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

정재동 위원장은 개회사를 통해 “오늘 학술강연회를 준비해주신 운영위원분들과 6분 연사분들, 그리고 참석해주신 업계 관계자 여러분께 감사의 말씀을 드린다”며 “주제처럼 저온설비 부분 기술동향에 대해 서로 좋은 토론의 장이 되기를 희망하며 내년 3월 계획하고 있는 저온설비부분 국제학술대회에도 많은 관심을 부탁드린다”고 말했다.

이날 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) 등의 발표와 참석자들과의 질의응답이 이어졌다.

우성민 삼중테크 부장

COP 0.5 흡착식 냉동기(35kW급) 개발…흡착제 개발이 관건

우성민 삼중테크 부장은 ‘흡착식 냉동기 시제품 설계 및 성능평가 연구’ 발표에서 열구동 냉동기의 종류와 함께 삼중테크가 정부과제로 월드이엔씨, 한국지역난방공사, 생산기술연구원, 세종대학교, 전북대학교와 함께 수행하고 있는 ‘저온수 구동 흡착식 냉동시스템 개발’에 대해 소개했다.

서울 송파나 경기 동탄, 광교, 판교 등 재개발이나 신도시 지역은 모두 법적으로 집단에너지를 사용하는데 주로 지역난방공사나 기타 집단에너지 사업자로부터 100℃ 정도의 온수를 공급받아 중온수 흡수식 냉동기를 이용해 냉수를 만들고 있다. 하지만 지역난방수 중 80℃ 이하의 저온수는 아직 국내에 저온열원 활용기술이 전무해 전량 방출 및 냉각 폐기하는 실정이다.

우성민 부장은 “삼중테크가 정부과제로 공동개발 중인 과제는 이처럼 버려지는 80℃ 이하의 저온수를 활용해서 냉방에 쓸 수 있는 8℃ 정도의 냉수를 만들 수 있는 50RT급 흡착식 냉방기를 개발하는 데 있다”고 밝혔다.

저온수 흡착식 냉동기가 개발되면 현재 집단에너지 단재 내에서도 규모가 작아 법 규제에서 벗어나 있는 냉방용량 10~50RT(35~175kW급) 규모의 소형 건물로 지역냉방을 확대할 수 있고 연료전지, 태양열 등 신재생에너지의 배열을 냉방용으로 활용 가능성도 기대할 수 있다.

‘저온수 구동 흡착식 냉동시스템 개발’ 1차년도인 2017년에는 흡착제 대량생산 및 코팅 공정기술을 개발하고 부품 소형화 및 17.5kW급 시제품을 제작했다. 2차년도인 올해는 흡착제 합성 및 코팅 공정설비 구축, 35kW급 1차 시제품을 제작해 실증운전을 위한 적정 사이트 선정 및 기초자료를 조사 중이다. 3차년도인 2019년에는 이종흡착제를 적용한 흡착탑 개발하고 35kW급 최종 시제품 제작해 한국지연난방공사 2개 지역에 설치해 국가적으로 사업성이 있는지 실증테스트를 진행할 예정이다.

우성민 부장은 “흡착식 냉동기는 현재 COP 0.4까지 개발된 상태로 최종 목표인 COP 0.5는 무난히 달성할 것으로 예상된다”며 “더 중요한 해결 과제는 흡착제를 얼마나 싸게 만들 수 있는지, 또 흡착제의 수분 흡수량을 어떻게 늘릴 것인지”라고 강조했다.

김창한 한국마이콤 팀장

일본 냉동창고 논프레온 설비 교체 시 보조금 지원

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

김창한 팀장은 “전세계적으로 냉장창고 보관용량은 2016년 말 기준, 600,000,000㎥이며 우리나라 보관량은 45,000,000톤으로 냉장창고가 아직 부족한 실정이다”라고 말했다.

또 전세계 프레온냉매 규제 관련해서 우리나라도 이에 대한 대비가 따라야 한다며 자연냉매를 이용한 냉동시스템 구축의 필요성도 언급했다.

1987년 몬트리올의정서 채택에 따라 오존층을 파괴하는 CFC와 HCFC는 규제 대상이 됐다. 프레온은 이미 생산 및 수입이 금지됐으며 HCFC의 경우 선진국은 2020년, 개도국은 2030년까지 생산 및 수입이 모두 금지된다.

CFC를 대체하기 위해 1980년에 개발된 HFC는 오존층을 파괴하지 않아 새로운 냉매로 주목받았지만 HFC의 온실가스 효과가 이산화탄소의 1만배 이상이 된다는 결정적 결함이 발견되면서 결국 2016년 10월 르완다 키갈리에서 열린 몬트리올의정서 당사국 제28차 회의에서 197개국 대표는 HFC의 단계적 감축 방안에 합의했다.

