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히트펌프의 최신기술동향
2013년 9월 12일 (목) 00:00:00 |   지면 발행 ( 2013년 9월호 - 전체 보기 )

히트펌프의최신기술동향

히트펌프는 가정용뿐만 아니라 사무실, 공장, 농가 등 폭넓은 영역에서 급탕, 건조기, 비닐하우스의 난방 등 다양한 용도로 활용되고 있으며, 높은 에너지 효율과 CO₂배출량 절감에 큰 효과를 발휘하는 신재생 에너지의 이용 기술로서도 큰 역할을 하고 있어 차후 도입량이 점차 증대될 것으로 전망되고 있다. 본고에서는 히트펌프의 원리에 대해 알아보고, 히트펌프를 통한 에너지 이용 효율화 및 도입사례, 그리고 히트펌프의 보급 현황과 앞으로의 과제에 대해 소개한다.
번역·정리 김대근 기자

저탄소 사회의 실현을 위한 화석연료 대체 에너지 개발로 인해 신재생 에너지의 활용이 각광을 받고 있다. 신재생 에너지하면 가장 먼저 떠오르는 것이 태양광 발전이나 풍력발전이지만, 히트펌프도 그중에 하나라는 것을 얼마나 알고 있을까? 2009년 8월에 실시된‘에너지 공급구조 고도화법’의 법령으로서 신재생에너지원이 최초로 정의되었다. 그중 태양광이나 풍력과 나란히 히트펌프에 이용되는 공기열, 지중열, 수열(해수열이나 하천수열 등)이 신재생 에너지원으로 자리매김하였다. 이 점으로부터 차후 히트펌프의 도입이 더욱더 촉진될 것으로 전망된다. 히트펌프의 근본원리인 카르노 사이클Carnots cycle은 열역학의 이론으로서 19세기 전반에 제안되었다. 그 후 1850년대에 개발된 증기압축방식의 냉장고가 최초의 히트펌프 실용기로 불리고 있다. 냉각에는 실용적인 대체수단이 부족하기 때문에 현재에도 많은 분야에서 이 냉각방식을 이용하고 있다. 또 히트펌프는 대기의 열에너지를 이용하여 난방이나 급탕을 할 수 있는 우수한 기술이기도 하다. 히트펌프의 원리와 에너지 절감 효과를 비롯하여 최근 도입 사례 및 보급 현황 등을 조사하기 위해 (재)히트펌프·축열센터를 방문했다.
 
히트펌프의 원리
히트펌프는 대기 중의 열 등을 이용한 냉·난방 기기로 연소를 동반하지 않는 시스템이다. 100℃가 넘는 고온을 획득한 경우에는 화석연료를 연소시키는 편이 용이하나, 일상적으로 필요로 하는 온도를 생각하면 빙점하에서 100℃ 근접의 적용 온도대를 지니는 히트펌프로 충분한 대응이 가능하다고 말할 수 있다. <그림 1>에 히트펌프의 원리를 나타냈다. <그림 1>은 난방의 경우를 나타내며 그림 안의 숫자는 투입 또는 방출되는 에너지의 크기를 나타낸다. 열은 냉매를 통해 전해진다. 압축기로 냉매를 급격하게 압축하면 냉매의 온도가 상승하고, 고온의 냉매는 실내로 보내져 내부의 공기를 데운다. 열을 방출한 냉매는 팽창판에서 급속하게 감압되는데 이것에 의해 온도는 더욱더 내려간다. 이때의 냉매온도가 외기온(실외 공기의 온도)보다 낮으면 냉매는 공기로부터 열을 흡수한다. 그리고 재차 압축되어 실내로 보내진다. 이 사이클에 의해 실내 난방이 이루어지는 것이다. 역으로 실내와 실외의 관계를 바꿔 생각해보면 실내 냉방도 이런 식으로 가동된다. 히트펌프로 실내에 열을 보내는 경우, 압축기를 가동하기 위한 필요 전력이 1, 실외 공기로부터의 흡열이 2, 실내에는 3의 열이 보내진다. 이때의 성적계수 COP(Coefficient Of Performance: 발생열량[J]/입력에너지[J])는 3/1=3이 되며, 이는 소비전력 3배(300%)의 열에너지를 생산하는 것이 된다. 효율이 100%가 넘는 이유는 카르노 사이클의 원리에 의해 대기의 열에너지(재생 가능 에너지)를 활용하고 있기 때문이다. 히트펌프는 원리적으로 거의 확립된 기술이지만 새로운 냉매의 도입, 그리고 압축기와 열교환기 등의 성능 향상으로 최근에는 COP가 6을 초과하는 제품도 실용화되고 있다. 기존의 히트펌프에는 프레온계 냉매가 사용되었지만, 최근에는 90℃의 고온수에도 대응 가능한 급탕용 CO₂냉매 히트펌프가 실용화되고 있다. CO₂냉매는 불연성으로 오존층을 파괴하지 않기 때문에 안전면이나 환경면에서 뛰어나다고 할 수 있다.

