최근 유천써모텍(대표 김철영)이 지열히트펌프에서 버려지는 응축열을 활용해 효율을 획기적으로 높인 제품을 개발, 신기술인증(NET)를 획득했다. 이번 신기술개발을 주도한 유병기 상무를 만나 기술에 대한 설명과 향후 개발계획을 들었다.

■ 신기술 개발배경은
최근 국가적으로 제로에너지빌딩(ZEB) 활성화 정책이 추진되고 있다. 이에 따라 단열·기밀 등 패시브건축이 지난해부터 의무화돼 신축건축물의 냉난방부하가 현저하게 감소했다.

문제는 급탕부하다. 냉난방부하 감소에도 불구하고 문화적 특성과 생활수준 향상에 따라 급탕부하는 하절기에도 오히려 증가하고 있다. 이 때문에 기존에 사용하던 열원시스템의 용량을 낮춰 적용하는 것에 한계가 있다.

신축건물의 경우 난방을 기준으로 보일러 용량을 산정하면 2,125kcal/h면 충분하지만 급탕기준으로는 2만4,000kcal/h를 적용해야 한다. 이는 급탕사용량 증가는 물론 빈번한 운전·정지에 따라 보일러가 수차례 기동·정지하며 프리·포스트퍼지(Pre·Post Purge)하기 때문에 열손실이 커지기 때문이다.

신기술은 이와 같은 상황을 개선함으로써 ZEB시대를 앞당기기 위해 개발됐다. 건축물용 신재생에너지로 각광받고 있는 지열히트펌프에서 버려지는 응축열을 이용해 급탕가열하는 시스템이다.

통상 히트펌프에서 30~40℃로 지중에 버려지는 열은 그대로 사용하기에는 인간생활에 크게 도움이 되지 않는다. 그러나 이를 50~60℃로 승온시킬 경우 급탕 등 많은 용도로 활용할 수 있는 에너지가 된다.

기술은 이미 상용화됐으며 신기술적용 시 히트펌프의 COP를 크게 높일 수 있고 복합열원을 이용함으로써 지중열을 적게 활용해 지중온도의 상승을 최소화할 수 있다.

■ 과열·과냉각 기술을 사용하는데
핵심기술은 △냉매과열증기 이용기술 △역냉매 과냉각기술 △복합열원의 효율적 절환제어기술 등이다.

냉매과열증기 이용기술은 ‘디슈퍼히터’를 이용해 과열교환하고 냉방응축열은 승온한 고온열을 회수하는 기술이다. 또한 냉각탑 등 상온열을 활용해 고온과열가스를 효율적으로 방열하는 기술도 포함된다.

역냉매 과냉각기술은 지중열교환기나 서브쿨러에서 과냉열교환하는 기술로 냉방능력을 높이고 압축기의 고압발생을 억제하는 효과가 있다.

복합열원 절환제어기술은 급탕조 성층화, 냉각탑, 저수조, 지중열 등의 열원을 효율적으로 이용하기 위한 기술이다.

이를 가능케하는 열교환기는 △디슈퍼히터 △지중열교환기 △서브쿨러 △냉난방열교환기 등 4개로 구성된다.

제품화된 시스템은 2가지다. 먼저 ‘성층화 기술을 이용한 효율적 급탕가열시스템’은 급탕열을 이용한 성층화저수조를 활용한다.

중온~저온인 직수를 받아 서브쿨러에서 과냉각 열교환한 뒤 성층화저수조의 하부 급수로 이용하거나 냉난방열교환기로 보내져 실내온도제어에 활용된다.

냉난방열교환기를 거친 상온의 냉매는 압축기에서 승온한 뒤 디슈퍼히터에서 과열시켜 성층화저수조의 상부 급탕으로 이용한다.

디슈퍼히터에서 열을 빼앗긴 냉매는 지중열교환기로 보내져 과냉각되며 이를 서브쿨러에 보내 냉열을 직수에 전달한다. 온도가 다시 높아진 냉매는 디슈퍼히터로 돌아가 과열에 이용된다.

다른 시스템은 ‘복합열원의 효율적 활용을 통한 냉매 과열&과냉각 시스템’이다. 이 시스템은 4가지 열교환기에 냉각탑이 더해진다.

앞서 언급한 시스템계통에서 성층화축열조 대신 냉각탑이 디슈퍼히터와 결합돼 과냉각에 활용된다. 이는 급탕부하가 작거나 없는 대신 냉난방부하가 큰 업부용·상업용 시설에 적합한 시스템이다.

지중온도를 일정하게 유지하기 위해 폐열 일부를 냉각탑으로 방출한다. 지중에서는 지중열교환기를 통한 과냉각이 이뤄지기 때문에 시스템의 효율이 향상되는 효과가 있다.

■ 냉방·급탕 시 효율이 높은데
공인시험기관에서 성층화 급탕조시스템의 성능시험 결과 냉방·급탕을 함께 이용할 경우 급탕 60℃ 기준으로 TER(Total Energy Ratio)이 9.0, 50℃ 기준으로는 10.2가 도출됐다. 냉방COP만 놓고보면 급탕 60℃일 때 3.96, 50℃일 때 4.55로 높은 수준을 보였다.

특징적인 점은 냉방과 급탕을 함께 사용할 경우 지열을 사용하지 않기 때문에 효율이 높고 지중온도를 일정하게 유지할 수 있다. 냉방전용모드에서는 지열을 이용하며 지중온도가 25℃일 때 COP는 5.19다.

복합열원 & 과냉각시스템의 성능시험 결과 역시 우수한 것으로 나타났다. 지중온도가 30℃일 때 과냉각 열원온도는 20℃, 냉방능력은 203kW, COP는 5.29로 일반 지중열원 히트펌프가 냉방능력 181kW, COP 4.6인 것에 비해 우수하다.

지중온도가 25℃라면 성능은 더욱 개선된다. 이때 COP는 일반 히트펌프 5.19에 비해 5.52를 달성했다.

△성층화 급탕조시스템 성능시험 결과

■ 저온제습기술과 접목을 준비 중인데
이번 신기술을 받은 시스템에 데시컨트 휠을 장착하는 ‘제습냉방 재열원시스템’을 연구하고 있다. 이는 디슈퍼히터에서 55℃ 열원을 공급해 데시컨트 쿨링에 제어로 활용하고 과냉각 열원은 성층화 효과로 이용하는 시스템이다.

제습냉방 히트펌프 시스템은 디슈퍼히터에서 제습재 재생을 위한 50~60℃의 고온열을 보내고 서브쿨러에서는 냉매과냉각 및 급탕공급을 담당한다. 지중열교환기는 지중축열을 통해 고온제습공기를 1차 냉각하며 빙축열 증발기는 공조급기의 2차 저온냉각을 수행한다.

또한 함께 적용되는 대온도차 및 저온급기시스템은 15~20℃의 냉수대온도차(ΔT)로 10℃의 저온냉풍을 공급한다.

이 경우 제습을 위해 65℃의 온수를 공급한다고 하더라도 냉방 COP는 4.03을 달성할 수 있을 전망이다.

■ 향후 사업계획은
유천써모텍의 주력은 우수조달제품이다. 이번 NET를 기반으로 우수조달을 연계해 정부에서 추진하는 ZEB시스템에 적합한 시스템으로 지속 개선할 방침이다.

기존 우수조달 모델은 600HT이지만 보다 성능을 강화하고 복합열원이 추가된 시스템을 토대로 다시 우수조달제품 지정을 준비하고 있다. 현재 적용현장을 중심으로 6개월여간 충분히 사전검증을 진행한 후 내년 초 지정을 목표로 추진 중이다.