대한설비공학회 냉동부문위원회(위원장 송찬호)는 5월 20일 서울 강남구 세텍(S TEC)에서 ‘탄소중립시대에서 냉동 및 히트펌프의 역할’을 주제로 학술강연회를 개최했다.

이번 강연회에서는 △에너지 다소비 공정의 효율향상을 위한 고온 히트펌프 개발동향(고희 환 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 열교환기 기술(서진욱 프로스트 대표) 등의 주제 발표가 진행됐다.

고온 히트펌프, 산업부문 탈탄소화 핵심수단

고희환 태양전기 수석연구원

고희환 태양전기 수석연구원은 ‘에너지 다소비 공정의 효율향상을 위한 고온 히트펌프 개발동향’ 발표에서 “IEA는 2050년까지 전 세계 에너지시스템의 탈탄소화를 위한 가장 핵심 수단으로 제시한 것이 전기화로 2005년 넷제로 달성에 약 20% 수준 기여할 것으로 분석하고 있다”라며 “특히 산업부문 전기화를 통한 온실가스 감축의 한 파트로 보일러 대체 고온 히트펌프(P2H)를 제시하고 있다”라고 언급했다.

2100년까지 지구온도 상승폭을 1.5℃ 미만으로 제한하기 위해서는 2030년까지 2010년 대비 CO2 배출량을 최소 45%까지 감축해야 하고 2050년까지 CO2 순배출량 제로(Net-zero)를 달성해야 한다.

또 전세계적으로 오존층 파괴 및 지구온난화를 유발하는 물질인 F-gas(냉매)에 대한 규제 및 냉매충전량 쿼터제가 강화되면서 신기후 체제 협약 준수를 위한 대체냉매 사용 및 충전량 감소에 대한 연구 필요성에 대한 인식도 높아지고 있다.

한국의 경우, 2024년 HFC 사용량 동결을 시작으로 2045년에는 HFC 사용량이 80% 감축된다. 또 2030년 HCFC를 사용한 신규 냉동기 생산이 금지되며 2040년은 HCFC 서비스 사용이 금지될 예정이다.

이런 가운데 우리나라는 산업기기 공정 효율화를 위해 에너지 다소비 공정을 중심으로 선도국과 기술격차를 좁히기 위해 노력 중이며 다양한 효율향상 시도들이 현장에서 반영되고 있다.

고희환 수석연구원은 “정부는 산업분야 탄소중립 R&D 전략 핵심기술로 에너지 효율향상 중심이 아닌 탈탄소 신공정기술 및 에너지전환 기술개발과 탄소를 획기적으로 저감할 수 있는 ‘한계돌파형(Breakthrough) 혁신기술’에 지원하고 있다”라며 “고온이 요구되는 산업분야에서는 고온 히트펌프 및 관련 공정기술, 재생에너지 사용이 필요한 실정이다”라고 말했다.

보일러 대체 고온 히트펌프는 증기 생산, 건조, 가열 등 열원으로 사용되는 연소식 보일러를 히트펌프로 전환하는 기술로 현재 히트펌프는 건물에 주로 적용되고 있다. 히트펌프는 보일러 대비 도입비용은 다소 높지만 CO2 발생량 60% 저감, 에너지비용 70% 절감 등 월등한 효율 개선에 따른 탄소감축 성능으로 ROI 회수기간의 단축이 가능하다.

가까운 일본은 150℃ 이상의 고온 수요에 대응해 연소식 보일러를 대체할 수 있는 R600a(A3) 적용, 최고 200℃급 배열이용 고온 히트펌프 기술개발을 완료하고 COP 3.5, 500kW 용량의 165℃급 천임계 고온 히트펌프 상용화를 준비 중이다.

유럽 각국도 산업분야 탈탄소화 핵심기술로 135~170℃급 고온 히트펌프 기술개발 및 실증시험을 진행 중이다.

