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히트펌프얼라이언스, 히트펌프 발전방향 제시

2020년 한국히트펌프얼라이언스 정기세미나 개최



산업통상자원부 인가 사단법인 한국히트펌프얼라이언스(공동의장 김민수 서울대 교수, 김완진 투데이에너지 대표)가 11월12일 부산 BEXCO에서 정기세미나를 개최했다. 

이번 정기세미나는 산·학·연을 중심으로 히트펌프산업 활성화를 위해 마련됐으며 ‘국제환경에너지산업전’ 부대행사로 개최됐다. 

발표는 △스마트시티와 신재생열에너지 보급현황(민경천 지엔원에너지 대표) △스마트팜산업에서 히트펌프의 역할(이성주 이너지테크놀러지스 상무) △PVT+히트펌프를 이용한 ZEB 에너지 자립화 시스템(조성구 이맥스시스템 부사장) △새로운 히트펌프 냉매로서 가연성 냉매의 국내 KS적용(최준영 한국산업기술시험원 박사) △소량 냉매사용 및 냉온수 동시생산이 가능한 산업용 히트펌프 기술개발(황준현 매그플러스 대표) △지속가능한 친환경 수열에너지의 전망과 향후 과제(고지훈 한국수자원공사 차장) 등 순으로 진행됐다. 

스마트시티 E핵심 ‘신재생열에너지’
민경천 지엔원에너지 대표는 적용사례를 중심으로 ‘스마트시티와 신재생열에너지 보급현황’ 발표를 진행했다. 

스마트시티는 도시에 IT, 빅데이터 등 신기술을 접목해 각종 도시문제를 해결하고 지속가능한 도시를 만들 수 있는 모델로 2014년의 경우 방범·방재, 교통 등 2개 분야가 적용사례의 67%를 차지했다. 최근에는 방범·방재, 교통 이외에 행정, 환경·에너지·수자원, 시설물관리, 보건·복지 등으로 적용분야가 다양해지고 있다. 

세계적으로 도시는 인구집중과 기반시설 노후로 인한 자원부족, 교통혼잡, 에너지부족 등 다양한 문제에 직면했으며 4차 산업혁명에 맞춰 IT기술을 바탕으로 스마트시티 정책이 선도적으로 추진됐다. 

현재 정부는 세종 5-1 생활권, 부산 EDC를 국가시범도시로 선정해 관련사업을 진행 중이다. 

민경천 대표는 “우리나라는 사계절이 뚜렷해 냉난방 모두 고려해야 하며 이에 필요한 열에너지는 재생에너지 적용을 통해 친환경적으로 공급이 가능하다”라며 “국내에서는 지역사회에 필요한 전기와 열을 신재생에너지를 활용해 생산하는 ‘자립형 스마트시티’사업을 진행 중이고 세종과 부산을 비롯한 다른 지역에서도 친환경 미래에너지 도시를 조성하기 위한 움직임이 있다”고 말했다. 

이어 “정부의 다양한 정책추진 및 조성확산 노력에 힘입어 스마트시티 정부지원 사업을 추진하는 지자체는 총 67여곳으로 집계되고 있다”고 말했다. 

지엔원에너지의 대표적인 국내 수열에너지 적용사례로 롯데월드타워가 있다. 지엔원에너지는 롯데월드타워에 3,000RT 규모 수열히트펌프를 적용해 전체 냉방부하의 15%를 수열에너지를 통해 공급하고 있다. 

특히 수열에너지 적용을 통해 흡수식 냉온수기대비 에너지사용량과 이산화탄소 배출량을 각각 35.8%, 37.7% 감축했다. 또한 냉각탑 6기를 제거해 600m²의 면적을 절감하고 66t의 건물하중 감축 등을 통해 연간 7억원의 에너지비용 절감에 성공했다. 

지엔원에너지는 △강원도 수열에너지 융복합 클러스터조성(소양강댐 용수 이용, 1만6,500RT규모) △종합환경연구단지 수열공급 시범사업(하천수 이용, 2,000RT규모) △남동발전 양식장(남동발전소 온배수 이용, 7,500RT규모) 등 수열에너지 활용 연구프로젝트와 △열거래를 위한 복합 및 분산형 스마트 허브축열시스템 개발 △에너지공유 커뮤니티 기술개발 △수처리 공정개선 기술개발 등 다양한 신재생열에너지 활용 연구프로젝트에 참여해 우수한 성과를 보여주고 있다. 

