세계적인 탄소중립 정책기조 흐름에 따른 냉동 및 히트펌프에 대한 역할을 논의하는 자리가 마련됐다. 대한설비공학회 냉동부문위원회(위원장 송찬호)는 5월19일 서울 SETEC에서 개최된 2022 HVAC KOREA의 부대행사로 ‘탄소중립시대에서 냉동 및 히트펌프의 역할’을 주제로 학술강연회를 개최했다.
이번 강연회는 △에너지 다소비 공정의 효율향상을 위한 고온 히트펌프 개발동향(고희환 태양전기 수석연구원) △VRF 히트펌프용 Low GWP 냉매현황(이공훈 한국기계연구원 책임연구원) △인버터 기반 산업용 공조시스템의 모델기반 설계 및 최적제어 연구(박노마 LG전자 수석연구원) △냉매규제에 대비한 공기냉매 활용 Zero-GWP 냉방·냉동기술개발(신형기 한국에너지기술연구원 열변환시스템연구실장) △디스크 번들형 쉘앤플레이트 열교환기기술(서진욱 프로스트) 등 순으로 발표가 진행됐다.
고온HP, 차세대 열원기기 ‘주목’고희환 태양전기 수석연구원 ‘에너지 다소비 공정의 효율향상을 위한 고온 히트펌프 개발동향’ 발표를 진행했다.
세계적으로 F-gas 규제 및 냉매 충전량 쿼터제가 실시되고 있으며 신기후체제 협약을 준수하기 위한 대체냉매와 충전량 감소에 대한 연구필요성이 주목받고 있다. 한국의 경우 2024년 HFC 사용량 동결을 개시하며 2045년에는 HFC 사용량 80% 감축을 실시한다. HCFC에 대해서는 2030년 HCFC를 사용한 신규 냉동기 생산이 금지되며 2040년은 HCFC서비스 사용이 금지될 예정이다.
또한 고온이 요구되는 산업분야에서 고온 히트펌프 및 관련 공정기술, 재생에너지사용이 필요한 상황이다. 현재 히트펌프는 건물에 주로 적용되온 히트펌프기술이 고온을 요구하는 산업분야로의 확장가능성이 주목받고 있다. 히트펌프는 보일러대비 도입비용은 다소 높으나 우수한 효율로 탄소감축성능에 따른 ROI 단축이 가능하다.
일본은 증기보일러를 대체하는 200℃ 고온히트펌프 개발을 진행하고 있다. 그러나 사용되는 냉매가 A3급 냉매인 R600a로 위험성에 대한 우려가 있다. 유럽은 160℃ 고온히트펌프 시험을 준비하고 있으며 200℃ 이하 산업용 열수요에 대응할 EU 탈탄소화전략의 핵심기술로 주목하고 있다.
한국에서는 350kW급 160℃ 증기생산용 무급유 원심식 고온히트펌프 개발이 진행되고 있다. 특히 Low GWP를 사용하고 COP 2.5를 달성해 기존 연소식 보일러를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.
고희환 수석연구원은 “무급유 방식 도입으로 효율을 확보할 계획으로 다만 가연성, 독성, 관련법, 경제성 등을 고려한다면 완벽한 냉매는 현재 없는 상황”이라며 “이에 따라 냉매충전량은 대폭 줄이고 열교환효율은 높인 Falling Film Type으로 개발할 방침”이라고 밝혔다.
규제대응 친환경 냉매·VRF 기술개발이공훈 한국기계연구원 책임연구원은 ‘VRF 히트펌프용 Low GWP 냉매현황’ 발표를 통해 대체냉매 현황과 친환경냉매 개발과제를 공유했다.
글로벌 냉매규제에 따른 대체냉매 적용은 선택이 아닌 필수로 다가오고 있다. 냉동부문에서 R410A가 많이 사용되고 있으며 이를 R32로 대체하고 있으나 GWP가 높아 지속가능적인 냉매로 여겨지지는 않고 있다.
이공훈 책임연구원은 “현재 장기적으로 사용할 수 있는 대체냉매 후보군이 부족한 상황으로 이를 확보하기 위한 노력이 필요하다”라며 “우리나라는 냉매개발에 대한 기술력이 부족한 상황으로 단기간에 확보할 수 있는 기술이 아니다”고 지적했다.
기계연구원은 △YM레미 △한국표준과학연구원 △한국냉동공조산업협회 △오텍캐리어 △한국산업기술시험원 △에너지기술연구원 △고려대 △국민대 등과 친환경 냉매개발 및 성능평가, 대체냉매를 적용한 VRF 최적화 기술개발을 추진하고 있다.
친환경 냉매는 혼합을 통해 GWP 10 이하, 안정성을 확보할 계획이며 친환경 냉매에 대한 상태방정식, 열역학적 물성 특성에 대한 원천기술을 확보할 것으로 기대된다. 또한 개발된 냉매에 대해 가연성, 독성 등을 평가할 수 있는 기술이 개발된다. 이와 함께 대체냉매를 적용한 VRF시스템을 개발하기 위해 열교환기 등의 요소기기 개발, 최적화가 추진된다.
가상검증 통한 최적 공조환경 구축박노마 LG전자 책임연구원은 ‘인버터 기반 산업용 공조시스템의 모델기반 설계 및 최적제어 연구’ 발표로 가상검증을 통한 산업용 공조의 최적 구축모델 도출방법을 소개했다.
산업용 공조는 정밀 온·습도 및 청정도·압력제어가 필요하며 이를 위해 AHU 및 중앙제어가 필수적이다. 특히 산업용 공조솔루션은 요구조건이 엄격하며 외기도입, 제습 등 정밀제어가 중요해 상업용 VRF방식으로 대응이 불가능하다.
