유럽히트펌프협회(EHPA)

유럽히트펌프협회(EHPA)가 유럽 주요국의 산업체 및 지역난방 등에 적용된 대형 히트펌프 프로젝트를 조사, 발표했다. 그중 성공적인 사례들을 통해 유럽 내 대형 히트펌프 시장 동향 및 경제적, 기술적 성장 가능성을 전망해본다. 이번 호에서는 독일, 노르웨이, 스위스, 프랑스, 핀란드의 지역난방, 공장, 대학 등에 에너지 효율성 증가와 탄소 배출 저감을 위해 설치된 대형 히트펌프의 현황을 살펴보도록 한다.

독일 함부르크에 위치한 유럽 최대의 전력회사 바텐팔(Vattenfall Europe AG)의 본사에는 2대의 히트펌프가 설치되어 운영되고 있다. 이 시스템은 사내 IT 서버룸 및 컴퓨터 센터의 폐열을 사용하며, 열 전달은 13층 건물 50,000m2 의 총 기본 열부하의 50%를 커버할 수 있다. 이 프로젝트는 연간 600톤 이상의 CO2를 감소시킴으로써 환경에 미치는 악영향을 줄여 준다.

폐열 온도는 최대 45°C까지 상승하며, 오크스너(Ochsner)의 에너지 효율성이 뛰어난 2대의 물-물 히트펌프를 통해 가열 시스템에 공급된다. 히트펌프 각각의 난방 용량은 360kW이다. 자기 베어링이 있는 터보 압축기는 마찰 손실을 최소화하므로 오일 윤활이 필요 없다. 지능형 제어 기술을 통해 냉난방 측면의 기계 성능을 지속적으로 각 수요에 맞게 조정한다. 약 8kWh의 열에너지(열과 냉기)가 생산되며, 성능 계수는 80에 해당한다.

기존 응용 프로그램에 대한 설치는 일반 업무 중에 수행되었으며, 사무실이 시스템 바로 위에 있기 때문에 높은 수준의 요구사항을 충족해야 했다.

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지난 2012년, 노르웨이의 난방설비 업체 오슬로 피요르드(Oslofjord Varme AS)는 지구온난화지수(GWP)가 낮은 냉매인 HFO-1234ze와 하니웰 보다 GWP가 1 이하인 냉매(HFO)를 사용하는 물-물 히트펌프(UNITOPⓇ 43/28) 2대를 기반으로 하는 유럽 최초의 지역난방 프로젝트로 새로운 이정표를 세웠다. 히트펌프 공급 업체는 스위스의 히트펌프 및 냉각기 전문 업체 Friotherm AG이다.

이 프로젝트가 이루어진 포르네부(Fornebu) 지역은 상업 및 금융 분야에서 강력한 도시 오슬로(Oslo)에서 10km 떨어진 곳에 위치해 있다. 이 지역의 개발 계획에는 1만 350,000m2의 면적에 11,000 및 15,000개의 작업장 인구가 거주하는 것이 포함된다. 포르네부 개발 현장에는 60-70MW의 예상 최대 난방 전력 수요 및 연간 100-125GWh의 열 생산량을 가진 지역난방 및 냉방 시스템이 설치되어 있다.

에너지 개념에서 주요 열 부하는 대용량 히트펌프 및 바이오 오일 보일러로, 가장 추운 시기의 최고 부하로
충당될 것으로 결정되었다. 포르네부 개발 현장의 난방 및 냉방 수요가 증가함에 따라 2012년부터 호텔 지하에 Rolfsbukta사의 히트펌프 설비가 설치되었다. 점점 더 제한적인 냉매의 환경 규제에 대한 대응으로 새로운 작동 유체인 HFO-1234ze의 사용이 결정되었다.

노르웨이 선급협회는 오슬로 피요르드에 의해 GWP가 1 이하인 새로운 가연성 작동 유체를 사용해 히트펌프 설비에 대한 위험 분석을 수행했다. 이 결과는 안전 등급 A1의 냉매와 비교하여 안전 예방 조치가 취해져야 했다. 기계실의 비상 환기 장치는 ATEX 94/9/CE를 준수해야 했으며 냉매 누설을 대비해 자동 전원 차단 스위치가 설치되어야 했다.

겨울 모드의 두 히트펌프의 총 난방 용량은 16MW로, 지역냉방을 위해 2.5°C의 냉수를 동시에 생산하며 지역난방을 위해 75°C의 열 회수율을 제공한다. 냉각 요구량이 너무 낮으면 중간 열교환기를 이용해 해수에서 추가적인 저온 열을 추출한다. 여름 모드에서는 각 히트펌프의 두 압축기가 병렬로 작동한다. 일정한 엔트로피를 갖는 양력이 감소하고 해수에 의해 간접적으로 히트 싱크로 냉각되면서, 두 장치 모두 2.5℃의 냉각수로 20,000kW의 냉각 용량을 생산한다. Rolfsbukta 공장은 HFO-1234ze를 사용하는 세계 최초이자 최대 규모의 히트펌프 공장으로 새로운 초저 GWP 작동 유체의 사용에 있어 중요한 발전을 보여주고 있다.

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스위스의 식품 제조업체 뉴트렉스(Nutrex)는 2008년부터 15년 이내에 CO2 중 립을 달 성하기로 결정했으며, 생산 현장에 현대 히트펌프 기술을 적용해 지난 2009년에 이미 이 목표를 달성했다. 주력 생산 품목인 식초의 생산 품질을 높이기 위해 발효 및 저온 살균이라는 두 가지 공정이 사용되고 있으며, 이 두 공정은 히트펌프의 적용에 완벽하게 적합하며 원천이자 싱크 역할을 한다.

식초의 발효는 알코올이 박테리아에 의해 산으로 전환될 때 발생하게 되는데, 이는 발열 반응이며 혼합물이 너무 따뜻해지면 작동을 멈춘다. 때문에 30°C에서 10일 동안 공정을 안정화시키기 위해 대형 탱크를 냉각해야 한다. 반면에, 식초 저온 살균은 70℃ 이상에서 발생하므로, 부패하지 않는 식품을 얻을 수 있다.

뉴트렉스에서는 136kW의 냉각 용량과 194kW의 가열 용량의 히트펌프를 설치했다. 이 시스템은 3,4COP(성능계수)로 실행되며, 저온 살균과 함께 생성된 열은 실험실과 건물의 난방에 사용된다. 뉴트렉스는 지난 2009년에 기존의 오일 히터를 교체한 이후 CO2가 발생하지 않는 생산 환경 구축을 달성했다. 히트펌프의 사용을 통해 CO2 배출량을 연간 약 310,000kg까지 줄이고 연간 65,000리터의 연료를 절약할 수 있게 되었다.

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