1987년 발효된 몬트리올의정서에서 오존파괴지수(ODP: Ozone Depletion Potential) 규제, 1997년 발효된 교토의정서에서 지구온난화지수(GWP: Global Warming Potential) 규제가 시작된 이후 냉매는 CFC, HCFC에 이어 HFC 냉매가 일반화되고 있다. 2016년 발효된 키갈리개정의정서 이후에는 HFC냉매들을 대체할 수 있는 Low GWP 냉매 개발 및 적용이 진행되고 있다.
현재는 GWP가 10 이하인 HFO 냉매 또는 자연냉매로 전환되는 추세이며 건물용 및 상업용 냉동기에 사용되는 냉매들에 대한 Low GWP 대체 냉매들이 개발돼 일부 적용되고 있다.
건물부문 에너지사용량 절감 및 온실가스 배출량 감축에 대한 요구는 점차 강화되고 있으나 냉난방기기 효율 개선에 의한 기여도가 높지 않고 대체냉매의 GWP는 요구 수준에 비해 미흡한 상황이다.
현재 시장에서 통용되는 냉매의 GWP는 R410A기준 2,088 수준이며 GWP가 1,500 이하인 냉매로는 외국 제품을 사용(R32: 675, R448A: 1,273)하고 있으나 국내에서는 안전(가연성 및 독성) 기준과 ODP까지 고려하면 사용 가능 냉매의 선택이 제한적인 상황이다. 특히 친환경 냉매 관련 국내 기술도 확보하지 못했다.
특히 건물 냉난방용으로 많이 사용되는 VRF 히트펌프(시스템에어컨)에 주로 사용되는 R410A(GWP 2,088) 냉매를 대체할 수 있는 Low GWP(≤10)의 냉매는 아직 개발된 바 없다.
기후변화 관련 규제를 선도하는 미국 캘리포니아 Air Resources Board(CARB)에서는 R410A 대체냉매를 사용하는 소형 에어컨(실내용 냉난방기) 신제품에 대해 GWP 750 미만 적용 규제 시작을 기존 2023년에서 2025년 1월, VRF시스템에 대해서는 2026년 1월로 변경했다. 기술분야에서 앞서가는 일본은 가정용 소형 에어컨 신제품은 2018년부터, 상업용 신제품 6HP 이하는 2020년부터 GWP 750 이상은 금지하나 VRF에 대해서는 논의 중이다. 유럽의 경우 냉매량 3kg 이하 소형 에어컨 신제품에 대해서는 2025년부터 GWP 750 미만으로 규제하나 VRF에 대한 규제는 정해지지 않았다.
R410A를 사용하는 시스템에 대한 규제가 다른 냉동기에 비해 지연되고 있는 이유는 이를 대체할 수 있는 Low GWP 냉매가 아직 개발되지 않았기 때문이며 대체냉매가 개발된다면 이러한 규제가 더 강화될 것이다. 이에 따라 대부분의 냉매를 수입해 사용하는 우리나라에서 R410A를 대체할 수 있는 Low GWP 냉매를 개발해 기술 및 시장을 선도하는 것이 국가적으로 필요한 상황이다.
VRF용 대체냉매 개발 부진
현재 R410A 냉매를 대체할 수 있는 냉매 후보로는 GWP 750 이하인 냉매로 R32(GWP: 675)가 있으며 2019년 하니웰에서 개발한 R466A(GWP: 733)가 있다. 관련 기업들에서는 중간단계로 대부분 R32를 이용한 VRF시스템을 개발했거나 개발 중인 상황이다.
R32는 R410A에 비해 더 나은 성능을 보여주지만 약가연성을 가지는 냉매이므로 VRF와 같이 대량의 냉매가 충진되는 시스템에서는 안전문제가 이슈가 돼 아직 우리나라에서는 적용되지 못하고 있다.
그러나 GWP 10 이하의 R1234ze(E) 등의 냉매도 가연성이 이슈가 되고 있기 때문에 관련규정 개정을 통해 조만간에 적용이 가능할 것이다.
