지난 6월24일부터 26일까지 진행된 대한설비공학회 하계학술발표대회 ‘수열에너지’ 세션에서는 지난해부터 진행 중인 수열에너지믹스 R&D에 대한 연구성과 발표가 진행됐다.

 

대규모 중앙집중형 수열에너지 실증 연구 진행

김종규 에너지기술연구원 박사는 ‘대규모 중앙집중형 수열에너지 실증연구’를 주제로 발표했다.

 

국내는 2035년 온실가스 배출량을 2018년대비 53~61% 감축하는 목표를 확정했다. 이를 위해 건물부문에서는 히트펌프를 통한 열공급 전기화, 제로에너지건축물(ZEB), 그린리모델링 확산 등을 통해 2018년대비 53.6~56.2% 감축을 목표로 하고 있다.

 

건물부문에서 온실가스 배출의 54% 이상은 냉난방시스템에서 소비되는 것으로 나타나 재생에너지를 활용한 고효율 냉난방시스템 도입이 필요하다.

 

수열에너지 냉난방시스템은 기후의 영향을 크게 받지 않으며 연중 안정적인 열에너지 공급이 가능하며 가스, 석유 등을 이용하는 난방기기대비 최대 68%의 이산화탄소 배출량을 줄일 수 있는 시스템으로 제시됐다.

 

에너지연은 대형 민간건물을 대상으로 히트펌프를 통한 열공급 전기화와 ZEB 달성을 위해 수열에너지를 활용하는 실증연구를 진행하고 있다. 특히 동절기 수열 히트펌프 성능확보와 대용량 히트펌프 보급 확대를 위한 실증을 추진하고 있다.

 

이번 사업은 1, 2단계로 진행된다. 1단계 3년간은 △수열에너지 취수시스템 안정성 확보기술 개발 △수열원 변동대응 대용량 수열에너지 시스템 최적설계 및 구축 △수열에너지 시스템 최적제어·운영 및 성능분석 기술개발 △수열원별 수문학적 안정성 평가 기술 개발 △수열 히트펌프 현안분석 등을 진행한다.

 

2단계 2년 동안은 △수열에너지 취수시스템 특성 분석 및 수온·수질 모니터링 DB 구축 △수열원 변동대응 대용량 수열에너지 시스템 구축완료 및 설계표준화 △수열에너지 시스템 최적제어·운영기술 검증 △장기 성능분석 제시 △수열원별 수문학적 안정성 시나리오기반 평가 및 기술기준안 도출 등을 추진한다.

 

실증 대상은 2027년 말 준공 예정인 지상 17층, 지하 8층, 연면적 약 22만m² 규모의 K-Project 건물이다. 해당 건물에 설치될 수열시스템은 3,000RT 부하를 담당할 예정으로 기존 150RT 18대 설치안에서 현재 1,000RT 3대 설치안으로 설계가 진행되고 있다.

 

동절기 안정적인 수열시스템 운영을 위해 재생열에너지를 이용한 에너지믹스를 위해 정수, 중수, 우수 등을 이용한 열원보상 운전도 계획하고 있다.

 

현재 대용량 수열원 히트펌프 시스템 개념설계와 배치안 수립이 진행되고 있으며 축열조, 수열믹스, 재생에너지를 이용한 열원보상방안, 수열원·재생에너지믹스·축열·AI를 고려한 수열시스템 개념설계가 추진되고 있다.

 

김종규 에너지연 박사는 “재생에너지믹스를 위해 PVT 용량설계, 시스템계통도, 기계실 배치도 등이 작성됐으며 개념설계와 배치안을 구축 중”이라며 “2차연도에는 수열원·에너지믹스, 축열, AI제어를 고려한 수열시스템 상세설계와 시공 P&ID 도면 작성, 수열원 공급관로 수충격 예측, 대규모 수열 히트펌프 인증기준 개선안 도출이 진행될 예정”이라고 말했다.

 

수열원 공급관로 수충격, 시뮬레이션·완화설비로 대응

조용 한국수자원공사 박사는 ‘수열원 공급 시 발생하는 수충격 현상 발생 원인 및 해소 방안’을 주제로 발표했다.

