한국지열·수열에너지학회(회장 조홍현 조선대 교수)는 지난 7월3일 한밭대 창의혁신관에서 이사 40여명치 참석한 가운데 이사회를 개최했다고 밝혔다. 이사회는 △총무보고 △재무보고 △사업보고 △편집보고 △학술보고 △기타보고 등으로 진행됐다. 학술보고회에서는 지열·수열에너지학회 회원들이 초청강연을 진행했다.

 

조홍현 지열·수열에너지학회 회장은 인사말을 통해 “새로운 학회회원들을 환영한다”라며 “학회 발전을 위해 적극적인 참여를 바란다”고 말했다.

 

수열HP 기술개발 동향 공유

이희웅 LG전자 책임연구원은 현재 개발중인 산업용 히트펌프와 친환경 수열히트펌프의 설계기술을 소개했다.

 

러·우전쟁의 여파로 발발한 글로벌 에너지위기와 러시아산 화석연료의 의존도가 높은 유럽을 비롯해 세계경제의 불안정이 지속되는 가운데 화석연료 의존도를 탈피하기 위해 에너지공급원 다변화의 필요성이 급증하고 있다.

 

이에 대한 대안으로 화석연료와 보일러를 전기기반 히트펌프로 전환하는 사례가 늘고 있다. 유럽은 전기기반 히트펌프제품에 대한 효율규제와 인센티브를 활성화하고 있으며 미국은 히트펌프 수요가 가스를 추월하는 등 신재생에너지사업에 대한 투자가 확대되고 있다.

 

히트펌프는 높은 에너지효율성으로 탄소배출량 감소에 기여하며 냉난방과 급탕을 하나의 시스템 안에서 해결할 수 있다. 그중 터보히트펌프는 터보압축기를 이용해 열원으로부터 열을 얻어 온수를 생산하는 제품으로 고온을 다뤄 이에 맞는 설계기술이 필요하다.

 

히트펌프 설계 시 시스템 운전조건과 환경을 고려한 적합한 냉매선정이 중요하다. 냉매는 증기압축식 사이클을 순환해 에너지를 전달한다. 상변화를 통해 증발기에서 열을 흡수하고 응축기에서 열을 방출해 주변을 냉각하거나 가열한다.

 

최근에는 지구온난화지수(GWP)와 오존층파괴지수(ODP)가 낮은 친환경냉매로의 전환이 이어지고 있다. 특히 사용안정성측면까지 고려한 HFO계열인 R-1234ze나 R-1233zd 등을 활용한 기술개발이 이어지고 있다.

 

히트펌프로 활용가능한 다양한 열원 중 수열은 물의 온도가 여름철 대기보다 낮고 겨울철에는 높은 특성을 이용해 물을 열원으로 직접 활용하거나 히트펌프를 통해 원하는 온도로 변환해 사용한다.

 

하천수는 미활용열에너지의 한 종류로 중규모 시스템 이용이 가능하다는 장점이 있지만 지역에 따라 실질적으로 겨울철 이용이 곤란한 경우가 발생할 수 있어 겨울에도 활용가능한 히트펌프 개발이 필요하다

 

LG전자는 대체냉매 수열원 터보 히트펌프를 개발했다. 수열원을 활용 시 효율이 높으며 뛰어난 에너지절감 및 CO₂배출 감축효과가 나타나 더욱 주목받고 있다.

 

이희웅 LG전자 책임연구원은 “기관·기업·대학과 다년간 연구협업을 통해 수열히트펌프제품과 열원시스템을 공동개발하고 있다”라며 “열교환 안정기술, 친환경히트펌프 기술, 축열식하이브리드기술, 시험평가·표준화기술개발 등의 개발을 진행했다”고 말했다.

 

수열원시스템을 활용한 냉난방운전 시에는 수절환방식으로 냉난방전환이 이뤄진다. 냉방 시에는 열원수가 응축기에 들어간 뒤 증발기를 통해 부하수가 방출되며 난방 시에는 열원수가 증발기에 들어간 뒤 응축기를 이용해 부하수가 생산된다.

 

이때 냉매를 2단압축할 때에는 COP가 1단압축에 비해 약 5.4% 상승해 사이클검토를 거쳐 2단사이클 설계를 진행했다. 이에 따라 열원이 1℃ 상승 시 냉방 COP는 0.2~0.4 하락하며 난방 COP는 0.1~0.13 상승했다.

 

LG전자 친환경 수열히트펌프는 무급유 자기베어링기술을 적용해 친환경 신냉매와 수열히트펌프 핵심기술 융합한 제품을 개발했다.

