- 실외기 없앤 다중 복합열원 냉난방 히트펌프 개발

- 2증발 3응축 기술로 소비전력 50% 이상 절감… 응축열 100% 흡수해 온수 무료 생산

- 히트펌프 관련 기업과 기술협력 및 라이센스 판매도 추진 중

 

이종문 한국형냉난방시스템 대표
이종문 한국형냉난방시스템 대표

다중 복합열원 냉난방 히트펌프 전문 R&D 제조기업 주식회사 한국형냉난방시스템(대표 이종문)이 특허청 주최로 12월 1일 열린 ‘2021 대한민국발명특허대전’에서 금상 수상의 영예를 안았다.

금상 수상에 대해 한국형냉난방시스템 이종문 대표는 “냉난방 에너지효율 측면에서 소비전력 50% 절감이 가능한 복합열원(공기열원+수열원 융합) 히트펌프의 기술력을 또 한번 입증할 수 있게 됐다“며 ”최근 정부의 ‘탄소중립-2030년 온실가스감축 목표’가 설정되면서 온실가스배출량 중에서 80% 정도를 차지하는 에너지부문의 감축목표 달성에 작은 부분이지만 동참할 수 있도록 품질향상과 저변 확대에 매진할 것“이라고 수상 소감을 밝혔다.

한국형냉난방시스템은 2017년 10월 27일 창업한 후 ’공기열원과 수열원을 이용한 다중열원냉난방시스템’ 외 3개의 특허를 기반으로 물에너지와 공기에너지 융합에 의한 ’‘냉난방·급탕’ ‘공기순환(환기+살균)’ 동시 가능 시스템을 세계 처음으로 개발했다. 이를 통해 2020년 혁신조달제품 선정(조달청), 2021년 대한민국 물산업혁신 창업공모전 장려상 수상(한국수자원공사), 그리고 이번 대한민국발명특허대전 금상 수상(특허청) 등을 통해 기술과 품질을 대외적으로 인정받으며 국내외 시장확대를 추진하고 있는 스타트업 기업이다.

 

한국형냉난방시스템은 2021년 대한민국발명특허대전에서 금상을 수상했다.(시상식 후 전시부스에서 기념촬영을 하고 있는 이종문 대표)
한국형냉난방시스템은 2021년 대한민국발명특허대전에서 금상을 수상했다.(시상식 후 전시부스에서 기념촬영을 하고 있는 이종문 대표)

국가 온실가스감축목표에 일조 가능한자연에너지원 이용한 냉난방 히트펌프

이종문 대표가 제품을 개발하게 된 배경은 겨울철 실외기 착상문제, 여름철 공기 중으로 실외기 응축열이 방출되는 문제 등을 개선하고자 기존 실외기 기반의 냉난방 히트펌프에서 실외기를 없앤 제품을 제공하기 위한 게 가장 크다.

또 한발 더 나아가 온실가스 배출을 2030년까지 2018년 대비 40% 이상 줄이겠다는 국가 온실가스감축목표(NDC)에 일조할 수 있는 자연에너지원을 활용한 고효율, 친환경 히트펌프를 개발해야겠다는 사명감도 있었다.

여기에 EHP와 GHP의 화재 및 환경오염 문제, 농가 시설하우스의 높은 유류비 문제 그리고 최근 보급이 확대되고 있는 스마트팜의 고효율, 친환경 에너지원 대응 시장에도 적용 가능성이 높다는 판단도 있었다.

 

다중 복합열원 냉난방 히트펌프의 5무 E2솔루션
다중 복합열원 냉난방 히트펌프의 5무 E2솔루션

이종문 대표는 “공공기관, 학교 등 전국 5천여 곳에 설치돼 운전 중인 가스히트펌프(GHP)는 자동차 2000~2700CC급 엔진으로 구동하기 때문에 냉난방 운전을 하면서 자동차배기가스 대비 환경오염(질소산화물, 일산화탄소, 메탄)이 최대 100배 이상 발생되는 것이 확인된 바 있다. 또 에어컨 실외기로 인한 화재도 매년 100여 건 이상 발생하고 있다.