 

수충격 현상은 관로 내 물의 상태를 급격히 변화시킴으로써 발생하는 압력파 현상이다. 시스템운영 중 정전에 의한 펌프 급정지나 밸브 급폐쇄 등으로 관내 유속이 급격히 변화할 경우 압력파가 관로를 따라 전파·반사되며 수충격 현상이 발생한다.

 

수충격 현상은 관로 파손, 펌프 및 밸브 손상 등 시스템 안정성과 운전 신뢰성을 저해하는 요인으로 작용한다. 이에 따라 비정상상태에 대한 관로 및 펌프장 안정성 확보를 위해 수충격 해석과 완화설비 적용이 필요하다.

 

수충격을 예방하기 위해서는 시뮬레이션을 통해 압력변동 특성을 확인하며 필요 시 완화설비를 구축해 안정성을 확보해야 한다. 수충격 사고가 발생할 경우 관로 누수사고나 취수장 제어용 밸브의 밸브축 손상 등이 발생할 수 있다.

 

수충격은 밸브 폐쇄속도에 따라 급폐쇄와 완폐쇄로 구분된다. 급폐쇄는 압력파가 관로를 왕복하는 데 소요되는 시간보다 밸브가 짧게 개폐되는 경우다. 급폐쇄에 의해 수충격 현상이 발생할 경우 상승서지 또는 하강서지가 먼저 발생하며 이에 따른 압력변화가 전파된다.

 

완폐쇄 시에도 수충격 현상은 발생하지만 상승서지와 하강서지가 감쇠돼 압력변화 크기는 상대적으로 감소한다. 폐쇄시간을 길게 할수록 압력변화 크기는 줄어드는 것으로 설명됐다.

 

수자원공사는 성수동 K-Project 건물에 구축 예정인 대규모 수열시스템을 대상으로 수열원 공급관로와 공급·회수배관 현황을 분석했다. 이번 과제에서는 대규모 수열시스템 구축을 위해 자양취수장에서 뚝도정수장까지의 원수관로 중간지점에 수열원 공급 및 회수 배관을 설치해 운영된다. 자양취수장으로부터 약 3,590m 떨어진 지점에서 실증플랜트까지 길이 614m, 관경 600mm 또는 700mm의 분기점을 설치할 예정이다.

 

또한 수열원 공급 및 회수배관의 관경을 600mm와 700mm 조건으로 설정해 CFD 해석을 진행했다. 분석결과 수열원 공급·회수배관의 압력차는 600mm 배관 사용 시 4,259.92Pa, 700mm 배관 사용 시 2,618.15Pa로 나타나 약 38% 감소했다.

 

공급·회수배관 사이 간격에 따른 압력분포도 분석됐다. 관경 700mm 조건에서 배관 간격을 1D에서 5D로 늘릴 경우 차압은 2,618.15Pa에서 2,452.21Pa로 약 6.3% 감소했다. 배관 간격이 멀어질수록 차압이 감소하는 경향이 확인됐다.

 

수열원 공급시스템의 수충격을 효과적으로 저감하기 위해서는 압력상승 억제와 부압 방지를 동시에 고려한 복합적 대응이 필요하다. 대표적인 완화방안으로는 에어챔버와 릴리프밸브가 제시됐다.

 

에어챔버는 압력용기 내부에 형성된 압축성 공기층을 이용해 압력변동을 완충하는 설비다. 관로 내 압력 급상승 시 공기층이 압축되면서 충격에너지를 흡수하고 부압 발생 시 저장된 물을 공급해 수주분리 및 공동현상을 억제한다.

 

릴리프밸브는 관로 내 고압 발생 시 자동으로 개방돼 과잉압력을 외부로 방출하고 정상범위 압력 회복 시 폐쇄돼 압력평형을 유지하는 장치다. 펌프 정지 및 밸브 급폐쇄 등으로 발생하는 순간적 압력을 억제하는 수충격 완화수단으로 사용된다.

 

조용 한국수자원공사 박사는 “향후 연구에서는 관로 구성과 수열시스템 운전조건에 따른 수충격 위험성을 분석하고 수충격 완화설비 적용 가능성을 검토할 예정”이라며 “이를 통해 다양한 운전조건에서 안정적인 수열시스템 운영이 가능하도록 검증할 계획”이라고 말했다.

