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매그플러스, 냉·온수 동시 생산 히트펌프 개발

350kW급·GWP 10↓ 적용…기계연·생기원·충남대 참여



살균, 세척, 냉각이 동시에 요구되는 식품공정이나 가열과 냉각이 동시에 필요한 반도체 세정공정 등에 활용하는 산업용 히트펌프로 70℃ 이상 높은 온도차의 냉온수를 동시에 생산할 수 있으며 기존 히트펌프에 비해 초기 냉매충전량이 혁신적으로 낮으면서 GWP 10 이하 친환경 냉매를 사용하는 가열 용량기준 350kW급 산업용 히트펌프가 개발된다. 

이번 개발과제는 ‘소량 냉매사용 및 냉온수 동시생산이 가능한 산업용 히트펌프 기술개발’로 무급유 냉매압축기를 개발한 매그플러스(대표 황준현)가 총괄을 맡았으며 △한국기계연구원(총괄: 김동호 선임연구원) △한국생산기술연구원(총괄: 김선창 수석연구원) △충남대학교(총괄: 조한욱 교수) 등이 참여해 오는 2023년 12월까지 개발할 계획이다. 

이번 과제에서 히트펌프의 핵심인 압축기에는 HFO계열의 Low GWP냉매를 적용되며 70℃ 이상 높은 온도차에 적용이 가능케 개발된다. 또한 현존하는 냉매압축기 종류 중 최고 효율을 달성할 수 있으면서 냉매오일을 사용하지 않은 2단 터보 냉매압축기를 신규로 개발해 적용할 예정이다. 

특히 히트펌프를 비롯해 냉동기, 에어컨 등 각종 증기압축식 사이클 이용기기 부분에서 지구온난화가스 저감의 중요한 이슈가 되고 있는 냉매 충전량 감소를 위해 기존 원통 다관형대비 40% 이상 초기 냉매 봉입량 감소가 가능한 증발기 및 응축기를 신규로 개발하게 된다. 

매그플러스의 관계자는 “이번 과제의 최종 목표는 70℃ 이상 높은 온도차에 적용이 가능한 가열 능력기준 350kW급 산업용 히트펌프를 개발하는 것”이라며 “히트펌프는 냉·온수 혹은 높은 온도차가 동시에 요구되는 각종 산업공정에 현재 주로 적용되고 있는 보일러+냉동기를 1대의 기기로 대체가 가능한 핵심기기이며 개발품은 현재 시장이 형성돼 있는 폐열회수형 산업용 히트펌프로도 활용이 가능하다”고 밝혔다. 

목표 달성 요구 조건은 

국제에너지기구(IEA)의 발표에 따르면 히트펌프는 온수 생산을 위해 사용한 연소식 보일러에 비해 1차 에너지와 이산화탄소(CO₂)를 각각 60%, 70% 이상 감소시킬 수 있는 대표적인 에너지 절약기기로 냉수를 동시에 생산해 이용할 경우 기대효과는 더욱 크게 증가하게 된다. 

살균, 세척, 냉각이 동시에 요구되는 식품회사에서 공조와 가공공정을 위해 냉·온수 동시 공급 히트펌프를 적용한 사례를 보면 적용 후 이산화탄소 배출량과 에너지비용을 각각 87%, 80% 감소를 달성하기도 했다. 

올해 1월부터 시행되고 있는 키갈리개정서와 이미 적용돼 큰 영향을 미치고 있는 유럽연합의 F-가스 규제정책 등에 따라 현재까지 Low GWP 냉매들이 개발돼 있으나 각 시스템에 최적화하는 연구는 반드시 필요한 상황이다.

70℃ 이상 높은 온도차에 적용이 가능한 R1234ze, R1233zd, R1336mzz 등 HFO계열의 Low GWP(10 이하) 냉매를 우선 적용하는 것이 최우선이며 히트펌프 시스템의 핵심기기인 터보압축기는 효율 향상을 위한 다단화, 부하 추종을 위한 인버터 제어와 모듈화 및 기계적 접촉이 없어 효율향상이 가능한 무급유 베어링 적용 등이 주요 기술동향이 되고 있다.
 
이번 과제에서 적용 예정인 10 이하 Low GWP 냉매들을 적용하고 무급유를 위해 자기베어링을 활용하며 고압축비 문제 해결을 위한 2단 터보압축기는 현재 세계적으로 개발된 바가 없는 하이테크기술로 평가받고 있다.

또한 냉매압축기의 경우 상대적으로 낮은 밀도의 냉매로 인해 임펠러 사이즈가 커지고 높은 압축비를 얻기 위해 고속으로 운전이 필요하다. 하지만  고온에 노출되고 높은 트러스트 하중을 견뎌야 하는 자기베어링 설계·제작기술과 무거운 편심형 2단 압축기 헤드의 안정적 동특성 운전을 위해 로버스트한 센서와 액추에이터의 제작기술 및 베어링 제어기술이 요구되고 있다. 이러한 고속운전을 위해 공력부와 직결된 모터프레임 내부의 베어링 및 모터 등의 냉각기술 또한 기존의 무급유터보 냉매압축기 상용화 기술에 추가되는 열균형 제어기술이 필요한 상황이다.

