열원설비 계획시 건물 용도·규모 따라 관련 법규 지켜야…경제성·안전성·신뢰성도 고려 필요
냉열원, 증기압축식·흡수식 냉동기로 구분…공기조화용으로 사용되는 장치는 대부분 냉온수기

열원설비는 에너지를 이용해 열매체를 가열 또는 냉각해 냉난방설비, 공기조화설비와 급탕설비에 사용되는 열원을 운반하는 송풍기와 덕트 시스템 그리고 펌프와 배관시스템의 설비로 구성돼 쾌적하고 에너지 절약적인 실내환경을 창출하는 매우 중요한 기계설비라 할 수 있다.

열원에는 냉열원으로 증기압축식과 흡수식 냉동기가 있으며, 온열원에는 보일러가 있다. 그 외의 열원으로 열펌프, 지역냉난방, 연료전지 및 태양열시스템과 축열시스템 등이 있다.

◇ 열원방식

열원 방식은 냉방 및 난방에 필요한 증기, 온수, 냉수 등과 같은 열원을 제조하기 위한 기기나 시스템으로 냉동기, 보일러, 히트펌프 등을 이용하는 일반 열원과 태양열, 축열, 지열, 연료전지 등의 신재생에너지를 활용하는 방식으로 분류할 수 있다. 

열원설비를 계획할 때는 건물의 용도와 규모에 따라 관련 법규를 따라야 한다. 아울러 경제성, 안전성 및 신뢰성을 고려해야 한다. 열원장치는 설비비 및 유지보수비가 적고 소요 공간이나 면적이 작으면서 효율이 좋아야 하며 운전효율이 높아야 한다. 

◇ 냉열원

냉열원 장치는 증기압축식 냉동기와 흡수식 냉동기로 크게 나눌 수 있다. 

증기압축식 냉동기는 압축기, 응축기, 팽창밸브와 증발기로 구성되며, 압축기의 종류에 따라 왕복동식, 터보식, 회전식으로 나눌 수 있다. 

흡수식 냉동기는 발생기가 한 개인 단효용식과 두개인 이중효용 그리고 효율을 더욱 높이기 위해 사용하는 삼중효용식이 있으며, 열원에 따라 직화식과 증기식이 있다. 흡수식 냉동기는 냉수를 생산하는 냉열원뿐 아니라 온수를 생산하는 온열원을 겸할 수 있는데, 이를 냉온수기라한다. 공기조화용으로 사용되는 흡수식 냉동기는 대부분이 냉온수기이다.

압축식 냉동기

압축식 냉동기의 압축기는 냉매가스의 체적을 점차 줄여가면서 압축하는 용적식과 고속으로 회전하는 임펠러에 의한 원심력을 이용하는 원심식으로 분류할 수 있다. 

용적식은 다시 왕복동식과 회전식이 있고, 회전식에는 로터리식과 스크롤식 및 스크루식이 있다. 용적식은 압축비가 높은 경우에 적합하나 고압기기에 속하므로 운전자격자가 필요하며 진동과 소음이 발생한다. 

원심식은 압축효율이 좋아 용량이 큰 중대형 냉동공조용, 지역냉방용 수냉식냉동기 등에 적합하다. 

흡수식 냉동기

흡수식 냉동기는 저압의 냉매증기를 기체상태로 압축하는 대신 흡수액으로 흡수해 액체상태에서 압축한 후 가열, 고압의 증기로 재생하는 열에너지에 의해 냉동효과를 얻는다. 따라서 흡수식 냉동기는 압축기 대신 증발기, 흡수기와 재생기 또는 발생기 및 응축기 등으로 구성돼 있다. 

흡수식 냉동기는 전기를 거의 사용하지 않고 가스나 증기를 사용하기 때문에 수전설비가 필요 없고 전력수급에 기여할 수 있으므로 중대형 건물의 냉난방용으로 널리 사용된다. 또 흡수식 냉동기는 터보냉동기에 비해 부분 부하 특성이 좋으며 회전 부분이 적어서 진동 및 소음이 매우 낮은 장점이 있다.

제습냉방기

냉방에너지를 절약할 수 있어 주목받고 있는 제습냉방기는 습도가 높은 고온의 공기를 제습제(desiccant)를 이용해 건조한 공기로 만든 후 공기세정기를 통과시켜 저온의 건조 공기로 냉방하는 기기다. 특히 수증기를 흡착한 제습제를 응축기에서 버려지는 폐열이나 태양열로 가열하면 수증기가 방출되고 재생돼 에너지를 절감할 수 있다. 제습제에는 실리카겔(silicagel), 제올라이트(zeolite) 등의 고체 제습제와 염화리튬(lithium cloride) 등 액체 제습제가 있다. 

◇ 온열원

온열원 장치에는 보일러나 전열기뿐 아니라 히트펌프, 냉온수기, 각종 설비의 배기열, 태양열, 지열 등이 있다.

보일러

건물의 열원기기로 사용되는 보일러에는 구조에 따라서 원통보일러, 수관보일러, 관류보일러 등이 있다. 

원통보일러는 부피가 크고 열효율이 낮으며 응답이 느리므로 보통 노통연관보일러 외에는 거의 사용되지 않는다.

관류보일러는 드럼이 없이 수관만으로 구성된 강제순환식 수관보일러로 증발량에 대한 보유수량이 적기 때문에 기동이 빠르고 보일러 효율이 높으나 순환불균형 및 스케일에 의해 수관이 과열되지 않도록 설계·운전돼야 하며 철저한 보일러 수의 관리가 필요하다. 

