공공하수처리시설의 하수는 지중을 흐르면서 연평균 15℃를 유지, 대기온도와 차이가 있어 이 하수의 온도차 에너지를 heat pump열원으로 이용 에너지를 재생하여 빌딩의 냉난방에 이용함으로써 에너지절감 및 온실가스감축 효과를 낼 수 있는 친환경기법이다.
1. heat pump원리
열역학 제2법칙에서 열은 고온에서 저온으로 이동함으로 압축기의 기계적에너지를 이용하여 역으로 이동하게 한다.
히트펌프는 저온에서 기화되는 냉매를 이용 기체를 고압으로 압축하여 응축액화시 방출열로 난방에 사용하고, 저압으로 기화시 흡수열을 이용 냉방에 사용되는 설비로 여기에 열원(heat source)으로 공기, 물, 지중열이 난방 시는 증발기에 냉방 시는 응축기에 사용되어 설비효율을 200~400%로 높일 수 있다.
<그림1> 난방시스템 계통도
n난방시스템은 아래와 같이 작동순서에 따라 5가지 주요 부품으로 구성된다.
1.열원(heat source): 공기열, 하수열, 지중열 등이 사용된다.
물은 비열이 높기 때문에 공기보다 열에너지이송매체로 더 효율적이며 같은 열량을 이송 시 공기보다 4배 가까이 동력이 적게 든다. 또한 같은 열량 이송 시 공기덕트보다 물배관이 공간이 작게 들어 대형빌딩 냉난방에 적합하다.
2.증발기(evaporator): 냉매가 열원으로부터 잠열을 흡수한다.
3.압축기(compressor): 냉매의 증기압과 온도를 상승시킨다
4.응축기(condenser): 냉매가 응축되어 액체로 되며 잠열을 배출한다
5.팽창밸브(expansion valve) : 액체냉매가 교축되어 압력이 강하, 포화압력이하에서 증발기화, 온도저하를 유발시킨다.
난방시스템은 열교환기(exchanger)가 응축기에 냉방시스템은 증발기에 설치되어 응축기에서 난방열을 증발기에서 냉방열을 얻을 수 있다..
냉방시스템은 <그림1> 도표에서 작동방향은 역으로(시계반대방향) 작동하며, 증발기/응축기는 좌우반대로 우측에 증발기, 좌측에 응측기(열원)가 위치한다.
냉매(refrigerant)
냉매는 증발하기 쉬운 액체로서 저온부의 열을 흡수하여 고온부에 운반 방출하는 역할을 한다.
-구비조건
․증발잠열이 클 것: 증발열이 커서 증발 시 많은 열량을 빼앗을 필요가 있다. 이럴 경우 순환냉매량이 적어도 된다.
․액화와 증발이 용이할 것: 냉매는 응축기에서 기체에서 액체로 상변화 되는 데 용이하게 액화되고 응축압력도 가급적 낮아야한다. 이럴 경우 압축기에서 동력이 적게 든다.
저온에서 증발이 용이해야만 열을 쉽게 흡수 할 수 있다.
․응고점이 낮을 것: 냉매의 응고점이 시스템내 최저온도보다 낮아야 응고되지 않고 기능을 수행
냉매는 환경에 유해하지 않는 R-134a(비등점 -26℃, 빙점-97℃)가 주로 사용된다.
(성능계수)
히트펌프 성능은 성능계수(COP:Coefficient Of Performance)로 나타내며
-난방시 COPh = 방출열/전기에너지
방출열은 열원에서 흡수열이 포함된다
-냉방시 COPc = 흡수열/전기에너지
냉매를 저열원으로 더 낮은 온도에서 응축할 수 있어 냉매가스를 압축하는 데 압축기 동력 이 더 적게 소비된다.
2. 에너지절감효과
유량 500㎥/hr 의 물을 15℃에서 60℃의 난방수 공급시
- 전기보일러 사용시
효율 98% 적용
하루 방출열량: 500 × 24 × (60-15) =540,000kcal
하루 전기소비량: 540,000÷ 860kcal/kWH÷0.98 = 640.7kWH
하루 전기요금: 640.7 × ₩65/kWH = ₩41,645
- 히트펌프 사용시
성능계수(COP:Coefficient Of Performance= 방출열/전기에너지) 4 적용
하루 방출열량: 500 × 24 × (60-15) =540,000kcal
하루 전기소비량: 540,000÷ 860kcal/kWH÷ 4 = 157kWH
하루 전기요금: 157 × ₩65/kWH = ₩10,205
( 연간 절감액 )
절감액 : ₩(41,645 -10,205) ×365 = 11,475,600원/년
절감율 : (41,645 -10,205)/41,645 = 75.5 %
하루 CO2 절감량: (640.7-157)kWH × 0.1319kg C/ kwh ×44CO2 /12C = 233.93kgCO2
(우리나라 발전용 연료 탄소배출계수 = 0.1319kg C/ kwh임)
3. 지열원(ground-source) 히트펌프
여름 냉방철에는 지중이 대기보다 온도가 낮아 지중라인은 냉매를 더 낮은 온도에서 응축할수 있으므로 냉매가스를 압축하는 데 압축기동력이 덜 소요된다.(그림2 냉방)
겨울난방철에는 지중이 대기보다 온도가 높아 지중라인은 냉매를 더 높은 온도에서 증발시킬 수 있으므로 냉매가스를 압축하는 데 압축기동력이 덜 소요된다.(그림3 난방)
4-way valve는 냉매라인의 흐름방향을 정역으로 바꿀 수 있다.
양방향 팽창밸브도 유량을 정역방향으로 흐름을 조절할 수 있다.
증기압축을 통한 급탕은 전기나 화석연료보다 더 효율적이고 지중열원을 증기압축급탕과 연계할 경우 더 경제적 효과가 있어 재래식 급탕시스템을 대체할 수 있다..(그림2,3 가정온수탱크)
<그림 2> 지열히트펌프(냉방)
<그림 3> 지열히트펌프(난방)
4. 하수열원 재생 heat pump 적용사례
용인 수지 하수종말처리장 (수지 Respia, 처리용량 110,000톤/일) 방류량 중 성복천에 방류되는 22,000톤/일의 하수열을 용인지역난방공사 의 난방열원으로 사용
용인하수열 재생에너지시설
(주요시설)
-하수방류량:110,000톤/일(성복천 방류:22,000톤/일)
-히트펌프용량: 6.6Gcal/h ,1기(냉매가스: R134a)
-열생산량: 20,000Gcal/년
하수열회수: 12℃ --> 8℃
난방수 가열: 50℃ --> 66℃
-공사내용: 용인지역난방공사 인근 성복천에 방류되는 배관을 분기하여 지역난방공사 내
히트펌프에 연결(공사비 56억)
<그림4> 히트펌프 시설현황
(유형효과)
-연간 에너지절감:17,656Gcal
(무형효과)
-세계기후변화협약 능동적 대응 및 온실가스 감축효과
-정부 저탄소 녹색성장을 위한 신성장동력 발굴사업에 적극 동참
-하수 미활용에너지 개발을 통한 에너지절감
-국내 최초 최대규모의 하수 신재생에너지 개발 실증사업 선도
-환경친화적 에너지기업으로서 이미지 극대화에 기여
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