하수 및 하천수의 온도차 에너지 활용한 기술
그동안 전혀 활용되지 않았던 하천수를 이용한 냉난방 장치를 가동할 수 있는 핵심기술이 개발됐다. 한국에너지기술연구원은(최익수 원장)은 최근 미활용 에너지원인 하수, 하천수 등의 온도차 에너지를 이용하는 핵심기술인 ‘2단 압축 열펌프시스템’을 개발했다.
이 신기술은 대기를 열원으로 한 기존 열펌프 방식이나 보일러, 냉동기 방식보다 고효율로 냉난방열을 공급할 수 있으며 도시지역의 에너지 및 환경문제, 지구온난화 문제를 해결하는데 크게 기여할 것으로 보인다.
이번에 개발된 ‘2단 압축 열펌프시스템’은 과학기술부 21세기 프론티어 연구사업인 이산화탄소저감 및 처리기술개발 사업으로 추진됐으며,‘하수·하천수 열원 열펌프시스템의 고출력 및 고효율화 기술개발’(연구책임자 이영수 박사)을 통해 설계, 제작 및 평가를 수행하여 성능과 효율성이 입증됐다.
이 시스템은 기존 공기열원인 열펌프에 비해 30%이상 에너지 절약이 가능하며, 대도시 지역이나 공업단지에서 발생하는 다양한 유형의 미활용 에너지를 회수하여 재활용할 수 있는 가능성을 열었다는 점에서 의미가 크다. 대도시 지역 내에 있는 미활용 에너지원인 하천수의 열에너지 부존량을 조사한 결과, 연간 192,000 Tcal/년 이며, 이 열량은 2000년도 국내 총에너지 소비량의 약 9.9%로 가정 및 상업용 에너지 소비량의 59%를 차지하는 막대한 양이다.
하수 및 하천수 등에 존재하는 온도차 에너지를 활용하는 이 기술은 하천수의 수온이 여름철에는 21~27℃로 대기 온도보다 5℃ 정도 낮고, 겨울철에는 5~15℃로 대기 온도보다 10℃ 정도 높게 나타나는 점에 착안했다. 지역에 따라 다소 차이가 있지만 여름철에는 대기 온도보다 낮은 하수·하천수 열원을 이용하여 응축기의 냉각열원으로, 겨울철에는 열펌프의 증발기 열원으로 사용한다.
‘환경개선, 전력부하 평준화’ 등 이점 다양
이는 같은 양의 연료를 투자했을 때 얻을 수 있는 에너지 효율이 공기를 열원으로 사용한 열펌프보다 높아 경제적이다.
또한 하천수는 유량이 풍부하고 안정적이어서 겨울철 기온이 낮아 발생하는 공기열원 열펌프의 용량부족 등과 같은 문제점들을 해결할 수 있다.
기존의 냉난방 시스템에 비하여 이산화탄소 발생량을 40~60% 정도 줄일 수 있으며, 에너지 절약뿐만 아니라 환경개선, 전력부하 평준화, 저온열원의 활용 등 많은 이점을 가지고 있다.
화석연료를 연소시키지 않기 때문에 청정한 도시개발이 가능하고 도시기온이 외곽지역보다 높아지는 열섬화 현상을 억제하며 질소산화물(NOx)를 60~80% 정도 줄일 수 있다.
소규모 단위건물의 냉난방 및 급탕 열공급시스템 및 산업체에서 대량으로 방출되는 폐열을 회수하여 고온의 공정수 제조 및 공장 내 냉난방에 활용할 수 있으며, 지역에너지사업(지방자체단체), 에너지기술적용 시범사업(에너지관리공단)과 연계하여 활용할 경우, 그 효과가 극대화될 것으로 예상된다.
미활용 에너지연구센터장 이영수 박사는 ‘화석연료를 사용하지 않고, 자연대기 열연을 이용할 수 있다는 점과 냉·난방 시스템을 하나로 만들어 시스템의 설치공간을 12% 줄일 수 있게 되었다’는 점에 연구의 큰 의미를 부여하고 있다.
우리나라에 상업 및 공공부문에서 사용되는 에너지는 전체 에너지의 22.3%, 금액으로는 600억 달러로 자동차와 반도체의 수출액과 거의 맞먹는 규모다. 이러한 점을 감안, ‘2단 압축 열펌프시스템’은 금년 11월경 1천 평 규모의 실증플랜트를 계획하고 있어 실용화될 경우 막대한 경제적 반사이익도 기대된다.
열펌프 및 기존 보일러 방식보다 고효율
일본의 경우 오는 ’10년 민수형 에너지의 10%를 미활용 에너지로 공급한다는 목표를 가지고 있다. 우리나라도 ’15년경이면 이를 달성할 것으로 이영수 박사는 전망한다.
우리나라는 에너지자원이 빈약한 데다 경제규모가 세계 12위인 반면, 에너지소비 10위, 석유소비 7위로 에너지 다소비 국가로 분류되고 있다. 따라서 정부도 신행정도시의 건설에 하천 및 하수처리수를 이용한 미활용 에너지의 활용계획을 목표로 환경부와 산자부 등 에너지 관련부처가 검토에 착수한 것으로 알려지고 있다.
