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세계 각국은 고유가와 기후변화협약에 대응하기 에너지대책 마련에 부심하고 있다. 일본의 경우도 마찬가지로 ‘에너지 사용 합리화에 관한 법률(에너지절약법)’과 ‘지구온난화대책 추진에 관한 법률(온대법)’을 개정·강화하며 대책을 강구하고 있다. 도카이 대학의 다나카 슈운록(田中俊六) 명예교수는 이 글에서 열과 전기에너지의 가치를 평가하며 히트펌프와 축열시스템의 현상과 과제를 피력하고 있다. 특히 공기열원 히트펌프 냉난방은 언제 어디든 적용할 수 있는 에너지절약 시스템의 일반적인 해결책이고 대량생산에 따른 고효율화와 낮은 비용화로 다른 시스템을 추가하지 않아도 되는 큰 에너지 절약원임을 내세우며, 대기의 응용과 중요성을 강조하고 있다. 서론온실효과가스배출량의 1990년도 대비 6% 삭감을 약속한 COP3, 교토의정서의 첫 번째 약속기간의 기한을 바로 눈앞에 두고 일본의 배출량은 여전히 늘어나고 있는 실정이다. 2003년도에는 업무용은 31%, 가정용은 19%가 늘어나 전체적으로 8%가 늘어났다. 정부는 CDM, 배출권 거래를 포함한 대책을 내놓으며 그 목표를 달성하기 위해 최선을 다하고 있다. 이런 가운데 세계적인 경기회복과 불안정한 정치정세와 함께 중국의 대량 에너지 소비 등으로 에너지 가격이 급등했다. 일본에서도 그 해 겨울은 에너지 가격의 급등만이 아니라 천연가스와 일부 원자력발전의 정지에 따른 전력의 수급핍박 등으로 에너지 공급부족마저 우려되는 상황이었다. 에너지 수요가 측도 단기적인 관점에서는 싼 가격으로 신뢰성이 높은 에너지를 준비하는 것이 제일이지만 중장기적인 관점에서 최적의 에너지원을 선택하고, 그 이용기기·시스템의 효율화, 에너지 절약을 최대한으로 도모하는 동시에 CO2 배출량의 최소화를 도모할 필요가 있었다.이같은 상황을 배경으로 일본정부는 이번 4월부터 ‘에너지 사용 합리화에 관한 법률(에너지절약법)’과 ‘지구온난화대책 추진에 관한 법률(온대법)’을 개정·강화했다. 그 내용은 여러 갈래지만 그 중점의 하나는 대규모 에너지 사용사업자에 관한 종래의 ‘열관리지정공장’, ‘전기관리지정공장’제도를 열병합 발전 시스템, 열구동냉동기 등의 보급에 맞는 수요단의 ‘열전호환’시대에 맞춰 본래의 ‘에너지 관리지정공장’제도에 통합한 것이다. 동시에 이 ‘에너지 관리지정공장’을 온대법의 ‘특정배출사업자’로 연결시켜 이에 따른 열과 전기 에너지의 종합적인 효율화, 최적화를 담보함과 동시에 결과적으로 많은 사업소를 적용대상으로 거둬들여 투입에너지의 실효적인 절감을 촉진하고, 일본의 긴요한 과제인 CO2 배출삭감으로 연결시키는 것이다.또 정부는 최근 몇 년 동안 값이 비싸다는 전기요금의 인하를 목표로 전력자유화를 추진하여, IPP, PPS 등의 신규전기 사업자의 참가를 재촉함과 동시에 분산전원, 특히 에너지 절약 효과가 높다는 민생용 열 병합 발전을 기대하며, 연료전기를 포함해 그 연구개발과 도입지원을 적극적으로 진행해왔다. 그 결과 전기요금은 어느 정도 인하가 실현됐지만 민생용 열병합 발전은 초기에 도입된 가스터빈 발전기를 중심으로 한 빌딩·열병합 발전의 실적전력변환효율이 상정보다 꽤 낮고 배열도 온난한 기후 때문에 난방용으로 효율적으로 활용할 수 없다. 또한 난방용으로 사용하기 위해서는 흡수냉동기를 끼워야하기 때문에 적절하게 활용할 수 없고, 전기 히트펌프 방식과 비교해 에너지 절약을 거의 얻을 수 없다는 것이 최근 몇 년의 운전실적에서 확실해졌다. 이에 따라 최근 관련업계는 배열의 이용보다도 전기의 효율에 중점을 둔 발전효율이 높은 가스엔진 열병합 발전의 이용으로 급속히 전환해가고 있다.