한국미래기술교육원은 지난 5월20일 ‘다양한 열원 기반 히트펌프산업 확대와 기업의 신사업 진출전략’ 세미나를 개최했다고 밝혔다.

 

이번 세미나에서는 △공기열 △지열 △수열 △태양열 등 다양한 열원을 활용한 히트펌프 기술과 히트펌프 보급확산방안 등을 논의하는 자리로 마련됐다.

 

공기열 히트펌프, 전기화·재생E 수용성 높일 핵심설비

권필석 녹색에너지전략연구소 소장은 ‘공기열 히트펌프 재생에너지원 지정에 따른 시장확대와 산업계 대응전략’을 주제로 발표했다.

 

기후위기 심화에 따라 2050 탄소중립 달성을 위한 주요전략으로 △전환부문 탈탄소화 △수요 전기화 △효율향상 등을 통한 에너지수요 감축의 중요성이 높아지고 있다.

 

전환부문에서는 태양광과 풍력 등 재생에너지 확대를 통해 화석연료 발전을 줄이는 흐름이 강화되고 있으며 수요부문에서는 기존 화석연료기반 난방·수송·산업공정을 전기로 전환하는 방식이 핵심 감축수단으로 부상하고 있다.

 

전기화에서 중요한 부분은 경직성 전원인 재생에너지의 출력제한을 줄이는 것이다. 태양광과 풍력, 원전은 출력조절이 쉽지 않은 전원으로 전력공급이 수요를 초과하는 시간대에는 출력제어가 발생할 수밖에 없다.

 

이에 따라 히트펌프와 축열조·전기차 충전 등 전력수요를 유연하게 조정할 수 있는 수단을 확대해 전력망 안정성과 재생에너지 수용성을 높이는 전략이 필요하다.

건물부문 탈탄소화는 단열 강화와 난방방식 전환이 핵심이다. 건물 단열성능을 높이면 난방에 필요한 열수요 자체가 줄어들며 남은 열수요는 개별난방 전기화와 지역난방 확대를 통해 화석연료 의존도를 낮출 수 있다.

 

특히 국내 주거부문은 가스보일러 중심의 개별난방 비중이 높아 공기열 히트펌프가 기존 화석연료 난방을 대체할 주요 수단으로 평가되고 있다.

 

유럽 주요국들은 △설치비 지원 △세제 혜택 △신축 건물 화석연료 난방 제한 등을 통해 시장전환을 유도하고 있다. 미국은 2022년 히트펌프 신규 판매대수가 천연가스 난방기기 판매량을 넘어섰으며 중국도 전 세계 신규설비 비중을 빠르게 확대하고 있다.

 

국내는 보조금 중심의 초기시장 형성 단계다. 그러나 보조금만으로는 보급속도를 충분히 끌어올리기 어려운 상황으로 △전기요금 개편 △화석연료 보조금 축소 △탄소가격 반영 △건물 효율규제와 같은 제도적 신호가 필요하다.

 

권필석 소장은 “건물부문 탈탄소는 △단열 강화 △개별난방 전기화 △지역난방 확대 등 명확한 원칙으로 달성할 수 있지만 실행단계에서는 사회적 제약, 인프라 병목, 형평성 문제, 이해관계 복잡성 등 다양한 과제가 존재한다”라며 “표면적 해법을 넘어 다층적인 정책설계가 필요한 시점”이라고 말했다.

 

국내 전력시스템은 봄·가을 전력수요가 낮아지는 시기에 원전과 재생에너지가 전력수요의 상당부분을 담당하는 구조로 변화하고 있다. 이때 석탄화력과 가스발전은 필수운전 발전기 중심으로만 가동되며 SMP가 0원까지 하락하는 현상이 발생하고 있다. 재생에너지 밀집지역과 송전망 혼잡지역에서는 출력제한도 증가하고 있어 전력계통 안정성 저하와 발전비용 증가가 우려된다.

 

히트펌프는 열 1MWh를 생산할 경우 일반 LNG보일러와 콘덴싱보일러보다 온실가스 배출량이 더 낮다. 현재 전력배출계수를 적용하더라도 히트펌프는 가스보일러대비 약 30% 수준의 배출저감 효과를 기대할 수 있으며 전력부문 재생에너지비중이 확대될수록 감축효과는 더욱 커진다.

 

이에 따라 히트펌프 활성화를 위한 법개정과 정책이 등장하고 있다. 재생에너지법 개정으로 신에너지와 재생에너지가 분리되며 법 명칭과 재생에너지 정의, 정책권한 체계가 변화했다. 기존 ‘신에너지 및 재생에너지 개발·이용·보급 촉진법’은 재생에너지 중심 법체계로 전환됐으며 수소·연료전지 등 신에너지는 별도 법체계로 이관되는 방향이 마련됐다.

 

시행령에서는 수열에너지와 함께 공기열 히트펌프가 재생에너지 범주에 편입됐다. 공기열의 재생에너지 인정 여부를 두고 전기소비 자원을 재생에너지로 볼 수 있는지 지열·수열과 같은 기존 열원과 동일하게 인정할 수 있는지 등에 대한 논의가 있었으나 올해 초 시행령을 통해 공기열이 재생에너지로 인정됐다.

 

최근 행정예고된 공기열에너지 인정기준은 △방식 △성능 △냉매 안전·환경성 △측정·시험기관 등의 요건을 담고 있다. 인정대상은 공기를 열원으로 물을 가열·냉각하는 공기 대 물(ATW) 방식 히트펌프이며 공기 대 공기 방식은 제외된다. 이는 국내 주거부문 난방이 온수 기반 바닥난방 중심이라는 점과 축열을 통한 수요유연성 확보 가능성을 반영한 기준으로 해석된다.

 

성능기준은 SCOP를 중심으로 설정됐다. 기준값은 AVERAGE 기후, 출수온도 55℃ 조건에서 SCOP 3.3 이상이며 지역별 보정계수를 적용한다. 중부1 지역은 1.1을 적용해 실효기준이 3.63으로 높아지며 중부2는 3.30, 남부는 3.14, 제주는 2.97 수준으로 적용된다.

 

냉매기준은 오존층파괴지수(ODP) 0과 지구온난화지수(GWP) 750 이하를 충족해야 한다. 이에 따라 R290과 일부 R32 냉매가 적용가능할 것으로 보이며 고압가스에 해당하는 냉매는 KGS코드 등 관련 안전기준을 충족해야 한다. 측정과 시험은 EN 14825 표준과 KOLAS 인정기관을 기반으로 이뤄져야 하며 자가측정이나 미인정기관 시험은 인정되기 어렵다.

 

재생에너지법의 에너지이용합리화법과 열에너지기본법과 관계도 중요해지고 있다. 재생에너지법이 공기열 히트펌프를 재생에너지 자원으로 인정하는 법이라면 에너지이용합리화법은 △효율등급 △에너지진단 △EERS 등 효율관리 체계를 다룬다. 열에너지기본법은 열부문 자체의 국가전략 프레임으로 △열에너지 정의 △국가 열에너지기본계획 △지역 열수요지도 △청정열 인증 △열네트워크 구축 등을 포괄한다.

 

이로 인해 하나의 히트펌프 제품이 각각 다른 기준으로 인증·평가받을 수 있어 중복계상 가능성을 줄이며 제도간 역할을 명확히 하는 것이 향후 시행령과 고시정비의 핵심쟁점이 될 전망이다.

