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히트펌프를 활용한 재생 가능 에너지의 열 이용재생 가능 에너지의 열 이용과 히트펌프
  • 한국에너지정보센터
  • 승인 2019.08.12 14:03
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2015년 4월 일본에서 ‘건축물 에너지 절감법(정식 명칭: 건축물의 에너지 소비 성능 향상에 관한 법률)’이 시행되었다. 이에 에너지 기본 계획과 ‘지구온난화 대책’ 등에서 재생 가능 에너지의 열원인 태양열, 지중열, 설빙열, 온천열, 해수열, 하천열, 하수열 등의 도입 확대를 강조하기 시작했다. 그렇다면 이러한 열원을 활용하기 위한 히트펌프 기술은 어떻게 발전하고 있을까?

일본만이 아니라 여러 선진국에서 태양광 발전이나 풍력 발전, 소수력 발전, 바이오가스 발전 등에 대한 관심이 높다. 재생가능 에너지로 전력을 공급을 충당하기 위함이다. 일례로 유럽에서는 소형 발전기에 콤바인드 사이클을 적용하거나 중소 규모 바이오매스 가스 발전에서 전기와 열을 병합하는 코제너레이션(cogeneration, 발전 과정에서 배출되는 배열을 에너지 공급원으로 사용하는 것) 개발에 열을 올리고 있다.

일본의 경우 후쿠시마현에서 ‘재생 가능 에너지의 선구 지역액션플랜(제2기)’을 세워 2040년까지 현내(縣內) 에너지 수요량의 100% 이상에 상당하는 양을 재생 가능 에너지로 충당하는 것을 목표로 추진하고 있다. 이를 RE100(100% Renewable Electricity)이라 한다. 즉 기업에서 활동에 필요한 전기에너지의 100%를 재생 가능 에너지로 충당하는 것이다

해외 유수의 기업들도 이러한 움직임에 동참하고 있다. 골드만삭스, 뱅크 오브 아메리카, 코카콜라, 네슬레, 스타벅스, BMW,GM,존슨앤존스,P&G,나이키, 구글, 페이스북, 마이크로소프트, 애플, IKEA 등 세계를 리드하는 80개 이상의 기업이 가맹되어 있다. 마이크로소프트는 이미 2014년에 RE100을 달성했다고 발표하기도 했다.

이를 실현하기 위해 태양광이나 풍력 등 기후에 좌우되는 발전 방식에 대해 안정적으로 전력을 공급하고 열 이용의 효율을 높이는 기술이 발전하고 있다. 즉 송전과 축전이 용이한 전력 관리 기술은 물론 앞으로 스마트그리드와 히트펌프를 함께 제어하는 기술이 중요해질 것이다. 이 외에 잉여 전력을 사용하여 수소를 제조하는 기술도 보급되기 시작했다.

결론적으로는 재생 가능 에너지로 발전한 전기를 사용하여 히트펌프로 열을 만들어내는 방향으로 나아가고 있다. 일반적으로 공기를 열원으로 하는 히트펌프는 냉방이나 냉동에 비해 난방이나 가열은 효율이 떨어진다. 적설지에서 바람이 강하게 부는 지역에서는 불리하다. 하지만 지중열이나 지하수열, 하수열이나 온천열 등을 열원으로 하는 히트펌프 시스템은 높은 효율을 얻기 쉽다. 실제로 열원에 따라 히트펌프의 성적계수(COP: Coefficient of Performance)가 다른데, 가열이나 난방의 경우 일반 온도 범위에 있다면 열원 온도가 높을수록 성적계수가 높아진다.
 

재생 가능 에너지 열 이용의 용도
건축 설비분야에서 재생 가능 에너지 열 이용의 투자 회수 기간은 건물 종류, 설비 용도, 열원, 기후 풍토나 입지 등에 따라 달라진다. 그러나 계절에 상관없이 사용하는 냉난방 설비나 융설 설비의 경우 연간 상시 이용하는 급탕설비나 욕탕설비에 적용한 것이 투자 회수 기간이 짧다. 한편 융설 설비나 환기 설비에서는 재생 가능 에너지의 열 이용 시 히트펌프를 사용하지 않고 직접 열을 이용하는 경우도 있다.

