심야혼합축열 시스템 : 에너지 효율성과 지속 가능성을 위한 혁신적인 해결책

심야혼합축열 시스템 : 에너지 효율성과 지속 가능성을 위한 혁신적인 해결책

대학생신재생에너지기자단 23기 신지연, 23기 진희윤, 25기 구윤서, 25기 노정연, 26기 김대건

 

[심야혼합축열 시스템의 이해]

현대 사회에서 에너지 소비는 시간대에 따라 큰 변동을 보이며, 전력 공급 시스템에 큰 부담을 가한다. 특히, 낮 시간대의 피크 수요는 전력망에 과부하를 일으킬 수 있으며, 이로 인해 전기요금이 급등하거나 전력 공급에 차질이 생기는 상황이 발생할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 등장한 것이 바로 심야혼합축열 시스템이다.

[자료 1. 시간대별 평균 전력수요]

출처 : 한국에너지공단

이름에서 알 수 있듯이, 심야 시간대에 에너지를 저장하고 이 에너지를 낮 시간대에 효과적으로 사용하기 위한 것이다. 심야 시간대는 일반적으로 전력 수요가 낮아 전기요금이 저렴하다. 이 시간대에 전력을 이용해 축열조에 축열시키는 등의 방식으로 에너지를 저장해 두었다가, 전력이 비싼 낮에 사용하는 시스템이다. 이 방식을 통해, 주간 시간에 생산 열량을 최소화하고, 운전비를 절감하는 효과가 있다. 또, 전력 피크 수요를 분산시켜 전력망 안정화를 가져올 수 있다.

[자료 2. 심야혼합축열 시스템과 열 용량]

출처 : (주)푸른공조

전기 에너지나 화석 연료를 사용해 발생시킨 열만을 이용하는 전통적인 축열 시스템은 물이나 콘크리트와 같은 간단한 물리적인 매체에 열을 저장하는 방식으로 운영된다. 이와 달리, 심야혼합축열 시스템은 여러 가지 에너지 저장 방법을 혼합해 사용하는 경우가 많다. 이렇게 혼합된 에너지는 냉난방뿐만 아니라 전력 공급이나 산업 공정에까지 활용할 수 있다. 또, 재생할 수 있는 에너지원을 포함한 다양한 에너지원과의 결합을 가능하게 해 환경 측면에서 더 이득을 볼 수 있다는 차이점이 있다. 그리고 더 넓은 범위에서 적용할 수 있어 효율성, 유연성 면에서도 성장했다. 심야혼합축열 시스템은 전통적인 시스템의 한계를 넘어서는 차세대 에너지 관리 기술로 간주할 수 있다.

 

[심야혼합축열 시스템의 원리 및 작동방식] 

한국전력공사의 축열식 냉난방 설비 기술규격에서 축열식 냉난방설비를 여러 기준으로 분류한다. 그 중 시스템의 축방열 방법에 따라 분류하면 수축열 시스템, 빙축열 시스템, 잠열축열 시스템, 기타축열 시스템, 그리고 혼합축열 시스템으로 나뉜다. 특히 혼합축열 시스템을 하나의 축열조에 두 개 이상의 축열매체 또는 방법을 이용해 냉열 또는 온열을 저장하였다가 방열하는 시스템이라고 정의한다. 

축 방 열  방 법				축열 매체
대분류	중분류		소분류
수축열 시스템	온도성층형		-	물 수용액
	혼합형
	기타 수축열
빙축열 시스템	관외착빙형	내융형	전열관의 종류 및 형태	얼음 (물)
		외융형
	캡슐형		캡슐 재질 및 형태
	아이스슬러리형		슬러리 제빙기 종류
	하베스트형		제빙기 종류
	기타 빙축열		-
잠열축열 시스템	관외착빙형	내융형	전열관의 종류 및 형태	잠열재
		외융형
	캡슐형		캡슐 재질 및 형태
	포접화합물형		-	Clathrate
	기타 잠열축열		-	잠열재
기타축열 시스템	상기이외		-	-
혼합축열 시스템	2가지 이상		-	-

[자료 3. 축방열 방법에 따른 분류]

출처: 한국전력공사 

즉, 혼합축열 시스템은 두 가지 이상의 축열 방식을 결합한 시스템으로, 예를 들어 냉수 축열 시스템과 빙축열 시스템을 결합해 하나의 시스템에서 이 두 가지 방식을 모두 활용할 수 있는 것이다. 혼합축열 시스템은 다양한 온도 범위에서 에너지를 저장하고 활용할 수 있다. 이에 따라 유연성이 높아져 다양한 온도 요구를 충족시킬 수 있을 뿐 아니라 특정 상황에서는 에너지를 더 효율적으로 사용할 수 있다. 또한, 구성 요소도 정해진 것이 아니다. 얼음 저장 탱크, 냉동기, 열교환기 등에 더해 추가적인 축열 방식에 따른 장비들이 포함된다. 빙축열 시스템과 비교를 하면 빙축열 시스템은 얼음만을 사용해 냉열을 저장하지만, 혼합축열 시스템은 빙축열 시스템을 포함한 여러 가지 에너지 저장 방법을 결합해 넓은 범위의 온도에서 에너지를 저장하는 것이다. 

