하이브리드시스템, 기존 흡수식보다 에너지 50% 이상 절감

흡수식과 신재생 에너지원의 만남…에너지 절감·효율 탁월
태양열 축열조로 난방을, 1중 효용 흡수식 냉동기로는 냉방
냉동기 50~100% 부하 시에도 COP 1.6 이상의 초고효율 운전

태양열 1중 효용 흡수식 냉난방 시스템

현재까지 태양열 시스템은 그린홈 100만호 보급과 관련해 소규모 주택용 급탕 시스템이 대부분이었으나, 최근 들어 중규모 건물 등에 적합한 태양열 급탕 및 난방시스템이 보급되고 있다. 태양열 급탕시스템은 태양열을 모으는 집열부, 모아진 열을 저장하는 축열부, 그리고 저장된 열을 급탕 또는 난방에 이용하는 이용부로 구성돼 있다. 이 밖에 흐린 날과 같이 일사량이 없을 경우를 대비한 보조보일러 및 시스템 동작을 제어하는 제어장치가 포함된다.

집열기에서 태양열에 의해 승온된 집열매체가 열교환기에서 축열조의 물로 열량을 전달하고 재순환되며 지속적으로 태양열을 집열한다. 열교환기에서 열량을 전달받은 물은 축열조에 저장되고, 이 온수를 급탕 또는 난방에 사용한다. 만약 일사량이 적거나 없어 축열조에 온수 온도가 낮을 경우 보조보일러를 통해 급탕이 가능하다.

이러한 태양열 급탕시스템은 4계절 급탕부하가 비교적 일정한 목욕탕, 복지시설 등에 매우 유용하다.

최근 태양열을 연중 폭 넓게 이용하는 방법으로 태양열과 1중 효용 흡수식 냉동기를 조합한 시스템이 일부 보급됐다.

<그림1>은 대표적인 태양열 1중 효용 흡수식 냉난방 시스템의 계통도이다. 집열기에서 태양열로 집열된 집열매체가 축열조 온수와 열을 교환, 축열조로 열이 공급된다. 축열조에 저장된 온수를 열원으로 1중 효용 흡수식 냉동기는 냉수를 생산하고 이를 수요처의 냉방열원으로 사용한다. 이 때 사용되는 1중 효용 흡수식 냉동기는 대부분 352kW(100usRT) 미만의 비교적 소형으로 국내 양산형 모델이 아닌 수입제품이 주로 사용됐다.

하이브리드 흡수식 유니트

<그림2>는 태양열 하이브리드 흡수식 냉난방 시스템의 핵심 열원기기인 하이브리드 흡수식 유니트의 개략도이다. 기본 사이클은 병렬식 2중 효용 흡수식 사이클이며, 여기에 태양열 온수를 구동하는 1중 효용 사이클이 동시 또는 각각 구동되도록 솔라 재생기와 솔라 응축기를 추가하고, 용액 라인에 제어밸브를 부착해 각 운전모드가 구현되도록 설계됐다.

하이브리드 흡수식 유니트는 재생열원을 우선으로 냉방이 구동된다. 운전 기동 시 먼저 태양열 온수 조건을 확인해 냉방부하가 40~50% 이하까지 1중 효용 흡수식 모드로 기동되고 냉방부하가 커지면 자동으로 보조열원인 가스구동 2중 효용 운전이 추가돼 1중, 2중 겸용의 하이브리드 흡수식 냉방모드로 전환된다. 반면 운전 기동 시 태양열 온수 조건이 불충분하면 효율이 높은 가스구동 2중 효용 흡수식 냉방모드가 구동된다. 이렇듯 한 대의 하이브리드 흡수식 유니트는 보조 보일러 필요 없이 완벽한 태양열 냉난방이 가능하다.

<사진1>은 국내 최초로 개발된 35kW(10usRT)급 하이브리드 흡수식 유니트다.  35kW의 냉동 용량은 태양열 집열기 설치여건과 관련되며, 동사무소와 같이 소규모 건물에 활용할 수 있는 용량으로 태양열 냉방 시 활용 가치가 있는 최소용량으로 판단된다.

이와 같이 하이브리드 흡수식 유니트는 병렬흐름 방식이고, 운전 기동 시 태양열 에너지를 먼저 사용할 수 있도록 솔라 재생기와 솔라 응축기가 최상부에 위치되도록 설계됐으며, 하이브리드 운전 시에도 희용액이 솔라 재생기에서 1차 재생된 후 저온재생기에서 한 번 더 재생될 수 있는 흐름구조로 구성됐다. 그리고 사용자 편의성을 강화해 원격지에서 운전제어가 가능하도록 했으며, 자동 블로우다운 및 자동 추기 운전 기능을 추가하고 스마트 폰을 통해 운전 상태를 확인할 수 있도록 했다.

탁월한 에너지 절감률과 경제성

설치현장 냉난방부하를 기준으로 120kW(34usRT)급 흡수식 냉온수기 시스템과 태양열 하이브리드 흡수식 냉난방 시스템의 에너지 비용과 에너지 절감효과를 분석했다. <그림3>, <그림4>와 같이 흡수식 냉온수기를 사용했을 때보다 태양열 하이브리드 흡수식을 사용할 경우 50% 이상의 에너지 절감이 가능하다.

이는 통합성능계수(IPLV)의 연간 운전패턴을 근거로 볼 때 연간 운전기간 중 과반수 이상이 50% 이하 냉난방 부하로 가스의 사용 없이 냉난방이 가능한 시간이 많기 때문이다. 또한 50~100% 부하 시에도 COP 1.6 이상의 고효율 운전이 가능하기 때문이다.

맺음말

하이브리드 흡수식 냉난방시스템 신기술은 지금까지 국내에 보급된 적이 없는 태양열 에너지 이용 기술로, 하절기 집열기 과열문제와 태양열 냉방 설비비용의 대폭적인 절감이 가능하다는 점에서 큰 관심과 주목을 받고 있으며, 홍보성 녹색성장이 아닌 지금 바로 실용 가능한 상용 기술의 변형이라고 할 수 있다.

효율적이고 활용도가 높은 신재생 에너지원인 태양열 에너지 이용을 활성화하기 위해서는 소비자를 현혹시키는 과장 광고와 실무경험이 부족한 상태에서의 무리한 시공, 정기점검과 A/S 조직 부족 등의 문제점에 대한 업계 스스로의 개선 노력이 필요하다.

또한 정부 차원에서의 태양열 냉방에 대한 관심과 적극적인 지원정책이 필요한 시점이고, 태양열‧가스 냉방을 상용화하고 경제성을 확보하기 위한 현재 가장 합리적인 방안은 흡수식 유니트를 이용하는 것이다.

현재 국내 태양열 냉방시장 규모가 미약한 수준이지만 발전된 신기술을 적극 활용해 태양열 냉방 시장을 발전시켜 국가적인 에너지 절감에 이바지해야 할 것이며, 이를 위해서는 흡수식 산업과 태양열 산업 간의 지속적 상호 기술협력이 필요할 것이다.