세계적인 냉매 규제 및 대체냉매 이슈로 우리나라 선진기업 제품들도 R32 제품을 개발해 해외 시장에 진출하고 있으나 냉매 개발과 관련 여전히 Fast follower 입장을 고수하고 있다. 이러한 동향에 대응하기 위해 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지기술개발사업 일환으로 '차세대 대체냉매 및 고효율 냉난방 기기 핵심 기술·통합 운영시스템 개발'이 개발되고 있다. 기술개발사업에는 혼합냉매 기반 대체냉매 개발, 냉매 물성 측정 및 VRF 제품 개발을 포함하고 있으며 2021년부터 과제가 시작돼 2025년까지 개발할 계획이다.
대한설비공학회는 6월21일부터 23일까지 용평리조트에서 열린 하계학술대회에서는 차세대 대체냉매를 주제로 열린 특별세션 1·2가 열렸다. 이날 특별세션은 △대체냉매 상평형 물성 및 안전성 평가 기술 개발 현황 △CO₂가스를 이용한 0.77m³ 공간 내 냉매 누설 실험 및 CFD에 대한 연구 △ 각국의 기존 냉매 규제 환경 및 차세대 대체냉매 기술동향 분석 △Low GWP 냉매를 적용한 VRF 히트펌프 시스템의 경제성 평가 등이 발표됐다.
첫 발표에 나선 김동호 기계연구원 박사는 ‘대체냉매 상평형 물성 및 안전성 평가 기술 개발 현황’을 주제로 발표했다.
대체냉매의 개발이 혼합냉매 기반으로 수행되기 때문에 상태방정식 개발을 위해 기액 상평형(VLE) 실험은 필수적이다. 혼합냉매의 상태방정식 개발을 위해 가장 필수가 되는 실험은 기액상평형 실험으로 평형셀의 온도 조건을 유지한 상태에서 유체의 압력 및 기-액 각각의 조성비를 측정한다. VLE 데이터로 상태방정식의 개발도 가능하나 엄밀한 상태방정식 개발을 위해 포화상태에서의 밀도 값도 측정한다.
김 박사는 “현재 기액상평형 및 포화상태 밀도의 설비는 구축이 완료됐으며 Pure fluid를 기반으로 Bubble point 및 포화상태의 밀도 측정을 통해 시험설비의 건전성을 평가 중으로 상용 혼합냉매를 대상으로 조성비 측정에 대한 기술을 확보했다”라며 “상태방정식의 경우 알려진 상태방정식을 이용해 열역학 물성치, 전달 물성치를 계산하는 방법을 확립했으며 단상 및 상평형 측정 data를 기반으로 상태방정식을 fitting하는 방법을 개발 중”이라고 밝혔다.
대체 냉매의 경우 GWP 제한을 맞추기 위해 불가피하게 가연성이 높아지는 이슈가 있다. 최근에는 A2L 냉매도 냉매봉입량에 따라 바로 사용하거나 안전설비를 통해 사용이 가능하도록 KC 안전규정(KC 60335-2-40)이 개정됐다.
VRF의 실내기에서 누설이 발생하는 경우 다양한 공간적인 상황에 대응하는 냉매 봉입량 제한, 안전기준 설계를 위해 누설에 대한 시험 및 해석 기술이 필요해 연구를 수행 중이다. Lab-scale 크기(ISO 9705 기준 1/27 크기)에서 CO2 냉매를 대상으로 누설성능 시험 및 해석을 수행했으며 공간 내 경향 및 농도 분포의 결과값을 10% 이내 수준에서 잘 예측했다. 올해는 실제 Room-scale 크기를 대상으로 냉매 누설 속도, 장애물 유무에 따라 누설 시험 및 해석 기술을 개발할 예정이다.
냉매의 Safety class를 결정하는 인자로는 Flame propagation, LFL, 연소열, 연소속도가 있다. A1과 A2를 구분하기 위해서는 Flame propagation, A2L/A2를 구분하기 위해서는 연소속도, A2/A3를 구분하기 위해서는 LFL이 평가돼야 한다. 이에 따라 기계연구원은 ASTM E-681에 기반해 LFL 평가설비, ASHRAE 34에 기반해 연소속도 평가설비를 구축했으며 현재 상용 냉매를 기준으로 설비의 건전성을 평가 중이다. 설비건정성이 확인되는 대로 개발 냉매에 대한 Safety class 평가를 수행할 예정이다.
김동호 박사는 “R410A의 대체냉매 개발이 혼합냉매 형태로 진행됨에 따라 우리나라에서도 혼합냉매 개발, 열역학적 물성 측정 및 평가, 안전성평가 등의 연구 수요가 생기고 있다”라며 “현재는 개발 기술들이 검증단계에 있으며 내년부터는 개발된 기술을 통해 대체냉매에 대한 평가를 진행할 예정이며 향후 국내에서도 냉매 개발 및 검증을 통해 국산화 냉매 개발이 상용화되기를 기원한다”고 밝혔다.