 

또한 히트펌프 350만대 보급 목표를 담은 히트펌프보급 활성화방안은 △부문별·단계별 보급확대 지원 △보급촉진 인센티브 △화석연료 제도개선 △산업생태계 구축·강화 등으로 구성됐다. 정부는 기후에너지환경부를 중심으로 산업통상자원부, 국토교통부, 농림축산식품부 등 관계부처와 함께 히트펌프 보급확대를 추진할 예정이다.

 

보급대상은 △도시가스 미보급 단독주택 △마을단위 태양광·히트펌프 패키지 △사회복지시설 △시설재배농가와 스마트팜 △목욕탕·숙박시설·수영장 등 에너지다소비업종 △학교·청사 등 공공시설로 확대될 전망이다.

 

전기요금제 개편도 시장확대의 핵심요인이다. 정부방안에서 검토됐던 주택용 누진제 미적용과 계시별 선택형 요금제가 실제 시행되며 가정용 히트펌프 설치가구는 △기존 주택용 누진제 △히트펌프 전력 분리 일반용 요금 △주택용 계시별 요금제 등 3가지 선택권을 갖게 됐다.

 

이에 따라 히트펌프 가동전력만 별도계량해 일반용 요금을 적용하면 누진제 부담을 줄일 수 있으며 태양광을 보유한 가구는 기존 누진제를 유지해도 자가소비를 통해 전기요금 부담을 낮출 수 있을 것으로 기대된다.

 

권필석 소장은 “향후 공동주택 히트펌프 적용을 위해 기술검증, 제도검증, 관리·운영에 대한 정책과 제도가 마련돼야 한다”라며 “법안통과는 출발점이며 가변 전기요금 도입, KS·시공자격 통합, DR·VPP 보상체계, 공공조달 우대, 난방용 화석연료 탄소가격, 신축 화석연료 단계적 금지 등을 순차적으로 도입해야 실질적인 시장확대가 가능하다”고 말했다.

 

공동주택 탈탄소 핵심수단 히트펌프, 보급장벽 해소 시급

오세신 에너지경제연구원 연구위원은 ‘공동주택 히트펌프 적용사례와 장애요인 및 정책방안’을 주제로 발표했다.

 

전 세계 히트펌프시장은 지난 2022년까지 가파른 성장세를 기록했지만 2023~2024년에는 감소세로 전환됐다. △천연가스 가격하락 △세계경제 위축 △히트펌프 지원정책 발표 지연 등이 주요 원인으로 지목된다. 다만 세계 최대 히트펌프시장인 중국과 미국은 2024년 증가세로 전환했다.

 

오세신 연구위원은 “유럽을 중심으로 공동주택에 히트펌프가 적용되고 있다”라며 “스위스 제네바 노후 공동주택에도 ATW히트펌프가 보급돼 운영 중”이라고 말했다.

 

스위스 제네바에서는 1972년에 건축된 53세대 노후 공동주택에 156kW급 대형 산업용 ATW 히트펌프 2대를 적용했다. 지하 보일러공간과 옥상에 히트펌프와 실외기를 각각 설치했으며 현재 보조보일러 없이 운영되고 있다.

 

오스트리아 인스부르크에서는 48세대 공동주택에 소형과 대형을 결합한 하이브리드방식 히트펌프가 적용됐다. 옥상에 설치된 대형 히트펌프가 각 세대에 20℃의 온수를 공급하고 개별세대에 설치된 3kW급 소형 히트펌프가 이를 승온해 난방과 급탕을 공급하는 구조다. 시스템 SCOP는 4.0으로 나타났으며 소음은 38dB 수준이다. 이는 국내 공동주택 층간소음기준인 주간 45dB, 야간 40dB보다 낮은 수준이다.

 

프랑스에서는 197세대 공동주택에 세대별 공기열 히트펌프를 설치해 열에너지를 공급하고 있다. 개축을 통해 단열성능을 높이면서 기존 전기히터를 히트펌프로 전환했으며 난방만 공급하고 급탕은 세대별 온수탱크로 공급한다. 공급온도는 55℃이며 냉매는 R32를 적용했다.

 

공동주택 히트펌프 보급의 가장 큰 걸림돌 중 하나는 비용이다. 구매·설치비가 축열조를 포함해 700만원 이상으로 높으며 주택용 누진제 적용 시 운영비 부담도 커진다. SCOP 3.0을 전제로 한 히트펌프와 가스보일러의 LCOH 비교결과 지원금과 배출비용을 반영하지 않을 경우 공기열 히트펌프는 19만3,982원, 가스보일러는 11만1,733원으로 분석됐다.

 

오세신 연구위원은 “히트펌프공급의 장애요인은 높은 투자비와 운영비”라며 “구매·설치비와 운영비가 도시가스 보일러대비 높아 히트펌프 적용유인이 낮기 때문에 해외에서도 정책개입을 통해 보급여건을 조성하고 있다”고 말했다.

 

히트펌프 비용은 CAPEX와 OPEX로 나눠 볼 수 있다. CAPEX는 △구매비 △시공비 △법적 비용 △요구성능 등이 영향을 미치며 시공비는 관련시장과 인력여건에 따라 차이가 크다. OPEX는 △기기효율 △운영조건 △공급온도 △유지보수 △가스대비 전기요금 비율 등에 따라 달라진다. 전기요금구조와 탄소비용 부과체계도 히트펌프 경제성을 좌우하는 핵심요인이다.

 

설치환경도 보급확대의 주요 제약요인이다. 기존 공동주택 세대 내에 히트펌프를 설치할 경우 축열조 공간이 부족하며 중앙식으로 설치할 경우 기존에 중앙난방을 공급했던 공동주택에서 상대적으로 적용이 쉽다. 반면 국내에서 가장 많은 비중을 차지하는 기축 공동주택 개별난방 세대는 설치환경이 불리해 별도 적용모델과 표준화된 설계기준이 필요하다.

 

국내 공동주택에는 난방·급탕용 히트펌프 적용을 위한 명확한 검증모델이 부족한 상황이다. 히트펌프는 열원상태, 공급온도, 설치위치, 축열조 구성, 배관연계 등 설치·운영조건에 따라 성능 차이가 커 지역별·주택형태별 적용솔루션 표준화가 필요하며 주택유형별 표준시공 매뉴얼과 A/S 체계도 미비한 상황이다.

 

운영비 측면에서는 주택용 누진제 적용면제가 핵심이다. 전기요금이 kWh당 300원보다 낮아야 도시가스 비용대비 경쟁력을 확보할 수 있으며 투자비 차이까지 감안하면 70% 보조금 지원 전제에서 kWh당 200원 내외 수준이 필요한 상황이다.

 

성능인증제도와 적용솔루션 표준화도 중요하다. COP와 SCOP를 모두 인증하고 지역별 기후조건을 반영해 소비자 만족도를 충족할 수 있는 난방·급탕 성능기준을 마련해야 한다. 국내 바닥난방을 기준으로 공동주택 적용 표준모델을 구축해야 할 필요성이 높아지고 있다.

 

시공비용을 줄이기 위한 혁신적인 디자인개발도 요구된다. 시공이 용이한 플러그앤플레이형 히트펌프를 개발하고 시공업무를 디지털화하면 시공시간과 오류를 줄일 수 있다. 인허가와 고객소통까지 디지털 기반으로 연계할 경우 시장 접근성과 소비자 신뢰도도 높아질 수 있다.

