“히트펌프 보급, 재생에너지 확대와 함께 가야 의미 있어”

▲냉난방 겸용 공기열 히트펌프의 외부 열교환기. (사진=위키피디아)

전 세계적으로 기후 위기 대응이 시급한 과제로 떠오른 가운데, 화석연료를 직접 태우는 대신 외부의 열을 옮겨 난방하는 '히트펌프'가 탄소 중립을 위한 핵심 기술로 주목받고 있다.

국내에서도 2050 탄소 중립 달성을 위해 건물 부문의 온실가스 배출을 줄여야 하는 상황이라 보급 확대를 둘러싼 논의가 진행되고 있다.

기후에너지환경부를 비롯해 히트펌프를 적극적으로 보급해야 한다는 주장이 나오지만 다른 한편에서는 기대에 못 미치는 에너지 효율이나 높은 초기 비용 등을 들어 신중하게 접근해야 한다는 목소리도 나오고 있다.

당장 21일에도 국회에서는 기후에너지환경노동위원회 소속 김소희 의원(국민의 힘) 주최로 '공기열 히트펌프, 과연 재생에너지인가'를 주제로 토론회가 열렸고, 정부의 급속한 보급 확대를 비판하는 목소리도 나왔다.

◇ 압도적인 탄소 저감 효과와 에너지 효율

히트펌프는 투입된 전기 에너지보다 몇 배 많은 열 에너지를 공급할 수 있는 고효율 장치다. 전기에너지를 투입해 차가운 장소에서 따뜻한 장소로 열 에너지를 강제로 이동시킨다. 여름철 실내를 식히는 에어컨을 반대 방향으로 트는 것과 같은 원리다. 뜨거운 열기를 내뿜는 실외기를 실내에 두는 셈이다.

히트펌프의 효율성을 나타내는 성능 계수(COP)는 보통 3.0 이상으로, 전기 1kWh를 투입해 3kWh 이상의 열을 생산할 수 있다. 이러한 특성 덕분에 이미 존재하는 공기·지열·수열 등의 열원을 활용해 난방비를 획기적으로 줄일 수 있다.

한국산업기술시험원 소속 최준영 수석연구원과 이기원 주임연구원이 지난해 11월 '대한설비공학회(Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering)'에 발표한 연구에 따르면, 국내 단독주택 난방 시스템을 고효율 히트펌프로 전면 전환할 경우 국가 전체로 연간 약 364만 톤의 이산화탄소를 감축할 수 있다. 단독주택 난방 및 급탕 부문 온실가스 배출량의 약 36%를 줄일 수 있다는 얘기다.

◇한국의 기후 특성과 실질적인 가동 효율의 과제

하지만 한국의 뚜렷한 사계절과 혹독한 겨울 기온은 히트펌프 보급의 기술적 장벽이 되기도 한다. 대전대 신우철 교수팀은 충남 공주의 단독주택에서 1년간 실측한 데이터를 바탕으로 히트펌프의 실제 운영 효율을 분석, 지난해 12월 국제 학술지 '에너지스(Energies)'에 논문으로 발표했다.

논문에 따르면, 히트펌프의 연간 평균 COP는 난방 시 2.27, 급탕 시 2.06을 기록했다. 영하 10도 이하로 떨어지는 겨울철에는 카탈로그상 성능보다 효율이 약 18%가량 저하되는 현상도 확인됐다.

이 연구는 현재 한국의 전력 생산 방식이 여전히 탄소 집약적이라는 점을 지적했다. 재생에너지 비율이 낮아 전력의 탄소 배출계수가 높은 현재 상황에서는 히트펌프의 이산화탄소 배출량이 콘덴싱 가스보일러보다 약 8.6% 높게 나타날 수도 있다. 따라서 히트펌프가 진정한 친환경 효과를 내기 위해서는 재생에너지 확대와 전력망의 탈탄소화가 반드시 병행돼야 한다.

