대한설비공학회 냉동부문위원회(위원장 송찬호)와 열펌프전문위원회(위원장 서정식)는 10월20일 킨텍스에서 '탄소중립 실현을 위한 열펌프 기술'을 주제로 학술강연회를 개최했다.
탄소중립에 있어 히트펌프와 냉동부문은 꼭 논의되는 분야다. 히트펌프로 효율적인 열에너지 생산 및 소비를, 온실가스를 절감할 수 있는 냉매로 냉동하는 등 에너지 생산과 소비에서 효율화된 운영이 이뤄진다면 예고된 기후위기를 극복할 수 있기 때문이다.
개회사를 맡은 서정식 한국냉동공조인증센터 박사는 “최근 IT, AI 등 4차 산업혁명이 주목받으며 소프트웨어에 관심이 높아지고 있으나 탄탄한 하드웨어 기반기술이 있어야 가능하다”라며 “특히 히트펌프·냉동부문은 열관리와 냉난방공조로 하드웨어와 소프트웨어가 원활히 구동되도록 하는 데 있어 필수적인 동시에 산업전반에 영향을 미치므로 탄소중립에서도 빼놓을 수 없다”고 말했다.
히트펌프 통합로드맵 필요…Annex 연구 사례 소개김민성 중앙대 교수는 ‘국제 열펌프 기술 연구개발 동향’을 발표했다.
IEA HPT(Heat Pumping Technologies)는 CERT 산하 TCP 중 하나로 히트펌프에 의한 에너지절감과 친환경적인 이익에 대한 대중이해를 도모하고 시장확대를 위한 노력 및 국제공동협력 R&D를 추진하고 있다. HPT에는 우리나라를 포함한 17개국이 참여하고 있다.
이중 주목해볼 만한 연구로는 △Heat Pumps in Multi-Family Buildings for Space Heating and DHW(Annex 50) △Advanced Cooling/Refrigeration Technologies Development(Annex 53) △Heat Pump Systems with low GWP refrigerants(Annex 54) △Comfort and Climate Box(Annex 55) △Internet of Things for Heat Pumps(Annex 56) △High-Temperature Heat Pumps(Annex 58) 등이 있다.
김민성 교수는 “가정 및 상업, 산업부문의 기존 열원기기를 대체할 수 있는 히트펌프 보급확대가 이뤄지기 위해서는 에너지가격 취약성을 극복해야 한다”라며 “2050 탄소중립을 위해 기술개발 및 보급이 포함된 히트펌프 통합로드맵이 요구되며 국가에너지기본계획에서 히트펌프 보급에 대한 적극적 반영이 이뤄져야 한다”고 말했다.
수열에너지, 높은 잠재성 기반 활용 기대조용 K-water 박사는 ‘대형 열펌프를 이용한 수열에너지의 활용’을 발표했다.
파리, 토론토, 함스테르담, 제네바 등 여러 해외도시에서는 수열에너지를 이용해 냉난방을 공급하고 있다. 국내는 롯데월드타워에 광역상수를 이용한 3,000RT 수열 히트펌프를 적용, 전체 부하의 10%를 감당하고 있으며 한강홍수통제소, 부산 EDC 스마트빌리지 등에서 적용이 확대되고 있다.
국내 신재생에너지로 인정되는 수열은 하천, 댐호소수, 하천 관로수 등이며 14개 하천에 있는 수열에너지 잠재량을 활용 시 표준원전 약 20기를 대체할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
수열에너지 중 하천 활용방안은 직접 취수, 관정 취수, 수중 열교환 등 3가지를 하천의 규모와 상황에 따라 사용할 계획이다. 직접 취수는 대용량 수열시스템에 적합하나 대규모 건설공사로 인한 높은 비용과 하천에서 유입되는 이물질 등 유지관리에 주의해야 한다. 관정 치수는 중형 수열시스템에 알맞으며 대수층에 의해 이물질이 걸러져 유지관리가 용이하고 지열효과로 인한 적정수온 확보에 장점이 있다. 수중 열교환은 소용량 수열시스템에 적합하고 설치비용이 저렴하나 수중 열교환기 누수 등에 관한 유지관리에 유의해야 한다.
