본 가이드라인은 하수도 사업에서 비용저감 및 재생가능 에너지 창출 등을 목표로 하수도 혁신적 기술 중 하나인 “관로 내 설치형 열회수 기술을 이용한 하수 열이용 기술”에 관해 하수도 사업자 및 민간사업자가 도입 검토할 경우 참고할 수 있는 자료로서 책정한 것이다.

본 기술의 목적은 하수관로 내에 관로 공사와 동시에 열교환기를 설치하여 회수한 하수열을 공조, 급탕 또는 융설에 이용함으로써 열수요측은 종래 열이용 기술과 비교하여 비용저감 및 에너지 소비량이 저감되고, 하수도 관리자에게는 온실가스 배출량 저감 및 지역환경 공헌을 도모하는 것이다.

본 기술은 채열설비, 열원설비 및 열부하 설비로 이루어진다. 다만 열부하설비에 관한 사항(설계방법 등)은 본 가이드라인의 대상 외로 한다. 채열설비의 관로 내 설치형 열교환기는 하수관로 내를 흐르는 미처리수와 열원수가 열교환하는 원리를 이용하고 있으며, 공조, 급탕 및 융설 용도로 이용한다.

(1) 시스템 구성
본 기술은 채열설비, 열원설비 및 열부하설비로 구성된 시스템(하수열 이용 시스템)이다.

(2) 시스템의 원리
하수온도는 1년 내내 안정되어 있으며, 여름에는 외기온도보다 낮고, 겨울에는 높은 것이 특징이다. 때문에 하수와 외기의 온도차를 활용하여, 히트펌프를 조합함으로써 회수된 하수열은 냉난방 등의 열원으로서 고효율로 이용될 수 있다. 히트펌프는 열이 고온측에서 저온측으로 이동하는 열역학 제2법칙과 물자를 압축하면 고온이 되고, 확장시키면 저온이 되는 원리를 이용한다. 난방과 급탕에 이용하는 경우 하수에서의 회수열량과 전력량의 합계가 히트펌프의 출력이 된다. 이때 투입한 전력1에 대하여 4의 일을 수행함으로써 히트펌프 COP(성적계수)는 4가 된다.

다음으로 히트펌프를 포함한 시스템 전체에서의 열이동(난방 이용 시)에 대하여 설명한다. 저온(7℃)에서 하수관로 내에 설치된 열회수관으로 투입된 열원수는 열원수보다 고온(예를 들어 15℃)의 하수와 열교환함으로써 12℃까지의 온도가 상승한다. 온도가 상승한 열원수가 히트펌프 내부에서 팽창하여 저온(12℃ 이하)이 된 냉매와 열교환함으로써 다시 7℃로 온도가 저하되고, 열원수 배관 내를 순환한다(최대 공조부하시에 열원수측에서 이용하는 온도차가 5℃가 되도록 설비의 설계를 한 경우). 한편 히트펌프 내부에서는 열원수에서 회수한 열을 열부하측으로 전달하기 위하여 냉매를 압축하여 고온(50℃℃ 이상)으로 하고 냉온수(히트펌프로의 투입온도 45℃)로 열교환한다.

이것으로 냉온수를 50℃까지 온도를 상승시켜 열부하로 공급되는 구조이다(최대 공조부하 시에 냉온수측에서 이용하는 온도차가 5℃가 되도록 설비의 설계를 수행한 경우). 급탕과 융설의 경우는 열부하측의 온도역이 다르나 원리는 공조이용에서의 난방과 동일하다. 난방의 경우 압축과 팽창의 사이클이 역으로 되며, 냉온수에서 열을 회수하고, 열원수로의 열을 방출한다.

(3) 이용 용도
본 시스템의 이용 용도로서는 공조, 급탕 및 융설이 있으며, 수열원 히트펌프를 포함하는 채열측의 구조는 동일하다. 공조이용의 경우 히트펌프로 만들어진 냉온수는 냉온수 배관을 매개로 하여 실내기(팬 코일 유닛 등)에서 냉온수가 사용되며, 온도가 저하되어 다시 히트펌프로 되돌아오는 순환구조이다. 급탕이용의 경우 히트펌프로 만들어진 온수는 저유조에 저장되어, 거기서부터 수도꼭지로 공급되어 사용된다. 온수가 방열관(융설 패널)에서 사용된 후 온수는 온도가 저하되어 다시 히트펌프로 되돌아가는 순환구조이다.

본 기술은 종래의 관로 외 설치형 회수기술과 비교하여 다음과 같은 특징을 가진다.
(1) 건설비, 유지관리비의 감축이 가능하다.
(2) 에너지소비량 삭감, 온실가스 배출량 삭감이 가능하다.
(3) 도시부에 면적(面的)으로 부설된 하수관로를 이용하기 위하여 광역으로 도입이 가능하다.

채열설비는 다음과 같은 특징을 가진다.
(1) 미처리수와 열회수관이 직접 닿는 구조에 의한 효율적 열회수를 실현
(2) 마모성과 내약품성에 뛰어나다.
(3) 유하성능에 대한 영향, 오염, 부착에 의한 열교환성능에 대한 영향이 적다.
(4) 유닛구조에 의한 임의 연장에 대한 적용성과 균일한 열교환

(그림 1) 본 시스템 각 설비의 배치
(그림 2) 하수열 이용방식과 공기열원방식의 효율비교
(그림 3) 시스템 전체로의 열 이동(난방시의 예)

[출처 =  KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』/ 2014년 10월 15일]