급탕의 일일 급탕 부하나 가열 부하의 변이는 건물 용도에 따라 다르다. 사회복지시설이나 의료시설의 경우 비교적 부하가 안정되어 있다. 그러나 숙박시설이나 스포츠시설은 요일에 따라 부하가 변동하기 쉽다. 또한 계절마다 급수 온도가 변하기 때문에 탕과 물의 혼합비가 바뀌거나 물을 끓이는 가열온도의 변화에 따라 부하가 증감한다.

낮 시간대에 부하가 안정되어 있는 사회복지시설이나 의료시설은 히트펌프와 단독 가열장치를 조합하는 것이 좋다. 숙박시설이나 스포츠시설에서는 히트펌프를 베이스 로드로 한 하이브리드 급탕 시스템이 배치되어 있다. 히트펌프 급탕시스템은 기기 자체의 가격이 높고 전기 용량도 크기 때문이다. 앞으로 중유나 등유를 연료로 한 진공식 온수기나 보일러 사용이 규제될 가능성도 있어 LNG가스나 바이오매스 가스를 연료로 하는 온수기나 코제너레이션에서 나온 열로 부하 변동분을 보완하게 될 것으로 예상된다.

업무용 급탕 시스템의 경우 배관 계통이나 기기에서의 손실 열량이 커 대책이 필요하다. 배관에서의 열 손실은 변이나 플랜지 등의 단열을 생략해서 생기는 경우가 많다. 직관부에서는 섬유계 단열재를 사용해 단열 성능이 떨어지는 사례를 찾아볼 수 있다. 또한 실외 배관의 단열재는 물에 젖어 단열 성능이 떨어지는 경우가 종종 있다.

밀폐형 저탕조도 배관과 같다. 밀폐형 저당조 외부의 단열재가 젖어 단열 성능이 떨어지는 경우가 있다. FRP제 밀폐형 저탕조 외부에 단열재로 FRP제의 보호층을 일체화한 제품도 있어 활용하기 좋다. 열원으로 히트펌프를 이용한 지중열로 하면 채열하는 것만으로 태양열 전달률에 의해서는 지중열 교환기 주변 온도가 저하할 가능성이 있다.

 

해외의 지중열 이용 사례와 일본의 한계
유럽 각국에서는 지중열 이용 히트펌프 시스템의 꾸준한 개발과 보급 촉진을 이어간 결과 1990년대 후반부터 운용 코스트와 CO2 배출량 절감을 달성하게 되었다. 현재 미국에서 연간 약 12만대, 독일과 스웨덴에서 각각 약 3만대, 프랑스는 약 2만대, 오스트레일리아와 핀란드가 각각 5천~1만대 정도 도입되어 있다.

중국에서도 대규모 지중열 이용 히트펌프 시스템에 의한 냉난방을 진행하고 있다. 그러나 일본은 지중열 이용 히트펌프 시스템의 보급은 둔하고 그 규모 역시 연간 수백 대 수준에서 정체되어 있다. 일본에서 보급이 잘 이루어지지 않는 원인 중 하나는 바로 지반이다. 일본은 급준한 지형으로 강수량이 많고 화산도 많이 있기 때문이다.

이러한 이유로 홍수가 자주 나고 화산 폭발에 의해 화산재가 퇴적된 곳도 있다. 이에 지층이 적층되어 있는 경우가 대부분이다. 일본에서는 지반에 수직으로 채열관을 부설할 때 먼저 초관을 지중에 매설하여 초관을 통해 지중 채열관을 삽입해야 한다.

하지만 이러한 지형적 이유로 지중채열관의 매설 비용이 높아져 유럽에 비해 지중열 히트펌프 시스템의 보급이 지체된 것이다.