저수온 수열HP 안정운전 핵심 '동결대응기술' 개발

박형준 장한기술 상무는 ‘수열원 열교환기 동결 생성 감지 및 제거기술’을 주제로 발표했다.

 

수열원 히트펌프시스템은 하천, 강, 호수, 바다, 지하수 등 대기보다 온도변동이 작은 자연 수열원으로부터 열에너지를 회수·방출해 냉난방을 수행하는 고효율 시스템이다.

 

수열시스템에 활용되는 수열열교환기는 전열면적 극대화를 위해 얇은 금속 전열판을 다수 적층한 판형 구조가 주로 활용되고 있다. 이때 판형열교환기는 유로 간격이 좁고 형상이 복잡해 저수온 환경에서 결빙에 취약하다. 동절기 수열원 온도가 5℃ 이하로 낮아지는 구간에서는 열교환 과정 중 수열원 측 유로 내부에서 결빙이 발생하기 쉽다.

 

결빙이 시작되면 수지상 결빙이 유로 단면을 빠르게 폐쇄해 열교환 성능과 시스템효율이 급감한다. 또한 얼음의 체적팽창으로 전열판이 변형·파손돼 동파사고로 이어질 수 있다.

 

박형준 장한기술 상무는 “기존 대응방식으로는 수열원 입구온도가 임계값 이하일 때 시스템을 강제 정지하는 방식, 수열원 유량을 과도하게 증가시켜 결빙을 지연시키는 방식, 히트펌프를 역사이클로 운전해 제상하는 방식 등이 있다”라며 “그러나 강제정지와 과유량 운전은 동절기 난방부하가 높은 시점에 시스템 가용률을 낮추거나 펌프동력 증가를 초래하며 역사이클 제상은 난방공급의 일시중단과 시스템 구성 복잡하다”고 말했다.

 

연구진은 이러한 한계를 해결하기 위해 동결 발생을 조기에 감지하고 시스템 정지 없이 동결 부위를 즉각 해빙할 수 있는 통합형 수열열교환기기술을 연구했다. 시스템은 수열원 유로와 독립된 가열유체 유로를 적층 구조에 내장한 신규 열교환기, 열매체와 수열원 출구온도의 역전패턴을 이용한 동결감지 알고리즘, 가열유체 공급에 의한 무중단 동결제거 및 자가복귀 제어 등으로 구성된다.

 

3유로 적층 열교환기는 기존 열매체와 수열원의 2유로 구조에 가열유체 유로를 추가한 구조다. 전열판 적층순서는 △열매체 △수열원 △가열유체 △수열원 △열매체 등으로 배치되며 가열유체 유로 양측에 수열원 유로가 위치하도록 구성된다.이에 따라 가열유체 1매로 양측 수열원 유로를 동시에 가열할 수 있어 동결 제거 시 단위 가열유체 유량당 해동 효율을 높일 수 있다.

 

운전모드는 △정상운전 △감지운전 △제거운전 등으로 구분된다. 정상운전 시 수열원과 열매체만 순환하며 가열유체 유로는 비활성 상태로 유지된다. 감지운전은 일정 진입조건을 만족할 때 자동으로 시작되며 감지운전 중 동결로 판정되면 즉시 제거운전으로 전환된다. 제거운전 중에도 수열원과 열매체 공급은 지속돼 시스템 정지 없이 동결 해소가 가능하다.

 

동결감지는 온도역전 패턴을 활용하며 정상운전 시 수열원 출구온도와 열매체 출구온도는 일정한 관계를 유지하지만 수열원 측 유로 일부에서 결빙이 시작되면 열매체 출구온도가 주기적으로 급강하한다. 이때 열매체 출구온도가 수열원 출구온도보다 낮아지는 온도역전 현상이 동결 초기에 간헐적·반복적으로 관측되는 현상이 나타난다.

 

박형준 장한기술 상무는 “수열원 입구온도 5℃ 이하, 열매체 입구온도 0℃ 이하 조건에서 1,000ms 이내 열매체 출구온도가 수열원 출구온도보다 낮아지는 현상이 3회 이상 발생할 경우 동결로 판정하는 알고리즘을 구성했다”라며 “이를 통해 수열원 입구온도만 모니터링하던 기존 방식보다 열교환기 내부의 국부동결을 조기에 포착할 수 있다”고 말했다.

