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대성마리프, 복합열원 활용률 높이는 아이스슬러리형 빙축열 개발

전력피크 이전·고효율 히트펌프 운용으로 신재생 확대 기여

대성마리프가 통합적인 사용이 까다로운 복합열원을 활용하기 위해 아이스슬러리를 이용한 빙축열시스템을 개발하고 있어 주목받고 있다. 슬러리형 복합열원 시스템은 하절기 축냉설비로 하절기 냉방전력피크를 가장 효과적으로 이전할 수 있다. 난방부하의 형태에 따라 필요한 만큼의 축열을 통해 심야시간 초기의 피크를 줄이고 고효율 히트펌프 운전이 가능해 겨울철 전력수요관리에 도움이 되며 신재생에너지를 가장 합리적으로 절감할 수 있는 방법이 되는 시스템이다.

 

복합열원으로 하이브리드시스템 운용지열, 공기열 등을 이용하는 히트펌프와 축열의 결합이 신재생에너지 횔용에 있어서 경제적 타당성과 이용의 한계를 상당부분 보완해주고 있다. 이는 공기열원 또는 지열원을 이용한 방식의 축열식 히트펌프를 사용하는 현장이 계속적으로 늘어나는 것에서 확인할 수 있다.

 

하지만 이러한 축열식 히트펌프의 열원으로 하나의 열원만을 사용하는 것은 시스템의 경제성을 저하시키고 운전의 신뢰성을 저해하는 원인이 되고 있다. 지열을 이용하는 곳은 대부분 공기열원도 동시에 얻을 수 있는 곳이며 태양열 또한 쉽게 얻을 수 있는 경우가 많다.

 

또한 많은 경우 폐열도 있을 수 있으며 하수열, 하천열, 호수열, 해수열 등을 사용할 수 있는 곳이 있다. 이러한 좋은 조건에도 불구하고 현재의 수축열식 히트펌프나 비축열식 히트펌프로는 이들 다양한 열원을 복합적으로 사용하기에 쉽지 않았다.

 

지열의 경우 난방 및 온수부하가 커지면 지하에서 꺼내쓰는 열량이 하절기 축열하는 양보다 지나치게 커질 수 있다. 심부에서 열전달 등에 의해 자체 복원능력 범위를 벗어날 수 있어 폐열 혹은 공기열 등 보조적인 수단으로 지중으로부터 꺼내 쓰는 열량을 줄여야 한다.

 

이 경우 복합화 열원을 이용할 수만 있다면 매우 안정적인 시스템 구성이 가능하며 고효율 운전이 가능하게 된다. 특히 태양열을 히트펌프 열원으로 이용하기 위해 축열과 연동할 경우 복합화 열원은 반드시 필요로 하다. 용량에 따라 지열, 공기열원 등을 복합적으로 이용할 수도 있으며 대체 에너지 이외의 폐열, 심야전력, 화석에너지 등을 연동할 수도 있다. 문제는 이러한 복합화 열원을 어떻게 이용할 것인가다.

 

두 종류 이상의 열원을 이용하는 방법으로는 열원 측에서 통합해 단일기기로 냉난방을 하는 방식과 발생한 냉·온열 측에서 통합하는 두 가지 방법이 있다. 후자의 경우 통합이라기보다는 추가 설비로 인정될 수 있으므로 설비중복 등의 문제점이 있어 경제성 확보에 별 도움이 되지 못한다.

 

이에 따라 문제해결은 열원 측에서 두 가지 이상의 열원을 통합해 이용하는 방식에서 찾아야 한다. 하지만 이들 여러 종류의 열원은 온도가 다르며 수시로 변하고 크기 또한 일정치 않아 통합 열원으로 이용하는 것이 매우 어렵다는 문제가 있다.

 

슬러리형 빙축열, COP효율 확보

이러한 다양한 열원을 복합적으로 통합해 이용하려면 새로운 방식이 필요하다. 축열에 빙축열 방식, 특히 슬러리형 빙축열 방식은 축열조 상층 얼음 베드층을 이용해 축열하는 방식에서 해결책을 찾을 수 있다.

 

빙축열조를 축열조로 활용할 때 축열조 상부 얼음층은 일종의 열저항 층을 형성해 이를 기준으로 이 온도 이상의 열을 일정온도로 통합시키는 역할을 한다. 열원으로 사용되는 여러 가지 열원들은 축열조의 상부에 공급돼 얼음층을 통과하면서 얼음층을해동시키며 축열조에 열을 공급한다. 얼음층의 상변화 온도 이상의 열은 모두 상변화를 위해 우선적으로 사용되므로 서로 다른 온도의 열원을 하나로 통합시킨다.