 

일본 기후 풍토에 맞는 지중열 이용 방법 

지중열의 근원이 되는 장소는 연간 온도가 거의 일정하다. 히트펌프로 이 안정된 지하의 열을 이용하는 것이 지중열 이용 히트펌프 시스템이다. 일본의 경우 깊이 10~100m의 지중 온도는 연간 평균 0~2℃ 정도다. 쾌적온도는 보통 17~28℃라고 알려져 있다. 일본 여름철 낮 시간의 외기온도는 쾌적온도보다 높은 지역이 많다. 그러나 지중온도는 쾌적온도보다 낮아 냉방에 유리하다. 겨울철 난방은 외기온도와 지중온도가 쾌적온도보다 낮기 때문에 히트펌프를 사용해 열을 고온에 이용할 수 있다.

한편 수도권에서는 공기를 열원으로 하는 히트펌프로 냉난방을 하는 경우가 늘고 있다. 그러나 일본면적의 절반을 차지하는 한랭지에서 공기 열원 히트펌프로 난방을 하면 온난지에 비해 옥외기의 열교환용 코일에 서리가 생기기 쉽다. 서리를 녹이기 위해 냉방회로 대신 디프로스트(defrost) 운전을 하지 않으면 효율이 나빠진다. 온도가 높은 지역에서는 디프로스트 운전이 빈번히 일어난다.

눈이 많이 오는 지역에서는 설빙이 옥외기의 열교환기용 코일에 붙기 쉬워 불리할 수 있다. 하지만 지중열 이용 히트펌프 시스템은 디프로스트 운전이나 착설, 착빙이 없이 효율 저하가 없다. 또한 지중열 이용 히트펌프 시스템은 냉방의 배열을 땅에 그대로 배출하게 된다. 때문에 도시의 열섬현상을 완화할수 있다는 장점도 있다. 일본 동북대학 미래과학기술공동연구센터
(NICHe)에서 일본 자연환경의 특징인 대량의 강수량과 다층의 지반에 대해 지중열 채열관의 단위 길이 당 채 방열량을 높이는 방법을 고안하여 실용화하고 있다. 비 등 함양과 채열관의 하부 부압지하수(표층수)를 채열관의 주변에서 수직으로 떨어지게 하여 점토층의 하부의 피압 지하수로의 물의 흐름을 만든 것이다.


천수 함양과 지하수 흐름을 유도한 경우와 그렇게 하지 않은 경우에는 3배 이상의 채열량의 차이가 나타났다. 지하수 이동이 적은 유럽에서 지중 채열관의 채방열량 설계는 열전도만을 요소로 예측하여 계산한다. 동북대학은 이를 일본의 기후 풍토에 맞게 지하수열을 고려한 효과적인 채열기술로 발전시켰다. 이 기술에 의해 채방열량 당 이니셜코스트를 줄일 수 있었다. 이에 이 기술이 일본에서의 지중열 이용 히트펌프 시스템의 보급으로 이어질 것으로 기대하고 있다.

 

지중열 이용 활성화를 위한 해결 과제

특히 산간지역과 같이 인구가 적은 곳에서 히트펌프 급탕이나 지중열 히트펌프 냉난방, IH히터 등의 보급이 필요하다. 이를 위해서는 일반 가정에서도 전력의 자유화가 진전되어 앞으로도 전력회사가 도심과 벽촌의 전기 요금을 같은 금액으로 유지할 수 있어야 한다. 산간지역에 지중열 채열관을 매설하는 공사에서는 현재 일반적인 전용 굴삭기로는 운반이 어렵고 비용도 많이 들어 결국 전기요금 상승으로 이어지기 때문이다.

관련 회사에서는 비용 절감을 목표로 배전공 사용의 건주차를 이용해 잠층 토양에 구경(口徑)이 큰 나선형 지중열 채열관을 매설하는 공법을 시도하고 있다. 원래 전용 지중열 채열관을 매설하는 전용기는 그 수가 적고 공사를 위해서는 인력이 해당 지역에서 숙박을 해야 하는 어려움이 있다. 하지만 배전공사용 건주차는 기동성이 높아 대략 1~2시간만 있으면 일본 내 어디든 이동할 수 있다.