 

상태가 동결로 판정되면 제어부는 가열유체 공급밸브를 개방해 가열유체를 동결제거 유로로 공급한다. 가열유체는 가열장치에 의해 가열된 온수 또는 태양열·폐열 회수시스템 등 재생에너지원으로부터 공급되는 온수를 활용할 수 있다. 가열유체 유로는 양측 수열원 유로와 인접하도록 배치돼 단일 가열판으로 두 개의 수열원 유로를 동시에 가열할 수 있다.

 

제거운전 중에도 수열원 펌프와 열매체 순환펌프는 정지하지 않고 계속 운전된다. 이를 통해 동결 해소 과정에서 난방공급의 단절을 방지하고 빙층 제거로 발생한 물을 수열원 측으로 배출할 수 있다.

 

동결 해소 후 출구온도가 정상범위로 회복되면 제어부는 열매체 출구온도가 수열원 출구온도보다 높은 관계가 일정시간 안정적으로 유지되는지 확인한 뒤 가열유체 공급을 자동 차단하고 정상운전 모드로 복귀해 운영자의 수동개입 없이 감지, 제거, 복귀 전 과정이 자동으로 수행되는 자가치유 운전이 구현된다.

 

박 상무는 “향후 연구에서는 해당 기술을 실증시스템에 적용해 감지 알고리즘 매개변수 최적화와 가열유체 유량·온도에 따른 동결제거 응답특성을 정량적으로 평가할 예정”이라고 말했다.

 

성수동 K-Project 수열·수축열 설계사례 공유

강한기 이젠엔지니어링 대표는 ‘성수동 K-Project 수열 수축열 설계 사례’를 주제로 발표했다.

 

이젠엔지니어링은 롯데월드타워 수열시스템 구축 등 관련역량을 보유한 기업으로 이번 K-Project 내 수열시스템 설치를 위한 최적설계, 운전, 성능 및 효과검증 등을 수행하고 있다.

 

성수동 K-Project는 미래에셋자산운용이 발주한 대규모 프라임오피스빌딩으로 서울 성동구 성수동2가에 위치한다. 대지면적은 약 1만5,000m², 연면적은 21만8,093.07m²이며 지하 8층, 지상 17층 규모로 건립될 예정이다.

 

이번 과제는 ZEB 5등급 달성을 목표로 하며 환경부의 수열에너지 보급 지원 시범사업과 연계해 국내 최대 규모의 중앙집중형 수열시스템 실증플랜트를 구축될 것으로 기대된다. 전체 건물부하 5,000RT 중 냉난방 부하 3,000RT를 수열시스템으로 설계했으며 이중 실증용량은 1,000RT다.

 

이번 과제는 한강수 직접취수를 활용한다. 롯데월드타워가 팔당에서 취수한 광역원수를 활용하는 방식이었다면 K-Project는 자양취수장에서 한강수를 직접 취수해 활용하는 방식이다.

 

직접취수 한강수는 팔당댐 수온보다 낮아 동절기 운전 안정성 확보를 위한 보조열원 활용이 검토됐다. 이를 위해 태양열과 유출수 등을 보조열원으로 활용할 예정이며 태양광·열복합모듈(PVT)에서 발생하는 열을 히트펌프 열원보상에 활용할 수 있도록 설계됐다.

 

이젠엔지니어링은 다양한 원수에 대한 수처리방안 연구와 실증을 위해 이물질 종류와 상태를 검토했다. 한강물을 직접 취수할 경우 발생 가능한 이물질에 대한 고찰과 스트레이너 검토를 실시했다. 원수 내 이물질로 인한 열교환기 폐쇄를 방지하기 위해 자동세척 기능이 포함된 오토스트레이너 2기를 직렬로 배치하는 방안이 적용됐다.

 

강한기 이젠엔지니어링 대표는 “수열 수축열설계를 진행해 수열원, 히트펌프, 축열조 등을 포함한 시스템 구성이 마련될 예정이며 수열 단수 시 활용할 냉각탑도 예비로 설치할 것”이라며 “건물에서 발생하는 유출수 등을 우수조에 모아 보조열원으로 활용하는 시스템도 설계했다”고 말했다.

