- 다양한 신재생에너지의 열원에너지 모아 통합 축열

- 열원 저장은 빙축열조 이용… 0~-5℃ 축열 가능한 빙축열조 필요

- 시스템 하나로 냉방, 난방, 급탕 안정적으로 공급… 소용량부터 대용량까지 대응

 

솔빅 임효묵 본부장
솔빅 임효묵 본부장

다양한 신재생에너지 열원을 상변화 온도대의 에너지로 모아 통합 축열하는 플랫폼 형식의 축열식 히트펌프 시스템(이하 플랫폼 축열식 히트펌프 시스템)이 제안됐다.

임효묵 솔빅 본부장은 “그동안 지열, 공기열, 수열, 폐열 등을 사용한 히트펌프와 축열 기술의 발전, 그리고 태양광, 태양광 등 신재생에너지 이용기술의 보급확대로 여러 에너지를 모으고 저장하는 시스템 기술도 충분한 가능성이 있다고 판단된다”며 “이제 축열시스템도 심야전기를 이용하는 에너지이용 합리화 시스템에서 에너지 산업에서 다양한 기능을 수행하는 에너지저장 시스템으로 발전해가야 한다”고 말문을 열었다.

지금까지 히트펌프 시스템에서는 주로 생산한 온열을 수축열조에 저장하는 축열 방식이 신재생 에너지 축열시스템으로 사용돼왔다.

히트펌프 축열시스템은 하나의 축열조에 냉·온열을 모두 저장할 수 있는 장점은 있지만 다양한 열원을 일정한 온도로 만들어 저장하기 어려워 열원 통합용 축열조로 사용하기는 곤란했다.

이런 이유로 신재생 에너지를 복합적으로 이용하기 어렵고 또 수축열조의 크기로 인해 사용할 수 있는 현장이 제한된다.

이에 비해 신재생에너지를 이용하는 플랫폼 축열식 히트펌프 시스템은 열원 측 저장은 빙축열조를 이용해 다양한 열원을 상변화 온도대의 에너지로 모아 통합할 수 있다. 열원을 복합화함으로써 신재생 에너지의 용량, 간헐성, 경제성, 시스템 불안정성 등 여러 가지 문제점을 해결할 수 있다.

솔빅이 제안한 플랫폼 축열식 히트펌프 시스템은 △0~-5℃로 축열하는 빙축열조 △고효율 히트펌프 시스템 △다열원 플랫폼 △온수탱크 △순환펌프와 자동 제어로 구성된다.

빙축열조는 냉방운전 시 빙축열조로 사용되지만 난방운전 시에는 여러 가지 열원을 통합해 히트펌프에 열원을 공급하는 역할을 수행한다.

고효율 히트펌프 시스템은 냉매 유로 변환식이 아닌 만액식 등 증발 전용 증발기와 고효율 응축기를 포함한 히트펌프 시스템이다.

다열원 플랫폼은 여러 가지 열원을 임의 시간에 모을 수 있는 열원 플랫폼으로 온도가 서로 다르더라도 축열조의 온도를 상변화 온도 이상으로 축열할 수 있다.

온수탱크는 열원기기의 온열 능력으로 피크와 일일 온열부하량을 대응하기에 적절한 크기의 온수저장 탱크이다.

이 시스템에서 순환펌프와 자동제어는 다양한 기능을 갖는 만큼 복잡한 설비가 될 수 있

어 간편한 제어로 쉽게 이용할 수 있도록 완벽한 펌프 및 자동제어 시스템이 필요해진다.

플랫폼 축열식 히트펌프, 슬러리 및 코일 방식에 적합

솔빅에서 제안한 플랫폼 축열식 히트펌프 시스템은 하절기에 냉방과 필요시 일정량의 55℃ 온수 생산을 동시에 할 수 있다. 또 동절기에는 태양열, 공기열, 지열 등 2~4개 열원을 축열조 상변화 온도 기준으로 모아서 히트펌프의 열원으로 사용해 55℃의 난방 및 온수를 공급 가능하다.

상변화 온도가 -5℃ 시스템인 경우, 이론 COP는 2.5 이상이다. 냉열과 온열이 동시에 필요한 Process 현장의 열 공급 시스템 역할이 가능하다. 특히 태양열 채집 효율을 70% 가까운 효율까지 끌어올릴 수 있어 열량 확보에 유리하다.

임효묵 본부장은 플랫폼 축열식 히트펌프 시스템의 가장 큰 특징으로 “다수의 온열용 열원을 통합해 고효율로 45~60℃의 열을 얻을 수 있다”는 점을 꼽았다.

또 열원을 저장해 필요시 온열을 사용할 수 있고 냉방부하는 축열, 수시 냉방 등 자유로운 시프트(Shift)도 가능하다.

하나의 시스템으로 냉방, 난방, 급탕 열원 시스템 역할을 안정적으로 수행할 수 있으며 소용량부터 대용량까지 모두 대응할 수 있다는 점도 강점이다.

임효묵 본부장은 “플랫폼 축열식 히트펌프 시스템은 모든 축열방식에 적용이 가능하지만 그 중에서도 특히 슬러리형 방식과 코일형 방식에 더 적합하다”고 언급했다.

