냉난방공조·기계설비·신재생·녹색건축 전문저널 칸kharn이 창간 10주년을 맞아 9월10일 서울 코엑스마곡에서 ‘탄소중립산업의 현황과 미래’를 주제로 기념 컨퍼런스를 개최했다.

 

이번 행사는 히트펌프, 냉매전환, 콜드체인, 녹색건축, 데이터센터(DC) 등 탄소중립과 직결된 핵심산업영역을 아우르는 대규모 행사로 하루동안 6개 세션이 진행됐다.

 

정부는 히트펌프를 탄소중립 달성을 위한 주요 감축수단으로 명시하고 전기요금제 개편과 보조금 지원을 추진하고 있다.

 

이러한 흐름 속에서 히트펌프세션은 ‘히트펌프산업 현황 및 활성화방안은’을 주제로 진행됐다. 발표는 △건물용 전전화 추진방향(김지효 한국에너지기술평가원 PD) △탄소중립 히트펌프 기술개발(조용훈 센추리 전무) △글로벌 시장 동향 및 국내 시사점(송찬호 한국기계연구원 센터장) △PVT+히트펌프 융합시스템 보급 활성화 방안(주홍진 한국에너지기술연구원 박사) △친환경 암모니아 히트펌프 기술(정연주 한국마이콤 선임) △이상기후 대응 히트펌프 기술(황준 삼성전자 프로) △공동주택 보급 활성화 방안(정재원 한양대학교 교수) 등으로 이어졌다.

 

전전화 주택 구현 핵심기술 ‘히트펌프’

김지효 한국에너지기술평가원 수요관리 PD는 탄소중립 목표달성을 위해 추진되고 있는 ‘건물용 전전화 추진방향’을 소개했다.

 

글로벌 국가들은 저탄소·고효율에너지시스템 전환을 위해 에너지 수요관리·효율향상을 추진하며 P2H, VPP, V2G 등 신산업을 육성하고 있다.

 

국내도 전력수급계획에 따라 2030년까지 온실가스를 40% 감축하고 2038년까지 최대전력을 16.3GW까지 감축하기 위해서는 에너지소비량 감축과 전력부하 저감을 위한 수요관리사업이 필수적이다.

 

김지효 에기평 PD는 “건물부문 효율개선 핵심은 단열강화와 난방시스템 전기화”라며 “이에 따른 관련 일자리 창출도 시급하다”고 말했다.

 

제7차 에너지이용합리화 기본계획에 따르면 효율 향상의 핵심은 히트펌프와 P2H로 복합에너지시스템을 통해 히트펌프를 실시간·예비력 시장에 대응할 수 있도록 기술개발이 진행될 예정이다.

 

 

2050 탄소중립 달성에 있어 에너지수요 감축 부문에서 40%를 해결할 수 있을 것으로 기대되며 전기화를 통해 전기사용량을 극대화해 화석연료 사용을 줄이고 부족한 부분은 수소화를 통해 보완해야 한다.

 

현재 최종에너지소비 감축, 산업·수송·건물에너지의 80% 전기화 등을 위한 기술개발이 추진되고 있으며 2017년 대비 최종에너지 수요를 50% 감축하고 전기의 90%를 재생에너지로 전환할 계획이다. 이를 통해 현재 120~160조 원 수준인 석탄·석유·가스 수입액을 3~5조 원으로 대폭 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

 

가정·상업·공공부문에서도 화석연료 공급의 50%를 전기로 대체하는 방안 가운데 하나로 전전화 사업이 추진되고 있다. 특히 공동주택의 경우 난방과 급탕이 전체의 50%를 차지한다. 난방소비량은 25~35%, 급탕 소비량은 15~18% 수준이며 난방에너지는 설계기준보다 적게쓰는 반면 급탕 사용량은 늘고 있다.

 

단열과 창호 등 패시브기술 발전으로 과거보다 난방사용량은 줄었지만 냉방 사용량은 증가하고 있으며 생활수준 향상으로 급탕 사용량도 약 20% 증가한 것으로 나타났다.

 

이를 해결하기 위한 대안으로 ‘전전화 주택’ 기술개발이 활발하다. 전전화 주택은 주택 생활에 필요한 모든 에너지를 전기로 공급하는 주택이다.

 

화석연료기반 보일러가 아닌 히트펌프를 활용해 난방·급탕을 실시해 에너지소비를 50% 절감할 수 있으며 신재생에너지 발전과 연계해 에너지자립화, 탄소중립 실현, P2H를 통한 수요유연자원으로 활용가능하다.

