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조 성 욱 삼성전자 주식회사 선행개발팀 수석연구원 [email protected]
서 론
히트펌프는 공기, 수열, 지열, 폐열원 등인 저온의 열원에서 열을 흡수하여 고온의 열을 생산하는 기기로 적은 구동 에너지(전기, 가스 등)를 이용하여 보다 많은 에너지를 열의 형태로 공급하는 열변환 기 기를 말한다.
히트펌프는 공기, 하천수, 폐수(열) 등의 미활용에너지와 지열, 태 양열 등의 신재생 에너지를 냉난방, 급탕 및 공정용의 고급에너지로 변 환시키는 비연소 (combustion-free)식 친환경의 대표적 에너지 기기 이며, 단일기기로는 CO₂ 발생 저감효과가 매우 큰 시스템 이다. 그림 1 은 히트펌프 시스템의 개략도를 나타내고 있으며 공기 중의 에너지를 이용하여 온수를 만들 때를 설명해 주고 있다.
히트펌프 시스템의 보일러대비 에너지 절감률은 그림 2에 나타낸 것과 같이 온수공급을 위한 에너지 100을 만들기 위해서 고효율의 가 스보일러는 에너지효율 95%를 기준으로 계산하면 105의 LNG Gas 에 너지를 투입하면 얻을 수 있다. 하지만 히트펌프는 COP 3.5를 기준으 로 환산하고, 발전효율 56%를 적용하면 51의 LNG Gas 에너지를 투입 하면 목표하는 온수를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
상업용 중/대형 히트펌프 냉온수기 개발
히트펌프는 공기, 수열, 지열, 폐열원 등인 저온의 열 원에서 열을 흡수하여 고온의 열을 생산하는 기기로 적은 구동 에너지(전기, 가스 등)를 이용하여 보다 많은 에너지를 열의 형태로 공급하는 열변환 기기 이며 특히 상업용 중대형 제품에 대하여 소개하고자 한다.
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상업용 히트펌프 냉온수기 시스템의 특징
상업용 히트펌프 냉온수기는 호텔 등의 숙박 업소, 수영장, 체육관과 같은 스포츠 시설과 에너 지 다소비 공간에 냉난방 및 급탕 등의 온수 공급 이 동시에 가능한 시스템으로 에너지의 효율적 이용과 폐열 회수 등이 가능하여 에너지 절감 효 과가 큰 히트펌프 시스템이다.
상업용 히트펌프 냉온수기는 냉난방을 위한 매체로서 냉수와 온수의 공급 및 급탕의 기능을
보유하는 다목적 친환경 히트펌프 시스템이다.
하절기에는 냉방기, 동절기에는 난방기의 역할을 수행하며, 또한 사계절 급탕제공이 가능한 시스 템이다.
고효율 히트펌프 냉온수기는 -10℃ 또는 -15℃ 이하의 저온에서도 충분한 난방 용량을 제 공하기 위하여 용량 가변형 압축기 등을 적용하 여 저온의 외기 조건에서 난방 성능을 유지할 수 있는 시스템 구성과 신뢰성을 가진 최신기술이 적용된 에너지 절약형 히트펌프로 CO₂발생량을
[그림 1] 히트펌프 시스템 개략도 (자료 : 에너지기술연구원)
[그림 2] 히트펌프의 보일러 대비 에너지 절감률 (자료 : 에너지기술연구원)
크게 저감할 수 있는 친환경 녹색 제품이다.
상업용 히트펌프 냉온수기 시스템의 활용
열원측의 공기-냉매 열교환기는 하절기 냉방 모드에서는 응축기 역할을 하며, 동절기 난방모 드에서는 증발기의 역할을 수행하게 된다. 사용 측의 냉매-물 열교환기는 하절기 냉방모드에서 는 증발기 역할을 수행하여 냉수를 제조하며, 동 절기 난방모드에서는 응축기 역할을 수행하여 온 수를 제조할 수 있다(그림 3 참조).