한편 히트펌프 기술은 지금까지 기존기술의 개량에 지나지 않았기 때문에 정책적으로는 경시되어 왔지만 ‘에너지 절약법’에서 에어컨의 톱 러너 방식 도입을 계기로 그 에너지 효율, ‘성적계수(COP)’가 급속히 향상되고, 여기서 개발된 인버터, 고효율압축기, 열교환기, 또는 R-134A 등의 냉매기술이 빌딩용 전동 패키지 에어컨, 중·대용량 냉각장치, 대형 터보냉동기에 적용되어 다양하게 고효율 히트펌프군이 공급되고 있다. 히트펌프의 민생용 이용 CO2배출삭감이라는 잠재력 가능성이 확실해짐에 따라 정부와 자원에너지청 등도 다시 히트펌프와 그 이용기술의 연구개발, 보급촉진에 힘을 넣게 된 것은 이미 잘 알려져 있다.이같은 시행착오는 기본적으로 일반인이나 기술자도 전기(공사)와 열의 가치, 에너지의 양과 질의 차이에 충분한 이해가 없는 것이 원인이 된 것이 틀림 없다. 이 글에서는 이런 점들을 짚어보고, 히트펌프에 관한 최근의 동향과 앞으로의 과제에 대해 서술하고자 한다.계통전력과 열병합 발전지금까지 열병합 발전 시스템의 이점은 <그림 1>의 상단에 나타난 것 같이 발전효율이 30%, 배열이 40% 정도로 총 70%의 ‘종합열효율’이라고 알려져 있다. 계통전력의 화력평균수전단효율 36.6%의 약 2배의 효율이 있기 때문에 일반인들에게 에너지 절약의 비장의 수단으로 알려져 왔고 정부도 다양한 조성책을 강구하여 그 보급에 힘써 왔다. 그러나 천연가스 열병합 발전의 발전효율은 전력으로 이용되는 고발열량기준(HHV)보다 약 10%로, 높은 저발열량(LHV)기준으로 표시되는 것이 많고, 이것으로 보기소비전력소비 등을 고려하면 실효발전효율은 빌딩용으로 많이 이용되어 온 1~2MW의 가스터빈(GT)발전기에는 아래에 나타난 것 같이 18%(HHV)정도에 지나지 않고, 40%로 되는 배열도 COP=4의 히트펌프의 이용을 상정하면 계통전력에 따른 전력의 10%분에 상당하기 때문에 ‘등가종합발전효율’은 약 28%로 화력평균의 36.6%를 훨씬 밑도는 수치가 되고, 에너지 절약 효과가 없다. 따라서 최근 몇 년 가스회사 등은 NOx의 배출과 진동 등으로 약간 문제는 남지만 실질발전효율이 30%를 상회하는 고효율가스엔진(GE)발전기를 이용하는 방향으로 전환해왔다. 특히 최근 가스회사 등은 전력회사의 LNG·ACC 복합화력발전의 효율에 가까운 8MW 등급의 고효율 가스 엔진(HHV 기준으로 약 45%)을 지역 열공급사업으로 도입하고, 고효율전동 터보 냉동기도 병용하여 전기방식의 일차 에너지 효율값을 뒤쫓아 가려고 한다.이처럼 가치와 효용이 완전히 다른 전력과 저온배열의 효율을 단순가산한 ‘종합열효율’이라는 수치는 이론적으로나 경제적으로 거의 의미가 없지만 배열의 난방이용을 전제로 하는 미국의 PURPA법에는 배열 가치를 절반으로 배열의 이용율에 발전효율이 더해지는 방법, 유럽에서는 발전효율의 최저한을 담보로 한 위에 배열이용효율을 그대로 더하는 방법 등이 이용된다. 하지만 일본같이 대부분을 난방에 이용하는 빌딩·열병합 발전은 배열의 가치가 낮고, 히트펌프의 COP향상과 함께 1/4이하로 보는 것이 당연하다. EU의 열병합발전 보급을 계산하는 ‘EU지령’등 도 이 배열의 가치를 평가하는 방법을 표시한다.한편 <표 1>은 신예 화력과 열병합 발전의 각 종류를 추가해 ‘등가종합발전효율’ 비교를 개략적으로 나타낸 것이다. 표에 보이듯이 빌딩·열병합 발전은 가스엔진을 사용하면 36%정도가 되어 계통전력에 접근한다. 단 중간기에 배열잉여가 생기지 않도록 열병합 발전은 전 전력의 일부로 억제할 필요가 있다. 고효율가스 엔진을 이용한 병원(호텔)의 열병합 발전 등가종합발전효율은 신예 화력에 필적하지만 이것도 배열이용이 충분한 것을 전제로 이 시설에도 매년 고온의 열수요가 감소하는 경향이다. 따라서 히트펌프 방식과 열병합 발전 방식의 경합이 심해져서 결과적으로 전기에 조금 유리하게 된 경우가 많다.히트펌프의 성적계수(COP)와 각종 히트펌프의 개발동향