 

현재 해외에서도 전기화 정책이 활발하다. 미국은 2030년까지 연방정부 소유 건물의 30%를 100% 전기화하겠다는 정책을 수립했으며 캐나다는 BC주를 중심으로 건물 전기화를 추진하는 연합체를 구성해 2030년까지 신축건물을 저탄소 전기시스템으로 전환하는 것을 목표로 하고 있다.

 

EU는 2010년 건물에너지 효율 개선과 탄소배출 감축을 위한 ‘건물에너지성능지침’을 공식 채택하고 히트펌프 보급정책을 적극 추진 중이다.

 

국내는 전전화주택 기술개발의 일환으로 2023년 탄소중립 기술혁신전략 로드맵을 수립했으며 냉난방·급탕설비를 히트펌프 중심으로 전환하는 것이 주요내용이다.

 

실제로 부산 EDC 스마트빌리지, 노원 이지하우스, LH 세종시 행복도시 등에 지열 히트펌프 기반 공동주택 냉난방시스템을 도입했다.

 

에기평은 차세대 전기형 공동주택 제로에너지화 기술개발 R&D 과제를 본격 추진해 지열·공기열원 히트펌프, 축열조 등을 활용, 100% 전전화와 ZEB 1등급 달성을 목표로 실증을 진행할 예정이다. 이번 과제에는 온실가스 배출량과 운영비용을 20% 이상 줄이는 효과와 더불어 DR(수요반응) 연동 EMS(에너지관리시스템) 표준개발 및 AI기반 스마트제어기술 등이 포함된다.

 

한편 전전화 확산을 위해 제도적·기술적 보완이 필요하다는 지적도 나온다. 바닥난방 지원을 위한 히트펌프 구조 개선이 필요하며 일부 기업에서는 바닥난방용 히트펌프를 제작하고 있다.

또한 급탕시간이 평균 2분 이상 소요돼 사용자 체감 품질이 떨어지고 있어 축열조·배관계통·수전설비 용량변화 등을 고려한 공동주택 설비기준 마련이 요구된다.

 

히트펌프 활용 시 공동주택 인입용량이 기존 4㎾에서 최대 21㎾까지 늘어날 수 있어, 피크부하를 줄이기 위해 ESS 기반 피크저감 방안도 필요하다. 아울러 현행 누진제 요금체계가 전기화 확산의 걸림돌이 될 수 있다는 점이 지적되며, 계시별 요금제나 지역 유연 요금제 도입을 통해 해결해야 한다는 주장도 제기됐다.

 

히트펌프와 ESS 설치 공간을 용적률 산정에서 제외하는 제도개선, 지열·공기열원과 축열조의 유연한 적용, 공기열원을 재생에너지로 편입하는 방안도 검토가 필요하다.

 

산업용 ATW 히트펌프 국내 기술개발 박차

2035 NDC 2035에 따른 열부문 탈탄소를 위해서는 히트펌프 활용이 필수적이다. 유럽과 일본은 화석연료 보일러를 대체할 히트펌프 기술개발을 활발히 추진 중이며, 상업화에 근접한 수준의 스팀히트펌프기술을 보유해 주로 식품산업에 활용하고 있다.

 

주요 트렌드는 △산업 공정의 고온 수요(100~200℃) 충족을 위한 임계온도 높은 냉매 선택 △저GWP 냉매로의 전환(산업용 750 이하, 가정·소형 150 이하) 등이다.

 

히트펌프는 국내시장도 2033년까지 연평균 8%대 성장이 전망되지만 초기 투자비·설치면적·요금체계 등 구조적 제약을 해소해야 확산이 가능할 것으로 예상된다.

 

특히 최근에는 GWP 감축 규제에 돌입했으며 오존층법 개정으로 기존 히트펌프 냉매로 사용되던 HFC 냉매가 규제대상에 포함됐다.

 

그러나 아직 GWP 150 미만 냉매를 적용한 상용화된 ATW히트펌프가 부재하며 관련 효율제도 정착도 더디지만 최근 ATW 고효율에너지인증대상 기자재 품목 고시가 이뤄졌으며 ATW 과제를 통해 보완을 거쳐 규격 고시가 추진될 예정이다.

