한국기계연구원 히트펌프연구센터는 지난 4월14일 ‘히트펌프데이 포럼’을 진행했다고 밝혔다.

 

히트펌프연구센터는 기계연구원의 핵심 비전 5가지 가운데 ‘K-히트업(Heat Up)’을 선도하며 산업현장의 열에너지 공급 패러다임을 바꾸는 기술 개발에 앞장서고 있다.

 

단순한 냉난방기술을 넘어 열에너지의 가치를 높이고 국내 히트펌프 기술수준을 한 단계 끌어올리는 것이 센터의 정체성으로 제시됐다.

 

히트펌프센터는 ‘세상의 모든 열을 움직이는 히트펌프연구센터’를 비전으로 4개 워킹그룹과 2개 스티어링그룹 체계로 운영되고 있다. 이를 기반으로 히트펌프 기술혁신을 통해 탄소중립에 기여할 수 있는 열에너지 토탈솔루션을 제공하고 있다.

 

주요 연구분야는 △고효율 친환경 히트펌프시스템 기술 △핵심 기자재 기술 △응용 및 열에너지 네트워크기술 △에너지시스템의 열공정 및 고성능 에너지변환기술 등이다. 이를 바탕으로 △액침냉각 미활용열 능동 활용 및 열관리기술 개발 △반도체산업 클린룸 탈탄소화를 위한 고효율 시스템 개발 △카르노배터리용 고온 열저장시스템 △산업공정 열에너지 탈탄소화를 위한 고온 히트펌프 개발 △친환경 신냉매 국산화 및 적용 시스템 개발 등 다양한 연구를 추진하고 있다.

 

히트펌프연구센터의 이번 포럼은 히트펌프와 데이터센터 냉각기술에 대한 연구사례를 공유하는 자리로 마련됐다.

 

 

송찬호 히트펌프연구센터 센터장은 인사말을 통해 “히트펌프가 탄소중립이라는 거대한 전환의 중심에서 열에너지 흐름을 바꾸는 핵심기술로 자리매김하고 있다”라며 “산업현장과 데이터센터, 공동주택 등 다양한 분야에서 히트펌프가 어떻게 적용되고 확산돼야 하는지 함께 공유하는 자리가 되길 바란다”고 말했다.

 

이어 “실제 적용과 확산으로 이어질 수 있는 의미있는 연구가 계속되길 바란다”라며 “이번 자리가 서로의 경험과 통찰을 나누고 협력기회를 만들어가는 출발점이 되기를 기대한다”고 말했다.

 

장영수 대한설비공학회 회장은 축사를 통해 “전 세계는 기후위기 극복과 탄소중립 실현이라는 과제 속에서 친환경·무탄소 사회로 나아가는 대전환기를 맞고 있다”라며 “이 과정에서 버려지는 폐열을 활용하는 열에너지의 중요성이 어느 때보다 커지고 있다”고 강조했다.

 

이어 “국내는 반도체분야에서 초격차 기술로 세계시장을 선도하고 있는 만큼 열에너지 전환의 핵심기술인 히트펌프분야에서도 글로벌 경쟁력을 확보해야 한다”라며 “히트펌프연구센터가 그동안 이뤄낸 성과를 바탕으로 반도체를 능가하는 K-히트펌프를 선도하는 핵심 거점으로 자리매김하길 기대한다”고 말했다.

 

산업용 히트펌프,  폐열활용·스팀생산기술 개발 활발

산업부문 열에너지의 화석연료 비중을 낮추기 위해 산업용 히트펌프 보급 필요성이 커지고 있는 가운데 김동호 한국기계연구원 히트펌프연구센터 책임연구원은 산업용 히트펌프 기술개발 동향을 공유했다.

 

유럽의 경우 산업공정에 투입되는 에너지의 약 66%를 공정열로 사용하는 가운데 상당 부분은 가스, 오일, 석탄 등 화석연료에 기반한다.

 

산업공정열 온도영역 특성에 따르면 히트펌프 적용 가능영역은 100~200℃ 수준으로 제시됐다. 300~1,000℃ 구간은 전기로 등 새로운 전기화 공정이 필요한 영역이다.

