폐열회수장치 원리 - pyeyeolhoesujangchi wonli

손병찬 고문 (주)제인상사

개요

한방울의 에너지 절약은 한방울의 에너지를 생산하는 효과와 같다고 한다. 한방울의 에너지도 생산하지 못하는 우리나라로서는 더욱 절실한 말이다.

  에너지 값의 상승과 온실가스 배출에 대한 규제와 더불어 각 분야별로 폐열회수의 중요성과 이에 대한 인식은 국내에서도 점점 높아지고 있다.

구미 선진국에서는 폐열회수의 한가지 방법으로 주택에서 온수급탕 이용시 하수구로 흘러들어가는 폐열을 회수함으로써 급탕부하를 낮추고자 하는 시도와 실생활에 적용하는 사례가 점점 늘고 있고, 국가에 따라서는 시설비의 30%까지 지원하는 데도 있다.

국내에서도 사우나 등 상업건물이나 산업 공정열의 회수시설이 적용되고 있으나 아직은 기대에 미치지 못하고 있는 실정이다.

점점 높아지고 있는 에너지비용 그리고 온실가스 발생에 대한 규제가 이제는 경쟁력으로 대두되고 있고, 신·재생에너지의 이용에도 한계가 있기 때문에 에너지 절약의 모든 방법이 요구되고 있다.

이번에 소개하고자 하는 에너지절약 방법은 가정용 급탕시설에서 샤워이용시 하수구로 흘러들어가는 온수로부터 열을 회수하여 보일러의 급수를 예열하거나 또는 샤워이용시 공급되는 시수의 온도를 상승시켜줌으로써 온수의 사용을 획기적으로 줄이는 방법이다.

  선진국의 경우 샤워뿐만 아니라 부엌싱크대 그리고 세탁기에도 폐열회수장치를 적용하고 있지만 그 원리나 적용방법에는 거의 비슷하다.

구미 선진국의 예를 보면 이러한 폐열회수 시스템의 폐열회수율이 40~50%에 달하며, 샤워에 적용할 경우 투자회수율은 2~5년이면 충분할 것으로 보고되고 있다.

뉴욕의 한 상용업소에서는 27,000달러의 시설비 투자를 하여 첫 해에 25,600달러의 에너지를 절약한 경우도 있다고 한다. 이는 일 년 남짓하여 투자비를 회수한 경우라고 하겠다.

국내 온수이용 현황

국내 온수이용을 살펴보면 국내 주택보급 약 1,400만 가구 중 30평형 이상을 전체 가구 중 약 50%인 700만 가구라고 가정할 때 30평형 가구의 온수급탕 부하는 평균 300ℓ의 급수를 10℃에서 60℃까지 가열하여 사용한다고 추정된다.

  연중 부하(Yearly Heat Load)를 대강 계산해보면,

❶ 한 가구당 일일 급탕부하 (60℃-10℃)×300 =15,000Kcal/day이며,

❷ 한 가구당 연중 급탕부하는 연중 사용일을 250일로 가정하면, 15,000Kcal/일×250일= 3,750,000Kcal (3.75Gcal)이고,

❸ 700만 가구가 연중 사용하고 있는 에너지는 700만×3.75Gcal =2,600만Gcal 이다.

❹ 경유량으로 환산하게 되면 2,600만Gcal/(9,600cal×0.8)=34억ℓ이며,

❺ 원단위로 환산하면 34억ℓ×1,500원=3조1천억원에 이른다.

또한, 국내 사우나시설은 약 9,000업소에 이르며 한 업소 당 일일 온수사용량은 60℃의 온수 800톤 정도가 사용된다고 한다. 이를 역시 원단위로 환산하면 (60℃-10℃)×800톤×300×9,000/(9,600×0.8)=146억원이 된다.

부연하여 설명하면 약 3조원 이상의 에너지가 폐열의 형태로 하수구로 흘러들어 가면서 낭비되고 있다.

  만약 아래에 소개되는 간단한 형태의 페열회수장치(Heat Recovery System)를 이용하여 가정에서 낭비되고 있는 폐열의 50%만이라도 회수할 수 있다면 연간 1.5조원 이상의 에너지를 절약할 수 있을 것이다.

기술의 내용

아래의 DWTW(Drane Water To Water) 시스템은 가벼우면서도 간단하고 어떠한 동력이나 저장탱크가 필요없는 폐열회수 시스템이다. 기존 설비에 간단히 적용하면 된다.

