기존시스템으론 국내 기후조건 극복 어려움
2중 상변화 축열식 복합히트펌프 시스템 기술개발을 추진해야 하는 필요성은 무엇인가.
에너지 부존자원이 부족한 국내 현실에서 히트펌프 냉난방 시스템은 에너지 효율과 연간 기기 사용효율이 높은 에너지 절약기술이다.
선진국의 경우 복합 히트펌프 시스템 기술의 개발로 건물 냉난방에 히트펌프 시스템을 보급 확대하고 있다. 하지만 국내의 히트펌프 건물 냉난방 시스템의 보급은 지연되고 있다. 겨울철 대기온도 저하에 따른 히트펌프 성능저하를 극복하지 못하는데 그 원인이 있다.
우리나라의 불리한 기후조건극복을 위해서 고효율 히트펌프 개발에 주안점을 두고 있으나 선진국에서는 복합히트펌프 시스템 기술 개발로 극복하고 있다.
따라서 우리나라도 히트펌프 건물 냉난방의 보급을 확대하기 위해서는 복합 히트펌프 시스템 기술 개발이 가장 시급한 과제이다. 선진국에서 히트펌프 건물 냉난방 시스템의 실현의 실체는 요소기술 보다는 시스템 기술에 있다. 특히 일본은 복합 시스템 기술이 대단히 발달되어 있다.
국내에서 시급히 개발해야 할 복합 히트펌프 기술은 선진국에서 발달시키고 있는 복합열원(공기열, 폐열, 하천수열, 해수열, 지열, 흡수식냉동기 등의 열원을 복합 사용) 히트펌프 시스템 기술과 이를 능가할 창의적 복합 히트펌프 시스템인 2중 상변화 복합 축열식 히트펌프 시스템 기술, 복합부하(급탕, 난방, 냉방) 축열식 히트펌프 시스템 기술이 있다.
기존의 히트펌프 시스템 성능 향상으로는 국내의 불리한 기후조건을 극복하기 어려운 것으로 드러나고 있다. 따라서 창의적이고 새로운 히트펌프시스템 개발이 필요하다.
국내에서 공기식 히트펌프의 보급이 확대되고 있지만 이용효율을 향상시키기 위한 수열원 방식의 히트펌프를 보급하고자 하는 노력이 계속되고 있다.
국내에서 최초로 수열원 히트펌프 시스템을 이용한 사례는 지난 1991년 서울 마포변전소 지하에 있는 변전소의 주변압기에서 냉각시 발행되는 열을 히트펌프로 회수하여 지상에 있는 한전 서부지점 신축건물의 난방에 이용한 것이다.
지난 1995년에 속초에 있는 한국전력공사의 생활연수원에 주로 욕실에서 배출되는 온수인 생활배수를 열원으로 하는 히트펌프 이용시스템이 설치되었다. 이 시스템은 하절기에는 냉수를 생산하면서 동시에 온수를 생산한다.
비하절기에는 온수를 생산하는 시스템으로 주로 값싼 심야전기를 이용하는 것이 특징이다. 이곳에 설치된 히트펌프의 용량은 40RT이다. 비하절기의 폐수에 온도는 28.5~37.5℃, COP는 약 3.03으로 운전되고 있다.
하절기에 급탕과 냉방을 함께 사용하는 모드로 작동할 경우 COP는 4.0~4.5 정도로 운전되고 있다. 투자비 회수기간은 약 4.0년으로 평가됐다.
또 1996년에는 서울 탄천하수처리장에 하수처리수를 이용한 히트펌프 이용시스템을 설치하여 하수처리사업소 내의 건물의 냉난방열을 공급한 사례가 있다. 하수는 난방기에는 열원으로 냉방기에는 응축기의 냉각수로 이용되도록 되어 있다.
이 시스템에 설치된 스크류 압축기 용량은 40RT. 냉매는 R-22를 사용했고 하절기에 열원수의 온도가 20~25℃일때 냉수온도 7℃, 성능계수 3.2~3.5를 목표로 설계됐다. 동절기에는 열원수의 온도가 8~12℃일때 온수 온도를 50℃, 성능계수는 4.0~4.5를 목표로 했다.
따라서 운전비용만으로 기존의 냉난방시스템과 비교하였을때 약 30%의 에너지절약이 가능한 것으로 분석이 됐다. 초기투자비용이 하수열원 히트펌프시스템의 축열율이 60%일 때 가장 경제성이 높게 나타났다.
하지만 이 시스템은 이물질 부착 및 오염으로 인한 열교환기의 파울링 형성으로 인하여 장기 운전시 히트펌프 시스템의 온수 온도가 목표치에 도달하지 못하고 효율이 급격히 저하되는 문제점을 노출, 상용화에 도달하지 못했다.