일반적으로 목욕탕, 사우나 또는 숙박업소 등의 장소에서는 대량의 온수가 요구된다. 이를 위해 화석연료로 물을 가열하는 연소식 급탕 시스템, 전기에 의해 물을 가열해 온수를 공급하는 전기식 급탕 시스템, 히트펌프(heat pump)에 의해 물을 가열해 온수를 공급하는 히트펌프식 급탕 시스템 등이 사용되고 있다.

특히 최근 지구온난화 방지를 위한 탄소중립 이 세계적 추세가 되면서 에너지를 절약하고 온실가스 배출을 줄이는 효과적인 HVAC 기술로 히트펌프 시스템이 가장 효율적인 대안으로 부각되고 있다. 이와 함께 국제 환경 규제로 기존 냉매가스(F-gas) 사용이 제한되면서 신냉매 및 자연냉매를 적용한 히트펌프 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다.

증발효율 증대로 24시간 내내 고온수 공급 가능

냉동기 오버홀 전문업체 성원냉동기계가 자체 특허기술인 ‘히트펌프식 급탕시스템’을 활용해 자연냉매인 CO2(R744)를 사용한 히트펌프 급탕기 상용화에 나서 화제다.

CO2 히트펌프 급탕기가 상용화되면 국내 CO2 히트펌프 제조기술의 자생능력 확보와 가격 저감을 통한 저변확대에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

한홍규 대표는 “국제 환경규제로 기존 냉매가스(F-gas) 사용이 제한되면서 신냉매 및 자연냉매를 적용한 히트펌프 시스템에 대한 관심이 높아지고 있다”라며 “CO2 냉매는 기존의 HFC 계열 냉매를 대체할 수 있는 친환경 자연냉매로 높은 온도가역대(△t 60℃)로 90℃ 이상의 고온수를 생산할 수 있으며 동시에 -10℃의 냉수(냉각) 생산도 가능해 목욕탕, 사우나, 숙박업소를 비롯해 식품생산시설 등 다양한 운전조건에 대응할 수 있는 고효율 히트펌프 시스템 구축이 가능하다”라고 강조했다. 성원냉동기계가 상용화한 CO2 히트펌프 시스템(모델명 : SW-100 CO2 히트펌프)은 10마력 용량으로 지구온난화지수가 매우 낮은 자연냉매인 CO₂(R744)를 사용해 최저 60℃부터 최고 95℃까지 출수가 가능한 고온수 히트펌프 시스템이다. 또한 기존 히트펌프 대비 제품 무게와 설치공간은 줄이면서도 더 우수한 성능을 구현하고 있다.

특히 자체 특허기술을 적용해 증발기의 증 발효율 증대로 24시간 내내 고온수 공급이 가능하다.

보통 히트펌프 급탕시스템은 사이클 중 증발기 내의 냉매는 주변의 열매체와의 온도차가 미미한 경우, 증발효율이 현저히 떨어지게 된다. 그래서 증발기의 증발 효율을 높이기 위한 방안으로, 사용 후 버려지는 폐온수를 증발기에 공급해서 열교환시키는 방식이 이용된다. 현재 국내에 수입돼 적용되는 CO2 히트펌프는 공기열로 대기온도가 영하로 내려가면 효율이 급격히 저하되는 문제가 발생한다.

한홍규 대표는 “우리의 특허기술은 폐온수, 지열 및 수열을 사용할 수 있으므로 외부온도에 구애를 받지 않는다. 이것을 증발 열원으로 사용해 히트펌프식 급탕 시스템을 24시간 내내 가동해 온수 저장탱크에 고온수를 채워둘 수 있게 된다”라고 말했다.

온수탱크 하부온도가 고온으로 올라가도 증 발기 순환량을 비례제어해 증발온도를 일정하 게 유지시키며, 고온수가 들어와도 안정적으로 운전될 수 있다.

한홍규 대표는 “SW-100 CO2 히트펌프는 응축기 방열량으로 발생한 고온의 응축수를 저장하는 수직형 저장탱크를 사용해 성층 축열효과(성층 축열조)로 저장된 온수의 상부 고온수는 부하측에 사용되고 하부 저온수는 환탕돼 혼합수 공급장치를 통해 응축기에 공급되는 시스템”이라며 “대기열을 증발 열원으로 사용하지 않고 성층 축열조 하부의 저온수를 증발열원으로 사용하기 때문에 겨울철 온도가 영하로 내려가는 경우에도 시스템을 안정적으로 원활히 운전할 수 있다”라고 밝혔다.