 

슬러리형 축열시스템 이용시 시스템 계통도
슬러리형 축열시스템 이용시 시스템 계통도

중대 용량 시스템에 적합한 슬러리형 시스템은 냉방 시는 축열조의 냉열을 열교환기에서 열교환해 이용하고 난방 시에는 냉동기 가동으로 축열조의 수용액을 상변화시키며 응축기에서 발생한 온열을 저장하거나 바로 이용할 수 있다. 축열조의 얼음은 열원 플랫폼을 통해 얻을 수 있는 여러 가지 신재생 열원, 폐열 등으로 녹여 지속적인 운전이 가능하다. 기후 조건 등 열원 조건에 적합한 상변화 온도를 선정해 사용함으로써 최적 운전이 이루어지게 할 수 있다.

소용량 시스템에 적합한 코일형 시스템은 축열조에 0~-5℃에서 상변화할 수 있는 PCM 또는 수용액을 채우고 여기에 직접팽창 방식의 코일을 설치해 만액식 증발 방식을 적용한 시스템이다. 순수한 물을 이용할 경우와 다른 제빙 및 해빙 특성을 갖게 되며 빙점 강하 첨가제의 농도에 따라 특성이 달라지게 되므로 이에 적용할 수 있는 균일한 제빙·해빙 방식이 개발돼야 한다. 여러 열원을 이용해 지속적인 열원을 시스템에 공급하는 메카니즘은 슬러리형 방식과 동일하다.

 

코일형 빙축열 시스템 이용시 시스템 계통도
코일형 빙축열 시스템 이용시 시스템 계통도

급 확대위해 저장·재생 특성 강화, 장비 유니트화 전제돼야

임효묵 본부장은 “열원 통합형 플랫폼이 원활히 보급되기 위해서는 저장 및 재생 특성 강화와 장비의 유니트화가 전제돼야 한다”고 말했다.

우선 저장 및 재생특성 강화를 위해 상변화 매체의 혼합물화, PCM 적용 등으로 임의로 설정 가능한 낮은 온도대의 열원을 활용할 수 있는 축열 방식이 개발돼야 한다.

또 상변화 효율 제고를 위해 열원 통합 과정(하향 평준화)에서 발생한 열원의 온도 저하를 보상할 수 있는 고효율 시스템도 필요하다.

이를 위해 증발 전용 열교환기를 사용한 만액식 또는 적하식 증발기를 채택하고 현열 및 응축 잠열 회수에 최적화된 응축 열교환기를 적용해야 한다.

만약 연중 사용조건일 경우에는 인버터 압축기를 이용해 고효율 운전이 가능한 시스템인지 검토도 해야한다.

여기에 재생 속도가 빠르고 균일 해빙이 가능한 축열조도 필요하다. 축열조의 저장 에너지 재생 속도는 히트펌프 시스템의 용량을 좌우하므로 열원 장비의 능력에 대응하는 재생 속도와 용량이 필요하다. 또 불균등 해빙은 반복운전 시 시스템 운전 불능 상태를 가져올 수 있으므로 균일 해빙 시스템이 매우 중요해진다.

필요시 수시 축열, 수시 재생, 축열과 재생의 동시 진행 시 간섭 현상이 없도록 병렬형 축열시스템이 필요하다.

임효묵 본부장은 “대용량 위주의 시스템 구성은 큰 문제가 없지만 중소 용량은 쉽게 이용할 수 있는 시스템이 없는 만큼 유니트형 장비 개발도 뒤따라야 한다”고 강조했다.

이어 “중소 용량 유니트 장비는 2~4 종류의 다양한 열원을 연결하고 이를 제어할 수 있는 플랫폼을 갖는 축열장비가 필요하다”면서 “이 장비는 -5~0℃의 빙축열조를 임의로 상변화 온도를 결정할 수 있어야 하며 어느 경우든 50℃ 이상의 안정된 온수를 생산 공급할 수 있어야 한다”고 말했다.

중소 용량 유니트 장비는 제어시스템을 이용한 사용상의 편의성 확보와 신뢰성의 충분한 검증도 필요하다.

열원이 다양해 복잡한 제어와 관리가 필요할 경우 사용자의 불편이 예상되므로 단순한 제어동작으로 장비를 운전할 수 있도록 사용자 중심의 제어시스템 개발도 뒤따라야 한다.

또한 2년 이상 장기 신뢰성 검증을 통한 보완 및 개선 후 시판해 수요자가 만족할 수 있는 시스템을 위해서는 업계와 연구소 공동개발 및 검증 작업도 거쳐야 한다.

제도적 해결과제

새로운 장비가 보급되기 위해서는 제도적으로 해결해야 할 과제도 적지 않다.

무엇보다 축열식 냉난방 시스템으로 제품형식 인정을 받기 위해서는 형식, 성능, 품질기준이 마련돼야 한다. 또 시장진입 초기, 경제성 확보 및 보급확대를 위해선 축열시스템인지 신재생에너지인지 아니면 복합 지원시스템인지 명확한 지원형태가 결정돼야 한다.

제품형식에 대한 기준도 마련돼야 한다. 현재 히트펌프 시스템 규정에 증발기 전용 열교환기 사용방식은 인정이 안 되고 있는 만큼 응축 열매체와 증발 열매체의 혼합이 없도록(혹은 최소화 하도록) 하는 적합한 기준을 마련해 히트펌프 시스템으로 인정을 받아야 한다.

이외에도 지원 문제와 함께 주관기관 중복문제에 대해서도 사전 정리가 필요하다.

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