탄소중립사회 실현을 위한 냉난방 에너지원으로 주목받고 있는 수열에너지의 현황과 전망에 대해 공유하는 세미나가 개최됐다.
칸kharn과 히트펌프얼라이언스(의장 김민수 서울대 교수)는 5월12일부터 14일까지 서울 세텍(SETEC)에서 개최된 ‘2021 대한민국 기계설비전시회(2021 HVAC KOREA)’의 부대행사로 ‘그린뉴딜 선도하는 수열에너지 세미나’를 14일 개최했다고 밝혔다.
이번 세미나에서는 △열 기반 스마트시티 구축 현황(조해진 K-water 차장) △갱내 유출수 활용 도시재생 뉴딜사업(이두영 지엔원에너지 차장) △장흥군의 소도시 그린뉴딜 수열에너지 구축(강한기 이젠엔지니어링 대표) △수열원 히트펌프 개발 현황(김규영 LG전자 책임연구원) △탄소중립 실현, 유출지하수 활용방안(김시헌 안양대 교수) △수열원-열교환기/수처리 패키지(박형준 장한기술 이사) 등이 발표됐다.
수열E 통한 제로에너지시티 실현조해진 K-water 차장은 ‘열 기반 스마트시티 구축 현황’ 발표를 통해 수열에너지를 활용한 스마트시티 사업현황에 대해 설명했다. K-water는 스마트시티 국가시범도시로 지정된 부산EDC에 시행사로 참가해 사업을 추진하고 있다.
조해진 차장은 “부산EDC의 10대 혁신과제는 △로봇활용 생활혁신 △스마트교육&리빙 △배움-일-놀이△스마트헬스 △도시행정·관리 지능화 △스마트 모빌리티 △스마트 튜터 △스마트안전 △제로에너지도시 △스마트공원 등으로 선정됐다”라며 “부산EDC 에너지 기본방향은 UN지속가능발전을 위한 목표 중 청정에너지, 지속가능도시, 기후변화에 대응하도록 설정됐다”고 밝혔다.
이어 “부산EDC 혁신과제 중 제로에너지도시를 실현하기 위해 주변에 풍부한 물을 활용해 냉난방을 위한 열에너지를 공급할 것”이라며 “SPC를 구성해 단계별로 5개소의 수열에너지 공급시스템을 구축하고 운영관리를 통해 도시 전체 10%(면적기준)에 열에너지를 공급할 계획”이라고 덧붙였다.
한편 K-water는 2018년부터 2020년까지 ‘하천수를 활용한 수열에너지시스템 냉난방효과에 관한 연구’를 진행해 하천수 수열에너지 모델개발을 진행했다. 이를 통해 열원수 온도에 따른 성능변화를 확인했으며 기존 냉난방설비대비 수열에너지 운전효율을 확인했다.
또한 △냉난방 부하량에 따른 필요유량과 온도의 최적설계 필요 △펌프, 열교환기 등에 따른 성능 변화 △이물질 유입방지 스트레이너 필요 △취수수심 및 지점 선정 중요성 등 수열시스템 적용 고려사항을 파악했다.
조해진 차장은 “건물 냉난방에너지 자립을 위해서는 수열에너지 단독으로 부하를 대응하기보다 지열 등 다양한 에너지원을 효율적으로 활용할 수 있는 방안을 마련하는 것이 중요하다”고 강조했다.
폐광 갱내수 활용 수열시스템 구축
이두영 지엔원에너지 차장은 ‘갱내 유출수 활용 도시재생 뉴딜사업’을 발표했다. 갱내수는 채굴활동을 진행하던 광산이 폐쇄되면서 갱도 내에 차오르는 물이다. 현재까지 갱내수는 수질오염의 원인으로 여겨져왔지만 연중 15℃로 일정하게 유지되는 특성으로 에너지원으로서의 가치는 매우 높은 상황이다.
이두영 차장은 “폐갱도를 이용해 별도의 굴착과정 없이 관로를 매설할 수 있어 수열에너지원으로 경제성이 높다”라며 “현재 국내 총 5,522개의 광산이 있으며 이중 4,660개의 광산이 폐광으로 전국적으로 활용가능한 폐광이 많은 상황이고 478개의 갱내수가 모니터링되고 있다”고 밝혔다.
