산업용 폐열회수 히트펌프 기술 및 시장 동향
2019-11-05
org.kosen.entty.User@652aaf6d
윤정배(yoonjung)
1. 히트펌프 기술 개요[1, 2]
낮은 수준의 열원(heat source)으로부터 열(heat)을 취득하여 높은 수준의 열원으로 이송(pumping), 방출하는 장치인 히트펌프는 냉동기와 같은 냉각사이클(증발기에 의하여 피냉각물로부터 열을 흡수한 후 응축기를 통해 열을 방출)로 운전되나, 일반 냉동기는 냉각열만을 이용하는데 비하여, 히트펌프는 열원(피냉각물)뿐만 아니라 방출열도 이용한다는 차이(히트펌프 사이클)가 있다.
또한, 히트펌프는 대기열 또는 폐열 등 주변의 미활용 열원을 에너지로 이용하기 때문에 냉난방 효율이 높고, 미활용 되는 저온의 열(산업체 폐수, 배기, 배증기, 냉각수, 지하수, 하수 그리고 공기 등)을 고온으로 이동시키는 에너지 활용 시스템의 특성상, 탄소 배출량 절감이 가능한 냉난방 기술이다.
히트펌프 기술은 1852년 미국의 물리학자인 Load Kelvin의 아이디어인 ‘Warming Engine’으로부터 비롯되었으며, 1920년 독일의 과학자 G.Flugel에 의하여 기초이론이 정리되었고, 1921년 미국의 F. Kraus에 의하여 관련 기술이 널리 알려지게 되었다.
더불어, 1970년대 오일쇼크 당시 화석연료 소비 절감 노력에 의하여, 종래에 히트펌프가 가진 문제점을 해결하였고, 기술적으로 발전된 제품이 개발되며, 1990년대부터 가정용/상업용/산업용 냉난방 설비로 널리 사용되고 있다.
본 리포트에서는 배열 및 미이용 에너지를 활용한 산업용 폐열회수 히트펌프의 기술 현황과시장 규모 및 전망에 대해 조사하고자 한다.
2. 히트펌프의 종류[3, 4]
2.1. 압축식 히트펌프
압축식 히트펌프는 저온부 열교환기인 증발기(evaporator)와 압축기(compressor) 그리고 고온부 열교환기인 응축기(condenser)와 팽창밸브(expansion valve) 등 4개의 기본 요소와 2개(냉각, 난방)의 사이클로 구성된다.
냉각사이클의 경우, 저온저압 습증기 상태의 냉매는 증발기에서 증발하며 주변의 증발잠열을 흡수하고, 증발된 저온저압 건포화 증기상태의 냉매로 배출되며, 압축기에서 단열압축되어 고온고압 과열증기 상태로 응축기로 유입된다.
난방사이클의 경우, 응축기로 유입된 고온고압 과열증기상태의 냉매는 응축잠열을 방출시키며 고온고압 포화액상태로 팽창밸브로 유입되고, 팽창밸브를 통과하며, 등엔탈피 팽창을 하고 저온저압 습증기로 증발기에 유입된다.
2.2. 흡수식 히트펌프
흡수액의 가열에 의한 냉매의 고압 증발 프로세스를 이용한 것이며, 보통 냉매로는 물 그리고 흡수액으로는 리튬브로마이드(LiBr, Lithium Bromide)를 이용하고, 냉매(물) 증기를 흡수하여 묽어진 LiBr 수용액은 펌프에 의해 재생기로 이송된 후, 열을 가하여(버너, 폐열 등) 냉매(물)를 증발시키고 농축된 수용액은 다시 증발기에서 증기를 흡수하는 과정을 반복한다.
흡수식은 압축식보다 성적계수(COP, Coefficient Of Performance)가 낮고 사용처의 제한(냉매의 고온고압화에 필요한 에너지원이 전기 압축기가 아닌데서 발생되는 제한)이 따르는 단점이 있으나, 구동 에너지로서 전기를 사용하지 않고, 높은 수준의 열원뿐만 아니라 배열 등과 같은 낮은 수준의 열원(저압증기)으로도 구동이 가능하여, 연료전지(fuel cell) 및 열병합발전소의 구동에 널리 사용된다.
