“냉동냉장 솔루션에서 Low GWP 대안 냉매 선정 시 동일 컴프레서 기준으로 용량 손실이 없는지, 현재 효율과 차이가 나는지, 낮거나 중간 수준의 GWP인지, 가연성 또는 미가연성인지 등의 요소를 반드시 고려해야 한다”

하니웰 PMT 불소화합물 사업부 황병은 차장은 ‘중대형 냉동저장고를 위한 Low GWP 솔루션’ 웨비나에서 하니웰은 고객의 니즈에 맞게 다양한 Low GWP 냉매와 솔루션을 제공하고 있다며 기존 냉동냉장용 R22, R404A, R507A 등의 대체냉매로 Solstics N40(이하 R448A) 냉매를 제안했다.

하니웰의 HFO 혼합냉매인 R448A는 현재 사용 중인 오존층을 파괴하거나 높은 지구온난화지수를 가진 기존 냉동냉장용 냉매에 대한 규제를 만족하면서 보다 친환경적이고 효율적인 제품이다.

특히 기존 냉매들과 용량은 유사하면서 R404A 대비 약 5~15%의 에너지 효율성이 좋고 비가연성(A1)이라는 장점이 있다.

ASHRAE에 정식 등록돼 있으며 현재 전 세계 약 15,000여 개의 슈퍼마켓 및 저장고에 적용돼 가동 중이다.

황병은 차장은 R448A와 R22, R404A, R507A의 물성치와 특성 비교를 통해 중대형 냉동저장고용 대체냉매로서의 우수한 적용성에 대해서도 설명했다.

우선 R22는 오존층파괴지수인 ODP가 0.055로 HCFC 규제 대상이다. R404A와 R507A는 지구온난화지수인 GWP가 4천에 육박하고 있어 향후 규제될 가능성이 매우 높다. 하지만 R448A는 ODP가 0이고 GWP도 1273으로 HFC 냉매 대비 약 3분의 1 수준으로 낮아 향후 규제가 진행될 경우에도 장기적으로 사용이 가능한 게 장점이다.

몰리에르 선도 상에서 R22, R404A, R448A 각 냉매의 특성을 비교해 보면 R22와 R448A는 등고선이 거의 겹칠 정도로 유사한 곡선을 보이는 데 반해 R404A는 임계점의 높이가 낮고 증발잠열을 나타내는 엔탈피 폭이 상대적으로 좁은 것을 확인할 수 있다.

황병은 차장은 “이것은 동일한 성능을 내기 위한 유량이 R22와 R448A는 유사하지만 R404A는 좀더 많은 유량이 시스템에 필요하다는 것”이라며 “이로 인해 R448A의 경우, 액관의 관경을 R404A 대비 약 25% 줄일 수 있고 더 작은 오피리스의 전자식 팽창밸브를 사용할 수 있다.”고 강조했다.

또 황 차장은 “R22, R404A, R448A 등이 적용된 중온 및 저온시스템의 냉매 토출온도를 비교 분석한 결과, R22가 가장 높고 R404A가 가장 낮으며 R448A는 두 냉매의 중간 정도의 온도로 운전되는 것을 확인할 수 있었다.”고 설명했다.

중온 ET(-12℃, 40HP)와 저온 ET(31℃, 35HP)에서 용량과 효율(COP) 기준으로 R404A, R22, R407A, R407F, R448A 각 냉매의 연간 에너지 비용은 거의 비슷하다. 하지만 R404A의 경우 연간운전비와 GWP 측면에서 다른 냉매들에 비해 상대적으로 불리했으며 R22는 ODP 규제 부분, R407A는 전기료는 강점이 있으나 GWP 측면에서 향후 규제 대상이 될 가능성도 있다.

국내 R448A 스크류 냉동기 적용, 저온물류센터 준공

황병은 차장은 압축기 제조사인 비처와 에머슨의 R404A와 R448A 적용해 도출한 성능 데이터와 실제 시스템 교체 시 투자 예산 및 효과에 대해서도 공개했다.

비처의 자료에 따르면 왕복동 압축기에 R404A와 R448A 냉매를 적용, 중온과 저온에서 용량과 효율을 비교했을 때 R448A가 모두 우수했으며 특히 효율은 R404A 대비 약 15% 향상하는 것으로 나타났다.

에머슨의 스크롤 및 왕복동 압축기에서도 R404A 대비 R448A가 약 10~11% 가량 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있었다.

실제로 R22 리퀴드 인젝션 왕복동 냉동기를 사용하던 시스템을 R448A 베이퍼 인젝셔 스크롤 압축기 시스템으로 교체할 경우, 냉동기는 8세트에서 7세트로, 압축기는 24대에서 19대로 수량은 줄어들고 소비전력은 약 12% 절감돼 COP 향상으로 이어졌다. 이럴 경우 약 1.2년차에 만에 초기 투자비를 회수하고 이후 연간 1천 9백만원의 운전비용 절감효과를 거둘 수 있는 것으로 나타났다.