 

유럽과 일본 등에서 산업용 분야를 중심으로 발전하고 있으며 산업공정 탈탄소화를 위해 대규모 투자가 이뤄지고 있으며 안정성과 신뢰성 확보를 위한 실증도 진행되고 있다. 이 과정에서 임계점이 낮은 냉매가 활용되고 있다.

 

산업용 히트펌프의 글로벌시장 규모는 2023년 약 40억달러로 연평균 6.8% 성장이 전망된다. 특히 공기열원이 50% 이상을 차지하며 향후에도 시장을 주도할 것으로 예상된다. 현재 아시아·태평양 지역이 산업용 히트펌프 시장을 주도하고 있으며 이 같은 추세는 향후에도 이어질 것으로 전망된다.

 

국내 산업용 히트펌프 시장 규모는 약 5,000억 원 수준으로 2030년까지 약 1조원 시장으로 성장할 것으로 예상된다. 세계시장 대비 빠른 성장세를 보일 것이라는 전망이다.

 

용도별로는 식품산업의 비중이 가장 크며, 국내 또한 식품분야에 집중돼 있다. 현재까지는 보일러를 활용해 100℃ 수준의 열을 생산해왔다.

 

국내에서 현재 추진 중인 180℃ 스팀히트펌프 과제는 5톤급 보일러 대체를 목표로 한다. 100℃ 미만의 저온 열원을 받아 4단 압축을 통해 180℃ 스팀을 생산하고 필요 시 MVR과 연계해 200℃까지 온도를 올리는 방식이다.

 

목표 COP는 2.5로 LNG 보일러(열효율 환산 COP 약 0.95)대비 에너지·연료비 절감효과가 기대된다. 현재 압축기·열교환기 설계가 진행 중이며, 연내 시제품 제작과 내년 성능시험 완료를 목표로 하고 있다.

 

또한 친환경 냉매를 적용한 냉난방·급탕 ATW 히트펌프 기술개발에서는 GWP 150 이하인 R290 냉매를 적용해 최대 출수 70℃, 에너지라벨 A+ 이상을 목표로 하고 있다. 한랭지 조건(-15℃)에서도 정격 대비 100% 성능 확보를 개발지표로 제시했다.

 

고효율 급탕시스템 개발을 위해 축열조 설계를 통한 급탕·바닥난방·공간난방 기술이 추진되며, 안정성 확보를 위한 추가적인 기술개발도 병행된다.

 

R290(A3)·A2L 계열 냉매에 대한 효율 관리제도가 미비해 적용에 어려움이 있어, 과제를 통해 가스안전공사·에너지공단과 협업해 2차년도까지 규격안을 마련할 계획이다.

 

조용훈 전무는 “히트펌프는 보일러 대비 높은 초기투자비, 급탕·축열조로 인한 설치면적 증가 등 물리적 제약이 있으며 공기열원이 재생에너지에 포함돼 있지 않은 점, 누진제로 인한 제약 등 한계가 있다”라며 “탈탄소핵심인 히트펌프 보급 활성화를 위해서는 지원제도 보완 등의 노력이 필요하다”고 강조했다.

 

그는 이어 “고효율기자재 품목 고시 등을 통해 산업부 등에서 정책개선을 추진 중이며 구체적인 지원금 논의가 필요하다”고 강조했다.

 

산업·건물·DC분야 적용 확대…보급가속화 위한 정책지원 뒷받침돼야

송찬호 한국기계연구원 히트펌프연구센터장은 글로벌 히트펌프시장동향과 국내시사점을 발표했다.

 

히트펌프 연구센터는 △고효율 친환경 히트펌프시스템 기술개발 △히트펌프 핵심기자재 기술개발 △히트펌프 열에너지 네트워크 기술개발 등을 통해 기술혁신으로 탄소중립에 기여할 수 있는 열에너지 토털 솔루션 제공을 비전으로 삼고 있다.

 

히트펌프는 탄소중립을 위한 핵심 기술이자 MIT 테크놀로지가 선정한 10대 미래기술로 2030년까지 600만대가 공급될 것으로 기대된다.

 

유럽은 6,000만대 보급계획을 수립했으며, LG전자 등 글로벌 기업들도 히트펌프의 중요성을 강조하고 있다.

 

에너지효율이 높은 고효율 기기인 만큼 정부지원을 통한 시장 활성화가 가능할 것으로 예상되는 가운데 시장규모는 연평균 11% 성장률이 예상되며 현재 100조 원 수준의 시장이 2030년 이후 200조 원 이상으로 팽창할 전망이다.

