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저온설비산업 기술동향 ‘한자리’

설비공학회 저온부문위원회, 학술강연회 개최

대한설비공학회 저온설비부문위원회(위원장 정재동)는 10월19일 한국과힉기술회관에서 ‘저온설비분야의 산업계 기술동향’이라는 주제로 저온설비부문 학술강연회를 개최했다.

이번 학술강연회에서는 △흡착식 냉동기 시제품 설계 및 성능평가 연구(우성민 삼중테크 부장) △저온물류시스템의 최신 냉매동향(김창한 한국마이콤 팀장) △LNG발전의 냉·온열을 활용한 선박해양용 융·복합 냉난방시스템 기술(이동건 큐익 엔지니어링 대표) △저온유통분야에서의 축냉기술 적용 사례(백종현 한국생산기술원 박사) △냉동·냉장시스템의 성능평가 기술 및 제도 동향(서정식 한국냉동공조인증센터 박사) △아이스바 캡슐을 적용한 혼합축열시스템 냉난방 축열성능 분석(강한기 이젠엔지니어링 대표) 등이 주제발표됐다.

정재동 위원장은 개회사를 통해 “오늘 학술강연회를 준비해주신 연사분들과 참석해주신 여러분께 감사의 말씀을 전해드리며 저온설비부문의 좋은 토론의 장으로 작용되기를 희망한다”고 전했다.



우성민 삼중테크 부장은 ‘흡착식 냉동기 시제품 설계 및 성능평가 연구’ 발표를 통해 열구동 냉동기의 종류와 함께 삼중테크가 맡고 있는 기술개발 과제를 소개하고 흡착제, 흡착탑, 흡착식 냉동기 개발에 관해 설명했다.

흡착식 냉동기는 흡착제와 냉매의 가역반응에 따르는 발열, 흡열현상을 이용하는 것으로 배열 등을 직접적으로 사용해 냉열을 발생시키는 냉동 열기관이다. 중소형 건물의 지역냉방에 사용함에 있어 냉방용량 10~50RT(35~175kW급) 규모에서 기존 낭방열공급 인프라를 사용할 수 있고 열공급자 및 사용자 설비투자비를 최소화할 수 있다는 장점이 있다. 70˚C 저온열을 활용할 수 있어 태양열, 산업배열 및 연료전지 시장확대에 기여할 수 있다. 

삼중테크가 수행하고 있는 흡착식 냉동기 기술과제는 지역냉방의 보급확대, 정부의 비전력 냉방 보급의지 및 RHO 시행 기반마련 등 정책적 이슈와 함께 세계적으로도 파리기후협약을 통한 환경문제가 부각되고 신재생에너지 및 열에너지 활용에 대한 지원 강화가 배경이된다.

1차년도인 올해에는 흡착제 대량생산 및 코팅 공정기술을 개발하고 부품 소형화 및 175kW급 시제품을 제작한다. 2차년도에는 흡착제 합성 및 코팅 공정설비 구축, 35kW급 1차 시제품 제작 및 평가가 진행되며 3차년도에는 이종흡착제를 적용한 흡착탑 개발, 35kW급 최종 시제품 제작 및 평가, 실증이 추진될 예정이다.

김창한 한국마이콤 팀장은 ‘저온물류시스템의 최신 냉매동향’ 발표를 통해 냉장창고의 용도별 구분, 프레온 규제현황, 에너지절감 최신냉각기술과 일본의 보조금 제도를 소개했다.

전 세계 프레온 냉매규제는 과거 CFC, HCFC 등 오존층 파괴효과 및 온실효과가 있는 특정 프레온에 대한 생산규제를 실시했다. 현재는 오존층 파괴효과는 없지만 온실효과가 있는 HFC 계열이 사용되고 있지만 지구온난화방지 관점에서 규제대상으로 포함, 향후 이를 대체할 수 있는 냉매를 사용해야 한다.

