최근 건물부문 탈탄소화 핵심으로 떠오른 히트펌프에 대한 다양한 기술개발 사례를 공유하는 세미나가 열렸다.

 

산업교육연구소는 지난 1월23일 ‘고효율 차세대 히트펌프 활성화 정책과 기술 활용·주요이슈 세미나’를 온·오프라인 동시 개최했다고 밝혔다. 

 

한국형 히트펌프 개발필요성 주목

남일근 LG전자 책임연구원은 국내 히트펌프보급 확대정책을 중심으로 한 히트펌프 신기술 개발동향을 공유했다.

 

전 세계적으로 탄소중립 선언국가가 확대되는 가운데 건물부문 온실가스 감축의 실질적 해법으로 히트펌프를 선택하는 흐름이 뚜렷해지고 있다.

 

국내 역시 2035 국가 온실가스 감축목표(NDC)와 K-GX전략을 통해 히트펌프 보급활성화를 위한 정책이 강화되는 모습을 확인할 수 있다.

 

현재 전 세계 약 55개국이 탄소중립을 공식 선언했으며 이중 17개국은 이를 법제화했다. 국내는 세계 14번째 탄소중립 법제화국가다.

 

국제에너지기구(IEA)는 2030년까지 건물 난방부문의 화석연료 수요가 약 29% 감소할 것으로 전망했으며 그 상당 부분이 히트펌프를 통해 대체될 것으로 내다봤다.

 

이러한 흐름 속에서 히트펌프 보급은 빠르게 확대되고 있으며 지난 2021년 기준 전 세계 히트펌프 판매량은 2020년대비 13% 증가했다.

 

히트펌프 확산의 중심에 있는 유럽에서는 러시아·우크라이나 전쟁 이후 천연가스 공급이 불안정해지면서 에너지안보 이슈가 부각됐으며 탄소중립정책과 맞물리며 히트펌프보급이 급격히 가속화됐다.

 

유럽연합(EU)은 ‘REPowerEU’ 정책을 통해 2030년까지 공기열 히트펌프(AWHP)를 포함한 히트펌프를 누적 3,000만대 보급 목표를 세우며 회원국별 보조금 지원과 신축 건물규제를 병행하고 있다.

 

최근 국내도 탄소중립 목표달성수단으로 히트펌프가 급부상했다. 기존 2030 NDC에는 히트펌프 보급목표나 활용방안이 명확히 담기지 않았지만 최근 발표된 2035 NDC에서는 히트펌프를 탄소중립 목표달성의 주요수단으로 명시했다.

 

정부는 2018년대비 온실가스 순배출량을 53~61% 감축하겠다는 목표를 설정하며 이를 이행하기 위한 전략으로 K-GX를 수립했다.

 

건물부문에서는 열부문 구조 전환이 핵심 과제로 제시됐으며 그 중심에 주거난방 탈탄소화와 히트펌프기반 전기화다. 이를 위해 히트펌프 보급활성화에 대한 정책을 펼치고 있다. 특히 신재생에너지법 개정을 통한 공기열의 재생에너지 인정 방안이 논의되고 있으며 에너지이용합리화법 개정을 통해 히트펌프 지원 근거를 마련하고 있다. 최근에는 열에너지기본법 발의를 통해 열에너지부문 탈탄소화를 추진 중이다.

 

히트펌프로의 정책전환의 배경이 된 것은 국내 건물부문 온실가스 배출량 가운데 주거부문이 약 66%를 차지하고 있으며 이중 80%가 난방용 화석연료 사용에서 발생한다는 점이다.

 

보일러효율 개선 등 기존 에너지효율향상 기술만으로는 감축 한계가 명확한 상황에서 난방방식 자체를 바꾸는 탈탄소화 논의가 불가피해졌다. 난방방식 탈탄소화의 현실적인 대안인 전기화를 위해서는 지열, 수열, 공기열 등을 활용한 히트펌프를 활용한 사용단 전기화를 통해 즉각적인 감축효과를 기대할 수 있다. 

이에 따라 기후에너지환경부는 가정용 히트펌프 인증기준, 요금제 검토, 공동주택 적용을 위한 건설기준 마련 등을 포함한 히트펌프 보급 활성화 계획을 준비하고 있다.

 

남일근 책임연구원은 “정책이 성공하기 위해서는 정책·시장간 타이밍격차해소가 필요하다”라며 “정책이 빠르게 추진되는데 주거용 히트펌프는 현재 히트펌프 시스템적으로 바닥난방대체가 가능한 시스템이 개발돼야 하는 상황이지만 현재 개발된 기술을 국내에 적용하기에는 무리가 있어 한국형 히트펌프 난방시스템 개발이 필요하다”고 말했다.

 

보급활성화가 연속성을 갖고 보급사업이 일회성에 그치지 않기 위해서는 제도적 기반 조성작업이 병행돼야 한다. 해외기술을 그대로 국내에 적용하기에는 한계가 있어 한국형 히트펌프 난방시스템 개발이 필요하며 보급사업이 일회성에 그치지 않기 위해서는 제도적 기반 조성과 함께 실증과 검증이 병행돼야 한다.

 

또한 국내 바닥난방 문화에 대한 사용자 인식 개선도 중요 과제다. 히트펌프로도 안정적인 바닥난방이 가능하다는 점을 실증해야 하며 설치공간 최소화, 사용편의성 개선 등을 통해 사용자 체감 혜택을 명확히 제시해야 한다.