그렇기 때문에 혼합축열 시스템의 작동 방식을 이해하려면 다른 시스템을 이해할 필요가 있다. 다음은 그 중 대표적인 수축열 시스템과 빙축열 시스템의 작동 방식이다. 

① 수축열 시스템의 작동 방식

수축열 시스템은 밤에 냉수나 온수를 생산하여 수축열조에 저장했다가, 부하가 발생하는 낮 시간대에 이용하는 에너지 절약 시스템이라고 한다. 하나의 탱크 내에 환수의 온도 차를 이용하여 층을 만들고 이를 이용하는 기술이다. 물의 비중 차를 이용해 완전한 온도 성층화를 이루어지게 하는 기술과 온도제어 알고리즘의 구현이 가장 핵심이 된다고 한다. 수축열 시스템 구성은 다음과 같다.

[자료 4. 수축열 시스템 구성]

출처: 제이앤지

② 빙축열 시스템의 작동 방식

빙축열 시스템은 현열과 잠열을 모두 이용해 축령 한다. 심야 전력을 이용해 심야 시간에 얼음을 빙축열조에 저장하고, 주간 냉방 시간에 녹여 냉방에 이용하는 시스템이라고 한다. 시스템의 구성 장비는 저온 냉동기, 냉각탑, 축열조, 열교환기, 펌프류, 자동밸브이다. 시스템의 운전방식도 다양하다. 제빙 운전(축열 운전), 축열조 단독 냉방 운전, 축열조 및 냉동기 동시 운전, 냉동기 단독 운전이 있다. 시스템 구성도는 다음과 같다.

[자료 5. 빙축열 시스템 구성도]

출처: 현대공조주식회사

이러한 수축열 시스템과 빙축열 시스템을 합치면 이를 혼합축열 시스템이라고 할 수 있다. 하나의 탱크에서 낮은 온도로 얼음을 만들고, 높은 온도로 물을 사용해 에너지를 저장하는 방식으로 작동하는 것이다. 이렇게 다양한 시스템을 두 개 이상 결합하면 혼합축열시스템으로 볼 수 있으며, 이는 더 높은 효율성과 유연성을 제공하게 된다.

 

[심야혼합축열 시스템의 이점]

심야혼합축열 시스템은 에너지를 효율적으로 저장하고 사용할 수 있는 시스템으로, 경제적 및 환경적 측면의 이점을 제공한다.

① 경제적 이점

값싼 심야 시간대의 전력을 사용해 열을 저장하고, 이렇게 저장한 열을 낮 시간대에 사용함으로써 전기 요금을 절감할 수 있다. 유류 또는 가스 사용과 대비하여 60~80%의 에너지 비용이 절감된다. 또한 전력 수요가 높은 피크 시간대의 전기 사용을 줄여 부하를 분산시킨다. 이는 전력망의 안정성을 높이고 정전이나 전력 부족 상황을 최소화한다. 결국 전력 회사의 부하 관리에 기여하며, 장기적으로는 운영 비용 감소로 이어져 사용자는 안정적인 전기 요금 혜택을 받을 수 있게 된다.

[자료 6. 전기 요금 절감]

출처 : 시사저널 e

심야혼합축열 시스템은 설비의 최대 부하를 낮춤으로써 설비의 용량을 축소할 수 있다. 이는 초기 설비 투자 비용을 줄이고, 설비 운영의 효율성을 향상시키며 유지 보수 비용을 감소시킨다. 에너지 비용 예측 측면에서도 이점을 가지는데, 전력 요금의 변동이 심한 경우에도 심야 전력을 주로 사용해 비용을 안정적으로 유지하고 장기적인 운영 비용을 예측하는 데 도움을 준다.

② 환경적 이점

풍력, 태양광과 같은 신재생 에너지원의 비중이 높은 심야 시간대의 전력을 활용함으로써 화석 연료 사용과 탄소 배출을 줄일 수 있다. 또한 전력 사용의 피크를 줄임으로써 발전소의 가동을 안정화하고, 발전소에서 발생하는 탄소 배출을 감소시킬 수 있다.

에너지를 저장하고 필요할 때 사용하는 축열 시스템을 통해 전력 수요와 공급의 차이를 줄이고 에너지 효율성을 높인다. 이에 따라 불필요한 에너지 낭비를 줄일 수 있다. 1kW의 전기 동력을 투입해 3~4kW의 에너지를 생산해 낼 수 있는 초절전 시스템으로 에너지 절약에 기여하기도 한다.