 히트펌프의 효율은 성적계수(COP)로 나타낸다. 어떤 운전조건 하에서 전기 에너지 1kWh 투입으로 5kWh의 냉(방)열을 얻었을 때 냉방성적계수 : COPc=5의 ‘냉동기’라고 하며 4kWh의 온열을 얻었을 때, 난방성적계수 : COPh=4의 ‘히트펌프’라고 한다. 이 경우 발전소의 투입 1차 에너지(연료의 고발열량 : HHV)를 기준으로 하고 수전단효율을 화력평균의 36.6%(0.366)로 하면 1차(에너지) 기준냉방 COPc는 1.83, 1차 기준난방 COPh는 1.46이 된다. 가스 등을 연료(1차 에너지)로 하는 흡수냉온수기의 냉방성적계수 즉, 1차 기준냉방 COPc=1.1~1.2정도, 난방 시의 보일러로서의 효율 : nB=0.85정도이기 때문에 일반적으로 냉방 시, 난방 시 모두 전동 히트펌프 방식 쪽이 1차 에너지 기준의 성적계수가 높은 것은 당연하다.다음으로 히트펌프기기의 개발동향을 보면 앞서 말했듯이 톱러너 방식의 도입으로 룸에어컨의 냉난평균 COP가 2004 냉동년도에 모든 제조사가 기준의 4.90을 넘어 6.0이상을 달성한 뒤, 업무용 에어컨의 분야에서도 R-134A냉매의 채용, 냉매 사이클의 개선(<그림 2>참조), 인버터, 압축기의 개량 등에 따라 효율개선이 급속히 진전되어, 패키지 에어컨에서 냉난평균 COP3.4~4.4, 빌딩용 멀티에어컨에서 3.65~4.10, 빙출 열패키지에어컨 ‘에코아이스mini’에서는 COP 6.01이 달성되었다. 이들 업무용 에어컨의 COP에는 반송동력도 포함되어 있고, 더 이상 큰 폭의 COP 향상은 어려워 보여 최근에는 실질적으로 연간 에너지 사용량에 크게 영향하는 부분 부하효율에 관심이 집중되어 있고, JRA, ARI 등으로 규격화의 준비가 진행되어 JIS 등에도 받아들이는 방향에 있다. 이 데이터가 제공되면 시스템 시뮬레이션에 의한 에너지절약 효과도 개선된다고 기대되고 있다. 게다가 충분한 난방능력을 가진 -20℃이하의 한랭지용 패키지 에어컨의 개발이 각 제조사에서 진행되고 있고 일부에서 시판되고 있다.한편 대형냉동기 분야는 터보냉동기의 개량도 급속히 진행하고 있고, 표준조건에서 COP6.4의 제품이 시판되어 대형냉동기 분야에서 흡수냉동기에 빼앗긴 전동냉동기의 시장점유율을 회복하고 있다.그동안 인버터를 탑재해 중간기, 부분부하 시의 운전범위와 부분부하효율을 개선한 기종은 냉각수온도저하 시에는 COP가 17이상이나 가능해지고 한 해에 걸쳐 냉방이 필요한 반도체공장 등의 냉방용으로 큰 에너지 절약 효과를 올려 높은 평가를 얻고 있다. 또 중용량의 냉동기에는 비공비혼합냉매, 로렌츠사이클을 이용하여 고효율화한 인버터스크류 냉각장치가 개발되어 COP5.6을 달성하고 있다. 또 센트럴 공조 시스템의 난방 시에 필요한 열원시스템으로 이 스크류히트펌프와 부동액을 이용한 밀폐식 히팅 타워 시스템도 개발·실용화되어 냉방 시 COP4.7, 난방시 COP3.1을 달성하고 있다. 게다가 여름철 고온 시에 공냉응축기에 살수하고 동기에는 온수를 얻는 터보히트펌프도 시판되고 있다.한편 주택용 CO2 냉매급탕 히트펌프, ‘에코큐트’는 표준조건에서 COP4.5를 달성하고 있고, 세미저탕 타입, 순간식 개발도 진행되어 2010년도까지 누계 520만대의 보급을 목표로 순조롭게 판매를 늘려가고 있지만 업무용 CO2냉매 히트펌프 급탕 시스템의 도입도 진행되고 있고 장래 플랜트용에 급수예열기 등으로 응용될 가능성이 있다.