3. 히트펌프 활용 분야[5]
3.1. 폐열 회수 히트펌프
식품공장의 경우, 식품 가공/조리 공정 중 발생된 폐열(연소열, 폐증기 등)을 히트펌프 구동 열원으로 회수하고, 히트펌프로부터 생산된 온수는 공장 내부의 청소 등에 사용되며, 냉수는 야채 등의 세척에 사용된다.
주류공장의 경우, 알코올을 만드는 과정에서 발생하는 효모에 의한 발효열은 일반적으로 냉동기에 의해 냉각시키는 것이 보통이나, 폐열회수 히트펌프를 이용하면 이 열을 회수하여, 공정용수(온수) 생산이 가능하다.
목용탕, 사우나 시설의 경우, 생활수준의 향상으로 대규모 혹은 소규모의 목욕탕이나 사우나설비가 늘고 있고, 계절과 관계없이 공간의 냉난방 및 냉온수 생산이 필요한 바, 냉난방이 동시에 이루어지는 히트펌프를 적용하여 냉각과정에서 발생된 폐열을 온수 가열에 사용할 수 있다.
열병합발전소의 경우, 열병합발전에서 발생하는 고온의 배기가스로 열교환 후 생성된 온수는 지역난방에 공급하며, 냉각 부하가 큰 여름철은 온수를 흡수식 히트펌프의 열원으로 활용하여 지역냉방용 냉수로 이용한다.
3.2. 미이용 에너지 회수 히트펌프
미이용 에너지는 아직 이용되지 못하고 있는 에너지로서, 자연에너지로는 지중열, 해수열, 하천수열, 지하수열 그리고 풍력 등이 있으며, 도시/산업체 배열로는 하수열, 지하 배열, 쓰레기 처리 배열, 냉방 배열 그리고 발전설비 배열 등이 있다.
배열회수 히트펌프는 주로 산업용 시설에 도입되고 있으며, 온도가 안정적인(일정한) 수열원을 이용하는 경우가 늘고 있으며, 환경문제와 에너지 절약 대책으로 기존의 보일러나 냉동기 등의 대체 기기 또는 보조(backup) 열원설비로 사용된다.
특히, 규모가 큰 공장 중에서 냉각과 가열 공정을 동시에 가지는 식품, 음료, 제약, 반도체, 방적, 수지 성형 그리고 도금 등의 공장에서 높은 냉난방 효율을 보이고 있으며, 보조열원설비로서 히트펌프의 부하 제어기능이 중요시되고 있다.
3.3. 열원 하이브리드 히트펌프
열원의 하이브리드(hybrid)화는 미이용 에너지 회수형 히트펌프의 고성능화를 가능하게 하였으며, 유럽에서는 히트펌프와 태양열 집열기를 하이브리드화하여 부하량 및 효율을 증가시키고 있다.
또한, 히트펌프와 데시칸트(desiccant, 제습) 공조시스템의 하이브리드화를 통해, 병원이나 청정실(clean room)처럼 온도와 습도를 동시에 조절해야만 하는 데시칸트 공조시스템에서, 히트펌프 응축열을 제습기 재생에 이용하여, 데시칸트 제습기의 효율을 높이고 공조시스템의 에너지 비용을 저감할 수 있다.
4. 히트펌프 기술 동향[2, 3]
히트펌프는 압축기, 열교환기, 팽창밸브, 제어장치 그리고 냉매 등으로 구성되어 있으며, 특히,냉매 팽창 과정에서 손실되는 에너지를 회수하는 기술과 4방 밸브(냉방 또는 난방 사이클을 결정하는 밸브) 제어기술, 성에 제거(defrost) 기술 그리고 어큐뮬레이터(accumulator, 구동기) 및 쿠션탱크(cushion tank, 열원수 공급을 위한 예비조) 운전/단열 기술 등이 주요 핵심 기술로 구성된다.
4.1. 압축기
히트펌프의 기술 발전은 압축기의 성능 향상과 관계가 있으며, 예를 들어 최근에 개발된 외기온도 -25℃에서도 운전 가능한 공기 열원 히트펌프는 다단(2단) 압축기를 사용하고 있고, 다단 압축기는 고압력비가 우수한 스크롤 압축기와 저압력비가 우수한 로터리 압축기를 조합하여 2단으로 압축하고, 압축기 사이의 차압을 저감시켜, 성능의 개선과 신뢰성의 향상을 도모하고 있다.