고희환 태양전기 수석연구원은 “한국은 윤활유를 전혀 사용하지 않는 자기부상 고온용 원심 냉매압축기와 Low GWP 고온용 냉매(A1), Falling Film 증발기, 초임계 가스냉각기 등 핵심기술 개발과 COP 2.5 달성을 통해 기존 연소식 보일러 대체가능한 160℃ 증기공급 히트펌프 국산화가 진행 중”이라고 밝혔다.

태양전기는 현재 KEIT 주관하에 올 4월 1일부터 2026년 12월까지 137억을 투자해 진행 중인 ‘350kW급 160℃ 증기생산용 무급유 원심식 고온 히트펌프 개발’ 정부과제에 참여 중이다.

개발중인 시스템에는 모든 윤활 관련 부품을 제거한 무급유 시스템인 자기부상 기술이 채용된다. 이를 통해 냉동기 휴지시간은 50% 감축하고 열교환 효율은 12~15% 향상시킬 계획이다.

고희환 수석연구원은 “Low GWP 고온용 냉 매는 현시점에서 R123가 적합하지만 나라별 생산이 중단 및 중단될 예정이라 가용성 및 비용, 안전성, COP 등을 고려해 열 안정성이 우수한 냉매를 선정 적용할 예정”이라고 말했다. 이번 연구에서 Low GWP 냉매용 열회수 고온 증발기는 냉매 충전량은 대폭 줄이고 열교환기 효율은 높일 수 있도록 Falling Film Type으로 개발된다.

고희환 수석연구원은 “Falling Film Type 고온 증발기가 적용되면 100% 수입에 의존하던 고가의 냉매 수입 감소와 글로벌 F-gas 규제 및 냉매충전량 쿼터제에 대응 가능하다”라며 “원가 절감을 위해 신기후체제 협약 준수를 위한 대체냉매 사용 및 충전량 감소 연구가 뒤따라야 한다”라고 언급했다.

이어 “일반적인 아임계 히트펌프 사이클과 달리 스팀 발생용 고온부가 초임계 영역이므로 초임계 유체를 냉각하기 위한 초임계 가스냉각기 개발도 필요하다”고 말했다.

고희환 수석연구원은 “아직 한국에는 160℃급 히트펌프 개발을 위한 기본 시험/평가설비가 없지만 연구과제 연차별로 기본 시험설비와 산업공정 적용 모의환경 실증실험장치를 제작할 예정”이라며 “이를 통해 완제품 대비 부품 국산화율 96%의 제품을 상용화할 계획”이라고 언급했다.

R32 대체냉매, GWP 높아 지속가능성 의문

이공훈 한국기계연구원 책임연구원

이공훈 한국기계연구원 책임연구원은 ‘VRF 히트펌프용 Low GWP 냉매현황’ 발표에서 “글로벌 냉매규제에 따른 대체냉매 적용은 선택이 아닌 필수”라며 “국내 HVAC 관련 제조산업은 세계 최고의 기술을 보유하고 있지만 대체냉매 시장에서 대기업은 패스트 팔로어(Fast follower) 입장인 반면 중견·중소기업은 시장 변화에 대응이 매우 느리다”고 언급했다.

국내 냉매 시장에 공급되고 있는 대부분의 냉매는 수입에 의존하고 있는 실정이다. 냉동냉장 분야에서 많이 사용하고 있는 R22 등 규제 대상 냉매의 경우 일부 기업에서 소량 생산하기도 했지만 중국산과의 가격 경쟁력 약화로 현재 대부분 수입에 의존하고 있다.

이공훈 책임연구원은 “국내에서 2000년대 초까지 CO2/HCs 관련 연구 경험과 화공분야에서 유기혼합물 대상 상태방정식 최적화에 관한 연구가 존재하나 냉매분야는 극히 드물다”라며 “차세대 친환경 냉매의 원천기술은 대부분 하니웰, 케무어스 등 해외기업이 보유하고 있다”라고 아쉬움을 토로했다.