국내 주거형태를 보면 공동주택이 약 84%를 차지하며 이중 기축 공동주택 개별난방 비중이 가장 크다. 다만 설치공간 제약과 전력인프라 문제로 인해 기축 공동주택 개별난방은 전면 리모델링없이는 단기간 적용이 어렵다.

 

반면 공동주택 중앙난방방식은 히트펌프 적용에 기술적 부담이 크지 않은 것으로 분석된다. 이에 따라 히트펌프설치 환경을 고려해 1단계로는 기술적 적용에 큰 제약이 없는 단독주택을 중심으로 히트펌프 보급을 추진하고 공동주택의 경우 중앙난방방식부터 검토하는 전략이 활용될 수 있다.

 

그 다음 단계로 공동주택 신축 개별난방을 대상으로 한 확대적용이 검토 대상이 될 수 있다. 설계단계에서 히트펌프 적용방식을 충분히 검토하고 건축단계에서 설치공간을 최소화할 수 있는 방안이 제시될 경우 적용검토가 가능할 것으로 확인된다.

 

최근 뜨거운 감자로 떠오른 공기열 히트펌프는 냉매배관의 현장설치여부에 따라 분리형과 일체형으로 구분된다. 분리형은 옥외에 수배관이 설치되지 않으며 일체형은 실외기를 옥외에 설치할 경우 수배관이 외부로 노출된다. 이에 따라 지역별 기후조건과 동파위험 등을 종합적으로 고려해 현장설치방식 선택이 이뤄져야 한다.

 

최근 화석연료 보일러 대체수단으로 논의되는 공기열 히트펌프는 주로 모노블록방식이다. 이 방식은 히트펌프 본체 외에 냉매배관공사가 필요없고 수배관공사만 이뤄진다. 제조사 입장에서는 히트펌프 설치만 담당하며 배관과 설비공사는 기존 설비업체가 수행하는 구조다. 이에 따라 공기열 히트펌프 보급 확대가 특정 제조사에 대한 특혜라는 주장과 달리 실제로는 보일러시스템만 대체되고 설비영역은 기존 업계가 담당하게 된다.

 

남일근 LG전자 책임연구원은 "단독주택용 공기열 히트펌프는 제주도와 남해안 일부 지역을 중심으로 태양광 연계 사례가 있으나 보급은 제한적"이라며 "건물과 기숙사 등에서는 적용사례가 늘고 있으며 기술적으로는 검증된 시스템으로 평가된다"고 말했다.

 

이어 “공동주택과 기숙사 간 적용 차이는 기술보다 제도 요인이 크다”라며 “공동주택은 가정용 전기요금 누진제 적용으로 요금 부담이 크지만 기숙사는 교육용 요금 적용으로 탄소감축과 비용절감효과를 동시에 기대할 수 있다”고 말했다.

 

특히 히트펌프 전용 요금제 도입과 Power To Heat(P2H) 자원으로서의 활용도를 높일 경우 전력피크 회피와 잉여전력 흡수가 가능한 수요관리자원으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 이런 배경에서 히트펌프가 지닌 다양한 한계점을 극복하기 위해서는 국가 주도의 시범사업과 연구개발을 통해 난방과 급탕 전기화에 대한 국내 수용성을 점검하고 기술기준을 마련해야할 필요성이 높아지고 있다. 또한 민간은 한국형 히트펌프 난방모델 개발과 시스템 안정성과 편의성을 높이고자 하는 노력이 진행돼야 한다.

 

남일근 LG전자 책임연구원은 “히트펌프 보급확대 정책 가속화의 이유가 효율 때문이라는 인식은 절반은 맞고 절반은 틀리다”라며 “국가 관점에서 더 중요한 핵심은 전기화”라고 말했다.

 

이어 “사용설비를 전기화하면 설비효율 개선을 통해 1차 감축이 이뤄지고 여기에 재생에너지나 무탄소 연료기반 전력공급이 확대되면 전력배출계수가 낮아지면서 2차 감축이 가능해진다”라며 “탄소중립 달성에서 핵심은 2차 감축으로 효율개선만으로는 탄소중립 달성이 어려우며 에너지를 공급하는 발전단계에서 무탄소연료 도입을 확대해 전력배출계수를 낮추는 것이 본질”이라고 강조했다.

 

HP 연계 건물냉난방·제습기술 연구사례 공유

임한솔 한밭대 건축설비시스템공학과 교수는 히트펌프시스템 연계 건물냉난방 및 제습기술 동향과 주요이슈를 공유했다.

 

지난 2021년 NDC 상향 조정에 따라 2030년까지 2018년대비 국가 전체 배출량을 40% 감축하는 목표가 설정됐으며 이중 건물부문은 32.8% 감축이 요구됐다.

 

이어 지난해 발표된 2035 NDC 시나리오에서는 건물부문 감축 목표가 2018년대비 53.6~56.2%라는 범위의 형태로 제시됐다.

 

특히 전력부문에서는 재생에너지 확대를 위한 전력망 확충이 핵심과제로 제시됐으며 건물부문에서는 제로에너지건축물(ZEB) 확대와 그린리모델링(GR) 그리고 열공급 전기화가 주요 수단으로 명시됐다.

 

특히 난방과 급탕부문은 아직 전기화가 이뤄지지 않은 영역으로 정부는 히트펌프를 중심으로 2035년까지 350만대를 보급해 온실가스 518만톤을 감축하겠다는 목표를 제시한 상태다.

