국내 최초로 R290 냉매를 적용한 대용량 냉난방·급탕 ATW(Air to Water)히트펌프가 개발된다.

 

최근 탄소중립 실현을 위한 정책이 강화되고 있으며 공기열원의 신재생에너지 편입에 관한 내용을 담은 법안이 발의되고 있을 정도로 히트펌프에 대해 관심이 높아지고 있다. 특히 Low GWP 냉매나 자연냉매를 적용한 히트펌프 개발이 전 세계적인 트렌드로 자리매김하고 있다. 

 

국내에서 개발된 ATW 히트펌프는 가정용에 국한된 소규모 히트펌프로 한랭지조건 정격능력대비 50~60% 수준으로 건물용에 적합한 30kW 대용량 히트펌프 개발이 시급한 상황이다. 또한 ATW 히트펌프에 대한 별도 효율관리제도나 의무화 규정이 존재하지 않아 보급제도의 필요성도 강조되고 있다.

 

이런 상황에서 산업부는 지난 5월2일 ‘탄소중립 건물용 초고효율 냉난방·급탕 히트펌프 기술개발’ 과제 수행기관으로 센추리 컨소시움을 선정했으며 센추리 컨소시움은 6월12일부터 13일까지 이틀간 한탄리버호텔에서 킥오프회의를 개최하고 각 기관 연차별 연구계획과 내용을 공유했다.

 

이번 추진되는 과제는 Low GWP 냉매를 적용한 초고효율 냉난방·급탕 히트펌프와 부하적응형 고효율 급탕시스템을 개발할 예정이다. 이를 바탕으로 실증을 진행할 예정이며 효율관리제도 고도화를 통해 환경·경제적 성과발굴 방법론도 제시될 예정이다.

 

이번 과제는 주관기관 센추리 컨소시움에는 △귀뚜라미냉난방기술연구소 △경북대공학설계기술원 △부경대 △이튼 △엠폴 △에너지경제연구원 △한양대학교 에리카 △고등기술연구원 △한국에너지기기산업진흥회 △한국산업기술시험원 등이 참여한다.

 

ATW 히트펌프 기술개발·제도개발 본격 수행

 

이번 과제의 총괄주관을 맡은 조용훈 센추리 전무는 “이번 회의를 계기로 훌륭한 기술개발이 이뤄지길 기대한다”라며 “과제의 성공적인 완수를 위한 협조를 부탁한다”고 말했다.

이번 과제목표는 크게 히트펌프기술 개발과 제도개선으로 구분된다. 히트펌프는 에코라벨링 동일등급(A+) 내 최고효율 달성을 위해 출수온도 70℃ 이상, 한랭지온도조건 내 100% 운영이 가능한 기술을 개발하는 것이 목표다. 

또한 개발될 ATW 히트펌프 보급을 활성화하기 위해 제도개선 방안을 개발할 예정이다. 이때 가스안전공사 등 관계기관과의 협업도 이뤄질 예정이다.

 

1차연도에는 기본설계 및 선행기술조사가 이뤄질 예정이며 2차연도에는 ATW히트펌프 고시기준안이 제안될 예정이다. 3차연도에는 히트펌프 시작품 고도화와 실증작업이 진행될 예정이며 친환경냉매봉입량과 히트펌프 설치 안전가이드(안)도 개발될 예정이다. 4차연도에는 본격적인 실증을 진행한다.

 

기술개발 시 한랭지조건에서도 정격용량 100% 달성을 위한 안전성과 신뢰성 확보가 필요할 것으로 보인다.

 

실증은 2027년 11월부터 2028년 10월까지 진행되고 업무시설·숙박시설·운동시설 등에서 진행될 예정으로 대상지는 △한국에너지기기산업진흥회 사옥 △한탄리버스파호텔 △귀뚜라미크린테니스13 △인서울 27 골프클럽 등이다.

 

주관기관인 센추리는 히트펌프 개발을 담당한다. R290 친환경냉매를 적용한 70kW급 냉난방·동시급탕과 온수생산이 가능한 시스템이 제작될 예정이며 공인기관 성적서도 취득할 예정이다. 

 

1차연도에는 계획수립과 선행기술조사를 진행하며 제어로직 기초설계 등을 실시할 예정이며 2차연도에는 본격적인 시제품 제작과 시작품 성능평가 및 로직테스트를 실시한다. 3차연도에는 실증사이트를 구축해 정격능력시험·SEER·SCOP 등 성능인증시험을 진행할 예정이다. 마지막 해에는 제품실증운영·평가를 통해 개선사항을 도출할 예정이다.

