초 고효율 온수 히트펌프‘HEM-HR90’ 히트펌프·축열시스템에 의한 민생·산업부문 온난화 대책

김대근 기자
입력 2013.07.03 00:00

초 고효율 온수 히트펌프‘HEM-HR90’

히트펌프·축열시스템에의한민생·산업부문온난화대책

최근, 온난화 문제에 대한 의식의 고조에 따라 많은 기업과 공장에서 에너지 절약, CO2 절감이 가능한 고효율 열원기기의 도입이 검토되고 있다. 특히 산업분야에 있어서 고온 공급이 가능한 열원기기의 도입이 요망되었다. 그 때문에 ㈜고베제강소(神戶製鋼所)에서는 70℃의 온수공급과 순환가온循環加溫운전이 가능한 HEMII-HR을 상품화하고, 고객들의 호평을 받아왔다. 그러나 HEMII-HR의 온수 온도의 상한이 70℃였기 때문에 공급온도의 고온화가 필요하게 되었고 그래서 ㈜고베제강소는 ㈜주부전력, ㈜도쿄전력, ㈜간사이전력과 공동으로 업계에서 최초로 90℃의 온수와 7℃의 냉수 동시 공급을 실현한‘하이에프미니 HEM-HR90 초 고효율 온수 히트펌프’를 개발했다. 여기에서는HEM-HR90의 개요와 고효율을 달성한 신기술의 특장점에 대해 소개한다.

번역·정리 김대근 기자

개발기의 특장점

개발기의 개요｜개발기의 외관을 <사진 1>에, 그리고 개발기의 간략한 사양을 <표 1>에 나타냈다.

고효율화 기술｜히트펌프의 고효율화에는 히트펌프를 구성하는 주요기기의 고성능화와 냉동 사이클의 최적화 및 최적의 냉매 선정 등을 들 수 있다. 개발기에서는 <그림1>의 흐름도에서 보이는 표시점에 대해 최적화를 실시하고, 고효율로 90℃의 온수와 동시에 7℃의 냉수를 공급할 수 있도록 했다.

최적의 냉매 선정: 90℃의 온수를 공급하는 경우, 기존의 기계에서 사용하고 있던 냉매 R134a에서는 임계온도와 거의 동등한 온도가 되기 때문에 효율이 좋은 운전을 할 수가 없다. 그래서 개발기에서는 R134a보다 임계온도가 높고 또한 입수성이 좋은 R245fa를 R134a에 혼합해서 사용하는 방법을 채택했다. 또한 최적의 혼합비는 압축기의 설계압력, 히트펌프의 능력과 효율을 고려하여 결정했다. 이것에 의해 90℃의 온수와 7℃의 냉수의 동시공급을 실현했다.

고압축비 2단 스크루 압축기: <그림 2>는 압축기의 효율(단열효율)과 압축비의 관계를 나타낸 것이다. 여기에서 압축비라고 하는 것은 압축기의 토출압력과 흡입압력의 비를 나타낸 것이며 히트펌프에서는 공급하는 냉수와 온수의 온도차가 커질 수록 이 압축비가 커진다. 기존의 기계에서는 1단 스크루 압축기를 사용하고 있었기 때문에 90℃의 온수와 7℃의 냉수를 추출하는 조건에서 도표에 나타난 것과 같이 효율이 대폭으로 저하한다. 그 때문에 냉동기에 사용되었던 2단 스크루 압축기를 사용하여 보다 높은 압축비에서의 압축기 효율을 개선하는 것으로 시스템 성능을 대폭으로 개선했다. 또한 <그림 3>에서는 개발기에 사용한 2단 압축기와 기존의 기계에 사용하고 있었던 1단 압축기의 개략도를 나타내고 있다. 개발기에 사용한 2단 스크루 압축기는 저온 용도로서 개발되었고, 고온수 공급을 전제로 한 설계는 아니다. 그 때문에 고온 조건하에서도 모터 냉각 성능을 확보할 수 있도록 개발기에서의 모터의 회전자에 냉매액을 직접 분무하는 모터 냉각 방법을 사용했다.(<그림 3> 참조)

● 플레이트식 열교환기의 최적화: R245fa는 종래의 R134a에 비해 점도가 높고, 또한 열전도율도 낮기 때문에 열교환기의 전열 성능이 낮아진다. 증발기와 응축기에 사용하고 있는 플레이트식 열교환기는 기존의 기계 사양을 기본으로 하고 있지만, 냉매의 분배기구와 플레이트 패턴의 최적화를 통해 플레이트 간 냉매의 흐름을 개선하고 전열 성능을 향상시켰다.

성능 특성

<그림 4>는 열회수 운전 시 종합COP를 표시한 것이다. 냉수 출구온도가 7℃, 온수 출구온도가 90℃이며, 냉온열 동시 취출 조건의 경우, 종합COP는 4.5가 되고 냉수 출구온도가 30℃(입구온도 35℃)에서처럼 냉수온도가 높은 경우에는 종합COP가 5.8이 되었다. 순환 가열 조건에서는 처음으로 90℃의 온수 취출을 가능하게 함과 동시에 높은 COP를 얻을 수 있었다.

경제성

산업용으로 90℃의 온수, 7℃의 냉수를 사용하는 경우, 기존 시스템에서는 온수는 보일러로, 냉수는 전기식 칠러로 부하를 처리하고 있으며, 이것을 개발기로 바꿀 경우의 경제 효과(러닝 코스트Running cost)와 CO₂배출량을 시산한 결과를 <그림 5> <그림 6>에 나타냈다. 또한 시산은 개발기 3대를 구성으로 하고, 평일에 한해 12시간을 상정하여 연간 운행을 한 경우를 시산했다. 그 결과, 냉수 스크루 냉동기와 가스보일러의 조합에 비해, 62%의 러닝 코스트 저감과 72%의 CO₂배출량 절감이 가능하게 되었다.

도입효과 시산 결과(3지구 비교)

가열 공정용의 90℃ 온수와 냉각 공정용의 ７℃ 냉수 제조에‘HEM-HR90’３대를 도입했을 시 도입효과를 시산했다. 비교 대상은 설비 갱신 전의 보일러와 냉동기를 조합한 시스템으로 하였다.

HEM-HR90은 90℃의 온수와 7℃의 냉수를 고효율로 동시 공급이 가능하기 때문에 제조공장의 온수 공급용 보일러의 대안을 기본으로 하고 다양한 운용방법의 제안이 가능하다. 앞으로도 ㈜고베 제강소는 고객의 다양한 니즈를 반영한 고효율 열원기기의 개발을 실시하고, 연소식 보일러에서 전기식 히트펌프로의 전환을 꾀함으로써 에너지 절감과 CO₂절감을 추진해 나간다는 계획이다.