히트펌프용 압축기는 모터 회전수 제어, 고속화에 따른 베어링 하중 저감, 미끄럼 접촉부의 내마모성 향상 그리고 소음 저감 등의 핵심 요소 기술로 구성된다.
4.2. 열교환기
히트펌프에는 다수의 열교환기가 사용되고 있으며, 기(gas)-액(liquid)처럼 서로 성상이 다른 작동유체에서도 효율적으로 열전달이 가능한 열교환기 사양(specification) 선정 기술이 중요하다.
특히, 히트펌프용 열교환기는 전열면적의 증가 보다는 열관류율(열전달률)의 상승을 통한 효율 향상을 꾀하고 있는 바, 평판 또는 파형(wave)의 핀(fin)과 내면의 전열면(열교환 발생 면)을 교차시킨 크로스핀형(cross fin type)이 널리 사용되고 있다.
4.3. 팽창기
팽창밸브를 이용한 냉방 사이클에서는 팽창과정 중 에너지 손실이 발생되고, 최근 산업용 히트펌프에서는 냉매의 팽창손실 저감을 위해 팽창밸브 대신 팽창기(expansion apparatus)나 이젝터(ejector)를 이용하기도 한다.
이젝터는 구동 유체의 운동 에너지를 이용하여 흡입 유체를 가압하는 기기이며, 구동 유체의운동 에너지를 흡입 유체의 가압 일로 변환시키는 에너지 변환 장치이고, 이젝터 사이클은 종래의 팽창밸브 대신 이젝터와 어큐뮬레이터 그리고 기-액 분리기를 사용하여, 디퓨저(diffuser) 출구 압력을 증발기(evaporator) 출구보다 높게 운영함으로써, 액체 냉매만을 증발기로 연속적으로 공급할 수 있는 사이클이다.
4.4. 냉매
히트펌프사이클에 사용되는 냉매의 발전과정은 자연냉매(natural refrigerants)를 포함하여, 자연냉매→CFC(Chloro Fluoro Carbon, 염화불화탄소)→HCFC(수소염화불화탄소, Hydro Chloro Fluoro Carbon)→HFC(Hydro Fluoro Carbon, 수소불화탄소,)→LGWP(Low Global Warming Potential, 친환경냉매)→자연냉매로 발전/변화되고 있으며, 최초의 합성 냉매는 1930년대 초반에 개발된 CFC계의 R11, R12이고, 그 이전에는 물, 암모니아(NH3, 독성/폭발성 보유), 이산화탄소(CO2, 고압 압축이 요구됨) 등이 사용되었다.
특히, 프레온(Freon, DuPont(미국)사의 상품명)계인 CFC는 오존층 파괴의 주범으로 밝혀져 몬트리올의정서에서 이의 사용을 규제하고 있으며, 자연냉매 중에서 현재 CO2(R744)가 가장 많이 주목을 받고 있고, 온수 공급기에 활용되어 높은 평가를 받고 있으나, 시스템 압력이 종래의 프레온계보다 훨씬 높고, 공기조화용 냉매로서 성적계수가 낮다는 문제점이 있다.
4.5. 운전 제어 시스템
대단위 산업용 그리고 폐열회수가 가능한 히트펌프로의 발전을 통해, 히트펌프 운전 제어기술도 단일 기기의 단위에서 에너지 소모량이나 주위 환경에 따른 최적화 및 양방향 운전제어 시스템으로 변화하고 있으며, 유무선에 의한 원격/무인운전/감시/보수 시스템이 구성되고 있다.
5. 히트펌프 시장 동향[6]
5.1. 세계 시장 규모
세계 히트펌프 시장은 2013년 166.8억 달러에서 연평균 9.4% 성장하여 2015년 199.6억 달러 규모로 성장하였으며, 이후에도 연평균 9.4%씩 성장하여 2020년에는 312.8억 달러의 시장 규모를 형성할 것으로 전망되고 있고, 세계시장에서 한국은 세계 6위 13%p를 점유하고 있는 등, 비교적 양호한 히트펌프 기술을 보유하고 있다[표 1.].
일본, 유럽 등 선진국은 이미 성숙단계로 시장변동이 크지 않지만 중국이나 동남아시아, 중남미 등 신흥국은 최근 경제 발전에 따라 시장 규모가 확대되고 있고, 경제발전과 함께 웰빙문화의 정착에 기인한 신선 물류시스템(cold-chain system)에 대한 시장의 요구가 증가하고 있으며, 특히, 동남아 지역에서의 요구가 지속적으로 늘어가고 있다.
