지열·수열에너지학회(회장 박창용 서울과기대 교수)는 최신 연구경향과 기술정보를 공유하기 위해 10월12일 조선대학교에서 ‘2023년도 추계학술발표대회’를 개최했다.
지열·수열에너지학회 회장은 “이번 자리를 만들어준 조직위원회, 후원사, 조선대 관계자 등 참석자분들 모두에게 감사하다”라며 “지열·수열에너지분야가 최근 침체기를 극복하고 재조명받고 있는 상황에서 이번 학술발표대회가 가지는 의미는 뜻깊다”고 밝혔다. 이어 “이 시간을 통해 많은 분들이 정보를 공유해나가며 지열·수열에너지분야가 재도약하는 계기가 되길 바란다”고 바람을 전했다.
조홍현 추계학술대회 조직위원장은 개회사를 통해 “에너지문제를 해결하기 위해 신재생에너지 확대와 활성화가 반드시 필요한 시점이며 그 선두에는 지열·수열에너지 관련 기술개발과 적용이 필수적”이라며 “위기가 기회가 되는 계기를 함께 만들어나가야 한다”고 말했다. 이어 “지열·수열에너지학회는 지열 및 수열에너지와 관련된 대표적인 학술단체로 다양한 학술, 연구 및 국제 교류를 통해 우리나라 지열·수열에너지분야의 지속적인 발전을 선도하고 있다”고 학회를 소개했다.
이날 추계학술대회에서는 지열·수열에너지 관련 구두발표 33편, 포스터발표 43편 등 총 76편의 논문발표가 이뤄졌다.
서울시, 세계 최고 지열도시 목표
초청강연에 나선 김광찬 서울시 기후환경본부 녹색에너지과 팀장은 ‘세계최고 지열도시 서울 조성계획’을 발표했다.
김광찬 녹색에너지과 팀장은 “서울 평균기온이 최근 100년 동안 2.3℃ 상승했다”라며 “폭염‧열대야 등 극한기후 일수를 2005년과 2021년 기준으로 비교하면 폭염은 6일에서 18일로 증가했으며 열대야는 11일에서 20일로 증가했다”고 말했다. 이어 “기후변화로 인해 향후 폭염, 풍수해, 가뭄 등 자연재해가 증가할 것으로 전망한다”라며 “서울시는 기후변화에 대응하기 위해 신재생에너지 보급에 집중하고 있다”고 설명했다. 서울시는 올해 6월 기준 지열 등 1,052MW 균형보급 등 열악한 환경에서도 보급용량을 지속적으로 증가시키고 있다.
김광찬 팀장은 “2030년까지 국내 최대규모 지열설비를 도입해 세계적인 지열 랜드마크를 조성할 예정”이라며 “용산국제업무지구, 창동차량기지 바이오메디컬 등을 국내 지열명소로 확대 추진할 계획”이라고 밝혔다. 또한 “2030년까지 정책을 충실히 이행해 원전 1기에 해당하는 1GW를 보급하게 된다면 화석연료를 대체하면서 온실가스 51만8,000tCO2를 감축하는 효과를 가져온다”라며 “이는 전기차를 32만3,839대 보급한 것과 같은 2조8,000억원의 경제효과와 동일하다”고 강조했다.
500RT 수열원 히트펌프 실증계획 조용 한국수자원공사 물에너지연구소 수석연구원은 ‘사무용건물의 500RT급 수열에너지시스템 적용’을 발표했다.
조용 수석연구원은 “프랑스 파리 ‘센강 하천수’, 캐나다 토론토 ‘온타리오 호소수’, 토론토 암스테르담 ‘인공호소수’, 스위스 제네바 ‘레만호 호소수’ 등 해외에서는 수열에너지가 널리 사용되고 있다”라며 “국내 신재생에너지분야에서도 수열에너지 적용을 넓혀나가고 있는 추세”라고 밝혔다.
조 수석연구원은 “하천, 댐호소수, 하천 관로수 등 14개 하천 잠재량을 활용한다면 표준원전 약 20기가 대체되는 효과가 발생한다”라며 “2006년부터 K-water 총 29개소 1,396RT 수열에너지를 활용하고 있으며 롯데월드타워 전체 부하의 10%인 3,000RT 활용뿐만 아니라 한강홍수통제소, 부산 EDC 스마트빌리지 등에서 수열에너지를 활용 중”이라고 말했다.