농가의 경우, 유류 열풍기 위주의 시설하우스 난방으로 인해 연간 농가소득 전체 경영비의 64.6%가 유류비로 지출, 농가에 큰 부담이 되고 있다”고 부언했다.

 

2021년 대한민국 발명특허대전에서 금상을 수상한 ‘다중 복합열원 냉난방 히트펌프’
2021년 대한민국 발명특허대전에서 금상을 수상한 ‘다중 복합열원 냉난방 히트펌프’

이번 금상 수상의 주인공인 ‘멀티다중 복합열원 냉난방 히트펌프’는 실외기를 없앤 일체형 시스템으로 히트펌프 1대로 공기(air)와 물(water) 2개 열원을 동시 또는 개별적으로 운전해 온수와 냉수를 생산하고 FCU를 통해 공간 냉난방, 급탕, 바닥난방으로 사용할 수 있다. 무엇보다 다중 복합열원 사용이 가능해 소비전력을 50% 이상 획기적으로 절감할 수 있어 냉난방 에너지부문 온실가스배출 목표달성에 기여할 수 있다. 또한 공기 중으로 배출하는 응축열(폐열)을 흡수해 온수를 무료로 생산해 급탕, 샤워수, 바닥난방수 등으로 활용이 가능하다.

‘멀티다중 복합열원 냉난방 히트펌프’는 하이브리드 시스템처럼 한 열원이 보조 개념이 아니라 공기열원과 수열원이 동시에 각각의 열을 빼앗아서 초기 공기열 50%, 수열 50%로 가동되다가 상황에서는 공기열 10%, 수열90% 등 각자 차지하는 비율을 자동적으로 나누어 작동함으로써 에너지를 생산한다. 주된 열원의 부족한 부분을 다른 열원으로 메워 동시에 작동하므로 하나의 열원이 부족해도 운전에는 지장이 없는 것도 강점이다.

이종문 대표는 제품명에 대해 “멀티(Multi)는 열원·설치장소·기능·사용상의 다양성을, 다중은 공기에너지, 물에너지. 태양광의 융합을, 복합은 공기, 물의 개별적 또는 동시 열원 확보로 외부 기온의 조건에 따라서 개별적 또는 동시 운전이 가능하다는 의미를 함축하고 있다”고 밝혔다.

 

멀티다중 복합열원 냉난방 히트펌프 시스템 계통도
멀티다중 복합열원 냉난방 히트펌프 시스템 계통도

농기계 지원 진입조건 대비 30% 이상 효율 높아

기존 냉난방기기는 공기이나 물 등 단일 열원이면서 실외기가 별도로 존재해 소비전력의 급증 원인이 된다. 하지만 한국형냉난방시스템의 ‘멀티다중 복합열원 냉난방 히트펌프’는 공기열원과 물열원 동시 에너지 확보로 기존 냉난방기기 대비 30% 이상의 열량을 생산할 수 있다. 여기에 실외기를 없앤 원천기술 적용으로 소비전력 50% 절감을 실현했다.

이 시스템에는 폐열회수 및 일방향 냉매순환 기술도 적용됐다. 폐열회수 기술 적용으로 실외기에서 공기 중으로 배출하는 응축열을 100% 흡수해 온수를 무료로 생산, 공급할 수 있다. 기존 냉난방기기는 실외기를 통해서 공기 중으로 폐열을 배출한다.

또 원웨이(One Way)로 냉매순환(4계절 일방향 냉매순환)하는 일방향 냉매순환 기술을 적용해 냉매 역방향으로 소비전력을 많이 사용하는 기존 시스템 대비 소비전력을 대폭 절감할 수 있다.

무엇보다 정부 농기계 지원 진입조건 대비 30% 이상의 품질 효율(한국농기계공업협동조합, 2021)을 달성해 농가 하우스나 스마트팜 니즈에 맞춘 고효율, 친환경 에너지원 공급이 가능하다.

멀티다중 복합열원 냉난방 히트펌프는 정부지원대상농기계 난방시험 운전성능에서 표준난방 7℃에서 COP 3.7(기준 3.0)로 23% 향상, 제상난방 1.5℃에서 COP3.3(기준 2 이상)으로 65% 향상, 저온난방 영하15C에서 COP2.7(기준2 이상)로 35% 향상된 성능을 발휘한다.

