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태양열 히트펌프, 수영장 담수 히팅 책임진다

에너지패널, 춘천국민생활관에 설치
기존 보일러 가동없이 혹한기 대처


기존 태양열과 공기열의 난방·급탕시스템의 한계를 극복한 시스템이 바로 ‘태양열 히트펌프’다. 태양열 집열기와 히트펌프의 장점을 극대화해 열을 생산하는 융합 신기술로 기존 태양열시스템의 집열기에 물이 순환한다면 태양열 히트펌프의 집열기에 냉매가 순환하는 것이 가장 큰 차이점이다. 

국내에서는 아직 생소한 이 시스템이 2017년 지역 에너지신산업 활성화 지원사업 일환으로 춘천도시공사에서 운영하는 국민생활관에 설치됐다. 한국에너지공단이 발주했으며 한국기후변화연구원, 강원도청, 춘천도시공사, 에너지패널코리아가 공동으로 수행했다. 춘천도시공사는 태양열 히트펌프 설치 대상인 국민생활관을 제공했으며 에너지패널코리아가 태양열 히트펌프를 설치했다. 

에너지패널의 관계자는 “태양열 히트펌프는 태양의 일사조건 하에서만 에너지획득이 가능하던 기존 태양열 제품의 근본적 한계를 극복하고 고효율 사이클인 히트펌프 사이클을 융합, 적용함으로써 재생에너지인 태양열과 공기열(대기열)을 최대한 이용할 수 있도록 개발했다”라며 “냉매 직접 팽창방식의 태양열과 공기열을 열원(heat source)으로 하는 히트펌프 온수기”라고 밝혔다.

지난해 9월 설치가 완료된 태양열 히트펌프는 국민생활관의 수영장 담수(586 톤) 히팅에 사용됐으며 유난히 혹독했던 이번 겨울 기존에 사용했던 도시가스 보일러 가동없이 한 겨울을 보냈다. 결국 화석연료(도시가스) 사용량을 80% 이상 감축해 운영비 절감뿐만 아니라 연간 탄소배출 117tCO₂를 저감하는 성과도 올렸다. 

이런 성과를 인정받아 양양 문화복지회관 수영장 담수 히팅(456톤) 및 급탕용으로, 강릉중앙고등학교 축구부 숙소 난방 및 급탕용으로 설치, 운영되고 있다.  

기존 태양열과 차이점은 

기존 태양열시스템은 투입 에너지없이 열을 생산할 수 있다는 장점을 가지고 있지만 태양복사에너지에 100% 의존하기 때문에 일사량 및 일조시간에 따라 열생산량이 좌우된다는 단점이 있다. 



온수 사용이 가장 많은 동절기나 야간에 열생산이 불가능하기 때문에 보조열원이나 저장탱크가 필수적으로 필요하다. 이렇다보니 자연스럽게 주 열원으로 사용하기 보다는 보조열원으로 사용할 수밖에 없다. 

그러나 태양열 히트펌프시스템은 열원으로 태양열과 공기열을 모두 사용할 수 있는 히트펌프 시스템으로 태양일사 부재 시에도 공기열원을 통해 가동할 수 있으며 Vapor Injection시스템 적용으로 한랭지조건인 –15℃까지 안정적이고 지속적으로 열생산이 가능하다. 

결국 투입 에너지대비 열생산량(COP)이 300~700%의 고효율로 타 히트펌프대비 높은 효율을 자랑한다. 

에너지패널의 관계자는 “태양열 히트펌프는 역(Reverse) Carnot Cycle에 기반한 히트펌프 시스템으로 효율적인 싸이클 순환을 위해 냉매 사용이 필수적”이라며 “냉매는 온도가 낮아도 대기압 이상의 압력에서 증발하고 상온의 비교적 저압에서 액화할 수 있다”고 밝혔다. 

태양열 히트펌프에 사용되는 전기는 직접 가열식이 아닌 태양열 및 공기열을 흡수(Evaporator)해 팽창된 냉매를 압축하며 발생된 열을 열교환기(Condenser)를 통해 공급하기 위한 냉매순환과 압축기에 사용된다. 

에너지패널의 관계자는 “압축하면 유체 순환 및 압축기 가동을 위한 최소한의 전기를 사용하는 것”이라며 “예를 들어 일반 전기보일러가 10kW를 소비해 최대 10kW의 열을 생산한다면 태양열 히트펌프는 10kW를 소비해 40kW 이상의 열을 생산을 할 수 있어 정격COP가 4 이상”이라고 강조했다. 



태양열 집열기 설치면적도 확실하게 차이가 난다. 기존 태양열시스템은 최대한 태양에너지를 많이 받을 수 있도록 적당한 경사각도와 넓게 펼쳐야 하지만 태양열 히트펌프는 거의 수직으로 태양열 집열기를 설치해도 효율 변화가 없다. 

이렇다보니 당초 국민생활관 주변 공터나 건물 옥상에 태양열 집열기를 설치해야 했으나 태양열 히트펌프 설치가 결정되면서 주변 공터 일부만 사용해 태양열 집열기를 설치해 에너지절감과 온실가스 저감 효과를 충분히 내고 있다.    

에너지패널의 관계자는 “계절, 기후 등 기상조건에 관계없이 365일 24시간 작동하는 최첨단, 초절전, 친환경 에너지시스템”이라며 “기존의 다른 난방열원에 비해 설치면적, 운전율, 효율, 기술 확장성 등 모든 분야에서 월등히 앞선다”고 강조했다.