 

히트펌프 확산 과정에서 공기열 히트펌프의 신재생에너지 인정여부가 핵심이슈로 부상했다. 현재 시행령 개정을 통해 공기열 히트펌프를 신재생에너지원으로 인정하는 방안이 추진되고 있으며 이 경우 신재생에너지 공급의무제와 ZEB 인증에 직접적인 영향을 미치게 된다. 국회 심의과정에서 공기열 히트펌프 관련 예산이 대폭 증액된 점도 이러한 흐름을 보여주는 사례로 평가된다.

 

이런 상황 속에서 난방용 히트펌프 확산을 위해 높은 초기 설치비와 저온환경에서의 성능 저하 문제가 여전히 과제로 남아 있다. 보일러대비 약 14배 수준의 설치비가 필요하며 혹한기에는 보조열원이 요구되는 경우가 많고 주거용 건물에서는 누진요금 구조로 인해 운영비 부담이 발생한다. 또한 축열조와 보조열원 설치로 약 3평 내외의 추가 공간이 필요해 주택 건축비 상승 요인으로 작용하고 있다.

 

기존 사례연구에 따르면 심야전기보일러를 캐스케이드 히트펌프로 전환한 결과 평균 성능계수(COP)는 2 내외였고 손익분기점 10.5년, 평균 수명 15~30년 ROI 43.5~186.9%일 것으로 분석됐다. 그러나 혹한기 연속 운전 시 난방수 온도저하 문제가 확인돼 보조열원 병행과 제도 개선 필요성이 다시 한 번 확인됐다.

 

냉방부문과 관련해서는 신축 건물의 고단열 고기밀화로 인해 부하 특성이 변화하고 있다. 단열성능 향상으로 현열부하는 크게 감소했으나 잠열부하는 상대적으로 줄지 않아 건물의 현열비가 지속적으로 낮아지고 있으며 기존 에어컨기반 응축제습방식만으로는 충분한 쾌적성을 확보하기 어렵다. 이에 따라 온도와 습도를 분리제어하는 제습기술이 필요하다.

 

제습방식은 크게 고체식 제습과 액체식 제습 그리고 기체분리막 제습기술 등이 있다. 고체식 제습은 높은 제습성능을 확보할 수 있으나 재생과정에서 고온 열원이 필요하며 공기 온도 상승 문제가 발생한다. 액체식 제습은 상대적으로 온도 상승이 적고 에너지효율이 높아 공조시스템과 결합가능성이 크다.

 

기체분리막 제습은 등온제습이 가능해 잠열 제거 관점에서 가장 이상적이지만 진공펌프 효율과 소음문제로 아직 개발단계에 머물러 있다.

 

액체식 제습기반 히트펌프 공조시스템은 제습과 재생성능 향상을 위해 냉열원과 열원이 동시에 요구된다. 이 과정에서 저엑서지 열원을 활용할 수 있어 재생에너지와 미활용열원을 결합한 연구가 다수 진행돼왔다.

 

그러나 태양열이나 열병합발전 폐열을 활용한 기존 시스템은 설비 규모가 커지고 구성 복잡도가 높아지는 한계가 있어 최근에는 히트펌프를 결합해 시스템을 소형화하며 설치공간을 최소화하는 방향으로 개발이 이어지고 있다.

임한솔 교수는 “액체식 제습과 히트펌프를 결합한 주거용 공조시스템을 개발했다”라며 “해당 시스템이 환기, 제습, 냉난방 가습을 통합 수행하도록 설계됐다”고 말했다.

 

연구진들은 주거용 아파트를 대상으로 환기, 제습, 가습과 일부 냉난방기능을 통합수행하는 시스템을 설계했다.

 

제습 이후 재생과정에서는 히트펌프 압축기를 활용해 잠열부하를 처리하고 제습운전을 지속하기 위한 수용액 농도 재생이 이뤄진다. 하나의 압축기는 수용액 냉각과 가열 그리고 재생공기 가열을 담당하며 다른 압축기는 실내로 공급되는 공기의 현열냉각을 수행하는 구조로 구성된다. 이를 통해 제습은 액체식 제습기술이 담당하고 공기온도제어는 히트펌프가 수행하는 방식으로 시스템이 구성됐다.

 

재생부에서는 수증기를 포함한 공기가 수용액에 흡수된 뒤 외부로 배출되는 구조를 갖는다. 운전모드 전환을 통해 재생부는 가습기능으로도 활용된다. 여름철에는 제습냉방운전이 이뤄지며 겨울철에는 제습부와 재생부 위치를 전환해 가습난방운전이 가능하도록 구성됐다.

 

시스템설계 용량은 대상주거건물의 설계부하와 온습도 분리제어비율을 기준으로 산정됐다. 전용면적 84m² 규모 주거건물을 기준으로 ASHRAE 제로에너지하우스 조건을 적용했으며 목표 급기조건은 풍량 1,000m³, 온도 13℃로 설정됐다. 이때 온·습도분리 제어비율은 6대4로 적용됐다. 이를 바탕으로 액체식 제습기와 히트펌프의 설계용량이 산정됐으며 기반 프로토타입이 제작됐다.

 

연간 실내 현열과 잠열부하 변동에 대응하기 위해 실내 목표 온·습도 설정에 따라 운전모드가 세분화돼 온도와 습도 분리 제어비율을 조절할 수 있도록 설계됐다. 연간운전모드별로 히트펌프 팬·펌프·댐퍼의 온·오프 제어로직이 구축됐으며 △제습냉방모드 △제습모드 △송풍모드 △냉방모드 등 세부제어로직이 구축됐다.