이어 “K-water 한강유역본부 실증지를 대상으로 300RT 실증연구를 마쳤으며 동일한 실증사이트를 통해 500RT 규모 수열원 히트펌프설비를 실증할 예정”이라며 “기존에는 보일러와 흡수식 냉동기로 냉난방을 공급했지만 친환경 수열원 히트펌프와 열원하이브리드설비로 냉난방을 공급할 계획”이라고 말했다.
또한 “수열에너지 중심 설비구축과 실증데이터를 확보하고 있으며 열교환기 타입별 특성 검토, 열교환기 이물질 분석, 수열회수시스템 설계, 터보 압축기 설계, 압축기 공력설계, 압축기 내부유동 개선, 히트펌프 열교환기 설계, 히트펌프 성능시험, 베어링 진동시험, 축열조 구축, 축열식 하이브리드시스템, 운전 시나리오 수립, 다양한 운전제어, 시스템 상세설계 등을 진행할 예정”이라고 밝혔다.
조 수석연구원은 “2025년 ZEB 인증과 수열에너지 랜드마크로 활용할 수 있는 수열에너지 홍보관을 구축할 것”이라며 “수열히트펌프 KS인증표준 및 시공기준을 위한 실증데이터도 제시하며 대한민국 수열에너지 대표 실증사이트로 발돋움할 계획”이라고 강조했다.
R1233zd 냉매 적용 히트펌프
이희웅 LG전자 에어솔루션연구소 책임연구원은 ‘R1233zd 냉매를 적용한 수열원 터보히트펌프’를 설명했다.
히트펌프는 △공기열 △수열 △지열 등 다양한 열원 및 △하천수 △하수처리수 △폐수열원 등 미활용에너지 열원을 이용해 냉난방, 급탕 및 공정용 고급에너지로 변환시키는 대표적인 친환경에너지 기기다. 현재 히트펌프시스템의 고효율성 및 친환경성이 부각되고 있는 추세이며 지구온난화지수가 높은 HFC 냉매사용을 규제함에 따라서 HFO 냉매를 적용한 제품이 필요한 상황이다.
이희웅 책임연구원은 “1987년에는 오존층을 파괴하는 화학물질 100여종의 생산 및 사용 금지를 규제하기 위한 환경협약인 ‘몬트리올 의정서’가 체결됐으며 2016년 개정된 ‘키칼리 수정안’에는 GWP가 높은 냉매 사용 규제에 관한 내용도 추가됐다”라며 “HFO 냉매는 제외”라고 말했다.
이어 “화제 위험성과 온난화 지수가 낮은 친환경 냉매”라며 “GWP와 인화성 및 독성을 고려한 R1233zd 냉매를 활용한 히트펌프를 개발했다”고 R1233zd 냉매를 선정한 배경에 대해 밝혔다. 또한 “열원분석, 부하분석, 히트펌프 운전조건 검토 등을 거쳐 개념설계, 압축기설계, 열교환기 설계, 제어로직 설계 등을 완료해 냉난방용량 500RT, COP 5.2, 최대출수 온도 50℃ 조건의 수열원 히트펌프를 제작했다”고 밝혔다.
이 책임연구원은 “수열원은 냉각탑을 대신해 히트펌프에서 펌핑한 열을 방출한다”라며 “25℃ 냉각수를 히트펌프에 공급하고 30℃의 리턴수를 받는 과정을 거치게 되며 히트펌프는 7℃의 냉각수를 공조기를 공급하게 된다”고 냉방시스템에 대해 소개했다.
또한 “수열원을 열원으로 활용해 히트펌프에 열을 공급하며 수열원으로부터 6℃의 열원수를 공급받아 5℃의 열원수를 히트펌프에 공급한다”라며 “수열원 온도가 낮아지면 축열조를 통해 5℃까지 승온 후 공급하며 히트펌프에서 열 흡수 후 2℃를 출수한다”고 난방시스템을 설명했다.
히트펌프 COP와 에너지자립률 관계 분석 지열·수열에너지학회 회장을 맡고 있는 박창용 서울과학기술대학교 기계시스템 디자인공학과 교수는 ‘ECO2 활용시 지열과 태양광 적용이 ZEB등급에 미치는 영향과 신재생 에너지 산출방식 고찰’이라는 주제로 발표했다.
