가정용 히트펌프 확대를 위한 설계·실증·요금체계 등 핵심과제가 집중적으로 제시되는 자리가 마련됐다.

 

칸kharn은 지난 4월13일 코엑스마곡 503호, 504호에서 ‘All That Heat Pump’ 컨퍼런스를 개최했다. 특히 503호 1-2세션에서는 가정용 히트펌프를 중심으로 설계·실증·기술개발 방향이 중점적으로 논의됐다.

 

발표는 △공동주택 공기열원 히트펌프 적용 및 설치를 위한 공정별 설계 가이드 라인(유정현 LH 토지주택연구원 박사) △주택용 ATW 히트펌프 실증사례 및 P2H기반 계통유연성 활용 전략(오승진 한국생산기술연구원 수석연구원) △가정용 고효율 공기·물 냉난방 히트펌프 소개(이민우 삼성전자 책임연구원) △국내·외 가정용 히트펌프 소개 및 적용 사례(방진원 경동나비엔 국내 HVAC사업 TFT BL) △히트펌프의 효율적 적용방안에 대한 제언(유지석 대성히트에너시스 대표) △고층형 공동주택 ZEB 3등급 달성을 위한 단위세대용 소형 개별 지열시스템 개발 사례(강한기 이젠엔지니어링 대표) 등이 진행됐다.

 

HP, 공종연계 따른 설계기준 요구

유정현 LH 토지주택연구원 박사는 ‘공동주택 공기열원 히트펌프 적용 및 설치를 위한 공정별 설계 가이드 라인’에 대해 발표했다.

 

유 박사는 “에너지소비구조가 기존 난방 중심에서 급탕·냉방 중심으로 변화하고 전통적인 내연기관 기반 에너지공급에서 전기 및 화학적 에너지로의 전환이 가속화되고 있다”라며 “주요 국가들은 탄소중립 실현과 라이프스타일 변화에 대응하기 위해 전전화주택 확대를 추진하고 있다”고 말했다.

 

이에 따라 진행된 연구는 ASHP(Air Source Heat Pump)를 활용한 난방 및 급탕 대응 가능성을 분석하고 전전화 주택 확대를 위한 설계기준을 검토한다. 히트펌프는 △기계 △전기 △건축 등 3개 공종과 연계돼 있어 공종별 검토사항을 함께 반영했으며 전전화주택 설계를 위한 모델로 약 250세대 규모의 성남 복정 C2 블록 공동주택을 선정했다.

 

연구는 히트펌프 기반 난방·급탕시스템 적용 방안을 검토하고 설계 가이드라인 수립을 주요목표로 설정했다. 특히 중앙 기계실 기반 ‘메인 시스템’과 세대별 설비를 병행하는 ‘서브 시스템’ 등에 따라 배관설계나 설치 면적, 하중 등 사항을 확인했다

 

250세대 기준 약 200m² 이상의 기계실 공간이 필요하며 에어컨 실외기 면적보다 기존 대비 약 30% 증가한다. 1,000세대 기준으로는 면적이 400m² 정도 필요하다. 전기부하 증가에 따른 배선, 비상전원, 분전반 등 전기설비 변경도 불가피해 세대당 추가비용 부담이 발생하는 등 설계·시공전반에 걸친 검토가 요구된다.

 

유 박사는 “실제 건축·기계·전기 공종별 전전화 건물에 대한 설계 가이드라인을 활용한 설계공모를 실시할 예정”이라며 “200세대 규모 개별난방 및 구축 공동주택 단지에 대한 실증도 검토 중으로 3년 내로 한국전력과 공동연구를 통해 제도개선 및 후속과제를 협의하고 있다”고 설명했다.

 

이어 “주택 설치 확대를 위해 2kW 이하 멀티형 히트펌프 제품화가 필요하다”라며 “설계기준 및 제도 완화를 통한 비용 절감과 공공 조달 시 성능 검증 체계 마련이 필요하다”고 밝혔다.

 

제주 HP 실증, 요금제 따라 경제성 차이

오승진 한국생산기술연구원 수석연구원은 ‘주택용 ATW 히트펌프 실증사례 및 P2H기반 계통유연성 활용 전략’을 소개했다.

