1. Demand Side Management(수요관리)의 과제와 표창제도

(일반재단법인)히트펌프·축열센터는 표창제도로 ‘Demand Side Management 표창’을 주최하고 수요 측의 노력으로 ‘전력부하 평준화’에 크게 기여한 우수한 시스템을 표창해 왔다.

전력수요 시간대를 시프트 함으로써 밤낮의 수요량 평준화를 도모함과 동시에 피크전력 저감을 꾀하는 것은 공급설비를 효율적으로 이용하고 과잉 투자를 억제한다는 취지에서 매우 중요하다. 여기에 크게 기여하는 히트펌프와 축열 시스템을 보급 확대하기 위해 본 표창제도는 1999년도에 ‘전력부하 평준화 기기·시스템 표창’에서부터 시작됐다. 기기 개발, 설비 도입에 그치지 않고 현장에서 시스템을 고도화하고 운용, 제어의 중요성이 커진 점을 계승해 2015년도부터 ‘Demand Side Management’라고 개칭하고 현재에 이르렀다.

Demand Side Management 표창을 수상한 기기나 현장 축조의 사례는, 모두 선진적이어서 전력수요를 평준화해 최적 이용에 대한 답이 될 수 있다. 수상 안건의 개요와 추이에는 Demand Side Manage-ment의 최전선이 투영돼 있다.

전력 수급에 있어서는 수요 측 역할이 매우 커 그 중요성은 앞으로도 변함없을 것이나 내용은 시대에 따라 변해 간다. 최근 발생하는 과제에 대응하려면 낮의 전력수요를 일률적으로 야간에 시프트 하는 것뿐만 아니라 보다 더 유연한 제어방식이 요구돼 왔다.

우선 들 수 있는 것은 무더위와 엄동설한이 빈발하거나 발전설비가 뜻하지 않게 정지하는 등, 수급이 꼬이는 경우가 있는데 이럴 때는 수요 측 제어로 수요를 줄임(DR 감축)으로써 대응하는 것이 중요했다. 또한 그 이상으로 일어난 큰 변화는 출력변동이 큰 태양광발전 등 신재생 에너지에서 유래한 전력공급이 증가해 수요를 웃도는 즉 전력이 남아도는 사례가 빈발하게 된 점이다. 신재생에너지는 더욱 추진할 필요가 있는데 보다 더 안정적으로 운용하려면 남아돌 때 전력수요를 늘리는 것(DR 증가)이 중요한 과제다.

이를 위해 2023년에 시행된 개정 에너지절감법은 종전의 ‘전기수요 평준화’로 바꿔 ‘전기수요 최적화’의 틀이 새로 도입됐다.

Demand Side Management 표창제도는 이 같은 오늘날의 과제에 대응하기 위해 ‘부하 평준화’를 폭넓게 정의했다. 재생에너지 유래 잉여전력이 발생하는 시간대에 수요를 늘리는 것도 수요를 고르게(flat) 하는 것의 하나이므로 평준화에 포함시켰다. 이번의 에너지절감법 개정에 이어 본 표창에서도 이번 기회에 용어 호칭을 ‘평준화’에서 ‘최적화’로 전환하기로 했다.

그리고 지금까지 본 표창제도는 평준화 대상을 ‘전력’으로 해 왔는데 앞으로는 최적화 대상을 ‘전기’로 개정한다. 전력은 단위시간에 소비되는 전기 에너지로, 본 표창제도는 전기에너지 삭감이 전기의 수급 안정과 직결된다는 점에서 그렇게 표현해 왔는데 원래 에너지절감법은 ‘전기’를 대상으로 하고 있어 이와 부합시키려는 것이다.

2. Demand Side Management에 기여하는 히트펌프·축열 시스템

전기 수요의 대부분을 차지하는 에어컨 수요 시프트에는 축열 시스템이 유효하지만 현재의 과제에도 대응할 수 있는 시스템과 운용이 특히 요구된다. 전기 수급이 불안정한 피크일 때는 축열된 열을 방열하고 그 만큼의 열원 운전을 줄이면 DR 감축에 대응할 수 있고 역으로 전기가 남아도는 시간대에는 전기로 열원기를 가동시켜 축열하면 DR 증가에도 대응할 수 있다<그림 1>.

축열을 추진하려면 열을 효율적으로 만들어야 하는데 큰 역할을 하는 것이 히트펌프다. 히트펌프는 그 자체에서 열을 일으키는 것이 아니라 열원(공기 등)으로 열을 이동시켜 투입 에너지의 몇 배가 되는 열에너지를 추출할 수 있다. 그러므로 효율이 뛰어나 에너지 절감에 기여하는 것이고 이는 탈탄소 및 지구온난화 방지의 히든카드이기도 한 기술이다.

현재 보급된 히트펌프는 주로 압축식과 흡수식으로 크게 나뉜다. 압축식은 광범위하게 사용돼 일반적으로 ‘히트펌프’라는 용어는 압축식을 가리키는 경우가 많다. 구조는 열이 높은 쪽에서 낮은 쪽으로 이동하는 원리와, 기체는 압력이 높아지면 상대적으로 고온이 되고 반대로 낮아지면 저온으로 되는 성질을 이용했다. 일반적인 에어컨에서 난방의 경우를 예로 들면 압축기에서 압축돼 고압이 된 냉매는 실내 기온보다 고온이 되기 때문에 실내기에서 열 교환를 거쳐 온풍으로 실내를 따뜻하게 한다. 열을 빼앗긴 냉매는 팽창 밸브에서 저압이 됨으로써 온도가 낮아져 이번에는 실외기에서 열 교환으로 외기에서 열을 빼앗는다. 또 이것이 압축기로 보내져 순환하는 구조다. 이 사이클을 역으로 하면 냉방이 된다<그림 2>.

이 구조는 히트펌프·축열센터 홈페이지에 상세히 설명돼 있다.

압축식 히트펌프는 앞에서 말한 바와 같이 압축해 고온이 된 냉매를 응축기에서 열원과 열교환을 거쳐 팽창하고 또 다시 저온이 된 냉매를 증발기에서 열 교환해 냉난방을 실시한다. 이에 대해 흡수식 히트펌프(흡수식 냉온수기)는 흡수액을 이용해 증발, 흡수, 재생, 응축 사이클로 냉난방을 실시한다. 모두 열을 저온부에서 고온부로 이동시키는 원리이고 열펌프 즉 히트펌프 기술이다<그림 3>.

흡수식 히트펌프는 흡수, 재생 과정에서 열을 이용하기 때문에 열구동 히트펌프라고 한다. 열을 생성하는 데는 주로 가스가 사용되기 때문에 가스 공조의 대표적인 기기로 알려져 있고 전기 소비량이 적기 때문에 공조 용도의 전기 사용량을 줄이는 데 효과가 있다

<그림 4>. <그림 3>은 ③의 옅어진 흡수액을 따뜻하게 해 진하게 하는 과정에서 가스를 사용하는데 여기서는 태양열이라든가 뒤에 설명하는 코제너레이션 시스템(CGS)의 배기열, 기타 종전에는 이용되지 않았던 배기열을 이용할 수도 있다. 열 구동 히트펌프에 대해서는 2023년에 출판된 ‘열 구동 사이클 기술의 기초와 응용’(일본공업출판)에 상세히 설명돼 있다.

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본 원고는 일본공업출판주식회사 발행하는 ‘建築設備と配管工事’잡지에서 발췌하여 번역한 것입니다.

전체 기사는 2023년 11월호 ‘월간 설비기술’에 게재되어 있습니다.(월간지 구입문의(02)2633-4995)

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