 

또한 많은 기업이 히트펌프시장에 진출해 경쟁할 수 있도록 진입장벽을 완화하고 중소 제조사를 지원할 수 있는 세액공제 등 지원방안을 검토해야 한다. 구매, 시공, 유지·보수정보를 체계적으로 제공하면 제조사와 시공업체 간 경쟁을 촉진할 수 있다. 소비자플랫폼을 구축해 히트펌프 관련 정보를 제공하고 소비자 불만을 데이터베이스화해 제조사, 시공업체, ESCO기업과 공유하는 체계도 필요하다.

 

오세신 연구위원은 “히트펌프 보급활성화를 위해서는 구매비용과 전기요금 지원, 성능인증제도 및 적용솔루션 표준화, 관련산업 육성, 법령개정이 필요하다”라며 “공동주택 적용을 위해서는 국내 바닥난방 구조에 맞는 표준모델을 구축하고 설치·A/S 체계를 조속히 마련해야 한다”고 말했다.

 

히트펌프, 자연냉매·에너지밸런스기반 산업적용 확대

송찬호 한국기계연구원 히트펌프연구센터장은 ‘냉매 트렌드와 에너지밸런스기반 히트펌프 적용전략’을 주제로 발표했다.

 

탄소중립시대 에너지전환의 핵심은 열을 다루는 기술이다. 히트펌프는 버려지는 열을 가치 있는 에너지로 전환하며 사회전반의 에너지효율을 혁신할 수 있는 현실적인 솔루션이다.

 

히트펌프는 단순 냉난방기기를 넘어 미래 열에너지시스템 중심 플랫폼으로 확대되고 있다.

 

△탄소중립 가속화 △산업전기화 확대 △AI·데이터센터 급증 △전력피크와 비용증가 △폐열활용수요 확대 등으로 히트펌프의 역할은 △산업공정 △데이터센터 △클린룸·반도체 △건물 HVAC △지역 열네트워크 등으로 넓어지고 있다.

 

특히 히트펌프에 사용되는 냉매시장은 오존층보호를 넘어 지구온난화 방지 중심으로 패러다임이 전환되고 있다. HFC에서 HFO와 자연냉매로 이동하는 흐름이 본격화되고 있으며 냉매선택 기준도 단순 GWP 저감에서 가연성, PFAS, 자연냉매 여부까지 포함하는 방향으로 확대되고 있다.

 

지난해 냉매법이 전면 시행되며 유럽 F-gas 규제와 미국 AIM Act에 따른 글로벌 냉매감축 압박이 이어지며 국내외 시장의 냉매전환 속도도 빨라지고 있다. 이에 따라 환경성·안전성·효율성을 동시에 고려해야 하는 트릴레마 속에서 △터보냉동기 △콜드체인 △가전기기 등 분야별 최적 냉매솔루션 도출이 필요해지고 있다.

 

국내에서는 2024년 수소불화탄소 관리제도 개선방안이 발표된 이후 냉매법 전면 시행을 통해 HFC 제조·수입량 관리, 누출 최소화, 회수 의무화 등이 추진되고 있다. 2027년부터는 가정용 냉장고와 상업용기기 등에 단계적 GWP 상한선이 적용될 예정이다. 이를 통해 저GWP 제품 전환을 촉진하고 냉매 전주기관리체계와 제도기반을 확충하는 방향으로 정책이 전개되고 있다.

 

대표적인 기존 냉매인 R134a는 HFC계열 냉매로 GWP가 1,430에 달해 규제대상으로 분류된다. 대체냉매로는 R1234ze, R1233zd 등 HFO계열 냉매가 검토되고 있으며 R454B, R600a 등도 상업용 콜드체인과 가정용 소형냉장고 등에 적용되고 있다. HFO계열 냉매는 낮은 GWP를 확보할 수 있지만 PFAS 규제와 가연성 이슈를 동시에 고려해야 한다.

 

송찬호 히트펌프연구센터 센터장은 “글로벌 냉매정책은 냉매 사용구조 자체를 바꾸는 방향으로 이동하고 있다”라며 “2030년 이후에는 고GWP 냉매가 사실상 시장에서 퇴출될 것으로 예상되며 R410A, R134a, R407C 등 기존 HFC계열 냉매는 점진적으로 대체될 전망”이라고 강조했다.

 

특히 PFAS 규제 강화로 HFO냉매도 장기적 대안으로 보기 어려워지면서 자연냉매 적용 확대가 지속가능한 냉매전환의 핵심축으로 부상하고 있다.

 

자연냉매는 낮은 GWP와 PFAS-Free 측면에서 유리하지만 △가연성 △독성 △고압 등 안전이슈가 존재한다. 이에 따라 냉매전환은 단순 냉매 교체가 아니라 시스템 재설계와 안전비용, 성능확보 기술을 포함하는 종합기술 과제로 전환되고 있다. 국내에서도 지난해 12월 수소불화탄소 사용제품의 물질전환 일정공고를 통해 지구온난화지수가 낮은 물질로의 전환시기와 기준이 제시됐다.

 

송찬호 센터장은 “냉매 트렌드는 규제·환경·안전·기술의 방향으로 빠르게 재편되고 있다”라며 “자연냉매 적용은 선택이 아니라 필수로 전환되고 있으며 이에 따른 안전성 확보와 시스템 재설계 기술이 중요해지고 있다”고 말했다.

 

산업현장에서 히트펌프 적용을 어렵게 만드는 요인도 제시됐다. 에너지데이터가 있어도 분석이 어렵고 설비 연결구조를 이해하는 전문가가 부족하며 보고서 작성에 많은 시간이 소요된다. 히트펌프 적용가능성 판단과 폐열회수 가능량 정량화, 투자대비효과 예측도 쉽지 않아 실제 탄소감축 실행으로 연결되지 못하는 사례가 많다.

 

이에 따라 데이터 기반 빠른 분석과 정량평가가 중요해지고 있다. 한국기계연구원 히트펌프연구센터는 에너지밸런스 시뮬레이션 패키지를 통해 △자동데이터 수집 △에너지밸런스기반 분석 △히트펌프 적용가능성 진단 △예상절감량·ROI 제시 △대시보드기반 결과 제공 등이 가능한 체계를 연구하고 있다.

 

에너지밸런스 시뮬레이션 패키지는 냉동·공조·히트펌프 장비 구축기업이나 에너지설비 이용고객을 1차 타깃으로 한다. 사용자는 작업·분석시간을 줄이고 설비별 열손실과 폐열회수량, 성능을 정량적으로 파악할 수 있으며 △에너지절감 아이템 발굴 △기술영업 자료 작성 △실증사업 기획, 고객 제안서 활용 등에도 적용할 수 있다.

 

패키지는 △소프트웨어 △데이터 양식 △예제 △보고서 △교육 △지원 등으로 구성된다. 소프트웨어는 도면 업로드, 자동 추출, 수치 보정, 에너지밸런스 계산, 보고서 생성을 수행한다. 데이터 양식은 유량, 온도, 압력, 전력, 연료, 운전시간 입력템플릿을 제공하며 보고서에는 에너지손실, 폐열회수량, COP, 투자회수기간, 추가계측 항목 등이 포함된다.

 

히트펌프시스템의 도면과 이미지를 입력하면 자동으로 정보가 추출되고 시스템 그래프가 생성된다. 이후 에너지밸런스 계산과 이상여부 진단을 거쳐 보고서가 자동 생성된다. 이 과정에서 AI는 빠른 코딩과 정보추출을 수행하고 연구자는 △물리적 분석 △모델링 판단 △시스템 정의를 담당한다.