한편, 농업 분야에서는 뚜렷한 성과가 이미 나타나고 있다. 충남대 정선옥 교수팀이 지난해 '정밀농업과학기술(Precision Agriculture Science and Technology)'에 발표한 실증 연구에 따르면, 스마트 온실에 고온수 공기열 히트펌프를 적용했을 때 기존 경유 보일러 대비 운영비를 약 67% 절감할 수 있었다.

▲농업 현장에서 활용되고 있는 히트펌프. 위는 충남 보령의 커피 바나나 재배 농가, 아래는 논산의 상추 재배 농가에서 설치한 시설이다. (자료=정밀농업과학기술, 2025)

◇초기 비용과 제도적 개선: 보급 확대를 위한 열쇠

경제성 측면에서는 저렴한 운영비에도 불구하고 매우 비싼 초기 설치비가 걸림돌이다. 기존 콘덴싱 보일러는 설치비가 100만 원 이하인 반면, 공기열 히트펌프는 축열조와 제어반을 포함해 약 1400만 원의 비용이 발생한다. <본지 1월 20일자 1면>

이에 기후부에서는 국비로 560만 원, 지방비로 280만 원을 지원하는 방안을 마련하고 있다. 이 경우에도 가구당 약 560만 원의 자기부담금이 발생한다. 기존 가스보일러 설치비와 비교하면 여전히 높은 수준이다.

가정용 전기요금 누진제 문제도 해결해야 할 과제다. 히트펌프를 가동할 경우 월 평균 전기 사용량이 누진제 최고 구간에 진입할 가능성이 크다. 이 때문에 정부는 누진제가 없는 전용 요금제 신설을 검토하고 있다.

아울러 정부는 효율이 높은 히트펌프 기술을 개발에 박차를 가하고 있다. 효율 표준을 강화하고, 계절성능지수(SPF)를 향상시킴으로써 장기적으로 가계의 난방비 부담을 가스 대비 15~20%가량 절감하는 것을 목표로 하고 있다.

SPF는 특정 기간(주로 난방 시즌 전체) 동안 히트펌프가 공급한 총 열에너지와 이때 소비된 총 전기 에너지의 비율을 나타낸다. COP는 특정 순간의 효율인 반면, SPF는 한 시즌(수개월) 동안의 장기적인 평균 효율을 말한다. 카탈로그상의 COP는 주로 히트펌프 단품의 성능에 집중하지만, SPF는 순환 펌프와 보조 가열기 등 시스템 전체를 고려한 포괄적인 지표다. 히트펌프의 경제성과 탄소 저감 효과를 정확히 예측하기 위해서는 단순 COP보다는 실제 기후 조건과 시스템 손실이 반영된 SPF를 사용하는 것이 훨씬 정확한 것으로 알려져 있다.

▲21일 서울 여의도 국회 도서관 소강당에서 열린 공기열 히트펌프 관련 토론회 모습. (사진=강찬수 기자)

◇“검증 안 된 채 보급확대, 탈탄소에 역행"

이날 국회 토론회에서 주제 발표에 나선 홍희기 경희대 기계공학과 교수는 “세계적으로 히트펌프 보급이 늘어나는 추세인 것은 맞지만, 10kW 수준의 소규모 설비가 주종"이라며 “유럽도 빠르게 늘다가 최근 다소 주춤한 상태"라고 말했다.

홍 교수는 “성능이 검증되지 않은 상태에서 히트펌프를 전면적으로 허용할 경우 탄소중립정책에 역행할 수도 있다"면서 “COP가 너무 낮으면 가스보일러보다 탄소 배출량 많을 수도 있기 때문"이라고 지적했다.

그는 또 “전면적으로 가스 보일러를 대체할 경우 전기 소비량이 급증해 전력망이 붕괴 우려가 있고, 대기업이 시장을 독과점할 수도 있다"고 덧붙였다.