 

히트펌프는 △가정용 △상업용 △산업용으로 구분된다. 현재는 주로 가정용 시장 비중이 크다.

 

 세계적으로는 아시아시장 규모가 가장 크며 중국과 미국이 최대 시장을 형성하고 있고, 유럽 시장은 급성장하는 추세다. 국내시장은 가정용에 편중돼 있어 상업용 빌딩, 공동주택, 산업열 분야에서의 수요 확대가 필요하다.

 

히트펌프 시장 성장 요인은 △탄소중립 정책과 정부 지원 △기술발전 및 신제품 출시 △보일러 대체를 통한 탈탄소 수요 등이다. 반면 △높은 초기비용 △에너지가격 및 세제구조 △공급망 제약 △설치 인프라 및 전문인력 부족은 문제점으로 지적된다.

 

글로벌 트렌드는 △효율화 △친환경화 △지능화로 한랭지 보급 가능성 확대, 부분부하 효율향상 등 에너지성능 개선을 통한 효율성 제고가 이뤄지고 있다.

 

특히 유럽을 중심으로 R290 등 자연냉매를 활용한 저GWP 전환이 가속화되고 있으며 AI기반 예측제어·디지털 트윈 기술도 적용되고 있다.

 

고온 히트펌프는 보일러를 대체하며 산업 고온공정 열수요를 충족하고 축열과 결합해 활용되는 기술로 성장하고 있으며 △산업용 고온 히트펌프 △DC 적용 히트펌프·냉각기술 △디지털 트윈 히트펌프가 주요 키워드로 제시된다.

 

건물부문에서는 냉난방·급탕 통합형 ATW 시스템이 확대되고 있으며 DC 분야에서는 폐열회수 및 액침냉각 기반 응용이 늘어나고 있다.

 

국내는 낮은 보급률로 인해 고온 제품 R&D 실증 확대와 금융 연계가 필요하다. 고온 공정열 수요가 많지만 히트펌프의 온도 한계가 존재해 합성냉매는 165℃, 자연냉매는 180℃ 수준에 머물러 있다.

 

국내에서는 LG전자, 태양전기, 귀뚜라미범양냉방, 센추리, 매그클러스 등이 기계연·에너지연·생기원 등과 협력해 연구를 추진 중이다.

 

정부 과제로는 1,000RT급 터보히트펌프 개발과 제지공정 적용 연구가 진행되고 있으며 에너지기술연구원은 300℃를 목표로 공기를 작동유체로 하는 히트펌프 기술개발을 추진 중이다. COP 1.5 달성, 축열조 및 압축기 개발 등이 포함되며, 독일 DLR사와의 협업 워크숍도 진행되고 있다.

 

기계연구원은 지난해부터 DC 폐열을 받아 흡착식 히트펌프 열원으로 활용해 DC 공랭식 냉각방식을 적용하고 있다.

 

또한 디지털트윈 히트펌프 구축을 위해 건물·산업용 히트펌프 제어 최적화, 성능시험, 물리 기반 시뮬레이션을 통해 에너지 절감과 난방비 절감을 목표로 연구가 진행되고 있다.

 

디지털 트윈 히트펌프는 △물리적 HP 시스템 △데이터 수집 및 통신 인프라 △가상모델 등으로 구성되며, 이를 통해 △에너지 최적화 △시스템 설계 △유지보수 △신뢰성 향상이 기대된다.

 

해외에서는 전기요금이 저렴한 시간대에 히트펌프를 가동하고, 전력부하가 높은 시간대에는 작동을 줄여 안정적인 운영과 에너지 절감 효과를 체감하고 있으며 데이터 기반 운전을 통해 난방비를 30~40% 절감한 사례도 확인되고 있다.

 

국내에서는 LG전자가 상업용 에어컨에 디지털 트윈 모델을 실증 중이며 실제 환경요소와 정밀통합해 시스템 동적반응을 선제예측하고 있다.

 

송찬호 히트펌프연구센터 센터장은 “각국의 탄소중립 목표와 에너지안보 이슈 속에서 히트펌프 보급은 보조금, 규제, 표준 제정을 통해 더욱 가속화될 것”이라며 “보급 활성화를 위해 정책 지원의 장기 유지와 전기요금 등 구조적 장벽 개선이 시장 성장의 중요한 변수”라고 강조했다.