스마트팜 E절감 핵심 냉난방 히트펌프시스템
이성주 이너지테크놀러지스 상무는 ‘스마트팜산업에서 히트펌프의 역할’ 발표를 통해 “현재 농업은 노동수익성이 높지 않고 노동과 휴식의 경계가 불분명하다”라며 “또한 초기비용과 교육에 대한 지원부족 등의 문제로 인해 고령화가 심화되고 있다”고 지적했다. 

수익성, 진입장벽, 고정관념 등으로 인한 농업의 고령화 문제는 지속적으로 제기돼왔다. 이러한 문제를 해결하고 농업의 미래를 이끌어갈 방안으로 스마트팜이 주목받고 있다. 

정부는 전북과 경북 등에 대단위 스마트팜 혁신밸리 조성을 추진하고 있으며 △교육·실습·임대경영·창업·주거의 원스톱지원 △국산화 설비의 기능검증 및 성능향상 테스트베드 △작물재배법개발 △데이터기반 영농 △해외시장 진출 △생산성향상 △소득증대기반 등의 효과를 창출할 것으로 예상하고 있다. 

전북 혁신밸리는 5만3,000m²(약 1만6,000평) 규모 시설의 온열부하 8,500kW를 히트펌프 80%, 보일러 20%로 열원을 구성하고 있다.

경북 혁신밸리는 △청년보육온실 6개동 △실증온실 4개동, 13구획 △임대온실 2개동, 8구획 등의 열원을 지열냉난방 80%, 보일러 20%로 구성해 2022년 준공을 목표로 조성 중이다.

이성주 상무는 “고온성 작물과 저온성 작물의 연중재배를 통한 소득증대 및 고용인력 활용도 향상을 위해 난방뿐만 아니라 냉방도 필수요건으로 변화되고 있다”라며 “여기에 사용되는 에너지비용을 감축하기 위한 방법으로 히트펌프가 주목받고 있다”고 말했다. 

이어 “100kcal당 운전비를 계산해본다면 등유보일러대비 도시가스는 75%이고 히트펌프의 경우 저렴한 농업용 전기를 활용해 13% 수준의 비용으로 경제성이 우수하다”고 밝혔다.

스마트팜 혁신밸리에 히트펌프시스템이 적용될 경우 △냉난방 동시형 히트펌프를 통한 2축열조 시스템의 에너지저감 및 하자감소 △냉난방 연중공급과 주·야간 교차공조로 재배가능 작물의 다양화 △중소형 개별 팬코일 기류공급을 통한 반송동력저감, 실별·작물별 공조 등의 효과가 예상된다.

이성주 상무는 “신재생에너지 이용기술의 농업분야 적용 및 농자재 가격상승으로 인한 농가 경영비부담 경감을 위한 농업에너지이용효율화사업을 통해 농업관련 히트펌프 인센티브를 수령할 수 있는 것도 장점으로 꼽힌다”라며 “지열히트펌프를 활용한 냉난방시설의 자기부담금은 보조금 60%, 융자 10%, 지방비 20%를 제외한 10% 정도로 초기투자비용이 적다”고 밝혔다.

이너지너지테크놀러지스는 △강진2농장 △강진3농장 △식물공장 △APC시설 △강진4농장 등 다양한 산업온실 히트펌프 적용사례를 보유하고 있으며 이중 강진4농장은 히트펌프 15대와 축열조 1,200t, 공조기 61대로 34,710m²(약 1만500평)규모의 시설에 냉난방을 공급하고 있다. 

ZEB 에너지 완전자립 솔루션 'PVT+히트펌프'
조성구 이맥스시스템 부사장은 ‘PVT+히트펌프를 이용한 ZEB 에너지자립화 시스템’이라는 제목으로 발표를 진행했다. 