 

웹기반 시스템에서도 시스템 그래프를 통해 냉매와 2차측 유체의 흐름, 각 구성요소간 연결관계를 확인할 수 있으며 분석의견이 있을 경우 이유와 조치사항 및 예상효과까지 제시할 수 있다.

 

시스템은 온도, 유량, 압력, 전력 등 다양한 계측신호를 수집해 PC로 전송하고 대시보드에서 시각화·모니터링하는 구조로 구축돼 현장관리자는 설비 운전상태와 에너지밸런스 이상 여부를 실시간으로 파악할 수 있다.

 

송찬호 센터장은 “에너지밸런스 시뮬레이션 플랫폼을 통해 AI기반 산업에너지 진단의 산업적용과 기술이전을 추진하고 있다”라며 “사이트마다 특화된 모델로 구축해야 하며 실증과 디지털트윈 기반 분석이 가능하도록 발전시킬 것”이라고 말했다.

 

수열에너지, 냉난방 넘어 DC냉각 핵심기술 부상

조용 한국수자원공사 청정열유체연구팀장은 ‘최신 수열시스템 구축 기술과 실증사례’를 주제로 발표했다.

 

수열에너지는 물의 열을 히트펌프를 사용해 변환시켜 얻어지는 에너지다. 현재 재생에너지로 인정되는 범위는 해수의 표층과 하천수의 열을 변환시켜 얻어지는 에너지다.

 

최근 기후에너지환경부는 수열원 확대를 위한 시행령 개정을 준비하고 있으며 향후 하수, 공업용수, 지하유출수 등도 수열원으로 활용될 수 있을 전망이다.

 

하천수는 하천의 지표면에 흐르거나 하천바닥에 스며들어 흐르는 물 또는 하천에 저장돼 있는 물을 의미한다.

 

하천수를 취수해 처리과정을 거치지 않은 관로수는 하천수의 성격이 그대로 유지된 것으로 볼 수 있어 수열에너지 활용대상에 포함될 수 있다.

 

국내 하천수 수열에너지 잠재량은 원전 약 20기를 대체할 수 있는 수준으로 파악된다. 하천수 활용은 대용량 냉난방, 데이터센터 냉각, 산업단지 열공급 등 다양한 분야에서 에너지전환 수단으로 활용될 수 있다. 현재 하천수사용료는 수열에너지용수 기준 1만톤당 63.3원으로 책정돼 있으며 하루 5만톤을 사용할 경우 연간 사용료는 약 11만3,940원 수준이다.

 

하천수 활용방식은 △직접취수 △관정취수 △수중열교환 등으로 구분된다. 직접취수는 대용량 수열시스템에 적합하지만 대규모 건설공사에 따른 비용상승과 하천수 유입 이물질 관리가 필요하다. 관정취수는 중형 수열시스템에 적합하며 대수층을 통해 이물질이 걸러져 유지관리가 용이하다. 수중열교환은 소용량 수열시스템에 적합하고 설치비가 저렴하지만 수중 열교환기 누수와 유지관리 부담이 존재한다.

 

한국수자원공사는 소형 수열시스템 실증을 통해 수열원 히트펌프의 계절별 성능과 동절기 운전 안정성을 검증했다. 충청권 통합관리센터와 성남정수장에 수열시스템을 구축했으며 성남정수장 실증에서는 한강수 수온이 여름철 약 25℃, 겨울철 4~5℃ 수준을 보였다. 폭설 이후에는 수온이 1.7℃까지 낮아지는 상황도 확인돼 극한수온에 대응할 수 있는 설계가 필요하다.

 

이에 따라 동결예방 열원보상시스템이 연구됐다. 수온이 2℃ 이하로 낮아질 경우 일부 열원을 축열조로 보내 수열원 측 토출수가 얼지 않도록 보상하는 방식이다.

 

축열조가 없는 경우를 대비해 전기히터를 활용하는 방안도 검토됐다. 계절별 COP 분석결과 여름철 성능이 겨울철보다 높게 나타났으며 난방기 평균 유닛 COP는 3.46, 시스템 COP는 2.83으로 나타났다. 냉방기 평균 유닛 COP는 5.25, 시스템 COP는 3.96 수준을 기록했다.

 

극한상황에서 열원보상운전을 실시할 경우 토출온도를 0~0.5℃ 사이로 유지하도록 제어해 열교환기 동결을 방지했다. 이때 유닛 COP는 3.36, 펌프동력을 포함한 시스템 COP는 2.77로 나타났으며 열원보상 에너지까지 포함하면 COP는 2.18로 분석됐다. 전기히터만으로 대응할 경우 5kW, 10kW, 15kW 조건에서 시스템 COP는 각각 2.01, 1.54, 1.27로 낮아졌다.

 

버퍼탱크 적용도 성능개선에 효과가 있는 것으로 나타났다. 버퍼탱크가 있을 경우 히트펌프의 잦은 온·오프 운전을 줄일 수 있으며 안정적인 축열운전이 가능하다. 버퍼탱크 유무에 따른 COP 변화 분석결과 버퍼탱크 적용 시 유닛 COP는 약 23%, 시스템 COP는 약 32% 향상됐다. 초기 설치비가 추가되더라도 장기 운전비 절감 측면에서는 버퍼탱크 적용이 유리하다.

 

또한 수열원은 공기열대비 수온 변동폭이 작아 안정적인 운전이 가능하며 특히 냉방부하가 큰 시설에서 효율 개선효과가 기대된다.

 

하천 인근 농가를 대상으로 한 수열원 활용 가능성도 검토됐다. 진주 남강 인근 파프리카 하우스농가를 대상으로 전기전도도 측정과 시추조사를 실시했으며 대수층 분포와 지하수 흐름을 확인했다.

 

중대형 수열시스템 실증은 과천 한국수자원공사 한강유역본부 사옥에서 진행됐다. 팔당댐에서 취수한 한강수를 관로로 연계해 기존 스팀보일러와 흡수식냉동기 기반 냉난방구조를 수열시스템으로 전환하는 방식이다. 실증건물에는 수열원 히트펌프 500RT와 열원하이브리드 설비가 적용됐으며 냉난방공급과 급탕시스템에도 수열히트펌프를 활용했다.

 

수질분석 결과 대부분 항목은 냉각수 기준보다 양호했지만 하천수 특성상 부유물에 의한 탁도와 배관 영향으로 인한 철 이온 함량이 기준치를 초과한 것으로 확인됐다. 이에 따라 수열시스템에서는 원수 특성에 맞는 여과와 이물질관리가 필수적이다.

 

열교환기는 판형열교환기가 적용됐다. 열교환기 타입별 비교결과 브레이징 판형열교환기는 내압성능과 열전달효율, 설치면적 측면에서 장점이 있으며 가스켓 판형열교환기는 유지관리에 유리하다. 쉘앤튜브 열교환기는 내압성과 사용온도범위에서 강점이 있지만 설치면적과 조립성 측면에서 불리하다.

 

실증에서는 수열원 채널과 브라인 채널의 이물질을 분석했으며 수열원채널에서는 일반적인 흙에서 발견되는 원소가 브라인 채널에서는 용접탈산제와 용접합금제에 해당하는 원소가 검출됐다.

 

수열회수 패키지는 오토스트레이너, 열교환기, 펌프 등으로 구성했다. 원수관로에서 유입된 하천수는 오토스트레이너를 거쳐 이물질을 제거한 뒤 열교환기에서 열을 회수하고 다시 관로로 배출된다. 히트펌프는 수열원 온도조건에 맞춰 사이클을 설계했으며 부분부하 운전에 최적화되도록 2개 압축기 구조를 적용했다. 축열조 공간을 확보해 버퍼탱크를 구성하고 축열식 하이브리드시스템과 인버터 기반 부분부하 운전을 검토했다.

