제5장 대체에너지를 이용한 난방시스템

제1절 지하수 열원을 이용한 히트펌프

1. 히트펌프의 장점

가. 지하수를 열원으로 하여 연중 온도변화 없이 안정된 저가의 열원을

활용하므로써 연료비를 대폭 경감

나. 동계 난방과 하계 냉방제습효과를 동시에 기대

2. 히트펌프의 문제점과 대책

가. 초기 설비 투자비 부담

히트펌프는 초기 시설설치비 부담이 크고 운전비용은 연간 경유의

1/ 10∼1/ 7 수준으로 석유수입 대체효과가 가장 큰 낭방방식이다. 따라서,

정부(농림부, 산자부, 환경부)로 부터 에너지효율화 지원사업이 따라야 할

것으로 판단된다.

나. 지하수의 재활용이 곤란하여 방출량이 많음

지하수를 온실내에 순환시키지 않고 장비 내에서 지하수가 갖고 있는

열만을 취탈한후 다시 지하로 환수(還水)하므로써 환경오염이 없도록 해

야한다. 특히, 이하 개발된 히트펌프는 위와 같은 원리에 의하여 제작된

장비로써 관정에서 양수된 지하수가 밀폐상태로 유지되어 장비의 관로를

거쳐 다시 환수공으로 환수되므써 청정한 횐경을 그대로 유지할 수 있다.

이를 위해서 장비 주변에 10∼15m 깊이의 환수공(還水孔)을 설치하여 지

하로 재순환되도록 구성한다.

3. 히트펌프 보급 제한 이유

가. 기존 히트펌프는 공급열원을 공기열원 혹은 공기에 열을 제공하는

수냉식

나. 지하수 이용시 용수에 함유된 석회 등 용존유해물질에 의하여 관로

내부가 스케일로 침착되어 열효율과 기능이 저하되어 왔다.

다. 히트펌프의 장비 구성이 압축기, 증발기, 응축기, 순환펌프 등으로

각각 분리 설치해야 하므로 장비구성이 복잡하고 비효율적 열량 손

실이 발생

4. 개선된 제품의 도입 평가

가. 공시제품 : (주)화인에너지시스템의 에너지절약형 히트펌프

(주소 : 경기도 화성시 동탄면 장지리 834, 전화 : 031- 377- 7746)

나. 제품개발 배경

물 1l를 1℃ 올리는데 필요한 열량이 1Kcal이므로 10℃의 열을 이전하

면 약 10Kcal의 냉열, 온열의 경우 기계의 일량을 더하여 얼마간 차이가

있으나 12∼13Kcal의 열을 1l의 물에서 1보다 훨씬 작은 힘을 들여 이전

받는다. 가령 1시간에 10톤의 지하수를 얻으면 10Kcal×10,000l =

100,0000Kcal의 냉열 혹은 120,000∼130,000Kcal/ hr의 온열을 아주 작은

동력(전력)을 투입하여 얻을 수 있으며 이 때 필요한 열 혹은 일은 얻는

열보다 훨씬 작아 1보다 큰 성적계수(coefficient of performance, COP )을

이전받으며 쓰고난 지하수는 반대열을 짊어지게 된다. 그렇게 이송된 열

량을 값으로 환산하면 지하수 1톤은 경유(시중 판매가 580원/ l) 대비 역

할의 값이 1,000×12/ (10,500×0.85)×580×4.62 = 3,602원, 즉 지하수 1톤

으로 유류수입 대체 6.2l로 에너지 수입대체효과가 크다.

4계절이 뚜렷한 우리 나라의 기후환경에서 지금까지는 공기 UE를 이

용한 에어콘 등 냉동기의 개발에 주력해왔다. 우리 나라는 대개 지역이

표토의 투수율이 양호하고 지중의 함수율 또한 양질이며 8∼15m 정도에

기반암이 형성되어 있고 수온은 13∼15℃ 범위이며 15m 깊이만 착정(鑿

井)하여도 100∼300LPM 이상의 지하수를 양정할 수 있어 지하수의 UE

를 이용한 히트펌프 냉난방 효율은 매우 크다고 볼 수 있다.

지하수를 양수하여 지표에 버리면 지하수의 고갈이 우려되므로 오염을

방지하고 열만 취출(吹出)한 후 지중으로 환원하면 지중 환경오염을 염

려할 필요가 없다.

