해수열원 이용 냉난방 시스템 적용 기술

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집중기획 해수열원 이용 냉난방 시스템 적용 기술

장 기 창 한국에너지기술연구원 책임연구원 [email protected]

개 요

전 세계적으로 고유가, 지구온난화 및 환경문제로 인하여 선진국에 서는 화석연료의 사용 규제와 신재생에너지 개발이 촉진되고 있다. 에 너지 수입 의존도가 높은 우리나라도 급격히 변화하는 국제정세에 맞 추어 변화해야 하는 실정이다. 국내의 에너지 소비비율 중 건축물에서 사용되고 있는 에너지 사용량이 약 30%를 차지하고 있어 이에 적용 가 능한 새로운 에너지원의 개발이 시급하다. 또한, 기존 건축물에서는 난 방이 차지하는 에너지 비율이 높았으나 기후변화 및 거주자들의 삶의 질이 높아짐에 따라 쾌적성에 대한 요구가 증가하여 냉방에너지에 대 한 수요도 지속해서 증가하고 있다.

우리나라는 삼면이 바다이고 부산, 인천 등 7개 항구도시 연안 인 근에는 냉난방·급탕 열수요가 많은 업무용 및 상업용 고층빌딩과 대 단위 아파트가 있어 지역에 따라서는 해수를 냉난방·급탕 열원으로 이용하기가 아주 좋은 지리적 조건을 가지고 있다.

해수 열에너지는 자연에너지로서 온도의 계절변동이 하천수에 비 해 적고 동결온도가 –1.9℃로 낮아 하천수보다 저온까지 열이용이 가 능하며, 여름은 대기보다 5~10℃ 낮고 겨울은 대기보다 5~8℃ 높은 온도차에너지로서 히트펌프의 열원으로서 아주 우수한 특성이 있다.

그리고 동해안과 같은 지역에서는 해양심층수를 확보할 수가 있으며, 해양심층수는 연중 5℃ 이하이므로 하절기 냉방목적으로 사용 시에는 매우 우수한 성능을 가질 수 있다.

특히 해양심층수의 냉난방 이용은 미국 하와이의 NELHA에서 자체 우리나라는 삼면이 바다이고 해안주변에 대도시가 형성됨에 따라 해수열원 이용 냉난방 시스템 적용기 술 시장이 커질 것으로 기대되므로 국내외 기술적용 사례 및 개발 등을 소개하고자 한다.

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집 중

집중기획기 획

건물의 냉방에 적용한 연구개발이 시초인데, 최 근 NELHA는 직경 1.2 m의 HDPE관을 이용하여 150,000 m³/일의 심층수를 취수하고 있으며, 일 부를 인근 코나공항의 냉방에 활용하기 위한 계 획 연구를 수행하고 있다.

해수 열에너지 현장이용은 1950년 중반부터 홍콩에서 냉동기의 냉각수로 사용하면서 처음 으로 시작되었으며, 1982년부터 북유럽의 스웨 덴, 노르웨이 등에서 지역난방용으로 이용하면 서 본격화되기 시작하였다. 특히, 일본 후쿠오카 Seaside Momochi, 오사카의 Cosmo Square, 괌 등에서는 해수 냉난방을 상업적으로 이용하고 있다.

따라서 해외에서 해수열이용 냉난방 시스템 적용기술을 살펴보고 국내에서 적용 및 추진하고 있는 사업에 대해 소개하고자 한다.

해외 적용 사례

일본 모모치지구

모모치지구는 후쿠오카시에 있으며, 그림 1에 보인 바와 같이 하카타(博多)만을 끼고 있는 해안 지역이고, 상업·업무·문화기능이 고도로 집적 해 있는 모모치지구와 스포츠·레크레이션 시설 이 집중해 있는 근접지구에 사람·정보·문화가

교류하는 세련된 도시공간이 형성되어 있다. 서일 본환경에너지(주)는 이 지구에의 열공급에 있어 서 해수를 열원으로 한 자원절약·에너지절약·

공간절약 실현과 축열시스템의 채용에 의한 저비 용 시스템의 구축, 축열식 전기기기(해수열원 히 트펌프 등)와 가스기기(흡수냉온수기)의 조합 에 의한 에너지의 최대 활용을 가능하게 하였다.