히트펌프를 통한 에너지 이용 효율화
냉난방, 급탕 및 기계를 동작시키기 위한 에너지는 전기 또는 가스로 가정이나 공장 등에 내보내져 소비되고 있다. 일반적인 가정에서의 에너지 쓰임새를 <그림 2>에 나타냈다. <그림 2>에서 조명이나 가전제품이 가장 비율이 높지만, 이 중에는 수많은 가전기기가 포함되어 있어 단일기기인 난방이나 급탕기와는 의미하는 바가 다르다고 할 수 있다. 사무실에 있어서도 마찬가지로 냉난방 및 급탕의 비율은 약 4할 이상에 달하고 있어, 여기에 소비되는 에너지가 얼마나 큰가를 알 수 있다. 기존의 난방이나 급탕은 가스나 석유를 연소시켜 가동했었다. 이를 전기 에너지와 그의 몇 배에 달하는 공기 열을 이용한 히트펌프로 전환함으로써 대폭적으로 CO₂배출량을 절감할 수 있다. 또 이 히트펌프로 데운 물을 온수 저장 탱크에 저장함으로써 <그림 3>에 나타난 것처럼 전력부하의 유효활용을 기대할 수 있다. 일반적으로 전력소비는 낮 동안에 피크가 되고, 밤에는 그다지 전력이 소비되지 않아 전력설비에 여유가 있는 상태이다. 피크 시를 피한 전력을 이용해 히트펌프를 운영함으로써 발전소의 이용효율을 높일 수 있다. 더 나아가 시간대별 요금제의 경우에는 심야전력의 가격이 낮 동안 가격의 몇 분의 1이기 되기 때문에 에너지 절감과 동시에 비용도 함께 줄일 수 있다. 전기사업연합회의 조사에 따르면, 2009년 축열식 공조 시스템에 의한 부하 평준화 효과가 약 180만㎾라고 어림잡아 평가되고 있다. 이것은 화력발전으로 바꿔 말하면, 중규모의 발전기 2기분에 상당하는 값이다. 전력계통 규모가 큰 대전력은 기본적으로 저장할 수가 없기에 발전소는 전력소비의 피크에 맞추어 건설된다. 히트펌프 축열 시스템을 통한 부하 평준화 효과에 의해‘1년 중 피크 시기에만 이용되는 발전소’를 줄일 수 있다. 또한 가정에 보급된 태양광 발전과 히트펌프를 병용하는 일도 매우 중요한 역할을 한다. 전력 매입제도에 의해 태양광에서 발전한 전력의 잉여분을 전력회사가 매입하는 시스템이 가능하게 되었다. 하지만 태양광 발전의 발전량은 날씨에 크게 좌우되기 때문에 잉여전력을 전력계통으로 되돌릴 시 계통이 불안정해지는 것이 문제이다. 앞으로 태양광 발전의 보급과 함께 그 문제의 요인도 같이 커질 것으로 예상된다. 히트펌프의 축열 시스템은 저장하기가 어려운 전기를 열로 변환하여 저장할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 즉 발전량을 히트펌프에서 소비함으로써 잉여전력을 전력계통으로 송전하지 않아도 되기 때문에 전력계통의 불안정화를 예방할 수가 있다. <그림 4>에 태양광 발전과 히트 펌프 축열 시스템을 병용한 가정의 그림을 나타냈다. 이처럼 히트펌프는 새로운 대체 에너지와 기존의 전력계통과의 조화에 큰 기여를 할 수 있는 기술이기도 하다.