 

1,000℃ 이상은 수소연소와 복합연소 영역이다. 산업용 히트펌프는 200℃ 이하 공정열 전기화에 초점이 맞춰지고 있다.

 

종이, 식품, 화학 등 주요 산업군은 60~200℃ 범위에서 넓은 열수요를 보인다. 건조, 증발, 살균과 같은 핵심 제조공정도 이 온도대에 집중돼 있다. 200℃ 이하 공정은 히트펌프 적용 가능영역이다.

 

특히 산업현장에서 회수 가능한 폐열은 60℃ 이하 저온영역에 몰려 있는 반면 공정에서는 120~150℃ 이상의 스팀과 열원을 요구함에 따라 저온 폐열을 고온 공정열로 끌어올리는 기술이 필요하다.

 

현재 산업용 히트펌프 기술 수준은 온도대별로 나뉜다. 100℃ 이하 영역은 상용화가 안정적으로 진행됐다. 100~160℃ 구간은 상용화 초기 단계다. 실증과 시범사업이 활발하다. 160℃ 이상은 초고온 히트펌프 영역이다. 현재는 프로토타입 개발과 기술 확보가 진행되고 있다. 기존 냉매 기반 히트펌프만으로는 160℃ 이상 대응에 한계가 있어 MVR 결합이 현실적인 방식으로 제시되고 있다.

 

김동호 책임연구원은 “산업용 히트펌프 적용방식은 다양하다”라며 “냉수와 온수를 동시에 생산해 보일러와 칠러를 하나의 시스템으로 통합할 수 있으며 건조공정에서는 열풍을 직접 만들 수 있다"라며 "온수를 생산한 뒤 공기와 열교환해 간접적으로 열풍을 공급할 수도 있다”고 말했다.

 

산업공정에서 중요한 것은 스팀생산이다. 실제 공정은 100~200℃ 구간 열을 스팀 형태로 많이 사용한다. 히트펌프에서 곧바로 고온 스팀을 만드는 방식은 한계가 있어 가압수 형태로 열을 만든 뒤 플래싱으로 저압스팀을 생산하고 후단에서 MVR로 승온하는 방식이 현실적이다. 히트펌프로 약 100℃ 수준 저압스팀을 만들고 MVR로 필요한 공정온도까지 올리는 구조다.

 

해외 제지 및 건조공정에는 이런 방식이 적용됐다. 제지공정에서 배출되는 습공기를 회수해 온수를 만들어 이를 히트펌프에 투입해 약 100℃ 수준 가압수를 생산한다. 이후 플래싱으로 저압스팀을 만들고 다시 MVR을 거쳐 175℃ 수준 스팀으로 승온한다.

 

국내에서도 유사한 실증이 추진되고 있다. 폐열을 회수해 히트펌프로 110℃ 수준 온수를 만들고 103℃ 수준 스팀을 생산한 뒤 MVR로 120℃대 스팀으로 올리는 방식이다. 통합 COP는 3 수준으로 제시됐다.

 

산업용 히트펌프 보급활성화를 위한 핵심기술로는 대용량 고효율 히트펌프 고온 냉매기술 MVR 폐열회수기술 등이 있다.

 

산업현장은 수MW에서 수십MW급 설비를 요구해 대용량화가 필수다. 큰 온도차를 감당하면서 높은 COP를 유지해야 하기 때문에 고온 압축기와 열교환기 설계가 중요하다.

 

적용 냉매는 100~130℃ 구간에 R1234ze와 R1233zd 계열이, 130~160℃ 구간에는 R1233zd와 R1336mzz 계열이 활용가능하다. 160℃ 이상은 기존 냉매만으로 한계가 있어 물이나 탄화수소계 냉매 등 다른 접근이 필요하다.

 

폐열회수기술도 중요하다. 배가스에는 황 성분 등이 포함돼 있기 때문이다. 산성 노점 문제로 일정 온도 이하까지 폐열을 회수하기 어렵다. 부식에 견딜 수 있는 소재와 코팅기술이 필요한 상황이다. 기존보다 더 낮은 온도까지 회수할 수 있는 기술개발도 필요하다.

