폐열회수 히트펌프 도입으로 생산 공장 내 에너지 절약

히트펌프 가동 데이터 계측으로 전체 열 밸런스 성립성 확인

일본의 경우 원자력발전소 가동이 정지된 상황에서 전력 수요에 대한 절박함이 사회적으로 문제가 되고 있고, 이에 따라 에너지 절약의 중요성이 더욱 높아지고 있다. 산업 분야에서는 에너지 절약을 위해 미이용 폐열을 효율적으로 이용하는 폐열회수 히트펌프 도입이 주목을 받고 있다. 그러나 히트펌프가 현장에서 요구되는 온도나 열량에 맞춰 전체의 열 밸런스를 성립시킬 수 있을 것인지는 충분히 생각해 봐야 한다.

자동차 공장 생산 설비에 폐열회수 히트펌프를 도입해 폐열의 발생 상황과 열 부하, 히트펌프 가동 데이터를 계측하고, 전체의 열 밸런스 성립성과 생산 시스템에 대한 추종 성능 등을 평가해 봤다.

우메자와 슈이치(Umezawa Shuichi)

도쿄전력 기술개발연구소 에너지변환기술그룹(겸)

후쿠시마 제1 중장기대책 연구 추진 그룹 스페셜리스트

온수 히트펌프

이번 실험을 위해 적용한 온수 히트펌프의 사양을 표 1에 나타냈다. 온수 출구 온도가 최고 90℃ 이상의 연속 배출이 가능한 터보 압축식 히트펌프로, 열원수로서는 10℃까지의 열원에 대응 가능하도록 돼 있다.

출력 가능한 온수 유량은 식 (1)을 만족하는 양이 된다. 냉매는 HCF-134a, 압축기는 원심식 반밀폐 2단 편흡입형, 증발기와 응축기는 브레이징 플레이트형 열교환기를 사용하고 있다. 전원은 400V급(380∼440V)으로 50 Hz/60Hz 공용 헤르츠 프리다. 그림 1은 출력 맵을 나타낸 것으로, 최대 가열 출력은 627kW며, 1.0t/h의 증기 열량에 해당한다. COP(Coefficient of Performance)는 식 (2)로 계산된다. 그림 2는 가열시 COP 맵을 나타낸 것이며, 열원수 온도가 높을수록 COP는 향상됨을 알 수 있다.

Wheatpump

=(hheatpump-out-hheatpump-in)·Gwater …(1)

COP = Wheatpump

Welec

=(hheatpump-out-hheatpump-in)·Gwater

Welec …(2)

자동차 공장 생산 설비에 온수 히트펌프 도입

그림 3은 히트펌프를 생산 공정에 도입했을 때의 시스템도를 나타낸 것이다. 이 히트펌프는 공장 내 세정조가 필요로 하는 온수를 공급하기 위해 도입됐다. 온수는 세정조의 기준 수위에 달할 때까지 수시로 공급된다. 히트펌프와 온수 수요 설비 사이에는 버퍼용 온수조를 설치했다. 온수조에서 온수를 송출한 만큼 상온의 물을 공급했다. 히트펌프로 가열되는 온수량은 1,473L/min 정도로 일정한 유량으로 했다. 버퍼용 온수조의 온도가 설정값(75℃)이 됐을 경우 히트펌프의 가동을 정지하고, 버퍼용 온수조 온도가 설정 하한 온도(60℃) 미만까지 저하됐을 때에는 히트펌프가 재가동된다.

히트펌프의 열원은 공기 압축기 6대, 입력 전력 합계 920kW의 냉각수에 의한 폐열을 이용했다. 히트펌프 가동시 열원 수류량은 1,240L/min 정도로 일정 유량으로 했다. 히트펌프로 전부 소비할 수 없는 폐열은 이전부터 설치돼 있는 냉각탑으로 배출했다. 세정조에는 이전부터 설치돼 있는 보일러에서 증기를 병급해 기정 온도(80℃)까지 온도가 올라가도록 설정했다. 표 2는 이번 시험의 계측 포인트를 나타낸 것이다. 계측은 1월 중순부터 3월 하순에 걸쳐 약 60일간 실시했다.

계측 결과

보일러 효율

보일러 출구 증기를 그 계측 압력에 있어 포화증기, 급수온도 15℃로 해서 보일러 효율은 식 (3)으로 계산했다. 가동하지 않는 휴일 등을 제외하면 저위 발열량 베이스로 70.1%가 됐다. 한편, 보일러에서 수요단까지의 배관 손실에 대해서는 10% 이상이 되는 사례도 보고됐지만, 이번에는 고려하지 않았다.