 

히트펌프 용량은 560kW로 4개소에 각각 140kW의 히트펌프가 구축된다. 또한 통합시스템 운영기술을 개발해 디지털트윈·원격제어 통합관제플랫폼을 구축하며 IoT와 연계한 실시간 데이터수집을 실시할 예정이다.

 

이우화 센추리 차장은 “올해는 70kW급 ATW히트펌프의 컨셉을 수립할 예정이며 냉매사이클을 설계할 것”이라며 “냉매사이클 설계 도출 시 한랭지조건에서 정격능력대비 100% 성능을 만족할 수 있도록 개발할 것”이라고 말했다.

 

참여기관인 귀뚜라미냉난방기술연구소는 부하적응형 유량자동제어 냉난방·급탕공급시스템 개발을 담당한다. 고효율 히트펌프에 냉온수탱크를 적용해 부하적응형 유랑자동제어 냉난방·급탕공급시스템을 개발하는 것이 목표로 4세대 지역난방을 적용해 부하적응형 유량자동제어시스템을 개발할 예정이다.

 

1차연도에는 난방급탕스테이션 요소개술개발과 축열조·고효율단열재 검토 등을 진행하며 부하에 따른 정유량제어 알고리즘을 설계한다. 2차연도에는 사출축열조제작과 부하적용형 유랑자동제어 냉난방·급탕공급시스템 알고리즘개발 등 하드웨어를 제작할 예정이다.

 

3차연도에는 부하적응형 유랑자동제어 냉난방·급탕공급시스템 알고리즘 최적화와 안정성평가를 진행할 예정이며 4차연도에는 알고리즘 고도화와 패키지상용화 설계를 진행한다.

 

정은찬 귀뚜라미냉난방기술연구소 수석연구원은 “최신 기술분석을 통해 유사기술과 차별화할 방안을 수립할 것”이라며 “시스템요구사항 분석과 기본구조 수립 시 각 기관과 협업이 필요하다”고 말했다.

 

경북대 공학설계기술원은 열교환기 패스 최적화 및 급탕조 열유동해석을 맡아 △열교환기 계절성능에 따른 냉매유로 최적화 △온수탱크 온도성충화 최적화 △냉매·오일 상용성시험·화학적 안정성 분석 등을 실시한다.

 

1차연도에는 실외기 열유동해석을 위한 실외기모델링과 지배방정식·경계조건을 수립할 예정이며 부분부하에 따른 열교환기 전면유속분포해석을 진행할 예정이다. 2차연도에는 온수탱크 열유동해석 모델링과 매니폴드 설계를 통해 온수탱크 열유동해석을 위한 온수탱크 형상을 결정할 예정이며 수치해석을 위한 지배방정식 경제조건을 수립하고 메쉬(Mash)를 생성할 예정이다.

 

3차연도에는 냉매-오일상용성 실험장치 설계구축을 통해 시운전과 장치정확성을 검증한다. 4차연도에는 냉매오일상용성 시험을 위한 평형셀을 설계하며 항온조 설비와 시험장치를 설계, 제작할 예정이다. 또한 시운전 및 장치정확성검증도 진행한다.

 

부경대학교는 R290 냉매 적용 시스템의 사이클해석과 기술개발을 실시한다. 동적·정적해석을 통해 냉난방과 급탕에 동시적용 시 시스템성능변화를 알아볼 예정이며 하이브리드시스템 제어를 위한 기초데이터를 제공할 예정이다.

 

핵심은 부하계산으로 외기온도와 급탕부하에 따라 만들어야 할 열량을 계산해야 한다. 이를 기반으로 실험을 마쳐 결과를 반영한 시뮬레이션 수정 및 최적운전점도출과 성능시험지원에 참여할 예정이다.

 

설성훈 부경대학교 부교수는 “현재 정적해석을 진행할 수 있는 기본적인 툴은 구현을 마친 상태”라며 “선행기술들을 살펴보면 경우에 따라 하이브리드 정의를 내릴 때 보조열원을 사용하는 경우도 있어 1차에너지소요량을 분석하는 방식도 고려하고 있다”고 말했다.

 

 

이후는 통합시스템 운영기술 개발·실증을 담당한다. 기존 실증사이트에서 운영 중인 관제시스템을 분석해 시뮬레이션 통한 최적화 작업을 진행할 예정이며 경쟁기술과 차별성분석 통한 독창적 시스템개발 전략을 수립할 계획이다.

