선진국 기술동향 및 기술수준
히트펌프 관련 기술과 관련, 해외에서의 온도차에너지를 이용한 히트펌프시스템이 많이 보급되고 있다.
공급형태를 살펴보면 일본의 경우 오피스빌딩으로 온수와 냉수를 공급하고 있고 북유럽에서는 지역난방으로 주택 및 학교 등에 고온수로 공급하고 있다.
일본은 신에너지ㆍ사업기술개발기구(NEDO)를 중심으로 ‘미이용에너지 고도활용 부하평준화 냉난방기술개발’ ‘광역에너지이용 네트워크시스템기술(에코ㆍ 에너지도시)’ ‘에너지사용합리화 해양자원활용시스템개발’ 등 미활용에너지기술의 전반적인 분야에 걸쳐 종합적이고 체계적으로 다양한 기술개발사업을 추진해왔다.
‘미이용에너지 고도활용 부하평준화 냉난방기술개발’은 지난 1991년부터 1997년까지 7년간 도시미활용에너지를 이용한 냉난방, 급탕 열이용기술의 개발을 목적으로 산학연 협동으로 약 94억3000만 엔의 연구비를 투입하여 추진했다.
이를 통해 저온 및 고온 미이용에너지활용 플랜트의 요소기술 개발을 완료하고 실증시험을 통해 확대보급을 추진하고 있다.
또 일본 통상성 공업기술원에서는 지난 1993년부터 2000년까지 8년간 공장폐열의 지역열공급기술의 개발을 목표로 ‘광역에너지이용네트워크 시스템 기술개발’ 일명 ‘에코ㆍ에너지 도시프로젝트’를 산학연 합동으로 약 11억8000만엔의 연구비를 투입하여 추진한 바 있다.
축열조 관련기술을 살펴보면 대규모 지상 성층화 축열조와 관련된 원천기술은 Air-ix사가 부유식, dback사가 고정식을 보유하고 있다. 따라서 국내외적으로 활용되고 있는 대부분의 중대형 축열조 기술은 이들의 기술에 종속되어 있다.
최근에 일본의 신일본제철, 일휘, 청수건설의 3개사의 중심으로 통상성이 추진하는 ‘미이용에너지 고도활용 부하 평준화 냉난방 기술개발’의 일환으로 비약적인 스페이스 절약화와 축열용량의 대규모화를 할 수 있는 종원주 형상의 성층형 축열조 기술을 개발했다.
이것은 기존의 축열조와 달리 지표면적이 적어도 되며 축열효율이 90%이상으로 높은 것이 특징이다.
축열조의 크기는 직경6m×길이400m(용량1만 입방미터)로 이것을 지하에 세로 방향으로 매립한 후 하절기 냉수운전 2개월, 동절기 온수운전 4개월간 총185 사이클의 축열 및 방열 운전을 실시함과 동시에 운전중 축열조 내의 온도분포, 지반온도변화 등에 의한 축열성능평가, 지반변형량, 축열조 응력, 축열조 신축량 및 부식시험 등을 수행했다.
축열조 운전결과 축열조 용적효율은 전 운전평균으로 9.4% 상승했으며 열손실을 하절기 냉수운전중 약 5%, 동절기 온수 운전중 약 16% 감소됐다.
지반 안전성에 대해선 시공시에 미소한 지반 변위가 확인됐지만 운전시에는 거의 변위가 발행되지 않아 문제가 없는 것으로 확인됐다.
또한 지하이기 때문에 보온력이 높아 온열의 경우 420GJ(공급온도 50℃ 이용온도 40℃) 냉열의 경우 335GJ(공급온도 7℃ 이용온도 15℃)의 축열량을 확보할 수 있게 했다.
일휘가 축열시스템, 청수건설이 지질지반 열거동 평가, 신일본제철이 축열조 설계시공을 담당했다. 기존의 축열조와 비교하여 건설비는 같거나 약간 높으나 열효율이 20% 이상 높아서 전체 운전비용이 낮은 것으로 보고되고 있다.
일본 동경에 위치해 있는 마꾸하리 신도시는 마꾸하리 신도시지역과 마꾸하리 신도시 확대지역으로 이뤄져있다. 마꾸라히 신도시가 개발됨에 따라 대량의 물과 에너지의 수요가 예상됐다. 이에 따라 치바현에서는 하수도와 종말처리장에서 배출되는 하수처리수를 재활용 및 지역냉난방의 열원으로서 이용하는 계획을 마련했다.
첫째로 하수처리수의 재활용에 있어서 고도처리(2차처리)한 처리수는 마꾸라히 Messe, 오피스, 호텔 등의 화장실과 연못, 분수 등에 재활용하며 둘째로 마꾸하리 신도시 지역(약 48.9ha)에 1991년 6월부터 하수를 열원으로 하는 지역냉난방을 시작했다.
축열조(완전혼합 연속형 냉온수 축열조)는 플랜트 기계실 하단의 이중 슬라브 내에 설치하는 복합 축열 시스템을 택하고 있다.
주로 마꾸라히 테크노로지 가든 빌딩을 대상으로 하는 오픈계통은 축열조에서 열을 공급하며 여름철 야간에 저온냉수 제조모드로 전환하여 냉수를 제조 저장함으로써 종래 축열량보다 약 35%을 증가시킬 수 있었다. 또 하수열원인 히트펌프와 열회수형 공기열원 히트펌프를 함께 사용하는 복합열원히트펌프를 실현했다.