기고


스위스 취리히 도축장 고온 CO2 히트펌프 적용 사례

관리자
2017-05-02 14:43
조회수 1402
스위스 취리히 도축장 고온 CO2 히트펌프 적용 사례
- 히트펌프 3대로 생활 온수 및 난방 해결

㈜듀어코리아

스위스 취리히에 위치한 도축장에 폐열회수를 통한 온수 및 난방용수 공급을 위해 주 에너지 생산원으로 thermeco2 히트펌프 3대가 설치되었다. 이로 인해 공장 내 온수와 난방에너지의 대부분을 대체할 수 있었으며 에너지 비용 및 CO2 배출량이 획기적으로 절감되었다.


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1909년부터 취리히 도심 중앙에서 도축업을 운영해온 Slaughterhouse Zurich에는 현재 500여명의 직원이 근무하고 있으며, 지금도 그 오랜 역사만큼이나 스위스에서 가장 주요한 육가공 공장 중 하나로 꼽히고 있다.

해당 부지와 건물의 소유주인 취리히 시는 환경 보호를 적극 주도해나가고 있으며 시의 위탁업체인 취리히 전력공사(ewz)는 새로운 친환경적인 에너지 공급 시스템의 계획 및 공사, 운영을 도맡아 진행하고 있다. 한편 시스템의 설계는 K.Weiss GmbH가 수행했다.

취리히 전력공사(ewz)는 폐열로부터 난방 및 온수를 위한 에너지를 얻기 위해 친환경적이고 지속가능한 냉매인 CO2를 이용한 고온 히트펌프를 선택했다. 이전까지는 전체 열 공급을 위해 가스 연소 스팀 보일러를 사용했으나, 2011년 말부터 열 수요의 대부분을 새로운 thermeco2 히트펌프 시스템으로 공급하고 있다.

HHR 260 타입의 고온 히트펌프 3대가 온수 공급 온도 90°C에서 온수 공급과 난방을 위한 열을 생산하고 있으며, 이들 펌프는 냉동 기 등에서 발생하는 저온 응축열을 열원으로 이용한다. 이로 인해 연간 약 260,000m3의 천연가스를 절약할 수 있었을 뿐 아니라, CO2 배출량을 약 30%(연간 510톤) 감소시킬 수 있었다.

취리히 시는 위탁업체인 취리히 전력공사(ewz)에 아래와 같은 기술 요건을 요청했으며, 듀어의 thermeco2 히트펌프 시스템 설치로 이를 완벽히 충족시켰다.

지속가능한 사용
- 환경친화적이고 지속가능한 냉매를 사용할 것
- 안전 요건 기준이 낮은 냉매(비인화성, 무독성)를 사용할 것

효율적인 운영
- 입찰공고(80°C)한 것보다 더 높은 공급 온도 달성, 증기의 완전 대체 가능할 것
= 높은 COP (80°C에서의 NH3보다 90°C에서 COP가 더 우수함)

콤팩트한 설비
- 공간을 적게 차지하는 소형 시스템 설계
- 적은 소음, 추가 방음 설비가 필요 없을 것
- 상대적으로 가볍고 부드럽게 작동하므로 별도로 발판이 필요 없음
- 컨테이너 설치 가능


우수한 품질과 서비스
- 합리적인 유지관리 비용, 짧은 정비 시간, 긴 정비 주기
- 전체 사전 생산 및 공장 테스트 실행으로 현장에서의 설치 시간이 짧을 것
- ISO 9001에 따라 인증된 품질 관리를 통해 생산
- TUV SUD에 의한 유형별 시험을 거쳐 CE 마크 획득
- 운전 정지 시 별도 냉각이 필요 없을 것


편리한 제어
- 부분 부하 작동 시 COP가 더 높을 것(12단계 전력 제어)
- Simatic S7을 통한 편리하고 유연한 제어 방식
- 원격 접속 및 원격 모니터링이 가능 할 것
- 기계 3대(압축기당 4개) 간 부하 균형을 위한 마스터 컨트롤과 압축기 관리


이와 같은 취리히 시의 요구를 완벽히 소화해 낸 듀어의 thermeco2 HHR 260 모델 3대는 12단계의 부분부하 제어 기능으로 에너지 효율이 우수해 약 2,200MWH/년의 가열 에너지 절감과 CO2 배출량을 150톤 절감시켰다. 도축장에 설치된 CO2 히트펌프는 30/90℃ 기준 총가열용량 810kW, 20/14℃ 기준 냉각용량 564kW로 가열 COP가 3.0 이상이다.