 

또한 에너지효율목표와 시스템안정성 등의 요소를 고려한 하드웨어 선택을 통해 실증 및 상용화할 예정이다. 시스템개념설계를 통해 △하드웨어선정 △시스템개념설계·분석 △프로토타입 개발 등에 착수할 예정이며 문헌조사와 실증사례 등 분석할 예정이다. 또한 가스안전공사를 통해 냉매안전관리에 대한 부분을 확인할 예정이다.

 

디지털트윈기반 통합시스템 시뮬레이션 및 관제시스템 개발을 담당하는 엠폴은 통합관제플랫폼 개발과 3D모델 구현을 실시한다.

 

올해는 통합관제플랫폼 기획을 맡아 제어요소선정과 범위산정을 통한 기능을 정의하며 유사기술의 선행연구와 기술동향 분석을 통해 개발 방향성을 도출할 예정이다.

 

또한 사용자와 시스템의 측면에 따른 통합관제플랫폼에 대한 정의를 내려 동작흐름도기반 단계별기획 할 예정이다.

 

3D모델을 통해 실증현장에 대한 3D 가상모델을 프로토타입시스템에 안착시킬 예정이며 3D가상모델 생성에 있어 설계데이터기반 시각화기술도 구현한다.

 

공인시험성적서(tta)를 기반으로 기능 및 제어정확도에 대한 평가기준충족여부를 평가받을 예정이며 시나리오기반 통합테스트를 통해 운영안정성을 확보하며 장기적인 유지보수방안을 마련할 방침이다.

 

이상민 엠폴 수석연구원은 “플랫폼감지 응답속도와 원격제어를 통해 송수신받았을 때 IoT 장비의 제어응답속도가 0.5 이내로 충족되는지 확인할 것”이라며 “스마트한 플랫폼이 구축될 수 있도록 노력할 것”이라고 말했다.

 

고등기술연구원은 에너지부하패턴을 고려한 최적운전방안도출을 실시한다. 1차연도에는 실증지 건물유형별 에너지부하패턴 분석과 실증지에서 사용되는 에너지부하패턴 기반 개념설계를 실시하며 2차연도에는 개념설계 도출안기반 히트펌프 사이클포함 전체시스템 모델링과 검증을 통해 최적운영방안을 도출한다.

 

3차연도에는 실증을 본격적으로 실시하며 실증 시 에너지사용량이나 열부하 등을 분석해 실제 데이터기반 최적운전방안을 검증할 예정이다.

 

4차연도에는 검증된 도출안을 평가해 경제성평가, 에너지효율성평가, 환경개선효과 분석위한 전과정평가를 실시하며 사업화모델을 정성적으로 구축할 예정이다.

 

임종훈 고등기술연구원 선임연구원은 “실증지별 초기열부하와 에너지사용량분석 데이터를 기반으로 2차연도에는 최적운전방안 도출할 것”이라며 “히트펌프가 신재생에너지와 연계될 필요성에 대한 방안을 분석하기 위해 그리드영향분석과 지역별 신재생에너지 적용 가능성 등을 폭넓게 분석할 것”이라고 말했다.

 

한양대 에리카는 급탕과 난방관련 시험시설과 장비를 보유하고 있어 실제 검증을 통한 표준화를 실시한다. ATW 고시기준안 개발을 통해 가정용 ATW 고시기준안을 도출하며 친환경 냉매 봉입량 및 히트펌프설치 안전가이드도 개발할 예정이다.

 

에코디자인규정 내에서는 저온히트펌프와 일반히트펌프 요구사항이 다르다. 이에 따라 이를 반영한 인증기술기준이 나올 것으로 기대된다.

기준안 내에는 △적용범위 △운용규격 △용어정의 △종류 및 구조 △성능시험 △소비효율측정항목 △최저소비효율기준 및 소비효율등급부여기준 등이 담겨있을 예정이다.

 

 

에너지기기산업진흥회는 ATW 급탕에너지효율측정방법 기술기준(안) 개발을 맡는다. 1차연도에는 고효율에너지기자재 급탕에너지 효율측정방법안 개발을 통해 ATW 히트펌프 급탕시험을 위한 시험장치 시제품 설계안을 도출할 예정이며 히트펌프표준화위원회를 구성, 운영할 방침이다.

 

마지막 해에는 ATW 히트펌프관련 국제표준 KS부합화작업을 통해 가정용 공기열원 히트펌프보일러 KS표준 제정을 진행하며 히트펌프표준화위원회 운영을 진행할 예정이다.