 

시운전에서는 냉난방 직접공급과 축열운전을 병행했으며 실내부하가 작을 경우 COP 변화가 발생했다. 축열만 운전할 때 상대적으로 안정적인 운전특성을 보였으며 향후에는 펌프동력 절감을 통한 성능개선 방안이 주요 연구과제로 제시됐다.

 

최근에는 서울시 관로를 이용한 성수동 상업용 건물 실증도 진행되고 있다. 한강 자양취수장에서 취수된 물을 뚝도정수장으로 보내는 서울시 관로를 활용해 성수동 상업용 건물에 수열시스템을 적용하는 방식이다. 이를 위해 이물질 제거, 취수관로 안정성 유지, 열교환기 성능 극대화, 수열원 및 재생열에너지 믹스설계, AI 최적운전제어, 수열원 환경영향 저감 등의 기술개발이 추진되고 있다.

 

수자원공사는 수열원 확대를 위한 데이터 확보도 병행되고 있다. 현재 재생에너지로 인정되는 하천수와 해수 표층수 외에도 정수, 유출수, 폐열, 공업용수 등 다양한 열원을 대상으로 수온·수질 데이터를 확보하고 대용량 수열 실증플랜트 설계기술, 에너지믹스 최적 시뮬레이션, 수열원 변동대응 기술, AI 기반 최적제어 기술 등을 개발하고 있다.

 

데이터센터 냉각분야도 주요 적용처로 부상하고 있다. 강원도 수열에너지클러스터에는 데이터센터가 다수 들어설 예정이며 소양강댐 심층냉수를 활용한 냉각기술이 검토되고 있다. 심층수는 이물질이 거의 없고 연중 낮은 수온을 유지해 프리쿨링형 공기조화시스템에 적합하다. 실증에서는 PUE 1.1 이하 달성 가능성이 확인됐으며 향후 데이터센터 냉방, 스마트팜, 물기업 특화지구 등에 적용될 예정이다.

 

조용 팀장은 “수열에너지는 냉난방뿐만 아니라 데이터센터 냉각, 수처리공정, 스마트팜, 산업단지 등 다양한 분야로 확대될 수 있다”라며 “향후 RE100 산업단지와 연계해 공업용수, 하수, 하천수, 폐열 등을 복합적으로 활용하는 방안을 검토할 것”이라고 말했다.

 

PVT·히트펌프, 건물E자립 핵심기술

주홍진 한국에너지기술연구원 책임연구원은 ‘공기열원 히트펌프 및 태양광 PVT 융합시스템 실증과 PVT-히트펌프 연계 사례’를 주제로 발표했다.

 

국가 열에너지 혁신전략에 따르면 정부는 2035년까지 재생열 비중을 확대하고 히트펌프 보급과 재생열 네트워크 구축을 추진할 계획이다. 그동안 재생에너지시장은 전기에너지 중심으로 성장해왔지만 향후에는 열에너지부문에서도 새로운 시장이 형성될 것으로 예상된다.

 

재생열에너지 거래제도도 단계적으로 구축될 전망이다. 현재는 대규모 공급자와 수요자간 자발적 공급협약을 기반으로 출발하고 있으며 이후 시범사업을 거쳐 재생열 공급의무화제도(RHO) 도입으로 이어질 예정이다. 이에 따라 열에너지도 전력 중심의 REC시장처럼 새로운 에너지 비즈니스 영역으로 자리 잡을 가능성이 커지고 있다.

 

열에너지 관련 신재생에너지설비는 그동안 상대적으로 소외돼왔다. 태양열, 지열, 수열 등 열 기반 재생에너지는 전기 중심 정책구조 속에서 시장확대에 한계가 있었지만 태양광·열 복합모듈(PVT)은 침체된 재생열시장을 확대할 수 있는 융합기술로 주목받고 있다.

 

PVT는 태양광발전 과정에서 발생하는 열까지 함께 활용하는 기술이다. 하나의 모듈에서 전기와 열을 동시에 생산할 수 있어 공간활용성이 높고 총 에너지생산 효율도 우수하다. IEA는 PVT가 동일면적에서 기존 태양광시스템대비 3~4배의 총에너지를 생산할 수 있는 기술로 보고 있다.

 

PVT는 공기식과 액체식으로 구분된다. 공기식 PVT는 PV모듈 후면에 공기를 통과시켜 열을 회수하는 방식이지만 열저장이 어렵고 낮 시간 생산열을 즉시 활용해야 한다는 한계가 있다. 액체식 PVT는 PV모듈 후면에 열매체 배관을 설치해 열을 회수하고 축열조에 저장해 필요할 때 활용할 수 있다.

 

액체식 PVT는 다시 무창형과 유창형으로 나뉜다. 무창형은 전기생산 중심이며 유창형은 열생산에 유리하다. 세계시장은 유럽을 중심으로 성장하고 있으며 공기식보다는 액체식 PVT가 대부분을 차지한다. 특히 낮에 생산한 열을 탱크에 저장한 뒤 야간에 활용할 수 있는 액체식 PVT가 주거·공공건물용 시스템으로 확산되고 있다.

 

유럽에서는 PVT를 새로운 에너지시장 먹거리로 보고 기술개발과 대량생산 투자가 활발하다. 독일 Sunmaxx는 2030년까지 연간 750만장 규모의 PVT 생산능력을 확보하기 위한 투자를 진행하고 있으며 유럽 주요 제조사들도 자동화 생산공정과 전용 배관부속, 히트펌프 패키지 제품을 개발하고 있다.

 

국내에서도 PVT 보급을 위한 제도기반이 마련되고 있다. 지난해 KS B 8297이 신설되며 국내에서 인증받은 PVT제품 보급이 가능해졌다. 현재 인증심사기준 공청회가 진행됐으며 시험기관 지정과 제품시험을 거쳐 내년부터 국내 인증 PVT모듈 판매가 본격화될 것으로 예상된다.

 

KS기준상 무창형 PVT는 전기효율 17.7% 이상, 유창형 PVT는 전기효율 15.5% 이상을 충족해야 할 것으로 제시됐다. 열성능 기준도 함께 적용되며 국내 기준은 해외 제품을 그대로 수입할 경우 충족이 쉽지 않을 정도로 높게 설정됐다. 이는 무분별한 저품질 제품 유입을 방지하고 국내 보급제품의 성능 신뢰성을 확보하기 위한 방향으로 해석된다.

 

이에 따라 한국에너지기술연구원은 대량생산이 가능한 PVT를 개발했다. 기존 PV 모듈에 분리시공형 열회수장치를 부착하는 방식으로 프레스와 브레이징공법을 적용해 제조공정을 단순화했다. 이를 통해 기존 PV 및 BIPV모듈 후면에도 적용할 수 있으며 열회수장치의 탈부착과 유지보수가 용이하다.

 

개발된 PVT는 국내 'KS B 8297' 성능기준을 충족한 것으로 나타났다. 국내 기준이 높아 해외 제품의 국내 인증 통과가 쉽지 않을 것으로 예상되는 가운데 해당 기술은 품질기준을 만족했으며 기술이전도 완료돼 향후 상용화 모델로 활용될 전망이다.

