지열 전문기업 혁신E&C(대표 김수화)의 관계사인 태양열 전문기업 케이앤에스에너지가 냉난방 가변형 축열탱크를 이용해 마을 공동사용 건축물에 적용할 수 있는 태양열·지열 하이브리드 냉난방시스템을 개발했다.
이번 개발을 위해 ‘진공관형 태양열 집열기를 이용한 열매체 순환구조’와 ‘냉난방 가변형 패키지를 구비해 태양열 및 지열을 이용하는 하이브리드 냉난방시스템’ 특허를 획득했다.
안정적·효율적인 시스템
태양열·(지열)히트펌프 하이브리드 기술은 저온으로 집열할 수록 집열효율이 높아지는 태양열시스템과 적정한 저온의 열원만 있으면 높은 COP로 작동되는 히트펌프를 조합시킨 시스템으로 태양열로 생산된 저온 열원을 히트펌프의 구동 보조열원으로 활용해 적정온도의 열에너지를 생산할 수 있다.
이형민 케이앤에스 연구소장은 “태양열원 히트펌프는 축열조-압축식, 축열조가 없는 방식의 압축식, 흡수식 혹은 흡착식이 있다”라며 “일사량이 충분한 경우 집열기에서 태양열을 흡수하고 일사량 부족 시 축열조에 축열된 태양열과 압축식 히트펌프 운전을 통해 열을 생산하는 하이브리드 시스템”이라고 설명했다.
고효율의 집열기 및 축열조, 하이브리드 사이클 구성 등이 주요기술로 태양열원 히트펌프는 기존 태양열시스템의 집열효율을 높일 수 있으며 동절기에도 히트펌프를 높은 COP로 운전이 가능하다. 특히 연중 일정한 온도를 유지하는 지열원을 이용한 히트펌프와 태양열 복합형 시스템은 가장 안정적이고 효율적인 에너지 공급시스템으로 평가받고 있다.
상시 에너지생산·소비 최적
주택용 태양열시스템은 무한·청정 태양에너지를 활용해 직접 열을 생산할 수 있으며 축열탱크를 활용한 에너지를 저장, 사용하는 방식이다보니 변환효율이 상대적으로 높은 것이 특징이다.
하지만 태양열에너지는 밀도가 낮아 계절과 시간에 따라 안정적인 열공급이 어려운 부분이 있다. 주택용 지열시스템은 연중 안정적인 온도를 유지하는 지중열을 활용하며 지중열교환기와 히트펌프로 구성된 냉난방용 에너지공급장치를 활용하지만 부하과다 시 가동동력 사용이 부담스러우며 하절기 냉방사이클 전환 시 온수를 사용할 수 없다는 단점이 있다.
이 소장은 “이처럼 개별시스템은 장단점이 뚜렷하기에 단점을 보완할 수 있는 시스템 개발이 시급한 상황”이라고 지적했다.
케이앤에스의 하이브리드시스템은 태양열과 지열시스템의 단점을 보완하는 복합형 시스템으로 주간에 태양열에 의해 생산된 열에너지를 우선 사용하고 이후 지열히트펌프를 가동하는 방식이다. 히트펌프 가동률을 줄여 가동전력 사용량을 최소화할 수 있으며 하절기 히트펌프 냉방사이클 전환 시 태양열시스템은 온수전용으로 사용할 수 있다.
이 소장은 “하이브리드시스템은 상시 에너지공급 및 사용할 수 있는 마을회관, 경로당 등 주민공동시설 에너지자립화에 기여할 수 있는 시스템”이라고 강조했다.
태양열·지열 하이브리드시스템은 △지중열+태양열 연동형 △태양열+지열시스템 결합형 등으로 나뉜다. 먼저 지중열+태양열 연동형은 태양열을 지중열교환기에 직접 전달하는 방식으로 동절기 히트펌프 COP를 증대시킬 수 있으며 히트펌프 냉방 운전 시 온수사용이 가능한 모델이다. 연중 안정적인 열에너지 공급이 가능하다.
태양열+지열시스템 결합형은 각 시스템 단순 연동 구조로 연중 안정적인 열에너지를 공급할 수 있으며 히트펌프 냉방 시 온수사용이 가능하다. 다만 두 시스템은 히트펌프 난방(온수) 운전 시 냉수조를 사용할 수 없으며 냉온수 독립탱크 구성으로 설치공간 확보에 불리하다. 온수조는 동절기 난방+온수, 하절기 온수전용으로 사용, 계절별 적정 탱크용량이 상이하다.
신재생 냉난방 공급 적정기술
케이앤에스에너지는 기존 태양열·지열 하이브리드시스템의 장점은 최대한 살리고 단점을 다시 한번 보완한 ‘가변형 축열탱크를 활용한 태양열·지열 하이브리드 냉난방시스템’을 개발했다.
냉·난방용 축열탱크 및 배관설비를 패키지화한 것이 특징인 하이브리드 냉난방시스템은 냉방용과 난방용 탱크를 상하부 분리해 위치시켜 배관, 펌프, 열매체 탱크 등 부수장치들을 하나의 공간에 집적시켜 패키지화했다.
태양열 온수전용 설비(집열면적 9m² 이하)와 지열히트펌프 17.5kW급 설비의 에너지저장 및 공급용 탱크설비로 구성했다. 냉난방용 탱크의 용량은 200~300L로 구성되며 용도에 따라 가변형으로 용량을 변경해 사용이 가능하다. 상·하부 탱크는 연결구와 펌프를 통해 내부 유체가 이동할 수 있으며 차단장치에 의해 상부 탱크와 하부 탱크를 구분해 사용할 수 있다.
하절기 상부는 온수탱크, 하부는 냉방용 냉수탱크로 사용함으로써 냉방과 온수 동시 사용이 가능한 것이 특징이다.
이형민 연구소장은 “건축물에너지 효율화 정책에 따라 케이앤에스의 하이브리드시스템은 자립형 에너지생산, 활용기술로 제로에너지건축물 등에 적용될 수 있으며 국내 냉난방 부하기준으로 시스템의 적정용량을 산정해 불필요요소를 제거함으로써 경제성 및 사업성을 도모할 수 있다”라며 “무더위 혹은 동절기 쉼터(마을회관, 경로당 등) 등에 적용돼 신재생에너지를 이용한 냉난방 공급 적정기술”이라고 강조했다.
케이앤에스에너지는 기존 태양열·지열 하이브리드시스템의 장점은 최대한 살리고 단점을 다시 한번 보완한 ‘가변형 축열탱크를 활용한 태양열·지열 하이브리드 냉난방시스템’을 개발했다.
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