 

유사 환경의 실제 건물을 대상으로 테스트베드를 구축했다. 현열비 0.57 수준의 조건을 적용해 대상 주거건물과 유사한 환경에서 실증이 진행됐다.

 

여름철 성능평가는 장마철과 고온다습 기후 조건으로 나눠 수행됐다. 비교대상은 액체식 제습시스템과 일반 에어컨 25℃와 18℃ 운전조건이다. 충분한 제습을 확보하기 위해 에어컨 18℃ 운전조건을 포함해 동등비교가 이뤄졌으며 오전 9시부터 오후 5시까지 모니터링이 진행됐다.

 

그 결과 장마철 조건에서는 일반 에어컨 25℃ 운전 시 제습이 충분히 이뤄지지 않았으며 18℃ 운전 시에는 제습은 가능했지만 실내 공기 온도가 과도하게 낮아져 쾌적범위를 벗어났다.

 

반면 액체식 제습시스템은 기존 시스템대비 에너지사용량이 92% 이상 감소한 것으로 나타났다. 고온·다습 기후조건에서는 에너지사용량이 약 12% 감소했다. 겨울철 저온 건조기후 조건에서는 환기장치와 시스템에어컨 및 기화식 가습기를 적용한 기존 시스템과 비교가 이뤄졌다.

 

해당 조건에서는 총 에너지사용량이 약 5% 증가했다. 이는 비교군에서 에너지소비가 낮은 기화식 가습기가 적용됐으며 팬과 펌프에 대한 최적화가 충분히 이뤄지지 않은 영향으로 분석됐다.

 

임한솔 교수는 “히트펌프기반 액체식 제습시스템 개발사례를 통해 기존 응축제습방식대비 쾌적성과 에너지효율 개선 효과가 확인됐다”라며 “지속적인 히트펌프와 제습기술연계 연구개발을 통한 신기술시장 확대가 필요하다”고 말했다.

PVT, 히트펌프와 결합 시 효과 탁월

주홍진 한국에너지기술연구원 책임연구원은 태양광·열복합모듈(PVT)시스템 기술개발 동향과 주요이슈 등을 소개했다.

 

전력중심 재생에너지 보급만으로는 탄소중립 달성에 한계가 뚜렷해지면서 건물과 산업부문 열에너지 탈탄소화가 새로운 정책 축으로 부상하고 있다.

 

위성곤 의원이 발의한 이른바 열에너지 2법과 기후에너지환경부 열산업혁신과 정책 역시 국내 보일러 중심 난방체계를 히트펌프 등 저탄소 열공급 설비로 전환하는 방향을 담고 있다.

 

이 같은 흐름 속에서 주목받는 기술인 PVT는 태양광발전 과정에서 발생하는 열을 함께 활용하는 재생에너지기술로 하나의 모듈에서 전기와 열을 동시에 생산한다.

 

공간제약이 큰 건물환경에서도 전기와 열을 동시에 확보할 수 있어 국내 주거환경에 적합한 시스템으로 평가된다. PVT는 일반 태양광모듈대비 3~4배 수준의 에너지생산이 가능한 설비로 알려져 있다.

 

PVT는 공기식과 액체식으로 구분된다. 액체식 PVT는 모듈 내부에 액체를 순환시켜 열을 저장하는 구조로 전기생산중심의 무창형과 열 생산 비중이 높은 유창형으로 나뉜다.

 

글로벌 시장에서는 무창형 PVT가 전체 보급의 약 80%를 차지하고 있다. PVT 인증은 솔라키마크와 SRCC 등이 활용되고 있으며 현재 솔라키마크 인증 제품은 12종 SRCC 인증 제품은 5종 수준이다. 유럽시장에서는 PVT 생산설비 투자도 확대되고 있다. 말레그룹의 투자를 받아 설립된 선맥스는 연간 57만장 생산이 가능한 자동화공정을 구축 중이며 생산규모 확대를 추진하고 있다.

 

주홍진 책임연구원은 “유럽에서는 PVT를 히트펌프와 결합한 시스템 형태로 보급하는 사례가 늘고 있다”라며 “무창형 PVT는 고온 열생산에는 한계가 있으나 저온열원을 히트펌프 열원으로 활용할 경우 전체 시스템효율을 높일 수 있다”고 말했다.

 

국내에서는 지난해 세계 최초로 PVT 국가표준이 마련됐다. 현재는 KS기준 단계로 인증심사기준과 시험기관 구축 그리고 인증절차 마련이 진행되고 있다.

 

이르면 내년 하반기부터 첫 인증 제품이 등장할 것으로 예상된다. 국내 기준은 유럽보다 높은 수준으로 설정됐다. 무창형 PVT는 태양광 최대 출력 효율 17% 이상, 유창형은 15.5% 이상이 요구되며 무창형 기준 열평균 출력은 0~80°C 운전조건에서 단위면적당 150W 이상으로 설정됐다.

 

해당 기준을 적용할 경우 현재 해외 제품 가운데 이를 충족하는 사례는 없는 것으로 알려졌다. 국내 KS기준을 충족할 경우 총 에너지생산량은 유럽기준대비 약 8% 증가한다.