냉방운전모드 (냉수 제조)
냉방운전 사이클은 그림 4 a) 와 같이 일반적 인 에어컨디셔너 및 냉동시스템의 운전조건과 동 일한 것으로 응축기는 공랭식 응축기를 사용하 고, 증발기로는 셸-튜브 열교환기 혹은 판형 열 교환기를 사용하여 냉수를 제조한 후, 상치형 혹 은 천장 매립형 FCU(fan coil unit)를 이용하여 냉 방을 수행하게 된다.
난방운전모드 (온수 제조)
난방운전에서는 그림 4 b) 와 같이 4-방향 밸
[그림 3] 상업용 냉온수기의 계통도
a) 냉방운전모드 b) 난방운전모드
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브에 의하여 냉매의 순환방향이 전환되어 실외기 측의 공기-냉매 열교환기가 증발기가 되어 주위 의 열을 흡수하며, 셸-튜브 열교환기 혹은 판형 열교환기 등의 응축기에서 온수를 제조한다. 이 때 제조된 온수를 이용하여 FCU를 통한 공간 난 방 혹은 바닥 난방을 수행하게 된다.
히트펌프는 기존 1차 열원기기를 대체기술로 인정받고 있으며, 기후변화협약 대응의 주요수단 으로서 기술개발 필요성 및 시장이 점점 커지고 있다. 또한, 히트펌프 냉온수기는 산업 및 농업 분 야에 이르기까지 폭넓게 사용될 수 있다.
그림 5는 상업용 중/대형 히트펌프 냉온수기 의 다양한 적용 분야를 나타내고 있다. 호텔 등의 숙박업소, 수영장, 체육관과 같은 스포츠 시설과 같은 에너지 다소비 공간에 냉난방 및 급탕 등의 온수 공급이 동시에 가능한 시스템으로 에너지의 효율적 이용과 폐열 회수 등이 가능하여 에너지 절감 효과가 큰 히트펌프 시스템을 나타내고 있
다.
상업용 히트펌프 냉온수기 시스템의 중요 성과 파급효과
상업용 히트펌프 냉온수기 시스템의 중요성 21세기는 국제 기후변화대책 및 환경문제의 중요성이 증대되고 있으며, 교토의정서 채택으 로 국가 간 온실가스 배출권 거래 및 청정개발체 제 실시 등으로 환경과 관련하여 에너지 시장의 새로운 질서가 대두될 것이므로 국가적 대응전략 수립이 필요하다.
교토의정서의 발효를 기준으로 선진국을 비 롯한 의무부담국가들의 본격적인 감축활동이 시 작되고 있으며, 2005년 1월부터 EU의 배출권 거 래 시장이 운영되어 왔다. 2013년 이후에는 우리 나라를 포함한 선발개도국의 이산화탄소 의무부 담 및 감축참여문제가 본격적으로 예상될 것으로
[그림 5] 상업용 중/대형 히트펌프 냉온수기 적용 분야
예상되기 때문에, 1차 에너지 사용을 줄이면서, 환경친화적인 산업구조 형태로의 변화 모색이 필 연적인 상황이다.
이러한 측면에서 에너지 소비와 온실가스 방 출의 많은 부분을 차지하는 건물의 에너지 활용 양상이 친환경적으로 변화함에 따라 히트펌프의 시장 확대 및 고효율 기기의 요구가 극대화되고 있다.
우리나라의 국가 총에너지소비 중 열에너지 분야에 28%의 에너지가 사용되고 있으며, 전기 는 총에너지소비의 13%를 차지하고 있다. 이에 따라 다양한 에너지원 (미활용에너지열원, 지열 원 등) 활용으로 신재생에너지의 보급률 달성에 기여가 가능하며, 고효율 히트펌프기술로 국내 에너지절감량 20% 달성에 기여할 수 있을 것으 로 예상되고 있다.
특히 열에너지는 그림 6에 나타낸 것과 같이 주택/건물분야에서 대부분 사용되고 있어(주택 90%, 업무분야 8%, 공공분야 2%), 주택 및 업무 분야의 열에너지사용을 고효율화하여 에너지를 효율적으로 사용할 경우, 국가에너지의 절대적인 절약과 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있을 것 으로 예상되고 있다.