 

제주도의 LNG 보급률은 약 20%에 그쳐 다수 가구가 등유·LPG 등 화석연료 난방에 의존하고 있어 에너지전환 필요성이 크다.

 

이에 따라 제주도는 2035년까지 약 10만가구에 히트펌프를 보급하는 ‘열에너지 전기화’ 정책을 지난해 발표하고 생기원에 히트펌프 주택 보급 시 성능과 전기요금 영향 등에 대한 분석을 요청했다. 생기원은 태양광 설치여부와 주택연식 등을 고려해 단독주택 5가구를 선정해 2025년 12월부터 2026년 3월까지 실증사업을 실시했다.

 

사업에 보급된 히트펌프는 16kW급 R32냉매 적용 ATW 히트펌프와 난방·급탕용 각 500L 축열조를 적용하고 열량계를 통해 전력소비량과 열량을 측정했다. 분석 결과 전력사용량은 12~1월에 집중되는 겨울철 패턴을 보였으며 급탕은 아침·저녁 시간대 사용이 높은 것으로 나타났다.

 

난방수요가 높은 애월가구를 대상으로 △일반용 저압요금제 △주택용 게시별요금제 △주택용 누진요금제 등 에너지비용을 분석했다. 일반용 저압요금제는 LPG대비 연간 약 120만원 절감 효과가 있었으며 주택용 계시별요금제는 20만원, 누진요금제는 8만6,000원이 절감됐다. 이에 따라 각 주택별로 한전에서 제시한 요금제를 효율적으로 선택해야 할 것으로 본다.

 

오 수석연구원은 “실증데이터에 따라 히트펌프는 COP보다 축열조와 열교환기 펌프시스템 구성에 따라 전체 시스템효율이 좌우됐다”라며 “R32냉매 히트펌프의 출수온도 60℃ 같은 고온온도보다 저온운전으로 사용해야 효율향상이 기대된다”고 보고했다.

이어 “소규모 실증가구로는 통계적 한계가 있는 만큼 올해 시행되는 난방 전기화사업에서 500가구 이상 대규모 실증을 통해 데이터 확보가 필요”하다며 “히트펌프를 가상발전소(VPP) 수요자원으로 활용할 계획이며 +DR프로그램 연계와 요금 인센티브를 연계해 전력수요계통 유연성을 확보와 요금 절감이 가능하다”고 말했다.

 

냉난방·급탕 통합 HP기술 부상

이민우 삼성전자 책임연구원은 ‘가정용 고효율 공기·물 냉난방 히트펌프 소개’에 대해 설명했다.

 

건물부문 온실가스 감축을 위해 가정용 냉난방·급탕설비의 고효율화 필요성이 커지고 있으며 유럽에서는 히트펌프방식으로 전환되고 있다.

 

그러나 기존 히트펌프시스템은 난방·급탕과 냉방을 동시에 처리하기 어려워 별도로 에어컨을 추가 설치해야 하는 한계가 있다.

 

이를 해결하기 위해 냉매와 물을 동시에 활용해 △냉방 △난방 △급탕 등이 가능한 동시 냉난방 히트펌프가 개발됐다. 해당 시스템은 냉방 시 발생하는 폐열을 급탕이나 난방에 재활용함으로써 에너지효율을 극대화한다.

 

동시 냉난방 히트펌프는 공기와 물 실내기 용량 각 100% 조합이 가능하다. 두 실내기가 동일 운전모드인 경우 냉난방성능이 130%이며 다른 운전모드일 경우 200% 성능이 가능하다. 실외기 내부에 MCU(Mode control unit)이 내장돼 있어 냉난방 동시 운전할 수 있다.

 

리저버를 적용해 응축기·증발기간 냉매 체적변화에 대응하며 시스템효율을 높였다. 이에 따라 기존 개별 설비대비 약 1.6~2.2배 수준의 에너지효율 향상이 가능한 것으로 분석됐다. SCOP 기준으로는 35℃ A+++, 55℃ A++(유럽 EN 14825) 등급을 확보했으며 출수온도 65℃로 난방·급탕이 가능하다.

