뉴 테크놀로지] 광역상수도 原水 활용한 냉난방
물은 여름에는 대기(공기)보다 5℃ 정도 차갑고 겨울에는 10℃가량 따뜻하다. 이 같은 물과 대기의 온도 차(差)를 활용하면 여름에는 물로 실내를 식힐 수 있고, 겨울에는 따뜻하게 할 수 있다. 이를 '수열 에너지 냉난방'이라고 한다.
열의 흐름으로 보면, 냉방 시에는 건물 내 열을 물로 방출해 실내 온도를 낮추고 난방 시에는 물로부터 열을 취득해 실내를 덥히는 방식이다. 이 같은 수열 냉난방은 열을 얻을 때 연료를 연소하지 않아도 돼 친환경 기술로 각광받고 있다.
한국수자원공사 에너지처 정성엽 차장은 "수열 냉난방은 온실가스 배출량을 감축할 수 있고 여름철 더운 바람을 내뿜는 실외기로 인한 도심 열섬 현상도 방지할 수 있다"며 "전기·화석연료 대비 냉난방 비용을 20~50%까지 절감할 수 있어 경제적이기도 하다"고 말했다.
原水 하루 5만t 빌딩 옆 지하 통과
열교환기·히트펌프 거치면서
건물 전체 냉난방 20% 담당
친환경적인 수열 냉난방
에너지 비용 최대 50% 줄이고
실외기 없어 열섬현상 방지도
팔당댐 원수(原水) 이용해 제2롯데월드 냉난방
수열 에너지 공급원은 바닷물·하천수·하수·댐 저장수·발전소 냉각수 등으로 무궁무진하다. 전력 수요가 많은 도심에서는 지하 3~5m 아래 매설된 광역 상수도 관로 내 원수(原水·약품 처리 하지 않은 물)가 활용된다. 서울 송파구 제2롯데월드가 대표적인 사례다. 제2롯데월드에서는 2014년 11월부터 국내 최대 규모 수열 냉난방 시스템이 가동 중이다.
수자원공사는 제2롯데월드 운영사인 롯데물산과 협약을 맺고 팔당댐에서 흘러오는 수도권 광역 상수관로 내 원수(하루 120만t) 중 5만t가량을 송파대로 밑 수로관으로 돌려 통과하도록 했다.
이 원수는 롯데월드몰 지하6층 에너지센터에서 지름 80㎝ 수로관을 통해 유입되고 열교환기·히트펌프 등의 설비를 거친다. 이 과정을 통해 3000RT(냉동톤)의 냉난방 용량이 생성된다. 이는 물 전체 냉·난방 부하의 약10~20%에 해당한다. 수열 에너지만으로 롯데월드몰을 약 2시간 냉난방할 수 있는 정도다. 실내의 열을 빼앗거나 덧붙이는 역할을 하는 핵심 장치는 '히트펌프'다.
냉방 작동 시 1)히트펌프 압축기에서 기체 상태 냉매가 고온·고압 상태로 압축되고 2)이것이 응축기를 지나면서 액체로 변한다. 기체가 액체로 변할 때 열을 방출하는데, 원수관로에서 흘러온 물은 이 열을 흡수해 따뜻해져 되돌아간다. 원수가 냉각수 역할을 하는 것이다.
3) 열을 빼앗긴 액체 상태 냉매는 팽창 밸브를 지나면서 온도와 압력이 떨어진다. 이후 증발기를 거치면서 냉매가 증발(기화)하고 이 과정에서 주위 열을 흡수하기 때문에 주변이 냉각된다. 순환 방향이 바뀌면 난방이 작동하게 된다.
수축열 시스템… 야간에 냉온열 생산·저장했다 주간 냉난방 사용
롯데월드몰에서는 여기에 수축열(水蓄熱) 시스템을 더했다. 심야 전력으로 히트펌프를 가동시켜 얻은 냉온열을 일종의 물 저장탱크인 축열조(9300㎥)에 저장했다가 주간 냉난방에 사용한다. 김재현 롯데물산 책임은 "수열 냉난방으로 연간 7억원 정도를 절약하고 있다"고 말했다.
