탄소배출량을 줄이기 위한 노력이 전 세계적으로 가속화되고 있다. 전체 이산화탄소 배출량 중 가정과 상업용 건물에서 배출하는 비중이 28%로 대단히 크며 냉난방운전이 절대적인 영향을 주고 있다.
이에 따라 냉난방 시 발생하는 탄소배출량을 줄이기 위한 가장 효과적이며필수적인 방법으로 ‘히트펌프’가 부각되고 있다. 이에 따라 많은 국가에서는 화석연료 보일러사용을 억제하고 히트펌프 보급을 위한 적극적인 정책을 펼치고 있다.
특히 난방수요가 많은 유럽에서는 전체 탄소배출량 중 가정용 난방에서의 비중이 10%를 차지하고 있어 히트펌프로의 전면적인 전환을 강력하게 추진 중이다. 현재 유럽은 공기열원 냉온수 히트펌프시장의 각축장이 돼 어려운 경제여건 속에서도 매년 두 자릿수 성장을 하고 있으며 2030년에는 가정용 난방시장의 80% 정도가 히트펌프로 전환될 전망이다.
공기열원 히트펌프를 이용해 탄소배출량을 줄이기 위해서는 사용하는 냉매가 가급적 친환경 물질이어야 하고 전기를 생산하는 효율까지 고려했을 때 다른 열원방식보다 운전효율이 높아야 한다.
또한 기존 보일러를 대체할 수 있는 난방성능과 기능을 가져야 하며 신축 건물만이 아니라 구축 건물에도 적용할 수 있어야 한다. 이를 위해서는 기존 공조용 에어컨 및 히트펌프와는 다른 공간난방 및 급탕에 특화된 기술이 필요하다.
LG전자는 6월21일부터 23일까지 용평리조트에서 열린 설비공학회 하계학술대회에서 히트펌프 보급 현황 및 향후 전망, 최근 제품에 실제로 적용하고 있는 친환경 및 한랭지 대응기술을 분석한 ‘보일러 대체를 위한 공기열원 냉온수 히트펌프 개발 동향과 기술’을 발표했다.
발표에 나선 신정섭 LG전자 에어솔루션사업부 책임은 “팬데믹과 경제 저성장 속에서도 글로벌 공기열원 냉온수 히트펌프시장은 중국을 제외하고 2021년 27.9%나 성장했다”라며 “히트펌프시장에서 유럽이 차지하는 비중이 60% 정도인데 성장률이 46%로 시장을 주도하고 있다”고 밝혔다.
신 책임은 “특히 우크라이나와 러시아전쟁에 따른 가스공급 이슈까지 더해져서 2022년에는 54%의 폭발적으로 성장했다”라며 “이는 기존 히트펌프기업들만의 시장이 아니며 유럽의 모든 로컬 보일러기업들까지 합류해 난방시장의 전기화를 위해 치열한 경쟁을 펼치고 있다”고 덧붙였다.
유럽의 경우 신축 건물보다도 구축 건물의 리모델링시장이 더 큰 폭으로 확대되고 있으며 기존 보일러와 대등한 난방성능을 가지는 것이 중요한 요구조건이다. 신축 건물은 비교적 단열이 잘돼 있어 큰 용량의 히트펌프가 필요하지 않고 공간난방에서의 고온수에 대한 니즈가 크지 않지만 구축 건물은 비교적 큰 용량이 필요하고 구식 라디에이터를 그대로 사용하기 위한 고온수가 요구된다.
또한 과거에 일반적으로 적용했던 냉매인 R410A의 경우 GWP가 2,068로 높아 규제 대상이며 제품에서 구현된 최고 출수온도가 55℃ 수준으로 낮아 구축 건물에 충분하지 않았다. 특히 -20℃ 이하 한랭지환경에서 사용하기 어렵거나 충분한 성능을 내기 어려웠다.
이에 따라 공기열월 냉온수 히트펌프기업들은 GWP가 675인 친환경냉매 R32를 적용한 제품을 선보이고 있다. 핵심부품 및 사이클기술을 개발해 출수온도와 운전영역을 약 10℃ 정도 확대했다.
하지만 R32는 R410A에 비해 토출온도가 매우 높아 기존과 같은 사이클로 운전하기 어려우며 한랭지에서의 난방능력 개선이나 결빙을 방지하는 기술이 필요하다.
신 책임은 “압축기는 히트펌프운전에 필요한 전기 중 80% 이상을 소비하고 운전 가능한 영역 및 소음을 결정하는 핵심적인 부품이므로 제품 경쟁력을 위해서는 고성능 압축기기술을 내재화하는 것이 필요하다”라며 “압축기의 성능을 최대한으로 끌어올리고 최적점에서 운전될 수 있도록 시스템을 설계하는 것이 중요하다”고 지적했다.
증발온도와 응축온도가 동등한 운전조건에서 R32냉매는 R410A에 비해 토출온도가 크게 상승하는데 압축비가 높을수록 상승 정도가 심해지지만 전체 운전영역을 평균하면 약 40℃ 가량이나 증가하므로 별도의 대비없이 운전한다면 압축기 토출부에서 100℃를 상회하는 경우가 통상적으로 발생한다.
그러므로 중간압력의 냉매를 압축부 중간에 분사해 토출온도를 낮추는 Injection기술이 적용되고 있다. 기존 Vapor Injection으로는 충분한 냉각효과가 나오지 않으므로 액냉매가 포함된 낮은 건도의 Flash Gas Injection을 사용해야 하고 압축기가 이러한 기능 및 내구성을 가지고 있어야 한다.
Flash Gas Injection 기술은 토출온도 저감 효과뿐만 아니라 난방능력 증가 및 운전효율 개선 등의 장점이 있다. 추운 외기에서도 문제없이 운전되려면 단순히 사이클의 난방성능만 개선해서는 어려우며 동파방지 및 착제상, 누적 결빙 등에 대한 별도의 기술이 필요하다.
동파방지를 위해서는 판형 열교환기를 보온하기위한 히터가 적용되고 있으며 수배관 계통에는 동파방지용 드레인 밸드 등이 사용되고 있다. 눈바람이나 제상운전 후 잔수에 의해 실외기에 결빙되는 문제에 대응하기 위해서는 실외기 바닥패널에 열선히터나 핫가스 냉매관을 배치하고 실외 열교환기 하단부에는 착상을 억제하는 패스를 적용하기도 한다.
또한 실외열교환기의 보호 목적으로 있던 후면 및 측면 그릴을 제거해 눈이나 얼음이 부착되지 않도록 한다. 실외 열교환기를 바닥면에서 거리를 띄워 상부에 배치하고 제상수가 쉽게 빠져나가도록 배수 구멍을 확대하거나 배수로를 경사지게 구성하기도 한다.
신 책임은 “최근 성능과 경제성으로 유럽의 보일러시장을 급속히 대체하고 있는 공기열원 냉온수 히프펌프에 적용하고 있는 기술들을 분석했다”라며 “제품마다 다양한 기술들을 모두 적용하는 것은 아니지만 극한의 환경에서 도 운전하기 위한 연구개발이 꾸준히 진행 중이며 덕분에 매년 개선된 성능의 제품들이 출시되고 있다”고 밝혔다.
목록