 

이 책임연구원은 “히트펌프 확대를 위해서는 설치 허용 하중과 공간 등 제약을 고려한 기술 개발과 사전 검토가 필요하다”며 “에어컨 실외기실에 히트펌프와 축열조를 설치하기 위한 일체화 설계도 요구된다”고 말했다. 이어 “운영비 부담 완화를 위해 보조금 확대와 요금제 개선이 병행돼야 한다”고 덧붙였다.

 

R290냉매 확대, 인증·요금체계 개선 필요

방진원 경동나비엔 국내 HVAC사업 TFT BL은 ‘국내·외 가정용 히트펌프 소개 및 적용 사례’에 대해 발표했다.

 

유럽에서는 가정용 공기열 히트펌프는 친환경과 주택난방에 최적화된 R290냉매로 전환되고 있으며 주요 제조사들도 R290냉매를 적용한 제품을 출시하고 있다. 경동나비엔 역시 R290냉매 기반 제품을 개발해 영국 공기열 히트펌프 기준을 모두 충족하고 있다.

 

경동나비엔은 영국 △볼튼 △리버풀 △스코틀랜드 등 단독주택에 공기열 히트펌프를 적용했다. 설치현장에는 각 △8kW 2대 △10kW △17kW 등 용량제품이 구축됐으며 최대 출수온도는 75℃다. 설치 결과 운전상태가 양호해 난방성능도 충분한 것으로 나타났다. 목재·기름 구매가 필요없어 편의성이 높다는 평가와 함께 고객만족도도 우수했다.

 

경동나비엔 제품은 국내 기후에너지환경부의 공기열 히트펌프 기준도 모두 충족하며 GWP 3 수준으로 환경보호와 정부의 탈탄소정책에 부합한다. 또한 국내 △기후 △생활환경 △바닥난방 등을 만족하는 최적화된 솔루션도 제공한다.

 

제주도 단독주택 2가구에 8kW·10kW 공기열 히트펌프를 적용한 결과 운전 상태는 양호했으나 전기요금 부과 기준 개선 필요성이 제기됐다.

 

방 BL은 “타 제조사 실증에서도 요금제와 누진제 부담 문제가 반복 제기되며 히트펌프 전용 요금제 도입이 필요하다”라며 “유럽과 같이 인증규격 제정과 히트펌프·축열탱크·실내제어기를 포함한 통합 인증체계 마련이 요구되며 탈탄소를 위한 R290냉매 적용제품이 확대돼야 한다”고 설명했다.

 

이어 “공인된 설치 교육과 자격제도를 운영해 일자리 창출과 설치품질 확보, 민원예방을 도모해야 한다”고 제시했다.

 

대형건물 적용, 비용절감·효율 개선 확인

유지석 대성히트에너시스 대표는 ‘히트펌프의 효율적 적용방안에 대한 제언’을 발표했다.

 

대성히트에너시스는 50층 건물에 냉방설비와 난방·급탕설비를 구분해 고온(90℃) 축열시스템을 적용 운영했다. 냉방은 1,600RT급 전기식 대형 냉동기 4대를 통해 △호텔 △백화점 △오피스 등에 5월~10월 공급했으나 전기요금 상승과 부하변동대응 한계가 있었다. 특히 겨울철 일부 객실의 냉방수요에도 대응하지 못했다.

 

난방·급탕은 6.98MW급 도시가스 기반 온수보일러 2대로 연중 공급했지만 가스요금과 온수상승 등 비용증가로 간헐운전 문제가 발생했으며 대형 보일러 가동으로 간절기·심야시간대 소량부하대응에도 한계를 보였다.

 

이를 해결하기 위해 대성히트에너시스는 R410A와 R134a를 적용한 이원 사이클 기반 300RT급 수열원 히트펌프를 통해 급탕(90℃)과 냉수를 동시에 생산하는 시스템을 구축했다. 폐열회수기와 지하 저수조를 열원으로 활용하고 냉수 리턴열을 재이용하는 구조로 150RT급 2대를 통해 냉동기 가동을 최소화해 전기요금을 절감했다.

