민생부부문에 있어서 급탕과 공조의 에너지 소비량 비율은 전체의 약 절반을 차지한다. 이에 따라 급탕과 공조에 대한 CO2의 삭감대책이 중요해지고 있다. 또 히트펌프와 축열시스템은 에너지 절약의 효과도 높은 것으로 입증되고 있어서 기술개발의 필요성이 강조되고 있다. 이에 월간전기에서는 재단법인 히트펌프·축열센터 축열기술부의 스기야마 아키히코(杉山明彦) 씨와 구리하라 토쿠로(栗原德郞) 씨의 글을 통해 일본의 히트펌프와 축열기술의 최신 동향을 살펴본다.서론2005년 2월 교토의정서 발효에 따라 일본은 1990년 기준 대비 6% 상당의 온실효과가스를 2008년도부터 2012년의 제1약속기간에 삭감하도록 요구되고 있다. 일본의 온실효과가스 배출량의 9할을 차지하는 것이 에너지기원인 CO2이다. 이 가운데 특히 민생부문(사업소 빌딩과 점포 등 업무용 ·가정용)은 증가하고 있으며, 1990년도에 비해 2002년도에는 약 3할 증가하고 있는 상황이다. 그 중에서도 급탕과 공조의 에너지 소비량 비율은 절반 이상을 차지하기 때문에 민생부문에서는 급탕과 공조에 대한 대책이 CO2삭감을 위한 중요한 포인트가 된다.그 대책으로 높은 효과를 기대할 수 있는 것이 공기의 열을 이용하여 투입 에너지 이상의 열 에너지를 만들어낼 수 있는 히트펌프이다. 가정용·산업용의 공조, 특히 급탕은 등유와 가스 등의 연소에너지를 이용한 기기가 많지만 이것을 히트펌프로 바꿔 놓을 경우의 CO2배출억제 포텐션을 당 재단에서 시산해보니, 약 1억 톤/CO2·연 삭감효과를 얻을 수 있었다(<그림 1>). 이같이 화석연료를 대신해 자연 에너지인 공기의 열을 이용하는 히트펌프는 높은 CO2삭감효과가 있고, 교토의정서 목표달성계획에도 히트펌프의 가속적 보급이 기재되어 있다.이 글에서는 온난화대책으로 효과가 높은 히트펌프와 축열시스템의 특징에 대해 간단히 설명한다.
 히트펌프의 특징과 효율성히트펌프는 연료의 연소열을 이용하지 않고 냉온열을 얻는 기술이다. 가정 내의 에어컨과 냉장고 등 비교적 실생활에서 많이 사용되고 빌딩의 공조 등에도 사진과 같은 냉동기가 이용된다(<사진 1>). 최신 인버터가 달린 터보 냉동기로 COP=6, 즉 투입한 전기에너지의 6배의 에너지를 골라내는 장치이고 냉각수 온도가 낮은 시기에는 COP가 10을 넘는 성능을 발휘한다.히트펌프는 물을 높은 곳으로 퍼 올리는 펌프같이 열을 올려 이동시키는 시스템이기 때문에 히트펌프로 불린다. 소형 냉동고든 사진과 같은 대형 냉동기든 히트펌프의 기본동작원리는 같고, 2조의 열교환기(응축기·증발기)와 이것을 연결하는 압축기, 팽창변을 이용해서 닫힌 사이클 안에서 냉매를 순환시켜 열을 이동시키고 있다(<그림 2>). 히트펌프의 동작원리는 <그림 3>에 나타난 냉동 사이클처럼 압축을 위한 에너지 ②와 열교환기에서 방열량(냉각은 ①, 가열은 ③)의 비가 효율에 상당한다. 냉난방같이 외부 기온과의 온도차가 작은 범위에서 따뜻하거나 차가울 경우 프론냉매는 뛰어난 특성을 발휘하지만 프론가스는 오존층을 파괴하거나 온실효과가 크기 때문에 영향을 대폭 경감시킨 신냉매와 암모니아, CO2, 물 등의 자연냉매가 이용되어왔다. 예를 들어 최근 화제가 되고 있는 에코큐트는 자연냉매를 사용하고 있지만 지금까지의 냉매로는 곤란했던 90℃라는 고온의 급탕을 가능하게 하여 지금까지 연소기기에 의지한 급탕분야의 배출 CO2삭감에 공헌하는 히트펌프이다.
