대한설비공학회(회장 송두삼) 히트펌프전문위원회(위원장 서정식)은 지난 11월20일 히트펌프 전문위원회 강연회 및 공청회를 개최했다고 밝혔다.

 

 

장영수 대한설비공학회 차기회장(국민대 교수)은 환영사를 통해 “최근 2035 국가 온실가스 감축목표(NDC)가 발표된 가운데 목표달성을 위해서는 전력구조 변화가 필요하다”라며 “지금은 그 어느때보다 히트펌프의 기술적 도약이 필요한 상태로 제로에너지건축물(ZEB) 등 다양한 건축물에 보급하기 위한 핵심전략과 제도변화가 필요하다”고 말했다.

 

이어 “히트펌프의 기술·제도적 변혁 위해서는 전문가들이 협력해 정부와 국민대상의 설득과정이 필요할 것”이라며 “산·학·연 플랫폼 구축에 설비공학학회 히트펌프 전문위원회가 많은 역할을 해주길 기대하며 학회도 후원을 아끼지 않겠다”라고 강조했다.

 

휴미컨, 우수 데시컨트 제습 가능

이대영 휴마스터 대표는 잠열중심 히트펌프기술개발 사례를 공유했다.

 

잠열은 공기조화와 냉난방 등의 분야에서 ‘습기’를 의미한다. 산업공정에서 습기발생 시 △부식 △결로 △변형 등의 발생원인이 되기 때문에 이와 관련한 문제를 효율적으로 해결해야 한다. 특히 히트펌프는 잠열, 습기가 상당량을 차지하고 있다.

 

ZEB보급이 확대되면서 건물내부의 습도관리가 중요한 환경요소로 부상하고 있다. 단열과 기밀이 극대화된 ZEB는 외부기온 변동과 무관하게 실내 온도를 안정적으로 유지하지만 실제 건물에서 온도는 쾌적한 수준임에도 습도가 높아 생활불편과 결로·곰팡이 문제가 발생한다.

 

이는 기계식 환기과정에서 외부습기가 실내로 유입되는 과정에서 전열교환기에서 습기를 회수하는 효율이 낮은 구조적 특성 때문이다.

 

기존 냉각제습방식이 ZEB에 적합하지 않은 점도 주목되고 있다. 냉각코일 표면온도가 노점 이하로 충분히 내려가야 결로가 발생해 습기가 제거되는데 ZEB는 헌열부하가 매우 작아 에어컨 설정온도를 낮춰도 코일온도가 크게 떨어지지 않는다.

 

이대영 휴마스터 대표는 “ZEB건물 제습은 냉각제습방식으로는 습도조절이 어려우며 헌열과 잠열의 제어기술이 필요하다”라며 “습기필터를 이용한 제습방식을 활용해야 한다”고 제안했다.

 

이러한 한계를 보완하기 위한 방식으로 데시컨트 제습기술이 주목받고 있다. 데시컨트는 공기 중 수증기를 흡착·흡수해 제거하는 구조로 온도를 낮추지 않고도 습도를 직접 조절할 수 있다. 특히 히트펌프 응축열을 활용하면 제습소재를 저온에서 재생할 수 있어 별도 열원을 투입하지 않고도 연속운전이 가능하다.

 

휴마스터의 ‘휴미컨’은 이러한 고체 데시컨트방식을 기반으로 한 제품으로 히트펌프 응축기 배열에서 나오는 약 50℃ 수준의 저온열만으로 제습필터를 지속 재생하는 방식이 적용된다.  제습효율은 기존 1등급 기준대비 약 1.4배 수준이며 환기운전 시 냉방효율은 약 70%까지 확보가능하다.

 

휴미컨의 핵심 요소는 자체 개발한 고분자 기반 습기필터다. 기존 실리카겔 제습제보다 흡습성이 약 5배 크고 낮은 온도인 50℃에서도 재생이 가능해 응축기 배열도 활용가능하다. 또한 탈취, 향균, 향곰팡이 성능 최고등급을 받은 고효율 제품이다.