 

또한 설계 초기에는 개별 냉매절환 방식인 150RT 18대 적용이 검토됐으나 시스템 안정성과 대용량 부하 대응력을 높이기 위해 대용량 수배관 절환 방식인 1,000RT 3대 방식으로 설계가 변경됐다.

 

이때 대용량 히트펌프는 냉매전환이 어려워 여름철에는 증발기 측으로 물을 보내고 겨울철에는 응축기 측으로 물을 보내는 수배관 절환방식이 적용된다. 이를 위해 중간열교환기 설계가 반영됐다. 겨울철 히트펌프 측 유동유체 온도가 낮아질 경우 부동액을 사용해야 하며 축열조와 분리하기 위해 중간열교환기가 설치될 예정이다.

 

우수와 중수 활용도 설계에 포함됐다. 우수조는 여름철에는 외부로 배출하고 겨울철에는 유출수를 담아 열원보상시스템으로 활용하는 방식이 적용됐으며 중수도 히트펌프 보조열원으로 활용될 수 있도록 시스템이 설계될 예정이다.

 

강한기 이젠엔지니어링 대표는 “향후에는 온도와 이물질 등 수질 관련 데이터를 자동수집할 예정이다. 자양취수장에 실제 열교환기 등을 설치해 운전한 뒤 열교환기 판에 부착되는 이물질 양 등을 측정할 계획”이라며 “2027년 준공 이후 진행될 실증단계에서는 동절기 극저수온 대응 제어로직과 AI 기반 최적운영기술을 확보해 국내 수열에너지 보급을 위한 표준모델을 정립하는 것을 목표로 하고 있다”고 말했다.

 

수열E 운영, 지식그래프·AI 에이전트로 고도화

이동혁 나인와트 회원은 ‘지식 그래프-AI 에이전트 연계 수열에너지 시스템운영 방안’을 주제로 발표했다.

 

수열에너지시스템은 탄소중립 실현을 위한 에너지전환 과정에서 도심지의 안정적인 열원으로 주목받고 있다. 그러나 원수 온도 변동성과 수요처의 동적인 부하패턴이 복잡하게 얽혀 있어 최적의 에너지효율을 달성하기 위한 운영 난이도가 높다.

 

기존 운영방식은 특정 상황에 맞춰 개별 제어로직을 설계하는 애드혹 형태의 규칙기반 프레임워크에 의존해왔다. 이는 시스템 확장성과 변화하는 운영환경에 유연하게 대응하는 데 한계가 있다. 또한 숙련된 관리자의 암묵지에 의존하는 경향이 있어 프로젝트 종료나 인력교체 시 핵심 엔지니어링 지식이 소실되는 문제가 발생할 수 있다.

 

현재 HVAC 운영은 매뉴얼 및 규칙기반제어의 경직성, 순수 데이터기반제어의 한계, 핵심 암묵지통합 미비 등 구조적 한계를 갖고 있다. 규칙기반제어는 조건이 바뀔 때마다 제어 프레임워크를 다시 설계해야 하며 새로운 현장에 재사용하기 어렵다. 순수 데이터기반제어는 초기 학습데이터가 부족한 콜드스타트 문제와 제어 맥락을 이해하기 어려운 블랙박스 문제가 있다.

 

이동혁 나인와트 회원은 “도메인지식의 체계적 구조화와 현장전문가의 피드백을 통합하는 AI 협업체계가 필요하다”라며 “도메인지식과 전문가 암묵지를 온톨로지와 지식그래프 형태로 구조화하고 전문가 피드백을 지속적으로 반영해 AI 기반 생태계에 통합하는 방식”이라고 말했다.

 

온톨로지는 건물설비와 센서, 공간 사이의 관계를 AI 에이전트가 이해할 수 있는 방식으로 재정의하는 지식의 문법이다. 지식그래프는 이 문법에 따라 실제 현장데이터를 정리한 결과물로 AI가 추론하기 쉬운 구조로 구성된다.

 

건물에너지분야에서는 브릭스키마와 SAREF 등이 활용된다. 브릭스키마는 건축요소, HVAC, 조명 등 건물 구성요소의 맥락과 관계를 표현하는 표준 온톨로지이며 SAREF는 센서와 IoT 기기 모델링에 특화된 표준 온톨로지 스키마다.