한국냉동공조인증센터의 실험 결과, 부하 측 입수온도 17℃ 기준 출수온도가 85℃일 때 COP 3.45와 출수온도 69℃일 때 COP 3.78에 달하는 효율이 나온다는 시험성적서도 받았다.

10마력급 CO2 히트펌프 유니트 교육시설에 공급 예정

성원냉동기계는 CO2 히트펌프 시스템 등 완제품 생산라인 및 시험테스트 설비 구축을 위해 지난해 4월 경기도 안성으로 본사 및 공장을 이전했다.

이전한 안성 신공장은 대지면적 1,719㎡, 건 축연면적 727㎡의 4개동 규모로 건축됐으며 A동은 물류창고, B동은 히트펌프 제조 및 연구동, C동은 오버홀 공장, D동은 2층으로 사무실과 휴게 공간이 자리잡고 있다. 한홍규 대표는 “지난해 공장 이전 후 10마력 용량의 CO2 히트펌프 유니트 시제품 제작해 자사 연구동에서 품질 안정성과 내구성 등 성능 테스트를 진행중에 있다”라며 “코로나19로 인해 계약이 보류되긴 했지만 교육시설에 CO2 히트펌프 4대 공급을 앞두고 있다”라고 밝혔다. 성원냉동기계가 CO2 히트펌프 시스템 개발에 나선 시점은 2010년대 초중반이다. 2000년대 후반 일본의 대표적인 CO2 히트펌프 업체 이토믹(ITOMIC)의 한국 내 서비스 협력업체를 맡은 게 계기가 됐다.

한홍규 대표는 “CO2 히트펌프의 고장수리를 위해 분해와 조립을 반복하면서 CO2 히트펌프 의 기본 원리부터 복잡한 구조를 익히는 한편으로 선진업체들의 CO2 히트펌프 기술 벤치마킹과 수년간의 연구개발(R&D)을 거쳐 특허를 등록하는 등 지식재산권 확보로도 이어졌다”라고 밝혔다.

이어 한 대표는 “실증테스트를 거치며 양산 품질을 확보하고 산업용 CO2히트펌프의 설계, 개발 및 제조에 대한 ISO9001:2015 품질경영시스템 인증도 취득했다”라고 덧붙였다. 성원냉동기계는 앞으로 급탕 수요가 많은 대학교 기숙사, 사우나, 식품회사 등을 대상으로 영업력을 집중할 계획이다.

성원냉동기계는 CO2 히트펌프뿐만 아니라 CO2 냉매를 적용한 ‘멀티냉동시스템’ 특허등 록도 마쳤다.

한홍규 대표는 “저온 냉동사이클 구성 시 이산화탄소 냉매는 임계온도가 31℃로 낮기 때문에, 이원/다원 냉동사이클 시스템을 이용해서 이산화탄소 냉매의 응축온도를 낮추고 있는데 이때 고온 측 냉동기는 프레온 계열 냉매를 사용하는 것이 일반적이므로, 환경 문제로 지속적인 사용이 곤란하다”라며 “자사 멀티냉동 사이클 시스템은 단일 냉동사이클로 환경친화적이면서 운전에 따른 전력 소모를 줄이고 비용 절감을 이룰 수 있다”라고 소개했다. 이어 한 대표는 “CO2 멀티냉동사이클 시스템은 아직 개발단계로 제품이 상용화되면 극저온 냉동, 저온 냉동, 저온 냉장 등과 같은 다양한 냉동냉장 효과를 필요로 하는 분야에 유용하게 적용될 수 있을 것으로 기대된다”라고 자신감을 드러냈다.

전세계 모든 압축기 오버홀 작업 가능

성원냉동기계는 냉동기 오버홀 전문업체로 알려져 있지만 1990년 설립 당시에는 냉동창고 방열문 A/S 전문업체였다. 우연한 기회에 냉동창고 시공에 손을 댄 게 오버홀 전문업체로 탈바꿈하는 계기가 됐다.

한홍규 대표는 “정육점을 하던 친구 부탁으로 냉동창고를 지어준 게 지인들 사이에서 시공품 질 및 성능이 좋다고 입소문을 통해 알려지면서 본업인 방열문 A/S 업무보다 냉동창고 시공 수주가 더 많아졌다”라고 언급했다. 성원냉동기계는 냉동창고 시공 및 고장수리 사업을 한 후 냉동기 오버홀 작업은 외주를 줬다. 그런데 오버홀 후 설치한 냉동기가 얼마 지나지 않아 고장으로 보관물품이 못쓰게 되는 등의 고객 클레임이 늘어나면서 난감한 상황에 처하게 된다.