 

전기·열 동시 생산 ‘PVT’…히트펌프 연계로 시너지 확대

주홍진 한국에너지기술연구원 박사는 신재생에너지설비로 도입이 예상되는 태양광·열복합모듈(PVT)와 히트펌프 적용사례가 공유됐다. PVT는 PV 뒤에 열회수장치와 배관을 추가해 단일모듈에서 전기와 열을 동시에 생산할 수 있는 설비다.

 

동일면적에서 전기와 열을 모두 확보할 수 있어 공간 활용과 경제성을 높일 수 있으며 기존 PV모듈대비 약 3배의 에너지를 생산할 수 있다.

 

PVT모듈은 Flat Plate PVT 형태로 무창형(저온열 생산)과 유창형(고온열 생산)으로 구분되며 공기식과 액체식으로 나뉘어 온수 생산에 활용된다.

 

현재 전 세계에 160만㎡가 설치돼 있으며 국내에서는 아직 새로운 시장이다.

 

유럽이 전체 보급량의 약 64%를 차지하며 급성장하고 있으며 이중 78%가 무창형이다.

 

유럽은 독일을 중심으로 PVT 모듈개발을 마무리하고 PVT와 히트펌프 결합 방안 연구를 추진 중이다.

 

지난해 기준 유럽은 10개, 미국은 5개 PVT 모듈이 보조금을 받을 수 있는 성적서를 확보했으며, 보급 확대가 빠르게 진행되고 있다.

 

주요 기업으로는 트리플솔라와 선맥스가 있다. 트리플솔라는 자동차 방열판기술을 PV 뒤에 적용했고 선맥스는 말레와 합작 설립돼 PV 모듈의 열 배출 효율을 높이기 위해 전기차 배터리 냉각자켓 기술을 도입했다. 이를 통해 전기성능 향상과 열 회수가 동시에 가능하며, 전용 배관부속을 자체 개발해 누구나 쉽게 DIY 설치가 가능하다.

 

선맥스는 연간 57만장(114만㎡)의 PVT를 보급할 수 있는 공장을 완공했으며 2030년까지 750만장 보급을 목표로 하고 있다.

 

국내도 현재 PVT를 새로운 신재생에너지 설비로 KS제정하는 절차를 밟고 있는 등 보급확산을 위한 준비단계다. 현재 예고고시를 마치고 최종 기술심의위원회 협의 중이며 이르면 올해 늦어도 내년에 신재생에너지 설비로 편입될 전망이다.

 

그러나 유럽·미국에서 판매되는 PVT는 국내 기준에 미치지 못해 판매가 불가능할 것으로 예상돼 에너지기술연구원은 대량생산이 가능한 자동차냉각기술 기반 PVT를 개발 중이다.

 

PVT는 한랭지와 열대지 모두에서 히트펌프와 연계해 효과적으로 활용 가능하다. 연계 방식은 △PVT 내부에 냉매를 직접 적용하는 DX방식 △간접방식인 IDX로 구분되며 주로 IDX 방식이 보급되고 있다.

 

PVT에 직접 냉매를 공급해 증발기·응축기로 활용하거나 생산된 열을 축열조에 저장해 히트펌프의 응축기·증발기에 재활용하는 방식도 있다. 공기열원·지열원과 연계하는 방식도 확산되고 있다.

해외에서는 다양한 적용사례가 등장하고 있다. 런던대학교는 PVT와 지열 히트펌프를 연계해 건물 냉난방·급탕을 운영 중이며, 네덜란드에서는 수영장 물 가열에 PVT 발생열을 히트펌프 열원으로 활용한다. 스웨덴은 건물 옥상에 PVT를 설치해 건물 내 전기와 열에너지를 공급하고 있으며 노르웨이는 PVT와 지중열 히트펌프를 융합해 건물 냉난방을 진행하고 있다.

 

국내에서도 PVT 기술 적용이 확대되고 있다. 에너지기술연구원의 KePSH-1 프로젝트에서는 공기열원 히트펌프와 BIPVT를 연계해 건물 냉난방·급탕을 운영 중이며 KePSH-2에서는 BIPVT와 PCM 축열조·지열히트펌프를 연계해 지열 보상용으로 활용된다. 또한 스마트팜과 노인요양시설 등에서 히트펌프 온수시스템의 전력·열원 보조용으로 활용되고 있다.

 

주홍진 박사는 “PVT와 히트펌프 결합 시 SCOP 3~5 수준을 달성할 수 있으며, 투자 회수기간은 7~12년으로 점차 단축될 수 있다”라며 “내년 안으로 PVT가 시장에 본격 등장할 예정이므로 히트펌프와 연계한다면 시너지 효과가 클 것”이라고 강조했다.