ηBoiler = Wboiler

Wfuel

= (hboiler-out-hboiler-in)·Gsteam

Qfeul·Gfuel …(3)

축열조

그림 4와 그림 5는 대표적인 사례로, 어느 날 축열조에의 입력과 출력을 나타낸 것이다. 급수 온도는 15℃로 했다. 출열 평균은 362kW, 입열 평균은 359kW로 거의 동등했다. 이날은 버퍼용 온수조의 온수 온도가 설정값(75℃) 도달에 의한 히트펌프의 정지, 같은 온도 설정 하한값(60℃) 미만으로의 저하에 의한 재기동이 8세트 일어났다. 히트펌프의 기동 정지는 시스템 전체의 효율을 저하시키는 요인이 되므로 향후 개선의 여지가 있다고 판단된다.

히트펌프 정지시 출열량은 약간 저하됐는데, 이는 프로세스로의 급수 온도가 70℃에서 55℃까지 저하된 것과 관계가 있는 것으로 판단되며, 이 온도의 저하 분량은 보일러가 조달했다.

그림 6은 같은 날 세정조의 열 수요를 나타낸 것이다. 하루 평균 보일러 입열은 256kW, 히트펌프에 의한 프로세스 온수 입열은 362kW로, 합계는 618kW였다. 히트펌프에 의한 온수 입열은 전체 열 공급의 58.6%에 달했다.

온수 히트펌프

그림 7은 식 (2)를 이용해 계산한 히트펌프의 COP를 나타낸 것이다. 1일의 COP 평균치는 식 (4)와 같다. 이날 온수 출구 온도의 평균은 71℃, 열원수 온도는 26℃이므로, 그림 2의 성능 곡선과 대조하면 설계 성능을 약간 밑돌아도 기동 정지 손실을 고려할 경우 설계 성능은 충분히 만족하고 있다고 판단된다.

COP = 359[kW]/110.7[kW] = 3.3 …(4)

공기 압축기의 폐열

그림 8은 히트펌프에 입력된 열원수의 열량을 나타낸 것이다. 1일 평균 열량은 226kW였다. 이번 압축기 6대의 폐열로 히트펌프에 필요한 열원을 확보할 수 있었다. 또, 부차적인 효과로 냉각탑의 가동률 및 보급 수량을 저감시킬 수 있었다.

한편, 이번 계측에서는 순간값으로 큰 유량이 몇 점 관측됐으나, 이것은 배관 속 녹이나 오염물질로 인해 초음파 유량계가 영향을 받은 것으로 판단해 그 계측값은 제외했다.

에너지 절약성 평가

현 시스템의 1차 에너지

그림 6에 나타낸 열량을 공급하는 데 필요한 히트펌프와 보일러의 1차 에너지 1일 평균을 식 (5)∼(7)을 이용해서 계산했다. 발전 효율을 39.6%라 하면 1차 에너지의 합산 값은 667kW다. 그림 9은 이 합산 값의 경시적 변화를 나타낸 것이다.

Wpri-heatpump = Welec

ηgenerate …(5)

Wpri-boiler = Wfuel …(6)

Wpri-prezent = 300[kW] + 367[kW]

= 667[kW] …(7)

기존 시스템의 1차 에너지

기존 시스템은 세정조의 수요 열량 전부를 보일러로만 공급하고 있었다. 그림 6에 나타낸 세정조의 열 수요를 보일러로만 공급했을 경우의 1차 에너지 1일 평균을 식 (8)을 이용해 계산하면 877kW가 된다. 그림 10은 이 값의 경시적 변화를 나타낸 것이다.

Wpri-previous = Wheatpump + Wboiler

ηboiler …(8)

Wpri-previous = (359+256) / 0.701

= 877[kW]

1차 에너지의 삭감률

앞에서 구한 현 시스템의 1차 에너지 667kW와 기존 시스템의 1차 에너지 877kW로부터 1차 에너지의 삭감률을 계산하면 24%가 된다.

또, 히트펌프 공급 열량분인 359kW에 착안하면 히트펌프로 공급했을 경우의 1차 에너지는 300kW, 이것을 보일러로 공급했을 경우의 1차 에너지는 359/0.701= 512kW가 되므로, 1차 에너지의 삭감률은 41%가 된다. 이것으로부터 히트펌프의 열 공급 비율을 늘리는 것이 에너지를 한층 줄일 수 있는 방법이라고 판단할 수 있었다.

참고 문헌

(1) S. Umezawa, T. Nakayama and Y. Ebinuma：“Field Test of Newly Developed Turbo Heat Pump for Hot Water”, Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Series B, (Oct. 2011)

(2) S. Umezawa, H. Amari, J. Yasuda, H. Kawamura, S. Kato and K. Kuse：“Measurement of total boiler efficiency considering heat loss from steam pipes in an operating factory”, Proc. JSME(2010)

(3) Agency for Natural Resources and Energy, Ministry of Economy, Trade and Industry. “Energy Conservation Law”(2008)