박창용 교수는 “ECO2 프로그램은 국내에서 공식적으로 건물에너지 성능을 평가하는 시뮬레이션 툴“이라며 ”제로에너지건축물(ZEB: Zero Energy Building)은 건물에 필요한 에너지부하를 최소화하고 신에너지 및 재생에너지를 활용해 에너지소요량을 최소화하는 시스템”이라고 설명했다.
이어 “ECO2 프로그램을 활용해 기존 연구에서 제시된 표준 상업용건축물에 대한 건물에너지 분석을 수행했다”라며 “ZEB등급 달성을 위해 활용되는 신재생에너지 종류와 생산되는 에너지의 양이 등급에 미치는 정량적 영향을 중점으로 연구했다”고 말했다.
또한 “건물의 모든 부하가 지열히트펌프에 의해 감당되는 조건을 가정했으며 히트펌프의 COP 증가가 ZEB등급에 미치는 영향을 살펴봤다”라며 “비교대상 신재생에너지로 태양광 발전을 선정하고 발전량의 변화가 등급에 미치는 영향을 분석했다”고 설명했다.
박 교수는 “비교분석을 통해 히트펌프 COP 증가가 ZEB등급을 결정하는 에너지자립률에 미치는 영향이 태양광발전량 증가의 영향에 비해 작다는 것을 확인했다”라며 “그 원인이 1차에너지 생산량 계산방법의 차이와 환산계수에 있음을 알 수 있었다”고 밝혔다. 이어 “1차 에너지로 변환한 형태의 에너지자립률 기반 ZEB등급제도는 지열, 수열히트펌프업계 입장에서는 바람직하지 않다”라며 “신재생열에너지공급의무(RHO: Renewable Heat Obligation) 제도를 통해 열수요의 일정 부분을 재생열에너지로 감당하도록 해야 한다”고 강조했다.
통합배관시스템 에너지절감 방법 박종빈 우원엠앤이 부설연구소 연구원은 ‘공동주택의 통합배관시스템 적용에 따른 에너지절감 연구’를 발표했다.
박종빈 연구원은 “난방과 급탕계통을 통합해 운영하는 ‘통합배관시스템’에 대해 ”열에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 효과가 있어 탄소중립 선도를 위한 방안으로 대두되고 있지만 지역난방공사, 주택도시공사, 설비공학회 등 여러 기관에서 정한 통합배관시스템 설계기준이 있지만 각각의 기준이 독립적으로 적용돼 일관성이 제한적”이라며 “열공급사업자와 시행사간 통합배관시스템 설계기준이 상이해 시스템제조사 입장에서 설계기준 통일성이 부재하다”고 문제점을 지적했다. 또한 “사용자의 경우에도 시공 후 과설계로 인해 열손실 문제를 떠안고 있다”고 덧붙였다.
박 연구원은 “통합배관시스템의 세대급탕열교환기 유니트 설계기준에 대해 국내 열공급 사업자와 실제 현장의 설계기준을 비교해 통합배관시스템의 에너지절감을 위한 설계기준 개정연구를 진행했다”라며 “통일된 설계기준을 갖는 지역난방 통합배관시스템 설계기준 제시로 기술통합과 더불어 향후 발전가능성을 제고하고자 한다”고 연구배경에 대해 설명했다.
이어 “A공사의 통합배관시스템의 세대급탕열교환기 유니트의 시수온도, 유량, 배관압력손실 등의 설계기준과 실제 통합배관시스템이 적용된 G아파트의 문제점을 비교했다”라며 “그중 시수온도만 보더라도 A공사의 세대급탕열교환기 시수온도는 15℃ 이하로 설계되도록 명시돼 있지만 실제 통합배관시스템이 적용된 현장의 실측 결과 동절기 시수공급온도가 5℃였다”고 연구결과를 밝혔다.
박 연구원은 “추후에는 기존 시수온도를 15℃에서 5℃로 변경하는 것이 적합하다”고 연구결과를 바탕으로 제안했다.
지열시스템 보급활성화 방안 최명덕 에스엠ENG 대표는 ‘지열시스템 운영현황 조사 및 보급활성화 방안’을 소개했다.
최명덕 대표는 “지열에너지 운영현황 조사 및 보급활성화 방안을 활용한 공공기관과 민간건물 및 공동주택 냉난방시스템의 적용 및 보급활성화 목표로 각 건축물에 지열시스템 적용 시 문제점과 해결방안을 모색했다”고 설명했다.