 

암모니아 HP 산업현장 적용 확대

정연주 한국마이콤 선임은 '암모니아 히트펌프 적용사례'를 소개했다. 

한국마이콤은 산업 및 냉동기 엔지니어링 전문기업으로, 냉동·냉장설비 설계부터 제조, 플랜트, 서비스까지 종합 솔루션을 제공하고 있다.

 

글로벌 국가들은 지구온난화에 대응하기 위해 온실가스 배출 규제를 강화하고 있으며 탄소중립 정책을 본격적으로 추진 중이다.

 

국내 역시 2030년까지 40% 감축, 2050년까지 배출 ‘제로’를 목표로 이를 위해 매년 4.17% 수준의 온실가스 감축이 필요하다.

 

환경부는 올해 ‘NDC 2035’를 발표할 예정으로, 보다 적극적인 감축 노력이 요구되고 있다.

 

현재 유럽의 탄소국경조정제도 도입 등으로 기업의 부담은 증가하고 있으며 배출량이 많은 제품은 가격 경쟁력이 약화될 것으로 전망된다.

 

또한 중간 원료 단계의 배출량까지 포함해 산정하는 방식으로 전환되면서 생산단계부터 탄소 저감을 고려하지 않으면 안 되는 상황이다.

 

이러한 흐름 속에서 보일러대비 탄소 직접배출을 줄이고 에너지효율이 높은 히트펌프가 대안으로 부상하고 있다.

 

현재 히트펌프에는 R123a, R404A 등 프레온계 냉매가 주로 사용되지만 향후 규제 확대가 불가피하다. 일체형 시스템에는 R-410A, R-32, 멀티형에는 R410A, R134a 등이 적용되고 있으나 모두 규제 대상에 포함될 전망이다. HFO계열 역시 프레온냉매 계통으로 언젠가는 규제를 피하기 어렵다.

 

반면 자연냉매는 ODP(오존파괴지수)가 0이며 GWP(지구온난화지수)가 한 자릿수로 환경문제에 영향을 주지 않아 규제에서 자유롭다. 특히 R717(암모니아)은 대용량 사용이 가능하고 효율이 뛰어나 다양한 산업군에 적용할 수 있다.

 

정 선임은 “암모니아(NH₃) 히트펌프를 적용하면 LNG 보일러대비 온실가스 배출량을 최대 60% 줄이고 기존 보일러의 열손실을 최대 20%까지 보완할 수 있다”라며 “폐열회수와 역카르노 사이클 원리로 효율을 극대화할 수 있다”고 강조했다.

 

한국마이콤의 ‘MC-HEAT’는 55~90℃ 온수를 생산할 수 있으며 기존 냉동·냉장설비의 운전 부하를 낮추는 효과도 있다. 오일 자동회수시스템을 탑재해 높은 열전달 효율을 제공하며 식품산업 등 온수 사용처 전반에 도입 가능하다.

 

실측 데이터에 따르면 COP는 수온 60℃일 때 평균 7.35, 70℃일 때 5.96 수준으로, 연료보일러(COP 1 이하)대비 4~8배 높은 효율을 기록했다. 투자 회수기간(ROI)은 평균 3년으로 분석됐다.

 

설치방식은 두 가지로 나뉜다. 보일러를 전면 교체할 경우 성층탱크를 함께 설치해 온수와 냉수를 원활히 공급할 수 있으며 기존 보일러와 병행할 경우 병렬 연결방식으로 도입된다. 성층탱크는 필수 구성품은 아니지만 적용 시 에너지효율을 높여 추가로 약 30% 절감 효과를 제공, 물 사용량이 많은 현장에서 활용도가 높다.

 

또한 냉동·냉장설비와 쿨링타워, 에바콘(Evaporative Condenser)이 있는 경우 히트펌프는 기존 배관망을 공유할 수 있어 추가 배관만으로 설치가 가능하다. 이 과정에서 히트펌프가 냉동·냉장설비의 폐열을 회수해 쿨링타워 및 에바콘 부하를 줄여준다. 지구온난화로 외기온도가 설계 당시보다 높아져 응축기 용량이 부족한 현장에서도 히트펌프 적용 시 안정적인 운전이 가능하다.