또한, 최근 유럽에서 히트펌프를 신재생 에너지원으로 분류하고 있어, 공기열, 지열 그리고 수열원 등을 이용하는 효율적이고 개량적인 방법들이 각광을 받고 있다.
5.2. 국내 시장 규모
국내 히트펌프 시장은 2013년 1조 3,680억 원에서 연평균 15.8% 성장하여 2015년 1,835억 원 규모를 형성하고 있고, 이후 연평균 15.8% 성장하여 2020년에는 3조 8,360억 원 규모의 시장 형성이 전망되고 있다[표 2.].
국내 기업의 가정용 공조기(공기열원히트펌프) 산업은 대기업 중심으로 사업이 운영되고 있으며, 세계최고의 가정용 공기조화장치 생산 능력을 보유하고 있는 등, 기술적 경쟁력을 보유한 것으로 분석되며, 향후 산업용 및 친환경 히트펌프 등에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.
더불어, 정부의 에너지 절약 정책 추진 및 지자체의 보조금 지원 그리고 대형아파트 및 상/산업용 건물의 수요증가 등의 요인으로, 히트펌프 국내시장은 점차 확대될 것으로 예상되고 있다.
표 1. 세계 히트펌프 시장규모 및 전망[6]
표 2. 국내 히트펌프 시장규모 및 전망[6]
5.3. 업체 현황
공기열원히트펌프 관련 전문 제조업체는 국내/외에 약 10여 개가 있으며, 일본(점유율 60%, DAIKIN, TOSHIBA, SANYO, MITSUBISHI, HITACHI), 중국(점유율 20%, MEDIA), 한국(점유율 13%, LG전자㈜, 삼성전자㈜, 귀뚜라미㈜, LS엠트론㈜, 대성산업㈜) 등이 실질적으로 세계시장을 지배하고 있다.
6. 주안점 및 시사점
본 리포트에서는 산업용 폐열회수 히트펌프 기술 및 시장 동향에 대해 조사하였고, 2019년 현재 지구온난화 가스인 CO2의 증가로 인한 기후변화대책과 그에 따른 에너지소비 및 국제규약 제약 등에 효율적으로 대응 가능한 고효율 친환경 냉매 개발이 요구되고 있으며, 도출된 주안점 및 시사점은 다음과 같다.
6.1. 미이용 에너지 회수를 통한 에너지 효율 증가
최근에 발표된 각종 보고서에 의하면 배열 및 미이용 에너지를 활용한 히트펌프 기술의 경우, 일본, 스웨덴, 노르웨이, 프랑스, 독일, 핀란드, 이탈리아, 스위스 그리고 오스트리아 등의 순으로 세계시장을 선도하고 있는 것으로 나타났으며, 에너지 소비와 환경부하 절감의 국제적 트랜드에 따라, 히트펌프를 활용한 폐열 및 미활용 에너지원의 응용 확대 그리고 리사이클 방법이 활발하게 개발되고 있다.
6.2. 재생에너지 활용을 통한 탄소배출량 감소
히트펌프의 에너지 절감과 탄소배출 감소 효과 그리고 수요자 측면의 경제적 효과를 고려할 때, 산업용 폐열 및 미활용 에너지원을 이용한 히트펌프의 활용 분야는 더욱 넓어질 것으로 예상된다.
References
1. 중소중견기업 기술로드맵 2017~2019 에너지/환경시스템. 중소기업청, 2016.
2. 히트펌프의 최신 기술동향. 월간전기, 2013.
3. 히트펌프(기술). 한국신용정보원 TDB, 2018.
4. 공기열 히트펌프(기술). 한국신용정보원 TDB, 2018.
5. 폐열회수 히트펌프(기술). 한국신용정보원 TDB, 2018.
6. 히트펌프(시장). 한국신용정보원 TDB, 2018.
낮은 수준의 열원(heat source)으로부터 열(heat)을 취득하여 높은 수준의 열원으로 이송(pumping), 방출하는 장치인 히트펌프는 냉동기와 같은 냉각사이클(증발기에 의하여 피냉각물로부터 열을 흡수한 후 응축기를 통해 열을 방출)로 운전되나, 일반 냉동기는 냉각열만을 이용하는데 비하여, 히트펌프는 열원(피냉각물)뿐만 아니라 방출열도 이용한다는 차이(히트펌프 사이클)가 있다.