ZEB는 건축물의 단열성능 강화 등을 통해 냉난방에너지 사용량을 최소화하는 패시브요소와 신재생에너지를 생산하는 액티브요소를 결합하는 형태로 구현되는 에너지자립형 건축물로 현재 정부는 ZEB의 확산을 위해 의무화 정책을 추진하고 있으며 2030년에는 민간, 공공 통틀어 연면적 500m² 이상 건축물에 대해 의무화할 방침이다. 

이러한 상황 속 태양광과 태양열을 모두 활용해 전기와 열을 동시에 생산하는 PVT가 주목받고 있다. 

PVT는 태양광발전에 영향을 주지 않으면서 일사광선의 최대 68%를 열로 변환할 수 있는 상호보완적 태양에너지 시스템으로서 단위면적당 에너지생산량이 증대되고 태양광발전 효율 또한 향상되는 장점을 가지고 있다. 

조성구 부사장은 “PVT는 ZEB 의무화에 최적인 전기·열 융합시스템으로 태양광발전대비 동일 지붕면적에서 약 2배 이상의 에너지를 생산할 수 있다”라며 “정체된 신재생에너지 보급시장에서 활로가 될 수 있는 시스템”이라고 말했다. 

이어 “1,100nm 이상의 장파장 영역의 태양광선은 발전에 사용되지 않고 High Density영역의 태양광선은 열로 변환돼 손실된다”라며 “태양광발전에 영향을 주지 않으면서 얻을 수 있는 최대 68%의 태양광선이 열로 변환이 가능하다는 물리적 특성에서 PVT개발동기를 얻게 됐다”고 밝혔다.

PVT시스템의 작동원리는 일반 태양광발전 모듈과 같이 발전하고 Solar Cell의 온도상승에 따른 효율저하를 과열방지기능으로 보완한다. 또한 Solar Cell과 Thermal absorber plate와 열전도를 통해 집열이 이뤄지며 Cell과 absorber plate는 기계적으로 접합돼 전도효율이 뛰어나다. 

주요기능으로는 발전, 집열, 태양광발전 Cell과 한전계통 사이의 양방향 충·방전, 급탕에 사용되는 축열, 축욜조 및 히트펌프에 의한 냉난방공급 등이 있다. 

조성구 부사장은 “PVT시스템을 이용한 전력 및 냉온열 자립화 시스템은 ZEB에서의 기존 화석에너지를 완전 대체할 것”이라며 “중·고층 공동주택을 대상으로 PVT 복합 급탕시스템 적용 시 동일 설치면적의 PV시스템에 비해 50%이상 증가된 에너지생산량을 나타낸다”고 말했다. 

이어 “즉 50% 이상의 설치면적 증대효과를 기대할 수 있으며 설치면적이 제한된 고층건물에서 제로에너지 구현을 위한 최적의 솔루션이 될 것”이라고 밝혔다.

R32냉매 내년 국내 사용추진
최준영 한국산업기술시험원 박사는 ‘새로운 히트펌프 냉매로서 가연성냉매의 국내 KS적용’ 발표를 통해 기후위기 대응을 위한 냉매전환 중 Low GWP 냉매지만 가연성인 R32에 대한 사용규격의 필요성과 KS·KC개정 현황에 대해 전했다. 

최준영 박사는 “현재 지구온난화와 오존층파괴를 유발하는 HCFC·HFC냉매를 대체하기 위한 냉매로 R32, HFC·HFO믹스, HFO단일(1234yf, 1234ze, 1233zd 등), HC(R290), CO2, NH3 등이 주목받고 있다”고 말했다. 

R32는 단일냉매로 성능이 우수하고 GWP가 675로 비교적 낮아 냉매량이 적은 가정용 및 중소상업용으로 주목받고 있다. 유럽시장은 F-gas regulation이 시행되고 있어 국내기업은 제품에 R32를 적용하지 않으면 수출하기 어려운 상황으로 일본, 인도, 동남아, 중남미 등 시장도 R32 제품만 수입하거나 공급인프라를 구축하고 있다. 

그러나 R32는 2013년에 개정된 ASHRAE 34에 따르고 있으며 미가연성인 A2L등급에 해당돼 KC 안전기준에 맞지 않아 안정성 우려가 제기됐다. 현재 R32 국내 적용을 위해서는 관련기준 마련이 필요하다.