 

정 선임은 “암모니아 히트펌프는 온수가 필요한 산업 전반에 적용 가능하며 자연냉매 채택을 통해 탄소배출을 최대 69% 줄일 수 있는 친환경 고효율시스템”이라며 “투자회수기간이 3년 미만으로 경제성이 뛰어나며 기존 냉동기의 폐열 회수를 통해 응축부하를 줄여주는 효과까지 있어 탄소중립 달성에 기여할 수 있다”고 강조했다.

 

탄소중립 대응형 가정용 히트펌프 설계트렌드 공유

지구온난화는 인간 활동에 의한 영향이 명백하며 이중에서도 CO₂가 가장 큰 비중을 차지한다.

 

산업화 이후 급격히 증가한 온실가스는 지구 평균온도를 상승시키고 각종 자연재해를 유발하고 있다.

 

황준 삼성전자 프로는 삼성전자에서 개발하고 있는 히트펌프 기술을 공유했다. 

 

세계 각국은 기후위기 대응을 위해 정책을 강화하고 있다. 발전부문에서는 신재생에너지로의 전환이 진행 중이며 화석연료를 사용하는 자동차는 전기차로 대체되고 있다.

 

특히 건물부문은 에너지사용의 80% 이상을 난방에 의존하고 있다.

 

이중 70% 이상을 차지하는 화석연료 난방기기를 친환경 히트펌프로 전환하는 것이 탄소중립 달성을 위한 주요 정책으로 추진되고 있다.

 

유럽연합은 ‘리파워 EU(RePower EU)’ 정책을 통해 녹색전환을 추진하며 2030년까지 6,000만대의 히트펌프 보급을 목표로 하고 있다.

 

삼성전자는 냉동사이클기술을 응용한 Eco Heating System(EHS)을 통해 난방과 급탕에 필요한 온수를 공급하고 있다. EHS는 75℃ 온수 공급이 가능하며 가스보일러대비 3~5배 높은 효율을 보이며 탄소배출량은 절반 이하로 줄어드는 친환경적이다.

 

히트펌프는 설치비가 보일러의 3~7배에 달해 초기 진입장벽이 높아 글로벌 각국은 보조금 지급 등을 통해 보급 확대를 추진하고 있으며 이러한 정책 지원에 힘입어 시장은 2029년까지 1,578억달러 규모로 연평균 11.8% 성장이 전망된다.

 

가정용 히트펌프는 △실외기에서 온수를 생산하는 모노타입 △실외기와 실내기에 냉매가 존재해 실내기에서 온수를 생산하는 스플릿타입 △스플릿에 별도 실내기를 추가해 냉난방까지 가능한 타입으로 등으로 구분된다.

 

삼성전자는 가정용 특성을 고려해 모던한 주택구조에 어울리는 짙은 그레이 색상과 낮은 제품 높이(1m 이하)로 창문 아래 설치가 가능하도록 디자인했다. 또한 보일러 대체제품으로서 저온난방성능, 신뢰성, 저소음화를 중점 과제로 설정했다.

 

저온난방성능 확보를 위해 압축기 부품 내구성을 강화하고 열전달 성능 향상을 위해 열교환기 사이즈를 확대했다. 또한 플래시 인젝션 기술을 적용해 냉매 순환량을 늘려 -25℃에서도 100% 성능을 발휘할 수 있다. 실제로 –10℃에서는 75℃, –25℃에서는 65℃ 온수 생성이 가능하다.

 

저소음화를 위해 실외기 팬설계를 최적화해 난류 발생을 억제하고 압축기에는 이중 패널을 적용했다. 또한 진동 저감을 위해 스프링 그로밋을 적용해 진동을 약 95% 상쇄해 유럽 야간 소음규제인 35dB 이하를 충족했다.

 

AI기술을 활용해 사용 패턴에 따른 온도조절로 에너지절감효과를 높였다. 급탕사용패턴에 맞춰 수온을 능동적으로 조절해 기존 대비 최대 40% 에너지절감이 가능하다.

 

한편 히트펌프 개발의 핵심 과제 중 하나는 냉매규제다. 냉매총량규제와 GWP규제로 구분되며 저GWP 요구에 따라 R32 대신 R290(프로판)으로의 전환이 추진되고 있다.

 

R290을 적용하면 기존 대비 냉매 저감 효과가 있으며 탄소배출량은 99.7% 이상 줄일 수 있지만 가연성과 폭발성 문제로 글로벌 안전설계 기준 마련이 필요하다.