전 세계 프레온 냉매 감출 스케줄을 보면 R22의 경우 유럽과 일본은 2020년 전폐, 한국은 2025년 67.5% 감축, 2030년 전폐된다.

R404A, R507A는 유럽은 2015년 사용규제에 들어갔으며 2020년부터 신규 사용이 금지되고 2030년 사용량 79% 감축해야 한다. 일본도 2015년 사용규제, 2025년 R404A, R507A에 대해 GWP 1,500 이하로 전환해야 한다.

한국은 2024년 R404A, R507A 동결되고 2029년 사용을 10% 감축해야 한다.

김창한 팀장은 “전세계적 프레온냉매 규제 추이를 볼 때 온존층 보호 관점에서 몬트리올의정서에 기초한 CFC, FCFC 생산 규제가 이루어졌고 오존층 파괴 효과는 없지만 지구온난화방지 관점에서 온실효과가 있는 FHC가 몬트리올의정서 대상에 추가됐다”며 “향후 프레온 냉매 규제 등에 대비해 암모니아나 CO2, 물 등 논프레온 자연 냉매로 전환하는 게 대안이 될 수 있다“고 강조했다.

최근 지구온난화 문제로 인해 친환경·고효율 제품에 대한 수요가 급증하면서 한국마이콤의 자연냉매를 적용한 제품들이 더욱 주목받고 있다.

그 대표적인 제품이 암모니아(NH3)/CO2 냉매를 적용한 논 프레온 반밀폐 냉동기 ‘NewTon(뉴톤)’과 자연냉매인 공기를 적용한 -60℃ 초저온 창고 냉동기 ‘PASCAL AIR(파스칼에어)’라고 소개했다.

이어 김창환 팀장은 “한국에는 아직 없지만 일본의 경우 냉동창고 관련 정부 지원사업으로 프레온냉매 사용시설을 자연냉매 시설로 교체할 경우 보조금을 지원하는 에너지절약형 자연냉매기기 도입 보조사업이 진행되고 있다”고 설명했다.

이동건 큐익엔지니어링 대표

LNG 미활용 냉열…냉동냉장창고 등에 직간접 이용

이동건 큐익엔지니어링 대표는 ‘LNG발전의 냉·온열을 활용한 선박해양용 융·복합 냉난방시스템 기술’에 대해 주제 발표를 했다.

LNG는 인수기지에서 하역 후 해수식 기화기를 이용해 기화시켜 사용처인 발전소나 도시가스사에 공급하게 되며 기화될 때 냉열(Cold Energy)이 해수와 공기 중으로 발산되어 버려지게 되는데 약 200kcal/kg 중 잠열이 약 120kcal/kg, 현열이 약 80kcal/kg이다. 이 버려지는 냉열을 냉동냉장창고나 냉열발전 등에 직간접적으로 이용할 수 있으며 선진국에서는 이미 실용화되고 있다.

LNG는 대기압(1기압)에서 -161.57℃에서 비등점을 가지고 있는 물질로 인간이 살고 있는 주변 환경으로부터 에너지를 아주 잘 흡수하는 에너지이며 지금 우리가 사용하고 있는 LNG 연소과정은 에너지를 이용하는 아주 작은 한 부분에 불과하다고 말할 수 있다.

이동건 대표는 LNG의 에너지 흡수능력을 이용하면 환경을 오염시키는 연소과정 없이도 인간이 필요한 전기에너지를 충분히 생산할 수 있다

며 선진국의 LNG냉열이용 기술로 일본은 후쿠오카(세이부가스)와 요코하마(동경가스)의 LNG냉열이용 냉동물류센터를 소개했다.

후쿠오카 LNG냉열이용 냉동물류센터는 1997년 완공한 1개 센터 4층 구조로 2만5,000톤(LNG 5 ton/hr으로 -30℃ 냉동창고), 1973년 완공한 요코하마 LNG냉열이용 냉동물류센터는 3개 센터 3~5층 구조로 3만3,000톤 규모이다.

우리나라의 LNG냉열이용 기술로는 유진초저온의 초저온냉동창고 설계사례를 들었다. 유진초저온 평택오성물류센터는 국내 최초의 LNG 이용 냉동냉장창고로 미활용 LNG 냉열 이용, 연료전지 발전, 태양광 발전, ESS(에너지 저장 시스템)가 적용된 최첨단 신재생 열원 융·복합 에너지 기술 활용한 에너지 완전 자립형 물류센터이다.