한국수자원공사는 제2롯데월드 외에도 2006년부터 주암댐 발전동·밀양댐 관리동 등 총 12곳의 자사 사업장에 소규모로 수열 낸난방을 적용해 가동하고 있다. 소양강댐 물을 이용해 네이버 춘천 인터넷데이터센터(IDC) 서버에서 발생하는 열을 식히는 방안도 검토 중이다. 김영일 한국수자원공사 에너지처 팀장은 "미국, 유럽, 일본 등 해외에서는 오래전부터 다양한 수자원을 농업, 교육시설, 도시 차원의 냉난방 에너지원으로 활용하고 있다"며 "국내에서도 다양한 산업분야에서 수열 냉난방을 적극 도입할 필요가 있다"고 말했다.
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수자원공사는 제2롯데월드 운영사인 롯데물산과 협약을 맺고 팔당댐에서 흘러오는 수도권 광역 상수관로 내 원수(하루 120만t) 중 5만t가량을 송파대로 밑 수로관으로 돌려 통과하도록 했다. 이 원수는 롯데월드몰 지하6층 에너지센터에서 지름 80㎝ 수로관을 통해 유입되고 열교환기·히트펌프 등의 설비를 거친다. 이 과정을 통해 3000RT(냉동톤)의 냉난방 용량이 생성된다. 이는 물 전체 냉·난방 부하의 약10~20%에 해당한다. 수열 에너지만으로 롯데월드몰을 약 2시간 냉난방할 수 있는 정도다.
<수열에너지 냉난방 원리, 실내의 열을 빼앗거나 덧붙이는 역할을 하는 핵심 장치는 '히트펌프'> 열의 흐름으로 보면, 냉방 시에는 건물 내 열을 물로 방출해 실내 온도를 낮추고 난방 시에는 물로부터 열을 취득해 실내를 덥히는 방식이다. 이 같은 수열 냉난방은 열을 얻을 때 연료를 연소하지 않아도 돼 친환경 기술로 각광받고 있다. 수열(水熱)에너지는 여름철 대기 온도보다 낮은 물의 온도를 냉방에 활용하고 겨울에는 대기 온도보다 높은 물의 온도를 난방에 활용해 화석연료를 사용할 때보다 약 20~50%의 비용을 절감할 수 있는 장점이 있으며, 댐과 하천, 호수 등 다양한 용수를 활용한 신재생에너지 산업 창출로 이어질 수 있다. K-water가 관리하는 소양강댐의 물(연평균수온 7~8℃)을 춘천시의 냉·난방에 활용하면 여름철 냉방용 전력 에너지 절약은 물론, 온실가스를 줄일 수 있고 냉방기기 사용으로 인한 도심 열섬현상을 완화 할 수 있다. 또 겨울에는 IT기업의 IDC(인터넷데이터센터) 설비 등의 열을 식힌 후에 배출되는 뜨거운 물을 가정에 공급해 급탕비용 절감을 기대할 수 있다. IDC (Internet Data Center)는 인터넷에 연결되는 서버 등 네트워크 장비를 한곳에 모아 관리하는 시설로 많은 전력을 소비하며 항시 열이 발생해 냉각 설비가 반드시 필요하다. K-water는 2006년 주암댐 관리사무소를 시작으로, 전국 12개 사업장에서 수열에너지를 활용해 623RT(약 2,180kW, 연간 567MWh 절감, 133가구분)을 운영 중이며, 지난 2014년 제2롯데월드에도 수열에너지를 개발하여 현재는 전체 냉난방 부하의 10%를 담당하고 있다. 또한, 올해 개발예정인 강원도 횡성군의 송전정수장 등에도 수열에너지를 적용해 지속적인 에너지 절감과 온실가스 감축에 노력할 계획이다. 최계운 K-water 사장은 "앞으로 춘천이 소양강댐의 수열에너지 및 수도권과의 높은 접근성을 바탕으로 세계적인 친환경 IDC 도시로 자리매김할 것으로 기대하며, K-water는 수열에너지를 비롯한 물을 이용한 신재생에너지 활성화를 위해 노력하겠다"고 말했다. 한국수자원공사 에너지처 정성엽 차장은 "수열 냉난방은 온실가스 배출량을 감축할 수 있고 여름철 더운 바람을 내뿜는 실외기로 인한 도심 열섬 현상도 방지할 수 있다"며 "전기·화석연료 대비 냉난방 비용을 20~50%까지 절감할 수 있어 경제적이기도 하다"고 말했다. 