Seaside 모모치지구는 구주전력, 서부가스, 후쿠 오카시가 공동으로 출자하여 설립한 서일본환경 에너지 주식회사에서 1993년 4월부터 열공급 사 업을 개시하였으며, 구체적인 사업의 개요는 표 1 과 같다.

열원설비는 미활용에너지를 활용한 해수열 원 히트펌프를 근간으로 하고, 열회수형 전동 터 보냉동기와 가스흡수식 냉온수기의 조합에 의해, 동력·가스의 최대 활용을 실현하는 시스템으로 되어 있다. 표 2는 설비의 개요를 나타내고 있고, 그림 2는 열원시스템의 개략도를 보여주고 있다.

당 지구의 해수열에너지 활용시스템에 의한 에너지절약효과는 표 3에 보인 바와 같이 종래 방 [그림 1] Seaside 모모치지구의 전경

<표 1> Seaside 모모치지구 열공급 사업의 개요

사업자 西日本환경에너지 주식회사

회사설립일 1990년 11월 5일

자본금 41억엔

주주 九州전력(주), 西部가스(주), 후쿠오카(福岡)시

사업허가 1991년 5월 30일

공급개시 1993년 4월 1일

공급구역 Seaside 모모치지구 약 43.5 ha 부지면적(계획) 885,100 m²(건물수 28동)

열수요(계획) 냉열 : 292,000 J/년 온열 : 130,000 J/년

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<표 2> 설비 개요

<표 3> 미활용에너지의 활용효과 <표 4> 환경부하의 저감효과 [그림 2] 열원시스템의 개략도

항 목 내 용

공급조건

종류 공급온도 리턴온도 공급압력

냉수 6℃ 12℃ 0.53～

0.78 MPa

온수 47℃ 40℃

배관

관경 125A ～ 900A 총연장 7,044 m

냉수관 3,522 m 온수관 3,522 m

열원기기

제 1 열원센터 日本전기(주) 빌딩 지하

해수열원 히트펌프 3,000 RT×3대 공기열원 히트펌프 3,000 RT×2대(장래) 수축열조(계절전환형) 4,000 m³

제 2 열원센터 (주)日立제작소

부지내 지하

전동 터보냉동기(열회수형)

1,500 RT×1대, 500 RT×1대 가스흡수냉온수기

1,500 RT×3대, 500 RT×1대 빙축열조(STL) 185 m³×3기

수축열조(연간 냉수조) 1,900 m³

시스템 투입 에너지량 비고

종래 방식

(보일러+흡수식냉동기)

486,000 GJ/년 (116,000 Gcal/년) Seaside 모모치 지구

열원방식

285,000 GJ/년 (68,000 Gcal/년) 차

(에너지절약 효과)

201,000 GJ/년 (48,000 Gcal/년)

→약 41 %

중유 환산 약 5,150 kL

시스템 발생량 발생비율 (%)

종래 방식

(보일러+흡수식냉동기)

CO₂ 22.1 (천T/년) NOx 21.6 (T/년)

100 100 Seaside 모모치지구

열원방식

CO₂ 11.0 (천T/년) NOx 9.1 (T/년)

50 42 차

(삭감 효과)

CO₂ 11.1 (천T/년) NOx 12.5 (T/년)

(50) (58)

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식(보일러+흡수식 냉동기)과 비교하여 201,000 GJ/년, 약 41%의 저감이 예상된다. 또한 환경부 하도 표 4에 보인 바와 같이 종래 방식과 비교하 여 CO₂ 및 NOx의 배출량은 50% 이상 저감이 예 상되고 있으므로 활용 효과는 매우 크다.

일본 코스모스퀘어지구

오사카 남항(南港) 코스모스퀘어 지역은 오 사카시가 「테크노-포트(Techno-port 오사카)」

계획으로 해안에 인접한 160 ha의 지역으로 국 제교역기능·정보통신기능·선단기술개발기 능 등을 가지는 21세기 신도시로서 개발이 진행 되었다. 코스모스퀘어 지역은 2003년 4월에 유 니버설 스튜디오, 간사이 링크 타운사와 연합하 여 오사카 임해에너지 서비스사(ORES: Osaka Rinkai Energy Service Co.)로 새로이 발족되었 다. ORES는 오사카 수미노에구 오사카 WTC 빌 딩에 있으며, 도시의 기능을 향상시키기 위해 도 시인프라 및 환경문제의 해결을 목적으로 코스모 스퀘어 지역의 중심부 21 ha(연상면적: 750,000 m², 용적률: 600%)를 대상으로 지역냉난방을 실 시하고 있다. 그림 3에 그 전경을 나타내었으며, 그림 4에 열공급지역 및 ORES 배관라인을 나타

내었다.