이어 “현재 냉동공조분야 특히 VRF 제품의 경우, R410A가 많이 사용되고 있으며 이를 R32로 대체하고 있으나 GWP가 높아 지속가능한 냉매는 아니다”라며 “국내외 대부분의 제조사들은 현재 사용 중인 R410A를 대체할 수 있는 비가연성(A1) 대체냉매 적용 개발을 검토 중이거나 R32를 대체할 수 있는 냉매를 개발 중이다”라고 밝혔다.

멀티 VRF 분야는 미국이나 유럽보다 한국, 일본 제조사 기술력이 상대적으로 우위를 보이고 있다. 특히 R32냉매는 일본의 다이킨에서 세계 최고의 기술력 및 다양한 특허를 보유 중이다.

이공훈 책임연구원은 “지난해부터 정부과제로 ‘친환경 냉매개발 및 성능평가, 대체냉매 적용 VRF 최적화 기술개발’을 시작했다”라며 “기계연구원을 필두로 YM레미, 한국표준과학연구원, 한국냉동공조산업협회, 오텍캐리어, 한국산업기술시험원, 한국에너지기술연구원, 고려대, 국민대 등이 참여하고 있다”라고 밝혔다.

이번 R&D에서는 GWP10, 안정성 A2L의 차세대 친환경 대체냉매 개발 및 성능평가 인프라 구축과 대체냉매의 안전성 평가기술 개발, 그리고 대체냉매 적용(GWP 750, 안전성 A2L) VRF 히트펌프시스템 최적화 기술 개발이 최종 목표다.

세부기술 개발목표는 혼합냉매 기반 친환경 냉매의 제조 및 양산화 기술을 개발하고 친환 경 냉매 상태방정식 및 열역학적 물성측정 원천기술 개발, 친환경 냉매관련 LCCP, 열전달 물성, 안전성, 적합성, Drop-in 평가 등의 DB를 확보할 계획이다.

또 A2L급 친환경 냉매 가연성 및 독성 평가와 냉매 시스템의 설치 안전성 평가 및 안전규격을 제정하고 대체냉매 적용 VRF 시스템 및 열교환기 등 요소기기를 개발 및 최적화를 통해 운전안전성을 확보할 예정이다.

가상시스템(VPD) 통해 산업용 공조 최적화

박노마 LG전자 책임연구원

박노마 LG전자 책임연구원은 ‘인버터 기반 산업용 공조시스템의 모델기반 설계 및 최적제어 연구’ 발표에서 “LG전자는 산업용 공조시장에서 기기 판매에 그치지 않고 수주제안, 유지보 수 등 가치사슬 전체로 포트폴리오를 확대하고 있다”라며 현장+통합 시스템 기술을 통한 고객 맞춤형 솔루션인 가상시스템(VPD) 기술을 활용한 산업용 공조 솔루션에 대해 소개했다.

산업용 공조는 정밀 온·습도 및 청정도·압력제어가 필요하며 이를 위해 AHU 및 중앙제어가 필수적이다. 특히 산업용 공조솔루션은 요구조건이 엄격하고 외기도입, 제습 등 정밀제어가 요구되므로 상업용 VRF방식으로 대응이 불가능하다.

국내 산업용 공조시장 규모는 4,000억원 수준이며 글로벌 시장규모는 20조원 이상으로 추정된다. 일본 등 선진 업체들은 산업용 공조 밸류 체인(기획부터 유지관리) 전체에서 수익을 창출하고 있다. 이를 위해서는 현장별 맞춤제안을 위해 다수 기기의 복합설계/엔지니어링 역량이 필요하다.

박노마 책임연구원은 “일본 다이킨 자회사 DAPS는 사전기술영업, 서비스 단계에서 유사 버티컬 DB와 설계, 에너지 시뮬레이션 SW를 활용해 가상화 기술을 실용적으로 적용하고 있다”라며 “산업용 공조의 비정형성으로 인해 챔버시험보다는 현장 엔지니어링이 중요하며 설계단계 및 로직 개발은 가상검증이 필수적”이라고 강조했다.