GWP 10 이하인 친환경 냉매 적용은 자동차용 에어컨이 선도하고 있다. 최근 국내에서 출시되는 신차 일부에는 R1234yf가 사용되고 있다. 터보냉동기 등 대형 시스템에는 R123을 대체해 R1366mzz(Z), R1233zd(E)가, R134a를 대체해 R1234ze(E), R1224yd(Z)가 고려되고 있으며 선진업체들은 이를 사용한 시스템을 개발, 출시하고 있다. 이러한 추세를 감안하면 빌딩, 주택의 냉난방용 VRF시스템에 Low GWP 냉매를 적용하는 것은 앞으로 피할 수 없는 현실이 될 것으로 예상된다. 이에 따라 이를 선점하는 것은 매우 중요한 일이 되고 있다.
GWP가 낮은 친환경 냉매의 개발 및 적용은 에너지절감에 의한 탄소저감보다는 냉매체제의 전환을 통해 온실가스를 줄이는 것이다.
GWP는 CO₂의 GWP 1을 기준으로 상대적인 지구온난화 척도를 나타내는 것으로 R410A 냉매는 GWP가 2,088이므로 이산화탄소대비 2,000배 이상 지구온난화 효과를 유발한다. 그러므로 GWP 10 이하의 냉매를 개발해 대체한다면 온실가스 저감에 크게 기여할 수 있다.
연구 최종목표는
이번 과제의 최종목표는 냉매규제에 대응 가능한 GWP가 낮은 친환경 대체냉매와 최적화된 건물용 히트펌프(VRF)시스템 기술을 확보하는 것이다. 이에 따라 현 건물용 냉난방시스템에 주로 사용되는 냉매인 R410A를 대체할 수 있는 친환경냉매 기준인 GWP 10 이하이며 A1~A2L등급의 대체냉매 개발 및 성능평가 인프라를 구축하는 것이 핵심이다.
연구과제는 친환경 냉매 개발 및 성능평가와 대체냉매 적용 VRF 최적화 기술개발로 나눠 진행됨에 따라 친환경 냉매 개발 및 성능평가에는 레미, 한국기계연구원, 한국표준과학연구원, 한국냉동공조산업협회가, 대체냉매 적용 VRF 최적화 기술개발에는 오텍캐리어, 한국산업기술시험원, 한국에너지기술연구원, 고려대, 국민대가 참여한다.
친환경 냉매 및 성능평가 개발부문은 △친환경 냉매 개발(GWP<10, 안전성≤A2L) 및 성능평가 인프라 구축 △대체냉매 안전성 평가 기술개발로 다시 나뉜다. 친환경 냉매 개발을 위해 혼합냉매 기반 친환경 냉매 제조기술 및 양산화하고 친환경 냉매 상태방정식 및 열역학적 물성 측정 원천기술을 개발한다. 또한 관련 LCCP, 열전달 물성, 안전성, 적합성, Drop-in 평가 등 DB도 확보할 계획이다.
대체냉매 안전성 평가기술 개발을 위해 A2L급 친환경 냉매 가연성 및 독성 평가를 실시하고 A2L급 냉매시스템 설치 안전성평가 및 안전규격 제·개정도 준비한다.
대체냉매 적용(GWP<750, 안전성≤A2L) VRF 히트펌프시스템 최적화 기술개발부문에서는 대체냉매 적용 VRF시스템을 개발하고 대체냉매 적용 요소기기(열교환기 등) 개발 및 최적화한다. 또한 VRF시스템 최적화 및 운전안전성(실증) 평가와 친환경 냉매 적용 VRF 시스템 적용성평가를 진행한다.
이번 사업을 총괄주관하는 기계연구원의 관계자는 “현재 R410A 대체 후보냉매로 R32(GWP: 675), R454B(GWP: 467) 및 R466A(GWP: 733) 등 검토되고 있으며 R466A를 제외한 냉매는 안전성 A2L등급”이라며 “후보 냉매는 Short-term의 대체냉매가 될 수 있으나 Long term의 대체냉매가 되기 위해서는 GWP가 더 낮아야 한다”고 밝혔다.
이 관계자는 특히 “VRF의 소비효율도 EN14825 기준으로 효율목표 SEER 7.3, HSPF 4.5도 유럽기준 A+ 이상의 목표로 신규개발 제품에 적용되는 대체냉매 특성을 고려할 때 매우 도전적인 목표”라고 강조했다.
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