3.1 국외 사례

해수와 하천수 및 호수 심층수를 열원으로 활용하는 수열원 히트펌프 시스템은 상업 공간과 주거 단지 그리고 지역난방 네트워크에서 연중 냉난방을 안정적으로 제공한다. 국외에서는 수열원 히트펌프 시스템을 상업․업무용 건물, 주거 단지, 호텔, 대학 캠퍼스, 산업단지, 지역난방․냉방 네트워크, 데이터센터 등 다양한 시설의 냉난방 및 온수 공급에 활용하고 있다. 대표적인 사례 일부를 Table 1에 나타내었다.

트론헤임의 Grilstad Marina는 인공 반도라는 입지와 60 m 심도에서 확보한 약 8℃의 해수를 기반으로 약 134,000 m² 규모의 상업 지역에 열에너지를 공급하고 있다. 10년간 상업 지역 에너지 수요의 최대 95%를 해수로 충당하고 일부 건물에서 전력 사용을 150만 kWh를 절감하여 전체적으로 300만~400만 kWh의 구매 전력을 줄였다. 같은 노르웨이의 드람멘 지역난방 플랜트는 14 MW급 해수 열원 히트펌프를 구축하여 도시 난방수의 85%를 공급하고 있으며, 18 m 깊이에서 약 8~9℃의 해수를 취수하고 저압 액체 냉매로 냉각하여 열 회수 과정을 고효율로 유지하고 있다. 지중해 연안 도시에서도 지역냉난방에 해수 기반 시스템을 적극적으로 활용하고 있다. 마르세유는 Thassalia와 Massileo 두 지구에 각각 2016년과 2017년에 지역냉난방 시스템을 단계적으로 구축하고 난방과 냉방에 20 MW급 히트펌프를 활용한다. 이들 두 지구에서는 약 50만 m²의 건물군을 대상으로 열을 공급하고 최대 75%의 에너지 절감을 목표로 성능을 관리하고 있다. 일본에서는 후쿠오카의 모모치 지구가 1993년부터 해수 열원 히트펌프와 흡수식 히트펌프를 조합한 축열식 시스템을 운영해 오고 있다. 3,000 RT급 장비 세 대를 포함해 총 22,000 RT 규모로 설비를 구성하고 기존 보일러와 흡수식 방식 대비 에너지사용 41% 절감, COP 50% 감소, NO₂ 58% 감소를 달성했다. 스톡홀름의 Vaertan 플랜트는 지역난방과 냉방 2,700 GWh 그리고 전력 600 GWh를 담당하며 도시 난방의 약 70%를 공급하고 있다. 같은 도시의 하마르뷔베르케트는 정화수의 잔열을 회수하여 총 225 MW 규모의 히트펌프 일곱 대로 네트워크 구축하여 운영하고 있다. 1986년 이후 NOx를 50% 줄이고 SOx를 66% 줄였으며 먼지 배출을 61톤에서 53톤으로 감소시키는 성과를 달성했다. 항만 냉수를 활용한 하계 냉방과 데이터센터 폐열의 네트워크 통합은 분산 열원의 이용률을 끌어올리고 향후 도시 난방 수요의 10%를 데이터센터 열로 충당할 수 있을 것으로 기대된다.

영국의 사례는 강수와 지하수 열을 건물군의 열수요와 연결하여 도시의 탄소 저감 계획을 구현할 수 있음을 보여준다. 런던의 Kingston Heights는 템스강의 수열을 사용하여 2.3 MW의 열을 137세대 아파트와 145실 호텔에 공급하여 연간 500톤 이상의 CO₂를 절감하고, 영국의 환경청 기준을 준수하여 취수수를 원수 대비 3℃ 이내 온도차로 환류하여 환경 영향을 최소화하고 있다. 사우스워크의 Consort와 Newington 그리고 Wyndham 주거지는 120 m 깊이의 지하수 열원을 이용하는 약 1.5 MW급 히트펌프를 설치하여 2,175 가구에 난방과 온수를 안정적으로 제공하고 있으며, 이 프로젝트는 저탄소 에너지 전환을 실질적으로 견인하고 있다.