우리나라는 2025년까지 R22 사용량을 67.5% 감축시켜야 하고 2030년까지 R22는 전폐, R404A, R507A의 사용을 10% 감축해야 한다. 이를 위해 대기환경보전법을 개정, 2018년 11월부터 냉매관리범위를 공기정화기에서 산업용 냉동·냉장기기까지 확대하고 냉매회수업 등록제 실시, 냉매사용기기의 기록을 제출해야 하는 의무를 부과했다.

우리보다 10년 빠르게 2020년까지 R22사용을 전폐해야 하는 일본은 CO₂, 암모니아 등 자연냉매로의 전환을 위한 적극적인 정부지원이 진행되고 있다. ‘탈프레온·저탄소사회 조기실현을 위한 에너지절약형 자연냉매기기 도입가속화사업’을 시행해 2018년 65억엔 예산을 책정하고 사업이 진행되고 있다.

2018~2022년까지 냉동·냉장창고 및 식품제조공장, 식품소매점에 에너지절약형 자연냉매 기기를 도입할 경우 비용을 지원하는 방식으로 자연냉매 사용분야에 일본기업의 경쟁력을 향상시키고 프레온가스 배출의 대폭적인 삭감이 있을 것으로 전망된다.

이동건 큐익 엔지니어링 대표는 ‘LNG발전의 냉·온열을 활용한 선박해양용 융·복합 냉난방시스템 기술’을 발표했다. 이번 발표에서 이동건 대표는 기본적인 냉동사이클의 에너지해석 원리 및 기본을 설명하고 선진국의 LNG냉열을 이용한 기술 및 시스템 개략도, 냉매와 브라인의 열 물성치 비교를 소개했다. 또한 우리나라의 LNG냉열을 이용한 유진초저온의 초저온냉동창고 설계사례를 설명했다.

일본의 LNG냉열 활용 사례는 후쿠오카(세이부가스)와 요코하마(동경가스)에 LNG 냉열이용 냉동물류센터가 운영중에 있으며 후쿠오카는 1개 센터 4층 구조로 2만5,000톤, 요코하마는 3개 센터 3~5층 구조로 3만3,000톤 규모로 운영되고 있다. 냉동창고에서는 LNG 기화열의 55~60%를 사용하고 나머지 40~45%의 열은 바다로 버려지는 구조이기 때문에 이보다 열을 더 많이 활용할 수 있는 설계개발이 요구됐다. 유진초저온은 이러한 열사용범위를 넓히고 LNG를 냉열활용 후 수소연료전지에 사용해 REC로 얻는 이익도 상당하다. 

종현 한국생산기술원 박사는 ‘저온유통분야에서의 축냉기술 적용사례’ 발표를 통해 콜드체인분야에서의 잠열재 활용 방안과 축냉식 스마트 저온물류시스템 핵심기술, 국내·외 적용 사례 등을 소개했다.

PCM(상변화물질: Phase Change Material)은 잠열재의 일종으로 1,500회 이상의 상변환 반복시험을 통한 안정성과 신뢰성을 확보한 물질이다. 아이스크림 등 냉동·냉장식품의 저온물류유통사업을 위한 저장·수송·배송 등에 활용 가능성이 높다.

최근 화석연료 사용저감에 따라 잉여의 전기에너지를 이용, 저온잠열물질에 냉에너지를 저장하기 위한 요소기술개발이 요구되고 있고 저장된 냉에너지의 손실을 최소화하기 위한 단열기술, 열에너지제어기술도 부각되고 있다. 이러한 PCM, 단열 컨테이너 설계기술은 저온유지가 요구되는 콜드체인에서 폭넓게 활용될 수 있다.

축냉식 냉동탑차는 국내 일부분야에 적용돼 최근 확산추세에 있다. 특히 CJ에서 250대를 적용했고 풀무원도 적용을 검토하고 있는 것으로 알려져 있어 메이저 식품유통기업에서의 움직임은 중소규모 기업들에도 긍정적인 영향을 미칠 것으로 보인다.