백종현 한국생산기술원 박사

글로벌 콜드체인 시장 2300억불 규모

백종현 한국생산기술원 박사는 ‘저온유통분야에서의 축냉기술 적용사례’ 발표를 통해 콜드체인과 잠열재(PCM)의 개요, 축냉식 스마트 저온물류시스템을 구성하고 있는 핵심기술, 축냉시스템의 국내외 적용 사례 등을 소개했다.

PCM(Phase Change Material, 상변화물질)을 콜드체인시스템에 적용하기 위해서 화학적인 안정성과 물질 자체의 내구성을 확보해야 한다. PCM은 종류에 따라 -35℃/-26℃ PCM은 빙과류, 냉동창고, 냉동식품에, -12℃ PCM은 냉동식품, -4℃ PCM은 생선어패류, 야채, 육류, 2~8℃ PCM은 냉장식품(의약품/화장품), 78℃ PCM은 피자 등 냉동냉장식품의 저온물류유통사업을 위한 저장·수송·배송 등 콜드체인 시스템에 적용 가능하다.

전 세계 콜드체인 마켓쉐어는 2019년 2300억불 정도로 예상되고 있으며 2014년부터 연평균 15.6% 성장하고 있다고 밝혔다.

최근 화두가 되고 있는 것이 ICT, IoT 등을 적용한 스마트 저온물류시스템이다. 여기에 축냉식 기술을 적용해 축냉식 스마트 저온물류시스템을 구축하기 위해서는 화석연료 사용량 감소기술과 물류 배송구조 최적화 기술이 요구된다.

백종현 박사는 축냉시스템을 활용한 축냉식 냉동탑차의 국내외 적용사례에 대해도 소개했다.

축냉식 냉동탑차는 일부 분야에서 최근 확산추세에 있다. 특히 CJ에서 250대를 적용하기 시작했고 풀무원도 적용을 검토 중으로 시장에서 대형 식품유통기업의 움직임이 어떤 결과로 이어질지 매우 기대된다고 말했다.

축냉식 냉동탑차는 심야시간대에 축냉을 해서 PCM을 얼려놨다가 제품하고 같이 상차시켜서 주간시간대에 냉동기 가동 없이 PCM만으로 냉동을 하게 된다.

물류 특성상 국내에서만 볼 수 있는 축냉식 냉동·냉장실이 구분되어 있는 1탑2실 차량이나 기존 냉동장치와 축냉시스템을 병합한 이원냉동장치를 적용한 하이브리드 냉동탑차에 대해서도 소개했다.

축냉식 하이브리드 냉동탑차는 지하 매장 등 정차 시에도 탑 내의 냉기 유지를 위해 개발되어 최대부하시기인 하절기에만 기존 냉동기를 가동하므로 서브엔진 설치 차량대비 연간 약 70% 에너지 절감이 가능하다.

독일의 Va-Q-tec-AG사의 다목적 이송용 PCM 초단열 컨테이너도 소개했다. 밴이나 트럭, 선박, 항공기 등에 사용할 수 있으며 약 500kg 이상의 물품 수송이 가능하다. 약 20℃ 외기온도에서 -18℃ 이하 온도를 4일간 (100hr)유지할 수 있는 게 특징이다.

마지막으로 미국 Viking Cold Solution사의 PCM을 적용한 축냉식 냉동창고 시스템에 대해서도 소개했다.

서정식 한국냉동공조인증센터 박사

냉동냉장장치 에너지효율 제도 도입 검토

서정식 한국냉동공조인증센터 박사는 ‘냉동·냉장시스템의 성능평가 기술 및 제도 동향’ 발표를 통해 수송용 냉장장치 및 쇼케이스와 같은 다양한 콜드체인시스템에 대한 소개와 국내외 현황을 분석하고 실제 콜드체인시스템과 연동되는 ATP인증에 대해 소개했다.

현재 식품 유통과정에서 식중독이나 제품의 품질유지를 포함한 식품에 영향을 주는 온도관리가 중요해지고 있다. 또 농축산물을 비롯한 식료품, 의약품, 가공식품 등의 온도 민감성 제품의 생산, 저장 운송, 판매, 소비에 이르기까지 유통 전과정에 걸쳐 적정한 온도관리를 통한 품질과 안전을 보장하는 저온유통시스템에 대한 필요성이 대두되고 있다.

서정식 박사는 “현실적으로 콜드체인을 법의 테두리에서 보면 가장 시급한 게 저장장치의 규격화, 그리고 규격화에 맞춘 제품의 효율측정과 성능평가 적용이며 이에 따른 제재도 따르게 된다. ”고 말했다.