한 대표는 “오버홀을 맡길 때 고압밸브, 저압밸브, 피스톤링 등 소모품은 모두 새것으로 교체하는 비용을 주는데 압축기를 분해 해보니 실상은 마모가 심한 피스톤링도 기존 것을 그대로 사용해 깜짝 놀랐다”라며 “취미로 보트를 하면서 엔진 오버홀을 직접 해온 경험을 살려 냉동기 오버 홀 사업에 본격 뛰어들게 됐다”고 밝혔다. 냉동기가 고장나면 그 원인을 찾아서 없애주고 큰 문제 없이 오래 사용할 수 있도록 제대로 오버홀 작업을 해야 하는 게 원칙이다. 이에 대해 한 대표는 현실은 그렇지 않다라며 “일부 시공 및 고장수리 업체분 들은 고객들로부터 오버홀 비용을 다 받으면서도 오버홀 품질에 상관없이 무조건 싼 업체에 맡기고 또 오버홀 업체는 이런 점을 악용해 대강 수리하는 등 눈가리고 아웅식의 고객 기만행위는 사라져야 한다”라고 지적했다.

압축기 오버홀은 냉동기 가동시간(5000~ 8000시간)을 기준으로 연 1회 주기로 잡고 냉동기를 분해 점검, 소모품을 교체해 냉동 효율 유지 및 고장을 사전에 방지하는 일련의 작업이다. 고장 원인을 파악하고 조치함으로 고장을 사전에 방지하고 설비의 수명을 늘릴 수 있는 만큼 중요한 작업이다.

성원냉동기계의 오버홀 공장동에는 스크류 및 왕복동 냉매 압축기 오버홀 작업부터 품질 테스 트까지 원스톱으로 처리할 수 있는 작업라인이 구축돼 있다. 주요 설비로는 크레인(2대). 스크 류 냉동기 오버홀용 턴테이블(3대), 스크류 에어콤프레서(2대), 대형쇼트기, 평면연마기, 각종 특수공구 및 지게차, 분해 조립용 테이블(4대), 기계세척실, 코일탈착기(2대), 프레스(2대), 스 크류 냉동기 시운전 판넬(2대), 토크 렌치, 보어게이지, 소형 선반 등의 설비를 구비하고 있다. 이런 오버홀 설비를 기반으로 비처, 센추리, 한벨, 히타치, 산요, 미쓰비시, 코플랜드, 프라 스콜드, 레프콤프, 보크, 캐리어 등 전세계 압축기 메이커 제품을 모두 취급하고 있다. 성원냉동기계의 오버홀 작업은 입고 시 검수와 이력관리를 위한 데이터 베이스 작업을 거친 후 압축기 분해작업, 고장 원인 분석, 기계 정밀도 측정, 세척, 부품교체, 조립, 시운전, 질소 압력 누설 테스트, 도색, 포장을 거쳐 고객에게 출고된다.

한홍규 대표는 “오버홀 시 원인분석 및 기계 정밀도 측정 그리고 성능을 유지하기 위한 부품 교체, 누설검사, 시운전에 중점을 두고 작업을 꼼꼼히 진행한다”라며 “입고 후 고객에게 분해사진 및 오버홀 사진을 촬영해 전달하므로 냉동기 문제점 및 개선 사항을 직접적으로 확인시켜 준다”라고 강조했다.

성원냉동기계가 타 업체와 다른 강점은 두 아들과 딸이 함께 일하는 가족기업이란 점이다.

업무시간에 크게 구애받지 않고 고객 요구사항에 신속한 피드백이 가능하다.

또한 공조냉동기계기사 2명과 산업기사 1명으로 구성된 기술진으로, 고장난 냉동기를 분해해 정확한 원인분석이 가능하며 설치되어 있는 시스템도 어느 곳에 문제점이 있는지 파악한 후, 업체에게 해결책을 제시 가능하다. 성원냉동기계는 일반 시공업체뿐 아니라 삼성전자, 경동제약, 아워홈, CJ, 일진전기, 식품 회사, 핸즈식스, 대학교, 사우나, 골프장, 데어 리젠, 대명CC, 비발디파크, 풍년피엔 등 전 산업군에 걸쳐 고객사를 확보하고 있다.

한홍규 대표는 “30여 년간 쌓아온 독창적인 기술과 경험을 통한 냉매 분배 기술을 기반으로, 수입에 의존하던 CO2 히트펌프 급탕기를 한국 실정에 맞게 국산화했다”라며 “다음 세대를 위해 자연과 환경보전을 실천하며, 고신뢰성, 고효율성, 에너지 절약과 함께 식품 냉동냉장, 일반 공조, 산업공조 분야에 큰 가치를 창조해 나아갈 것”이라고 비전을 제시했다.