또한 “현재 신재생에너지 생산량에 근거한 신재생에너지공급의무화(RPS: Renewable energy Portfolio Standard) 비율산정은 태양광 외에 다른 신재생에너지 보급을 지연시키고 있다”라고 지적하며 “건물용도를 고려한 신재생설비 보급이 추진돼야 한다”고 제안했다. 이어 “건물용도별 요구하는 에너지원이 다르므로 RPS 비율을 열에너지와 전기에너지로 구분해 의무화하는 RHO 방식이 필요하다”고 강조했다.
최 대표는 “에너지절감과 운영편의성을 위한 시스템을 제안해 지자체 관내 기축 및 신축건물의 지열시스템 검토와 적용, 활성화를 위한 가이드를 제시한다”고 말했다.
세부적으로 제안한 최적화 운영방안은 △지열 하이브리드시스템을 통한 냉난방 불균형 맞춤 △지열개방형 지열시스템 성능개선을 통한 설치부지 축소 및 효율개선 △지열순환펌프 인버터화, 대형순환펌프 인버터 활용 △지열히트펌프 압축기 오일히터, 대기전력 차단 및 자동제어 적용 △소형건물 지열시스템 제안 △공급, 수요계통, 에너지소비 불균형 제어 △신재생에너지 원격모니터링시스템 △에너지관리시스템도입 △NDC 및 RHI 시범사업연계 △유지관리 최적화 등이다.
수열시스템 통합설계플랫폼 개발 신재우 한밭대학교 기계공학과 석사과정은 ‘web 기반 수열시스템 통합설계플랫폼’을 소개했다.
신재우 석사과정은 “수열시스템의 설계는 히트펌프, 순환 펌프, 축열조 등 다양한 요소를 고려해야 한다”라며 “web 기반 수열시스템 통합설계플랫폼으로 설계과정을 자동화하면 설계시간을 단축할 수 있으며 히트펌프 설비추천 및 수열시스템 설치의 타당성을 제시할 수 있다”고 연구배경 및 목표를 설명했다.
또한 “플랫폼을 개발할 때 설계요소들을 통합해 각각의 상호작용을 고려했으며 web에서 사용자 친화적인 인터페이스를 제공해 최적설계를 쉽게 수행할 수 있도록 만들었다”고 소개했다. 이어 “수열시스템 설계 데이터를 데이터베이스에 저장해 설계과정을 자동화하는 기술, 누구나 쉽게 접근할 수 있는 Web 기반 인터페이스 기술 등을 적용했다”고 덧붙였다.
신 석사과정은 “히트펌프 용량은 500RT를 기준으로 다양한 용량을 포함하고 있다”라며 “수열원 히트펌프 적용 시 히트펌프의 COP, 전체 소비동력, 1차에너지 소비량, LCC(Life Cycle Cost), LCCP(Life Cycle Climate Performance), 수열에너지 활용 후 하천수 온도를 고려한 이격거리를 산출할 수 있다”고 기능을 소개했다.
이어 “파이썬기반 web 형태로 개발했으며 데이터베이스를 별도로 구축해 수열원의 온도변화, 에너지, 시공가격을 보다 편리하게 업데이트 할 수 있다”라며 “플랫폼의 정확도는 ±10% 내외를 유지하기에 사용자들이 언제든지 편리하게 사용할 수 있다”고 강조했다.
또한 “수열원을 이용한 히트펌프 통합설계플랫폼을 web 기반으로 구축했기 때문에 기업이나 공공기관에서 수열원 히트펌프의 적용 타당성을 편하게 검토할 수 있다”라며 “전국적으로 분포한 하천수, 원수, 댐저장수의 수열원 등에 적용할 수 있으며 건물의 경우 건주거용, 사무실, 데이터센터, 상업용, 병원건물에 적용 가능하다”고 상세하게 설명했다.
탄소중립 정책 및 기술 동향 강연주 부산대학교 건축공학과 석사과정은 ‘국내‧외 건물부문 탄소중립 정책 및 기술 동향 분석’을 발표했다.
국제에너지기구(IEA: International Energy Agency)에 따르면 건물부문 탄소배출량은 에너지 관련 이산화탄소 배출량 전체의 38%를 차지하며 이러한 원인을 건물의 에너지원을 석탄, 석유 등 탄소배출이 많은 화석연료를 에너지원으로 사용했기 때문으로 분석했다.
이에 따라 세계 각국은 탄소저감을 위 장기저탄소발전전략(LEDS: Long-term low greenhouse gas Emission Development Strategies)과 국가온실가스감축목표(NDC)를 선언하는 등 여러 정책 및 전략수립을 통해 탄소중립을 위한 노력을 지속하고 있다.