일본의 경우는 총이산화탄소 절감량의 10%
및 IEA/ETP-2008 보고서에서는 8%까지 단일기
기인 히트펌프로 이산화탄소의 발생을 억제할 수 있다는 보고를 하고 있으며, 국내에서도 열에너 지의 90% 이상을 주택에서 사용하고 있으므로, 냉온수기도 이에 기여할 것으로 예측되고 있다.
향후에는 산업화 및 도시화에 따른 신개념의 건물 냉-난방을 구현함으로써 새로운 시장 개척 이 가능한 시장 창출형 히트펌프(냉난방을 동시 구현하는 열회수기술 등 적용) 시스템이 요구되 고 있다.
상업용 히트펌프 냉온수기 시스템의 파급효과 기술적 측면에서 보면 공기열원 히트펌프 냉 온수기의 국산화 설계/제작/운전기술 습득 및 기 술 경쟁력 확보를 통해 선·후진국으로의 기술 수출을 기대할 수 있으며, 국내외적으로 가장 시 장성이 큰 용량의 상업용 히트펌프 냉온수기 개 발에 의한 최적 설계기술의 확보하는 것이 중요 한 과제로 대두되고 있다.
1994년 발효된 기후변화협약에 따라 세계적 으로 온실가스 감축을 위한 노력이 집중됨에 따 라 히트펌프 냉온수기 기술은 경제 및 산업적으 로 국가경쟁력 강화에 기여할 것으로 예상되며, 유틸리티 및 수요 기업과의 공동 연구개발에 의 한 기술 협력 및 공급 체계 수립이 시급히 요청되 고 있다. 이에 따라 산학연 연구협력을 통한 기술 협력체제 강화해야 하며, 고효율 히트펌프 냉온 수기의 기술 확보를 통하여 2020년 이후 추진 예 정인 최고 효율 다열원 복합기능 히트펌프 개발 을 위한 핵심기술로 활용이 가능하다.
경제적, 산업적 측면에서 보면 기존 화석 연료 를 사용하는 보일러보다 온실가스 배출이 적으므 로 친환경적이고, 대체에너지 사용에 의한 에너 지 절감이 가능한 것으로 나타나고 있으며, 상업 용 고효율 히트펌프 냉온수기 개발에 의한 에너 지 절약으로 유류 수입 대체 효과가 상당한 수준
[그림 6] 국내 열에너지 사용 현황
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으로 기대되고 있다.
이에 따라, 아파트, 주거/상업용 건물의 난방 및 급탕은 물론 산업공정용 온수생산에도 응용이 가능하므로 타 난방분야 및 온수제조 분야로 산 업화 가능하며, 기존의 화석연료 대체로 수요자 측면에서는 운전비용의 절감에 의한 경제성 확보 가 가능할 것이다.
또한, 전력산업 측면에서 전력예비율에 따른 전력수급 불안해소 및 송배전 설비의 효율적 운 영, 발전소 건설비용 절감할 수 있을 것으로 예상 되며, 국제적 환경문제에도 능동적 대처가 가능 하다. 그리고 계절적 에너지 수급 불균형 해소 및 에너지 절약으로 안정적 에너지 확보를 위해 중 요한 제품이 될 것이다.
그래서 친환경 히트펌프 개발을 통한 이산화 탄소 배출량 감소로 환경개선 및 지구온난화 억
제에 기여하게 될 것이다.
이산화탄소 감축효과를 분석해 보면, 표 1과 같이 2015년에 12.5 만 톤CO₂의 효과가 있을 것 으로 예상되며, 2030년에는 약 5.5배 증가한 69.5 만 톤CO₂의 감축효과를 얻을 수 있을 것으로 예 상된다. 또한, 에너지 절감효과를 분석해 보면 표 2와 같이 2015년에 13.3천 TOE의 효과가 있 을 것으로 예상되며, 2030년에는 약 60배 증가한 799천 TOE의 절감효과를 얻을 수 있을 것으로 예상되고 있다.
사회적 측면을 분석해 보면 고효율 냉온수기 의 산업화를 통해, 개발/설계/시공 분야에서의 추가적인 전문인력이 요구됨에 따라 표 3과 같 이 2015년 1만 7천 명의 고용 효과가 기대되며, 2030년에는 8.5배 증가한 약 14만 4천 4백 명의 고용창출효과를 기대할 수 있다.
