히트펌프는 글로벌 온실가스 저감 및 탄소중립을 위한 핵심기술로 다양한 분야에 확대 적용되고 있다. 국가 에너지소비의 30% 수준을 차지하는 건물분야 효율화를 위해 냉난방공조분야 히트펌프기술 적용이 확대되고 있다.
또한 세계 각국은 기술개발과 함께 시장에서 히트펌프가 채택될 수 있도록 적극적으로 다양한 고효율제품 장려정책을 마련하고 있다. 최근 인버터기술의 발전으로 기존 난방시스템을 대체할 수 있게 됐으며 고속압축기 및 고압축비 압축기술의 발전으로 히트펌프의 저온난방성능이 크게 개선되고 있다.
오세기 LG전자 부사장은 ‘냉난방공조산업에서의 히트펌프기술과 온실가스 저감’을 주제로 우리 삶과 밀접한 냉난방공조산업을 중심으로 히트펌프기술의 진보와 온실가스 저감효과를 소개했다.
주요국, 히트펌프 확대정책 제시유럽, 미국 내 에너지소비량의 40% 내외를 주거 및 상업용 빌딩에서 사용하고 있다. 이중 약 50~80%가 냉난방 및 급탕에 사용되고 있다. 이는 건물부문 열에너지수요를 줄이고 에너지소비량을 절감하는 기술확보가 중요하다는 것을 의미한다.
2050 탄소중립이라는 시대적 과제를 달성하기 위해 친환경 주거용 설비로 히트펌프기술이 적용된 난방 및 급탕기기가 주목받고 있다. 히트펌프 적용을 통해 온실가스 배출효과를 체감한 주요 국가들은 히트펌프 설치를 장려하는 정책을 확대하는 추세다.
중국의 천진과 북경의 경우 대부분 갈탄보일러를 사용했다. 그러나 2015년 대기오염의 심각성이 대두되면서 ‘화석연료를 전기로 전환’프로그램을 통해 히트펌프 급탕적용을 장려하고 있으며 기존 갈탄보일러를 100% 히트펌프로 전환했다.
이러한 전환의 배경에는 설치비 이상의 정부보조금 지원이 있었다. 미국도 설치비 이상의 보조금을 통해 히트펌프 확산을 적극 추진하고 있다.
히트펌프가 주목받음에 따라 시장의 변화도 빠르게 일어나고 있다. 유럽은 전통적으로 난방시장이 냉방시장대비 4배 이상 컸으며 모두 보일러로 구성돼있었으나 빠른 시일 내에 히트펌프로 전환이 전망되고 있다.
이러한 국가에서 공기열원이 신재생에너지원으로 인정받고 있는 상황도 히트펌프 적용이 확산되는 추세를 가속화한 것으로 평가된다.
주거부문 고압력비기술 중요유럽의 많은 국가들은 2025년부터 가스·기름보일러의 신축건물 설치를 금지할 방침이다. 특히 프랑스는 올해부터 시행하고 있다. 보일러 교체 수요증가 및 환경규제 강화로 공기-물 히트펌프 난방 및 급탕으로 빠르게 전환되고 있다.
이에 따라 공기-물 히트펌프 사용이 확산되고 있으며 가스보일대비 연간 온실가스 배출량의 30% 이상을 저감할 수 있는 것으로 나타났다. 공기-물 히트펌프 확산에 따라 유럽 내 시장은 2025년 11조8,100억(약 84억달러) 규모로 성장할 것으로 전망된다.
불과 몇 년전 1조원 미만이었던 것과 비교했을 때 성장속도를 짐작할 수 있다. 공기-물 히트펌프의 시스템은 실외기, 배관, 실내기, 급탕탱크, 난방기 등으로 구성되며 이는 설치 및 활용이 편리했던 보일러대비 한계점으로 작용한다. 한계점을 극복하기 위한 기술로 고온출수, 고난방 구현이 가능한 고속운전 고압력비 콤프레서가 주목받고 있다.
또한 국내 환경을 고려해 한랭지에서 난방성능 향상을 위한 운전범위 확대가 필요하다.