 

수열에너지시스템을 대상으로 한 지식그래프는 △수열원 히트펌프 △공조공간 △축열조 △배관 △센서 간 관계를 구조화하는 방식으로 구성된다. 이를 통해 △도면 △BEMS 데이터 △전문가 인터뷰 △연구보고서 △학술논문 등 형식이 다른 자료를 하나의 지식망으로 연결할 수 있다.

 

또한 전문가 피드백과 지식그래프 보정은 인간 피드백 기반 강화학습인 RLHF 체계를 통해 AI 에이전트의 정책을 전문가의 고차원적 판단기준과 정렬하는 데 활용된다. AI가 결정을 내리면 채점모델이 점수를 부여하고 높은 점수를 받는 방향으로 AI 정책이 강화되는 구조다.

 

전문가 간 경험지식이 상충될 경우 이를 제거하기보다 보존하면서 상황에 맞게 평가하며 서로 다른 전문가 지식을 하나로 합치지 않고 별도의 서브 지식그래프로 분리 보존하거나 실시간 BEMS 데이터를 기준으로 현재 상황에 맞는 지식을 선택하는 방식을 활용할 수 있다. 또한 DST와 같은 증거이론과 AAF와 같은 논증 프레임워크를 결합하는 구조도 고려할 수 있다.

 

이동혁 나인와트 회원은 “이번 연구를 통해 수열에너지시스템의 효율적 운영을 위해 지식그래프, AI 에이전트, 전문가 피드백을 유기적으로 결합한 자율운영 프레임워크를 제시했다”라며 “다양한 현장데이터를 지식그래프로 구조화하고 설비 변경에도 유연하게 대응할 수 있는 지식기반이 필요하다”고 말했다.

 

도심지 미활용 수열원 활용 소규모 분산형 패키지 제시

김민성 썬앤라이트 대표는 ‘도심지 미활용 수열원 활용을 위한 소규모 분산형 복합 수열 패키지시스템 구축연구’를 주제로 발표했다.

 

썬앤라이트가 총괄하고 있는 이번 연구는 기존 대규모 하천수 중심 광역 수열시스템이 가진 공간적 제약과 장거리 열수송 손실 한계를 극복하기 위해 추진됐다. 연구진은 개별 건물 단위에서 하·폐수와 유출지하수를 직접 취수·활용하는 모듈형 패키지 시스템을 제안하고 검증했다.

 

연구에서는 하수, 폐수, 유출지하수 등 다양한 열원을 통합적으로 활용해 최적 에너지믹스 설계를 진행하고 경제성을 검토하기 위해 △수열원 특성·안정성 평가 △건물 용도별 열수요 예측 △실증지 기반 시스템 패키지 설계 등을 수행했다.

 

수열원별 물리·화학적 특성과 안정성을 평가한 결과 하수 및 유출지하수는 하천수 대비 계절적 수온 변화가 적어 연중 안정적인 고효율 열공급이 가능한 것으로 분석됐다.

 

하수처리수는 연중 수온이 약 10~25℃ 범위를 유지하며 변동계수는 5~10% 수준으로 나타났으며 유출지하수는 연중 11~15℃ 내외를 일정하게 유지하며 변동계수 2~5% 수준으로 평가됐다. 반면 하천수는 변동계수가 15~30%로 나타났다.

 

김민성 썬앤라이트 대표는 “수열원의 수질성상을 고려한 맞춤형 전처리공정과 직·간접식 열교환 설계가 필요하다고 분석했다”라며 “다양한 미활용 수열원을 이용하는 시스템의 주요 기술제약은 열교환기 내 스케일과 파울링 형성에 따른 열전달 효율 및 장비 내구성 저하”라고 말했다.

 

또한 연구진은 호텔·병원·상업시설 등 총 116개 실무설계 프로젝트데이터를 수집해 표준화된 DB를 구축했다. 또한 구축된 수열원 및 열수요 DB를 Q-GIS와 연동해 도심지 내 수열원과 수요처 매칭을 위한 시각화 프로토타입을 개발했다. 사용자가 지도상 특정건물을 선택하면 해당 건물의 수열에너지 잠재량과 관련 속성정보가 표출되는 방식이다.