열공급 수요처는 아시아 태평양 트레이드 센터(ATC), 오사카 월드 트레이드 센터 빌딩 (WTC), 오사카 하얏트 호텔, 미즈노 본사 빌딩, 스미토모생명 코스모프라자 빌딩 및 스미토모상 사 빌딩 등이며, 열공급은 냉수, 온수, 증기의 6관 방식이고, 공급조건은 표 5와 같으며, 열수요량은 표 6과 같다. 또한, DHC 에너지 흐름도를 그림 5 에 나타내었다.

<표 5> 열공급 조건

<표 6> 열 수요량

[그림 3] 코스모스퀘어 지역열공급 구역 전경 [그림 4] 열공급지역 및 ORES 배관라인

표준 공급조건 주용도

냉수 6.5℃ → 13.5℃ 냉방

온수 47.0℃ → 40.0℃ 난방

증기 0.78 MPa(8 kg/cm²) 주방·호텔난방 급탕

최대부하 연간부하

냉수 284 GJ/h

68 Gcal/h

435 TJ/년 104 Tcal/년

온수 105 GJ/h

25 Gcal/h

증기 38 GJ/h

9 Gcal/h

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일본 Sun Port 高松지구 지역냉난방

일본 시코쿠전력에서는 JR 다카마츠역 주변 의 대규모 재개발지구인 「Sun Port 다카마츠」에 건설되는 새로운 건물에 냉·난방용의 냉수 및 온수를 공급하는 지역열공급사업(그림 6 참조)을 2001년 4월에 개시하였다.

본 열공급에는 에너지 이용효율이 높은 전기 식 히트펌프와 대형 축열조를 조합시킨 축열식 히 트펌프시스템을 채용하고 있다. 특히 본 지구의 열 공급에서는 에너지절약 효과를 보다 높이기 위해 히트펌프의 열원으로서 해수를 이용하고 있다.

본 사업은 시코쿠 전력주식회사의 직영사업 으로서 2000년 11월에 열공급사업법에 근거하는 사업허가를 취득하여, 그 후 기기반입설치공사에 착수하여 2001년 4월부터 공급을 시작하였다.

·열공급사업자 : 시코쿠 전력주식회사

·사업허가 : 2000년 11월 15일

·공급개시 : 2001년 4월 1일

·공급구역면적 : 13.9 ha

·공급전열매체 : 냉방용냉수(공급온도 5℃) 난방용온수(공급온도 49℃)

·도관방식 : 4관 방식

·플랜트소재지 : 다카마츠시 해변(다카마츠 항 여객 터미널 빌딩 지하 2층)

해수온도는 외기온도에 비교해서 여름은 낮 고, 겨울은 반대로 높은 특징이 있다. 한편 히트펌 프는 냉방운전 시에는 냉각수온도가 낮을수록 효 율이 높으며 또한, 난방운전 시에는 열원수온도 가 높을수록 효율이 높게 된다. 이것 때문에 해수 를 열원으로 한 히트펌프는 공기열원에 비하여 여름과 겨울철에 효율을 높일 수 있는 이상적인 열원기기라고 할 수 있다. Sun port 다카마츠 지 구로서는 임해부에 열공급기지를 건설할 수 있는 이점을 살려 그림 7과 같은 해수온도차에너지 이 용 시스템의 활용을 꾀하였다.

노르웨이 Telenor Fornebu 플랜트

Telenor 해수 히트펌프 플랜트는 이전에 국 제공항이었던 자리에 전화국이 새로이 만들어지 면서 미활용에너지이용의 차원에서 지역냉난방 시스템으로 건설되었다. 이 플랜트는 인근 앞 바

[그림 5] DHC 에너지 흐름도

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다로부터 해수를 취수하여 히트펌프의 에너지원 으로 사용하고 있는 시스템이다. 겨울철 6~9℃

이상의 해수는 히트펌프의 열원이 되고, 여름철 10~12℃ 미만의 해수는 직접 냉방매체로 사용될 수 있다. 또한, 여름철 12~15℃ 이상의 해수는 단 순히 응축기의 냉각용으로만 이용된다.

