그동안 외국 기술의 전유물로 여겨졌던 친환경 대형 수열히트펌프 기술이 국내 연구진을 통해 개발, 현장 적용까지 완벽하게 실현해 눈길을 끌고 있다.

최근에는 서울시 성동구 성수동에 마련 중인 ‘K-Project’ 건물 적용을 목표로 개발 기술 고도화 연구를 추진하고 있어 귀추가 주목된다. 

500RT급 하천수 하이브리드 냉·난방시스템 성능평가 체계 구축 목표

서울 성수동에 ‘K-Project’ 건물에 국산 냉난방 시스템 구축 ‘큰 의미’

수열에너지는 물이 갖고 있는 온도 차를 활용해 냉난방 또는 온수 생산에 사용하는 재생에너지로, 열 생산 방식이 아닌 열을 이동시키는 방식이다. 

물은 비열이 커서 열을 많이 저장할 수 있고, 연중 수온 변화가 비교적 작아 안정적인 에너지원으로, 온실가스 감축, 에너지 사용료 절감 효과가 입증된 바 있다. 

유럽을 비롯한 일본 등 해외에서는 지난 1990년대부터 다양한 수열원을 활용해 수열에너지 개발에 나서고 있는 반면, 국내의 경우 재생열 사업에 대한 관심도가 높지만,
관련 기술과 평가기준, 적용사례가 마련돼 있지 않아 기업들이 자체 기술 개발에 어려움을 겪고 있는 것으로 알려져 있다. 

또한, 하천수 열원 대형 히트펌프 시장은 수입제품이 시장 잠식 중으로 국내 기술자립은 물론 설치 인증 기준 구축도 시급한 실정이다.

이에 기후에너지환경부의 지원 아래 지난 2020년 10월부터 2023년 말까지 한국수자원공사를 중심으로 ‘수열 냉·난방 및 재생열 하이브리드 시스템 기술 개발·실증’ 과제가 진행됐다. 

이 과제에서는 수열 대표 사이트 구축 및 대용량 히트펌프 국산화라는 큰 이정표가 세워졌고, 기술표준, 인증 및 설치, 시공기준 제정 등의 성과를 도출했다. 

한편, 수자원공사는 지난 2014년 롯데월드타워에 국내 최초 수열에너지를 공급한 이후 기후에너지환경부의 수열에너지 보급·지원 정책에 발맞춰 무역센터 등 대형건축물로 보급을 확대해 오고 있다. 

향후 소양강댐 심층수를 활용한 데이터센터 전용 수열 클러스터 조성을 포함해 오는 2030년까지 수열에너지 공급을 28만 4천 RT 규모로 확대할 계획이다.

연구내용

이 과제는 500RT급 하천수 하이브리드 냉·난방시스템 기술 개발과 함께 실증 완료, 성능분석, 성능평가 체계 구축 등을 목표로 진행됐다. 

그동안 하천수 수열 냉난방시스템 유지관리 기술 개발 연구를 비롯해 하천수 수열 난방시스템 실증 및 냉·난방시스템 데이터 취득, 대용량 히트펌프 기술표준을 위한 인증 설비 구축 등의 연구가 이뤄졌다. 

이 같은 연구를 통해 도출된 성과 중 가장 눈여겨 볼 점은 수열시스템 핵심설비들의 국산화다. 이 같은 국산화는 수열 산업 기반 확대와 국내 기술력 확보에 크게 기여했다는 평가다. 

실제로 연구진은 국내 기술력을 기반으로 500RT급(1.75㎿) 친환경 냉매 적용 대형 수열 히트펌프를 개발하고, 공개 성능시험을 실시했다. 

시험 결과, 압축기 성능 개선을 통해 COP 5.45 달성, 냉난방 용량 503.8RT를 달성하는 성과를 도출했다. 

또한, R-1233zd 친환경 냉매 특성을 고려한 500RT급 터보 히트펌프 기술 역시 국산화에 성공했다. 

이 같은 핵심기술 개발 이후 연구진은 하천수 수열시스템의 실증 사이트 구축 및 시운전 검증을 위해 수자원공사 한강유역본부 사옥에 수열냉난방 시스템을 구축하고, 성능검증을 추진, 현재 성공적으로 운영되고 있다. 

이 과정에서 연구진은 수열 하이브리드 시스템을 설계·구축하고, 개발된 고효율 압축기와 히트펌프를 적용했다. 

이후 전체 시스템 고효율 운전을 위한 펌프 선정 및 설계를 적용하는 한편, 수열 냉난방 실증 설비 냉방 운전 성능시험과 데이터 취득 연구를 진행했다. 1,000RT급 대용량 수열원 히트펌프 유닛 성능평가 시험설비 설계·구축도 이뤄졌다. 

한편, 연구진은 기후에너지환경부와 한국환경산업기술원의 지원 아래 한국에너지기술연구원을 중심으로 지난 4월부터 진행 중인 ‘대규모 중앙집중형 수열 실증플랜트 기술 개발’ 과제에 참여하며 기술 고도화에 나서고 있다. 

특히, 서울시 성동구 성수동에 지어지는 K-Project 건물에 적용할 대규모 수열시스템 실증플랜트 설계·구축 기술 개발 연구와 함께 수자원공사 한강유역본부 사옥을 대상으로 동절기 효율 향상 및 AI 활용 최적 운전제어 기술 개발 연구가 중점적으로 진행되고 있다. 