 

실증지는 서울 용산에 위치한 대형 숙박시설인 드래곤시티호텔이다. 해당 건물은 기존에 빙축열 터보냉동기, 증기보일러, 지열히트펌프 등을 사용하고 있으며 심야전력과 화석연료 의존도가 높은 것으로 나타났다. 현장조사 결과 세탁실에서 발생하는 고온 폐수와 지속적으로 배출되는 유출지하수의 안정적인 유량 확보가 가능한 것으로 확인됐다.

 

이를 바탕으로 최종 실증지에는 총 160RT 규모의 소규모 분산형 복합수열패키지시스템 설계안이 도출됐다. 구성은 △하수·폐수 60RT △유출지하수 100RT 규모다. 세부적으로는 세탁폐수 30RT, 객실하수 30RT, 유출지하수 100RT를 활용하는 방식이다.

 

세탁실 폐수는 계면활성제와 부유물질 농도가 높아 수처리장치를 거친 후 쉘앤튜브 열교환기를 통해 1차적으로 열을 회수하는 간접식 복합 수열 패키지가 적용됐다. 객실에서 발생하는 하수처리수는 수처리장치를 통과한 후 수열 히트펌프 내 쉘앤튜브 열교환기로 직접 유입되는 직접식 복합 수열 패키지 방식이 적용됐다.

 

연구결과 유출지하수는 초기 수질지수 평가에서 비교적 수질이 양호한 것으로 나타났으나 ICP 장비를 활용한 정밀 수질분석결과 스케일 형성 원인이 되는 일부 무기물이 검출됐다. 이에 따라 히트펌프를 스케일로부터 보호하고 기존 지열히트펌프 설비와 안정적으로 연계하기 위해 판형 열교환기를 적용한 간접식 복합 수열 패키지로 구성됐다.

 

김민성 썬앤라이트 대표는 “실증지 수열원 샘플을 채수해 수질을 정기적으로 확인 중”이라며 “유출지하수는 연구 초기에는 포함되지 않았지만 활용 가능성이 있어 추가로 수질 검토를 진행하고 있다”고 말했다.

 

측정값은 LSI와 RSI를 통해 스케일 생성 가능성을 평가했으며 ICP 측정 결과 유출지하수는 하·폐수 원수 및 처리수 대비 칼슘, 마그네슘, 규소 성분이 높게 나타났다.

 

또한 사전 에너지 소비량 시뮬레이션 결과 160RT 규모의 복합 수열 패키지 시스템 도입 시 기존 화석연료 기반 설비대비 연간 약 73%, 127만9,000kWh의 에너지소비량 절감 효과가 도출됐다.

 

운영비용은 에너지 비용 절감과 유출지하수 방류요금 감면을 합산해 연간 총 1억5,979만1,184원, 기존 전체 운영비대비 약 47% 절감되는 것으로 분석됐다.

 

김민성 썬앤라이트 대표는 “향후 연구에서는 본 설계안의 현장 실증을 통해 파울링 방지기술의 장기 내구성을 검증할 예정”이라며 “실측 데이터를 AI 예측모델과 연계하는 통합제어 솔루션을 완성해 도심형 분산 수열에너지 시스템의 상용화를 위한 운영표준을 제시할 계획”이라고 말했다.

 

폐·하수 직접열교환 시스템 연구방법 제시

강정수 이젠엔지니어링 연구원은 ‘폐·하수 직접열교환 시스템의 연구 방법에 대한 고찰’을 주제로 발표했다.

 

이번 연구는 환경산업기술원의 AI기반 소규모 분산형 복합 수열에너지 회수시스템 개발을 위해 추진되고 있다.

 

세탁폐수, 하수, 지하유출수 등 도심 내 미활용 수열원을 활용해 160RT 이상 규모의 시스템을 구축하며 200일 이상 실증을 통해 열회수 성능저하율 10% 미만, AI 활용 예측 정확도 80% 이상 운전을 목표로 하고 있다.