이에 따라 한국산업기술시험원은 KS B ISO 5149:2014 및 KC 60335-2-40 규격개정을 추진하고 있다.

KS규격 개정내용에 따르면 모든 압축기 및 압력용기가 실외기실에 있는 경우 5유형(실외기실에 있는 압축기) 위치에 대한 요건이 적용돼야 하며 실외기실은 부속서 E의 요구사항을 만족해야 한다.

부속서 E의 실외기실 요구조건 중 A2L냉매의 충정량 한계는 A/4를 만족하면서 m2*1.5 이하이거나 E.3을 만족하면서 m3*1.5 이하여야 한다고 명시돼있다.

또한 실외기실 냉동시스템의 위험관리 대안으로는 RCL, QLMV, QLAV를 선택해 허용가능한 냉매충전량을 계산 QLMV 값을 초과하지 않는 경우 추가조치가 필요하지 않으며 시스템의 전체 충전량을 실외기실 체적으로 나눈 값이 QLMV보다 크지만 QLAV 이하면 식(E.1)에 의한 환기구의 면적을 확보하거나 가스검출기와 함께 환기, 안전차단밸브, 안전경보 중 최소한 한 가지가 취해져야 한다. QLAV를 초과하는 경우 가스검출기와 함께 환기, 안전차단밸브, 안전경보기 중 최소한 두 가지는 구비해야 한다. 

KC규격 개정내용에 따르면 냉매량이 m1<mc<m2, m2<mc<m3인 경우 실외기실은 △GG.2 통풍이 잘되지 않는 구역의 충전한계 요구사항 △GG.8 A2L냉매를 사용하는 통풍지역 요구사항 △GG.10 강화된 기밀성 냉각시스템에 대한 허용비용 등을 따라야 한다. 

한국산업기술시험원은 11월 중 KS개정 내용에 대한 기술심의위원회를 개최하고 2021년 초 사용을 목표하고 있으며 KC개정은 11월 중 공청회를 개최하고 2021년 2분기 이후 사용을 목표하고 있다.

냉온수 동시 생산 히트펌프, 경쟁력 확보
황준현 매그플러스 대표는 ‘소량 냉매사용 및 냉온수 동시생산이 가능한 산업용 히트펌프 기술개발(이하 냉온수 히트펌프 기술개발)’ 발표를 진행했다. 

이번 냉온수 히트펌프 기술개발은 산업통상자원부에서 고시한 과제로 45개월간 총 40억원 규모의 지원금이 투입된다. 

매그플러스는 이번 냉온수 히트펌프 기술개발에서 △압축기제작(로터, 자기베어링, 인버터설계·제작 △응축기제작 △증발기 및 히트펌프시스템 제작·운전 성능시험 등을 수행한다. 

황준현 대표는 “냉온수 동시생산 산업용 히트펌프는 산업공정 일원화를 통한 에너지소비량 감소와 온도차 확대로 넓은 범위의 산업공정에 사용할 수 있다”라며 “친환경 냉매사용 및 냉매 봉입량 최소화로 온실가스규제에 대응하고 유지보수비용 절감으로 경제성을 향상시킬 수 있다”고 말했다. 

이어 “산업용 90℃ 고온수와 5℃ 냉수 동시생산 히트펌프는 국내시장에 전무해 개발 시 경쟁력 있는 제품이 될 것”이라며 “Low GWP냉매로 차별화 전략에 집중하고 압축기 병렬운전으로 추가용량 라인업 구축 및 건물공조용 파생상품 개발을 확대할 예정”이라고 밝혔다. 

현재 해외 Low GWP 냉매활용시스템, 고온용 히트펌프, 무급유 터보 압축기·냉동기 등에 대한 기술은 성장기에 진입한 것으로 파악되며 국내에서는 무급유 터보 압축기·냉동기 기술을 제외한 나머지 2개 기술의 개발단계는 도입기수준으로 파악되고 있다.

황준현 대표는 “냉온수 히트펌프 기술개발을 통해 개발된 히트펌프시스템은 기존 보일러를 대체하고 산업용 공조시장에 진출할 수 있을 것”이라며 “향후 해외시장 점유율 10%를 달성할 것으로 예상한다”고 말했다. 