 

이대영 휴마스터 대표는 “데시컨트 제습과정에서 습기필터를 통해 습기가 걸러지면 온도가 상승하는 원리를 난방에도 응요할 수 있다”라며 “잠열을 활용할 경우 흡착열에 의해 40℃까지의 온도를 얻을 수 있어 응축온도를 낮춰 성능계수(COP) 향상이 가능하다”고 강조했다.

 

탄소중립을 위한 DX-DOAS 및 설치사례 소개

노진섭 LG전자 책임연구원은 LG전자의 DX-DOAS 기술을 공유했다.

 

탄소중립 달성을 위해 냉난방공조설비 전기화와 고효율화를 달성하기 위해 열원설비 전기화, 고효율 친환경 히트펌프 확대, 운영최적화 등이 필요하다

 

LG전자의 DOAS는 △실내공기질 향상 △기후변화 대응 △환기량 증가 등에 따른 에너지효율 문제를 해결할 수 있는 100% 외기전담 솔루션이다.

 

외기처리와 냉난방을 분리한 설계로 일정량 이상의 외기를 안정적으로 공급하면서도 냉난방기와 독립 운전이 가능해 덕트·기계실 면적을 절감할 수 있는 구조다.

 

DOAS는 △열원장비 △DOAS유닛 △실내기·터미널유닛 등으로 구성된다. 열원장비는 고효율 히트펌프와 칠러 등으로 구성되며 DOAS유닛은 소형부터 중대형까지 다양한 크기를 보유하고 있다.

 

실내기·터미널 유닛은 헌열냉방만 하는 칠드빌 복사냉방이 가능해 에어컨 COP가 올라가 DOAS시스템과 시스템에어컨제품 총괄제어가 가능할 경우 건물에너지가 상당부분 줄어들 것으로 판단된다.

 

LG전자는 공랭식, 수랭식(지열·수열) 구성 모두 운영하며 검증을 이어가고 있다.

 

DOAS 성능은 통합기간 제습효율(ISMRE)과 통합기간 성능계수(ISCOP) 등으로 평가된다. 분석결과 ISMRE는 노점 12.8℃에서 21℃까지 안정적인 승온성능을 보였으며 난방성능을 기반으로 산정하는 ISCOP도 향상된 값을 기록했다.

 

노진섭 LG전자 책임은 “국내는 옥상공간 제약으로 실외기 일체형 설치가 어려워 주로 실외기 분리형 DOAS가 적용된다”라며 “이 유형은 핫가스를 활용한 사이클 재열기능이 필수”라고 강조했다.

 

핫가스는 히트펌프 응축과정에서 발생하는 폐열로 때문에 추가 에너지 투입 없이 재열에 활용할 수 있어 매우 고효율적이다. LG전자는 여기에 열회수코일을 결합해 배기공기를 이용해 응축을 보조하는 이중 열회수구조를 적용했다. 배기공기는 실외공기보다 온도가 낮아 응축부하를 줄이고 히트펌프 효율을 높이는 효과가 있다.

 

핫가스 재열방식은 냉각제습된 공기를 승온하면서 상대습도를 낮추는 것 뿐만 아니라 실외기에서 응축하면서 버려야 하는 열을 이용해 히트펌프효율이 좋아져 LG전자는 재열코일과 열회수코일 두가지를 적용해 효율을 높였다.

 

또한 데시컨트 휠 적용 시 외기가 전열교환기와 냉각코일을 거친 뒤 추가적으로 습기를 제거해 더 낮은 노점까지 접근할 수 있다. 데시컨트 휠은 배기열을 재생열원으로 활용할 수 있어 추가열원 없이 연속제습이 가능하며 더 낮은 노점이 필요한 경우 핫가스로 재생온도를 보조해 최소한의 추가 에너지만 사용하도록 설계할 수 있다.