콜드체인시스템은 생산에서부터 소비자의 구매 시까지 총체적인 품질관리가 필요하다. 특히 농식품 등의 제품은 살아 숨쉬는 생명체라는 개념에서 콜드체인 기술이 여러 상황에 따라 적용하는 기술도 복합적이고 종합적인 기술 도입이 필요하고 안전한 유통을 위한 인증시스템도 요구된다.

ATP인증은 유럽 육로운송협정으로 유럽 국가를 비롯한 56개국가가 가입하고 있으며 부패성 식품에 대한 국가간 운송협정을 설정하고 국가간 조약처럼 운영되고 있다. ATP인증은 강제규정은 아니지만 운송되는 해당국가 자체의 강제규정에 적용될 수 있고 이러한 기술기준을 마련함으로써 부패성 음식의 국제수송 및 수송기간 동안 품질을 보증하는 것이 목적으로 적어도 두 국가간에 도로, 해상, 철도 등으로 통해 우송되는 부패성 음식에 적용되도록 하고 있다.

특히 운송되는 다양한 부패성 음식에 대해 알맞은 온도를 규정하고 있으며 온도유지를 위한 장비 및 검사절차 및 방법에 대해서도 세부적으로 규정하고 있다. 운송장비에 대해서는 ATP 규정 규격에 따라 시험 후, ATP에 등록된 기관으로부터 승인을 받도록 하고 있어 향후 저온냉장시스템 또는 운송시스템의 수출 시 검토돼야 할 사항이기도 하다.

앞으로 콜드체인시스템은 다양하게 식품과 의약 분야에 반영될 것으로 전망된다. 냉동냉장장치를 이용한 운송이나 보관에 대한 연구개발 시 이러한 부분이 반영될 필요가 있다.

서 박사는 “최근 물류체계를 포함한 보관분야에 대한 냉동냉장장치에 대한 에너지효율체계에 대한 제도 도입 검토가 꾸준히 증가하고 있다.”며 “대용량 냉동냉장장치 경우 설비에 대한 인증체계 역시 도입이 검토되고 있으므로 추후 이러한 장치에 대한 설계 및 설비도입 시 에너지효율을 고려해야 할 것으로 판단된다.”고 언급했다.

강한기 이젠엔지니어링 대표

혼합축열시스템, 한전 설비기준 효율 20~40% 초과 충족

강한기 이젠엔지니어링 대표는 ‘아이스바 캡슐을 적용한 혼합축열시스템 냉난방 축열성능 분석’ 발표에서 아이스캡슐 적용 혼합축열시스템 개요 및 현황, 혼합축열시스템 냉난방 축열성능 시험장치, 시험방법, 시험결과 등에 대해 설명했다.

강한기 대표는 “건축물에 중앙집중 냉방설비를 설치할 경우 건축물 설비기술 등에 관한 규칙 제23조 제2항에 따라 해당 건출물에 소요되는 주간 최대 내방부하의 60% 이상을 심야전기를 이용한 축냉식, 가스를 이용한 냉방방식, 지역냉방방식, 소형 열병합발전을 이용한 냉방방식, 신재생에너지를 이용한 냉방방식 등으로 수용해야 하지만 실질적으로 대부분이 지역냉난방이 의무적으로 도입되고 있다.”며 “이런 이유로 빙축열 시장이 많이 위축되어 있어 타개책으로 개보수시장으로 방향을 잡고 개발한 것이 아이스캡슐 적용 혼합축열시스템이다.”이라고 밝혔다.

아이스캡슐 적용 혼합축열시스템은 심야시간에 히트펌프를 가동시켜 여름철에는 얼음을 저장하고 겨울철에는 온수를 저장해 주간에 축냉/축열된 에너지로 건물 냉난방에 이용하는 것으로 기존 축열시스템의 단점을 개선하고 냉난방 부하 불균형을 만족시킬 수 있어 중소형 건축물 위주로 활용이 기대된다.

아이스캡슐 적용 혼합축열시스템은 축열성능 시험을 3회 수행해 총괄에너지 이용효율을 평균

계산한 결과 냉방의 경우 1,836kcal/kWh, 난방의 경우 2,232kcal/kWh로 산출되어 한전의 축열식 냉난방설비 기준을 20~40% 초과해 충족시켰다. 또한 설치면적도 크게 차지하지 않기 때문에 심야전력을 이용하는 축열식 냉난방설비로 적합하다고 판단된다.

강한기 대표는 본 주제 발표에 앞서 롯데월드타워에 적용한 수축열식 광역상수 히트펌프 시스템과 빙축열시스템에 대해서도 소개했다.