수열 에너지 공급원은 바닷물·하천수·하수·댐 저장수·발전소 냉각수 등으로 무궁무진하다. 전력 수요가 많은 도심에서는 지하 3~5m 아래 매설된 광역 상수도 관로 내 원수(原水·약품 처리 하지 않은 물)가 활용된다. 서울 송파구 제2롯데월드가 대표적인 사례다. 냉방 작동 시 히트펌프 압축기에서 기체 상태 냉매가 고온·고압 상태로 압축되고 이것이 응축기를 지나면서 액체로 변한다. 기체가 액체로 변할 때 열을 방출하는데, 원수관로에서 흘러온 물은 이 열을 흡수해 따뜻해져 되돌아간다. 원수가 냉각수 역할을 하는 것이다. 열을 빼앗긴 액체 상태 냉매는 팽창 밸브를 지나면서 온도와 압력이 떨어진다. 이후 증발기를 거치면서 냉매가 증발(기화)하고 이 과정에서 주위 열을 흡수하기 때문에 주변이 냉각된다. 순환 방향이 바뀌면 난방이 작동하게 된다.
<상수도 관로 원수를 이용하는 경우> 롯데월드몰에서는 여기에 수축열(水蓄熱) 시스템을 더했다. 심야 전력으로 히트펌프를 가동시켜 얻은 냉온열을 일종의 물 저장탱크인 축열조(9300㎥)에 저장했다가 주간 냉난방에 사용한다. 김재현 롯데물산 책임은 "수열 냉난방으로 연간 7억원 정도를 절약하고 있다"고 말했다. 한국수자원공사는 제2롯데월드 외에도 2006년부터 주암댐 발전동·밀양댐 관리동 등 총 12곳의 자사 사업장에 소규모로 수열 낸난방을 적용해 가동하고 있다. 소양강댐 물을 이용해 네이버 춘천 인터넷데이터센터(IDC) 서버에서 발생하는 열을 식히는 방안도 검토 중이다. 김영일 한국수자원공사 에너지처 팀장은 "미국, 유럽, 일본 등 해외에서는 오래전부터 다양한 수자원을 농업, 교육시설, 도시 차원의 냉난방 에너지원으로 활용하고 있다"며 "국내에서도 다양한 산업분야에서 수열 냉난방을 적극 도입할 필요가 있다"고 말했다.
K-water, 물에서 얻는‘수열에너지’활용방안 마련에 나서 - 물 온도 차를 이용한 방식으로 댐용수를 활용한 신산업 창출 효과 기대 □ 수열(水熱)에너지는 ▲여름철 대기 온도보다 낮은 물의 온도를 냉방에 활용하고 ▲겨울에는 대기 온도보다 높은 물의 온도를 난방에 활용하여▲화석연료를 사용할 때보다 약 20~50%의 비용을 절감할 수 있는 장점이 있으며, ▲댐과 하천, 호수 등 다양한 용수를 활용한 신재생에너지 산업 창출로 이어질 수 있다. □ K-water가 관리하는 소양강댐의 물(연평균수온 7~8℃)을 춘천시의 냉·난방에 활용하면 ◦ 여름철 냉방용 전력 에너지 절약은 물론, 온실가스를 줄일 수 있고 냉방기기 사용으로 인한 도심 열섬현상을 완화 할 수 있으며, ◦ 겨울에는 IT기업의 IDC(인터넷데이터센터)* 설비 등의 열을 식힌 후에 배출되는 뜨거운 물을 가정에 공급하여 급탕비용 절감을 기대할 수 있다. * IDC (Internet Data Center)는 인터넷에 연결되는 서버 등 네트워크 장비를 한곳에 모아 관리하는 시설로 많은 전력을 소비하며 항시 열이 발생하여 냉각 설비가 반드시 필요
◦ ‘수열에너지 현황과 활성화 방안’, ’수열에너지 적용사례 및 효과분석‘, ’IDC의 세계적 추세 및 수열에너지 적용방안‘ 등 에너지 분야 전문가주제발표에 이어, ◦ 공공기관, 학계, 언론, 연구기관 등 이해당사자들의 종합토론 순서로 진행된다. □ 또한, 올해 개발예정인 강원도 횡성군의 송전정수장 등에도 수열에너지를 적용하여 지속적인 에너지 절감과 온실가스 감축에 노력할 계획이다. □ 최계운 K-water 사장은 “앞으로 춘천이 소양강댐의 수열에너지 및 수도권과의 높은 접근성을 바탕으로 세계적인 친환경 IDC 도시로 자리매김할 것으로 기대하며, K-water는 수열에너지를 비롯한 물을 이용한 신재생에너지 활성화를 위해 노력하겠다.”고 말했다.