다. 제품의 특징

(1) 용존 유해물에 의해 발생되는 스케일 제거를 위하여 여과정류된 순

수(純水) 만을 열매체로 하는 순환계와 관정에서 양수된 지하수가 순환

되는 순환계를 별도로 구분하여 설치

(2) 증발기, 응축기를 일체화시켜 크기를 기존의 1/ 10로 축소하고, 순환

펌프도 하나의 장비로 내장시켜 설비 구축의 편이성과 열량소모 방지

(3) 열 이전 효율을 향상하여 소량의 전력으로 대량의 열을 얻도록 설

계 (전기 열량 대비 4.5∼7배 열량 획득)

라. 시스템 흐름도 (그림 21)

그림 21. 히트펌프의 시스템 흐름도

마. 제품의 구조

(1) 부품 내역 (400평 기준)

표 20. 히트펌프(400평 냉난방겸용)의 구성 부품내역

품 명 단위수량 품 명 단위수량

컴푸레셔(Scroll type) 18kW/hr set 2 삼방변밸브 (비례제어) set 1

증발기, ∑plate Dip Brazing 〃 1 자동제어반(온도, 압력조절) 〃

냉각기, ∑plate Dip Brazing 〃 1 배관재(1차 Cu-tube 54A 이하, 2차 STS 65A)

열교환기, spare shell tube 〃 1 냉매 (R-22) kg

내부순환펌프, 2HP 〃 1 FCU(냉방 11,100, 난방 10,500cal/hr) 대 12

냉난방순환펌프, 2HP 〃 1 수처리장치 set 1

정수펌프 (장소에따라선정) 〃 1 팽창수조 〃 1

삼방변밸브 (ON/OFF type) 〃 4 외형크기 (870W×1700L×1650H)

(가) 콤푸레셔 : 스크롤컴프레셔(Copeland, USA )

(나) 열교환기

- 진공순간용접방식의 열교환기(WT T , Germany ) : 실내 공급열과

폐기열의 교환용

- 쉘튜브형스퀘어열교환기 : 직접 제작 (길이 : 16m )

(다) 내부 순환펌프, 냉난방순환펌프

(라) 자동제어반 : 시설내 온도설정범위에 따라 자동냉난방절환

(마) 수처리장치 : 장비 내부에 흐르는 물과 온실내 냉난방배관에 흐

르는 물에 의하여 열교환기 및 내부 관로에 스케일 형성 방지

를 위하여 철분제거 및 망간제거수지, 산화철 부유물 제거용 카

본필터, 양이온교환수지(softener ) 등 3개의 컬럼필터를 설치하

였다. 수처리 능력은 780l/ hr이며, softener의 경우 정기적으로 소

금물로 재생시켜 사용하여야 한다.

(2) 제품의 사양

표 21. 히트펌프 난방시스템의 사양

시 설면 적(평)

난방/냉방용 량

(Kcal)

내 부순환펌프

(HP)

순 환펌 프(HP)

관 정펌 프(LPM)

응축기

(kWh)

냉각기

(m2)

증발기

(m2)

열교환기

(m2)

팽 창탱 크

(L)

방열기

(set )

400 10만/ 12만 3.0 2 160 30 15.65 15.00 15.20 180 4

600 20만/ 24만 7.5 5 340 60 31.30 30.00 30.40 360 8

표 22. 히트펌프 공급가격 조견표

시설면적(평) 난방열량(Kcal) 냉방열량(Kcal) 보급가격*(천원)

200 50,000 54,000 21,000400 100,000 110,000 39,000800 200,000 220,000 73,000

1500 400,000 440,000 135,000

자료 : (주)화인에너지시스템. VAT 별도

(3) 장비의 용량 (400평형)