스위스 알프스의 도시는 호수 심층수의 온도 안정성과 대규모 배관망을 결합하는 사례를 보여준다. 제네바 CONCERTO 프로젝트는 호수 표면 아래 35 m에서 6~9℃의 물을 취수하여 냉각과 히트펌프 난방에 활용한다. 36.8만 m² 규모의 기존 및 신규 건물을 네트워크로 연결하였고, 에너지 소비 25% 절감과 재생에너지 비중 20%를 목표로 운영 중이다. 같은 도시의 GeniLac는 45 m 심층수를 열원으로 사용하여 48℃ 온수를 생산하고, 30 km 배관을 확장하여 도심과 공항 그리고 주요 병원으로 공급 범위를 넓히고, 2035년까지 연간 7만 tCO₂ 저감을 목표로 운영하고 있다. 또한, 로잔의 로잔연방공과대학(EPFL)과 로잔대학교(UNIL)는 레만호 심층수를 열교환기로 이용하는 냉난방 시스템을 구축하고, 다수의 교육 및 연구용 건물의 열수요를 충족시키고 있다. 화석연료를 대체함으로써 연간 약 80%의 탄소 배출량을 저감시켰다.

3.2 국내 사례

국내에서는 다양한 수열원 히트펌프 시스템이 상업시설, 교육기관, 리조트, 하수처리장 등에서 적용되고 있다. 대표적인 사례 일부를 Table 2에 정리하여 제시한다. 부산 롯데마트 광복점은 국내 최초로 상업용 대형 건물에 해양에너지를 활용한 냉․난방 시스템을 도입한 사례로, 2014년 준공 이후 운영 중이다. 이 시스템은 해수를 취수하여 펌프, 필터, 열교환기를 거쳐 냉난방에 활용하며, 하절기에는 냉방, 동절기에는 난방을 제공한다. 열교환기는 티타늄 합금으로 제작되어 부식 방지 기능을 갖추고, 이산화염소 주입으로 미생물 오염을 예방하고 있다. 한편, 부산 영도의 국립한국해양대학교 아치 캠퍼스의 국제교류협력관은 해수 온도차를 활용한 냉난방 시스템을 적용하여 대기와 해수 온도차가 10℃ 일 때, 약 54%의 에너지 절감 효과를 보였다. 강원도 쏠비치 삼척 리조트는 해수열을 활용해 연간 약 131 Tonnes of Oil Equivalent(TOE)의 에너지를 절감하고, 약 255.5톤의 CO₂ 배출량을 줄이는데 기여하고 있다. 서울 제2롯데월드는 국내 최대 규모의 수열 냉난방 시스템을 운영 중이며, 심야전력을 활용해 냉․온열을 축열조에 저장 후 주간에 사용한다. 이 시스템은 시간당 약 3,000 RT의 냉난방 용량을 제공하며, 에너지 사용량과 온실가스 배출량을 각각 35.8%, 37.7% 감소시켰다. 부산 낙동강 화훼단지에서는 하천수를 열원으로 활용해 온실 난방에 적용, 기존 경유 연료를 대체하여 에너지 효율을 높였다. 강원도에서는 소양강댐 심층수를 활용한 대규모 수열에너지 융복합 클러스터 조성 사업이 추진 중이며, 2027년 완공을 목표로 하고 있다. 서울 서남 물재생센터는 하수열을 회수해 지역난방에 활용, 연간 15만 Gcal의 열을 공급하였다. 대구 서부 하수처리장도 하수 열원 히트펌프를 도입해 관리사무소 냉난방에 활용하고 있으며 에너지 효율을 높이고 환경 부담을 줄였다. 이러한 사례들은 에너지 절감, 비용 절감, 온실가스 저감 등 친환경 효과를 제공하며, 국내 수열원 히트펌프 기술의 확산 가능성을 보여주고 있다.