심야혼합축열 시스템은 전기 요금 절감, 설비 투자 비용 절감, 에너지 비용의 예측 가능성 향상 등 다양한 경제적 이점을 제공하며, 동시에 에너지 효율성 향상, 탄소 배출 감소, 환경 보전 등의 환경적 이점을 제공한다. 이러한 이점들은 기업이나 가정이 에너지를 효율적으로 사용하고 지속 가능한 방식으로 운영할 수 있도록 도와준다.

 

[심야혼합축열 시스템 실제 적용 사례]

① 삼육서울병원 - 대성히트에너시스 ‘공기열 심야수축열시스템’

에너지 비용과 탄소 배출량을 절감하기 위한 심야혼합축열 시스템은 대표적으로 건물의 냉난방 시스템에 활용되고 있다. 삼육서울병원이 사례 중 하나이다. 삼육서울병원은 에너지 효율화를 목표로 심야전기를 이용한 대성히트에너시스의 공기열 심야수축열시스템을 설치해 운영하고 있다. 

[자료 7. 심야수축열시스템을 적용 중인 삼육서울병원 풍경]

출처: 삼육서울병원

심야혼합축열 시스템을 설치하기 전, 삼육서울병원의 냉난방 연간 운전비용은 10~11억 원에 달했다. 1970~1980년대를 지나온 병원인 만큼 노후화된 설비도 연간 운전 비용에 영향을 끼쳤다. 노후화된 설비를 교체하는 것을 넘어 에너지 효율화를 위한 시스템을 갖추게 되면서 삼육서울병원은 연간 운전 비용을 2.7~3.5억 원까지 줄일 수 있었다. 더불어 연간 300톤의 이산화탄소를 줄일 수 있게 됐다. 심야수축열시스템을 도입하면서 장기적으로 더 경제적이고 친환경적인 병원으로 탈바꿈하게 된 것이다.

삼육서울병원은 기존 건물의 특성을 고려해 공기열방식의 심야수축열시스템을 적용했다. 심야 시간의 여유 있는 전기를 이용해 축열조에 저장하고, 저장된 열을 사용시간이 많은 주간에 사용하는 방식이다. 이러한 방식을 사용하게 되면 시스템 전체의 용량을 줄이고 피크전기 사용을 줄일 수 있게 된다. 더불어 더욱 많은 열량을 축열할 수 있게끔 기존의 50℃용이 아닌 60℃용 고온수 공기열원 히트펌프를 적용했다.

② 성심요양병원 – 삼성 시스템에어컨+DMS 솔루션

[자료 8. 성심요양병원의 고효율 중앙공조 시스템]

출처: SAMSUNG

성심요양병원은 에너지 효율화를 위해 삼성의 DMS 2.5 솔루션을 적용했다. 해당 솔루션은 삼성 시스템에어컨의 효율적인 통합제어부터 모바일 제어까지 현장 특성에 맞는 제어 시스템을 의미한다. 높은 효율의 공조설비를 위해 성심요양병원에는 중앙공조와 개별공조의 장점을 결합한 총 8대의 DVM 칠러가 설치돼 있다. DVM 칠러는 어떤 환경에서도 안정적인 냉난방 공급이 가능하도록 낮은 외기 온도에서도 성능을 발휘할 수 있도록 하는 플래시 인젝션(Flash Injection)을 탑재했고, 시스템에어컨처럼 모듈 조합이 가능하다.

성심요양병원에서는 이러한 DVM 칠러를 열원으로 사용해 심야시간대 축열 운전을 통해 냉온열을 축열조에 저장하는 혼합축열 방식을 통해 전기 사용량과 탄소 배출량을 절감하고 있다.

위 적용 사례들처럼 특히나 병원은 전기가 필수적인 시설인만큼 전력 소비량이 높은 시설 중 하나이다. 에너지 비용에 상당한 지출을 하는 만큼, 심야혼합축열 시스템을 통해 이러한 비용을 줄여 의료기기나 환자의 복지에 투자할 수 있다면 지속 가능한 사회를 만드는 데에 기여할 수 있을 것이다. 이러한 심야혼합축열 시스템은 병원 외에도 교육시설, 거주시설, 기업 등 모든 건축물에 활용할 수 있는 만큼, 경제적이고 친환경적인 에너지 소비를 위해서 이러한 시스템의 확대가 필요해 보인다.