표 23. 히트펌프(400평 냉난방 겸용)의 구성 장비 용량

구 분 동 계 하 계

단 위 량 q'q"Aw Kcal/kg난 방 냉 방 일 량 난 방 냉 방 일 량

41.61 36.27 5.34 45.62 42.53 2.99

단 위 중 량 G kg/hr 2,519 2,697냉매액 부피 v ' l/kg 2,242 2,251냉매증기체적 v" m3/ kg 108.32 108.67온 열 Q1 Kcal/hr 104,800 122,768냉 열 Q2 Kcal/hr 91,300 114,600일 량 AW Kcal/hr 13,452 8,064투 입 동 력 N kW/hr 13,452/860×0.624= 25.07 8,064/860×0.61= 15.35성적계수 COP (보정치) 7.79(4.86) 14.21(8.68)컴 푸 레 셔 ZR19M3- TW7, 2set소 요 전 력 kW/hr 31.00 22.00증 발 기 m3 21.60 21.60냉 각 기 m3 15.93 15.93폐기열교환기 m3 27.22 27.22내부순환펌프 400LPM × 9MH × 2HP냉난방순환펌프 390LPM × 13MH × 2HP정 수 펌 프 230LPM × 15MH × 2HP팬코일유니트 9,600cal/hr, 12set

※ 자동제어판넬(전자동), 팽창탱크(55l, 밀폐식), 수처리장치(Fe, Mn 등) 포함

바. 히트펌프의 이론과 작동조건

질량 Q1을 열기관에 투입하여 열 또는 일(AW )을 얻는 순환계(cycle)는

Q2 만큼의 질량 및 열 등을 버리고 AW 만큼의 효율(efficiency , 이하 η)

을 얻는다. 그러므로 η = AW/ Q1 = 1- Q2/ Q1 = 1- T 2/ T 1가 되며 열의 η

은 이상적인 순환계에 비교적 가까운 η을 얻을 수 있고 AW (전력 동력)

η은 열로 일을 만드므로 더 낮은 η을 얻게 된다.(화력, 원자력 발전 등

의 η은 30% 미만. 보일러 등의 연소 η은 80∼90%) 이 것이 열기관의

η일 때 역순환계(reversed cycle)의 성적계수(coefficient of performance,

COP )는 냉동기(refrigerate, R)의 COP는 Q2/ AW = T 1- T 2 , 히트펌프(heat

pump, H)의 COP는 R+1이 되어 AW을 투입 Q2 또는 Q1을 얻게 되며,

이 때 순환계 밖의 에너지를 쓸 수 없는 에너지(unav ailable energy , UE )

로 이용한다.

표준 순환계(Re = - 15℃, hc = 30℃)에서 작동하는 R 또는 H의 COP

는 Re = 273- 15/ 273+30- 258 = 5.73, hc = 5.73+1+6.73이 된다. 전기

1kWh의 환산열량은 860Kcal/ hr (실제로는 효율이 90%로써 860×0.90 =

774Kcal/ hr ), Re = 860×5.73×0.68 = 3,350Kcal/ hr , hc = 860×6.73×0.68

= 3,935Kcal/ hr로 1을 투입하여 UE는 3.89 또는 4.57을 얻게 된다.

(1) 냉매 보간 발췌표 (냉매 R- 22 )

표 24. 냉매 R- 22의 보간표

구분온도(t) ℃ 비체적 압력

비Re/hc

압 력 비kg/cm2

엔 탈 피(Kcal/kg·k)

증발 응축 t4 v 'l/kg v"m3/kg 증발 응축 h1.2 h3 h4

동계 3.00 42.00 62.00 0.8900 0.0430 1:2.94 1:1.14 5.63 16.58 113.45 149.72 155.06

하계 5.00 24.00 38.00 0.8345 0.0430 1:1.74 1:1.08 6.00 10.45 107.38 149.91 152.90

(주) 냉매 R- 22 (CHClF 2 )의 v '은 액의 비체적, v "는 증기의 비체적

가령 5℃에서 증발하고 50℃에서 응축되는 히트펌프를 R- 22 냉매를

이용하여 연속 상변화시켜 1US R/ T 의 열을 얻는다면 얻을 수 있는 온

열 Q1 = 156.80- 116.27 = 40.53Kcal/ kg×89.893 = 3,643.36Kcal이며, 냉열

Q2 = 149.91- 116.27 = 33.64Kcal/ kg×89.893 = 3,024Kcal이다.