하수 및 하천수와 같은 온도차에너지를 열펌프의 열원으로 이용하면 급탕, 난방 및 냉방 등의 용도에 이용할 수 있고, 대기를 열원으로 한 열펌프 방식이나 기존의 보일러, 냉동기 방식보다 고효율로 냉난방열을 공급할 수가 있으며, 특히 대규모 열수요처 부근에 온도차에너지가 존재할 경우 이 온도차에너지를 수열원 열펌프의 열원으로 이용하면 지역열공급으로 활용이 기대된다.
국내에는 아직 온도차에너지를 이용하는 지역열공급사업이 추진된 실적이 없지만 해외에서는 83여개가 보급되고 있으며, 이 가운데 하천수 및 하수를 이용한 사업이 35%를 차지하고 있다.
이와 같이 하수·하천수를 이용한 지역열공급시스템의 핵심기술인 냉온열 제조 열펌프시스템의 고성능 및 고효율화 기술이 필요하지만 아직 국내에는 이에 대응하는 열펌프시스템 개발이 미흡한 실정이다.
기존의 냉난방 설비들은 일반적으로 칠러(냉각기)와 보일러를 조합하거나, 단단 압축 사이클을 적용한 열펌프형 냉난방기를 기본으로 하는 것들이다. 칠러(냉각기)와 보일러를 조합한 설비의 경우, 입력 에너지 이상의 난방 열량을 얻을 수 없으므로 비효율적이다.
@P1@01@PE@
혹한기에도 ‘고효율 운전가능’특징
또한 에너지를 절약할 수 있는 열펌프형 냉난방기라고 하더라도 동계 운전시 열원의 온도가 저하하면, 증발 압력 저하와 함께 과도한 압축비로 운전되어 압축기의 운전 효율이 감소하며, 결국 난방 능력 및 시스템 효율이 저하된다.
뿐만 아니라, 혹한기에는 증발 압력의 급격한 저하로 압축기 토출 온도가 과도하게 상승할 우려가 있으므로, 시스템의 안전에도 좋지 않은 영향을 끼칠 수 있다.
2단압축 열펌프 시스템은 이상과 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 동계 운전시 열원의 온도가 저하되어도 과도한 압축비로 운전되지 않도록 하여 압축기의 운전 효율 감소를 방지하며, 동시에 시스템 순환 유량 감소를 막아 난방 능력을 유지함으로서, 혹한기에도 고효율 운전을 가능토록 하는 특징이 있다.
또한, 시스템 제어를 용이하게 하는 분리형 중간 냉각기와 플래시 탱크내의 액면 제어를 통한 고단측 압축기 보호 장치를 갖도록 하여 항상 안전운전을 보장할 수 있도록 하였다.
제어동작을 이용하여 항상 최적 중간 압력을 갖도록 운전 가능하므로 에너지 절약 운전이 가능하며, 중간냉각기를 적용하여 주 냉매라인 팽창변으로 흐르는 냉매액을 충분히 과냉시키므로 난방 능력을 극대화시킬 수 있을 것으로 기대된다.
증발기 및 응축기 성능향상 개선방안 도출
이 신기술은 하천수를 열원으로 사용하는 30RT급 2단압축 열펌프(난방COP : 3.5, 냉방COP : 4.5)시스템 개발을 목표로 2단압축 열펌프 시스템의 성능해석 모델을 개발하고, 팽창장치의 냉매유량 제어특성을 파악하여 사이클 용량제어의 핵심기술을 확보했다.
국내외에서 생산되는 최신 형상의 증발기/응축기 전열관에 대한 성능실험을 수행하여 형상특성에 따른 전열특성을 파악함으로써 최적 증발/응축전열관을 선정하고, 증발기 및 응축기의 성능향상을 위한 개선방안을 도출하는 성과를 기록했다.
또한 30RT급 열펌프시스템의 시제품을 설계 및 제작하여 이에 대한 성능평가를 수행하였으며, 이를 통하여 고효율 및 고성능화된 30RT급 하수열원 열펌프시스템의 신뢰성을 확보하고, 이를 바탕으로 100RT급 실증시제품을 개발하여 설치할 계획이다.
이 신기술은 향후 에너지 절약(대체, 청정) 효과를 비롯하여 기존의 냉난방시스템에 비해 에너지절약을 통한 CO2 발생량 저감 등 환경개선, 전력부하평준화, 저온열원의 활용 등 많은 이점이 있다.
또한 수입대체효과에 따른 에너지절약의 무역수지 개선효과도 기대되고 있다.
한편, 이 신기술은 소규모 단위건물의 냉난방 및 급탕 열공급시스템을 비롯한 산업체에서 대량 방출되는 폐열 회수를 통한 고온의 공정수 제조 및 공장내의 냉난방, 기후변화협약에 대응한 지역에너지사업 활성화의 미활용 에너지 개발 및 이용시범사업의 추진 활성화에도 널리 활용될 것으로 전망된다.
이 영 수 | 한국에너지기술연구원
[저작권자ⓒ 이미디어. 무단전재-재배포 금지]
