온실가스 규제 강화와 에너지 가격 상승으로 미국 내 히트펌프(Heat Pump) 보급이 한창이다. 히트펌프는 친환경 냉난방이 가능하고 가스보일러에 비해 난방 효율이 약 3배 좋은 것으로 분석된다. 또 가스보일러와 달리 온실가스를 배출하지 않아 기후변화 대응을 위한 장치로도 주목받는다. 미국 정부는 히트펌프가 기후 문제 완화를 위한 핵심 기술임을 인식하고 기존 온수기를 히트펌프로 전환하기 위한 정책을 추진하고 있다.

미국, 히트펌프 및 콘덴싱 기술 적용 의무화 추진

미국 에너지부는 에너지 절약을 실천하기 위해 에어컨, 세탁기, 냉장고 등 가정용 기기 18개 제품에 대한 에너지 효율 기준을 강화해 왔다. 그 일환으로 2023년 7월 소비자들이 연간 114억 달러의 전기세와 수도세 절약을 위해 새로운 온수기 규정을 발표했다. 온수기 규정이 개정된 것은 지난 2010년 미국 의회가 주거용 온수 표준을 도입한 이후 13년 만이다. 이 규정은 앞으로 공개 의견 수렴을 거쳐 최종 확정하는 절차를 남겨두고 있으며 확정될 경우 2029년부터 시행될 예정이다.

이 개정안의 적용대상은 가정용 온수기(Consumer Boilers)로 열에너지 보급원에 따라 구분된다. 포함한다. 온수기는 보통 160psig 물 압력 및 250°F 물 온도에서 작동되며, 물을 끓이기 위해 전기를 사용하는지 또는 가스 등을 사용해 15psig 증기 압력 이하의 상태를 만드는지에 따라 전기온수기, 저압 증기 온수기 등으로 구분된다.

공개된 규정 초안에 따르면 2029년부터 판매되는 일반 전기온수기는 히트펌프 기술을, 가스 순간온수기(gas-fired instantenous water heater)는 콘덴싱 기술*을 의무 도입해야 하며 이를 통해 두 온수기 모두 효율성이 향상될 것으로 기대한다. 또한 가정용 보일러 시험 기준에 대해서는 최소 연간 연료 이용 효율과 대기 모드 전력 소비 및 꺼짐 모드 전력 소비에 대한 기준을 변경했다.

  주*: 콘덴싱 기술은 온수기 작동 시 발생하는 배기가스에 숨어 있는 열을 방출하지 않고 재사용하는 기술

미국 에너지부에 따르면 미국 내 온수난방은 연간 주거용 에너지 사용량의 13%를 차지한다고 한다. 그렇기에 미국 에너지부는 2029년 도입될 히트펌프와 콘덴싱 의무화 규정을 통해 향후 30년 동안 5억 미터톤 이상의 탄소 배출을 저감하고 연간 약 114억 달러(약 14조 원)의 에너지 및 수도 요금을 절약할 것으로 분석했다. 또한 세계경제포럼은 히트펌프의 설치 비용이 설비 한 개당 3000~6000달러 정도로 높으나 수명이 15년 이상이므로 다른 난방장치에 비해 경제적일 수 있다고 분석했다.

히트펌프 종류

히트펌프가 기후 문제 완화를 위한 핵심 기술로 부각되면서 이미 미국은 히트펌프로 급속히 전환하기 위한 에너지 효율 기준을 강화하는 조치를 취하고 있다. 히트펌프는 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하는 난방장치이다. 즉, 특정 장소의 열에너지를 흡수해서 다른 곳으로 이동시키는 장치로 에어컨디셔너와 냉장고와 같은 가전제품에 사용되고 있다. 히트펌프의 종류는 열에너지를 어디에서 가져오느냐에 따라 공기열, 지열, 수열 등으로 구분되며 공기열 히트펌프는 덕트 사용 여부에 따라 구분된다.

<히트펌프 종류> 

[자료: 미국 에너지부]

① 덕트 연결형 공기열 히트펌프(Ducted Air-Source Heat Pumps)

가장 흔한 히트펌프 유형은 공기열 펌프로, 집과 외부 공기 간에 열을 전달한다. 덕트를 통해 연결되는 히트펌프는 에어컨 실외기처럼 생겼으며, 집 밖의 공기, 물 또는 지하에서 열을 수집하고 실내에서 사용하기 위해 농축시킨다. 히트펌프는 전기 저항 난방(난로 및 베이스보드 히터와 같은)과 비교해 난방에 사용되는 전기 사용량을 약 50% 감소시킬 수 있다. 고효율 히트펌프는 표준 중앙 에어컨보다 습도를 효과적으로 제어해 여름에 더 적은 에너지 사용과 냉각을 제공한다. 공기열 펌프는 미국의 거의 모든 지역에서 많은 해 동안 사용돼 왔으며 해당 기술은 계속 발전하고 있다.