 

김 책임연구원은 “산업현장 공정과 제조사 장비기술을 함께 이해하는 엔지니어링 역량이 부족한 상황”이라며 “제조사와 산업 현장간 괴리를 커버할 수 있는 중간다리 역할이 필요하다”고 말했다.

 

ZEB 고등급 달성 위해 히트펌프 확대 필요

이병희 LH 토지주택연구원 수석연구원은 공동주택 냉난방 탈탄소화를 위한 히트펌프 정책동향과 적용전략을 주제로 발표했다.

 

글로벌 기후위기가 심화되고 국가 온실가스 감축목표 이행이 본격화되고 있다.

 

건물부문은 열에너지 전기화와 그린리모델링 신재생에너지 확대, 제로에너지건축물(ZEB) 확산을 통해 목표 달성에 나서고 있는 가운데 히트펌프가 핵심수단으로 떠오르고 있다.

 

지난해 1월부터는 에너지자립률 또는 1차에너지소요량 기준을 만족하면 ZEB등급을 획득할 수 있다. 신재생에너지 활용 비중이 높아지면 1차에너지소요량을 일정 수준으로 유지하면서도 고등급 획득이 가능하다.

 

LH는 정부 목표보다 10년 앞서 2040년 ZEB 1등급 수준 탄소중립 달성을 목표로 사업을 추진하고 있다. 현재 공급하는 공동주택도 ZEB 3등급 이상 확보를 추진하고 있다.

 

해외에서는 화석연료 보일러 규제와 히트펌프 지원이 함께 확대되고 있다. 덴마크는 2013년부터 신규 건물 내 석유와 천연가스 보일러 설치를 금지했다. 독일은 2024년 가스와 석유 보일러 신규 설치를 금지하는 방향으로 제도를 강화했다. 프랑스와 EU도 가스 및 기름보일러 판매 중단 규제를 추진하고 있다. 미국도 뉴욕주와 캘리포니아주 등을 중심으로 건물 내 가스보일러 규제를 확대하고 있다. 반면 히트펌프 설치에는 보조금과 세제지원 전기요금 인하 등을 통해 보급 확대에 나서고 있다.

 

공기열을 재생에너지로 인정하는 흐름도 빨라지고 있다. 유럽과 일본 등에서는 이미 지열 수열과 함께 공기열도 재생에너지로 인정하고 있다. 최근 국내도 관련 제도 정비를 통해 공기열을 재생에너지 범주에 포함해 공동주택 내 적용가능성이 높아지고 있다.

 

공동주택에 적용할 수 있는 히트펌프 열원은 지열, 수열, 공기열이다. 난방기간 기준 성능은 지열, 수열, 공기열 순으로 유리하며 공사비는 공기열, 수열, 지열 순으로 유리하다.

 

그러나 공동주택은 도심에 위치하는 경우가 많아 수열 확보가 쉽지 않다. 현재는 지열 중심 적용이 상대적으로 활발해 국내 ZEB 3등급 이상 공동주택에는 세종 행복주택과 고덕강일지구 등이 있다. ZEB 1등급 사례로는 EDC 스마트빌리지와 조치원 상리 친환경에너지자립마을이 있다.

 

LH는 공동주택 히트펌프 시범사업도 추진하고 있다. 세종 6-3단지는 238세대 규모 행복주택이다. 중앙식 지열히트펌프를 적용했다. 단열과 기밀 성능을 강화하고 신재생에너지 적용을 확대해 온실가스를 약 66% 줄이며 건물에너지를 약 58% 절감한다. 연간 온실가스 152톤 감축과 연간 에너지비용 4,200만원 절감 효과도 기대된다.

 

이 단지에는 LH 공동주택 최초로 지열을 이용한 세대별 냉난방시스템을 도입했다. 중앙식 밀폐형 지열히트펌프 3대를 적용했으며 총용량은 505kW다. COP는 냉방 5.28, 난방 3.89다. 급탕은 지하 기계실에서 지역난방을 활용해 세대별로 공급한다.