 

국내 수열에너지는 현재 신재생에너지 적용 비중이 1% 미만으로 낮으나 정부는 이를 2030년까지 3% 수준으로 확대할 계획이다. 특히 도심 내 하수, 폐수, 유출지하수 등 미활용 수열원은 열원과 사용처 사이의 거리가 짧아 에너지회수 시 경제적 가치가 높지만 관련 기술의 한계로 잠재량이 미활용되고 있다.

 

연구진은 △하수 △폐수 △유출수 등이 정량적으로 발생하는 서울 드래곤시티호텔을 실증단지로 선정해 연구를 진행하고 있다. 해당 실증지는 △세탁폐수 △하수 △유출지하수 등 분산형 수열원을 확보할 수 있어 시스템 적용성을 확인하기에 적합한 곳으로 검토됐다.

 

기존 열교환방식은 주로 판형열교환기나 쉘앤튜브 열교환기를 활용하는 간접 열교환방식이다. 그러나 하수나 폐수, 유출수에는 각종 미생물과 금속성분, 부유물질 등이 포함돼 파울링이 발생할 수 있으며 내부 스케일·부식·침식 등으로 열교환 성능저하와 열교환기 파손 위험이 나타날 수 있다.

 

이를 보완하기 위해 스트레이너나 와이드갭 열교환기를 활용하는 방안이 적용되고 있으나 유지보수에 많은 인력이 필요하다. 오토스트레이너를 사용할 경우에도 추가 전력 사용과 시스템 에너지 사용량 증가가 발생할 수 있어 이를 해결하기 위한 연구가 필요하다.

 

열교환기 파울링은 스트레이너를 통과한 이후에도 미세섬유, 부유물질, 유기물, 박테리아 등이 남아 열교환기 내부에 부착되며 발생한다. 스케일은 하·폐수 등에 포함된 화학성분이 열교환기 내부로 유입되며 발생한다.

 

강정수 이젠엔지니어링 연구원은 “이러한 문제를 직접열교환 방식으로 해결할 수 있는지 검토하고 있다”라며 “직접열교환 방식은 수열원 내부에 특수 제작된 열교환기를 직접 투입해 추가적인 원수 순환펌프 동력 소모 없이 히트펌프와 순환하며 열을 이용하는 방식”이라고 말했다.

 

연구진들은 침전식 용접 딤플 플레이트 열교환기를 제안했다. 딤플 열교환기는 표면의 딤플 구조를 통해 유체의 난류와 와류를 증대시키고 전열면적을 극대화해 열전달 효율을 높이는 구조다. 또한 파울링 형상을 억제할 수 있어 직접열교환 시스템 구현에 활용될 수 있다.

 

실험은 대조실험, 본실험 및 열교환, 성능산출, 물리적 상태 분석 순으로 진행된다. 연구진은 빙융해 잠열을 이용한 열량계 방식을 적용해 딤플 플레이트 단일 모듈의 기초 성능을 실제 현장 데이터와 대조해 정량화하는 방법론을 제시했다.

 

성능산출 이후에는 실제 하수 성분에 노출된 딤플 플레이트 표면의 물리적 상태를 분석한다. 용접부위의 부식 발생 여부와 플레이트 전열면에 부착된 스케일의 두께 및 성분을 측정하며 수집된 데이터는 데이터베이스화된다.

 

이를 통해 직접열교환 시스템은 기존 수열시스템의 원수 순환펌프와 수처리장치를 배제할 수 있어 부속설비 동력소모를 줄일 수 있으며 시스템 COP가 기존 방식대비 약 10% 이상 향상될 수 있으며 초기 투자비도 수처리장치와 배관공사비 생략에 따라 약 10~15% 저감될 것으로 예상된다.

 

강정수 이젠엔지니어링 연구원은 “시공 편의성 향상, 공기 단축, 유지관리 용이성 등의 부수적 이점도 예상된다”라며 “딤플 플레이트 입출구 온도, 유량, 폐수조 수위 및 온도변화 데이터를 5분 단위로 수집해 향후 AI 기반 열원 공급량 및 수요예측 모델 구축을 위한 학습 데이터셋으로 활용할 계획”이라고 말했다.

 

이어 “향후 연구에서는 본 실험을 통해 확보된 성능계수와 방오 데이터를 기반으로 AI 제어모델을 고도화하고 복합 수열에너지 시스템 실증을 추진할 예정”이라고 말했다.