히트펌프의 기타 도입사례
히트펌프는 에어컨, 냉장고, 급탕기 외에도 다양한 가전제품과 시설에 도입되어 있다. 예를 들면 ‘히트펌프식 세탁 건조기’가 그중에 하나이다. 이 세탁 건조기의 특·장점은 ▲소비전력량, 수도사용량이 기존의 히터 건조방식의 약 절반이라는 점 ▲건조의 운전 시간도 약 절반으로 준다는 점 ▲섬유의 손상이 적다라는 점 ▲건조 도중 의류를 자유롭게 넣고 뺄 수 있다는 점 등이 있다. 이러한 이점들이 소비자의 니즈와 일치되어 가격은 약간 비싼 편이지만 많은 호평을 받고 있다. <그림 5>에 기존 히터방식과 히트펌프 건조방식의 세탁 건조기 본체 비교를 나타내었다. 히터방식의 경우, 히터로 100℃에 가까운 고온의 바람을 만들어 그 열풍을 계속 쐬게 하여 의류를 건조시켰기 때문에 많은 전력을 소비하는 한편, 열을 가해 의류로부터 증발한 습기를 냉각 제습하는 과정 중에 대량의 수도를 사용하였다. 이에 반해, 드럼 내의 습기를 제거하면서 의류를 건조시키는 히트펌프 방식은 65℃ 정도의 온도로도 충분하며, 제습 시에도 히트펌프의 원리를 이용하기 때문에 수도를 사용하는 일이 없다. 이 때문에 전기요금과 수도사용량을 대폭적으로 절감할 수가 있다. 농업분야에서도 히트펌프가 이용되고 있는데 미야자키현의 망고 농가와 고치현의 귤 농가 등 가온설비가 있는 비닐하우스에 실제로 히트펌프가 도입이 되었다. 하지만 현재 가온하우스의 대부분은 석유 이용에 의한 난방을 하며, 이는 농업분야에서의 CO₂배출량의 약 4분의 1을 차지하고 있다. 그리하여 농림수산성에서는‘가온하우스의 6할에 히트펌프를 도입한다’는 시책을 제시하고 있어 앞으로의 변화가 기대되는 부분이다. 히트펌프를 도입하는 이점은 러닝코스트, CO₂의 배출량을 줄일 수 있다는 점이다. <그림 6>에 히트펌프에 의한 코스트의 비교를 나타내었다. 연간 가동시간을 2000시간으로 하여 중유 연소 난방기로 중유 1ℓ를 사용할 때의 발열량과 동열량同熱量을 히트펌프로 가온한 경우 그 코스트는 중유의 약 3~6할 정도 절감되며, CO₂배출량도 COP에 비례하여 5~8할 정도 절감된다. 또한 중유 연소 난방기는 가격변동이 큰 원유를 연료로 하고 있지만, 히트펌프를 도입할 경우 전기요금이 안정화되기 때문에 원유 가격 상승의 영향을 상당 부분 줄일 수 있다는 이점도 가지고 있다. 공기의 열뿐만이 아니라, 하천수의 열과 지중열 등의 미활용 에너지를 이용한 히트펌프도 개발되고 있다. 도쿄 스카이트리에서는 도내 대형 복합개발로서 최초로 지중열을 이용한 히트펌프가 채용되었다. <그림 7>에 지중열 이용 관련 이미지를 나타내었다. 도쿄 스카이트리 지구에서는 지중열 이용 히트펌프로서 건물의 말뚝 기초에 설치한 열교환 튜브 이용 말뚝 기초 이용 방식과 수직공垂直孔을 굴착하여 삽입한 열교환 튜브 이용 보어홀Bore hole 방식을 채용하고 있다. 또한 고효율 히트펌프를 도입하고, 25m 수영장의 17배에 달하는 대규모 수축열층을 설치했다. 이를 통해 국내 지역 냉난방 최고 수준인 연간종합에너지효율 1.3 이상을 실현할 수 있을 것으로 전망되고 있다.