또한, 히트펌프는 대기열 또는 폐열 등 주변의 미활용 열원을 에너지로 이용하기 때문에 냉난방 효율이 높고, 미활용 되는 저온의 열(산업체 폐수, 배기, 배증기, 냉각수, 지하수, 하수 그리고 공기 등)을 고온으로 이동시키는 에너지 활용 시스템의 특성상, 탄소 배출량 절감이 가능한 냉난방 기술이다.
히트펌프 기술은 1852년 미국의 물리학자인 Load Kelvin의 아이디어인 ‘Warming Engine’으로부터 비롯되었으며, 1920년 독일의 과학자 G.Flugel에 의하여 기초이론이 정리되었고, 1921년 미국의 F. Kraus에 의하여 관련 기술이 널리 알려지게 되었다.
더불어, 1970년대 오일쇼크 당시 화석연료 소비 절감 노력에 의하여, 종래에 히트펌프가 가진 문제점을 해결하였고, 기술적으로 발전된 제품이 개발되며, 1990년대부터 가정용/상업용/산업용 냉난방 설비로 널리 사용되고 있다.
본 리포트에서는 배열 및 미이용 에너지를 활용한 산업용 폐열회수 히트펌프의 기술 현황과시장 규모 및 전망에 대해 조사하고자 한다.
2. 히트펌프의 종류[3, 4]
2.1. 압축식 히트펌프
압축식 히트펌프는 저온부 열교환기인 증발기(evaporator)와 압축기(compressor) 그리고 고온부 열교환기인 응축기(condenser)와 팽창밸브(expansion valve) 등 4개의 기본 요소와 2개(냉각, 난방)의 사이클로 구성된다.
냉각사이클의 경우, 저온저압 습증기 상태의 냉매는 증발기에서 증발하며 주변의 증발잠열을 흡수하고, 증발된 저온저압 건포화 증기상태의 냉매로 배출되며, 압축기에서 단열압축되어 고온고압 과열증기 상태로 응축기로 유입된다.
난방사이클의 경우, 응축기로 유입된 고온고압 과열증기상태의 냉매는 응축잠열을 방출시키며 고온고압 포화액상태로 팽창밸브로 유입되고, 팽창밸브를 통과하며, 등엔탈피 팽창을 하고 저온저압 습증기로 증발기에 유입된다.
2.2. 흡수식 히트펌프
흡수액의 가열에 의한 냉매의 고압 증발 프로세스를 이용한 것이며, 보통 냉매로는 물 그리고 흡수액으로는 리튬브로마이드(LiBr, Lithium Bromide)를 이용하고, 냉매(물) 증기를 흡수하여 묽어진 LiBr 수용액은 펌프에 의해 재생기로 이송된 후, 열을 가하여(버너, 폐열 등) 냉매(물)를 증발시키고 농축된 수용액은 다시 증발기에서 증기를 흡수하는 과정을 반복한다.
흡수식은 압축식보다 성적계수(COP, Coefficient Of Performance)가 낮고 사용처의 제한(냉매의 고온고압화에 필요한 에너지원이 전기 압축기가 아닌데서 발생되는 제한)이 따르는 단점이 있으나, 구동 에너지로서 전기를 사용하지 않고, 높은 수준의 열원뿐만 아니라 배열 등과 같은 낮은 수준의 열원(저압증기)으로도 구동이 가능하여, 연료전지(fuel cell) 및 열병합발전소의 구동에 널리 사용된다.
3. 히트펌프 활용 분야[5]
3.1. 폐열 회수 히트펌프
식품공장의 경우, 식품 가공/조리 공정 중 발생된 폐열(연소열, 폐증기 등)을 히트펌프 구동 열원으로 회수하고, 히트펌프로부터 생산된 온수는 공장 내부의 청소 등에 사용되며, 냉수는 야채 등의 세척에 사용된다.
주류공장의 경우, 알코올을 만드는 과정에서 발생하는 효모에 의한 발효열은 일반적으로 냉동기에 의해 냉각시키는 것이 보통이나, 폐열회수 히트펌프를 이용하면 이 열을 회수하여, 공정용수(온수) 생산이 가능하다.
