지난 10월30일 진행된 지열·수열에너지학회 학술대회에서는 △탄소저감기술 △수열원 변동대응 대규모 중앙집중형 수열에너지 실증플랜트 기술개발 △지열수열에너지 활용 △히트펌프 및 응용기술 등 다양한 세션의 논문발표가 진행됐다.

 

수열원 변동 대응 중앙집중형 수열에너지 실증플랜트 기술소개

 

최근 국내대표 수열사이트를 조성하기 위한 R&D가 활발하게 진행되고 있다. 컨소시엄 총괄기관은 한국에너지기술연구원이며 장한기술이 세부기관을 맡았다.

 

허재혁 한국에너지기술연구원 책임연구원은 현재 진행 중인 대규모 수열플랜트 R&D과제를 소개했다.

 

이번 과제는 태양광과 풍력 의존도 높은 재생에너지를 대신해 변동성이 적고 열원이 풍부한 수열에너지를 활용하기 위해 진행됐다.

 

허재혁 책임연구원은 “정부의 제로에너지건축물(ZEB) 의무화와 2050 탄소중립 목표 등을 달성하기 위해서는 활용가능한 모든 재생에너지 활용돼야 한다”라며 “건물 특성상 태양광만으로는 한계가 있어 수열에너지의 활용가능성이 대두되고 있다”고 말했다.

 

연구개발 목표는 중대형 수열에너지 실증플랜트 설계·구축과 수열원 특성변동대응기술개발로 겨울철 저수온 수열원에 대응한 안정적인 운영과 AI기반 시스템 최적운영기술 개발이다. 이번 과제를 통해 기계실 안쪽까지 AI가 구현될 것으로 기대된다.

 

세부개발대상기술은 △대용량 수열원의 특성변동 대응을 위한 핵심요소기술개발 및 수열원시스템 최적설계기술개발 △동절기 수열원시스템 효율향상기술 개발 △고효율 운전을 위한 제어시스템 개발 및 AI기반 최적운영기술개발 등으로 총괄과제를 통해 중대형 실증플랜트 설계·구축 및 수열원특성 변동대응기술개발이 이뤄질 것으로 기대된다.

 

연구개발 목표는 최대 성능계수(COP) 4.5, SPF 3.0·2.6 이상 달성, 부분부하 운전 시 40% 이상 전력절감 등이다. 연구진들은 취수시스템 안정성확보를 위해 최적설계를 진행하며 안정성·효율성 평가와 성능지표 개발 등이 진행될 예정이다. 이를 통해 △취수안정성과 관련 기술개발 △원수관로 안정성 확보 △내부입자제거 △모니터링 △다양한 수열원 수질관리기술 등 체계적인 관리가 이뤄질 것으로 기대된다.

 

실증사이트는 성수동에 위치한 K-PROJECT 건물로 현재 기계실 설비가 진행 중이다. 3,000RT급 대규모 플랜트인 만큼 대형히트펌프를 구성하며 태양광·열복합패널(PVT)를 통해 추가적으로 에너지를 확보할 예정이다. 또한 AI기반설계로 시스템선진화돼 무인화대비 기술 개발할 수 있도록 기술개발을 실시한다.

 

수열원 시스템 영향평가와 성능지표 도출을 위해 수문학적 안정성을 위한 시나리오기반 평가기술을 적용하고 사회·경제적평가 가이드라인을 마련 중이다.

 

세부과제인 동절기 저수온 수열원대응 안정적운영 및 AI기반 시스템 최적운영 기술개발에서는 △동결예방가능 열교환기 기술개발 △재생에너지 연계 복합열원 저장·활용기술 개발 △AI기반 고효율운전 및 최적운영기술개발 등이 진행 중이다.

동절기 수용이용 시 열교환기 내부 동결발생우려가 없도록 열교환기 동결생성을 신속감지하고 제거가능한 열교환기와 펌프를 포함한 열교환기 시스템솔루션 개발하고 있다.

 

허재혁 책임연구원은 “동절기 사용 안정성 향상을 위해 재생에너지와 연계해 복합열원 축열조 최적화기술을 개발 중”이라며 “PVT와 재생열 추가투입으로 운전률을 높일 것”이라고 말했다. 이어 “매월 공정회의가 진행 중이다”라며 “대용량 수열원 히트펌프시스템 개념설계 및 배치안을 수립하며 양자알고리즘기반 최적화 활용 AI형 건물에너지 최적제어시스템 구축을 위한 노력을 지속할 것”이라고 말했다.

관로일체형 정수열원 수열냉난방시스템 ‘효율적’

 

박형준 장한기술 본부장은 대규모 수열플랜드 과제에 활용될 관로일체형 정수열원 냉난방시스템을 소개했다.

 

정수열원은 별도로 수처리장치가 없고 관로ㅗ저하 최소화하기 위해 관로일체형 운영을 하면 훨씬 효과적이다.

 

이에 따라 장한기술은 정수관로를 활용해 수열에너지 활용범위를 확대하기 위해 광역정수장 구내 정수관로를 활용한 수열냉난방시스템 파일럿플랜트 개발과 실증을 진행했다.

 

시스템은 △열교환기+펌프시스템 △열교환기+펌프+hp+팽창탱크+제어장치 △열교환기+펌프+힡펌프+팽창탱크+제어장치+실내기 (열교환기-히트펌프-실내기 일체형제품) 등으로 구성될 수 있다.

 

장한기술은 기계실 일정온도를 유지할 수 있도록 파일럿시스템을 구성했으며 용량은 5RT가량으로 구성했다.