 이같은 특성을 갖는 히트펌프를 이용할 경우, 1차 에너지에서 최종수요까지의 흐름을 살펴보자(<그림 4>). 전력회사는 안정된 에너지 공급과 CO2배출억제를 위해 원자력·수력·화력을 짜맞춘 베스트믹스를 기본으로 전원구성을 하고 있고 1kWh의 전기를 만들기 위해 배출한 CO2는 화력발전소의 고효율화 덕분에 매년 감소경향에 있다. 전력에너지를 100으로 했을 때 COP(성적계수)6의 히트펌프는 대기의 열을 올려, 600의 열에너지를 이끌어낼 수 있다. 이 때 베스트믹스의 전원구성으로 소비하는 화석연료는 165, 즉 화석연료의 3.5배 이상의 에너지를 꺼내는 능력이 있다. 연소방식은 연료가 갖는 에너지 이상의 열에너지를 얻을 수 없음을 고려하면 높은 에너지절약성을 갖는다는 것을 알았고 그 CO2삭감 가능성을 엿볼 수 있다. 빌딩 공조시스템에 관해빌딩의 에너지 소비량 가운데 공조 이용비율이 높아지고 공조의 에너지절약화가 이뤄질 때 CO2삭감의 효과적인 대책이 된다. 여기서는 건물의 백야드에 숨겨진 알기 어려운 공조 시스템에 대해 히트펌프를 이용한 빌딩의 사례로 간단히 소개한다.공조설비에는 크게 나눠 개별분산열원시스템(<그림 5>)과 집중열원시스템(<그림 6>)이 있으며 건물의 규모와 공조에 요구되는 온도습도조절·먼지와 티끌 제거·기류조절 등의 등급와 용도, 유저의 사용방법에 맞춰 구별하여 사용되고 있다. 개별분산방식은 실외기 1대에 대해 복수대의 실내기를 갖는 멀티에어컨이 있다. 이 장치자체로 온도의 컨트롤+냉각에 의한 제습은 가능하지만 신선공기의 도입과 가습은 불가능하기 때문에 전열교환기 등의 환기시스템과 가습유닛으로 불리는 장치를 따로 설치해야한다.
 집중방식은 대형 히트펌프 등, 열원기로 만든 냉수와 온수를 각 층에 설치한 공조기까지 반송하고 냉온풍으로 해서 덕트로 송풍하거나 소형의 팬코일유닛을 창가에 설치해 냉온수를 공급하고 냉온풍을 보낸다. 집중방식은 온도조절만이 아니고 환기와 습도조절 등 공기질을 유지하기 위한 기능도 포함하고 있다. 공조시스템에는 방마다 개별로 냉난방의 요구, 건조와 결로방지, 창가와 방 중앙부의 온도차의 해소 등, 건물의 용도와 사용방법에 따른 다양한 방식이 있다.최근 기술개발에 따른 개별분산열원시스템, 집중열원시스템과 함께 고효율 히트펌프의 기기가 제품화되고 있다. 정부도 2010년까지 12,000대의 고효율공조기를 도입하는 것을 온난화대책의 골자로 하여, 업무용 에너지절약 대책으로 중요한 위치에 두고 있다.시설의 에너지절약과 히트펌프기설시설의 에너지절약의 첫 번째 요소는 산업용과 업무용 시설에서 쓸데없는 에너지사용을 최소한으로 감소시키는 것이다. 시설에 따라 달라지겠지만 에너지의 주요 사용처는 조명, 공조, 급탕설비 등이며 산업용으로는 컴프레서, 생산설비 등이다. 에너지 사용원을 각각 거슬러 올라가면 사람이 없는 실내에서 불필요한 조명이 켜져 있거나, 공조가 켜져 있다는 것을 알았다. 또 생산물이 없는데도 생산 라인이 가동되고 있는 등 점검을 통한 에너지절약이 가능하기 때문에 쓸데없는 에너지 사용을 절감시켜야 한다는 인식을 심어주는 일이 중요하다.공조설비에 착안하면 일례로는 티끌과 먼지와 취기, 생산라인에서의 발생가스 농도저감을 위해 환기에 의한 신선한 공기를 받아들이는 사례가 많지만 환기량의 기준인 실내의 CO2농도 1000ppm을 대폭적으로 낮추는 경우도 많고, 다른 가스 등의 농도를 상회하지 않는 것을 고려하면서 환기량을 줄이는 것으로 공조 시기에는 부하저감과 환기팬의 운전대수 삭감 등에 따른 에너지절약이 가능하다.게다가 에너지절약을 추진하기 위해서는 시설의 단열성능 향상과 햇볕의 차단과 활용도 시야에 넣을 필요가 있으며, 열원기의 고효율 히트펌프로의 대체가 효과가 높다. 공조열원과 급탕·냉각수에는 연소기기에서 히트펌프로 바꿔두는 것만으로 CO2의 대폭적인 삭감이 실현가능하다.최근 생산설비의 투자가 활발해지고 있지만 그 가운데 반도체와 액정공장 등의 크린룸공조의 수요가 증가하고 있다. 크린룸에는 항온항습이 요구되고 내부발열이 높기 때문에 연간 냉방수요가 있다. 