 

군포 대야미 공동주택단지에는 개별식 지열히트펌프 적용을 추진하고 있다. 국토교통부 R&D와 연계해 사업을 진행하고 있다. 냉난방용 지열히트펌프를 세대별로 적용하는 방식이다. 총 378대 규모와 3,789kW 수준으로 계획하고 있다. COP는 냉방 8.6, 난방 4.9다. 개별식 지열히트펌프는 중앙식 시스템의 한계를 줄인다.

 

넓은 기계실이 필요하지 않다. 순환수용 펌프와 열교환기만 설치하면 된다. 세대별로 냉난방을 선택적으로 운영할 수 있다. 유지관리 편의성도 높다.

 

수열시스템 적용을 위한 설계지침도 마련하고 있다. 수열원 산정과 장비용량 산정 냉난방유닛 설계 기계실 계획 순으로 설계 프로세스를 구성하고 있다. 히트펌프와 버퍼탱크 설계 기준도 검토하고 있다. 동절기 저수온과 결빙 대응방안도 함께 다루고 있다.

 

공동주택 히트펌프 적용전략의 핵심은 ZEB 고등급 확보다. 패시브 기술과 액티브 기술만으로는 한계가 있다. 신재생에너지 조합을 강화해야 한다. 기존 태양광 중심에서 나아가 공기열 지열 수열까지 함께 검토해야 한다. 패시브와 액티브 그리고 신재생에너지 조합을 통해 에너지자립률 100%를 달성할 수 있는 공동주택 설계가 필요하다.

 

이병희 수석연구원은 “해결해야 할 과제로는 단열과 기밀성능 강화로 공동주택 난방부하는 계속 줄어들고 있다”라며 “이에 맞춰 중·저온수 활용기술이 필요하다”고 말했다.

그러나 층간소음 저감을 위한 바닥두께 증가는 공급수온도 저하를 어렵게 만든다. 두꺼워진 바닥구조에서도 충분한 열전달이 가능하도록 바닥재와 배관 설계를 개선해야 한다. 바닥 자체의 열전달효율을 높이는 기술도 필요하다.

 

급탕부하 문제도 크다. 현재 공동주택 보일러는 급탕부하 순간피크를 고려해 설계한다. 실제 급탕 사용량은 적어도 피크부하는 난방보다 훨씬 높다. 히트펌프 확대를 위해서는 난방과 급탕을 분리해야 한다. 축열조 설치도 필요하다. 멀티소스 히트펌프 등 급탕부하 대응기술도 필요하다.

 

이병희 수석연구원은 “공동주택 히트펌프 활용을 위해서는 상충되는 다양한 이슈와 시장 적응 문제를 해결해야 한다”라며 “공동주택 히트펌프의 가장 큰 걸림돌인 설치비와 초기 CAPEX 부담을 유지관리비 절감으로 보완해야 한다”고 말했다.

 

건물 냉난방 최신기술 동향 공유

이진영 하이멕 사장은 건물냉난방 최신기술에 대해 발표했다.

 

건물 냉난방은 설비성능만으로 결정되지 않는 상황으로 건축적인 부하를 저감해야 하는 것이 과제로 떠오르고 있다.

 

이에 따라 △환기와 통풍 △단열 △기밀 △방풍 △채광 △차폐 등 패시브설계가 먼저 이뤄져야 한다.

 

자연환기를 유도하고 외피 성능을 높이면 냉난방부하를 줄일 수 있다. 또한 라이프사이클 카본과 내재탄소도 함께 고려해야 한다.

 

최근 건물에 활용가능한 효율적인 냉난방방식으로 복사냉난방이 떠오르고 있다. 복사냉난방은 열원장비 효율을 높일 수 있으며 재생에너지 활용성을 키울 수 있다. 또한 실내 설정온도를 완화할 수 있으며 축열효과를 활용해 피크부하를 조정하는 데도 유리하다.