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                               취리히 도축장에 적용된 thermeco2 히트펌프 시스템 계통도


스위스에서 가장 큰 CO2- 히트펌프 시스템 : 가열 능력이 800kW, 공급 온도 90°C

원래 도축장의 해당 설비는 작동 유체인 암모니아(NH3)로 작동되어야 했었으나, 이산화탄소를 냉매로 사용하는 thermeco2가 효율성이 우수하고 공급 온도가 더 높기 때문에 이 장치를 선택하게 되었다.

입찰서에 따르면, 난방수가 최대 80°C로 가열된 후 스팀을 통한 후가열 공정을 통해 90°C로 가열되어야 하지만, thermeco2는 90°C의 공급 온도를 달성함으로써 스팀의 완전 대체가 가능했다. 또한 COP(성능 계수)는 공급 온도가 80°C에서 90°C로 증가함에도 불구하고 3.4라는 높은 수치를 달성했다.

공급 온도가 10K 더 높음에도 불구하고, 이 같은 성능 수치는 80°C에서 NH3-히트펌프의 예상 성능 수치를 넘어선 것이다. 가열 능력이 800kW인 이 설비는 스위스에서 해당 유형의 설비 중 가장 큰 설비에 속한다.


조건과 제약이 없는 우수한 사업성

thermeco2를 선택하게 된 주요한 배경 중 하나로 NH3에 비해 안전 관련 기준이 더 낮고 소음이 적으며 마지막으로 수리 및 유지비가 적다는 점을 들 수 있다. 그리고 제한된 부지 공간은 도축장 지붕의 컨테이너 구조물을 통해 해결할 수 있었다. 이미 소형으로 기본 설계되어 있는 기계의 길이를 이 사업을 위하여 1미터 더 축소했다.

또한 각각 4개의 압축기가 장착되어 있는 동일한 유형의 히트펌프 3대를 사용함으로써 한 대의 기계가 고장이 나더라도 여전히 66%의 부하 처리율로 효율의 손실 없이 최적의 성능을 구할 수 있다.

Durr thermea에서 추가로 제공한 제어 소프트웨어는 기계들 간의 통신을 간소화시켜 최적의 제어를 가능하게 해준다. 향후 히트펌프 시스템의 활용도에 따라 열원 네트워크가 확대될 것이며, 이 도축사업소에서는 추가적으로 하수 응집부상조의 폐열을 이용하는 방안이 논의되고 있다.


손쉬운 설치와 시운전

기계의 인도와 작동은 Durr-thermea에서 담당했으며, 열 엔지니어링, 전기장치 및 계기의 설치와 같은 기타 모든 서비스는 지역 회사들이 수행했다.

설계 사무소인 Schlieren의 Kurt Weiss GmbH에서 철저하게 준비를 했고 고객사인 취리히 전력공사(ewz)와 매우 긴밀히 협조했다. 설비의 가동은 지난 2011년 11월에 정상적으로 진행되었으며, 3개월 후에 미소한 부분의 제어 최적화가 진행되었다.


통합 열원 시스템  내에 히트펌프를 구축

다양한 열원을 수집하기 위해, 새로운 열원 시스템이 설치되었다. 압축 공기 발생기(오일 쿨러), 응축기, NH3-냉각 기계의 오일 쿨러, 그리고 자동제상 냉동기가 이 네트워크에 연결되어 있다.

폐열 네트워크의 설계 온도는 20/14°C이다. 이 같은 온도 수준은 기존의 NH3-냉동기를 1년 내내 일정하게 낮은 온도로 재냉각시키고 창고와 기계류 공간의 냉각을 위한 자동제상 냉동기의 연결을 가능하게 해준다.

충분한 용량의 열을 축열하고 폐열의 효율적인 활용을 위해 약 56m3의 임시 저장탱크가 사용되었다. 히트펌프의 열원 측 연결은 아래와 같은 간소화된 계획에 따라 수행되었다.



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                                             통합 열원 시스템  내에 히트펌프를 구축



중략...
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