 

이에 따라 삼성전자는 △누설 방지 △누설 감지 △냉매 배기 △점화원 기밀 △점화원 방폭 등 5단계 안전설계 기준을 검토 중이다.

 

황 프로는 “히트펌프 전용 설치공간에 대한 법적 기준 마련, 보조금·세제 혜택, 전용 전기요금제 도입 등이 병행된다면 보급 확대가 가능할 것”이라며 “삼성전자는 공조와 환기를 통합한 AI기반 주거용 공조시스템 등 이상기후 대응형제품 개발을 지속 확대해 나갈 계획”이라고 밝혔다.

 

HP 보급확산 핵심, 공동주택 적용성 확보

고층형 ZEB 3등급 연구사업 등에 참여하고 있는 정재원 한양대학교 교수는 공동주택에 히트펌프를 보급하는 데 있어 주요 고려사항을 발표했다.

 

국내는 주거양식이 대부분 공동주택이며 난방방식도 바닥난방과 온수난방이 일반적으로 히트펌프보급 확대 시 중요한 요소로 작용한다.

 

과거 친환경 보일러 보급이 확대됐 듯 앞으로는 탄소배출 절감과 ZEB 전전화 주택 구현을 위해 히트펌프를 활용한 냉난방·급탕으로 전환해야 한다.

 

서울의 경우 개별난방 398만가구 중 99.3%가 도시가스 보일러를 사용하고 있으며 도시가스 공급량의 약 70%가 냉난방용으로 소비되고 있어 히트펌프로의 전환 필요성이 커지고 있다.

 

유럽 등 글로벌 선진국들은 ATW 히트펌프 판매량이 급성장하고 있으며 물을 이용한 난방방식 확대와 함께 바닥난방에 히트펌프를 적용하는 사례도 늘고 있다.

 

특히 프랑스, 독일, 이탈리아 등은 판매량 증가와 함께 탄소배출 절감 효과도 확대되고 있으며 미국 역시 히트펌프 판매량이 보일러 판매량을 앞지른 상황이다.

 

정 교수는 “히트펌프는 탄소배출 저감과 기후위기 대응의 효과적인 솔루션임이 통계로 입증되고 있다”라며 “정책적 측면에서도 화석연료 난방방식을 줄이고 히트펌프 보급을 활성화하는 방향으로 변화하고 있다”고 말했다.

 

다만 히트펌프 보급의 가장 큰 걸림돌은 가격이다. 유럽은 보조금과 세제 혜택을 통해 보급을 확산하고 있다. 특히 지열 히트펌프는 설치비가 많이 들어 네덜란드 등에서는 타 열원 대비 더 많은 보조금을 지급하는 사례도 있다.

 

국내 보급 확대를 위해 진행한 전문가 설문조사 결과에 따르면 신규 공동주택과 기축 중앙난방식 공동주택에 적용 가능성이 클 것으로 분석됐다.

 

또한 보급확대를 위해 해결해야 하는 제도적 과제로는 △초기 설치비와 복잡한 시공 △전기요금 누진제 △공기열 히트펌프의 신재생에너지 편입 △설치 공간 부족 문제 해결 △제로에너지건축물(ZEB) 평가체계 개선 △DR사업 연계 등이 제시됐다. 기술적 측면에서는 △단열 및 기밀 성능 개선 △설치 공간 개선이 필요하다.

 

정 교수는 “공동주택 보급 성패는 결국 ‘공동주택 적용성’에 달려 있다”라며 “국내 적용 가능한 솔루션으로 △중앙식 △하이브리드 △개별식 등의 솔루션이 있다”고 설명했다.

 

중앙식 솔루션은 기계실에 설치된 히트펌프로 난방·급탕에 필요한 열량을 모두 공급하거나 난방과 급탕을 분리해 두 개의 히트펌프로 운영하는 방식이며 중앙식 하이브리드솔루션은 히트펌프는 난방, 기존 보일러는 급탕을 담당하는 방식이다.

 

정 교수는 “개별식솔루션은 세대별 설치로 전체 배관 공사를 피할 수 있으나 소음·공간 문제가 단점이다”라며 “히트펌프 보급 확대를 위해서는 구조설계 변경으로 인한 시공단가문제 특히 급탕탱크 관련 비용을 줄일 수 있는 솔루션개발이 필요하다”고 말했다. 이어 “이 같은 기술적·제도적 보완과 함께 보조금을 통한 가격경쟁력 확보가 뒷받침돼야 공동주택 히트펌프 보급이 본격화될 것”이라고 제언했다.