 

정수의 겨울철 온도는 5~6℃로 LMPD또한 3℃정도로 설계했으나 정수장에서 기계실까지 이동하는 경우 외기가 으면 기온낮아지는 점을 고려할 예정이다.

 

박형준 장한기술 본부장은 “올해 겨울 모니터링을 통해 온도압력을 측정하고 냉난방능력을 검토할 예정”이라며 “성능계수(COP)는 최고 4, 평균 3으로 예상된다”고 말했다.

 

여름철에는 더욱 우수한 COP를 기대할 수 있을 것으로 기대되지만 외기유입과 물환경특성 변화 등으로 변화가 있을 것으로 고려된다.

 

박형준 본부장은 “하천수뿐만 아니라 정수활용 시에는 더 많은 지역에 수열을 공급할 수 있을 것으로 기대된다”라며 “정수활용을 위해 열적특성과 수질부문 등에 대한 고려과정을 거칠 예정”이라고 말했다.

 

에스에스케이, 냉난방제습시스템 소개

 

김황호 에스에스케이 대표는 △냉난방 △제습 △온수△공기청정 △환기 통합형 회전식 공조시스템을 소개했다.

 

에스에스케이는 열교환 환기장치분야에서 축적된 기술과 경험을 바탕으로 에너지절감과 공기정화로 국민건강증진에 기여하고 있다.

 

특히 △보일러 △에어컨 △제습기 △공기청정기 열△회수환기장치 등을 하나의 장비로 통합한 시스템으로 낮은부하의 전력사용으로 에너지 고효율을 달성해 주목받고 있다.

 

에스에스케이의 공조시스템은 지난 2017년 개발이 시작돼 2020년 성능향상과정을 거쳐 지난해 혁신제품으로 인정됐다.

 

김황호 에스에스케이 대표는 “양방향 환기방식으로 환기효과가 우수하며 열교환소자를 재사용할 수 있다”라며 “공기청정기의 치명적인 단점을 보완한 시스템으로 오염된 외부공기를 여과해 신선한 공기를 공급할 수 있다”라고 말했다.

 

제주도에 실증을 통해 지난 3년간 데이터를 수집한 결과 실내온도가 약 24℃로 유지됐으며 습도도 약 45%를 기록하고 있다.

 

김황호 대표는 “사용자가 편리한 시스템을 구축하기 위해 노력하고 있다”라며 “혁신장터에 제품등록을 통해 공공기관 시범적용을 진행했으며 향후 B2G사업과 연계뿐만 아니라 해외시장 공략을 위한 준비를 진행 중”이라고 강조했다.

 

노후 공기열 히트펌프 냉매충전재 성능개선효과 분석

 

오인수 한밭대학교 회원은 노후화된 공기열 히트펌프의 냉매충전재 성능개선효과에 대한 분석을 진행했다.

 

최근 히트펌프시장의 성장이 지속되고 있으며 기술선도국의 경우 인버터형태 시장이, 그 외그룹의 경우 정속형 형태가 주로 활용되고 있다.

 

연구진들은 10년 이상 활용한 노후히트펌프 성능평가의 필요성을 느껴 냉방능력과 소비전력을 분석하며 냉매첨가재를 통한 효율분석을 실시했다.

 

공기 대 공기(ATA) 히트펌프를 대상으로 성능평가를 실시했으며 KS C 9306에 명시된 시험평가기준에 따른 실험을 진행했다.

 

오인수 한밭대 회원은 “냉방장치 실내외측에 흡입되는 공기온도와 토출되는 공기의 온·습도를 측정해 공기유량을 기반으로 냉방능력을 산출했다”라며 “R410a 냉매를 적용한 히트펌프의 CSPF는 6.149를 기록했다”고 말했다.

 

냉매첨가제는 △초사문석 △순철 △자성산화철 △오기수산화철 등으로 구성되며 공기엔탈피 시험장치를 통해 측정을 진행했다.

 

평가조건은 기후조건에 따라 △표준 △저온 △고온 등으로 구성했으며 t1 표준조건으로 시험했다.

 

실험결과 고압측 배관표면온도와 저압측냉매배관표면온도 변화부분의 경우 증발기 출구의 공기온도 변화가 유사한 패턴을 연속적으로 나타내고 있었다.

 

냉방능력과 소비전력의 경우 냉방능력은 7196w, 냉방소비전력 2,076이었으며 에너지효율(EER)은 3.467로 기록됐다. 기준제품의 정격냉난방능력이 각각 7,200w와 2,100w로 10년 노후화에 따른 성능변화는 미비했다고 분석됐다.

 

오인수 회원은 “구성제품의 전반적 노후도가 진행되지 않았다”라며 “압축기의 마모 등 열교환기 파손 및 오염에 의한 성능저하도 미비했다”고 말했다.

 

냉매혼합액 주입에 따른 성능변화 측정결과 총 95시간 운전기준 소비전력은 1867에서 1820w로 2.5% 상승했으며 에너지효율은 2.3%, 냉각능력은 0.2% 상승했다.

 

오 회원은 “냉매첨가제 주입 후 △냉방능력 △소비전력 △EER의 관계에서 2.5% 에너지절감효과가 나타난 것으로 분석됐다”라며 “냉매사이클의 냉각능력개선은 관찰되지 않는 것으로 보아 압축기부분의 윤활작용 등으로 소비전력 저하가 나타난 것으로 분석된다”고 강조했다.