 

한편 PVT에서 생산된 전기는 히트펌프 구동 전력으로 활용하고 열은 히트펌프 열원으로 연계하는 방식이 주로 적용된다. 이 경우 히트펌프의 COP와 계절성능계수(SPF), 계절난방성능계수(SCOP) 개선효과가 확인돼 일부 제조사는 히트펌프와 PVT를 패키지 형태로 함께 공급하는 방식도 검토하고 있다.

 

PVT와 히트펌프 연계 방식은 크게 두 가지로 구분된다. 하나는 PVT모듈 내부에 냉매를 순환시켜 모듈 자체를 히트펌프 증발기나 응축기로 활용하는 방식이다. 다만 냉매적용을 위한 구조 최적화와 압축기 기술 한계로 상용화에는 어려움이 따른다.

 

다른 방식은 PVT에서 생산된 열을 저장했다가 히트펌프 운전 시 열원으로 활용하는 구조다. 이 경우 PVT는 독립적으로 운영되고 히트펌프는 필요 시 열원만 활용한다.

 

공기열 히트펌프나 지열 히트펌프와 연계도 가능하다. 지열시스템의 경우 냉방운전 시 발생하는 잉여열을 지중에 재공급해 지중온도를 회복시키는 방식으로 활용된다. 이를 통해 난방성능 저하를 완화하고 히트펌프 COP를 유지하는 효과가 확인된다. 시스템 비교결과에서도 PVT를 연계한 히트펌프시스템이 PV 연계시스템대비 높은 성능지표를 나타낸 사례가 보고됐다.

 

유럽에서는 공동주택과 ZEB에 PVT 설치사례가 확대되고 있다. 수영장과 클럽 등에서 온수공급과 전력생산을 동시에 수행하는 시스템도 적용되고 있다.

 

주홍진 책임연구원은 “유럽에서 PVT 보급이 확대될 수 있었던 계기는 정책적 요인이 크다”라며 “히트펌프 보조금제도와 연계한 간접 지원방식이 활용되고 있다”고 말했다.

 

독일은 기본 보조금에 효율과 열원조건을 충족할 경우 최대 70%까지 지원하며 프랑스는 PVT를 히트펌프 열원으로 연계할 경우 비공기열원으로 분류해 높은 보조금이 적용된다. 네덜란드와 이탈리아, 스위스, 오스트리아 등도 히트펌프와 PVT연계를 전제로 한 지원제도를 운영하고 있다.

 

특히 네덜란드에서는 히트펌프 용량이 500kW를 초과할 경우 히트펌프 1kW당 약 1.2m²의 PVT 설치면적을 확보하도록 규정하고 있다. 이에 따라 히트펌프 용량이 커질수록 PVT 설치 규모도 비례해 증가하는 구조다. 

 

주홍진 책임연구원은 “국내시장에서 히트펌프와 PVT연계 보급 확대를 위해서는 성능평가 가이드라인 구축과 보급지원체계 정비가 요구된다”라며 “국내 가격경쟁력 확보와 수출 기반 강화를 위한 대량 생산체계 구축과 대규모 PVT시스템 운영관리기술 개발의 필요성도 강화되고 있다”고 강조했다.

 

단지·커뮤니티 단위 ZEB 달성 핵심대안 ‘5세대 집단냉난방’

김민휘 한국에너지기술연구원 책임연구원은 단일 건물을 넘어 단지·커뮤니티 단위에서 ZEB 달성을 목표로 한 연구수행동향을 공유했다.

 

국내는 ZEB 의무화 로드맵에 따라 건물성능 강화와 신재생에너지 확대가 동시에 요구되고 있다. 2030년 기준 공공건축물은 ZEB 3등급, 민간건축물은 5등급 수준의 설계가 필요하다.

 

유럽은 히트펌프 보급 확대와 함께 전기차 전환 속도가 빠르게 진행되고 있다. 이에 따라 건물 전력소비는 이미 연간 2,500~3,000kWh 수준으로 증가한 상태다.

 

국내 역시 주거부문 전력소비가 빠르게 증가하고 있으며 부산지역의 경우 월평균 약 200kWh, 고부하 가구는 300kWh 이상을 사용하고 있다.

 

2050년 탄소중립 목표 달성을 위해 전력 중심 재생에너지 확대만으로는 한계가 분명하다는 지적이 이어지고 있다. 이에 따라 전력 그리드 안정화 기술과 함께 태양열, 지역냉난방, 열네트워크에 대한 투자가 새로운 정책 축으로 부상하고 있다.

 

이에 따라 국내는 2019년 스마트시티 국가시범도시로 세종과 부산을 선정했다. 부산에서는 저탄소·고효율 건축기술 실증을 통해 에너지공유 커뮤니티 구축 기술 개발이 추진됐다. 부산 스마트빌리지는 △태양광 500kW △재사용 배터리 ESS 400kWh △지열·수열 히트펌프 기반 P2H △전기차 스마트 충전 △가상발전소(VPP) 등을 통합 구축했다. 해당 단지는 2022년 건축물에너지효율등급 1+++와 ZEB 1등급을 획득했다.

 

단지에는 약 265RT 규모 히트펌프가 설치됐으며 태양광으로 생산된 전력은 우선적으로 히트펌프와 축열조 가열에 사용되고 잉여전력은 ESS에 저장된다. 난방과 급탕용 열네트워크는 약 50℃, 냉방은 8~10℃ 수준으로 운영됐다. 운영 결과 히트펌프시스템 COP는 약 2.5~3 수준으로 확인됐다. 중앙 열생산과 네트워크 운영과정에서 펌프 동력과 열손실이 반영된 수치다.

