립 실현, 지열 필요성 강조
목록