조용 박사는 “신재생에너지인 수열에너지를 사용하는 만큼 열교환기가 환경에도 영향을 주지 않도록 설계하는 것이 중요하다”라며 “수질오염을 방지하기 위해 브라인을 사용하지 않고 물을 쓰는 것으로 바꿨으며 이외에도 친환경의 목적에서 벗어나지 않게 지속 확인하며 발전시키겠다”고 밝혔다.
기기·시스템 고효율화, 탄소저감 방향성 제시임병국 삼성전자 수석연구원은 ‘탄소저감을 위한 VRF기술 동향’을 발표했다.
공조장비 매출동향에 따르면 시스템에어컨은 2조8,000억원으로 가장 큰 비중을 차지함으로써 시스템에어컨이 소모하는 에너지를 줄이면 공조장비분야 탄소배출이 절감될 것으로 기대된다. 이는 기기 자체를 고효율화하는 기술과 필요한 상황에서만 공조를 작동시키는 지능형 시스템기술 등 두 가지 기술로 달성할 수 있다.
시스템 고효율화 기술은 압축기, 열교환기, 팬 등 3가지가 열을 이동시키는 가장 중요한 수단으로 여겨진다. 압축기는 난방에서의 약점, 유량손실과 저항, 소음개선 등의 문제를 개선하는 방향으로 개발되고 있다. 열교환기는 기술발전이 정체되고 있으나 한정된 공간에 열교환기를 더 많이 배치하는 방안과 열교환 면적을 늘려 열교환량을 늘리는 것이 연구되고 있다.
시스템 지능화 기술은 쾌적도 등 소비자의 니즈를 맞추고 에너지를 적게 사용하는 방법, 시스템 고장이 발생할 때 알람 등 빠른 조치를 통해 비효율적인 운전을 줄이는 방법, 설치현장별 AI학습을 통한 맞춤 제상방법 등 다양한 측면에서 연구되고 있다.
임병국 수석연구원은 “VRF기술은 소비전력을 아끼거나 전력비용을 아낄 수 있을까하는 아이디어에서 출발한 부분이 많다”라며 “로직을 현장에 적용해 얻어낸 서비스와 제품들로 학계와 협력하고 아이디어를 발전시키면서 에너지를 줄이는 방향으로 시스템에어컨을 발전시켜 나갈 계획”이라고 밝혔다.
열에너지관리 해법, 모듈화·히트펌프 개선 강조권춘규 현대자동차 박사는 ‘탄소중립을 위한 미래 모빌리티 열에너지관리 기술 동향’을 발표했다.
모빌리티 CO₂ 저감현황은 CAFE(기업평균연비)규제에 따라 2050년에 CO₂ 배출 0을 목표로 하고 있다. 자동차산업 BEV 로드맵에 따르면 2020~2030년까지 전기차의 내연기간 추월과 BEV 가격 하락으로 BEV 대중화 시기에 접어들 것으로 예측된다. 이후 내연기관은 퇴조 및 퇴출이 예상됨에 따라 전동화 미래 모빌리티 확대를 위한 기술 및 경제성을 확보해야 한다.
전기차 확대를 위한 기술개발 방향은 1회 충전 시 주행거리 향상을 우선으로 둔다. 이를 위해 배터리 용량을 증대하고 효율적인 운전 및 열관리시스템을 개발하는 것과 공조에 소모되는 동력을 줄이기 위해 고효율 냉난방시스템을 구축하는 것에 노력하고 있다.
전기차 열에너지 관리기술은 1세대에서 공랭식 배터리 냉각시스템과 고전압 전기가열식 히터를 사용했다 그러나 2세대에서 히트펌프를 활용한 고효율 난방시스템이 도입됨에 따라 전비가 향상되고 외부환경·주행상태에 맞춘 실내 쾌적기능 구현이 가능하게 됐다. 이를 바탕으로 3세대에서 냉각수로 통합 열관리시스템을 추가해 공랭식 배터리 냉각시스템을 대체함으로써 효율성을 제고했다. 다만 세대를 거치면서 성능이 개선됐으나 구조가 복잡해졌다. 이에 따라 밸브, 회로 등 통합 열관리시스템의 모듈화기술이 가장 주목받고 있다.