 

복사냉난방은 전공기 방식에 비해 필요한 환기량을 줄일 수 있다. 사람에게 필요한 외기 중심으로 환기를 구성할 수 있어 덕트 공간을 줄여 층고를 낮출 수 있는 건축적 장점도 기대할 수 있다.

 

현재 진주 생태건축 리빙랩에는 복사냉난방과 제습환기시스템을 적용 중이다. 공랭식 히트펌프 1대로 복사냉난방과 환기를 함께 처리하는 구조로 제습환기 유닛과 바닥 복사냉난방을 결합해 단순한 시스템을 구성했다. 이에 따라 패시브성능을 높이고 저부하시스템으로 설계하며 장비 규모도 줄였다.

 

고온 냉수를 사용하는 냉방기기 활용도 늘고 있다. 팬코일유닛과 칠드빔이 대표적이다. 기존 팬코일방식은 저온냉수 운전 과정에서 결로와 위생이슈가 제기돼 왔다. 최근에는 결로를 만들지 않는 방식으로 고온냉수를 활용하면서도 냉방부하를 처리하는 시스템이 확대되고 있다.

 

외피부하가 큰 패리미터존은 건축적으로 완충구역을 두거나 별도 공간으로 분리하는 방식도 활용된다. 일본은 패리미터존을 통로처럼 활용해 열적 완충대를 만들고 개별공조 필요성을 낮추는 방식도 적용하고 있다.

 

이진영 하이멕 사장은 “지역 차원에서는 열공유 네트워크가 대안으로 떠오르고 있다”라며 “오스트리아 빈과 덴마크, 스웨덴 등은 저온열네트워크 기반 시스템을 운영하거나 실증하고 있다”고 말했다.

 

국내도 실증이 이뤄지고 있다. 기존 지역열원 환수배관에서 저온수를 공급받아 난방에 활용하고 태양열과 저온열원을 함께 연계하는 방식이 검토되고 있다. 냉방은 태양열을 우선 활용하고 부족할 때 보완열원을 이용하는 복합 운영도 가능하다.

 

이진영 사장은 “저온수 기반 지역열원시스템 전환도 필요하다”라며 “냉방은 복사냉방과 제습냉방으로 대응할 수 있으며 제습은 저온수를 재생열로 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

 

그러나 지역열원시스템의 저온수화는 단계적으로 추진해야 한다. 기존 지역난방 체계를 바꾸기 어렵고 관련 제도와 규정 제한도 있기 때문이다. 이에 따라 광역망 환수를 활용한 저온열네트워크를 구성하고 이후 P2P 열거래를 위한 저온열네트워크로 확대하는 것이 바람직하다. 마지막 단계에서 궁극적인 저온형 지역난방 모델로 전환해야 한다는 설명이다. 기존 배관을 모두 한꺼번에 바꾸는 것이 아니라 교체 시점에 맞춰 점진적으로 전환해야 한다.

 

이진영 사장은 “스마트 자동제어도 중요하며 차양제어와 온습도제어, 공기질제어를 통합한 룸 제어가 필요하다”라며 “위치기반서비스를 활용해 인구밀도에 따라 출력을 조절할 수 있으며 운전데이터 분석을 통해 최적 운전점을 찾는 방식도 확대되고 있다”고 말했다.

 

이어 “사용자 참여도 중요한 지점”이라며 “사용자에게 창문개방 가능여부와 실내 환경정보를 제공하고 이를 냉난방 운전과 연동하는 방식도 확산하고 있다”고 강조했다.

 

AI DC 냉각 패러다임 전환 본격화

조진균 한밭대 교수는 AI DC 냉각솔루션에 대해 발표했다.

 

AI는 웹사이트와 모바일 애플리케이션, 엔터프라이즈 시스템 전반으로 빠르게 확산해 데이터센터의 중요성도 함께 커지고 있다.

 

국제에너지기구는 AI 확산 등을 배경으로 데이터센터 전력소비가 2030년 약 945TWh 수준까지 증가할 것으로 전망하고 있다.

 

이에 따라 데이터센터는 더 이상 단순 IT인프라가 아닌 전력공급과 냉각, 에너지효율을 함께 고려해야 하는 핵심 인프라로 인식되고 있다.