② 덕트 미사용 공기열 히트펌프(Ductless Air-Source Heat Pumps)

냉각을 제공하는 덕트를 사용하지 않는 미니 분할 히트펌프도 있는데, 이를 덕트 미사용 공기열 히트펌프라고 한다. 또한 '역 주기 칠러(reverse cycle chiller)'라고 불리는 특별한 유형의 공기열 펌프도 있으며, 이는 공기 대신 물을 생산하므로 난방 모드에서 라디언트 플로어 난방 시스템과 함께 사용할 수 있다.

③ 지열 히트펌프(Geothermal Heat Pumps)

지열(또는 지하 열원) 히트펌프는 집과 땅 또는 인근 수원지 간에 열을 전달해 더 높은 효율을 달성한다. 설치 비용은 높지만 상대적으로 일정하게 유지되는 지하 또는 수중 온도를 활용하기 때문에 운영 비용이 낮다. 지열 히트펌프는 몇 가지 큰 장점이 있다. 에너지 사용량을 30~60% 감소시킬 수 있으며 습도를 제어하고 튼튼하며 신뢰성이 있으며 다양한 유형의 주택에 적합하다. 특히 공기 출처 히트펌프보다 더 극한 기후에서 사용할 수 있으며 시스템에 대한 고객 만족도가 매우 높다.

④ 흡수 히트펌프(Absorption Heat Pumps)

흡수 히트펌프(AHP) 또는 가스 난방 히트펌프라고도 불리는 주거용 히트펌프 유형이 있다. 흡수 히트펌프는 열 또는 열 에너지를 에너지 원천으로 사용하며 천연 가스 연소, 증기 태양열 물, 공기 또는 지열 가열 물과 같은 다양한 열원을 사용해 작동할 수 있으므로, 기계 에너지로 작동되는 압축 열 펌프와는 다르다. AHP는 더 복잡하며 압축 히트펌프에 비해 큰 단위가 필요하다. 이러한 히트펌프의 낮은 전기 수요는 액체 펌핑에만 관련돼 있다.

히트펌프의 주요 기술

히트펌프의 장점은 가스나 전기를 사용해 직접 열에너지를 발생시키는 방식(발열)과 달리 열전달에만 에너지를 사용하기 때문에 효율이 높다. 특히 공기열 히트펌프는 냉매를 이용해 실외 공기의 열을 실내로 끌어온다는 점에서, 에어컨의 원리를 거꾸로 적용한 것이다. 그렇기에 히트펌프는 냉매, 콘덴싱 기술, 압축기 등에서의 기술 발전이 필수적이다.

① 냉매

기술의 핵심은 냉매다. 냉매는 히트펌프 배관을 따라 이동하면서 열을 흡수했다가 방출하는 유체로 이 유체를 이동시키는데 전기가 사용된다. 냉매의 끓는 점은 영하 25도로 매우 낮다. 실외에 있던 냉매가 끓는 점에 도달할 만큼 데워지면 액체에서 기체로 형태가 바뀐다. 기체가 된 냉매는 압축기를 통과하며 온도가 더욱 높아져, 또 다른 열 교환기를 지나 37도 이상으로 따뜻하게 데워진다. 이후 상대적으로 온도가 낮은 방안으로 흐르면서 자연스럽게 실내 난방이 공급된다.

② 콘덴싱 기술

콘덴싱 기술은 한 번 연소된 배기가스의 열을 재활용하는 기술이다. 보일러 내부의 콘덴서 장비가 배기가스의 수증기를 물방울로 응축(증기로부터 액체나 고체가 형성되는 현상)시키면, 이때 발생하는 열을 열 교환기가 추출해 추가적인 에너지로 변환시키는 구조다. 에너지 효율 제고를 위한 법률 제정을 목표로 하는 비영리단체인 '가전제품 표준 인식 프로젝트(Appliance Standard Awareness Project)'의 최신 보고서에 따르면, 콘덴싱 기술이 적용된 가정용 가스 온수기는 약 25% 적은 에너지를 사용한다고 한다.