상업건물 냉난방 동시공급·E절감 핵심상업건물부문 친환경 공조는 공조 및 급탕기기의 히트펌프화, 열회수형 환기설비, 클라우드 연계 에너지관리시스템(EMS)을 통한 에너지절감으로 실현할 수 있을 것으로 보인다. 공간별 상이한 냉난방수요가 공존하는 상업용 건물의 친환경 공조설비로는 공기-공기히트펌프가 적합하다.
특히 열회수형 고효율 히트펌프는 냉방과정에서 회수한 열을 다시 난방 및 급탕에 활용해 냉난방 동시공급과 추가적인 에너지절감이 가능하며 기존 히트펌프대비 2배 우수한 효율을 자랑한다. 에너지절감에 따른 온실가스배출도 50% 저감할 수 있으며 바닥·공간난방 등 필요에 맞게 활용할 수 있다.
클라우드 연계 EMS는 제로에너지빌딩 인증 시 필수요건으로서 전력량계, 한전, 날씨, 공기질 센서, 제어기 등을 통해 수집된 정보로 건물에너지사용을 최적화한다. 특히 기존 설비를 유지하고 EMS만을 적용하는 경우에도 최소 15%에서 최대 30까지 에너지절감을 실현할 수 있다는 점에서 에너지수요관리에 기여할 수 있다.
대형 상업용 건물을 중심으로 열회수 고효율 히트펌프 적용이 증가하고 있으며 미국의 대형건물에는 80%, 유럽은 40%, 우리나라는 1% 적용된 것으로 집계된다.
국내의 경우 중소 상업용 건물규모에 적합해 △주거 △병원 △교육 △사무실 △식당 등 상업건물 전 분야에 걸쳐 적용영역이 확대되고 있으며 기존 정속형 칠러+보일러, 싱글패키지+퍼니스에서 인버터 히트펌프로 전환되고 있다.
열회수형 환기장치는 실내공기질과 에너지에 대한 관심이 증가하면서 전외기 열회수 환기방식 적용이 확대되고 있다. 건물의 기밀성이 향상되고 현재도 확산되고 있는 코로나19 등 건물 내 전염병 전염 위험저감을 위해 필요환기량이 점차 증가하고 있다. 전외기 열회수 환기를 통해 기존 환기장치대비 온실가스 배출량을 20% 저감할 수 있으며 이는 도입되는 외기의 냉각·제습·가열과 순환 실내공기 냉각을 분리해 에너지를 절감하기 때문에 가능했다.
북미의 경우 외기도입률 80% 시 열회수장치 설치를 의무화했으며 건물에너지효율 강화, 전염병 등에 따라 관련시장이 지속 성장할 것으로 보인다.
多열원활용 히트펌프기술 확보 필요
산업부문에서 히트펌프는 해수, 하천수, 발전소 온배수, 폐열 등 다양한 열원을 활용하는 물-물 히트펌프가 온실가스 배출저감방안으로 확산되고 있다.
물-물 히트펌프는 연소식 열원을 사용해 에너지사용이 많은 산업시설의 온실가스 배출을 저감할 수 있으며 물-물 히트펌프 사용 시 가스열원 흡수식 냉온수기대비 온실가스 배출량 30% 이상을 절감할 수 있다. 핵심기술로 고온수를 생산하기 위한 다단 원심 압축기술과 다양한 폐열을 활용하는 고효율 열교환기술이 있다.
물-물 히트펌프가 적용된 사례로는 하수 처리시 화학반응으로 승온된 하수처리수를 열원으로 활용해 지역난방수를 생산하기 위해 서울시 강서구 물재생센터에 16Gcal/hr 히트펌프 2대가 설치됐다.
이를 통해 연간 15만Gcal의 열을 생산할 수 있으며 1만5,000가구에 공급할 수 있는 양이다. 이러한 역할을 수행하는 히트펌프의 사용 확대와 함께 히트펌프의 고효율화를 통한 온실가스 배출저감에 대한 지속적인 노력은 2050 탄소중립에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
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주거부문 고압력비기술 중요
상업건물 냉난방 동시공급·E절감 핵심
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