 

노진섭 LG전자 책임은 “데시컨트기술 활용 시 추가적인 에너지소비없이 배기공기를 재생열원으로 이용할 수 있다”라며 “냉각제습대비 낮은 노점온도를 갖게 된다”고 말했다.

 

건물에너지시뮬레이션프로그램을 통해 에너지절감량을 분석한 결과 DOAS 연간에너지를 53% 절감할 수 있을 것으로 예측되고 있다.

 

노진섭 책임은 “소형 DX-DOAS는 100% 외기공급이 가능하며 재열 시 응축열을 활용해 추가적으로 에너지소모가 없으며 운전모드를 다양화해 실내공기를 재순환할 수 있다”라며 “지하공간과 지하 전시장에 적용 중이며 물류센터, 모듈러팜에도 적용 가능하다”고 말했다.

 

삼성전자, ATW 히트펌프 보급활성화 연구 지속

조일용 삼성전자 수석연구원은 공기 대 물(ATW) 히트펌프기술을 소개했다.

 

ATW 히트펌프는 냉동사이클기술을 응용해 난방과 급탕에 필요한 온수를 공급하는 제품으로 유럽에 주로 판매되는 제품은 SCOP가 5로 나타나 일반 가스보일러대비 3~5배 효율이 높으며 탄소배출량은 가스보일러의 1/2 이하다.

 

제품형태는 △일체형 △분리형 △혼합형 등으로 구분되며 최근 변화하는 환경에 맞춰 다양한 기술을 요하고 있다.

 

최근에는 부품내구성을 강화해 고온수 제작을 위한 운전영역을 확대하며 압축기 부품 내구성을 강화하고 있다.

 

또한 저온난방성능을 확보할 수 있도록 이상(Two Phase) 인젝션을 적용해 성능을 상승시키고 있다. 이상인젝션 적용 시 -20℃에서 70℃에 가까운 출수온도를 낼 수 있다. 

 

또한 난류저감에 의한 저소음팬이나 Spring Grommet을 적용해 진동을 저감하고 있으며 AI기술을 개발해 급탕사용패턴을 학습해 사용량에 적합하도록 수온을 조정하고 있다.

 

조일용 삼성전자 수석은 “최근 강화되는 냉매규제에 대응하기 위해 노력하고 있으며 자연냉매 적용에 따른 안전을 위한 설계기술을 확보하고 있다”라며 “삼성전자는 △누설방지 △누설감지 △누설냉매 농도증가방지대책 △냉매배기 △점화원 기밀 △점화원 스파크 발생방지대책 등을 고민 중”이라고 말했다.

 

ASHP, 3E 분석결과 공유

전용석 아주대학교 교수는 공기열원 히트펌프의 공동주택 적용가능성을 분석했다.

 

탄소배출 저감을 위해 주거지역 공기열 히트펌프시스템 도입이 필수적인 상황 속에서 유럽 등 주요선진국들은 공기열을 재생에너지로 편입하는 등 움직임을 보이고 있다.

 

전용석 아주대 교수는 세종시 LH행복주택을 기반으로 히트펌프 모델링을 실시해 에너지사용량, 경제성, 환경영향 등을 분석했다.

 

부산·세종·대관령 등 기후대별 대표지역을 선정해 외기조건에 따른 난방성능 변화를 분석했으며 공기열원 히트펌프(ASHP)와 베이퍼 인젝션을 적용한 공기열원 히트펌프(ASHP-VI)를 비교 대상으로 삼았다.

 

계산결과 ASHP-VI시스템 적용 시 높은 운전성능을 나타냈으며 ASHP는 겨울철 압축기 토출온도가 110℃를 초과해 장치의 안정성을 위협할 것으로 우려된다.