임용훈 숙명여대 기계시스템학부 교수는 “히터펌프를 겨울철에 사용하다 보면 급탕(더운물) 사용에서 병목 현상이 생길 수 있다"면서 “축열조와 급탕부스터, 전기보일러 등을 추가 설치할 경우 자부담이 늘어나면서 시장에서 수용되기 어려울 수 있다"고 말했다.

임 교수는 “한국의 재생에너지 비율은 10% 수준이어서 유럽보다 COP 기준이 더 높아야 한다"면서 “이론적 수치로 COP 기준을 정할 것이 아니라 실제로 광범위하게 측정한 다음에 그것을 바탕으로 정해야 한다"고 강조했다.

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◇기술 융합과 미래의 방향성

히트펌프 보급을 확대하려면 기술 개발이 필요하고, 이를 위해 '지능형 제어'와 '에너지 기술 융합' 등이 필요한 것으로 나타났다. 부산대 남유진 교수팀이 지난달 학술지 '에너지 전환 및 관리: X(Energy Conversion and Management: X)'에 발표한 연구는 태양광 열(PVT) 시스템과 히트펌프를 결합하고 딥러닝(DNN)으로 제어하는 하이브리드 시스템을 제시했다. 이 시스템은 실시간 수요에 따라 유량을 조절하여 기존 방식보다 에너지 소비를 2.8% 줄이고 시스템 COP를 5% 향상시켰다.

히트펌프는 단순히 열을 내는 기기를 넘어 전력망의 안정성을 돕는 '유연성 자원'으로 활용될 수 있다. 2025년 스위스 취리히공대(ETH Zurich) 보고서 등에 따르면, 스마트 제어가 적용된 히트펌프는 전력 피크 수요를 최대 90%까지 줄이거나 전력 수입을 20% 감소시키는 등 에너지 안보에 기여할 수 있다.

홍희기 교수도 “공기열 히트펌프만 할 것이 아니라 지열과 수열, 태양열 등과 공생체계(하이브리드)로 하자"고 제안했다.

이슬기 산업연구원 박사는 토론회에서 “히트펌프의 성능은 설치 단계의 정격 성능 외에도 실제 운전 환경에서 얼마나 저하가 되는지도 살펴봐야 한다"면서 “냉매를 친환경적인 것으로 대체하는 문제도 관심을 가져야 한다"고 지적했다.

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◇히트펌프 보급은 필요하지만 철저한 준비를

한국도 히트펌프 보급에 적극적으로 나설 필요가 있다는 데는 전문가들도 동의한다. 건물 부문 온실가스 배출량이 국가 전체의 약 25%를 차지하는 상황에서 히트펌프는 가스보일러를 대체할 유일한 대안이기 때문이다.

다만, 현재의 전력 믹스나 겨울철 저온 환경에서의 효율 저하와 같은 과제를 해결하기 위한 연구개발 등 노력을 병행해야 한다고 입을 모은다. 전력망 문제를 해결하고 재생에너지 확대도 필요하다.

이와 관련, 기후부가 2035년까지 히트펌프 350만 대 보급을 목표로 설정한 만큼 ▶초기 설치비 지원 확대 ▶누진제 없는 전용 요금제 마련 ▶신축 및 기존 건물에 적합한 표준 설계 기준 확립에 박차를 가할 필요가 있다는 지적이 나온다.

권병철 기후부 열산업혁신과장은 이날 토론회에서 “상업용 건물 시스템에어컨은 지원 대상이 아니고 공기로 물을 데우는 방식의 히트펌프만 보급대상"이라고 분명히했다.

권 과장은 “다양한 의견을 수렴해서 기준을 정할 터인데, 김소희 의원이 발의한 법안과 마찬가지로 정부에서도 유럽연합(EU)의 재생에너지 인정 기준인 SPF 2.875보다 높은 수치로 정할 것을 고려하고 있다"고 설명했다.

그는 “올해는 (겨울이 따뜻한) 제주도와 경남·지역을 중심으로 예산 범위 내에서 시범사업을 진행할 계획"이라고 덧붙였다.

강찬수 기후환경 전문기자 kcs25@ekn.kr