관류보일러는 주로 산업용으로 사용되나, 소형 관류보일러는 응답이 빠르고 설치면적이 작고 자격증 없이도 운전이 가능하기 때문에 난방용 및 가열용으로 널리 사용된다. 

이 외에 간접가열보일러, 응축잠열을 회수하는 콘덴싱보일러, 특수연료보일러(유동층 연소보일러, 목재보일러 등), 특수열매체보일러(다우섬 보일러 등), 폐열보일러, 전기보일러 등이 있다.

히트펌프(Heat Pump)

냉동기의 압축기에서 토출된 고온고압의 냉매 증기는 응축기에서 방열하고 액화된다. 이때 방열되는 응축열로 물이나 공기를 가열해 난방에 이용하는 장치가 히트펌프이다. 대부분의 히트펌프는 냉동기에 냉매의 흐름방향을 사방밸브로 조절해 증발기와 응축기 기능을 교체함으로써 냉난방을 겸할 수 있도록 한다. 

히트펌프의 열원으로는 공기, 물, 지열, 태양열, 폐열 등이 있다. 

공기열원은 가장 쉽게 사용할 수 있으나 공기의 열전달 성능이 낮으므로 열교환기가 커지고 기온이 영하로 내려갈 때 성에가 발생하면 성능계수가 크게 저하될 수 있다. 최근에는 압축기 출구와 증발기를 통하게 하는 고온가스를 사용해 제상(defrost)함으로써 열효율을 높였다. 

수열원으로 사용하는 물은 공기에 비해 열용량이 크고 열전달 성능이 좋기 때문에 열교환기가 작아지며 성능계수를 크게 할 수 있다. 

지하수의 경우 온도변화가 작으며 여름에는 냉각용으로 사용할 수 있기 때문에 설비비나 운전비 면에서 매우 유리하다. 

지열을 사용한 지열원 히트펌프 시스템은 집열관의 지하 매설을 위해 설비비가 높고 지질에 따라 열용량의 예측 및 보수가 어렵지만 일사량의 변화가 큰 단점을 가진 태양열을 사용하는 히트펌프에 비해 점점 더 많이 사용되어 지고 있다.

지역난방

중앙 열원설비에서 생산된 열을 인구밀도가 높은 수용가에게 공급해 난방 또는 냉방에 활용하도록 하는 방식이 지역난방이다. 

지역냉난방은 열병합발전이나 집단에너지설비와 같은 열원설비와 열수송관과 순환펌프 등으로 구성된 열수송시설과 사용자의 관리에 속하는 열사용설비로 구성된다. 

태양열시스템

태양열시스템은 집열부, 축열부 및 이용부를 갖춘 시스템을 말한다. 구성부 사이의 열전달을 위해 자연 순환력에만 의존할 경우는 자연형, 펌프나 송풍기 등의 외부 에너지를 사용하는 경우는 설비형, 자연형에 약간의 기계적 방법을 사용한 경우는 혼합형 시스템이라고 한다. 여름철에는 태양에너지의 공급량은 크나 수요가 적으므로 시스템의 과열방지 대책이 필요하고, 겨울철 난방에도 태양열 의존률을 낮게 설계하며 동파 방지를 위한 정기적인 점검이 필요하다. 

지열

지속가능하고 재생 가능한 열원으로 지열에너지가 있다. 건물에서 이용하는 지열은 지하 50~500m에서 확보할 수 있는 12~25℃의 열로서 냉난방용으로 사용한다. 

지열원 히트펌프는 보통 공기열원 히트펌프에서 발생하는 겨울철 COP 저하와 제상문제가 없이 연중 냉난방을 에너지 절약형으로 운전할 수 있다. 또 노출 기기가 없으며 사용 냉매량도 적은 장점이 있다. 

◇ 축열시스템

축열시스템을 사용하면 전력부하의 불균형을 해소해 발전 및 송전효율을 제고하고, 열원장치의 용량을 낮출 수 있다. 또 전부하 운전으로 설비의 운전효율을 높일 수 있으며, 값싼 에너지 활용으로 에너지 비용을 절약할 수 있고, 부하변동이나 열원고장 시 대처가 용이하다. 

수축열시스템

수축열시스템은 냉동기, 축열을 위한 수축열조, 냉동기측 냉수순환펌프, 공조기측 냉수순환펌프로 구성돼 있다.

심야에 냉동기와 냉동기측 냉수순환펌프를 가동해 수축열조에 현열 축열재인 물을 냉각시켜 냉수로 저장하고, 주간에는 공조기측 냉수순환펌프를 작동시켜 이 냉수를 이용해 냉방을 한다. 또한 냉동기를 열펌프(heat pump)로 작동하면 온수를 축열조에 저장해 난방과 급탕용으로도 사용할 수 있다. 

수축열 방식에는 축열조의 물이 혼합되어 균일온도로 축열되는 혼합형과 수직방향으로 온도가 층을 이루는 온도성층(stratification)형이 있으나 최근에는 대부분 축열성능이 우수한 온도성층형을 사용한다. 

빙축열시스템

빙축열시스템은 냉각을 위한 냉동기, 축열을 위한 빙축열조, 외부와의 열교환을 위한 열교환기, 브라인(brine) 펌프, 공조기측 냉수순환펌프로 구성된다. 

빙축열방식은 수축열 방식에 비해 대온도차 저온공조에 적합하며 축열조가 작은 것이 장점이다. 여기에 소개된 기기 외에도 냉각탑, 공기조화기, 공기여과기, 공기가습기와 제습기, 방열기, 열교환기 등의 중요 열원기기가 있다. 

김동우 대림대학교 교수
정리=장정흡 기자