 

전용석 아주대 교수는 “공기열원 히트펌프의 경우 가혹한 기후에 성능저하와 압축기 토출온도 상승으로 고장위협이 존재한다”라며 “압축기 토출온도 110℃ 초과 시 히트펌프 흡수온도를 50℃로 조정하고 보일러를 보조로 사용해야 할 것”이라고 말했다.

 

에너지사용량 비교에서는 가스보일러대비 ASHP 적용 시 약 57.7%의 에너지절감효과가 나타났으며 ASHP-VI시스템은 냉매에 따라 차이가 난다. R410A 적용 시 평균 69.63%, R290 적용 시 72.4% 감소해 가장 큰 절감 효과를 보였다. 이를 1차에너지소비량 기준으로 환산하면 ASHP는 약 13.6%, VI시스템은 약 30.9% 절감되는 것으로 분석됐다.

 

경제성 분석에서는 초기투자비·운영비·유지비·교체비 등을 모두 포함한 LCC(Life Cycle Cost)를 평가했다. 중앙집중형 난방방식은 개별난방대비 배관 복잡성으로 약 7.45% 높은 건설비를 보였으나 온화한 지역일수록 운영비 저감 효과가 커 LCC가 가장 낮게 나타났다.

 

또한 가스보일러대비 히트펌프는 모든 지역에서 21년 이내 경제성 확보가 가능하다는 결론이 도출됐다. 환경영향분석은 IIR(International Institute of Refrigeration)에서 제공하는 도구를 활용해 LCCP(Life Cycle Climate Performance)를 산정했다. 연구결과 R410A 냉매를 활용한 히트펌프는 8%대의 LCCP가 나타났으며 베이퍼인젝션 적용 시 20%대로 나타났다. R290 냉매 적용 시에는 모든 기후조건에서 가장 효과적인 탄소배출량 감소도를 확인할 수 있었다.

 

전용석 교수는 “보일러를 히트펌프로 교체 시 2035년에는 탄소배출량이 43.1% 감소할 것으로 예상된다"라며 "특히 R290냉매 적용 시 63.7% 감소할 것으로 예상되지만 가연성으로 인해 중앙집중형으로는 활용하지 못한다”고 밝혔다. 이어 “향후에는 탄화수소계냉매 적용을 위한 충전량 저감기술과 R290 분산형 히트펌프시스템에 대한 개발연구를 진행할 것”이라고 덧붙였다. 

데시컨트 하이브리드 HP, 효율 '우수'

이상욱 중앙대학교 교수는 데시컨트 하이브리드 히트펌프기술기반 제습냉방시스템을 소개했다.

 

최근 고기밀·고단열 건물에서 헌열비가 낮아지면서 기존 전기압축식 냉방만으로는 제습과 환기를 동시에 처리하기 어렵다는 문제가 제기되고 있다. 이에 따라 히트펌프의 냉각기능과 데시컨트의 제습·재생기능을 결합한 새로운 형태의 시스템이 요구되고 있다.

하이브리드 데시컨트 제습기는 증발기에서 헌열·잠열을 일부 처리하며 데시컨트 로터에서 잠열부하와 재가열부하를 분담함으로써 기존 냉각제습의 비효율성을 크게 줄일 수 있다.

 

기존 방식에서는 냉각 후 차가워진 공기를 응축기 또는 전기히터로 재가열해 공급해야 한다. 하지만 하이브리드 구조에서는 응축기 배열과 미활용 열을 제습제 재생에 활용해 추가적인 전력소모 없이 제습·재열을 동시에 수행할 수 있다. 이를 통해 냉각제습의 대표적 한계로 지적되던 재열 손실 문제를 구조적으로 해소할 수 있다.

 

하이브리드 데시컨트 냉방시스템은 제습, 환기모드로 활용이 가능하며 데시컨트 로터의 영향으로 연속적인 제습운전이 가능하다. 데시컨트 로터 특성상 연속적인 제습운전이 가능해 고습 외기조건에서도 안정적인 실내환경을 유지할 수 있다.

