산업용 히트펌프 도입에 의한 에너지 절감 효과는 2030년에는 105만kL(원유환산), 2050년도에는 925만kL로 추정된다. 현재 히트펌프는 160℃ 정도의 증기를 생산할 수 있는 기기가 개발되는 등 세정·가열, 보온, 건조, 증류, 농축 등 다양한 제조 프로세스에 적용할 수 있는 고효율 기기로서 주목받고 있다.

여기서는 산업용 히트펌프에 대한 제품 라인업, 특징, 공장의 열 이용 실태에 따른 활용법, 도입 현황, 과제에 대해서 소개한다.

산업용 히트펌프는 제조업 등의 가온·건조 프로세스 등에서 사용되는 온열을 공급하는 고효율 기기다.

일본은 ‘장기 에너지 수급 전망’에서 2030년도 보급 전망이 설정되는 등 에너지 절약의 중요 기술로서 보급 확대가 기대되고 있다.

일본 제조업에서 150℃ 미만의 온수·증기 이용은 열량 320PJ/년이라는 상정도 있다. (〈그림 1〉 참조)

그래서 이 영역을 산업용 히트펌프에 의한 공급으로 전환하면 큰 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다.

산업용 히트펌프의 종류 및 특징

공장의 제조공정에서는 다양한 용도에 필요한 온도대·양의 열이 사용되고 있다. 기존 50℃ 정도의 열 생산부터 70℃ 정도의 고온수를 생산하는 히트펌프는 2000년대 후반에 상품화된 후 더욱 고온화 및 대용량화, 냉온 동시 공급 등 시장 요구에 따른 기술개발이 진행돼 왔다.

현재 산업용 히트펌프의 제품 라인업을 히트펌프에서 생산하는 열매체(온수·열풍·증기)로 구분해 최종적으로 7종류의 제품으로 분류한 것이 〈그림 2〉이며 〈그림 3〉에는 각 방식의 특징과 이미지도 등을 설명했다.

증기 재압축장치를 제외하면 산업용 히트펌프도 에어컨이나 냉장고와 마찬가지로 냉매가 압축·응축·팽창·증발을 반복함으로써 냉열과 온열을 만들어낸다. 압축하기 위한 에너지가 필요하지만 그 몇 배의 열에너지를 얻을 수있는 고효율 기기다. 냉각 측의 열로서 공기(대기)를 이용하는 ‘공기열원’과 물을 이용하는 ‘수열원(열회수)’으로 크게 나눌 수 있다. 수열원(열회수)의 도입에 있어서는 냉각 측에 필요한 폐온수 등의 열원 유무가 높은 에너지 절약성을 발휘하는데 있어서 중요한 포인트가 된다.

또 냉열과 온열을 동시에 사용하는 각각의 용도에 1대의 히트펌프로 대응할 수도 있다(〈그림 3〉① 참조). 이 경우 〈그림 4〉에 나타낸 바와 같이 압축에 필요한 전력을 분모로, 얻어진 냉열(냉각능력) 및 온열(가열능력)을 분자로 해서 산출되는 COP(Coefficient Of Performance)는 온수만 생산할 때에 비해 높아진다.

또, 공기열원과 수열원을 겸하는 히트펌프도 시장에 공급되고 있다(〈그림 3〉② 참조). 폐온수 등 냉각 측의 열원이 부족한 경우는 공기열원으로 전환 또는 공기열원으로 보완해 고온수를 생산한다.

히트펌프의 가열 방식은 세정 용도 등에 사용되는 '일과식'과 보온 용도 등에 사용되는 '순환가온식'이 있다(〈그림 3〉③ 참조). 일과식은 급수 등을 대온도차로 승온, 순환 가온식은 5℃ 정도라는 작은 온도폭으로 가온하는 방식이다. 점포나 호텔 등 업무용 시설에서 도입이 많은데, 제조공정의 가열 용도로 적용한 예도 볼 수 있다.

〈그림 3〉④는 열풍을 공급하는 히트펌프로서 건조용도 등에 도입이 진행되고 있다. 공기열원, 수열원 각각의 타입이 있으며, 수열원은 순환가온식의 열풍 히트펌프도 최근 개발됐다.

〈그림 3〉⑤는 증기를 발생하는 히트펌프로 2개 업체에서 상용화했으며, 최고온도는 정격 시 165℃다. 증기는 온수 등의 유체에 비해 큰 열량을 가지고 있으며 열전달률도 높다. 연소식 보일러 대체로서 보급이 기대되고 있다.

〈그림 3〉⑥은 증기 재압축장치로 MVR(Mechanical Vapor Recompression)이나 VRC(Vapor Recompression) 등으로 불리는 광의의 의미로 히트펌프이다. 전동식 압축기 등에 의해 증기를 압축해서 고온·고압화 하는 것으로 농축, 증류, 감용화 등의 용도로 도입되고 있다.

〈그림 5〉는 제조공정의 가온·건조 프로세스 등에 도입되고 있는 히트펌프 제조업체 12개사 합계 62개 제품(증기 재압축장치는 제외)에 대해서 가열능력[kW]을 가로축, 생산온도[℃]를 세로축으로 해 플롯한 것이다.

다음 종류별로 생산온도의 경향을 보면, 공랭식 히트펌프 [45~75℃(평균 55℃)], 수열원 히트펌프 [45~90℃(평균 71℃], 히트펌프 급탕기·순환가온 히트펌프 [70~90℃(평균 83℃)], 열풍 히트펌프·증기발생 히트펌프 [90~165℃(평균 123℃)]로 되어 있다.

공장의 열공급·열이용 실태에 따른 산업용 히트펌프의 활용법

에너지 절약 추진의 관점에서 제조공정에서 온열을 필요로 하는 용도, 즉 가열 대상이 있으면 모두에게 산업용 히트펌프의 도입 검토 여지가 있다고 할 수 있다. 지금까지 산업용 히트펌프의 도입 케이스 등을 바탕으로 대표적인 3가지 시스템과 3가지 시스템에 모두 관계하는 타 열원 기기와의 하이브리드화에 대해 설명한다.

냉온열 동시 공급 시스템

냉열과 온열을 동시에 사용하는 각각의 공정이 근접해 있는 경우에는 1대로 냉각·가열을 실시할 수 있는 히트펌프를 도입해 큰 에너지 절약 효과를 얻을 수 있다(〈그림 6〉 참조).

기존에 냉각은 칠러, 가열은 보일러 등으로 대응하고 있는 경우, 히트펌프를 신설 또는 추가 설치해 기존에 설치된 칠러 또는 보일러로 냉각 또는 가열을 백업해 대응하는 경우나 냉열·온열 이용의 불균형 시에 대비해 축열조를 활용하는 경우도 있다.

중략

-폐열 이용 시스템

-공기열원(분산배치) 시스템

-타 열원기기와의 하이브리드화

-일본의 산업용 히트펌프 도입현황