[공학저널 김하늬 기자] 고갈되는 에너지와 환경 문제에 대응하기 위한 방안으로 신재생에너지가 각광받고 있다. 그 중 수열에너지는 3면이 바다인 국내 실정에 맞는 에너지원으로서 다양한 분야로의 활용이 가능 할 것으로 전망되고 있다.
또한 데이터센터(IDC)와 같이 4계절 냉각이 필요한 건물에서 주변의 하천, 호수, 바다 등을 활용 할 수 있다면 에너지 비용을 더욱 절감할 수 있을 것으로 보인다.
이러한 수열에너지와 지열에너지 등 신재생에너지의 효율 증대와 사용 확대에 큰 기여를 할 수 있는 ‘히트펌프’ 기술에 대한 중요성이 강조되고 있다.
수열에너지와 히트펌프 기술에 대한 관심이 높아지면서 정부에서는 다양한 연구 과제를 통해 기술 개발에 앞장서고 있다. 그 중 ‘수열 냉·난방 및 재생열 하이브리드 시스템 기술 개발 및 실증’ 과제에서는 히트펌프에 대한 연구를 수행하고 있다. 수자원공사 주관 국책과제로 다양한 연구기관과 협업을 통해 전체 시스템을 구축하고 있으며 LG전자㈜ 에어솔루션연구소는 그 중 히트펌프를 개발을 맡았다.
이번 과제에서는 팔당댐에서 물을 취수해 정수장으로 이동하기 전까지 물을 이용해 건물을 냉· 난방 할 수 있는 히트펌프에 대한 연구를 진행 중이다.
히트펌프는 다양한 열원(공기열, 수열, 지열 등)과 미활용 에너지 열원(하천수, 하수처리수, 폐수열원 등)을 냉난방·급탕, 공정용의 고급 에너지로 변환할 수 있는 대표적인 친환경 에너지기기로 손꼽힌다.
히트펌프는 물의 열을 이용해 냉매를 증발·응축하는 열교환기와 냉매를 압축하는 압축기, 고압의 응축된 냉매를 팽창시켜 압력과 온도를 떨어뜨리는 팽창 장치로 구성돼 있다.
LG전자 에어솔루션연구소는 현재 열교환 효율은 높이면서, 냉매 사용을 최소화 할 수 있는 적하식 구조의 열교환기를 개발하고 있으며, 압축기는 많은 양의 냉매를 빠르게 압축하기 위해 원심식 압축기를 적용·개발하고 있다.
난방을 위해서는 겨울철 2~3도까지 떨어지는 수열원에서 열을 펌핑해 최소 40도, 일반적으로 45도 이상의 온수를 공급해야 한다. 이를 위해 기존의 냉방 전용 칠러보다 높은 양정의 압축기가 필요하다. 이에 연구소는 고효율 다단 원심압축 기술을 활용해 이를 구현하고 있다.
원심 압축기는 유체를 압축하는 임펠러와 이를 회전 시켜주는 회전체/모터로 구성된다. 임펠러는 압력비의 압축 효율을 결정하고, 회전체는 임펠러의 회전 안전성을 결정하게 된다.
특히 기기를 개발하는데 있어 윤활을 위해 오일을 사용하게 되면 부분적인 친환경이 될 수밖에 없지만 LG전자 에어솔루션연구소에서는 오일을 사용하지 않는다는 점에서 진정한 친환경 기술을 개발하고 있는 것으로 알려져 있다.
이에 연구소는 오일 대신 전자석의 원리를 이용해 회전체를 공중에 띄운 후 베어링 마찰을 줄여, 소음·효율을 높이는 자기베어링 기술(Levitech)을 개발 중이다.
이와 함께 친환경 냉매이기는 하지만 여전히 많은 냉매를 사용하는 것은 환경에 부담을 줄 수 있기 때문에, 냉매 사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 적하식(falling film type) 열교환기에 대한 연구도 진행하고 있다.
LG전자 에어솔루션연구소 김규영 연구원(사진)은 “LG전자에서는 세계 기후 변화 대응에 발 맞춰 친환경 냉매로의 냉난방 기기의 전환을 진행하고 있다”며 “수열원을 활용하는 냉난방 기술이 저탄소를 지향하는 시장 흐름에 맞다고 생각해 보유한 기술들을 이용해 냉/난방 수절환 500RT급 수열 히트펌프를 개발하고 있다”고 설명했다.
LG전자 에어솔루션연구소는 이러한 기술들을 기반으로 다양한 응용 제품에 대한 연구도 함께 진행하고 있다.
가정용 에어컨에서부터 가게·중소형 건물에서 사용하는 멀티V와 같은 상업용 에어컨, 공장 또는 대형 건물의 중앙 공조용으로 사용하는 산업용 냉동기 제품 개발에 대한 선행연구를 진행하고 있으며, 가정에서 친숙한 공기 청정기와 관련된 선행연구와 원격으로 가전제품의 상태를 모니터링하고, 제어하는 ThinkQ와 관련된 개발도 수행 중이다.
현재 연구소는 수열 히트펌프의 경우 ‘대형 건물’의 냉난방을 위한 중앙 공조를 목적으로 개발하고 있다. 건물의 냉난방 관점에서 수열에너지는 다양한 장점을 가지고 있기 때문이다. 냉방에 사용할 경우 기존 공기로 열을 배출하는 것보다 더 낮은 온도의 물로 열을 버릴 수 있어 냉방기기의 효율을 10% 이상 개선할 수 있을 것으로 보인다.
또한 난방으로 사용 시 기존의 보일러를 대체 할 수 있을 것이라는 게 김 연구원의 생각이다. 기존에는 냉방을 위한 칠러와 난방을 위한 보일러 2개가 필요했다면, 이제는 수열원을 이용하는 히트펌프 1개의 기기를 통해 냉/난방 칠러와 보일러의 역할을 모두 수행할 수 있게 되는 것이다. 탄소 발생량 감소 효과 또한 있어 향후 수열에너지원의 수요는 더욱 늘어날 전망이다.
김 연구원은 “특히 낮은 GWP를 가지는 친환경 냉매로의 변경 추세에 발맞춰 친환경 냉매(R1233zd)를 사용하는 수냉식 칠러와 화석연료를 사용하는 보일러를 대체 할 수 있는 히트펌프와 같은 신재생에너지 제품에 대한 선행 개발에 앞장서고 있다”며 “수열에너지의 다양한 활용 범위를 찾고, 고객의 필요에 맞는 제품 개발을 위해 더욱 노력할 것”이라고 전했다.