이어 “폐광 인근에 스마트팜 등과 같은 수요처를 마련한다면 에너지원으로써 주목받고 있는 갱내수를 통해 경제적 효과를 거둘 수 있을 것으로 보인다”라며 “지엔원에너지는 갱내수를 활용하는 시범사업을 진행하고자 검토항목을 마련해 후보지역을 물색하고 있다”고 덧붙였다.
한편 지엔원에너지는 지난 3월 도시재생사업이 추진되고 있는 태백시를 주목해 스마트팜에 수열시스템을 적용하기 위해 태백시와 MOU를 체결했다. 안정적인 냉난방에너지 공급을 위해 수열에너지와 함께 백업시스템으로 지열시스템을 접목해 공급할 계획이다.
소도시형 수열네트워크 구축강한기 이젠엔지니어링 대표는 ‘장흥군의 소도시 그린뉴딜 수열네트워크 구축’ 발표를 통해 현재 추진되고 있는 장흥군에서 구축되고 있는 수열네트워크의 특장점에 대해 설명했다. 이젠엔지니어링은 제2롯데월드타워에 3,000RT규모의 수열에너지를 적용해 2014년 운영개시 후 안정적으로 냉난방에너지를 공급하고 있으며 연간 약 13억원의 에너지비용을 절감하고 있다.
장흥군 수열네트워크의 수열원으로 선정된 탐진강은 장흥군의 가장 많은 인구가 거주하고 있는 장흥읍을 가로지르며 온도차 5℃를 이용할 경우 이용가능한 열량은 22,000RT로 22만평의 건물에 냉난방을 공급할 수 있다.
강한기 대표는 “탐진강의 이용가능 열량은 장흥군청 약 100개에 냉난방에너지를 공급할 수 있는 양으로 장흥댐을 통해 갈수기에도 유량을 유지할 수 있다”라며 “동절기 탐진강의 온도는 한강대비 2℃가량 높으며 이를 통해 수열시스템의 높은 효율이 기대된다”고 밝혔다.
이어 “또한 장흥군은 강, 저수지, 바다 등 이용가능한 모든 수열원을 보유하고 있어 수열에너지 사용에 최적의 환경”이라며 “군내 에너지다소비 건물에 적용해 장흥군 관내를 관통하는 수열네트워크를 조성할 계획”이라고 덧붙였다.
고효율 자기베어링 HP 개발김규영 LG전자 책임연구원은 ‘수열원 히트펌프 개발현황’을 발표했다. LG전자는 1967년부터 칠러사업을 시작했으며 지속적인 기술개발을 통해 축적된 우수한 기술력을 바탕으로 국내를 넘어 해외시장을 선도하고 있다. 특히 개별공조에서 중앙공조까지 다양한 고객요구와 설치환경에 맞는 최적 HVAC Total Solution을 제공하고 있다.
김규영 책임연구원은 “LG전자의 무급유 자기베어링 히트펌프는 건물단열 등으로 설계온도 조건에서 낮은 부하운전을 고려해 2comp로 설계됐다”라며 “부하감소시 1comp 운전으로 50%(250RT) 이하 부분부하 운전 효율개선 및 운전영역을 확대할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
이어 “각 압축기에 인버터를 적용해 냉난방 운전 및 온도조건 변화에 따른 효율을 개선했다”라며 “특히 자기베어링 등 고효율 기술을 탑재해 1단 터보칠러대비 연간 운전비 30% 절감을 실현했다”고 덧붙였다.
LG전자에서 개발한 무급유 자기베어링 히트펌프는 LG전자가 보유하고 있는 부품 및 시스템 시험설비를 통해 압축기 공력 성능테스트 및 베어링 단품 하중평가를 진행하고 K-water의 한강유역 본부에 실증을 위해 설치될 예정이다.
한편 LG전자는 급유 히트펌프를 △하수열시스템(80℃ 적용) △연료전지 연계 지역난방수 승온시스템 △열병합발전소 냉각폐열 활용 지역낭방수 승온시스템 △폐수처리장 폐열 이용 공정수 활용 승온시스템 등에 공급한 바 있다.