 

슬러리형 시스템이 히트펌프로 적용될 경우 유용한 40이상의 난방열을 생산하면서 제빙을 할 때 운전 COP가 최소 2.5이상이 돼야 한다. 실제로 응축온도를 45조건으로 할 경우 만액식 냉동시스템을 적용한 제빙장치의 이코노마이저를 적용한 반밀폐 스크류형 압축기를 사용하면 이론적인 COP3.6~3.7 정도이며 왕복동 압축기에서도 이와 비슷하다.

 

축열조의 열원 온도가 상승해 5에 이르면 COP는 상승해 4.1~4.2에 이르게 돼 시스템 구성에 의한 효율저하를 고려하더라도 지열히트펌프의 성능기준인 3.45를 초과하고 있어 충분한 경제성과 효율을 확보할 수 있다. 이 시스템에서 사용할 수 있는 열원의 제약이 없다.

 

경제성·장거리 수송 가능

가장 큰 역할은 경제성 확보에 큰 도움이 된다는 것이다. 지열과 공기열원을 복합열원으로 사용할 경우 지열공을 줄일 수 있다. 공기열원을 보완하므로 난방에너지를 충분하게 사용할 수 있어 난방 및 급탕이 모두 가능해진다.

 

지열시스템 배관비용을 줄일 수 있으며 축열시스템이 투자비 일부를 보조받게 되므로 전체 투자비도 상당부분 줄일 수 있다. 운전 유지비는 심야전력을 적용 받을 수 있으므로 더욱 크게 줄일 수 있어 에너지 사용량이 많은 곳의 경우 정부 지원자금 없이도 경제성 확보가 가능하다.

 

클럽하우스 등 야외의 독립된 시설의 경우로 급탕 등에 의한 에너지사용량이 많을 경우 초과되는 투자비는 1~2년 이내에 회수, 페이백 기간이 짧아 경제성이 좋고 시설투자에 대한 정책적 지원자금 없이도 보급이 가능한 신재생에너지시스템이 된다. 또한 복합화를 통해 그동안 활용하기 어려웠던 다양한 열원을 활용할 수 있다. 특히 아이스슬러리의 경우 현열과 잠열을 동시에 수송하는 방식이므로 많은 열량을 수송할 수 있기 때문에 장거리에 있는 열원을 활용할 수 있도록 할 수 있어 하천수나 해수열을 이용하는 데에 크게 도움이 될 수 있다.

 

시스템 보급 위한 기술·제도적 해결과제

슬러리형 빙축열의 기술적인 제약사항으로는 제빙을 하면서 50부근의 난방 및 급탕용 온수를 생산할 수 있는 냉동 싸이클이 안정적으로 운전될 수 있어야 한다는 점이다. 이러한 운전조건을 만족하기 위해서는 현재 상용화된 단단압축기를 이용하는 경우 매우 정교한 시스템 구성이 필요하다.

 

제빙부분에서는 슬러리형 제빙장치의 용량 및 효율문제, 가격 경쟁력 문제가 해결돼야 한다. 단순하면서도 안정적인 운전이 가능한 제빙장치가 필수적이다. 연중 운전가동시간이 매우 길기 때문에 운전 신뢰성에 대한 충분한 검증이 필요하다.

 

하지만 보다 시급한 것이 기술적인 해결보다 현재의 제도적인 부분의 보완이다. 현재 복합열원시스템의 보급을 막고 있는 가장 직접적인 규제는 한전의 전력 수요관리규정 중 난방용으로 사용할 경우에는 온수축열률 40% 이상을 유지해야 한다는 부분이다.

 

심야전력을 사용하는 전기히터방식 온수기의 축열률 규제에 사용하던 온수 축열률 규제를 히트펌프에 사용하는 난방용 심야 전력기기 기준으로 사용하게 되면서 형평성을 이유로 냉난방이 가능한 복합열원 시스템에 냉방기준과 난방기준 모두를 만족하도록 요구하고 있다. 이는 냉방에서 피크 이전 효과로 충분한 역할을 하고 있는 복합 냉난방시스템에 2중 규제가 된다. 더구나 실제로 시스템 가동에 꼭 필요하지 않은 온수 축열조를 크게 둬야함으로써 비용 및 설치공간면에서 경쟁력을 떨어뜨리고 있다.

 

슬러리형 복합열원 시스템은 하절기 냉방전력 피크를 효과적으로 이전하며 고효율 히트펌프 운전이 가능해 신재생에너지를 가장 합리적으로 사용할 수 있는 방법임에도 불구하고 현재 제도적인 제약으로 상용화에 어려움을 겪고 있어 개선이 필요한 상황이다.