 

이로 인해 겨울·간절기에도 냉방이 가능해졌으며 온수 생산을 히트펌프로 대체해 도시가스 사용량도 줄였다. 연간 약 3억5,000만원의 비용절감과 함께 약 3년6개월 수준의 투자비 회수기간을 확보했다.

 

지열시스템에서 난방 후 환수되는 배관에 공기열 또는 지열히트펌프를 연계할 경우 건축물 재생에너지 비율 충족은 물론 냉방기간에도 필요 시 난방이 가능하다. 또한 급탕시스템을 보조 열원으로 활용하면 간절기나 하절기 전체 지역난방 가동없이 히트펌프만으로 급탕이 가능해 반송동력 등 추가비용 절감효과도 기대된다.

 

유 대표는 “현행 지역난방 열사용시설 기준은 신재생설비에서 생산된 열의 역공급이 어려운 구조로 지열·공기열 설비 활용에 한계가 있다”라며 “2016년 이후 제도 변화가 없는 만큼 개선 시 간절기에는 히트펌프만으로도 부하 대응이 가능해 소비자 편익을 높일 수 있다”고 강조했다.

 

이어 “히트펌프의 핵심은 고온 생산이 아닌 적정온도에서 고효율 운전”이라며 “사용 온도에 맞춘 설계와 제도 개선이 병행돼야 한다”고 밝혔다.

 

고층 공동주택 지열적용, ZEB 대응 가능성

강한기 이젠엔지니어링 대표는 ‘고층형 공동주택 ZEB 3등급 달성을 위한 단위세대용 소형 개별 지열시스템 개발사례’를 공유했다.

 

국토교통부 실증사업인 과제는 지난해 4월부터 4년9개월간 수행되며 이화여자대학교 산학협력단이 주관연구기관이다. 현재 한국토지주택공사 등 23개 기관이 참여하고 있으며 실증단지는 군포대야미 A1BL 2공구 378세대 규모의 고층 공동주택에 적용될 예정이다.

 

총 4개 세부과제로 구성되며 △1세부 기술개발 △2세부 경제성 확보 △3세부 제도·정책개선 △4세부 보급활성화를 위한 통합시스템 구축 등을 목표로 진행되고 있다. 이젠엔지니어링은 단위 세대형 신재생에너지 기반 히트펌프 냉난방기술 개발을 위한 열교환유닛 개발 설계를 담당하고 있다.

 

세대별 지열히트펌프를 활용한 개별 냉난방시스템을 구축해 냉방은 기존 에어컨과 동일한 냉매방식으로 공급하고 난방은 열교환기를 통해 바닥난방용 온수로 전환했다. 급탕은 설비 용량과 공간 제약을 고려해 중앙 공급 방식을 유지했으며 세대 내 보일러실이나 실외기실을 별도로 두지 않아 확보된 공간에 지열 히트펌프와 열교환 유닛을 설치했다.

 

기술 적용결과 세대별 지열히트펌프 배치 시 개방형 시스템 적용을 통해 약 30% 수준의 효율 향상이 가능한 것으로 분석됐다. ZEB 5등급 기준대비 약 11% 수준 완화효과와 함께 분양 면적확대가 가능하며 전기화 기반 난방방식으로 정책 방향에도 부합한다.

 

지열시스템 설계 측면에서 밀폐형은 건축공정에 영향을 주는 반면 개방형은 영향이 적은 것으로 나타났다. 특히 신재생에너지설비 중 지열시스템 비중이 낮은 주요 원인으로 지목된 설치 공간 제약과 도심지 천공문제를 해결하기 위한 대안으로 이젠엔지니어링의 특허기술인 CIP 기반 개방형 지중열교환기 설치기술이 제안됐다. 또한 연구과제 목표달성을 위해서는 효율적인 시스템운영을 위한 제어로직 개발이 필수과제로 제시됐다.

 

강 대표는 “모니터링에 따라 폐열·유출수 등 다양한 열원을 활용한 히트펌프 기반 급탕시스템과 부하별 최적 운전로직, AI 기반 제어 도입 필요성도 제시됐다”라며 “공기열·지열 및 밀폐형·개방형을 결합한 하이브리드시스템과 저온수 난방설계 최적화, 경제성을 고려한 ZEB시스템 구축이 필요하다”고 말했다.