지난 10월10일 수자원공사 연구원에서 열린 ‘2024 지열수열에너지학회 학술대회’에서 △신재생에너지 이용 산업공정기술 △수열에너지·응용 등의 주제로 강연이 진행됐다.
허브축열시스템 기반 양방향 열거래 열요금 산출
김득원 한국에너지기술연구원 신재생시스템연구실 박사는 허브축열시스템을 기반으로 한 열요금 산출법을 제시했다.
총 실증기간은 54개월로 신재생에너지원들을 활용해 효율적 양방향 열거래를 위해 허브축열시스템을 구성해 실증을 진행했다.
허브축열조 중심 열배관을 연결해 총 4개 건물에 열공급을 진행했으며 자체적으로 열 생산가능한 설비를 고려해 이상적 열판매가격, 열구매가격 등을 산출했다.
김득원 박사는 “열공급업자, 프로슈머, 컨슈머, 열거래사업자를 중심으로 연구를 진행했다”라며 “열거래사업자 이윤 극대화를 위한 판매가격을 산출해 실증데이터 응용한 연구를 진행했다”고 말했다.
시스템은 프로슈머, 컨슈머 간 계통분리를 통해 안정적인 열거래가 가능하도록 설정했으며 열량확인을 위해 유량센서 150개를 설치해 실시간 모니터링을 진행했다. 또한 허브축열조를 통해 유입·유출되는 열에너지는 삼단밸브로 이상없도록 제어했다.
실증 결과 열부하는 총 8만5,174kWh로 허브축열조를 통해 16% 열공급이 이뤄졌다. 열거래사업자는 한달 33만원 수익을 얻을 수 있을 것으로 산출됐으며 열생산시설 요금제 변화로 인한 열거래 요금변화와 이에 따른 열거래수익, 열거래량 등이 변화됨을 확인했다.
김득원 박사는 “향후에는 운영요금 최소화요인을 최적화할 계획”이라며 “신재생융복합커뮤니티 최적설계방법을 도출하는 것이 목표다”라고 말했다.
수열HP 급탕운전 단기운전성능 분석
허재혁 한국에너지기술연구원 박사는 산업부 R&D과제인 ‘수열냉난방 및 재생열 하이브리드시스템 기술개발 및 실증’을 통해 진행한 수열히트펌프시스템 실증운전에 대한 결과를 발표했다.
수열은 2006년부터 13개소에서 673RT가량 가동중이며 동파방지 제어기술, 수충격 사고예방기술, 이물질 여과운영기술 등이 필요한 상황이었다.
실증지는 한강유역본부로 지난 2020~2023년까지 급탕설비 수열원을 구축해 수열에너지 중심 설비를 구축하며 실증데이터를 확보했다. 500RT 수열히트펌프와 35RT 급탕히트펌프 등이 설치됐다.
연구진들은 하이브리드제어모듈을 개발해 총 25개 시나리오 개발했다. 급탕모드의 경우 총 4개 시나리오가 제시됐다. 설치된 급탕설비는 35RT급 히트펌프와 5톤규모 급탕탱크로 수열원 이용 급탕시스템과 히터 급탕공급성능을 비교했다.
통합제어가 가능한 제어모니터링을 실시했으며 급탕히트펌프운전 온도설정에 따라 실험을 진행한 결과평균열원온도는 26.3℃이며 평균생산온도는 54.5℃로 나타났다.
허재혁 박사는 “부하가 크지않은 주말에 히트펌프를 시범가동한 결과 히트펌프기기 평균 성능계수(COP)는 4.0이었으며 평균온수생산용량과 평균 압축기 용량은 각각 69kW와 17kW로 나타났다”라며 “히터를 이용한 급탕운전시 평균공급온도는 58.5℃로 평균 히터 소비동력은 20kW, 일간 소비동력은 398.7kWh”로 나타났다고 말했다.
한편 수열원 이용 급탕운전 소비동력을 비교한 결과 히터를 이용할 경우 평균 주말 급탕소비동력은 497kWh였으며 수열히트펌프 운전시 134kWh로 소비전력이 73.1% 절감됐다.
허재혁 박사는 “전체부하를 고려하기 위해 1~4주차 주중에는 히터를 이용하며 3~4주 주말에는 수열히트펌프를 운전해봤다”라며 “주중 평균급탕부하 329kWh, 주말일간 251kWh였으며 9월 총 급탕부하는 8,580kWh로 급탕히트펌프적용시 6,271kWh가량 절감이 예상된다”고 말했다.
심야축열식 수열 냉난방시스템 설계사례
장한기술은 한국수자원공사와 함께 광역원수를 사용한 수열에너지 냉난방시스템을 설계했다.
실증지는 과천으로 500RT급 수열원시스템을 설치해 광역원수온도변화 등을 측정했다. 열교환기 형태는 브레이징으로 냉방에서도 고온 발생 시 냉방열원보상이 가능도록 했다.