강연주 석사과정은 “이번 연구는 국내·외 진행되고 있는 건물부문 탄소중립 정책 및 기술 동향을 파악하기 위한 것으로 건물에 적용 가능한 탄소배출 저감기술 또한 분석했다”고 말했다. 이어 “전 세계적으로 발전 탈탄소화, 청정연료 전환, 에너지효율화 등 LEDS 등이 이슈되고 있다”라며 “미래 에너지 및 건축은 저탄소 녹색건축을 목표로 관련제도와 규제가 강화될 전망이다”며 발표를 마쳤다.
데이터센터 냉각성능 개선 김지범 고려대학교 기계공학과 석사과정은 ‘액침냉각을 통한 데이터센터 냉각성능 개선’을 발표했다.
김지범 석사과정은 “가상 공간, AI와 같은 IT 발달과 데이터사용량 증가로 인해 데이터센터 수요와 용량이 급증하고 있는 상황에서 데이터센터에 사용되는 CPU와 GPU 성능은 빠르게 성장하고 있으며 전력소모량과 발열량 그에 따른 냉각부하 역시 증가하고 있다”고 설명했다.
이어 “공기를 통해 부품을 냉각시키는 기존의 공랭방식은 냉각 한계가 존재하고 소모되는 에너지 역시 커 비효율적”이라며 “냉각판을 활용하는 간접 냉각방식과 유전체를 활용하는 액침냉각 방식이 냉각성능과 에너지효율 측면에서 대안으로 주목받고 있다”고 말했다.
김 석사과정은 “이번 연구에서는 두 개의 CPU와 16개의 DIMM을 갖는 서버형상에 대해 Ansys사의 CFD 프로그램인 Fluent를 사용해 시뮬레이션을 통한 다양한 냉각방식의 비교를 진행했다”라며 “다공성 모델을 통해 복잡한 형상을 가지는 히트싱크를 단순화해 연산시간을 감소시켰다”고 설명했다.
또한 “시뮬레이션 모델을 활용해 동일한 유체온도와 소모동력을 기준으로 CPU의 온도와 냉각 용량과 같은 다양한 냉각성능지표의 비교를 통해 액침냉각의 우수성을 확인했으며 이와 함께 액침냉각방식의 성능에 대한 열물성치의 영향을 확인했다”고 말했다.
양방향 열거래 실증운전결과 분석김득원 한국에너지기술연구원 연구원은 ‘허브축열시스템을 통한 양방향 열거래 실증운전결과 분석’을 발표했다.
김득원 연구원은 “국제사회는 기후변화의 속도를 늦추기 위해 다양한 방법으로 온실가스를 줄이고 있다”라며 “에너지다소비산업에서 재생에너지 사용은 온실가스절감을 위한 가장 효과적인 방법 중 하나”라고 설명했다.
이어 “공조분야에서 재생에너지 활용을 통해 상당량의 온실가스를 절감할 수 있으며 축열조가 결합된 히트펌프시스템을 통해 재생에너지를 보다 효율적으로 활용할 수 있다”고 강조했다.
김 연구원은 “재생에너지 열원에서 생산되는 열에너지를 저장할 수 있는 허브축열시스템을 구축해 냉방기간 복수의 프로슈머간의 양방향 열거래 실증운전결과를 분석했다”라며 “실증대상지는 부산 강서구 명지국제도시에 위치한 EDC 내에 있는 스마트빌리지, 스마트정수장, 상업시설 등”이라고 소개했다.
또한 “이번 연구를 통해 허브축열조를 통한 열거래운전의 기술적 가능성을 확인했으며 냉방기간 실증운전 결과를 바탕으로 각 프로슈머 내 열원설비의 성능, 열생산 비용 등을 분석함으로써 향후 난방기간 최적제어를 통해 열생산비용을 최소화하기 위한 열거래 운전을 진행할 예정”이라고 향후 계획을 밝혔다.
500RT 수열원 히트펌프 실증계획 
히트펌프 COP와 에너지자립률 관계 분석 
통합배관시스템 에너지절감 방법 
지열시스템 보급활성화 방안 
수열시스템 통합설계플랫폼 개발 
탄소중립 정책 및 기술 동향 
데이터센터 냉각성능 개선 
양방향 열거래 실증운전결과 분석
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