 

주거·비주거 부하와 EV, 플러그부하를 포함한 에너지자립률은 약 45.6%를 기록했으며 5대 부하 기준 자립률은 124.4%로 나타났다.

 

김민휘 책임연구원은 “전기화 확산으로 자립률 달성 난이도가 높아지는 가운데 열에너지부문 효율화 중요성이 부각되고 있다”라며 “가스보일러대비 히트펌프를 활용해 이산화탄소 배출량을 줄이기 위해서는 COP 2.2 이상 확보가 요구된다”고 말했다.

 

이중 공기열 히트펌프는 외기온도 0℃ 수준에서 COP 2.2 확보가 가능하나 동절기 외기온도 하락 시 효율과 난방 출력이 급격히 저하된다.

 

지열 히트펌프는 연중 비교적 안정적인 성능을 유지하지만 냉난방부하 불균형으로 지중온도 편중이 발생할 수 있다. 수열원 히트펌프는 공기열대비 높은 효율과 대용량 열공급이 가능하지만 계절별 수온변화와 열교환기 오염, 환경규제, 설치 위치 제약 등의 한계가 존재한다.

 

김민휘 책임연구원은 “지열 히트펌프에 PVT를 결합해 열원보상을 적용한 사례에서는 COP 약 4 수준이 확인됐다”라며 “그러나 초기 투자비 증가와 시스템 복잡성으로 단일 건물 적용에는 한계가 있다”고 지적했다. 

 

커뮤니티 내 태양광, 태양광·열, 지열원, 수열원 등 각 시스템 설치용량 한계로 현실적으로 각 건물, 층별 서로 상이한 시스템을 설치해야하는데 층별 서로 다른 시스템적용 시 에너지비용 등 민원문제가 발생할 우려도 있다. 이에 따라 저온 열네트워크를 기반으로 각 건물에 설치된 히트펌프가 냉난방과 급탕을 개별 생산하는 구조인 5세대 집단냉난방이 대안으로 떠오르고 있다.

 

5세대 집단냉난방 시 건물내 히트펌프로 열생산소비를 건물 내에서 자율적으로 조절돼 양방향 열흐름과 건물간 열공유를 통해 에너지사용 최적화가 가능하다.

 

해외에서는 영국과 독일을 중심으로 5세대 지역냉난방 적용 사례가 확대되고 있으며 기존 열네트워크 환수온도를 활용해 단계적으로 확장하는 방식도 적용되고 있다.

 

김민휘 책임연구원은 “국내에서는 가천대 생활관과 AI공학관을 대상으로 파일럿 시스템이 구축되고 있다”라며 “냉난방 폐열 상쇄를 통해 네트워크 부담을 줄이고 순에너지 공급량을 감소시키는 구조이며 시뮬레이션 결과 약 20℃ 열네트워크 운용 시 공기열 히트펌프대비 연간 전력소비량 약 27% 절감 효과가 확인됐다”고 말했다.

 

이어 “전기 중심 재생에너지 확대만으로는 탄소중립 달성에 한계가 있으며 열에너지부문의 전기화와 효율화 그리고 네트워크화가 병행돼야 한다”라며 “히트펌프와 다양한 열원을 통합한 5세대 지역냉난방은 단지·커뮤니티단위 ZEB 달성을 위한 핵심대안”이라고 강조했다.

 

공기식 PVT 히트펌프 활용사례 공유

김진희 공주대 교수는 소비자 관점의 연구를 기반으로 BIPV와 PVT 등을 연계한 공기열원 히트펌프시스템의 기술개발 동향과 실증사례를 공유했다.

 

ZEB는 2017년 법제정을 통해 제도화됐다. 건물은 △고단열 △고기밀 △창호 △외부차양 등 동력을 사용하지 않는 패시브요소를 통해 에너지요구량을 최소화하고 히트펌프를 포함한 고효율설비와 △LED △조명 등 액티브요소를 통해 에너지소요량을 줄이는 구조다.

 

건물에서 에너지를 자발적으로 생산하기 위해서는 신재생에너지 활용이 필수다.

 

ZEB는 제도적 여건 변화와 세부 로드맵에 따라 공공건축물부터 민간건축물로 단계적으로 확대되고 있다.

 

지난해부터는 연면적 1,000m² 이상이거나 30세대 이상 공동주택은 제로에너지설계를 적용해야 사업승인이 가능하다.  이로 인해 건물에너지성능은 지속적으로 강화되고 있다.

 

ZEB인증은 1++등급 이상과 에너지자립률 20% 이상을 요구한다. BEMS 또는 원격검침 전자식 계량기 설치가 필수다. 에너지소요량 평가는 △냉방 △난방 △급탕 △조명 △환기 등을 포함한다. 이중 열에너지 수요가 가장 커 히트펌프의 역할이 중요하다.

 

이때 건물에너지효율등급평가는 건축물에너지효율등급 인증평가프로그램(ECO2)을 통해 이뤄진다. 해당 프로그램은 건물의 에너지소요량과 이산화탄소 발생량을 포함해 건물에너지성능을 평가한다. ECO2는 건물에너지소비 총량제를 평가하기 위한 프로그램이다.

 

김진희 교수는 “건물에너지 소비비중은 점차 증가하고 있다으며 건물부문 에너지절약을 제로에너지화하지 않으면 탄소감축정책 달성이 어렵다”라며 “ 전 세계 건물 연면적은 지속적으로 증가하고 있으며 2022년부터 2023년 사이 약 50억m²가 증가해 향후 건설되는 건물에서 에너지성능 개선이 이뤄지지 않으면 탄소중립 달성은 구조적으로 어렵다”고 말했다.