 

에너지기기산업진흥회는 히트펌프표준화위원회를 구성해 급탕에너지 효율측정방법에 대한 내용검토 및 보완과 급탕에너지효율측정방법(안)과 효율관리제도 연계를 검토할 예정이며 가스안전공사와 외주용역을 통해 A3 가연성냉매 적용에 따른 KGS코드 검토도 실시할 예정이다.

 

김효엽 에너지기기산업진흥회 책임연구원은 “과제를 통해 개발될 제품은 ATW, 효율관리제도에 대항하는 제품은 가정용 ATW 히트펌프”라며 “건물용 ATW히트펌프와 가정용 ATW히트펌프에 대한 시료가 필요하며 급탕에너지효율은 ATW개발에만 가정용 ATW에는 일반급탕성능이 포함될 것”이라고 말했다.

 

한국산업기술시험원(KTL)은 ATW 히트펌프 고시기준안을 개발할 예정이다. 올해는 국내외 품목별 사용자관점의 에너지효율기준을 조사하며 ATW히트펌프 측정방법을 개발한다. 2차연도까지 ATW 히트펌프 고시기준안 개발을 마치며 20kW 이하 가정용 ATW 고효율에너지기자재 고시기준도 제출할 예정이다.

 

3차연도에는 ATW 히트펌프 개발품 냉난방성능시험과 ATW 히트펌프 동시운전측정방법 제안을 진행하며 4차연도에는 ATW히트펌프개발품성능최적화지원을 통해 국제표준 KS부합화제정초안을 마련할 방침이다.

 

최준영 KTL 박사는 “성능시험조건 및 시험방법과 부분부하시험 적용여부 등에 대한 논의가 필요하다”라며 “냉매에 따른 안정성을 고려해 조건을 적용해야 할 것”이라고 말했다.

 

환경·경제적 성과발굴 방법론 제시 및 검증을 실시하는 에너지경제연구원은 △효율관리제도 내 GWP제한 포함에 대한 경제성 분석방법론 연구와 경제성분석 △민감도 및 시나리오분석 △탄소감축량·환경 및 경제적 성과분석을 위한 모형발굴 △정책분석·히트펌프 보급전망치 분석 등을 실시할 예정이다.

 

올해는 국내외 히트펌프시장 및 정책동향분석을 통해 효율관리제도 내 GWP제한 도입의 타당성 검토를 실시하며 효율관리제도 변경과관련한 적정경제성분석방법론을 검토·선정할 예정이다.

 

히트펌프 기술개발 및 운영과정에서 확보한 데이터를 활용한 경제적성과분석 및 방법론 검증을 통해 히트펌프 보급전망치를 바탕으로 사회적경제성평가도 실시할 예정이다.

 

이석호 에너지경제연구원 연구위원은 “히트펌프보급을 위한 정책제안을 도출해 국가 온실가스 감축목표와 연계하며 소비자부담이 완화되며 히트펌프 기술개발과 산업경쟁력 강화를 위한 노력을 이어갈 것”이라며 “보일러를 대체할 수 있도록 탄소배출절감효과와 NDC 영향력 등에 대한 분석도 실시할 예정”이라고 말했다.

 

한편 주요 실증지 중 한 곳인 귀뚜라미크린테니스는 평일 이용고객이 평균 170여명인 3층 건물로 에너지사용량은 대략 △냉방 300kW △난방 350kW △급탕 80kW로 파악된다.

 

실증지 내 냉난방·급탕 전기사용량이 분리되지않아 현재 부하를 데이터화하는 것이 관건이며 사업부지 인접 초고등학교 학교환경위생정화구역 관련 인허가 반영여부도 확인해야 할 사항이다. 

 

또한 현재 실외기 설치장소는 20m² 수준으로 히트펌프 등 기기들의 설치에 적합한 지를 파악해야 하며 냉난방·급탕부하가 부족할 것으로 예상돼 냉방은 400RT급 기존 냉동기와 연계할 예정이다.

 

윤필규 귀뚜라미에너지 부장은 “난방·급탕의 경우 신규 보일러 추가설치 검토와 보충에 대한 부분에서 논의가 필요할 것”이라며 “유지관리부분의 경우 공급·환수배관 동파방지가 이뤄져야 할 것으로 보인다”고 말했다.

 

한편 이번 과제는 산업부의 에너지수요관리 핵심기술개발사업의 일환으로 진행되며 사업기간은 2028년 12월31일까지다.