한국형냉난방시스템의 제품에는 에너지와 환경을 동시에 개선 가능한 2증발 3응축의 멀티다중 복합열원 특허기술이 적용돼 있다.

이종문 대표는 “기존 시스템은 1증발 1응축을 거치지만 금상 수상 제품은 공기에서 1회 증발하고 물에서 2회 증발(2증발)하므로 증발량이 2배로 늘어나고 여기에 3차로 열원용 열교환기에서 응축(3응축)을 거쳐 효율이 향상된다”고 강조했다.

이어 이 대표는 착상원천방지기술과 응축열(폐열) 회수기술에 대해서 소개했다.

착상원천방지기술은 4웨이 밸브(4Way Va lve)를 적용하지 않고 응축압력을 자동조절해 겨울철 1.5℃ 이하에서 실외기 착상(着霜) 시 실외 증발기를 녹이는 연속 작업으로 창상 방지는 물론 소비전력 급증을 차단한다. 이에 비해 일반 단일열원 공기열 히트펌프는 영하의 기온에서 실외기에 서리(着霜) 발생으로 정상운전이 불가능하고 소비전력 소모도 많다.

또 응축열(폐열) 회수기술은 여름철 실외기를 통해서 공기 중으로 배출되는 50~55℃ 이상의 응축열(폐열)을 100% 회수해 보일러 없이 에너지로 활용이 가능하다. 10마력의 경우 약 44,000kacl의 폐열 회수가 가능하다.

이종문 대표는 ”농산물 작업 후 하우스 현장에서 온수를 활용해 샤워가 가능한 것은 물론 무료로 생산 공급되는 50℃ 이상의 폐열을 활용하면 무전력으로 고추, 버섯, 곶감, 보리 등 농산물 건조도 가능하다“고 밝혔다.

기존 공기열 히트펌프 대비 스마트팜 에너지비용 65% 절감 가능

멀티다중 복합열원 냉난방 히트펌프는 아직 국내에서 실제 적용된 사례는 없지만 2017년부터 자체 공장에서 시험운전, 공인품질시험, 필드운전 등을 진행해 성능을 확보하고 있다.

 

자체 테스트룸에서 ‘멀티다중 복합열원 냉난방 히트펌프’의 실증시험을 진행중이
자체 테스트룸에서 ‘멀티다중 복합열원 냉난방 히트펌프’의 실증시험을 진행중이

특히 2019년 2월 베트남 정부기관을 대상으로 제품 설명회를 갖고 동년 7월 하노이에 소재한 4층 주택에 실증테스트를 위해 냉방 및 급탕용으로 설치, 가동 중이다.

이종문 대표는 ”멀티다중 복합열원 냉난방 히트펌프는 스마트 팜, 사무실, 공장의 냉난방 및 급탕 에너지의 50%를 절감할 수 있는 고효율, 친환경 시스템“이라며 ”수확물의 효율과 품질을 높일 수 있는 솔루션 구축 및 사업화를 통해 향후 3년간 스마트팜 냉난방 시장을 대상으로 집중 마케팅을 추진할 계획“이라고 밝혔다.

이 시스템은 지난 2019년 문경시 스마트 표고버섯 재배단지 입찰에 참여해 디자인 및 설계를 해본 결과, 기존 공기열 히트펌프 대비 에너지 비용이 65% 절감되는 것으로 분석됐다.

이를 감안하면 축산업, 양식업 등 광범위하게 활용될 것으로 기대된다.

이종문 대표는 “현재 냉난방시스템의 기술 수준 측면에서 볼 때 멀티 다중열원 냉난방시스템은 실외기 없이 LNG 등 화석연료를 사용하지 않고 신재생에너지만을 적용해 온실가스와 CO2 를 절감할 수 있어 정부의 탄소중립과 에너지전환 정책에도 부합할 수 있는 가장 이상적인 냉난방 에너지 시스템”이라며 “향후 자체적인 스마트팜 냉난방 시장 개척은 물론 히트펌프 관련 제작기업들과 기술협력 및 라이센스 판매도 추진 중”이라고 밝혔다.

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