 

주홍진 에너지기술연구원 책임연구원은 “PVT와 히트펌프는 상호보완성이 높다”라며 “PVT에서 생산된 전기는 히트펌프 소비전력으로 활용할 수 있으며 생산된 열은 히트펌프의 보조열원이나 예열원으로 활용할 수 있다”고 말했다.

 

이 경우 PVT는 자체 효율을 높이고 히트펌프는 열원온도 개선으로 COP를 높일 수 있다. 공기열원 히트펌프와 연계하면 공기열원 히트펌프의 가동시간을 줄일 수 있으며 수열·지열 히트펌프와 결합하면 열원 안정성을 높일 수 있다. 이에 따라 유럽에서는 PVT를 단독 제품이 아니라 히트펌프와 패키지로 묶어 판매하는 사례가 많다.

 

PVT와 히트펌프 연계방식은 크게 직접팽창식(DX)과 간접팽창식(IDX)으로 구분된다. DX 방식은 PVT 내부에 냉매를 직접 순환시켜 PVT를 히트펌프 사이클의 증발기 또는 열원부로 활용하는 방식이다. 효율 측면에서는 유리하지만 냉매배관 길이, 전용 압축기, 냉매 부속, 안전성 검증 등 기술적 과제가 많아 아직 상용화는 제한적이다.

 

현재 시장에서는 IDX방식이 중심이다. IDX방식은 PVT에서 회수한 열을 축열조나 열교환기를 통해 저장한 뒤 필요 시 히트펌프 열원으로 활용하는 방식이다. 시스템 구성이 비교적 안정적이고 기존 히트펌프와의 연계가 용이해 보급형 모델로 활용되고 있다.

 

유럽 연구기관과 기업들은 PVT-히트펌프 연계기술에 대한 실증을 활발히 진행하고 있다. 프라운호퍼연구소는 다양한 PVT·히트펌프 조합을 대상으로 SPF와 SCOP를 측정했으며 PVT와 히트펌프를 함께 운전할 경우 단순 공기열원 히트펌프보다 계절성능이 높게 나타났다.

 

국외에서는 공동주택 탄소중립을 위해 PVT와 히트펌프 결합시스템을 적용한 사례도 확대되고 있다. 스웨덴 공동주택은 옥상에 PV와 PVT를 설치하고 지열히트펌프와 연계해 건물 내 전기와 열을 공급하는 방식으로 넷제로를 달성했다. 오스트리아 스포츠센터도 대규모 PVT와 지열히트펌프를 결합해 전기와 열에너지를 공급하고 있다.

 

일사량이 상대적으로 적은 런던에서도 PVT와 히트펌프 결합시스템이 운영되고 있다. 런던대 기숙사 등에서는 PVT를 히트펌프 열원보조기술로 활용하고 있으며 유럽 전반에서 PVT는 공공건물, 공동주택, 스포츠시설, 리조트 등 열과 전기를 동시에 필요로 하는 시설을 중심으로 보급되고 있다.

 

국내에서도 다양한 실증이 진행 중이다. 한국에너지기술연구원 실증주택에는 BIPV와 BIPVT가 적용돼 주택 내 전기와 열에너지를 공급하고 있으며 남는 열은 인근 오피스건물에 공급하는 방식으로 운영된다. 공기열원 히트펌프의 보조예열원으로 PVT를 활용하는 실증도 진행되고 있다.

 

서울 강북소방서 삼각산119안전센터에도 PVT와 공기열원 히트펌프 결합시스템이 실증 중이다. 해당 시설에는 유창형 PVT 24매가 설치됐으며 온수축열조와 연계해 급탕과 난방 보조열원으로 활용된다. 실증 결과 집열량은 발전량의 약 2.5배 수준이며 총 에너지생산량은 발전량대비 약 3.5배로 나타났다.

 

주홍진 에너지기술연구원 책임연구원은 “유럽 주요국은 보조금정책을 통해 PVT와 히트펌프시스템 보급확대를 유도하고 있다”라며 “독일은 히트펌프 보급 보조금 체계에서 실제 작동성능과 연간성능계수(JAZ)를 중시하며 PVT를 히트펌프 열원조건 개선기술로 활용 중이며 프랑스는 PVT를 히트펌프의 하이브리드 저온열원으로 인정해 일반 공기열원보다 높은 지원구간에 포함시키고 있다”고 말했다.

 

네덜란드는 PVT의 전기와 열 가치를 분리해 각각 보상하는 구조를 갖추고 있다. 특히 500kWth 이상 대형 히트펌프 설치 시 히트펌프 용량 1kWth당 최소 1.2m² 이상 PVT패널 면적을 확보해야 지원대상이 된다. 이는 히트펌프용량에 비례한 PVT 설치를 유도해 열적 균형과 시스템효율을 확보하려는 정책방식이다.

 

국내에서도 PVT와 히트펌프 보급을 연계하기 위해서는 단순 제품보조금보다 시스템 성능기반 보조체계가 필요하다.

 

유럽은 실제 운전데이터나 SPF, JAZ 등 연간성능지표를 기반으로 보조금을 지급하는 방향이지만 국내는 아직 EN 14825 기반 SCOP 측정과 제품단위 성능평가 중심으로 제도가 설계되고 있다. 향후에는 실제 건물에서 측정된 데이터 기반으로 성능을 검증한 시스템에 보조금을 지급하는 방향으로 고도화가 필요하다.

 

또한 PVT와 공기열원·수열·지열 히트펌프를 결합하는 표준설계와 시공지침 마련이 필요하다.

 

주홍진 책임연구원은 “향후에는 현재 보급형인 IDX방식뿐만 아니라 DX방식의 초고효율 PVT 히트펌프 시스템 연구개발도 본격화될 전망”이라며 “DX방식은 냉매순환과 시스템 안전성, 전용 부품개발 등 해결과제가 있지만 장기적으로는 PVT와 히트펌프를 하나의 고효율 시스템으로 통합할 수 있는 차세대 기술로 평가된다”고 말했다.

 

이어 “PVT는 기존 태양열시장을 대체·확장하는 동시에 대규모 태양광시장 중 열과 전기를 동시에 활용해야 하는 산업단지, 공공건물, 도심형 건물 분야로 확장 가능한 융합기술”이라며 “히트펌프와 결합할 경우 재생 전기와 재생열을 동시에 공급하는 에너지 자급형 인프라의 핵심 솔루션이 될 수 있다”고 강조했다.

 

ZEB 3등급 공동주택, 세대별 지열히트펌프 실증 본격화

안광호 이젠엔지니어링 연구소장은 ‘제로에너지건축물 법제화에 따른 축열·지열·수열 히트펌프시스템 설치 및 실증’을 주제로 발표했다.

 

제로에너지건축물(ZEB)는 단순히 고효율 설비를 적용하는 수준을 넘어 건축 초기단계부터 부하저감, 설비효율, 재생에너지 활용을 통합적으로 고려해야 하는 제도로 자리잡고 있다.

 

ZEB인증등급은 1차 에너지소요량 또는 에너지자립률 중 높은 등급산정 기준을 적용해 결정된다. 현장에서는 에너지소요량보다 에너지자립률 기준이 상대적으로 유리한 경우가 많으며 설계 초기부터 재생에너지 생산량과 건물 에너지소비량을 함께 검토하는 방식이 중요해지고 있다.

 

안광호 연구소장은 “ZEB인증제도 의무화는 설계와 건설산업 전반에 혁신적 변화를 가져올 것”이라며 “단순한 규제준수를 넘어 지속가능한 미래건축을 위한 필수 전환점이 될 것”이라고 말했다.