이에 배전공사용 건주차의 기동성을 활용한다면 산간지역에서의 지중열 이용 히트펌프 시스템의 적용 확산으로 이어질 수 있다. 이 기술의 보급으로 일본 동북의 지역의 부흥뿐 아니라 지방 경제 활성화로 이어질 가능성이 있다. 이에 관련 기업에서는 산간지역 외의 주택, 소규모 사무실 빌딩, 농업용 하우스에 적용되는 지중 열 이용 히트펌프 시스템에서도 채산성을 높이는 것을 목표로 하고 있다.

이 공법은 80m~100m 깊이의 기존 지중열 채열관이 3~5개 미만인 잠층토양에 매설하는 경우에 채산성이 있다고 예상한다. 이 이상의 규모라면 지중열 채열관의 설치 면적이나 작업 시간 등의 물리적 조건도 늘어나 작업이 어려울 수 있기 때문이다. 이러한 지중열 채열관 매설 공사의 시도 증가와 더불어 배전공사 기술의 유지와 확보로 이어질 수 있을 것으로 보인다.

 

LED화 절전화로 지중열 이용을 우수하게
업무에 쓰이는 각종 OA기기와 조명기구, 건축물의 내부 발열 감소 등으로 냉방열 부하가 감소하는 경향이 나타나고 있다. 냉방열 부하가 감소하면 난방열 부하가 증가하기 때문에 냉난방 열원의 에너지 소비량도 영향을 받는다. 이에 공조 열원이나 환기 방식의 선택, 에너지 절감 방법이 에너지 절감에 큰 영향을 미친다.

이와 관련하여 후쿠시마 사례에서 기존의 내부 발열의 조건에 의한 냉난방열 부하 변화에 대해 알아 보았다. 절전 후의 내부 발열의 조건에 의해 난방열 부하가 증가하여 냉방열 부하가 감소하는 것을 알수 있었다. 업무 공간의 절전화에 의한 내부 발열 감소와 함께 열 부하가 감소하는 것은 당연한 것이나 반대로 난방열 부하가 증가했다.

이에 히트펌프 열원 방식에 따른 에너지 소비량 냉난방열 부하의 변화와 함께 4종류의 히트펌프 칠링유닛 별 에너지 소비량을 구해보았다. 칠링유닛의 종류는 다음과 같다. 고효율 공랭식, 한랭지 대응형 공랭식, 지중열 이용(open), 지중열 이용(close)이다. 후쿠시마 사례에서 절전화 후 히트펌프 열원에 따른 에너지 소비량은 [그림 1]과 같다. OA기기나조명의 절전화는 냉난방 열원 에너지 소비량의 증가와 연결되는 것을 알 수 있다.

특히 한랭지, 적설지에 위치한 업무용 건물에서는 공간 내부의 부하 감소가 공조 열원의 에너지 소비량의 증가를 불러일으킬 수 있다. 따라서 공조/환기시스템의 구축 시 다음 사항에 대해 유의할 필요가 있다. 먼저 고효율의 공조 방식이나 환기 방식의 선정, 건물의 단열성/기밀성의 설정 등의 고려가 필요하다. 공조 열원에서는 지중열 이용 히트펌프의 도입 등이다.

다만 난방열 부하가 증가할 수 있기 때문에 지중열 이용 히트펌프를 적용할 경우에는 장기적인 지중온도 저하 방지책을 고려, 반송(펌프) 동력의 인버터 제어를 포함한 고효율 시스템을 마련해야 한다. 또한 환기 방식으로는 현열교환기의 활용하여 외기(外氣)를 도입함으로써 열 부하를 줄이는 방법 등을 도입해야 한다.

[그림 1] 히트펌프 열원 별 에너지 소비량(후쿠시마 냉난방 열원 한정)

한국에너지정보센터  kecenter@hanmail.net

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