본 플랜트의 히트펌프는 R-134a를 사용하며, 난방능력 6.7 MW, 냉방능력 8 MW로 설계되었 다. 또한, 해수 플랜트가 설치된 지하건물에 12.5 MW 출력의 보일러가 별도로 설치되어 필요시 가 동된다.

스웨덴 Vaertan 플랜트

1995년에 가동을 시작하여 스톡홀롬 지역 70%를 공급(이중 해수/하수 히트펌프 17%)하 고 있으며, Fortum社에 의해 정부 보조없이(투자 비 회수기간 10년 이내) 건설되었다. 이 시스템의 특징은 Trigeneration이라는 것이다. 일반적으로 Trigeneration이라 함은 전기생산 후 여열을 난방 과 냉방에 이용하는 것을 말하는데, 여기서는 냉 방의 경우 증발기를 통과한 바닷물이 2℃로 매우 낮아지므로 이를 열교환하여 냉수를 공급하는 시 스템을 말한다. 본 시스템 중 히트펌프 시스템만 을 확대하여 나타내면 그림 8과 같다.

세부 기술 사항은 다음과 같다.

○ 난방수온도(℃) : 공급 (60～80), 회수(50～65)

○ 냉방수온도(℃) : 공급(4～6), 회수(10～16)

○ 여름 하수 온도(℃) : 유입(5～22), 방출(2～10)

○ 열원설비(MW) :

·하수열원열펌프 : 30 MW×4, 25 MW×1 ·기름보일러 : 80 MW×2

·전기보일러 : 40 MW×2

○지역난방 및 냉각용량 :

[그림 6] Sun Port 다카마츠 지구의 열공급지역 전경 [그림 7] 히트펌프시스템 구성도 (중간기의 예)

[그림 8] Trigeneration 시스템 중 히트펌프 시스템

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2700 GWh and 100 GWh

○ 전기 : 600 GWh

Vaertan 플랜트에는 총 10대의 히트펌프가 있 는데, 이들은 Vaertan 플랜트에서 생산하는 총 열 량의 50% 이상을 발생시킨다. 이처럼 히트펌프 를 이용하는 것은 COP가 3, 즉 전기 1 투입에 대 하여 3의 열을 생산하므로 효율이 높다. Nordic 지역의 낮은 전기 요금을 고려하면 Vaertan에서 의 기저부하(base load)에 대한 자연적인 선택이 다. 바닷물에 저장되어 있는 낮은 등급의 태양에 너지는 펌핑되어 지역난방 즉 75～80℃의 높은 레벨에 도달한다. 외기온도가 5℃ 이상일 때는 히 트펌프는 공급파이프를 통하여 지역난방열을 공 급한다. 이보다 더 온도가 내려갈 때에는 플랜트 에서의 다른 장치에 의하여 온도를 상승시켜야 한다. 바닷물의 온도가 높을수록 히트펌프의 작 동이 더욱 원활하다. 히트펌프 중 4대는 좀 더 환 경에 무해한 HCFC 134a로 교체하였다. 나머지 6 대는 HCFC 22를 사용하고 있는데, 가까운 미래 에 역시 교체될 예정이다.

핀란드 헬싱키 Katri Vala 플랜트

헬싱키시 에너지공사(HEB)는 인구 48만 명 의 헬싱키시를 대상으로 전기 및 지역난방을 공 급하는 지역 독점적 헬싱키 시영 회사이다. HEB 는 헬싱키 시내에 도시 근접형의 열병합발전소 (CHP) 및 열공급 플랜트, 그리고 운반가능형 열 공급 플랜트를 소유하고 시내에 열을 공급하고 있다.

시스템 이용형태는 표 7과 같다. 공급 열매는 온수형태로 공급온도는 70~120℃이며, 그림 9는 히트펌프 플랜트의 설치 용량 및 사진을 나타내 고 있다.

시스템 구성으로 HEB 소유의 플랜트는 폴란 드, 러시아에서 수입한 석탄을 주연료로 하고 있

으며, 각 플랜트는 배관 네트워크로 접속되어 있 다. HEB 네트워크에는 열병합발전소 3개소 및 열공급 플랜트 6개소 그리고 축열설비가 연계되 어 지역난방 중앙제어소의 지시에 따라 가장 효 율적인 운전이 되도록 각 플랜트의 운전 밸런스 가 제어되고 있다.