 

[결론]

심야혼합축열 시스템은 전력 소비의 불균형을 해결하고 에너지 비용을 절감할 수 있는 중요한 기술이다. 특히 매년 찾아오는 역대급 폭염으로 전기 요금 폭탄의 우려가 지속되는 가운데, 이 시스템은 전력망의 부담을 줄이며, 사용자의 비용 절감과 운영 효율성을 높일 것이다. 중요한 점은 단순히 경제적 이점뿐만 아니라 환경 보호 측면에서도 중요한 역할을 한다는 것이다. 풍력, 태양광과 같은 다양한 재생에너지원을 적용할 수 있고, 투입한 전기 동력 대비 더 많은 에너지를 생산할 수도 있다. 실제 사례에서 볼 수 있듯이, 병원과 같은 대형 시설에서도 에너지 비용을 크게 줄이고, 탄소 배출 감소에 기여하고 있다.

다만, '혼합축열'이라는 시스템이 아직은 생소하다 보니 상용화에 이르기까지는 시간이 걸릴 것으로 보인다. 기존의 빙축열과 수축열 방식과 달리, 최소한의 설비가 필요해 탄소 감축에도 도움이 되는 만큼 정부 차원에서도 설치지원 정책을 운영하고 있다. 정부는 공사비의 10%에 대해 법인세를 감면받는 혜택과 에너지이용합리화자금 융자를 지원하는 제도를 운영하고 있다. 또한, 한전의 축열설비무상지원금을 받을 수 있고, 축열설비 용량분만큼 시설 부담금도 면제받을 수 있다. 이와 같은 제도의 유무를 모르는 시민들도 많기에 이를 알리는 것도 지금과 같은 냉난방 전쟁 시대에 큰 도움이 될 것이다.

지속 가능한 에너지 관리와 환경 보전을 위한 또 하나의 기술인 심야혼합축열 시스템. 수많은 기술이 앞다퉈 개발되고 있지만, 기술 개발에서 나아가 실질적인 적용과 보급이 중요하다. 이를 위해 정부와 기업, 그리고 소비자 모두가 기술의 가능성을 인식하고 적극적으로 활용해야 한다. 심야혼합축열 시스템이 일상적으로 자리 잡을 때, 우리는 더욱 지속 가능한 미래를 만들어갈 수 있을 것이다.

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축열 시스템에 대한 대학생신재생에너지기자단 기사 더 알아보기

1. "효율적인 에너지 사용을 돕기 위해 나타난 PCM?", 14기 변홍균, 15기 나혜인,

https://renewableenergyfollowers.tistory.com/2885

효율적인 에너지 사용을 돕기 위해 나타난 PCM ?

2. "태양광? 태양열? 고민해결사 PVT!", 11기 유지민, https://renewableenergyfollowers.tistory.com/2386

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참고문헌

[심야혼합축열 시스템의 이해]

1) 한국에너지공단, EG-TIPS 에너지온실가스 종합정보 플랫폼, 에너지데이터-국가전력소비

https://tips.energy.or.kr/egydata/country_pow.do

2) (주)푸른공단, 혼합축열시스템 전문 푸른공조, “혼합축열시스템이란?”

http://pureungongjo.net/page/system3

[심야혼합축열 시스템의 원리 및 작동방식]

1) 제이앤지, “수축열시스템”, 2024.08.11, http://www.jngpower.co.kr/shrink-heat,

2) 한국전력공사, 한전 심야전력기기 기술규격, 2015. 10.29, https://home.kepco.co.kr/kepco/CY/K/ntcob/list.do?pageIndex=1&boardSeq=0&boardCd=BRD_000040&menuCd=FN03070502&parnScrpSeq=0&categoryCdGroup=&searchCondition=title&searchKeyword=%EC%B6%95%EC%97%B4%EC%8B%9D

3) 현대공조주식회사, “축열냉방시스템”, 2024.08.11,  http://www.hdcc.co.kr/board/theme/hdcc/business/bs08.php

[심야혼합축열 시스템의 이점]

1) 삼성이엔에스, 심야전기활용법, “혼합축열 장점”, 2018.10.18,

http://www.ens-hp.com/2016/bbs/board.php?bo_table=0301&wr_id=5

2) 최성근, “‘전기요금 절감 최대 2만2510원, 최소 0원’···누진제 개편 효과 ‘제각각’”, 시사저널e, 2019.06.20, https://www.sisajournal-e.com/news/articleView.html?idxno=201911

[심야혼합축열 시스템 실제 적용 사례]

1) 강은철, “서울삼육병원, 심야수축열시스템 적용”, Kharn, 2021.01.03, http://kharn.kr/news/article.html?no=14814

2) 삼성, “성심요양병원 – 삼성 시스템에어컨+DMS 솔루션”, 2023.01.25,

https://www.samsung.com/sec/business/insights/case-study/sungsim_hospital/

[결론]

1) 전경환, “[‘핫’한 제품&기술㊴] 에너지뱅크 ‘스마트 혼합축열 냉난방시스템’”, 기계설비신문, 2024.04.29,
http://www.kmecnews.co.kr/news/articleView.html?idxno=34592