목용탕, 사우나 시설의 경우, 생활수준의 향상으로 대규모 혹은 소규모의 목욕탕이나 사우나설비가 늘고 있고, 계절과 관계없이 공간의 냉난방 및 냉온수 생산이 필요한 바, 냉난방이 동시에 이루어지는 히트펌프를 적용하여 냉각과정에서 발생된 폐열을 온수 가열에 사용할 수 있다.
열병합발전소의 경우, 열병합발전에서 발생하는 고온의 배기가스로 열교환 후 생성된 온수는 지역난방에 공급하며, 냉각 부하가 큰 여름철은 온수를 흡수식 히트펌프의 열원으로 활용하여 지역냉방용 냉수로 이용한다.
3.2. 미이용 에너지 회수 히트펌프
미이용 에너지는 아직 이용되지 못하고 있는 에너지로서, 자연에너지로는 지중열, 해수열, 하천수열, 지하수열 그리고 풍력 등이 있으며, 도시/산업체 배열로는 하수열, 지하 배열, 쓰레기 처리 배열, 냉방 배열 그리고 발전설비 배열 등이 있다.
배열회수 히트펌프는 주로 산업용 시설에 도입되고 있으며, 온도가 안정적인(일정한) 수열원을 이용하는 경우가 늘고 있으며, 환경문제와 에너지 절약 대책으로 기존의 보일러나 냉동기 등의 대체 기기 또는 보조(backup) 열원설비로 사용된다.
특히, 규모가 큰 공장 중에서 냉각과 가열 공정을 동시에 가지는 식품, 음료, 제약, 반도체, 방적, 수지 성형 그리고 도금 등의 공장에서 높은 냉난방 효율을 보이고 있으며, 보조열원설비로서 히트펌프의 부하 제어기능이 중요시되고 있다.
3.3. 열원 하이브리드 히트펌프
열원의 하이브리드(hybrid)화는 미이용 에너지 회수형 히트펌프의 고성능화를 가능하게 하였으며, 유럽에서는 히트펌프와 태양열 집열기를 하이브리드화하여 부하량 및 효율을 증가시키고 있다.
또한, 히트펌프와 데시칸트(desiccant, 제습) 공조시스템의 하이브리드화를 통해, 병원이나 청정실(clean room)처럼 온도와 습도를 동시에 조절해야만 하는 데시칸트 공조시스템에서, 히트펌프 응축열을 제습기 재생에 이용하여, 데시칸트 제습기의 효율을 높이고 공조시스템의 에너지 비용을 저감할 수 있다.
4. 히트펌프 기술 동향[2, 3]
히트펌프는 압축기, 열교환기, 팽창밸브, 제어장치 그리고 냉매 등으로 구성되어 있으며, 특히,냉매 팽창 과정에서 손실되는 에너지를 회수하는 기술과 4방 밸브(냉방 또는 난방 사이클을 결정하는 밸브) 제어기술, 성에 제거(defrost) 기술 그리고 어큐뮬레이터(accumulator, 구동기) 및 쿠션탱크(cushion tank, 열원수 공급을 위한 예비조) 운전/단열 기술 등이 주요 핵심 기술로 구성된다.
4.1. 압축기
히트펌프의 기술 발전은 압축기의 성능 향상과 관계가 있으며, 예를 들어 최근에 개발된 외기온도 -25℃에서도 운전 가능한 공기 열원 히트펌프는 다단(2단) 압축기를 사용하고 있고, 다단 압축기는 고압력비가 우수한 스크롤 압축기와 저압력비가 우수한 로터리 압축기를 조합하여 2단으로 압축하고, 압축기 사이의 차압을 저감시켜, 성능의 개선과 신뢰성의 향상을 도모하고 있다.
히트펌프용 압축기는 모터 회전수 제어, 고속화에 따른 베어링 하중 저감, 미끄럼 접촉부의 내마모성 향상 그리고 소음 저감 등의 핵심 요소 기술로 구성된다.
4.2. 열교환기
히트펌프에는 다수의 열교환기가 사용되고 있으며, 기(gas)-액(liquid)처럼 서로 성상이 다른 작동유체에서도 효율적으로 열전달이 가능한 열교환기 사양(specification) 선정 기술이 중요하다.