<표 1> 이산화탄소 감축효과
<표 2> 에너지 절감효과
<표 3> 고용창출 효과
2015년 2020년 2030년
감축잠재량
(만톤CO₂) 12.5 34.8 69.5
2015년 2020년 2030년
절감효과
(천TOE) 133 399 799
2015년 2020년 2030년
고용인력(명) 17,000 57,700 144,400
<근거자료>
- 공랭식 15 HP기준 2015년 27천대, 2020년 81천대, 2030년 162천대 - 연간 CO₂ 저감량 : 4.3톤/대
<근거자료>
- TOE[Ton of Oil Equivalent] : 지구상에 존재하는 모든 에너지원의 발열량에 기초해서 이를 석유의 발열량으로 환산한 것으로 석유 환산톤을 말한다.
- 연간 경유 보일러(15 HP급) 에너지 사용량 : 10.964 TOE/대 - 고효율화로 연간 평균 15% 에너지 절약
- 보일러대체 에너지 절약량 30%
<근거자료>
- 고용창출효과(명) : 5.1명/10억, 한국은행 산업별 고용표 특수목적용 기계 분류(2005년) 기준
상업용 히트펌프 냉온수기 시스템의 시장 현황
난방기 시장은 전체 310억$로 이 중, 약 9.7 억$ 정도가 주거용 난방기 시장을 형성하고 있으 며, 최근 들어 히트펌프를 이용한 주거용 난방시 장은 연 53% 이상의 급격한 성장을 나타내고 있 으며, 특히 히트펌프 제품군의 ‘08년 세계시장 규 모는 615억$로 대형조선 시장의 규모(600억$)와 거의 동등하며 ‘12년 연평균 8% 성장하여 1,700
억$ 성장이 예상되고 있다. 또한, 세계 주요국(미 국, 일본, 유럽, 중국)들의 향후 히트펌프 시장은 표 4와 같이 예측되고 있다.
히트펌프 냉온수기는 그림 7에 나타낸 것과 같이 ‘14년까지 연 11% 이상의 고성장률이 예측 되고 있으며 이 중에서 공기 대 물 형태의 히트펌 프는 약 15%, 지열을 이용한 물 대 물 시스템은 연간 약 10% 성장이 예측되고 있으므로, 이와 같 은 성장을 고려한다면 ’14년에는 116만대 규모 가 될 것으로 예측되고 있어서 시장이 점점 커져
<표 4> 세계 주요 지역별 히트펌프 시장 규모 현황
2005 AC대비
HP비율 2010 AC대비
HP비율 2015 AC대비
HP비율
성장률 HP Total ACs 44,968
67% 54,651
74% 64,700
80% 7.1%
HPs 30,132 40,546 51,590
Japan ACs 7,500
95% 7,500
98% 7,500
98% 0.3%
HPs 7,125 7,350 7,350
China ACs 19,500
75% 27,750
80% 36,000
85% 11%
HPs 14,625 22,200 30,600
North America
ACs 12,881
35% 12,930
40% 13,000
45% 4.4%
HPs 4,058 5,172 5,850
Europe ACs 5,087
85% 6,471 90% 8,200
95% 8%
HPs 4,324 5,824 7,790
* 자료출처 : 일본냉동공조공업협회(JRAIA : Japan Refrigeration and Air Conditioning Industry Association ) 2008년 통계자료
[그림 7] 세계의 난방 및 급탕용 히트펌프 시장 예측
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가는 성장기의 제품임을 알 수 있다.
상업용 히트펌프 냉온수기 시스템 개발
국내 최초 8파이 전열관 그루브 사양 최적화 설계 기술 개발
국내 최초 8파이 전열관 그루브 사양 최적화 설계기술 개발을 위해서 냉매의 상 상태에 따른 전열관 그루브 제원설계는 지금까지 동관업체 주 체로 시행착오를 통하여 결정되었다. 하지만 새 롭게 고정밀도 성능예측 기술을 개발하여, 냉매 유동 저항과 평균 열전달률이 높은 정밀도로 예 측 가능해져, 그림 8과 같이 8파이 전열관에 최적 한 제원개발에 적용하였다.