 

ZEB 의무화는 건축설계방식부터 바꿀 것으로 전망된다. 건축물의 에너지자립률을 높이기 위해서는 설계 초기부터 지열, 수열, 축열, 태양광, PVT, 환기, 단열, BEMS 등을 통합적으로 배치해야 한다.

 

특히 히트펌프 설치공간과 입상배관, 기계실, 축열조, 열원관로 등은 건축구조와 직접 연계되기 때문에 후속 설계변경만으로는 최적화를 달성하기 어렵다.

 

현재 서울시 에너지소비구조에 따르면 건물부문 에너지소비가 전체의 절반 이상을 차지하며 건물 내에서는 냉난방과 급탕에너지가 큰 비중을 차지한다. 이에 따라 화석연료 기반 보일러 중심의 열생산방식에서 전기를 활용해 열을 이동시키는 히트펌프 중심의 냉난방방식으로 에너지패러다임이 전환되고 있다.

 

히트펌프시스템은 ZEB 실현의 필수기술이다. 건물에너지소비를 줄이며 재생에너지 기반 열원을 활용해 화석연료 의존도를 낮출 수 있어 국가온실가스감축목표 달성에도 기여할 수 있다. 지열과 수열은 연중 안정적인 온도를 유지하는 고품질 재생열원으로 히트펌프와 결합할 경우 높은 에너지효율을 구현할 수 있다.

 

이젠엔지니어링은 개방형 지열시스템에서 일반적인 열교환기 대신 공기·먼지분리기를 적용해 이물질을 제거하는 방식을 활용하고 있다. 이를 통해 히트펌프 내부 안정성을 확보하면서도 열교환기 적용 시 발생할 수 있는 약 1℃ 수준의 온도손실을 줄일 수 있다. 순환수 내 이물질을 지속적으로 제거해 운전수질을 점진적으로 개선하는 효과도 기대된다.

 

수열히트펌프는 축열시스템과 결합할 때 활용성이 커진다. 히트펌프를 지나 부하측에 직접 공급하면 수열시스템으로 운전되며 중간에 축열조를 두면 수열·수축열시스템으로 운전할 수 있다. 이를 통해 피크부하 대응과 운전비 절감, 설비용량 최적화가 가능하다.

 

축열시스템은 전력수요가 낮은 심야시간대에 냉난방에너지를 생산·저장한 뒤 전력수요가 높은 시간대에 활용하는 에너지저장시스템이다. 수축열은 물을 저장매체로 활용해 냉방과 난방 모두 가능하며 시스템 구성이 단순하고 안정적이다. 빙축열은 얼음의 잠열을 활용해 냉방에 특화된 시스템으로 같은 용량 대비 축열조 체적을 약 7분의 1 수준까지 줄일 수 있어 도심지 건물에 적용성이 있다.

 

혼합축열은 수축열과 빙축열의 장점을 결합한 방식이다. 냉방 시에는 빙축열 또는 수축열을 선택적으로 활용하고 난방 시에는 히트펌프와 연계해 온수를 축열한다. 이젠엔지니어링은 아이스바를 활용해 여름철에는 빙축열로, 겨울철에는 수축열 기반 난방으로 운전하는 혼합축열시스템을 적용하고 있다.

 

안광호 이젠엔지니어링 연구소장은 “고층형 공동주택 ZEB 3등급 달성을 위한 단위세대형 지열냉난방시스템 개발과 실증과제에 참여 중”이라며 “실증지는 군포에 위치한 27층 규모 공동주택으로 세대별 지열히트펌프 시스템 구축이 추진 중”이라고 말했다,

 

세대별 지열히트펌프 방식은 각 세대가 냉난방을 개별적으로 제어할 수 있어 쾌적도 측면에서 유리하다. 간절기에는 일부 세대가 냉방을 일부 세대가 난방을 요구할 수 있는데 세대별 운전이 가능하면 건물 내부에서 열교환 효과가 발생해 지열 사용량도 줄일 수 있다. 이에 따라 에너지효율성과 재실자 만족도를 동시에 높일 수 있다.

 

실증시스템은 세대별 물 대 냉매 타입 지열히트펌프를 적용해 냉방을 공급하며 열교환유닛을 통해 냉매를 물로 전환해 바닥난방을 구현하는 구조다.

 

기존 건물이 ZEB 3등급을 전제로 설계된 것이 아니라 실외기실 면적과 배관공간에 제약이 있었으며 급탕부하까지 히트펌프가 담당할 경우 용량이 커지는 문제가 발생했다. 이에 따라 급탕은 별도 보일러로 담당하고 비상 시 바닥난방 보조열원으로도 활용할 수 있도록 구성했다.

 

해당 공동주택은 △지중열교환기 △세대별 히트펌프 △BIPV △실별 환기시스템 △단열성능 개선 등을 종합 적용해 에너지자립률 약 63% 수준으로 ZEB 3등급 달성이 가능한 것으로 분석됐다. 지중열교환기는 외곽부에 배치하고 단지를 3개 존으로 구분해 열원공급을 계획했다.

 

다만 세대별 히트펌프 방식은 해결해야 할 과제도 있다. 세대별 운전 시 지하 기계실 펌프가 함께 가동되기 때문에 공용전력 비용정산 문제가 발생할 수 있다.

 

또한 세대별 히트펌프 설치 시 하향식 피난구 등으로 설치면적이 좁아지고 입상배관이 많아지는 문제가 있다. 향후에는 설계 초기부터 히트펌프 설치공간을 확보하고 세대 내 설치와 공용공간 설치 방식의 장단점을 비교해 유지관리와 A/S 효율성을 높여야 한다.

 

바닥난방 쾌적도도 주요 검토사항이다. 히트펌프 운전에 유리한 공급온도는 약 45℃ 수준이지만 기존 보일러 기반 바닥난방은 60℃ 내외의 공급온도에 익숙하다.

 

CFD 분석 결과 0℃ 조건에서 실내 평균온도 20℃ 도달시간은 45℃ 공급 시 약 119분 60℃ 공급 시 약 75분으로 차이가 발생했다. 다만 실제 신축 공동주택은 단열성능이 높아 실내온도가 극단적으로 낮아지는 경우가 제한적이므로 배관 피치 조정 등을 통해 45℃ 운전에서도 쾌적도를 확보할 가능성이 있다.

 

안광호 연구소장은 “ZEB 법제화의 핵심기술은 히트펌프이며 지열과 수열은 최우선적으로 활용할 수 있는 안정적 열원”이라며 “공기열도 설치가 쉽고 간절기 운전에 유리한 만큼 지열·수열·공기열을 함께 활용하는 하이브리드 열원체계가 필요하다”고 말했다.

 

이어 “현재 인증체계는 단독열원 중심으로 설계돼 있어 복수열원과 보조열원을 함께 쓰는 하이브리드 시스템을 반영하는 데 한계가 있다”라며 “실증을 통해 성능이 검증된다면 열원·부하 불균형을 보정할 수 있는 유연한 인증체계가 마련돼야 한다”고 말했다.

 

ZEB 확산 속 히트펌프·축열·BEMS 패키지 주목

박종수 신성이엔지 개발사업부 상무는 ‘히트펌프·축열·BEMS/EMS 통합운영과 피크대응 전략’을 주제로 발표했다.

 

데이터센터, 대형건물, 산업시설 등 전력수요가 큰 시설은 계통부담과 전기요금 상승에 대응해야 하며 RE100과 탄소중립 달성을 위해 재생에너지 확보와 에너지효율 개선이 동시에 요구되고 있다.