LG전자는 가상환경 공조부하 계산 SW를 개발해 청주CM 공장에 적용했다. 청주CEM 공장의 DH-06라인은 외기도입과 환급기 AHU로 DX-coil, 데시칸트휠, 냉수코일, 스 팀코일 및 가습기 등으로 구성돼 있다.

박노마 책임연구원은 “산업용 공조는 하루라 도 성능유지에 실패한다면 운영정지로 인한 손해가 막대해 신뢰성이 우수한 시스템을 구성하는 것이 중요하다”라며 “현장별 맞춤으로 시스템을 구성해야 하기 때문에 가상검증을 통한 목표 온·습도를 달성할 수 있는 최적화가 우선돼야 한다”라고 밝혔다.

LG전자는 가상시스템 검증을 위해 필드 실측데이터와 시뮬레이션을 통해 비교검증도 실시했다. 필드실측데이터와 가상시스템 데이터를 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 책임연구원은 “강화학습을 통한 최적제어로 가상운전 결과 연간 전기사용량 17.2% 절감 및 가스사용량 70.8% 절감이 예측돼 연간 에너지비용을 53.7% 절감할 수 있었다”라며 “이를 비용으로 환산하면 기존 연간 에너지비용 1.38억원이 0.75억원으로 감소해 45.6% 절감이 예측돼 투자회수기간도 줄일 수 있다”라고 말했다.

현재 산업용 공조시장은 설계 툴 부족으로 ATS-AHU(덕트 도면 생성), 엑셀 기반 실외기 용량을 산정하다보니 최대부하 및 안전율이 과다하게 계산되는 것으로 알려졌다. 또 유지관리 현장에서는 BECON 등으로 모니터링해 고장 여부를 판단하는 수준이다.

박노마 책임연구원은 “산업용 공조 VPD 솔루션을 활용하면 제안단계에서 부하대응 장비 설계나 연간 에너지 해석 기반 제안서를 제공하고 유지보수 단계에서 가상환경 로직 최적화 후 현장 온보딩을 통해 에너지 절감을 실현할 수 있다”라고 평가했다.

공기(Air) 냉매 사용한 Zero-GWP 냉방·냉동시스템 개발

신형기 한국에너지기술연구원 실장

신형기 한국에너지기술연구원 열변환시스템 연구실장은 ‘냉매규제에 대비한 공기냉매 활용 Zero-GWP 냉방·냉동기술개발’ 발표에서 “전세계적으로 탄소중립 실현을 위해 High- GWP 냉매에 대한 산업무역 규제가 강화되고 있지만 국내 냉동 및 냉장산업은 대체냉매에 대한 뚜렷한 방향성을 결정하지 못하고 있다”고 언급했다.

이어 “미국환경보호국은 2019년 1월부터 연간 냉매 누설관리에 대한 요구조건을 강화 하고 있다”라며 “특히 대형 산업용 냉동기기의 경우 냉매 누설에 대한 관리기준을 구체적으로 제시하며 격년으로 누설허용치를 강화했다”라고 강조했다.

신형기 실장은 “글로벌 냉방용 에너지 수요 는 2050년까지 3배 증가가 예상되며 높은 지구온난화지수를 갖는 냉매(R410A, R32) 중심의 히트펌프 판매량은 지속증가할 것”이 라고 전망했다.

또 글로벌 산업용 냉동시스템 시장은 2019년 19.3 billion에서 2025년 24.8billion으로 연평균 4.3% 성장이 전망되며 글로벌 콜드체 인 시장은 2020년 233.8 billion에서 2025 년 연평균 7.8% 성장하고 특히 최근 5년간 냉 장냉동창고업은 연평균 성장률 2.6%로 향후 이를 상회하는 수준을 유지할 것으로 예상했다.

신형기 실장은 “오존층파괴와 지구온난화 방 지를 위해 친환경 냉매의 필요성과 사용이 증가하고 냉동창고의 공간 활용성 확보, 백신, 반도 체 공정, 수소 충전 등 고부가가치 산업에서의 요구 등으로 혁신적이고 콤팩트한 냉동시스템의 수요 증대가 예상된다”라며 “공기냉매 냉방시스템은 타 자연냉매 냉동시스템에 비해 Zero-GWP이면서도 안전성이 높고 제작 및 관리비용이 상대적으로 낮아 경제적”이라고 말했다.