 

히트펌프는 건물부문 에너지효율화 핵심설비로 활용되고 있다. 국내시장도 점차 확대되고 있으며 전 세계적으로도 히트펌프시장의 잠재성은 크다.

 

도시 기후금융의 상당 부분이 건물부문에 집중되며 ZEB가 주요 투자대상이다. ZEB 고등급 달성을 위해 고효율 히트펌프 기반 전기화와 단계적 리트로핏 전략이 적용되고 있다.

 

ZEB를 달성하기 위해 히트펌프가 핵심설비로 활용되는 이유는 에너지구조적 특성 때문이다. ZEB는 연간 1차 에너지소비를 최소화하고 신재생에너지로 이를 상쇄하는 구조다. 난방·급탕·냉방이 건물에너지소비에서 가장 큰 비중을 차지해 화석연료 보일러만으로는 목표달성이 어렵기 때문에 히트펌프를 활용해 전기화 실현을 달성할 수 있다.

 

김진희 교수는 “전 세계 건물용 히트펌프의 약 85%는 공기열원 방식”이라며 “공기열원 기반 시스템과 재생에너지 통합을 통해 기술적 타당성과 경제성이 함께 확보되고 있다”고 말했다.

 

그러나 공기열원 히트펌프는 저외기 온도조건에서 COP 저하와 제상운전에 따른 효율 손실이 발생해 저온환경에 대응할 성능 개선과 부분부하·가변운전 최적화·저소음·소형화·스마트제어·수요반응 연계 기술개발 등이 활발히 진행되고 있다. 

 

최근에는 저온냉매 적용과 열교환기 구조 개선 인버터압축기 고도화를 통해 -10℃에서 15℃ 환경에서도 난방 COP를 안정화하는 기술이 개발되고 있다. 연간 성능을 반영한 SCOP 중심 설계와 실사용 조건 기반 제어 알고리즘도 적용되고 있다.

 

김진희 교수는 “해외에서는 PVT를 히트펌프 증발기로 활용하는 시스템설계와 실증을 통해 난방COP 향상이 확인됐으며 인공지능 기반 제어모델 연구도 병행되고 있다”라며 “공기식 PVT시스템을 활용해 열회수 환기유닛이나 직팽식 공조설비와 연계한 제품이 상용화될 수 있을 것”이라고 말했다.

 

국내에서는 공기식 BIPVT가 초등학교 증축 건물에 설치된 사례가 있다. 히트펌프와 연계된 스마트그리드시스템은 외기조건이 유리할 때 열을 생산해 저장하고 필요 시 활용하는 방식으로 운영된다. 이를 통해 전력 계통 피크부하 완화와 계통 유연성이 확인됐다.

 

실제로 3kW급 BIPVT 히트펌프 냉난방 스마트그리드시스템이 아산지역 초등학교 급식실에 적용됐다. 실증결과 히트펌프는 안정적으로 운전됐으며 전기소비량은 약 33% 절감됐다. 열원 생산 시 평균 COP는 약 2.4에서 2.6 수준이였다.

 

김진희 교수는 “기존 실외기를 개조해 공기열원을 활용하는 실외기 유닛도 개발되고 있으며 소용량과 대용량 제품이 모두 적용 가능하다”라며 “증발부 성능 개선을 통해 난방 COP 향상이 이뤄졌다”고 말했다.

 

국내·외 히트펌프 관련 인증제도와 시험방법 소개

김민준 냉동공조시험연구원 수석연구원은 히트펌프 관련 인증제도를 공유했다.

 

히트펌프는 냉매의 증발과 응축과정을 이용해 저온의 열을 흡수하고 이를 고온으로 전달하는 장치다. 증발기·압축기·응축기·팽창밸브를 기본구성으로 하며 4방밸브를 통해 냉방과 난방운전으로 전환한다.

 

냉방운전 시에는 실내에서 흡수한 열을 실외로 방출하며 난방운전 시에는 실외의 열을 흡수해 실내로 전달하는 방식이다.

 

히트펌프는 폐회로방식의 증기압축식이 일반적이지만 개념적으로 기계적 증기재압축(MVR)·열증기재압축(TVR) 등 개방형시스템까지 넓은 범위를 포괄하기도 한다.

 

증기압축 히트펌프는 토출온도에 따라 구분되며 약 60℃ 이하 저온영역에서 냉난방에 활용되는 LTHP, 100℃ 수준의 중온 히트펌프(MTHP), 약 160℃(약 7bar) 이상 고압 증기를 생산하는 고온 히트펌프(HTHP), 160~350℃ 범위의 초고온 히트펌프(UHTHP)로 세분화된다.

 

히트펌프 유닛구성은 부하측 이용방식과 열원측 구성으로 나뉜다. 부하측은 냉매를 직접 사용하는 실내기 방식, FCU를 통한 물 매개 방식, 덕트 기반 공기 공급방식이 활용되며 열원측은 공기열·수열·지열이 제도권 열원으로 적용되고 있다.

 

열이동 방향에 따라 ATA·ATW·WTA·WTW 등으로 구분되며 이는 열원이 공기인지 물인지, 부하측이 공기인지 물인지에 따라 명칭이 결정된다.