산업용 공조의 비정형성으로 인해 챔버시험보다는 현장 엔지니어링이 중요하며 설계단계 및 로직 개발은 가상검증이 필수적이다. LG전자는 팬, 댐퍼, 필터, 코일, 데시칸트휠 등으로 구성된 산업용 공조시스템을 LG 청주 CEM분리막공장 내부사이트에 적용해 기술력을 확보하고 있다.
박노마 책임은 “산업용 공조는 단 하루라도 성능유지에 실패한다면 운영정지로 인한 손해가 막심해 신뢰성이 우수한 시스템을 구성하는 것이 중요하다”라며 “현장별 맞춤으로 시스템을 구성해야 하기 때문에 가상검증을 통한 목표 온·습도를 달성할 수 있는 최적화가 우선돼야 한다”고 밝혔다.
LG전자는 가상검증을 통해 확보한 운전정보가 실제 적용된 현장의 정보와 유사한지 데이터를 비교검증했다. 실측데이터와 가상검증데이터를 비교한 결과 2~4%의 오차에 불과했으며 전체 소비전력은 실제와 97.2% 유사한 것으로 나타났다. 강화학습을 통해 최적모델 도출이 가능했기에 얻을 수 있는 성과다.
박노마 책임은 “강화학습을 통한 최적제어로 연간 에너지비용을 53.7% 절감할 수 있으며 이를 통해 투자회수기간도 줄일 수 있다”라며 “현물자산과 가장 유사한 가상솔루션으로 솔루션 내에서 최적화를 우선할 수 있어 고객가치를 높일 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
공기활용 Zero GWP 냉동·냉방기술 확보 기대신형기 에너지연 열변환시스템연구실장은 ‘냉매규제에 대비한 공기냉매 활용 Zero-GWP 냉방·냉동기술개발’을 발표했다.
2019년 1월 미국 환경보호국(EPA)는 냉매누설관리에 대한 요구조건을 강화했다. 특히 대형 산업용 냉동·냉방기기의 경우 냉매누설에 대한 관리기준을 구체적으로 제시하고 격년단위 누설허용치를 강화했다.
2050년까지 글로벌 냉방용 에너지수요는 3배 증가할 것으로 전망된다. 이에 따라 냉매사용량도 증가해 지구온난화 부담도 가중될 것으로 보인다. 공기냉매 냉방시스템은 타 냉매 냉방시스템에 비해 안정적이며 경제성이 우수해 주목받고 있다.
공기냉매시스템은 –160~100℃의 온도대에서 활용할 수 있다. 특히 식품의 급속동결, 동결건조 등 식품공정·저장·운송을 포함하는 식품콜드체인과 특수의료·의약품산업의 콜드체인시장이 커지면서 초저온 온도대의 수요가 증가하고 있어 이를 공기냉매시스템으로 대응할 수 있을 것으로 기대된다.
신형기 실장은 “공기냉매시스템은 1단 콤프레서와 1단 팽창기 각 1개, 열교환기 등으로 냉동사이클이 단순하게 구성된다”라며 “콤팩트하게 시스템을 구성할 수 있으며 에너지연은 공기냉매시스템을 구성해 안정적으로 시운전하고 있으며 Zero GWP 냉동·냉방기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.
프로스트, 차세대 열교환기술 주목서진욱 프로스트 대표는 ‘디스크 번들형 쉘앤플레이트 열교환기기술’ 발표를 진행했다.
프로스트의 사업분야는 냉동분야를 비롯해 △산업용 △발전용 △선방용 등 열교환시스템이다. 특히 판형열교환기 냉매 분배·동파방지관련 기술에 대한 국내특허 7건, 디스크형 열교환기술 국내특허 4건, 해외PCT 1건, 7개국에 대한 특허를 보유하고 있다. 또한 고압형 판형열교환기 구조접합관련 기술에 대한 국내특허 3건을 보유하는 등 기술집약적인 기업이다.
프로스트의 디스크 번들형 쉘앤플레이트 열교환기(BSPHE)는 배관연결구조 변경없이 기존 쉘앤튜브열교환기대비 체적을 30~40% 줄일 수 있다. 번들(전열판)의 압력은 일반 브레이징 판형열교환기의 압력대비 5배 이상 사용할 수 있으며 각각의 번들은 원형으로 분리, 세척, 용량증가 등이 손쉬운 특징을 가지고 있다.
BSPHE는 진공 브레이징 접합된 원형 전열판이 적용돼 일정한 품질을 유지할 수 있으며 맞춤형 사양을 이용해 외산제품대비 40% 이상 비용을 절감할 수 있다.
서진욱 대표는 “열교환기에 대한 고객니즈는 고품질, 경제성, 내구성 등으로 이와 함께 손쉬운 사후관리가 중요하다”라며 “프로스트의 제품은 고객니즈에 대응할 수 있으며 진공상태에서 브레이징에 의한 산화피막 및 열변형이 없으며 대량생산이 가능해 경제성이 우수하다”고 밝혔다. 이어 “번들단위로 분리가 가능하며 부분교환 및 내부청소가 용이하며 용량을 쉽게 조절할 수 있는 것이 강점”이라고 덧붙였다.
고온HP, 차세대 열원기기 ‘주목’
규제대응 친환경 냉매·VRF 기술개발
가상검증 통한 최적 공조환경 구축
공기활용 Zero GWP 냉동·냉방기술 확보 기대
프로스트, 차세대 열교환기술 주목
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