공기(Air) 냉매시스템은 -160~100℃ 이상의 온도 범위에서 동작 가능해 초고속 터보 Compander 코어 모듈 기술을 확보하면 광 범위한 온도대역을 커버하는 통합 공기 솔루션 (Air Soiution)을 제공할 수 있다.

특히 식품의 급속동결, 동결건조 등 식품공 정·저장·운송을 포함하는 식품콜드체인과 특수의료·의약품산업의 콜드체인시장이 커지면서 초저온 온도대의 수요가 증가하고 있어 이를 공기냉매시스템으로 대응할 수 있을 것으로 기대된다.

신형기 실장은 “냉동시스템에 공기 냉매를 사용하면 기존 다단 케스케이드 사이클을 1단 공 기 사이클로 대체 가능하고 시스템이 단순해져 높은 신뢰성 및 내구성을 확보할 수 있으며 고 온부는 난방 및 급탕으로 활용해 COP 향상이 가능하다”라며 “현재 공기냉매 터보 Com- pander 냉동시스템을 제작해 압축기, 팽창기, 열교환기 등 주요 컴포넌트에 대해 예비 테스트한 결과, 압축기 효율 78%, 팽창기 효율 89% 등 안정적인 설계안을 도출했다”고 밝혔다.

BSPHE 열교환기, 외산제품대비 40% 이상 비용 절감

서진욱 프로스트 대표

서진욱 프로스트 대표는 ‘디스크 번들형 쉘앤 플레이트 열교환기 기술’ 발표에서 회사소개와 국내외 열교환기 종류별 시장규모, 시대변화에 따른 열교환기 타입, BSPHE 열교환기의 구조 및 특징 등에 대해 소개했다.

프로스트는 냉동분야를 비롯해 산업용·발전 용·선박용 등 고압·고효율 원형 및 판형 열교환기 설계, 시험, 제작 전문기업으로 △판형 열교환기 냉매 분배·동파방지관련 국내특허 7건 △고압형 판형열교환기 구조접합 관련 국내특허 3건 △디스크형 열교환기 관련 국내특허 4건 및 해외PCT 1건, 해외특허 7건을 보유하고 있다.

서진욱 대표는 “국내 열교환기별 시장규모는 2019년 5,333억원에서 올해 5,900억원, 2025년에는 6,500억원으로 성장할 것으로 전망된다”라며 “열교환기 종류별 시장규모는 브레이징(BPHE) 타입이 가장 컸으며 뒤를 이어 쉘&튜브 타입, 가스켓 타입, 공기냉각 타입 순으로 나타났다"라고 밝혔다.

프로스트의 디스크 번들형 쉘앤플레이트 열교환기(BSPHE)는 배관 연결구조 변경 없이 쉘앤튜브 열교환기의 체적을 30~40% 줄일 수 있다. 번들(전열판)의 압력은 일반 브레이징 판형열교환기의 압력대비 5배 이상 사용할 수 있으며 각각의 번들은 원형으로 분리, 세척, 용량 증가가 가능하다. 특히 원형 이중 접합 벌집구조로 인해 스팀에 의한 맥동과 압력변화에 강하고 진공 브레이징으로 접합된 원형 전열판이 적용돼 일정한 품질을 유지할 수 있다.

서진욱 대표는 “일반 용접형 열교환기와 달리 BSPHE는 진공 브레이징에 의한 특수용접으로 산화피막 및 열변형이 없고 플레이트에 막힌 부분이 없어 유동이 매끄러우며 기존의 디스크 열교환기에 비해 전도성이 우수하고 동결로 인한 동파가 발생하지 않는다”라며 ”맞춤형 사양을 이용해 외산제품 대비 40% 이상 비용을 절감할 수 있다“고 강조했다.