또 대형 저장고에 주로 사용하는 스크류 냉동기의 경우, R404A를 R448A로 교체할 하면 냉동기 및 압축기 수량에는 변화가 없지만 COP는 냉장 시 6%, 냉동 시 3% 정도 증가해 냉매 대체로 인한 초기 투자비용을 약 1.8년 차에 상쇄하고 연간 약 3천4백만원의 전기료 절감효과를 거둘 수 있다.

황병은 차장은 ”최근 국내에서도 R448A 스크류 냉동기를 적용한 대형 저온물류센터가 준공돼 운영 중에 있다.“면서 ”다가올 냉매 규제 및 운전비용 절감을 위해 R448A를 적용하는 현장이 점차 늘어날 것으로 예상된다.“고 밝혔다.

황 차장은 비공비 혼합냉매 특성 중 하나인 온도구배를 감안해 Solstice N40(R448A)을 적용한 시스템 설계 시 고려 사항에 대해서도 언급했다.

R448A는 각기 다른 비등점의 물질이 혼합돼 있어 상변화 과정에서 온도구배(Glide) 4.6℃가 발생하기 때문에 시스템 설계 시 Dew(이슬)나 Bubble(거품)이 아닌 Mid(중간) 온도를 기준으로 시스템을 선정해야 한다.

이로 인해 응축 시에는 낮은 온도로 응축되고 증발 시에는 보다 높은 온도로 압축기로 회수돼도 동일한 능력을 낼 수 있다.

실제 시스템의 증발온도 또는 응축온도를 압력으로 제어하고자 할 경우에는 기존의 R22는 단일 냉매이므로 온도별 기준압력을 이용하면 됐지만 R448A는 중간점에 해당하는 압력으로 운전하는 것을 권장했다.

한편 하니웰은 약 1300개 지역에 13만1천명의 직원이 근무하는 포춘지 선정 100대 기업에 포함된 글로벌 기업으로 4개의 주요 사업파트 중 냉매 제품은 PMT그룹 내에 첨단소재 산하 불소화합물 사업부에서 생산, 판매하고 있다.

하니웰은 전 세계에 22,000명의 엔지니어를 보유하고 있으며 약 4만개 이상의 특허를 획득 및 출원 중에 있다.

하니웰의 친환경 냉매인 Solstics 제품들은 지구온난화지수가 낮아 온실가스 감축에 이바지 하고 있으며 다양한 산업분야에 적용돼 지구의 이산화탄소 감축에 기여하고 있다.

글로벌 냉매 규제 흐름

글로벌 냉매 규제 흐름은 오존층 파괴를 막기 위한 몬트리올 의정서에 의한 CFC, HCFC에 대한 규제를 1900년 후반에 시작하면서 대부분의 냉매들이 HFC로 대체됐다. 하지만 2020년 현재 주요 선진국에서는 오존층 파괴는 하지 않지만 지구온난화지수가 높은 HFC를 교토의정서를 시작으로 논의, 2016년 르완다 키갈리에서 최종 합의된 협약을 바탕으로 GWP가 높은 HFC 규제를 이행하고 있다.

이를 계기로 하니웰은 오존층 파괴지수가 없으면서 지구온난화지수가 낮은 HFO계 대체냉매를 개발해 전 세계에 공급하고 있다.

몬트리올 의정서에 따른 HCFC 감축 계획을 보면 한국과 중국을 비롯한 AR5 국가에 속하는 개발도상국은 모두 2013년부터 규제가 시작됐으며 2020년 현재 전체 쿼터의 35% 감축하는 단계에 와 있다. 그리고 내년부터 매년 약 13%씩 감축해 2025년 67.5%, 2030년 97.5%까지 감축하는 것을 목표로 하고 있다.

키갈리 의정서에 따른 HFC 감축 계획을 보면 미국, 유럽, 일본 등 선진국은 이미 2019년부터 10% 감축을 시작해 2036년까지 85% 감축을 목표로 하고 있다. 우리나라가 속한 개발도상국 A5그룹 1의 경우, 2020년부터 2022년까지 평균소요량을 기준 실적으 로 해 2024년 생산 및 수입이 평균 소요량을

넘어설 수 없으며 2029년까지 10% 감축을 시작으로 2045년까지 약 80% 감축을 목표로 규제를 진행하게 된다.

현재 HFC를 규제하고 있는 유럽은 'F-gas Regulation'이라는 강력한 법적 규제를 통해 각 어플리케이션별 사용 가능한 GWP 한계와 이를 시행하는 일정에 높은 GWP의 냉매 사용을 규제하고 있다. 냉동냉장 시스템의 경우, 2020년부터 GWP 2500 이상의 냉매는 신규 시스템에 사용이 금지되며 3kg 냉매가 충진되는 싱글 에어컨의 경우에도 2025년부터 GWP 750 이상의 냉매는 사용할 수 없게 된다.

일본도 마찬가지로 후생성에서 일본냉동공조공업회와 함께 법률로 2025년부터는 냉동냉장 시스템은 반드시 GWP 1500 이하의 냉매만 쓸 수 있도록 규정하였고 가정용과 6마력 이하의 상업용 에어컨의 냉매도 시기의 차이는 있지만 GWP 750 이하의 냉매만 사용하도록 규제하고 있다.