단위 일량(freezer circulation flow rate)은 3,024/ 33.64 = 89.893kg이며

투입 일량 AW = 40.53- 33.63 = 6.89Kcal/ kg×89.893 = 619.363Kcal이고,

환산전력투입량 N = 619.363/ (859.8×0.68(효율)) = 1.059kW이다. 여기서

온열은 3,643.36/ 859.8 = 4.237kW , 냉열은 3,024/ 859.8 = 3.517kW이다. 즉,

1.059kW를 투입하여 4.237kW의 온열 혹은 3.517kW의 냉열을 필요에 따

라 선택하여 얻을 수 있는 비율의 열이전이 되는 기계적 구성 및 구조로

이루어진 히트펌프라고 할 수 있다.

(2) 대수평균온도차(MT D) : 동계에 시설내 난방시 공급되는 지하수온

이 15℃일 경우 배출되는 지하수의 온도는 8℃일 때 가장 열효율이 높으

며, 하계 냉방시에는 배출되는 지하수의 평균온도가 24.5℃일 때 열효율

이 높은 상태가 된다.

표 25. 대수평균온도차 계산표

구 분증발기 ℃ 응축기 ℃ 열교환기 ℃

TA- 1TA-2

TB- 2TB- 1

△- 1△- 2

△-mTA- 1TA-2

TB-2TB- 1

△- 1△-2

△-mTA- 1TA- 2

TB-2TB- 1

△- 1△- 2

△-m

동 계3.75 10.00 6.25

4.4260.00 45.50 14.50

5.046.00 8.00 2.00

3.273.00 6.00 3.00 42.00 41.00 1.00 10.00 15.00 5.00

하 계5.53 13.50 7.97

5.4338.00 27.50 10.50

5.1227.50 24.50 3.00

4.725.00 8.50 3.50 24.00 22.00 2.00 22.00 15.00 7.00

(주) T A - 1 : 공급측 흡입, T A- 2 : 공급측 토출, T B- 1 : 피공급측 흡입,

T B- 2 : 피공급측 토출

(3) 습공기선도 : 난방과 냉방효율은 습공기선도에 영향을 받게 된다.

동계 난방 또는 하계 냉방시 시설내가 다습하여 90% 이상이 되면 열효

율이 저하될 수 있으며 60∼80% 내외에서 안정된다.(그림 22)

(4) 압력 및 엔탈피 선도 : "R- 22"냉매는 동절기간에는 압력 6∼17

kgf/ cm 2 , 하절기에는 6∼12kgf/ cm 2로 유지하는 것이 안정된다. (그림 23)

그림 22. 습공기선도

그림 23. 압력 및 엔탈피 선도

아. 시제품 설치 및 효율성 검토

(1) 대상 시설

① 시설의 유형 : 한국온실작물연구소 연구온실 (1- 2W 변형 3연동+

2연동, 250평)

② 설치 기간 : 2002. 3. 20 ∼ 4. 5

사진 13. 히트펌프의 본체(시설외부) 및 열교환기(시설내부) 배치

(2) 냉/ 난방 효율 : 양정된 지하수의 수온은 17℃, 유량 160LPM 조건

에서 열교환되고 배출되는 배출수의 온도가 시설난방조건일 때 6±1.2℃,

시설냉방조건일 때 24±1.5℃로 열효율이 매우 높게 나타났다.

① 냉방시 배출온도 : 지하수온(17℃)+9∼11℃ = 26∼28℃

② 난방시 배출온도 : 지하수온(17℃)- 6∼8℃ = 11∼9℃

③ 250평 온실에 열교환기(팬히터)를 16대 설치할 경우 외기온 26℃,

시설내기온(무환기) 37℃조건에서 30±5분 이내 28℃로 온도 유지

5. 경제성 분석(표 26)

표 26. 난방방식별 연료 사용료 분석 (10a당)

비 목경 유

보 일 러

심야전기

보 일 러

연탄온풍

보 일 러

히 트

펌 프비 고

시설비(만원) 350∼380 400 300∼750 2,000∼3,600방열배관,

축열조 포함

연료비(천원) 4,140 2,956 1,474 864 3개월 난방

※ 주의 : 히트펌프 가격은 냉방용량, 시스템 구성도에 따라 차이가 큼.

※ 기준 : 설정온도 20℃, 난방기간 3개월, 1일 난방시간 10hr .

※ 심야전기보일러와 히트펌프는 심야전기 이외 시간대에는 농업용(병)

으로 10% 전력비용을 추가하여야 함.