고려대학교 기계공학과 에너지물질순환연구실은 국제 기술동향에 맞춰 친환경 및 에너지절약에 대응하는 냉동 및 열시스템을 설계하고 실험을 수행하는 연구실이다. 현재 △초임계 자연냉매 히트펌프시스템 최적화 연구 △화학흡착식 히트펌프 시스템 개발 △전기에너지 생산 시스템 개발 등 시스템 핵심기술 연구와 △흡수식 칠러 적용 고효율 전열관 개발 △히트펌프용 판형 응축기 성능평가 연구 등 시스템 요소기술 연구를 동시에 수행하고 있다.
고려대 연구책임자인 강용태 교수는 ‘플러스에너지빌딩(PEB) 혁신기술연구센터(ERC)’의 센터장을 역임하고 있으며 에너지물질순환연구실은 ‘PEB연구센터’에서 핵심 역할을 수행하고 있다.
에너지물질순환연구실은 2022년까지 ‘열에너지 다소비 산업설비 스마트설계 플랫폼 기술 개발 및 실증’ 연구를 수행하며 대용량 히트펌프 적용을 위한 판형 응축기 연구를 수행해 열에너지 다소비 산업설비의 생산주체인 중소기업들의 부족한 전문성을 제고하고 에너지다소비시스템 핵심기술과 요소기술을 설계하는 플랫폼을 국가 공공재로 개발했다.
강용태 교수는 “2000년부터 고효율 전열관에서의 응축·증발 특성을 연구해 터보냉동기와 히트펌프 등의 고효율 열시스템 요소기술을 개발해 작동유체와 용량은 다르지만 동일한 컨셉의 연구 과제를 성공적으로 수행한 바 있다”라며 “이후 다양한 열시스템의 고효율화 연구를 수행해시스템설계, 수치해석, 실험에 대한 풍부한 경험을 쌓아왔다”고 밝혔다.
성능평가 실험장치 구축
고려대는 이번 과제의 최종 목표는 △터보히트펌프용 응축·증발 전열관 개발 △변유량 시험을 통한 응축·증발기용 물 유량 최적화 등이다. 성공적인 목표 달성을 위해 관 내측 성능과 관 내외측 물-냉매 총괄열전달 성능을 평가하는 실험장치를 구축하고 성능을 분석할 예정이다. 전열관 형상, 유체 온도, 유량 등을 변경하면서 다양한 조건에서 성능평가 및 분석으로 실제 시스템에서 최적의 성능을 발휘할 수 있는 응축기·증발기 시작품을 히트펌프 시작품에 적용하고 주관기관과 협업해 응축기·증발기 성능을 보완할 계획이다.
제지산업 외에도 공정 열에너지를 소비하는 산업은 대부분 보일러를 사용해 화석연료에 크게 의존하고 있다. 다량의 열에너지를 소비하는 대표적인 산업인 제지산업에 히트펌프를 성공적으로 적용시켜 구동 에너지원을 전력으로 전환하는 것은 동종 제지업계뿐만 아니라 다른 열에너지다소비산업에도 중요한 이정표가 될 것으로 기대된다. 또한 1,000RT는 대용량으로서 첫 단계라고 볼 수 있어 1,000RT 용량 히트펌프의 성공적인 개발은 보다 더 큰 용량의 히트펌프 연구 개발로 이어지는 원동력이 될 것으로 기대된다.
강용태 교수는 “화석연료를 사용해 공정 열에너지를 공급하는 보일러가 대부분 활용되고 있어 이를 전력 구동 히트펌프로 대체하는 것이 시급하다”라며 “향후 R&D도 이에 발맞춰 다양한 용량의 전력 구동 히트펌프를 개발할 계획”이라고 밝혔다.
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