 

특히 AI 확산은 칩의 전력밀도 상승으로 이어진다. CPU를 넘어 GPU와 고성능 프로세서 사용이 늘어나며 칩당 소비전력과 발열량도 함께 높아지고 있다.

 

전통적인 데이터센터 랙 전력밀도는 대체로 한 자릿수에서 10kW 안팎 수준이었으나 AI용 고밀도 랙은 30~100kW 이상으로 높아지고 있어 데이터센터 냉각설비와 전력인프라 증설 필요성도 커지고 있다.

환경 변화로 공랭식 냉각만으로 대응하기 어려운 상황이 이어지고 있다. 공기는 액체에 비해 열용량과 열전달 성능이 낮아 고밀도 환경에서 한계가 빠르게 드러나 데이터센터 냉각기술은 공기식 중심에서 액체냉각을 병행하거나 확대하는 방향으로 전환되고 있다.

 

조진균 한밭대 교수는 “기존 공랭식 냉각 설계기준만으로는 현재의 AI 데이터센터를 충분히 설명하기 어렵다는 지적도 나온다”라며 “최근에는 액체냉각을 전제로 한 설계와 운영기준이 보완되면서 냉각 통로도 덕트 중심에서 배관 중심으로 바뀌는 흐름이 나타난다”고 말했다.

 

액체냉각 전환이 본격화되며 CDU와 TCS 등의 중요성도 커지고 있다. CDU는 중앙 냉각설비와 IT장비 측 액체냉각계통을 연결하는 핵심 장비다. 열교환과 계통 분리, 유체 관리 측면에서 중요한 역할을 한다. 액체냉각 관련 가이드에서는 TCS의 S 클래스와 시설수 측 온도분류인 W 클래스 등이 제시되고 있으며 이러한 기준은 액체냉각 시스템 설계의 참고 체계로 활용되고 있다.

 

AI 데이터센터 냉각솔루션은 DLC 기반 인프라를 모듈 단위로 설계하는 방향으로 변화하고 있다. 콜드플레이트에서 서버와 랙, CDU, 중앙 냉각설비까지 하나의 체계로 연결하는 방식이 확산되고 있다.

 

단상 액체냉각과 2상 액체냉각 모두 고밀도 AI 환경 대응 방안으로 검토되고 있다. 업계에서는 랙당 100kW급 이상 고밀도 설계도 논의하고 있다.

 

액체냉각은 공간효율 측면에서도 고밀도 IT부하를 같은 면적 안에 수용할 수 있어 장비 배치와 기계실 구성에 유리할 수 있다. 에너지소비 측면에서도 차이가 기대된다. 액체냉각은 비교적 높은 냉수온도 운전이 가능해 냉동기 가동부하를 줄이고 드라이쿨러나 프리쿨링 활용 여지를 넓힐 수 있다.

 

조진균 교수는 “PUE 개선 폭은 외기조건과 부하율, 냉각방식, 시스템 구성에 따라 달라질 수 있다”라며 “특정 수치를 일반값으로 보기보다는 개별 설계사례로 해석해야 한다”고 말했다.

 

액체냉각 전환은 폐열 활용 가능성도 넓힐 것으로 기대된다. 데이터센터에서 소비된 전력의 대부분은 결국 열로 전환된다. 액체냉각은 공랭식보다 상대적으로 높은 온도의 열을 회수하는 데 유리한 조건을 만들 수 있다. 그러나 폐열 활용은 공급 측 기술만으로 성립하기 어려워 인근 수요처 확보와 경제성, 계절별 수요 변동 등을 함께 고려해야 할 것으로 제시되고 있다.

 

조진균 교수는 “데이터센터가 안전 중심 인프라에서 에너지까지 함께 고려하는 복합 시스템으로 바뀌고 있다”라며 “과거에는 전기와 냉각을 얼마나 안정적으로 공급하느냐가 가장 중요했다. 지금은 냉각과 전력, 열회수까지 포함한 종합 에너지 시스템으로 접근해야 한다”고 말했다.