 

또한 2035년까지 공동주택을 포함한 건축물의 ZEB 전환이 확대되기 위해서는 재생에너지 활용과 고효율 냉난방설비 적용이 필수적이다. 이에 따라 태양광, 공기열 히트펌프, DX-DOAS, BEMS를 결합한 ZEB 솔루션 패키지가 주요 대안으로 부상하고 있다.

 

국내 ZEB인증은 에너지자립률을 기준으로 등급이 구분되며 2025년 이후 민간부문 의무화 범위가 확대될 전망이다. 이에 따라 BEMS와 원격검침, 데이터 취득, 에너지성능 관리가 건물 인증과 운영관리의 필수요소로 강화되고 있다. ZEB인증 제출자료에서도 △히트펌프 성능 △펌프·팬효율 △제어전략 △BEMS 연동 여부 등이 핵심 검토대상으로 제시된다.

 

글로벌시장에서도 열에너지 전환을 위한 히트펌프 보급정책이 강화되고 있다. EU는 Heat Pump Accelerator Platform을 통해 정책 일원화와 건물효율·재생에너지 패키지를 추진하고 있으며 미국은 IRA를 통해 고효율 히트펌프 세액공제를 확대하고 있다. 일본도 산업용 히트펌프와 MVR 보급, 자연냉매 적용을 장려하는 방향으로 정책을 운영하고 있다.

 

국내에서는 공기열이 재생에너지로 인정되면서 ZEB와 재생에너지 보급사업에 활용할 수 있는 기반이 마련됐다. 정부는 2035년까지 히트펌프 350만대 보급과 온실가스 518만톤 감축을 목표로 하고 있으며 보조금, 장기저리융자, 전기요금제 개선, 고효율기자재 인증 등을 통해 시장확대를 추진하고 있다.

최근 발전부문 유상할당 확대와 비발전부문 유상할당 비율상향으로 산업계의 외부감축 유인이 커지고 있으며 히트펌프 설치를 통한 탄소감축 실적에 크레딧을 부여하는 방안도 검토되고 있다. 탄소크레딧 가격과 DR 참여 인센티브가 결합될 경우 히트펌프·축열·EMS 통합운영의 경제성이 높아질 수 있다.

 

박종수 상무는 “히트펌프와 축열, BEMS·EMS를 통합해야 피크대응과 DR 참여가 가능하다”라며 “설계표준화와 운영표준화가 기반이 돼야 실제 현장에서 안정적인 에너지절감 효과를 확보할 수 있다”고 말했다.

 

히트펌프는 △제조업 △식품가공 △화학 △제지산업 등 다양한 산업공정에 적용될 수 있다. 산업별 요구온도와 공정특성에 맞는 히트펌프 종류를 선택해야 하며 저온공정, 살균, 건조, 증발, 고온공정 등 용도별로 공기열, 수열, 지열, 고온 히트펌프, MVR 등이 활용된다.

 

유럽은 산업용 히트펌프 적용을 통해 온실가스 감축을 확대하고 있다. 100℃ 이하 열수요는 세척, 살균, 저온건조 등에 활용할 수 있으며 140~200℃급 고온 히트펌프는 식품, 화학, 제지, 섬유, 금속 등 산업공정의 스팀 대체 수단으로 검토되고 있다. 고온공정으로 갈수록 적용 가능성은 낮아지지만 기술개발과 압축기 고도화에 따라 활용범위가 확대되고 있다.

 

특히 산업용 고온·대용량 분야에서는 MVR이 주목받고 있다. MVR은 공정에서 발생하는 폐증기를 회수해 기계적으로 압축하고 온도를 높인 뒤 다시 열원으로 재이용하는 기술이다. 기존 스팀보일러대비 에너지절감과 온실가스 감축효과가 크며 증발, 농축, 건조공정 등에서 적용성이 높다.

 

MVR은 용량과 적용처에 따라 소형, 중형, 대형으로 나뉜다. 소형은 화학공정과 식품공정에, 중형은 제지와 건조공정에, 대형은 정유·석유화학 등 대규모 공정에 적용될 수 있다. 특히 스팀 사용량이 많은 산업에서는 MVR과 고온 히트펌프를 결합해 에너지비용과 탄소배출을 동시에 줄일 수 있다.

 

또한 히트펌프와 축열을 연계하면 피크전력 저감과 운전비 절감이 가능하다. 전력요금이 낮은 시간대나 재생에너지 발전량이 많은 시간대에 히트펌프를 가동해 열을 저장하고 전력피크 시간대에는 저장된 열을 활용해 히트펌프 가동을 줄이는 방식이다. 이는 전력계통 안정화와 DR 참여에도 유리하다.

 

BEMS는 건물 내 BAS, HVAC, 조명, 전력, 계측기, 신재생설비, 축열설비 등을 통합관리하는 시스템이다. 다양한 설비의 프로토콜을 게이트웨이를 통해 수집하고 BEMS 플랫폼으로 데이터를 전송해 운영관리와 최적제어를 수행한다. 계측기 설치위치와 데이터 신뢰성, 시운전 검증은 설계단계에서부터 반영돼야 한다.

 

BEMS 운영의 목적은 비용최소화와 탄소감축이다. 단순히 설정온도를 높이거나 낮춰 에너지를 줄이면 쾌적도가 떨어질 수 있기 때문에 불필요한 운전을 줄이고 부하예측, 외기조건, 재실패턴, 전력요금, DR 신호를 반영한 알고리즘이 필요하다. 환기시스템, 고효율설비, 자동제어, 실시간 모니터링은 ZEB 인증과 운영성능 확보에도 영향을 미친다.

 

DR과 스마트그리드 연계도 중요하다. 수요관리사업에 참여하면 의무감축 또는 자발적 감축을 통해 기본정산금과 추가정산금을 받을 수 있다. 축열조와 히트펌프를 보유한 건물은 냉난방 수요를 시간적으로 이동시킬 수 있어 DR자원으로 활용하기 쉽다. EMS가 충·방열 시간과 히트펌프 가동시간을 자동으로 조정하면 피크대응과 수익창출을 동시달성할 수 있다.

 

경제성 분석에 따르면 초기투자비와 운영비, 보조금, DR 수익, 탄소크레딧 등을 함께 고려해야 한다. 가정용 히트펌프 기준 본체가격은 약 550만~700만원, 부속설비 200만~300만원, 설치시공비 약 100만원 등 총 설치비가 약 1,100만원 수준으로 제시됐다. 70% 보조금을 적용하면 실투자비는 약 330만원 수준으로 낮아진다.

 

운영비 절감과 DR 수익을 반영할 경우 경제성은 더욱 개선된다. 연간 운영비 절감액과 보조금, DR 수익을 포함하면 NPV가 약 1,250만원, IRR은 약 18.5%, 할인회수기간은 약 5.1년 수준으로 분석됐다. 단순회수기간도 약 4년대로 제시돼 보조금과 수요관리 수익이 결합될 경우 히트펌프·축열 통합시스템은 투자대안으로서 경쟁력을 확보할 수 있다.

 

박종수 신성이엔지 상무는 “히트펌프 보급은 단일 장비 판매가 아니라 재생에너지, 축열, EMS, DR을 함께 묶는 통합운영시장으로 이동하고 있다”라며 “피크대응과 탄소감축, 전기요금 절감을 동시에 달성하기 위해서는 설계단계부터 계측·제어·운영전략을 함께 구축해야 한다”고 말했다.