 

특히 데시컨트 로터는 흡착과정에서 수분과 열을 동시에 이동시키는 구조로 환기모드에서는 자연스럽게 에너지회수환기(ERV)의 역할을 수행하게 된다.

이상욱 중앙대 교수는 “데시컨트 하이브리드 히트펌프의 핵심은 효율적인 재생과 안정적인 제습”이라며 “상대습도 차이를 통해 응축기 압력과 온도, 증발기 압력과 온도차를 조절하는 것이 시스템 성능을 좌우한다”고 말했다.

 

데시컨트 하이브리드 히트펌프의 제습소재로 활용되는 SDP는 실리카겔보다 흡착성능이 우수하다. 반면 저노점 구간에서는 한계가 있어 이를 대비할 필요성이 있다. 또한 제습과 냉방을 개별적으로 제어할 수 있도록 응축기나 증발기를 병렬·직렬로 배치하는 방식을 비교한 결과 응축기를 병렬 배치했을 때는 COP가 오히려 낮아지는 현상이 확인됐다.

 

그러나 증발냉각을 도입하면 응축온도가 낮아지고 사이클 성능이 개선되는 것으로 나타나 향후 시스템 설계·운전조건 최적화를 통해 성능을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.

 

이상욱 교수는 “고온·고습 환경에서 잠열부하 비중이 증가하는 추세를 고려할 때 하이브리드 데시컨트 냉방시스템이 제습·환기·냉방기능을 효율적으로 통합하는 솔루션이 될 수 있다”라며 “장기적으로는 온도와 습도를 독립적으로 제어하는 고자유도 냉방시스템 개발을 통해 재실자의 쾌적성을 높이면서도 에너지절감효과를 극대화하는 방향으로 연구를 확대할 계획”이라고 강조했다.

 

ZEB 환기성능기준 개선안 마련

발제 이후에는 히트펌프 전문위원회서 추진하고 있는 성능기준안 소개가 이어졌다.

 

성민기 세종대학교 교수는 ZEB 환기성능기준안을 소개했다.

 

ZEB 확산으로 건물의 단열·기밀성능이 강화되면서 습도관리가 중요한 기술과제로 떠오르고 있다. 열회수환기장치가 잠열을 충분히 회수하지 못할 경우 습기축적 문제가 발생하게 된다.

 

국내에서 참고되는 열회수환기장치 성능기준은 KS B 6879와 ISO 16494다. 일본은 최근 ISO를 참고해 전혈교환기 풍량, 유효환기량 등을 개정해왔다.

 

히트펌프 전문위원회도 ISO와 비교해 국내에 활용되고있는 열회수환기장치 개선방안을 검토 중이다.

 

현행 KS B 6879에서는 여름철 현열교환효율 60%, 전열교환효율 45% 이상만을 규정하고 있어 실제 최소기준 충족 시 잠열교환효율은 약 31.7% 수준에 머무는 것으로 분석된다.

 

실제 국내에서 판매되고 있는 열회수환기장치 열회수성능 현열은 대부분 70% 전후이며 전열교환은 50% 이상 나온다. 반면 잠열교환효율은 KS규격에서 제시되고 있지 않다.

 

이런 가운데 최근 한국패시브건축협회가 잠열교환효율 50% 이상 기준을 신설하면서 ZEB에서 습도제어능력이 핵심임이 확인됐다. 이를 바탕으로 설비공학회는 ZEB용 전열회수환기장치 표준 초안을 마련 중이다. 기존 KS와 SAREK 성능평가 방식을 참고해 잠열교환효율을 정식 평가항목으로 포함할 예정이다.

 

시험조건 역시 국내 여름철 기후에 맞춰 재설정해야 하며 △실내 27℃ △실외 35℃ △습구 31℃ 등와 같은 조건을 검토 중이다. 또한 질량평형·에너지평형 검사를 시험분석서에 추가해 측정 불확실성을 줄이는 방안도 고려되고 있다.