실증지는 5.5℃까지 수열을 활용한 운영이 가능하며 수온 2.5℃ 이하 시에는 지역난방을 사용해야 한다.
이에 따라 열원보상 밸런스를 위한 제어가 필요한데 시뮬레이이션 결과 3℃까지는 열원보상과 수열을 함께 쓰는 것이 효과적인 것으로 나타났다.
설비설치가 이뤄진 2023년 장마기간동안 순환장애가 발생해 스트레이너를 제거한 뒤 오토스트레이너를 구동했는데 이때 원수공급 장애가 발생하지 않았다. 올해는 펌프흡입측 스트레이너를 제고해 오토스트레이너만 구동했는데 7~8월 장비정지 없이 원활하게 원수를 공급하고 있다.
박형준 상무는 “한강에서 오는 원수의 관로수는 오토스트레이너만으로도 여름철 겪을 수 있다고 판단한다”라며 “모든 수동스트레이너 및 매쉬망을 제거하며 오토스트레이너만 사용하는 것이 가장 효과적으로 냉난방전환시 연 1회 오토스트레이너 청소만으로 유지관리 가능하다”고 강조했다.
제주도에 설치된 지중열교환기 설계방법 연구
김민준 한국냉동공조인증센터 수석연구원은 제주도에 설치된 지중열교환기 설계연구에 대한 발표를 이어나갔다.
제주도는 지하수 지질구조상 숨골이 많이 존재해 비가 오면 숨골에 물이 차 이 물이 지하수로 침전돼 빗물이 함유될 수 있다.
특히 10월 경 높은 지하수 수위를 보인다. 지하수 평균 체류시간은 약 19년이며 지하수 유동속도는 70~1,500m/년, 평균유동속도는 475m/년이다.
이에 따라 제주도는 지하수정보관리시스템을 통해 제주도 수자원관련시설, 건축물 등 기본도, 수문주제도, 오염원 등 자료정리를 진행하고 있으며 지하수 관측정에 대한 수위, 수온, 전기전도도 등 자료를 제공하고 있다.
연구진들은 제주도 지하수관리 관리조례 시행규칙에 따라 지중열교환기를 설계했으며 설치지역 확인 및 지하수 수계 확인용으로 제주 지하수정보관리시스템 이용한 지하수 및 지중상황을 예측했다.
김민준 연구원은 “지중열교환기는 관측정 위치설정이 중요하다”라며 “시스템을 통해 관측정 주변 지하수흐름 예측이 가능해 지하수 수위 및 지하수 수온변화, 지하수수온 및 전기전도도 변화 등을 확인할 수 있었다”고 강조했다.
수집한 데이터를 이를 기반으로 천공 후 공내촬영을 통한 도식 및 현장확인을 진행한 결과 지하수수위는 4.5m였으며 천공깊이 51.5m로 기존 예측범위 내에서 크게 벗어나지 않았다.
김민준 연구원은 “제주도 지중열교환기 설치, 시공 완료 뒤 열용량시험을 진행했다”라며 “제주도 타운하우스 지중열교환기 시험결과 지중온도가 16.3℃ 가량 됨을 확인했으며 열량을 다변화했을 때 순환수 평균온도를 구해 지중순환수 평균온도와 지중온도 차를 반영한 지열히트펌프 냉난방용량을 결정했다”고 말했다.
한편 외부환경에 따라 실제 이용가능한 지중열교환기 능력이 다르기 때문에 유량변화에 따른 순환수 평균온도변화 테스트를 실시해 실제 이용가능한 지중열교환기 능력을 가늠했다.
김민준 연구원은 “신촌리와 와산리 유량변화에 따른 차압을 비교했다”라며 “지중열교환기 전체길이에서 유도관 길이가 짧을수록 사용유량 범위 안에서 차압증가는 선형에 가깝게 증가했으며 유도관 길이가 길수록 유량이 증가하며 차압기울기가 급변했다”고 말했다.
친환경 냉매를 적용한 수열원 터보히트펌프 설계기술
전 세계 히트펌프시장은 지속적 성장이 예상되는데 공기열원시장이 가장 클 것으로 보이며 수열시장 성장 또한 기대되고 있다.
수열원 히트펌프는 호수, 하천수 등 친환경 수열원을 이용해 냉난방에너지 공급이 가능한 히트펌프로 에너지효율 측면에서 효과적이다.
이희웅 LG전자 에어솔루션연구소 책임은 ‘R1233zd를 적용한 500RT급 수열원 터보히트펌프 설계기술’을 소개했다.
무급유 자기베어링과 친환경신냉매, 수열히트펌프 핵심기술을 융합한 제품으로 수절환방식으로 냉난방 전환이 이뤄지며 2단압축 냉매사이클을 적용했다.