한편 매그플러스는 터보기기 고속회전체 응용시스템 개발 및 사업을 진행하고 있으며 주요 연구분야로 무급유 터보 냉매압축기 R134a 500RT, Multi-Channel Water Chiller 병렬운전 및 최적운전이 있다. 

또한 매그플러스는 △공력부 상세설계 및 정밀주조 설계 △자기베어링 설계 및 제어기술 △영구자석형 고속회전체 제작 및 공력통합기술 △냉매압축기 상세설계 및 제작기술, 공정 양산화 구축 △냉매압축기 연계 물 칠러 설계·제작기술 및 시험평가 기술 △군용 전력변환기 개발 및 제작기술 등의 무급유 터보식 냉매압축기 및 Water Chiller 분야에서의 기술력을 보유하고 있다. 

그린뉴딜 대표사업 수열E 육성·조기안착 추진
고지훈 K-water 차장은 ‘지속가능한 친환경 수열에너지 전망과 향후 과제’ 발표를 통해 수열에너지 활성화를 위한 정부정책을 전했다. 

고지훈 차장은 “현재 신재생에너지법 시행령에서 명시하는 수열에너지의 기준은 물의 열을 히트펌프를 사용해 변환시켜 얻어지는 에너지”라며 “범위는 해수의 표층 및 하천수의 열을 변환시켜 얻어지는 에너지”라고 말했다. 

K-water는 광역상수를 활용한 수열에너지의 신재생에너지 해당여부에 대해 환경부에 유권해석을 요청한 바 있다. 유권해석결과 광역 상수관를 흐르는 원수를 하천수 수열로 인정했으며 수도법에서 원수는 음용·공업용 등으로 처리 전의 물로 정의한다. 

환경부는 하천수가 수열에너지로 포함됨에 따라 친환경 수열에너지 활성화 방안을 마련해 클러스터를 조성하고 맞춤형 제도개선·시범사업·기술개발 등을 본격 착수했다. 

또한 지난 9월에는 그린뉴딜 대표사업으로 초기 단계인 수열에너지사업을 육성하고 조기안착을 지원하기 위해 산·학·공공의 전문가로 구서된 지원단을 운영하고 있다. 

환경부와 산업부가 참여하는 다부처 국가 R&D도 추진되고 있다. 환경부는 ‘수열 활용확대기술 및 환경적합성 기술개발 사업’을 통해 △수열에너지를 활용한 수처리공정개선 기술개발 △수열원활용 프리쿨링형 공기조화시스템 개발 △수열에너지활용 통합설계 플랫폼구축 기술개발 등을 추진하고 있으며 2023년까지 총 102억원의 연구개발비가 투입된다. 

산업부는 ‘수열 냉난방 및 재생열 하이브리드 시스템기술 개발 및 실증’을 통해 △대용량 수열 히트펌프 성능평가 시스템 개발 △축열식 하이브리드 수열에너지 시스템 개발 등을 추진하고 있으며 2023년까지 총 191억원의 예산이 투입할 예정이다.

고지훈 차장은 “유럽, 북미, 일본 등에서는 1980년대부터 수열에너지를 활용하고 있다”라며 “프랑스의 경우 센느강 하천수를 이용해 330MW의 규모로 냉난방을 공급하고 있다”고 말했다.

현재 우리나라는 △강원도 수열에너지 융복합 클러스터 △부산EDC 스마트빌리지 △한강홍수통제소 △광명시흥테크노밸리 △영동대로 복합환승센터 △경산대임 공공주택단지 △신동국가산업단지 △삼성서울병원 등 환경부와 K-water가 10개의 사업을 추진 중이다.

K-water의 수열에너지 활성화를 위한 향후 과제로 △외산을 대체할 핵심기술 국산화와 HFC 사용규제를 대응할 Low GWP 친환경냉매시스템 기술개발을 통한 대용량 국산수열원 히트펌프개발 △하천수에 의한 부식과 스케일발생에도 안정적 성능확보를 위한 하천수 열교환기 기술 개발 △축열식 하이브리드시스템 개발 △수열원 특성에 맞는 히트펌프 유닛의 시험평가 기반구축 및 기술표준·인증 △수열에너지시스템 적용 국가 제로에너지건축물 도입평가 제도 마련 등이 있다.