 

증발기는 적하식 증발기를 활용했으며 전열관을 자체개발했다. 또한 약 6℃의 기온에서 대기압보다 제품내부 압력이 낮아져 불응축가스가 냉동기에 들어가는 것을 감안해 퍼지장치를 설계해 불응축가스감지 및 배출이 가능하도록 했다.

 

압축기의 경우 냉매특성을 고려해 공력설계와 부품설계를 진행했으며 고양정압축을 위해 고속회전이 필요함에 따라 빠른 유속으로 인한 충격파발생을 최소화할 수 있도록 했다. 또한 디퓨저설비 등 신기술을 적용해 운전범위를 넓혔다.

 

회전체 해석을 통해 공진주파수를 확인해 실사용영역이 공진주파수대비 26% 이상 마진을 확보하도록 설계해 회전체 안정성도 높였다.

 

베어링설계의 핵심은 제어기술로 회전체를 안정적으로 지지하며 진동을 능동적으로 제어할 수 있는 제어기를 설계했으며 고장을 대비하기 위해 UPS와 보조베어링 설계도 진행했다.

 

열교환기는 고온·고압환경에 적합한 쉘튜브열교환기를 적용했으며 열교환기사이즈와 냉매충전량 저감을 위해 적하식증발기를 설계해 전열관표면형상최적화로 열전달률을 높였다.

 

한편 산업공정의 기존 화석연료를 연소하는 방법에 대한 대안으로 산업용 고온히트펌프가 각광받고 있다. 최근 글로벌 산업용히트펌프 시장규모는 매년 성장 중이며 산업공정 내 △제지공정 △식품공정 △드라이룸 등 기존 화석연료 연소공정을 대체할 수 있을 것으로 예상된다.

이에 따라 지열, 수열 등 다양한 열원을 사용한 히트펌프개발이 이뤄지는 중이며 LG전자도 산업용 고온히트펌프기술개발을 진행하고 있다.

 

이희웅 LG전자 책임은 “1000RT급 대용량·대온도차 무급유 터보식압축기를 개발하고 있다”라며 “다양한 사이클을 활용해 시스템을 설계하고 있으며 카르노사이클효율이 50% 수준 효율을 내고 있다”라고 강조했다.

 

이어 “목표는 난방능력 3500kW/th이상 COP 3.0 이상이다”라며 “R-1233zd냉매를 사용하는 4단압축 사이클을 개발 중”이라고 말했다.

 

수열시스템 안정적 운영을 위한 제언

박형준 장한기술 상무이사는 수열시스템 개발 시 주안점 등에 대해 발표했다.

 

수열의 안정·효율적인 이용을 위해서는 축열조와 연계해 시스템을 구성하는 것이 가장 바람직한 방식으로 떠오르고 있다.

 

전체부하의 40%를 축열시스템을 활용할 경우 한전 요금체계에 따라 심야전기 요금을 적용 가능하다. 이럴 경우 일반시간대보다 35%가량 저렴한 요금이 적용될 수 있다. 또한 한전은 축열조에 대한 설치지원금을 지원하고 있어 수축열조시스템 성능기준에 맞는 설계를 진행한다면 비용측면에서 더욱 효과적이다.

 

수열에너지는 현재 대부분 취수장과 정수장 사이 원수관로 사용하고 있어 한계가 있다. 수열의 안정적인 운영을 위해서는 장마철 탁도, 수위변화, 저수온 등의 문제를 해결해야 한다.

 

하천수직접취수방식을 이용할 경우 개방형 열교환방식 사용 시 수위가 낮아지거나 관로안에 이물질이 발생해 밀폐형 열교환방식을 활용하는 것이 효과적이다.

 

수열원 이물질제거와 유지보스를 위해서는 펌프 전단의 석션디퓨저(스크린)와 수동식스트레이너 제거가 필요하다. 수동스트레이너 설치 시 스크린간격(Mesh)이 작을수록 이물질 퇴적이 빨라지기 때문이다.

 

박형준 장한기술 상무이사는 “자동식 오토스트레이너를 사용하면 제품 자체에서 Mesh를 긁어내 이물질을 다시 역쇄시킬 수 있다”라며 “1년주기로 관리하기 때문에 오토스트레이너만 사용하는 것이 가장효과적인 방식”이라고 말했다.

 

또한 수열시스템의 단점 중 하나인 겨울철 열교환기 동결을 방지하기 위해서는 동결예방설계도 필요하다.

 

난방기간 중 2.5~5℃인 저수온 시 예비펌프를 포함해 3펌프로 150% 운전을 하는 것이 가장 이상적이며 축열을 활용해 열원보상 운전을 하는 방식을 활용할 수 있다. 보조열원으로는 지역난방 열원 활용할 수 있을 것으로 예상된다.