이희웅 책임은 “냉매특성을 고려해 공력부품설계했다”라며 “고양적 압축을 위해 고속회전이 필요함에 따라 빠른유속으로 인한 충격파발생 최소화 설계를 등을 진행했다”고 말했다.
회전체 해석을 통해 공진주파수를 확인한 뒤 실사용 영역이 공진주파수대비 30%이상 작아지도록 설계해 회전체 안정성을 확보했으며 열교환기 사이즈 및 냉매충전량 저감을 위해 적하식 증발기 설계를 통해 전열관 표면형상 최적화로 열전달율 높여 전열관 수량 저감하며 안정적 기액분리되도록 기액분리장치를 설치했다.
또한 전열관에 냉매가 균일분배되도록 충돌방지판을 설계했으며 부유식 팽창장치 적용해 적정유량 증발기로 공급할 수 있도록 했다.
한편 LG전자는 산업용 고온히트펌프를 개발하기 위한 구체적 설계작업을 진행중으로 1,000RT용량으로 4단압축을 실시할 예정이다.
이희웅 책임은 “히트펌프 열원으로 폐열·지열·수열 등 여러열원과 운용하는 사례들이 있다”라며 “고온수 열원인 수·지열 등 이용한다면 향후 산업용히트펌프에도 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.
공동주택 내 공기열원HP 적용가능성 검토
김준석 아주대 기계공학과 학생은 공동주택에 난방 및 급탕시스템으로 공기열원 히트펌프를 적용하기 위한 실험결과를 발표했다.
기존 지역, 개별난방을 대신해 공기열시스템을 온수공급과 난방시스템에 적용에 적용한 것으로 지·수열대비 에너지효율은 낮지만 설치가 용이하다고 판단해 적용방안을 분석했다.
총 60세대에 급탕과 난방부하로 나눠 열부하를 계산한 결과 12~1월 난방부하가 상대적으로 높게 나타났으며 급탕부하는 여름철로 갈수록 감소했다.
김준석 학생은 “서울 부산, 광주, 대관령지역의 연간필요 열부하를 계산했다”라며 “대관령에서 가장 높은 열부하, 부산에서 가장 낮은 열부하를 나타냈다”고 말했다.
공기열원 히트펌프는 냉매 증방응축과정을 통해 냉난방하는 것으로 연구진들은 베이퍼인젝션사이클(이하 VI)을 적용해 압축기 토출온도 낮춰 사이클 성능을 향상시켰다.
김준석 학생은 “건물열부하와 히트펌프 운전성능을 바탕으로 가스보일러와 에너지성능 분석과 환경영향평가를 실시했다”라며 “에너지소비량은 전체지역에서 65.2%가량의 에너지소비량 감소가 나타났으며 1차에너지 소비량도 기존시스템대비 약 13% 감소했다”고 말했다.
VI를 적용한 경우 기존대비 7.6% 에너지소비량 감소효과와 가스보일러대비 70% 평균 에너지소비량감소효과가 나타났으며 1차에너지소비량도 기존가스대비 24.8% 감소함을 확인했다.
김준석 학생은 “LCCP 계산식을 이용해 환경영향평가를 실시한 결과 공기열원히트펌프 적용시 가스보일러 대비 평균 17.4% 감소했다”라며 “VI 적용 시에는 23.1% 감소함을 알아냈다”고 말했다.
500RT급 수열히트펌프 최적 운전방안 연구
김태현 한국수자원공사 연구원은 한강유역본부 내 과천가압장 수열연계 히트펌프시스템 성능분석결과를 발표했다.
연구진들은 냉난방방식은 단일덕트와 팬코일유닛(FCU)공조방식으로 R1233zd 냉매를 활용한 500RT급 수열히트펌프를 개발했다.
김태현 연구원은 “압축기 성능개선을 통해 COP를 5.54까지 향상했다”라며 “현재는 하천수 활용위한 시스템설계계선을 진행 중”이라고 말했다.
축열식 하이브리드시스템은 축열조를 활용한 히트펌프부하운전을 진행한다. 현재 한강유역본부 사옥 수열냉난방 실증플랜트가 운영되고 있다.
실증결과 총 전력소비량에 대한 총공급 열량으로 정의하는 성능지수(SPF)가 3.3으로 나타났으며 기존 냉난방설비 대비 에너지사용량 55.72%, CO₂는 50.63%가 절감됐다.
이후 2차시험 결과 경부하시간대 축열조를 활용한 축∙방냉운전 빈도를 높여 SPF를 확인한 결과 기존 2.73보다 높아진 3.57로 나타났다.
김태현 연구원은 “수열히트펌프 냉난방시스템 최적운전 방안은 경부하시간대에 축열조활용해 축냉(열)운전후 방냉(열)운전하는 방안”이라며 “히트펌프 부분부하운전시 진공펌프 및 순환펌프 유량조건 개선시 SPF 향상이 기대된다”고 말했다.