특히, 히트펌프용 열교환기는 전열면적의 증가 보다는 열관류율(열전달률)의 상승을 통한 효율 향상을 꾀하고 있는 바, 평판 또는 파형(wave)의 핀(fin)과 내면의 전열면(열교환 발생 면)을 교차시킨 크로스핀형(cross fin type)이 널리 사용되고 있다.
4.3. 팽창기
팽창밸브를 이용한 냉방 사이클에서는 팽창과정 중 에너지 손실이 발생되고, 최근 산업용 히트펌프에서는 냉매의 팽창손실 저감을 위해 팽창밸브 대신 팽창기(expansion apparatus)나 이젝터(ejector)를 이용하기도 한다.
이젝터는 구동 유체의 운동 에너지를 이용하여 흡입 유체를 가압하는 기기이며, 구동 유체의운동 에너지를 흡입 유체의 가압 일로 변환시키는 에너지 변환 장치이고, 이젝터 사이클은 종래의 팽창밸브 대신 이젝터와 어큐뮬레이터 그리고 기-액 분리기를 사용하여, 디퓨저(diffuser) 출구 압력을 증발기(evaporator) 출구보다 높게 운영함으로써, 액체 냉매만을 증발기로 연속적으로 공급할 수 있는 사이클이다.
4.4. 냉매
히트펌프사이클에 사용되는 냉매의 발전과정은 자연냉매(natural refrigerants)를 포함하여, 자연냉매→CFC(Chloro Fluoro Carbon, 염화불화탄소)→HCFC(수소염화불화탄소, Hydro Chloro Fluoro Carbon)→HFC(Hydro Fluoro Carbon, 수소불화탄소,)→LGWP(Low Global Warming Potential, 친환경냉매)→자연냉매로 발전/변화되고 있으며, 최초의 합성 냉매는 1930년대 초반에 개발된 CFC계의 R11, R12이고, 그 이전에는 물, 암모니아(NH3, 독성/폭발성 보유), 이산화탄소(CO2, 고압 압축이 요구됨) 등이 사용되었다.
특히, 프레온(Freon, DuPont(미국)사의 상품명)계인 CFC는 오존층 파괴의 주범으로 밝혀져 몬트리올의정서에서 이의 사용을 규제하고 있으며, 자연냉매 중에서 현재 CO2(R744)가 가장 많이 주목을 받고 있고, 온수 공급기에 활용되어 높은 평가를 받고 있으나, 시스템 압력이 종래의 프레온계보다 훨씬 높고, 공기조화용 냉매로서 성적계수가 낮다는 문제점이 있다.
4.5. 운전 제어 시스템
대단위 산업용 그리고 폐열회수가 가능한 히트펌프로의 발전을 통해, 히트펌프 운전 제어기술도 단일 기기의 단위에서 에너지 소모량이나 주위 환경에 따른 최적화 및 양방향 운전제어 시스템으로 변화하고 있으며, 유무선에 의한 원격/무인운전/감시/보수 시스템이 구성되고 있다.
5. 히트펌프 시장 동향[6]
5.1. 세계 시장 규모
세계 히트펌프 시장은 2013년 166.8억 달러에서 연평균 9.4% 성장하여 2015년 199.6억 달러 규모로 성장하였으며, 이후에도 연평균 9.4%씩 성장하여 2020년에는 312.8억 달러의 시장 규모를 형성할 것으로 전망되고 있고, 세계시장에서 한국은 세계 6위 13%p를 점유하고 있는 등, 비교적 양호한 히트펌프 기술을 보유하고 있다[표 1.].
일본, 유럽 등 선진국은 이미 성숙단계로 시장변동이 크지 않지만 중국이나 동남아시아, 중남미 등 신흥국은 최근 경제 발전에 따라 시장 규모가 확대되고 있고, 경제발전과 함께 웰빙문화의 정착에 기인한 신선 물류시스템(cold-chain system)에 대한 시장의 요구가 증가하고 있으며, 특히, 동남아 지역에서의 요구가 지속적으로 늘어가고 있다.
또한, 최근 유럽에서 히트펌프를 신재생 에너지원으로 분류하고 있어, 공기열, 지열 그리고 수열원 등을 이용하는 효율적이고 개량적인 방법들이 각광을 받고 있다.
5.2. 국내 시장 규모
국내 히트펌프 시장은 2013년 1조 3,680억 원에서 연평균 15.8% 성장하여 2015년 1,835억 원 규모를 형성하고 있고, 이후 연평균 15.8% 성장하여 2020년에는 3조 8,360억 원 규모의 시장 형성이 전망되고 있다[표 2.].