효율은 50% 이상 기대할 수 있으며 샤워시 하수구로 흘러들어가는 물의 온도를 약 38℃에서 25℃까지 낮추고, 시수온도는 약 10℃에서 23℃까지 상승시킬 수 있을 것이다.

이러한 폐열회수 시스템이 태양열 시스템에 적용된다면 집열판의 면적을 더 넓히지 않고도 그 이상의 효과를 기대할 수 있고 저장탱크의 급수온도를 상승시킴으로써 저장탱크의 열팽창 부하(Heat Expantion Stress)를 줄임으로써 저장탱크의 수명을 늘리는 효과도 기대할 수 있다.

이러한 에너지회수 기술은 우리가 일상생활에서 무심코 폐수로 버리는 에너지를 간단한 폐열회수장치를 이용하여 버리는 에너지의 50~60%까지 회수하여 유용한 에너지로 변환시킴으로써 연간 1조 5천억원 상당의 에너지절감 효과를 기대할 수 있으며, 또 이에 상응하는 온실가스 절감효과를 기대할 수 있다.

  이를 위하여,

❶ 하수구 입구에서의 폐수흐름이 나선형와류(Spiral Turbulance) 상태가 되도록 유도하여 열교환 계수가 최대가 되도록 한다.

❷  그림 1  에서 보여주는 Jaket 내부에서 시수와 하수와의 열교환이 Fin 등을 설치하여 최대가 되도록 설계한다.

❸ 폐열회수 열교환장치의 탈부착이 용이하도록 규격화 한다.

또한, 이 시스템의 장점으로는 우리가 일반적으로 요구되는 열저장장치나 열교환을 위한 어떤 동력장치도 필요없다는 장점이 있다.

 그림 1   샤워 싱크에서 폐열회수장치

선진각국의 개발현황

캐나다의 House Hacker社는 Power Pipe라는 제품의 열교환기를 시장에 내놓았고, 미국의 WaterFilm Energy社는 Gravity-Film Heat Exchanger(GFX)라는 이름의 열교환기를 개발하여 판매하기 시작하였다.

  영국에서는 Alastair라는 회사가 유럽 6개국의 12개 중소업체와 공동으로 LowHeat Technology, 다시 얘기하면 ‘낮은 온도에서 열을 얻는다’라는 의미의 열교환기를 개발하고 제품의 특허신청을 준비 중이고, 네덜란드의 Itho社 역시 가정용 폐열회수 열교환기를 개발하였다고한다.

캐나다에서는 주정부에 따라 설치비용의 30%까지 지원해주는 경우도 있다고 하며, 도시가스회사에서도 일부 지원해 주기도 한다고 한다.

  미국 동부의 경우를 보면 에너지 비용이 타 지역보다 3배 가까이 비싸기 때문에 이러한 에너지 절약 System이 보다 절실히 요구되고 있다고 한다.

▶히트펌프?

히트펌프는 열을 운반하는 냉매가 주입되어 있습니다.

아래의 그림과 같이 냉매는 증발기에서 외부로부터의 열(폐열, 지하수열, 하천수열, 공기열 등)을

흡수(냉매 특성상 주위 열을 흡수함)하면서 증발(액체--> 기체)하고 저온저압의 가스 상태가 되어

압축기로 흡입되고 압축기에서는 냉매가 압축되면서 고온 고압 상태가 되어 응축기로 전달되며,

응축기에서는 열을 방출(온풍, 온수로 열교환 이용)하면서 냉매는 액화됩니다.

고압 액화된 냉매는 팽창 변에서 감압, 저압 저온 액화 상태의 냉매는 증발기로 들어갑니다.

히트 펌프는 이러한 사이클을 반복하면서 저온의 필요한 고온의 열을 발생시킵니다.

결국, 히트 펌프는 열을 만드는 장치가 아니라 운반하는 기능을 가지고 있으며,

히트펌프의 특성상 냉매가스의 증발열과 압축열을 이용하여 외부 열을 흡수하는 시스템으로

전기 1kw를 사용하여 3~7kw(cop3~7)의 효율을 생산해내는 고효율의 에너지 절약기기입니다.

히트펌프는 전기와 자연열, 또는 폐열을 이용하기 때문에 co2등 유해가스 배출이 전혀 없으며,

폭발화재 등 위함이 없는 녹색 친환경시스템입니다.