기존의 만액식대비 초기 냉매 봉입량을 40% 이상 획기적으로 감소시키는 열교환기는 R134a와 같은 기존 냉매에 대해 유하액막식 등이 상용화돼 있으나 Low GWP 냉매로 대체할 경우 전열관을 비롯해 분배시스템 기술 등의 개발이 필수적이다. 이외에도 다양한 형태의 열교환기가 현재 아이디어 차원에서 제시돼 있는 정도로 기술 난이도가 상당히 높다. 

고속으로 회전하는 터보압축기는 부분부하 특성이 매우 우수한 반면 서징과 쵸킹 발생의 운전영역이 존재해 히트펌프 운전에 대한 기본적인 성능맵 도출뿐만 아니라 시동과 정지를 포함한 다양한 운전영역에서 운전이 가능토록 신뢰성이 높은 시스템기술이 요구되고 있다. 

목표 달성 시 파급 효과 커 

산업용 히트펌프는 산업공정의 온실가스를 획기적으로 저감하는 수단으로 각광받고 있으며 현재 국제적인 협력연구가 활발하게 진행되고 있다. 매우 다양한 산업공정에 적용돼 우수한 효과를 달성한 사례가 꾸준하게 발표되고 있다. 

현재 시장에서 활용이 가능한 히트펌프는 온수의 토출온도가 약 90℃로 제한돼 있는 상태이며 금속, 화학, 제지 등 각종 산업공정상 세척, 증발, 건조 등에 요구하는 매체의 온도는 150℃ 이상이다. 특히 히트펌프의 장점을 극대화할 수 있는 대온차 냉·온수 동시 생산 히트펌프는 전무한 상황이다.

산업용 공정으로 높은 온도를 요구하는 제품도 가치가 있지만 실제 다양한 산업공정에 적용해 1차 에너지소비를 감축하는데 있어 고온수를 생산하고 저온수를 활용하는 동시 냉·온수생산 히트펌프는 매우 제한적이다.

결국 이번 과제에서 개발코자 하는 무급유 2단 터보압축기는 70℃ 이상 높은 온도차 즉, 압력차 극복이 가능토록 하는 핵심부품으로 Low GWP냉매용으로는 현재 세계적으로 개발돼 있지 않다. 기존 증발기에 냉매를 채우는 만액식 대신 초기 냉매충전량 감소를 위한 기술개발은 아이디어 도출 단계에 있다.

그러나 확보된 무급유 2단 터보압축기, 저 냉매량 충전 증발기·응축기 등의 핵심부품 및 시스템기술은 원천기술 성격이 강한 만큼 향후 개발이 이뤄질 경우 각종 새로운 냉매와 타 냉동공조기계 제품 개발에도 활용이 가능할 것으로 기대된다. 

생활과 산업활동에서 필요한 열 중 히트펌프로 공급 가능한 부분은 아직까지 상대적으로 낮은 온도이기에 히트펌프로 생산 가능한 온도한계를 넓히는 연구는 계속 진행되고 있다. 생산되는 온도에 따라 다양한 산업분야에 적용할 수 있는 가능성이 확대될 수 있다.  

산업공정에서 가장 많이 사용되고 있는 증기생산과 사용에 대해 히트펌프분야에서 높은 기술력을 보유하고 있는 일본에서 최근 조사한 자료에 따르면 29개의 증기이용 공정에 대한 실제 조사 결과 효과적인 증기이용율은 각종 손실(연소 10%, 배관 26%, 드레인 10%)로 인해 입력에너지의 54% 정도 수준이며 공정 성능계수(COP: Coefficient Of Performance) 3~5의 히트펌프를 적용하게 되면 50~70%의 에너지절감이 가능한 것으로 나타났다.  

매그플러스의 관계자는 “이번 과제는 국가에너지를 가장 많이 사용하는 산업분야에서 히트펌프 적용 사례가 지속적으로 증가하고 있어 향후 크게 성장이 될 세계시장에서 경쟁력을 확보할 수 있는 기회를 제공할 수 있을 것”이라고 강조했다.

유럽의 F-gas 규제 등 지구온난화가스 감축정책이 냉매 충전량 쿼터제 실시 등의 제약적인 규제를 제기하고 있으며 다른 공조기계에 비해 냉매충전량이 많은 대형냉동기나 산업용 히트펌프는 냉매충전량 감소를 위한 연구개발이 시급히 요구되고 있다.

국내의 경우는 F-gas 규제와 관련 선진국으로 분류가 되지 않고 있는 상황과 판매가 되고 있는 Low GWP냉매가 고가이기 때문에 기술과 제품 개발을 활발하게 진행하고 있는 선진기업들과 달리 국내의 관련 업체들은 향후 시장에서 반드시 요구하고 있는 제품 개발을 주저하고 있으며 관망하고 있는 상황이다.

이에 따라 우리나라도 서명을 한 신기후체제 협약 준수하고 국내 기업의 해외경쟁력 확보를 위해서는 GWP가 높은 HFC 대체를 위한 Low GWP냉매 사용 및 냉매 충전량 감소 관련 연구가 필요하며 다양한 분야에 개발기술 활용이 요구되고 있다. 이번 과제에 적용되는 유하액막식 증발기는 기존 같은 용량 제품대비 냉매 봉입량을 40%를 줄일 수 있다.