특히 축냉식 냉동·냉장 1탑2실 차량이나 기존 냉동장치와 축냉시스템은 병합한 이원냉동장치를 적용한 하이브리드 냉동탑차는 소규모 물량운송, 지하매장 냉동기 가동불가 등의 제약으로 국내에서만 볼 수 있는 특징이기도 하다.

서정식 한국냉동공조인증센터 박사는 ‘냉동·냉장시스템의 성능평가 기술 및 제도 동향’에 대해 발표했다.

최근 식품과 의약품 등의 안전에 대한 관심이 높아지고 있어 저온 냉장기술은 점점 중요하게 대두되고 있다. 특히 콜드체인시스템은 생산에서부터 소비자의 구매 시까지 총체적인 품질관리가 필요한 것으로 선진국에서 채용하고 있는 대표적인 관련인증으로는 유럽 육로운송협정인 ATP인증이 있다.

ATP인증은 유럽국가를 비롯한 56개국가가 가입해 있으며 부패성 식품에 대한 국가간 운송협정을 설정하고 국가간 조약처럼 운영되고 있다. ATP인증 취득자체는 강제규정은 아니지만 운송되는 해당국가 자체의 강제규정에 적용될 수 있고 이러한 기술기준을 마련함으로써 부패성 음식의 국제수송 및 수송기간 동안 품질을 보증하는 것이 목적이다. 

특히 운송되는 다양한 부패성 음식에 대해 알맞은 온도를 규정하고 있으며 온도유지를 위한 장비 및 검사절차 및 방법에 대해서도 세부적으로 규정하고 있어 향후 저온냉장시스템 또는 운송시스템의 수출 시검토돼야 할 사항이다.

콜드체인시스템은 국내 제도에도 다양하게 식품과 의약 분야에 반영될 것으로 전망된다. 냉동냉장장치를 이용한 운송이나 보관에 대한 연구개발 시 이러한 부분이 반영될 필요가 있으며 대용량 냉동·냉장장치의 경우 설비에 대한 인증체계 역시 도입이 검토되고 있으므로 추후 이러한 장치에 대한 설계 및 설비도입 시 에너지효율을 고려해야 할 것으로 보인다.

강한기 이젠엔지니어링 대표는 ‘아이스바 캡슐을 적용한 혼합축열시스템 냉난방 축열성능 분석’을 발표했다. 최근 제로에너지건축 의무화, 실내 발열부하 증가 등의 이유로 냉방부하요인은 지속적으로 증가하고 있지만 난방부하 요인은 감소하고 있어 냉방과 난방 사이의 부하율, 장비용량, 운전시간 등 불균형이 발생할 우려가 높아지고 있다.

아이스캡슐을 적용한 혼합축열시스템은 이러한 냉난방부하 불균형 문제를 해결할 수 있는 열쇠가 될 것으로 보인다. 이는 심야시간에 히트펌프를 가동시켜 여름철에는 얼음을 저장하고 겨울철에는 온수를 저장해 주간에 축냉·열된 에너지를 건물 냉난방에 이용하는 혼합축열시스템이다.

냉난방이 가능하고 축열조의 체적을 감소시켜 빙축열과 수축열의 단점을 개선했다. 또한 경제성을 확보해 ROI가 3.5년으로 짧다는 장점이 있다. 아이스바 캡슐이 적용된 혼합축열시스템은 히트펌프, 혼합축열조, 펌프, 자동제어시스템 및 모의부하장치로 구성되며 한전의 축열식 냉난방설비기준을 준용한다.

이젠엔지니어링의 시스템은 축열성능시험을 3회 수행사 총괄에너지 이용효율을 평균 계산한 결과 냉방의 경우 1,836kcal/kWh, 난방의 경우 2,232kcal/kWh로 산출, 한전의 축열식 냉난방설비 기준을 20~40% 초과해 충족시켰다. 특히 설치면적도 크게 차지하지 않기 때문에 심야전력을 이용하는 축열식 냉난방설비로 적합할 것으로 보인다.