 

히트펌프 성능평가는 COP를 기본으로 하되 실제 운전조건을 반영하기 위해 계절성능지표가 활용된다. 냉방 계절효율은 CSPF, 난방 계절효율은 HSPF로 표시되며 특정조건이 아닌 연간 운전특성을 반영한다.

 

부분부하조건을 고려한 통합지표로는 기간성적계수(IPLV)와 통합냉방효율(IEER) 등이 활용되며 이는 외기온도 분포에 따른 발생 확률을 가중 평균해 산정된다.

 

지열 및 수열시스템에서는 유닛단위가 아닌 현장 전체 성능을 반영한 시스템COP가 사용된다. 냉동톤(RT)은 0℃ 물 1톤을 24시간 동안 0℃의 얼음으로 만드는 데 필요한 열량으로 정의되며 1RT는 약 3.5kW로 환산된다.

 

히트펌프기술 확산과 함께 냉매전환도 주요이슈로 부상했다. 기존 수소불화탄소(HFC)계열 냉매는 높은 지구온난화지수(GWP)로 규제 대상이 되고 있어 암모니아, 물, CO₂(R744), 프로판(R290) 등이 대안으로 검토되고 있다.

 

ISO 817 기준에 따른 독성·가연성 분류에 따라 A1에서 A2L·B2L 냉매로 적용범위가 확장되고 있으며 국내에서도 히트펌프 제품개발과 인증 기준 대응이 병행되고 있다.

 

김민준 수석연구원은 “히트펌프 인증은 3개 기관 5개 제도로 운영되고 있다”라며 “특히 한국에너지공단을 중심으로 고효율에너지기자재 인증, 에너지소비효율등급제, 신재생에너지설비 인증 등으로 운영된다”고 말했다.

 

고효율관리기자재에 해당하는 전기냉난방기는 정격냉방능력에 따라 싱글형과 멀티형으로 구분된다. 싱글형은 단일 실외유닛과 단일 실내유닛으로 구성된 제품이며 멀티형은 단일 실외유닛에 2대 이상 실내유닛이 연결되는 구조다.

 

모델 신고단위도 제품 유형에 따라 다르게 적용된다. 싱글형은 실외유닛과 실내유닛조합 전체를 하나의 모델로 신고해야 하며 멀티형은 실외유닛을 기준으로 모델을 신고한다. 실내유닛 조합 대수는 싱글형의 경우 1대로 제한되며 멀티형은 최대 8대까지 연결할 수 있다. 실내유닛 타입은 4way 형식을 포함한다.

 

시험설비 구성조건에서는 연결배관길이가 싱글형은 5m, 멀티형은 50m조건이 적용된다. 시험방법은 싱글형의 경우 정격능력의 92% 이상을 충족해야 하며 냉방과 난방시험값은 정격소비전력의 110% 이내에서 운전된다.

 

멀티형은 기본적으로 싱글형과 동일한 조건을 적용하되 한랭지 난방능력시험이 추가된다. 난방능력은 정격냉방능력의 83% 이상을 만족해야 한다. 실내유닛의 냉방능력은 정격대비 100% 이상 110% 이하 범위에서 관리되며 풍량은 정격풍량의 105% 이내로 제한된다. 제품이 효율등급을 획득하기 위해서는 최소에너지효율기준을 충족해야 하며 시험이 수행되는 조건과 기준점에 따라 등급이 결정된다.

 

냉방과 난방효율은 각각 냉방기간에너지소비효율(CSPF)와 난방기간에너지소비효율(HSPF) 지표 등으로 평가된다. 멀티형 제품의 경우 스마트기능이 적용되지 않으면 1등급 획득이 어려운 구조다.

 

고효율에너지기자재 인증 대상 히트펌프는 ATW방식 난방능력 20kW 이상 200kW 이하 범위의 제품이며 일체형과 분리형 모두 포함된다. 이때 적용되는 성능평가지표는 정격 측정조건에서 부하측에서 생산되는 열량을 기준으로 물측유량과 열교환기 차압에 따른 순환펌프 소비전력을 보정해 산정한다.

 

유량과 차압의 함수로 계산되며 실제 측정값보다 크거나 작은 값으로 나타날 수 있다. 이에 따라 유효소비전력 역시 펌프 소비전력 보정값이 반영되면서 측정값보다 증가하는 구조를 갖는다. 시험조건에는 제상조건과 한랭지조건 등이 포함되며 능력비, 소비전력비, 에너지효율비에 따라 표시치기준이 적용된다.

 

지열원 히트펌프 유닛은 신재생에너지설비 인증 대상에 포함되며 '신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법'에 따라 관리된다. 관련규격은 KS기준에 규정돼 있다.

 

인증시험은 물대물 방식과 물대공기 방식으로 구분되며 최소 성능기준으로 COP가 적용된다. 중장기 목표 소비효율 기준도 별도로 설정돼 있으며 성능기준과 시험방법은 국내·외 다양한 규격으로 구성된 인증 프로그램을 따른다. 대표적인 시험규격으로는 ‘KS C 9306’이 활용되고 있다.

 

김민준 수석연구원은 “히트펌프성능 측정은 직접법인 칼로리메타방식과 간접법으로 나뉜다”라며 “대용량 설비에는 공기엔탈피법과 물측 열량계법이 주로 적용되며 공기샘플링과 유량·차압 측정 등을 통해 냉난방능력과 소비전력이 산정된다”고 말했다. 이어 “이러한 시험·인증체계는 향후 냉매전환과 효율기준 상향에 따라 지속적으로 강화될 예정”이라고 강조했다.