기저는 열병합발전소에서 담당하고 피크부하 는 열공급 플랜트에서 분담하고 있으나, 열병합 발전소에서도 (1)보일러의 증기를 직접 열원으로 지역난방에 사용하는 패턴, (2)터빈의 배기를 열 원으로 하는 패턴, (3)해수 냉각으로 배열을 이용 하지 않는 패턴(발전효율을 최대로 높인다) 등 3 가지 패턴을 연속적으로 교대시켜 발전소 출력의 열전비를 바꾸는 운영을 하고 있다. 또 직접 보일 러에서 증기를 감압하여 공급하는 라인도 있다.

지역난방 공급배관은 고온수에 의한 2관식 (왕복)으로 끝에는 열교환 방식으로 접속되어 있 어 일반가정에서는 받은 열을 난방, 급탕에 사용 한다. 단 여름철에는 급탕만(난방은 온수순환방 식)한다. 공급온도는 계절에 따라 변하며, 배관의 열손실을 줄이고 있다. 그림 10은 히트펌프 플랜 트의 냉방 및 난방운전 상태를 나타내고 있다.

해양심층수 이용 지역냉방

최근 해양심층수가 개발되면서 해양심층수를

<표 7> 헬싱키 해수이용 지역열공급시스템의 이용형태

열 원 수 요

종별/용도 해수 8,788(1988년)

300가구/년 증가 중 규모

(전기/열 MW)

연간 열판매량 5707 GWh/년 열조건

(온도, 압력 등)

겨울: 공급온도120℃

회수온도 75℃

여름: 공급온도 70℃

회수온도 40℃

기타

back-up시스템으로서 배관 네트워크에 의해 각 플랜트 사이의 상호 인접도시 지역난방과도

열교환기를 통해 배관으로 공급

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이용한 지역냉방이 미국, 일본 괌 등에 적용되고 있다. 해양심층수 이용은 그림 11과 같이 냉동기 를 사용하지 않고 직접 열교환기를 거쳐서 냉수

를 제조하여 건물의 냉방에 적용하는 것이다. 해 양심층수를 냉방에 이용하기 위해서는 무엇보다 도 그림 12와 같이 해양심층수를 확보하는 기술

[그림 9] 히트펌프 플랜트 용량 및 사진

[그림 10] 히트펌프 플랜트 운전 모드

[그림 11] 해양심층수 이용 지역냉방 적용기술

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이 필요하다. 또한, 보다 효율적으로 적용하기 위 해서 그림 13과 같이 1차적으로 해양심층수를 이 용하여 냉수를 만들고, 2차적으로 해양심층수를 냉동기의 냉각수로 이용하는 방식으로서 대규모 의 지역냉방에도 적용할 수 있다.

국내 적용 사례

국내에서도 최근 해수이용 냉난방 기술이 본 격적으로 개발 및 적용되고 있다. 여수엑스포 주 제관에도 350RT 규모의 해수 냉난방 시스템이 적용되어 가동 중에 있으며, 시범운전 및 기술개 발 사례를 살펴보면 다음과 같다.

해양관광레저스포츠센터에서 해수열이용 해수이용 냉난방시스템의 연구에서 기술 개 발한 시제품에 현장적용 평가를 위하여 동해안에 있는 강원도 삼척시 근덕면 덕산리 소재 건물로 국립 강원대학교 삼척캠퍼스 해양관광·레저스 포츠센터에 설치하였다. 히트펌프의 설치용량은 난방 시 약 70 kW, 냉방시 약 60 kW의 출력으로 서 소형 시스템이다.

해수를 취수하는 방법으로서 필요한 취수량 이 약 15 m³/h이므로 해안에 구조물을 설치하여 취수하기에는 규모가 작다. 따라서 설치비용을 고려하여 직접 취수보다는 해안가의 모래사장에 약 4 m의 깊이를 파고 취수장비 및 스크린을 설 치하여 바다의 어패류가 부착되어 막히는 현상을 해결하면서 파도 등에 의한 파손 등을 보호할 수 있도록 하였다.