 

성민기 교수는 “학회에서 준비 중인 내용은 기존내용과 대부분 유사하다”라며 “전열회수환기장치에 대해 성능기준에서 열변화효율 측정조건을 새롭게 제시할 것”이라고 말했다.

 

新 냉방성능평가기준 구축 기대
이상욱 중앙대학교 교수는 냉방성능평가기준안을 소개했다. 기존 냉방기평가는 냉방능력과 소비전력 중심으로 수행되지만 고기밀·고단열 건물에서는 잠열부하 비중이 증가해 단순한 냉방능력만으로 쾌적성과 효율을 판단하기 어렵다는 문제가 있다.

 

특히 현열비(SHR)가 낮아지는 건물에서는 기기가 현열부하와 잠열부하를 분리제어할 수 있는지가 중요한 성능변수로 떠오른다. 설비공학학회는 기후조건을 잘 반영해 냉방기기성능이 평가될 수 있도록 냉방성능평가기준안을 마련하고 있다.

 

가장 중요한 부분은 SHR을 지정해 이를 맞출 수 있도록하는 것으로 냉방소비전력이 15kW 이하이며 정격냉방능력 35kW이하인 제품에 대해 적용할 예정이다. 용어정의에서 기존 냉방능력·에너지효율 외에도 ‘냉방표준능력’을 추가해 성능을 정량화할 예정이다.

 

이상욱 중앙대 교수는 “시험조건에서는 입구온도를 동일하게 유지하되 SHR을 맞출 수 있는 기능 모듈만을 평가하게 될 것”이라며 “SHR 조건을 정확히 달성할 수 있는 냉방기기술이 고효율 설계의 중심이 될 것으로 기대한다”고 말했다. 이어 “AHRI Standard 921에서는 주어진 공급온도를 맞추지 못할 경우 패널티를 포함한 효율을 계산하고 있다”라며 “국내 기준에서도 화씨 70℃ 재열할 수 없는 경우 전열패널티개념을 참고해 효율을 측정할 방침”아라고 강조했다.

K-HVAC, 대온도차 KS개정 진행

서정식 한국냉동공조시험연구원(K-HVAC) 본부장은 대온도차 히트펌프의 KS 개정방향을 공유했다.

 

산업현장에서 80℃ 이상 고온공급이 필요한 공정이 늘어나면서 고온히트펌프 기술의 수요가 증가하고 있다.

 

그러나 기존 KS규격은 건물용 냉동기 중심으로 구성돼 산업공정의 특수성을 반영하기 어렵다는 문제점이 있었다.

 

K-HVAC은 신규 표준을 제정하는 대신 기존 원심식냉동기 규격인 ‘KS B 6270’을 확장해 히트펌프를 포함시키는 방식이 현실적이라는 전문가 의견을 반영해 개정작업을 진행 중이다.

 

기존 용량기준은 350kW였으나 산업용 히트펌프의 실사용구간을 고려해 200kW로 현실화할 예정이다.

 

냉매는 산업용 고온히트펌프에서 가장 많이 사용되는 R1233zd를 중심으로 하며 증기열원 사용 시 건도측정이 어려운 문제는 질량유량계를 이용한 보정방식으로 처리하는 방안이 논의되고 있다.

 

또한 공정특성상 동시운전·열회수·밀폐·흡입조건 등이 성능에 중요한 변수이기 때문에 기존 COP 지표에 더해 새로운 평가항목을 도입될 수 있을 것으로 기대된다.

 

서정식 K-HVAC 본부장은 “현 기술수준과 적용가능한 히트펌프 조건을 반영할 것”이라며 “MVR 등 보조장치가 없다는 가정아래 120℃를 최대로 보고 열원 열침조건을 제작 중”이라고 말했다.