붙임 1 토론회 개최계획
1.
□ 소양강댐의 29억톤 “물”그 동안 용수공급과 수력발전 위주로 활용 했으나, 新 기후체제 출범 이후 수자원의 스마트한 활용(수열-냉난방, 수면-수상태양광)이 절대적인 시점 □ 춘천은 IDC의 적지(평균기온, 황사, 지진 등)로 많은 IDC기업 춘천유치 타진 중, 높은 신뢰성(2중화) 요구에 꼭 필요한 전력(수상태양광) 및 냉방(수열)을 소양강댐 수자원을 활용해 기초 인프라가 구축 된 단지조성으로 연관 기업유치 및 지역 경제발전 견인
□ 일 시 : 2016. 4. 26(화) 14:30~16:30 3.
4.
5.
□ 좌 장 : 김기택 (강원대학교 전기전자공학부/교수) 붙임 2. K-water 수열에너지 온도차냉난방 개발사업
◦ 물과 대기의 온도차를 이용하여 냉방시 건물 내의 열을 물로 방출하고,
◦ (히트펌프) 광역원수가 보유한 열에너지를 히트펌프의 열원으로 1차 회수하고, 전기에너지 사용해 냉․온열을 생산함으로써 투입된 에너지 보다 큰 열에너지를 생산하는 설비
[출처] K-water 수열 냉난방 시스템|작성자 MOT Consultant |
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히트펌프 개요
열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질이 있는데, 히트펌프는 반대로 낮은 온도에서 높은 온도로 열을 끌어 올린다 하여 붙여진 이름이다. 처음에는 냉장고·냉동고·에어컨과 같이 압축된 냉매를 증발시켜 주위의 열을 빼앗는 용도로 개발되었다. 그러나 지금은 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원(熱源)을 고온으로 전달하는 냉방장치, 고온의 열원을 저온으로 전달하는 난방장치, 냉난방 겸용장치를 포괄하는 의미로 쓰인다.
구동 방식에 따라 전기식과 엔진식, 열원에 따라 공기열원식·수열원식(폐열원식)·지열원식 등으로 구분된다. 또 열 공급방식에 따라 온풍식·냉풍식과 온수식·냉수식, 펌프의 이용 범위에 따라 난방·냉방·제습 및 냉난방 겸용 등으로 분류된다.
구조는 압축기·증발기·응축기·팽창밸브 등으로 이루어져 있다. 작동원리는 난방용의 경우, 압축기에서 고온·고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥 쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하도록 구성되어 있다. 냉방용은 이와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어 응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환됨으로써 냉방을 하고자 하는 대상 지점을 차갑게 만들도록 시스템이 구성되어 있다.
현재 대부분의 히트펌프는 냉방과 난방을 겸용하는 구조로 되어 있다. 보통 공기열원식은 외부 온도가 5℃ 이하가 되면 성능이 떨어지고, 기계적 손상도 발생해 작동이 원활하지 않게 되는 단점이 있다. 반면 수열원식이나 지열원식은 혹한 지역에서도 지속적으로 열을 공급할 수 있고, 에너지 효율도 높아 공기열원식을 대체하는 새로운 히트펌프로 주목받고 있다.