이 수요에 대해 고효율인버터기기를 설치하고 전술한 COP가 6이상, 연간 평균 COP가 10을 넘는 실적을 남기고 대폭의 에너지절약, CO2절약을 증명하는 예가 있다.투자대효과와 설비개선하기 쉬운 것을 고려해둬 우선순위를 매겨 에너지절약 대책을 강구하기를 권장한다.공조부하와 축열시스템공조수요는 인간이 활동하는 낮에 편향이 생긴다. 낮의 수요에 따라 전력의 피크가 발생한다고 하고, 피크전력을 억제하는 부하평준화대책도 필요하다. 이 공조수요의 평준화를 도모할 수 있는 것이 축열식 공조시스템이다.일반적으로 축열식 공조시스템은 야간에 열원기를 운전하고 여름에 냉열, 겨울에는 온열을 축열조에 모아두었다가, 낮에 이 열을 이용하여 공조를 하는 시스템이다. 통상적으로 공조열원의 열의 생산과 실내에서의 소비가 동시에 행해지기 때문에 열원기의 용량은 공조부하의 피크에 맞춰 설정된다. 이에 반해 축열식 공조시스템은 축열조에 한번 열을 모으기 때문에 열의 생산량과 소비량의 하루에 맞는 합계치가 각각 같으면 소비와 동시에 생산할 필요가 없다.일반적인 빌딩 사무실에는 일적산열부하가 하루 최대 1/2의 부하상당량을 축열하고, 최대부하날에 냉동기를 주야연속 운전시키는 방식이다(<그림 7>). 업무용 건물에는 야간의 열부하가 적은 사례가 많고, 축열시스템이 적당하다. 지역차와 건물의 단열성능 등으로 차이는 없지만 최대부하의 시기 이외는 부하가 적어지기 때문에(<그림 8>) 주간의 운전시간이 짧아지고, 야간의 축열로 처리하는 열량은 이 패턴의 예로는 3/4정도가 된다. <그림 8>의 농도가 높은 부분은 축열시스템을 채용하면 축열로 조달하는 부하이다.
 이같이 주간의 열부하를 야간으로 이행하는 것으로 설비용량이 경감되기 위해 기본요금을 저감하고, 값이 싼 야간전력요금을 적용시키기 위해 경제성이 높다. 히트펌프의 조합으로 더욱 에너지절약, CO2절약의 장점을 얻는 시스템이다(<표 1>). 또 전력공급 측의 부하평준화에도 공헌하고 2005년도까지 축열보급에 의한 피크시프트효과는 약 160만 kW, 발전소 약 2기분에 상당한다.덧붙여 축열시스템은 슈퍼마켓의 식품용 쇼케이스(빙축열식냉동냉장쇼케이스)와 산업용 프로세스냉각 등에도 이용되고 있다.결론축열시스템 가운데에도 빙축열식 공조시스템 ‘에코·아이스’는 냉열을 얼려 쌓는 방식으로 0℃의 물이 얼름이 될 때 335J/g의 냉열을 쌓을 수 있고, 축열조가 수축열에 비해 1/7정도까지 경량화되는 등 설치 공간의 확보라는 점으로 어려운 중소 규모의 빌딩과 리뉴얼 대응에도 적합한 시스템이다. 집중열원방식, 개별분산열원방식과 함께 제품이 라인업되고 최근 급속히 보급해오고 있다. 빙축열에 의한 저온의 냉수를 안정되게 공급하기 위해 집중열원방식에는 송수의 왕복온도차를 크게 얻는 것이 가능하고(대온도차), 펌프동력의 저감과 공조기의 송풍 덕트의 컴팩트화, 송풍팬의 에너지절약화를 도모하는 것이 가능하다(<그림 9>).지금까지 히트펌프·축열시스템은 색다른 기술로 취급되지 않고, 에너지절약 시책에 포함된 것은 적었지만 최근 히트펌프의 기술혁신과 함께 에너지 절약·CO2절약의 효과가 평가되어 주목도가 높아지고 있다.게다가 히트펌프·축열시스템이 보급 확대하기 위해 당 재단에서는 시설을 소유·관리하는 사람과 설계·시공에 관련된 사람 전용으로 심포지엄과 세미나, 기술연수회를 개최하고 있다.또 홈페이지(http://www.hvac.gr.jp)에는 히트펌프의 원리를 체감적으로 파악하기 위한 히트펌프 웹강좌와 각 제조회사의 협력으로 축열식공조 시스템의 기기 카다로그 데이터베이스를 공개하고 있다. 또한 업무용 고효율공조기와 에코큐트의 도입촉진 등을 위한 국고보조금으로 보조금사업도 실시하고 있다.당 재단은 앞으로도 더욱 히트펌프·축열시스템이 선택되기 위한 개발·보급에 노력할 것이다. 세계의 에너지절약에 공헌하는 일본에서 개발된 고성능·고효율 히트펌프가 축열시스템과 함께 시설의 에너지 계획의 중심이 되길 기대해본다.
<Energy News>
http://www.energy.co.kr
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