미활용 수열원 활용 확대 필요성김시헌 안양대 교수는 ‘탄소중립 실현, 유출지하수 활용방안’ 발표를 통해 미활용에너지인 유출지하수 활용 가능성에 대해 설명했다. 현재 전세계는 기후위기 대응을 위한 탄소중립사회 실현을 강조하고 있다. 이에 따라 탄소배출이 적은 신재생에너지 보급이 확대되고 있다.
다양한 에너지원을 통한 공급의 중요성이 강조됨에 따라 우리 주변에 다양한 모습으로 존재하고 있는 수열에너지가 주목받고 있다. 그러나 대부분의 물은 활용되지 못한 채 버려지고 있는 실정이다.
김시헌 교수는 “다양한 물은 우리 주변 가까이에 있으며 가까이 있다는 것은 경제성이 우수하다는 것을 의미한다”라며 “현재 수열원으로 가장 많이 활용되고 있는 하천수는 취수, 공급 등에서 에너지손실이 발생하고 높은 투자비가 필요하다”고 밝혔다.
이어 “미활용 에너지원인 하수열을 이용하기 위해 하수관 등에서 하수를 취하는 것이 가능하도록 규제를 변경하는 것이 필요하다”고 밝혔다.
일본에서는 노후 하수관로를 하수열회수시스템이 접목된 재생관으로 교체하면서 온수 생산 및 도로 제설에 활용하고 있다.
최근 미활용 수열원으로 유출지하수도 주목받고 있다. 서울시에서 발생되는 유출지하수는 2017년도 기준 △지하철(359개소) △건축물(715개소) △통신구(92개소) △전력구(211개소) 등 총 1,377개소에서 발생되고 있다.
김시헌 교수는 “토지이용 효율화에 따라 유출지하수 발생량이 증가하고 있으며 유출지하수를 하수도로 방류함으로 경제적손실, 지층사막화, 지반침하 등이 발생되고 있다”라며 “이러한 문제는 유출지하수 물순환시스템을 적용해 해결할 수 있다”고 밝혔다.
이어 “유출지하수 활용 냉난방시스템은 집수정을 통해 모인 지하수를 냉난방 및 생활용수로 활용해 에너지비용, 하수도요금 등을 절감할 수 있다”라며 “사용 후 남은 잉여수를 다시 땅속으로 함양해 지반침하를 방지할 수 있다”고 덧붙였다.
열교환기 성능관리, 수열시스템 효율유지 핵심박형준 장한기술 이사는 ‘수열원-열교환기/수처리 패키지’ 발표를 통해 수열에너지를 활용하기 위한 열교환기시스템에 대해 설명했다. 장한기술은 34년간 부스터펌프, 팽창탱크, 열교환기, 수처리 등을 패키지한 제품을 공급하고 있다.
장한기술의 패키지제품을 구성요소 중 열교환기는 수열을 열원으로 사용할 수 있도록 열을 전달하는 역할을 수행하며 원수와 배관수가 혼입되지 않도록 간접 열교환방식이 적용됐다. 또한 유지관리를 위한 CIP(Clean in Place) 포트를 포함하고 있다.
박형준 이사는 “장한기술의 패키지제품에서 여과유닛은 원수의 이물질을 제거해 열교환기의 성능을 유지하는 역할을 수행하고 역세기능을 탑재해 제거된 이물질을 관로로 이송하거나 배수하는 방식이 적용됐다”라며 “이와 함께 여과장치 동작 전후 차압을 측정해 자동역세가 가능하도록 설계됐다”고 밝혔다.
현재 수열에너지시스템은 관로를 사용해 수열을 활용하는 것이 대부분으로 아직 하천수를 직접 활용하는 경우는 드문 상황이다. 특히 하천수의 범위는 넓어 원수의 오염도에 따라 적절한 여과장치를 적용해야 열교환기 성능저하를 예방할 수 있다.
박형준 이사는 “열교환기는 용처에 맞는 열교환기를 선정해야 하며 오염도 판단을 통한 유지관리가 병행돼야 한다”라며 “이와 함께 사용된 원수를 다시 배출할 경우에도 환경에 영향을 미치지 않도록 여과 등 관리하는 것이 중요하다”고 밝혔다.
수열E 통한 제로에너지시티 실현
소도시형 수열네트워크 구축
고효율 자기베어링 HP 개발
미활용 수열원 활용 확대 필요성
열교환기 성능관리, 수열시스템 효율유지 핵심
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