권춘규 박사는 “열관리기술의 미래는 다기능 모듈화, 히트펌프 저온 성능개선, 전 영역 히트펌프 효율 증대 등 탄소중립으로 이어지도록 나아갈 것”이라며 “탄소중립 대응 방안인 LCA(life Cycle Assessment)가 강조됨에 따라 운전·생산·발전·사용·폐기까지 계산해야 하며 기업단위 규제로 나아갈 것”이라고 밝혔다.
냉매규제 대응…자연냉매 개발·개선 필요송찬호 한국기계연구원 박사는 ‘R718(물) 냉매를 이용한 냉동기 개발’을 발표했다.
파리기후협정으로 인한 CFC, HCFC, HFC계열 냉매규제는 Low GWP 적용 냉동시스템 원천기술 개발을 요구하고 있다. 이에 따라 물을 이용한 자연냉매는 화학냉매대비 GWP가 매우 낮으며 냉동공조 관련 중소·중견기업의 경쟁력을 강화할 수 있는 역할이 가능해 개발하게 됐다.
물 냉매를 이용한 냉동기 개발은 물이 사용됨에 따라 전 부품이 물에 맞춰 설계 및 제작이 이뤄졌다. 압축식 냉동기는 △물 냉매 사이클 △수증기용 터보압축기 △요소기기(증발기, 응축기, 인터쿨러) △내부식성 고회전 임펠러 등을 직접 제작함으로써 구성됐다.
압축기시험은 1/5규모로 만든 제품으로 했으며 전기절연 및 누설검사와 평가용 센서 및 전력분석기를 설치한 뒤 진행됐다. 성능시험 결과 저압단에서는 압축효율이 75.85%, 고압단에서는 74.35%로 통합 압축기 단열 압축효율은 평균 75.1%로 나타났다.
송찬호 박사는 “물 냉동기는 현재 단계를 거쳐서 개발해 나간다면 지구온난화에도 대응할 수 있는 냉동기를 개발할 수 있을 것으로 생각한다”라며 “현재 단계로는 1차적으로 과제를 마무리 한 상황으로 문재개선을 위해 과제 또는 실증을 계획하고 있고 건물에서 냉동 칠러로 적용할 수 있도록 발전하겠다”고 밝혔다.
공기-물 히트펌프, 관리 사각지대 탈피 시급서정식 한국냉동공조인증센터 박사는 ‘공기-물 열펌프 국제표준화 소개’를 발표했다.
우리나라는 에너지효율향상 방안에 공감해 힘쓰고 있으나 열원은 공기를 사용하고 부하쪽에는 물을 사용하는 공기-물 히트펌프에 대해서는 소외돼 제도 바깥에 있는 부분이 많다. 우리나라는 온돌난방과 저렴한 보일러의 특성으로 공기-물 히트펌프를 잘 활용하고 있지 않기 때문이며 Domestic Hot Water Heat Pumps(Annex 46)에도 포함된 부분이다.
국가표준, 단체표준, 국제표준은 서로 다른 개념이다. 공기-물 히트펌프에 관한 국제표준은 ISO 19967로 급탕에 대한 공급과 온수공급에 대한 표준을 정해둔 ISO 19967-1이 있으며 ISO 21978이 부분부하 성능, 계절 성능을 규정하고 있다. 이와 함께 ISO 19967-2는 온수를 이용해서 냉·난방을 하는 부분을 다루고 있으나 냉수를 추가해 Air to water heatpump로 개정이 될 예정이다.
서정식 박사는 “실질적인 탄소저감을 위해서는 정확한 표준으로 시험하고 개량을 거쳐 발전시켜야 한다”라며 “단일 제품과 시스템 측면에서 전부 측정이 가능할 수 있도록 논와 검토가 필요하다”고 밝혔다. 이어 “오늘 이후로 많은 분이 관심을 가져주시길 바라며 젊은 분들의 유입이 이 분야를 활성화할 것으로 생각한다”라며 “히트펌프에 관심이 있는 분들이 많아질 수 있도록 행사를 자주 열고 네트워크도 활성화할 수 있도록 노력하겠다”고 말했다.