히트펌프는 안정성과 성능 및 친환경성을 모 두 고려하여 HFC 냉매 조합인 R410A- R134a 조 합의 캐스케이드 사이클로 구성하였다. 시스템의 개략도를 그림 14에 나타내었으며, 그림 15는 히 트펌프 및 해수열교환기의 설치 사진이다. 본 시 스템은 하절기 및 춘추절기에는 저단 압축기만 운전하여 냉방 및 난방운전을 수행하고, 동절기

[그림 12] 해양심층수 취수 기술

[그림 13] 해양심층수를 냉동기와 연계한 지역냉방 시스템

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에는 저단 및 고단 압축기 모두를 운전하여 캐스 케이드 사이클을 구현하도록 함으로써 고출력 난 방운전이 가능하도록 구성되었다. 난방운전시에 는 캐스케이드로 운전할 경우 65℃ 이상의 온수 를 생산할 수 있었다.

국제교류협력회관 해수열이용

한국해양대학교에 있는 국제교류협력회관 건 물을 냉난방하고자 해수열이용 히트펌프를 설치 하였다. 표 8은 건물의 설치 개요를 나타내고, 그 림 16은 건물의 사진이다. 취수배관으로서는 고 밀도 폴리에칠렌(HDPE)를 사용하였으며, 취수

[그림 14] 실증용 히트펌프 시스템 개략도

[그림 15] 실증용 히트펌프 및 해수열교환기

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배관의 직경은 Φ300 mm이다. 그리고 히트펌 프는 해수온도차 냉난방시스템에서 가장 핵심 이 되는 기술이며, 종래에는 원통다관식(shell &

tube)을 사용하였으나, 개발된 제품은 판형(plate type)을 사용함으로써 효율을 대폭 증가시킨 구 조이다. 그림 17은 히트펌프의 설치 사진을 나타 낸다.

해수를 취수하기 위한 해수진공탱크의 재질 은 STS304로 하고 희생양극방식의 부식방지 방

식을 선택하였다. 또한, 취수방식은 탱크 내부에 심정펌프를 설치하고 내부를 완전히 밀폐하여 해 수저장탱크로 해수를 공급하면 진공압력에 자동 으로 해수가 유입되는 방식을 채택하여 취수에 따른 전력소모량을 최소로 하는 구조로 하였다.

그리고 해수 취수관 말단에 여과 스크린을 1차로 설치하고, 해수진공탱크 내부에 2차 여과 스크린 을 설치하여 각종 이물질 유입을 방지하고 손쉽 게 청소할 수 있는 구조로 설계하였다. 또한, 해수 진공탱크와 기계실과의 중간지점에 별도의 지하 저장탱크를 설치하여 기계실까지 해수 이송에 따 른 마찰손실과 온도변화를 최소화하였다. 해양환 경 변화에 영향을 최소화하기 위하여 취수지점과 방류지점의 이격거리를 약 200 m 확보하였으며, 평균 수심은 10 m 이상을 유지하도록 하였다.

해양심층수 에너지 이용기술

국토해양부는 최근 신재생에너지원으로 주목 받고 있는 해양에너지 개발의 일환으로 “해양심 층수의 에너지 이용기술 개발” 사업을 착수하였 다. 즉 해양심층수를 건물의 냉난방 및 온도차 발 전기술에 적용하는 것이다. 해수 냉난방 시스템 (SWAC : Sea Water Air Conditioning)은 심층수 의 냉열(2℃ 이하)을 지역단위에 적용하기 위해 1,000 RT급 규모의 시범모델을 개발하고자 한다.

심층수는 해양의 가장 아래쪽에 분포하고 있 는 영역으로 바깥 환경변화에 따른 수온변화가 적을 뿐만 아니라 해수 순환이 매우 느리게 이루 어져서 온도 차이가 연중 5℃ 이하로서 수심에 따 른 수온 변화가 매우 작은 층이다. 특히 한국의 동 해지역은 서해와 남해에 비해 상대적으로 심층수 까지의 거리가 육지에서도 짧은 거리에 있어 이 용하기에 비교적 좋은 여건을 가지고 있으며, 자 원량이 무한하다는 점, 수심 200 m 아래에서 연 중 2도 이하의 저온 특성을 안정적으로 유지하고

<표 8> 설치대상 건물의 개요

[그림 16] 설치 대상 건물 전경

[그림 17] 설치된 히트펌프 사진

설치 위치 한국해양대학교 국제교류협력회관

열교환기 형식 판형열교환기

냉동능력 75 RT

냉/온수 조건 20 -> 10℃ / 12 -> 50℃

해수유량 60 m³/h

성능계수(냉방/난방) 7.0 / 6.8

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있다는 점, 그리고 청정성, 부영양성이 높다는 점 등의 특징을 갖고 있다(그림 18참조).