앞으로의 과제히트펌프 연구개발 과제는 자연냉매로의 대응, 다양한 용도에 대한 수평전개 등 많은 과제가 남아있지만 기기단체로서 정격 시의 COP 개선은 조금의여지는 있지만 선단기기에는 열역학적으로 슬슬 한계에 이르고 있다. 앞으로는 부분부하효율의 향상에 의한 실질적인 에너지 절약화가 불가피하다. 이미 룸에어컨에는 정격성능 이외에 중간성능, 저온난방성능을 포함한 5포인트의 성능에서 연간 성능을 산출하는 APF 지표가 채용되어 10만력 이하의 패키지에어컨의 JIS에도 도입되었다. 또 히트펌프 냉각장치같은 시스템에 편입되는 기기의 부분부하특성의 데이터의 요구도 강해져 앞으로는 제조자에 있어서도 인버터제어, 대수제어를 포함한 기기·시스템의 부분 부하시의 최적화가 큰 과제가 된다.사용자, 시스템 설계자의 입장에서 봐도 기기단체의 COP가 향상함에 따라 반송동력을 중심으로 하는 보기동력의 삭감이 보다 중요해졌다. 소위 지역열공급에는 COP6의 냉동기와 수전단효율 36.6%의 계통전력을 이용하면 1차 에너지 기준의 COP는 2.2이지만 실제 플랜트에는 보기동력을 포함한 시스템 COP는 최고로 1.2정도가 상한이다. 이에 대해 반도체공장 등에서는 냉방전용이지만 반송동력 등을 최소화함과 함께 중간기 이후의 저외기온 시의 냉각수온도의 저하를 살림과 함께 송수온도제어, 프리쿨링 등도 짜맞춰 매년 감시해서 무 COP를 3이상 하는 것을 목표로 하고 있다. 또 빌딩 공조에는 현열제어와 잠열제어를 분리하고, 실내현열은 고온냉수로 처리하고 외기도입의 잠열은 고성능전열교환기, 또는 전동제습기, 흡착식 제습기에서 효율적으로 처리하는 방법도 모색되고 있다.결론 - 유비쿼터스 히트펌프로의 기대위와 같은 히트펌프 기기와 시스템과 그 성능과 에너지절약 효과, CO2 배출삭감효과는 개발 중인 연료전지와 부존자원에 한계가 있는 값비싼 신에너지 등과는 다르며 이미 시판제품으로 실현된 것이다. (재)히트펌프·축열센터의 계산에 의하면 지구온난화대책대망으로 6%삭감을 실현하기 위한 추가대책분의 전체 CO2삭감량 7,400만 톤에 대해 업무용, 가정용의 공조, 급탕용에 재래시스템 대신 고효율히트펌프· 축열시스템, 기기를 100% 도입하면 목표를 상회하는 9,800만 톤의 삭감이 가능해지는 것 같이 정부의 지원과 일반의 이해가 진행되면 일본의 CO2삭감에 짧은 시간 내에 큰 삭감효과를 가져올 것이다.하천수, 해수, 하수, 지중열을 이용하는 히트펌프 시스템은 주목받고 있기는 하지만 그 적용에 한계가 있다. 그러나 일본에서는 언제 어디서나 존재하는 ‘유비쿼터스’ 개념의 온난한 공기를 채열원, 냉각원으로 하는 공기열원 히트펌프는 많은 장점을 갖음에도 불구하고 기기·시스템으로는 등한시되어왔다. 유럽에서는 공기열원 히트펌프의 열은 그 입력 에너지를 제외하고 재생가능한 에너지로 자리매김해왔는데 이제 일본 정부도 점차 받아들이고 있다.온난하고 습윤한 일본 기후는 난방과 함께 냉방을 필요로 하기 때문에 냉난겸용의 에어컨이 불가결하다. 유비쿼터스 공기열원(냉각탑을 포함해) 히트펌프 냉난방은 언제 어디든 적용할 수 있는 에너지절약 시스템의 일반적인 해결책이고 대량생산에 따른 고효율화와 낮은 비용화가 다른 시스템을 추가하지 않아도 되는 큰 에너지 절약이자 CO2 삭감효과를 발휘할 수 있기 때문에, 그런 의미로 대기는 일본의 중요한 ‘국산에너지’라는 점을 인식할 필요가 있다.
<Energy News>
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