③ 압축기

전형적인 압축기가 완전 용량에서만 작동할 수 있는 반면, 두 단계 압축기(two-speed compressors)는 히트펌프가 어느 특정 실외 온도에서 필요한 난방 또는 냉각 용량에 가깝게 작동해 온/오프 작동 및 압축기의 마모를 줄여 에너지를 절약할 수 있다. 두 단계 히트펌프는 또한 존 제어 시스템(zone control system)과 잘 작동한다. 일반적으로 큰 주택에서 쓰이는 존 제어 시스템은 히트펌프가 각 방에서 각기 다른 온도를 유지하도록 자동 개폐장치를 사용한다. 

히트펌프 기술의 또 다른 발전은 스크롤 압축기(scroll compressor)로 두 개의 나선 모양 스크롤로 구성돼 있다. 하나는 고정돼 있고, 다른 하나는 주변을 돌며 냉매를 점점 더 작은 영역으로 압축시킨다. 전형적인 피스톤 압축기와 비교해 스크롤 압축기는 더 긴 운영 수명을 가지고 있으며 조용하다. 스크롤 압축기 히트펌프는 난방 모드에서 기존 피스톤 압축기 히트펌프와 비교해 10°F(5.6°C)에서 15°F(8.3°C) 더 따뜻한 공기를 제공하는 것으로 나타났다.

대부분 히트펌프는 난방 시 전기 저항 히터를 백업으로 사용하지만, 히트펌프를 보완하기 위해 가스난로와 함께 장착되는 경우도 있다. 이는 낮은 온도에서 히트펌프의 효율이 떨어지는 문제를 해결하고 전기 사용량을 줄인다. 두 종류의 열을 하나의 상자에 모두 통합하는 히트펌프를 제조하는 기업도 있다. 이렇게 구성하는 경우에는 두 개 시스템이 덕트워크를 공유하는 형태의 제품이 있다. 퇴적물 연료 난로 또는 표준 히트펌프 단독과 비교해 이러한 유형의 시스템은 더 경제적일 수도 있다.

④ 모터

히트펌프의 일부 모델은 실내 팬(블로워) 및 외부 팬에 가변 속도(variable-speed)나 이중 속도(dual-speed) 모터를 장착한다. 이 중 가변 속도 제어는 공기의 속도를 최적화해 찬 바람을 최소화하고 전기 절약을 극대화한다. 또한 팬이 최고 속도로 작동할 때의 소음을 최소화한다.

⑤ 과열기

일부 고효율 히트펌프는 데스퍼히터(desuperheater)를 장착하고 있으며, 데스퍼히터가 히트펌프의 냉각 모드에서 낭비 열을 회수해 물을 가열하는 데 사용된다. 데스퍼히터가 장착된 히트펌프는 일반 전기온수기에 비해 물을 2~3배 더 효율적으로 가열할 수 있다.

시사점

미국 에너지부는 2023년 한 해에만 18개 제품에 대해 에너지 효율을 높이기 위한 규정 초안을 제시하거나 최종안을 도입했다. 이를 통해 가전제품 및 산업 장비 전반에 걸쳐 신뢰성을 제고하고 에너지 절약을 실천하기 위한 정책에 우선순위를 두고 있다. 이번에 마련한 새로운 규정은 바이든 정부 경제의 핵심인 소비자 비용 저감정책을 강화하고, 전국 근로자 가정의 에너지 비용을 낮추기 위한 정부 노력의 일환이다.

현지 진출 기업 K사에 의하면 최근 바이든 정부의 정책 등에 힘입어 미국 내 난방용 온수기 및 관련 품목의 수요가 동반 증가할 것으로 기대된다. 이에 히트펌프 수요는 탄소중립을 위한 온실가스 규제와 냉매물질 규제 강화 등으로 급격히 증가할 것으로 예상된다. 미국은 인플레이션감축법(IRA) 등으로 히트펌프 설치비 부담을 크게 낮춰주는 등 히트펌프 보급에 각종 지원금과 세제혜택을 주고 있다. 이 같은 정책으로 소비자가 에너지 효율적인 모델로 전환을 가속화하고, 저렴한 가격의 다양한 제품군이 확대될 것으로 보인다.

온수기 제조업체들은 온수기 에너지 효율성을 높이는 히트펌프 기술을 통해 공개된 표준 기준을 충족하면서 기술적으로 구현이 가능한 제품 개발이 필요하다. 우리 기업들은 미 현지에서 요구되는 기준을 충족하는 제품 개발을 위해 히트펌프와 콘덴싱 기술을 적용하고, 소득 구간별로 상이한 수요에 맞춘 다양한 제품군에 대한 영업 전략도 고려해야 할 것이다.

자료: 미국 에너지부, 미국연방규정집, Code of Federal Regulations System, Appliance Standard Awareness Project, International Energy Agency, 기업별 홈페이지 등 KOTRA 시카고 무역관 자료 종합