그림 19는 강원도 고성에서의 계절별 수심 에 따른 해수의 온도를 나타내고 있다. 그림에서 와같이 해수는 수심에 따른 온도에 따라 크게 해 양심층수와 해양표층수로 구분할 수 있다. 해양 표층수는 여름 때 약 23℃ 정도, 겨울 때에는 약 10℃ 내외를 나타내어 기존 공기열원 히트펌프 시스템에 비해 우수한 열원으로 사용될 수 있다.

해양심층수는 연중 5℃ 이하를 유지하고 있어 직 접 냉방을 위한 열원으로도 사용할 수 있는 등 해 양심층수 및 해양표층수 등의 해수를 히트펌프 열원으로 이용하는 냉난방 시스템은 기존의 보일 러와 냉동기 방식에 비해 에너지 절약은 물론 지 구온난화와 같은 지구환경 문제 개선 등의 효과 도 기대할 수 있다.

국내는 해양심층수의 부존 위치에 따른 효용 성 있는 심층수가 동해에 국한되고 있다. 동해는 지형적으로 수심이 깊어서 비교적 해안에서 근 거리에 심층수가 존재하는 유리한 조건을 가지고 있으며, 해안으로부터 5 km 내외에서 심층수의 획득이 가능한 장점을 보유하고 있다.

따라서 강원도 고성에 있는 해양연구원 심층 수연구센터에 60 RT 규모의 해수이용 탠덤 히트 펌프를 그림 20과 같이 설치하여 현장 적용 시험

운전을 하고 있다. 실증운전과 기술개발을 통하 여 향후 강릉혁신도시에 1,000 RT급 지역열공급 플랜트를 건설할 계획을 하고 있다.

[그림 18] 해양양심층수 특징

[그림 19] 동해안의 해양심층수 온도변화

집 중

집중기획기 획

[그림 20] 60 RT급 해수이용 탠덤 히트펌프 실증

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또한, 해양심층수의 저온성(연중 2℃)을 그림 21과 같이 빙상장 등에 활용할 수 있는 기술 등을 검토하고 있다. 해양심층수 냉난방시스템은 저온 의 해양심층수를 이용하여 아이스링크 빙면을 냉 각하고 열교환기를 통해 냉기를 방출하거나 이를 히트펌프로 만든 뜨거운 온수를 경기장으로 보내 어 온기를 방출하면 냉난방이 가능하게 되어 있다.

맺음말

최근 냉난방에너지의 보다 효율적으로 적용 할 수 있는 방안이 집중적으로 관심을 갖게 됨에 따라 히트펌프의 다양한 열원 개발이 필요하게 되었고, 이에 따라 해수열에너지는 보다 안정적 이며, 무한한 자원이 있기 때문에 해외는 물론 국 내에서도 많은 관심을 갖고 적용하는 추세이다.

그러나 아직 국내에서는 소규모의 단일 건물에

적용하고 있으며, 운전효과에 대한 결과가 보고 되고 있지 않다. 따라서 향후 해수열이용 지역열 공급이 가능한 대규모의 사이트 개발 및 적용이 시급한 실정이므로 국가 및 지방자치단체에서 적 극적인 지원이 필요하다.

참고문헌

1. 장기창외., 2008, 해수이용 냉난방 시스템 개 발, 지식경제부 보고서

2. 장기창외., 2012. 해수열원 이용 냉난방 시스템 적용 기술, 대한설비공학회 2012하계학술발표대 회논문집, pp. 29-30

3. 이호생외., 2012, 60 RT급 해수냉난방시스템의 성능특성에 관한 실험적 연구, 한국해양과학기술 협의회 공동학술대회, 대구 EXCO

4. 오철외., 2011, 해양온도차를 이용한 냉난방

[그림 21] 빙상장의 제빙/냉각, 냉난방을 위한 해수(해양심층수) 이용시스템

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시스템 및 발전시스템의 현황과 미래전망, 대한 설비공학회 하계학술발표대회 논문집 pp. 154- 159

5. 김정엽외., 2012, 해양심층수 에너지자원 이용

타당성 분석 연구한국해양환경공학회지 Journal of the Korean Society for Marine Environmental Engineering Vol. 15, No. 1. pp. 9-18

6. http://www.makai.com/e-swac.htm

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