보급을 위한 노력
지금까지 살펴본 바와 같이 히트펌프는 가정용뿐만 아니라 사무실, 공장, 농업에도 활용할 수가 있기에 차후 도입량은 점차 증대될 것으로 전망된다. 2001년에 판매 개시된 가정용 히트펌프 급탕기는 2010년 9월을 기준으로 250만대를 돌파했다. 단, 기설주택이나 공동주택의 경우에는 정원이나 베란다 등의 사이즈에 맞추어 히트펌프 급탕기를 설계해야하기 때문에 히트펌프 급탕기를 도입한 가정의 대부분은 신축주택이다. 그래서 앞으로의 과제는 기설주택이나 공동주택에의 보급이라고 할 수 있다. 최근에는 공동주택용 히트펌프 급탕기와 박형타입 히트펌프 급탕기, 소인수 세대 전용 타입 등 용도에 맞춘 기종 개발이 진행되고 있다. 2010년 6월에 각의결정된 에너지기본계획에 의하면, 2030년에는 가정 부문 에너지 소비에서 발생하는 CO₂배출량을 절반으로 줄일 것을 목표로 하고 있다. 그 노력의 일환으로서 2020년까지 히트펌프 급탕기를 포함한 고효율 급탕기를 전 세대(독신세대 제외)에 보급시키는 것을 목표로 하고 있다. 히트펌프 급탕기의 도입을 통해 기존 급탕에 사용되었던 가스나 석유의 대체 에너지로써 전기를 이용할 수 있기 때문에 CO₂배출량의 절감에 크게 기여할 수 있다. 유럽에서도 히트펌프는 신재생 에너지로 정의되며, 태양광 발전 및 풍력발전과의 합계가 최종 에너지 대비 20% 도입을 목표로 하고 있다. 일례를 들면, 독일에서는 2008년 7월에 연방참의원에서 신재생 에너지 열법이 제정되어 신축 건물의 히트펌프 등의 도입을 의무화하고 있다. 지금까지 한랭지역인 유럽에서 히트펌프를 활용하기 어려웠지만, 압축기와 열교환기 등의 성능 향상을 통해 한랭지역에서도 충분한 효과를 발휘할 수 있게 되었다. 중동이나 동남아시와 같은 온난한 지역에서는 히트펌프의 도입이 적합하여 냉방 및 급탕 등에 많은 활용이 가능하다. 각 나라와 지역에 따라 기후나 풍토가 다르지만, 어디에서든 공기열과 지중열은 존재하기 때문에 히트펌프의 기술을 활용할 수가 있다. 연소를 동반하지 않는 친환경 신재생 에너지 이용 기술은 해외 각국에서 높은 관심을 보이고 있으며, 전 세계적으로 그 보급 활동이 추진되고 있다.

 
*
히트펌프 기술은 대기 등의 열을 이용하는 신재생 에너지 이용 기술로서 냉동공조기 분야와 더불어 급탕, 건조기, 농업분야의 비닐하우스 난방, 그리고 상업지구의 냉난방 등 폭넓은 용도로 다양하게 활용되고 있다. 히트펌프의 높은 에너지 효율은 CO₂배출량 절감에 큰 효과를 발휘하며, 심야전력 사용에 의한 부하 평준하 등 에너지의 유효이용이라는 면에서도 히트펌프는 앞으로 큰 역할을 하게 될 것으로 전망된다. 히트펌프 급탕기는 일본에서 개발된 기술이며, 현재 히트펌프 기술은 일본이 세계를 선도하고 있지만 앞으로 유럽과 미국, 중국 등 차후 개발 경쟁이 격화될 것으로 예상된다. 히트펌프는 매우 흥미 깊은 기술이다. 차후 더 나은 기술 개혁과 함께 그 성능 향상이 기대된다.
 

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