국내 기업의 가정용 공조기(공기열원히트펌프) 산업은 대기업 중심으로 사업이 운영되고 있으며, 세계최고의 가정용 공기조화장치 생산 능력을 보유하고 있는 등, 기술적 경쟁력을 보유한 것으로 분석되며, 향후 산업용 및 친환경 히트펌프 등에 대한 기술 개발이 요구되고 있다.
더불어, 정부의 에너지 절약 정책 추진 및 지자체의 보조금 지원 그리고 대형아파트 및 상/산업용 건물의 수요증가 등의 요인으로, 히트펌프 국내시장은 점차 확대될 것으로 예상되고 있다.
표 1. 세계 히트펌프 시장규모 및 전망[6]
| 구분 | 2013년 | 2014년 | 2015년 | 2016년(E) | 2017년(E) | 2018년(E) | 2019년(E) | 2020년(E) |
| 시장규모 (억 달러) |
166.8 | 182.0 | 199.6 | 218.4 | 238.9 | 261.3 | 286.9 | 312.8 |
| 성장률 (%) |
- | 9.1 | 9.7 | 9.4 | 9.4 | 9.4 | 9.4 | 9.4 |
표 2. 국내 히트펌프 시장규모 및 전망[6]
| 구분 | 2013년 | 2014년 | 2015년 | 2016년(E) | 2017년(E) | 2018년(E) | 2019년(E) | 2020년(E) |
| 시장규모 (십억 원) |
1,368 | 1,585 | 1,835 | 2,127 | 2,465 | 2,856 | 3,310 | 3,836 |
| 성장률 (%) |
- | 15.9 | 15.8 | 15.9 | 15.9 | 15.9 | 15.9 | 15.9 |
5.3. 업체 현황
공기열원히트펌프 관련 전문 제조업체는 국내/외에 약 10여 개가 있으며, 일본(점유율 60%, DAIKIN, TOSHIBA, SANYO, MITSUBISHI, HITACHI), 중국(점유율 20%, MEDIA), 한국(점유율 13%, LG전자㈜, 삼성전자㈜, 귀뚜라미㈜, LS엠트론㈜, 대성산업㈜) 등이 실질적으로 세계시장을 지배하고 있다.
6. 주안점 및 시사점
본 리포트에서는 산업용 폐열회수 히트펌프 기술 및 시장 동향에 대해 조사하였고, 2019년 현재 지구온난화 가스인 CO2의 증가로 인한 기후변화대책과 그에 따른 에너지소비 및 국제규약 제약 등에 효율적으로 대응 가능한 고효율 친환경 냉매 개발이 요구되고 있으며, 도출된 주안점 및 시사점은 다음과 같다.
6.1. 미이용 에너지 회수를 통한 에너지 효율 증가
최근에 발표된 각종 보고서에 의하면 배열 및 미이용 에너지를 활용한 히트펌프 기술의 경우, 일본, 스웨덴, 노르웨이, 프랑스, 독일, 핀란드, 이탈리아, 스위스 그리고 오스트리아 등의 순으로 세계시장을 선도하고 있는 것으로 나타났으며, 에너지 소비와 환경부하 절감의 국제적 트랜드에 따라, 히트펌프를 활용한 폐열 및 미활용 에너지원의 응용 확대 그리고 리사이클 방법이 활발하게 개발되고 있다.
6.2. 재생에너지 활용을 통한 탄소배출량 감소
히트펌프의 에너지 절감과 탄소배출 감소 효과 그리고 수요자 측면의 경제적 효과를 고려할 때, 산업용 폐열 및 미활용 에너지원을 이용한 히트펌프의 활용 분야는 더욱 넓어질 것으로 예상된다.
References
1. 중소중견기업 기술로드맵 2017~2019 에너지/환경시스템. 중소기업청, 2016.
2. 히트펌프의 최신 기술동향. 월간전기, 2013.
3. 히트펌프(기술). 한국신용정보원 TDB, 2018.
4. 공기열 히트펌프(기술). 한국신용정보원 TDB, 2018.
5. 폐열회수 히트펌프(기술). 한국신용정보원 TDB, 2018.
6. 히트펌프(시장). 한국신용정보원 TDB, 2018.