 

이 때 태양광·열복합패널(PVT)와 연계한다면 에너지믹스가 수열의 한계를 보완할 수 있는 하나의 열원보상에 도구로 사용될 수 있을 것으로 예상된다.

 

박형준 장한기술 상무는 “현재 동절기 사용안정성 향상을 위한수열에너지활용기술 및 에너지믹스 기술개발 과제를 진행 중”이라며 “축열조를 활용해 에너지믹스를 진행하며 AI기반 최적운전제어 시스템을 설계할 예정”이라고 말했다.

 

열에너지 활성화, RHO 도입 통해 이끌어야

남유진 부산대학교 건축공학과 교수는 열에너지공급의무화(RHO) 도입 등 열에너지 활성화 방안 등에 대해 제언했다.

 

국내 신재생열에너지는 신재생에너지 설치의무화제도와 제로에너지건축물(ZEB)인증제도 내에서 보급지원을 받고 있다.

 

신재생에너지 설치의무화제도는 1,000㎡ 이상 건축물에 대해 일정비율 이상을 신재생에너지공급해야하는 의무화제다.

 

그러나 신재생에너지 보정계수를 맞추는 과정에서 지열과 수열의 경우 보정계수 낮게 설정하고 나머지 높게 보정계수 설정돼 이에 대한 대안이 필요하다.

 

올해부터 민간건축물에도 의무적으로 ZEB 5등급 달성이 의무화됐지만 최근 개정을 통해 패시브기술을 통해 에너지사용량을 줄이면 신재생에너지 사용으로 인정하는 완화방안이 도입됐다.

 

ZEB인증의 핵심은 건물에너지해석프로그램(ECO2)를 통해 건물 에너지자립률이 결정된다는 것이다.

 

ECO2 해석프로그램에 따라 단위면적당 1차에너지소비량 결정되며 생산량도 용량에 맞게 계산되도록 하는 계산로직이 큰 영향을 미치고 있다.

 

지열과 수열은 에너지생산량의 열생산량은 인정되는반면 사용됐던 소비전력을 빠져 환산계수가 지열에 불리하게 책정되고 있다.

 

불리한 제도를 개선하고자 한국형 건축물 에너지성능평가고도화기술개발 연구단이 시행 중인 상황으로 연구용역을 통해 지열수열히트펌프평가 및 신재생복합열원히트펌프시스템 알고리즘 개발이 이뤄지고 있다.

 

남유진 부산대학교 교수는 “ECO2 내에 히트펌프시스템이나 하이브리드시스템을 반영할 수 있는 방안에 대한 기술개발이 진행되고 있다”라며 “전 세계에서 활용되고 있는 해석툴이나 알고리즘을 활용해 ECO2를 고도화할 계획이다”라고 말했다.

 

다양한 열에너지 중 수열에너지는 신재생에너지설비로 편입돼있지만 대부분 원수관로에서의 열교환활용에 그쳐 아쉬움이 있다.

 

이에 따라 하천수 활용 기술개발이나 하천수 사용 허가와 관련법규 완화, 하수·폐수 등 열원의 신재생에너지 편입이 시급하다.

 

한편 최종에너지소비중 약 48~50%가 열수요임에도 불구하고 정책의 중심은 전기화에 치우쳐 있는 상황이다. 실제로 산업, 주거, 상업부문 모두에서 열수요가 광범위하게 존재하므로 에너지전환의 절반은 열과 연관된다. 이에 따라 RHO 등 열중심제도가 필요하다.

 

아일랜드는 올해부터 RHO 시행을 목표로 하고 있으며 독일은 RHO와 유사한 건물에너지법을 통해 최소 65% 재생에너지기반 열공급을 하도록 규정하고 있다.

 

남유진 부산대 교수는 “RHO를 통해 열부문 RE100 달성을 유도할 수 있으며 전기중심에너지전환의 리스크를 줄이는 대책이 될 수 있다”라며 “국내는 현재 신재생에너지법체계 속 공급의무조항내에서 열부문을 확장하는 것으로 추진하고 있으나 해외국가 의무화제도대비 강제성과 인센티브규모가 비교적 낮다”라고 말했다.

 

이어 “선진국들은 법적의무제와 보조금을 통해 난방부문 탈탄소화 가속화하는 반면 국내는 정책적기반이 부재하며 공급자, 수요자대상 연계정책 미흡하다”라며 “수요자입장에서 재생에너지를 활성화해 이용할 수 있는 혼합형 제도 만들어져야 할 것”이라고 강조했다.