1·2단계로 나눠 진행되는 이번 과제는 1단계에서 취수시스템 안정성과 수열 영향평가, 성능지표 개발에 관한 기반 기술을 확보하고, K-Project 신축 건물을 대상으로 실증플랜트 설계·시공을 추진한다.

2단계 연구에서는 에너지믹스 및 AI 최적제어 운전 시스템 적용 실증 운전, 수질오염 방지 기술 적용 및 수질-수온 모니터링 연구를 수행할 예정이다.

한편, 수자원공사에서는 이번 과제 중 열원 공급시스템 분석, 관로 CFD 유동해석, 수충격 예방 및 분석 등의 핵심기술 개발 연구를 맡고 있다.

올해 연구에서는 공급관로 분석 및 회수지점 기초 CFD 유동해석을 목표로, 열원 분기 관로 박리 유동에 의한 압력 손실 특성 예측과 함께 관로 제원, 펌프 운영현황 등 서울시 관로 정보 조사를 추진하고 있다. 

2차년도 연구에서는 수열원 공급관로 수충격 예측 시뮬레이션에서는 최대 유량 공급, 밸브 급폐쇄 등 조건에 따른 압력 변화 검토, 관로 이상 운영에 따른 펌프모터 시스템 운전형태 검토 등의 연구를 수행할 예정이다.

이어 수열시스템 열교환 성능 향상 CFD 유동해석, 오토스트레이너 유동 특성 분석, 수열시스템 수충격 설비 운전 특성 분석 등의 연구를 연차별로 진행할 계획이다.

수자원공사 최윤창 과장은 “이번 과제는 서울시 성수동에 마련되는 상징적인 건물에 수열에너지를 활용한 국산 냉난방 시스템 구축이라는 매우 큰 의미가 담겨 있다”며,
“향후 정부 정책 기조에 따라 다양하고 규모가 큰 수열 산업이 활성화될 것으로 예상되는 만큼 개발된 국산 기술을 활용할 경우 외산을 대체하고 나아가 국내 수열 개발 기술 수출도 이뤄질 것”이라고 전망했다. 

이어 “특히, 최고의 효과 입증과 성능 검증을 목표로 18개 전문기관들이 함께 힘을 모으고 있어 좋은 결과를 기대해도 좋다”고 말했다. 

인 / 터 / 뷰

수열 냉난방 시스템 적용 등 AI 데이터센터 ‘냉각’ 활용 기대 

K-water연구원 조용 팀장은 “500RT급 대용량 히트펌프 시스템의 국산화는 국내 기술 자립 측면에서 한 획을 그은 매우 큰 성과”라며,
“특히, 향후 급성장할 것으로 예상되는 대형 수열 산업계에 국산 기술이 활용될 수 있는 기반을 마련했다는 점에서 의미도 남다르다”고 밝혔다. 

실제로 그동안 국내에 설치, 운영 중인 대용량 수열 히트펌프 냉·난방 시스템은 전적으로 외산에 의존하고 있었다. 

지난 2020년 정부의 수열에너지 활성화 방안과 2022년 수열에너지 보급지원 사업 추진 등 수열 에너지에 대한 관심과 니즈가 많아지고 있는 반면, 국산 기술의 발전 속도는 따라가지 못하고 있었던 실정이었다. 

이에 K-water 연구진을 비롯한 국내 수열 분야 민·관·학계 다양한 기관들이 협업한 가운데 국내 수열 산업계 기술 성장과 정착을 목표로 이번 연구가 추진됐다. 

수열 분야 민·관·학계 협업 ‘기술 성장’ 자신

조 팀장은 “이번 연구는 재생에너지에 대한 관심과 활성화 정책이 시행되고 있는 시점에서 국내 수열 기술력의 성장을 위한 발판 마련을 위해 진행 됐다”고 강조했다. 

연구를 통해 선보인 성과는 정부 정책 이행과 수요자의 관심도 향상을 통한 산업계 활성화에 기여할 것으로 기대를 모으고 있다. 

조 팀장은 “기술 개발에 그치지 않고 개발한 기술이 실질적으로 기존 화석연료를 사용하는 냉·난방 시스템 대비 높은 효율과 편의성이 검증될 경우
그동안 낯선 기술로 인식되던 수열에너지에 대한 홍보 효과와 함께 나아가 정부 정책 기조에 부합하는 저탄소 배출 실현에 앞장설 수 있을 것”이라며 기대감을 드러냈다. 

이어 “특히, 개발 기술은 향후 다양한 수열냉·난방 시스템에 적용할 수 있으며, 특히, AI 데이터센터 냉각 기술로도 각광 받을 것”이라고 전망했다. 

실제로 데이터센터의 경우 전체 전력 소비 중 냉각에 소요되는 전력이 40% 이상을 차지하고 있어 냉각 비용 절감은 데이터센터 전체 전력 절감에 중요한 부분을 차지하고 있다. 

조 팀장은 “지난 2024년 기준, 국내에 설치된 약 165개의 데이터센터에서 발생되는 4GW 규모의 폐열이 버려지고 있다”며,
“따라서 이번 개발 기술을 에너지 절감은 물론 미활용 에너지 활용 등 효율적 에너지 활용에 적용해 나갈 예정”이라고 밝혔다. 

한편, 조 팀장은 수자원 분야의 발전 방향에 대해 “효율적인 수자원 에너지 활용 기술 개발이 필요하다”며, “즉, 낭비되거나 버려지는 에너지를 재활용할 수 있는 기술 발전이 수자원 분야의 미래 기술”이라고 덧붙였다.