인버터 압축기 기술 개발
실외기 성능 개선을 위하여 그림 9와 같이 압
축기 효율, 모터 성능, 냉매 순환량, 저온능력 등 은 개선하고 압축손실 및 소음 등을 줄여 향상된 인버터 압축 기술을 개발하였다.
압축기 스크롤 형상을 최적화하여 압축기 효 율을 개선하였고, 용량 및 인버터 회전주파수 가 변범위를 확장하여 전 영역 부하에서 고효율 운 전이 가능하며, 집중권 모터를 적용하여 분포권 대비 성능을 개선하였다.
또한, 다양한 환경에서 축적된 데이터들과 기 술을 바탕으로 차별화된 Vapor Injection 성능을 제공하여 냉매순환량 및 저온난방 능력을 개선하 였다.
대용량 Hydro Unit 개발
대용량 Hydro Unit을 그림 10과 같이 개발하 였다. 넓은 실외 온도 범위에 대응 가능하고, 목표 토출온도 추종 제어에 의하여 최적 성능을 달성 할 수 있도록 제어 알고리즘을 개발하였다.
또한, 상업용 에어컨의 특징인 다양한 A2A 실 내기 설치 조합에 따른 최적 성능을 발휘할 수 있 게 멀티 제어가 가능하도록 시스템을 개발하였다.
결 론
상업용 중/대형 히트펌프 냉온수기는 에너지
[그림 8] 8파이 전열관 개발 : 신규 Groove 형상
[그림 9] 인버터 압축기 기술 개발 [그림 10] 대용량 Hydro Unit 개발 실외기
기존실내기 Hydro unit
다소비 공간에 냉난방 및 급탕 등의 온수 공급이 동시에 가능한 시스템으로 에너지의 효율적 이용 과 폐열 회수 등이 가능하여 에너지 절감 효과가 큰 히트펌프 시스템이다. 제품을 개발하기 위하 여 앞으로 해결되어야 할 주요 과제들로는 시스 템의 효율적 운전 알고리즘 확보, 시스템 운전 효 율 향상과 신뢰성 확보로 요약할 수 있다.
위의 과제를 해결하기 위해서는 실내기, 냉- 온수 하이드로 유닛 및 실외기 부하 매칭 기술, Cycle 최적화 기술 개발과 고온형 급탕 모듈 개발 및 시스템 통합 기술 개발 등을 중점적으로 개발 해 나가야 할 것이다.
또한, 외기온도 -10℃ 또는 -15℃ 이하의 저 온에서도 충분한 난방 용량을 제공하기 위하여 용량 가변형 압축기 등을 적용하여 저온의 외기 조건에서 난방 성능을 유지할 수 있는 시스템 구 성과 신뢰성을 가진 최신(advanced)기술이 적용 된 에너지 절약형 히트펌프로 CO₂ 발생량을 크 게 저감할 수 있는 기술을 개발해야 할 것이다.
그리고 공기냉난방 및 물 냉난방을 동시에 적 용함에 따른 기존 시스템에서 정의되지 않았던 성능 및 효율측정을 위한 핵심 규격과 안전성, 취 급시방서 등의 기술기준의 체계적 수립 및 구축 이 뒤따라 주어야 할 것이다.
이러한 문제들과 해결과제들은 관련 기관들 의 유기적인 협업이 필수적이며, 기술개발과 동 일하게 시장의 수요를 창출할 수 있는 정부 차원 의 제반 지원제도도 추진되어야 할 것이다.
참고문헌
1. 에너지기술연구원, 2010, 히트펌프 기술 보고서 2. 한국은행, 2005, 산업별 고용표 : 특수목적용 기계 분류
3. JRAIA, 2008, 세계 히트펌프 시장 보고서.
4. IEA, 2008, IEA/ETP - 열에너지 사용 현황 보고서.
5. BSRIA, 2010, 난방 및 급탕용 히트펌프 시장 예측