류진우 기계연구원 박사는 ‘CO₂가스를 이용한 0.77m³ 공간 내 냉매 누설 실험 및 CFD에 대한 연구’를 통해 이산화탄소(CO₂) 가스를 이용하는 시스템에서 냉매가 누설되는 경우를 모사하기 위해 소형 실험공간을 제작해 누설실험과 CFD를 수행해 냉매 농도를 비교 검증했다.
냉매 누설 모사 실험공간은 가로 1.2m, 세로 0.8m, 높이 0.8m 등 총 0.77m3으로 구성됐으며 투명아크릴로 제작됐다. 이는 ISO 9705(화재시험) 규격의 가로 3.7m, 세로 2.4m, 높이 2.4m의 공간의 각 길이 기준으로 1/3 scale, 부피 기준으로 1/27 scale로 모사한 것이며 천장에서 냉매가 누설되는 것을 가정해 천장 중앙에 1 inch 배관을 모사 제작됐다.
누설실험 시 냉매 총 누설량은 실험공간(0.77m³)의 5vol% 수준으로 결정했으며 이는 CO₂를 기준으로 약 70.6g이다. 누설시간은 30초(유량 2.35 g/s)로 실험을 진행했으며 재현성 확인을 위해 테스트를 2회 실시했다. 최종적으로 적산된 냉매 누설량을 계산했 때는 목표한 누설량과 약간의 차이가 있었다. 실험 전 실험공간은 송풍기 등을 이용해 장시간 공기 중 노출해 실험 초기 상태를 일정하게 유지했으며 실험데이터는 2~3초 단위로 10분(600초)간 저장했다.
류진우 박사는 “이산화탄소 냉매가 누설됐을 때 일어날 수 있는 시나리오를 모사하기 위해 소형 실험 모사 공간 및 CFD 모델링을 수행하고 동일한 지점에서의 냉매 농도값을 비교했다”라며 “CFD와 실험결과는 유사했으며 정상상태를 기준으로 0.1m, 0.2m 높이에서 각각 6.82%, 6.46%의 오차를 나타냈다”고 결과를 발표했다.
위대한 와이엠레미 책임은 ‘VRF용 친환경 혼합 냉매 핵심 원료 합성 연구’를 발표했다. 이번 연구는 GWP가 낮은 친환경 혼합냉매의 핵심 원료 중 하나인 CF₃I의 합성기술에 관한 것으로 여러 가지 합성 방법 중 트리플루오로메탄(CF₃H: R23)과 요오드(I2)를 반응 원료로 하는 합성방법에 대해 반응시간과 반응온도에 대한 영향을 소개했다.
CF₃H와 I₂를 반응 원료로 사용해 CF₃I를 합성하는 실험장치를 제작했으며 이를 이용해 CF₃I 합성 반응을 수행했다. 합성 반응에서 원하는 생성물인 CF₃I 이외에 여러 부산물이 생성되고 반응 원료인 CF₃H는 반응기에서 완전히 반응하지 않고 일부 미반응 상태로 존재하는 것을 확인했다.
또한 반응시간 변화 실험 결과로부터 반응기에 새로운 촉매를 투입하는 경우 정상적인 CF₃I 수율이 나올 때까지 약 4시간이 경과돼야 한다는 것을 알 수 있었다. 반응 온도 변화 실험 결과로부터 반응 온도가 증가하면 CF₃I 수율이 증가는 반면 부산물 생성량도 함께 증가하는 것을 알 수 있다.
위대한 책임은 “VRF시스템에 사용될 친환경 대체냉매의 핵심 원료인 CF₃I의 제조공정에서 폐기물인 부산물의 생성량 감소와 분리공정의 용이성을 고려하는 경우 낮은 반응 온도가 유리하며 CF₃I 합성 반응 온도는 550℃ 부근이 적합할 것으로 보인다”라며 “정제 실험을 통해 불순물을 정제해 냉매로 사용할 수 있는 고순도 CF₃I를 얻는 조건을 탐색할 예정이며 더 나아가 국산화할 수 있도록 개발에 박차를 가할 것”이라고 밝혔다.
한국냉동공조산업협회는 ‘각국의 기존 냉매 규제 환경 및 차세대 대체냉매 기술 동향 분석’ 연구내용을 발표했다. 이번 연구는 변화하는 냉매시장의 기술 동향 및 점차 강화되는 기존 냉매에 대한 규제 환경, 이중에서도 EU에서 최근 공개한 F-Gas 규정 개정안에 대해 조사, 분석해 국내 산업의 실정을 파악하고 향후 대응방안을 제시하고자 진행됐다.
그간 냉매는 기후변화의 관점보다는 오존층보존 관점에서 주로 논의돼 왔기 때문에 ODP(오존층파괴지수)가 높은 냉매(CFC, HCFC) 위주의 감축 및 사용금지 규제가 이뤄졌다.
하지만 최근 각종 환경규제로 인해 ODP가 ZERO이며 GWP(지구온난화지수)가 충분히 낮아야 한다는 것이 냉매 선택의 핵심 고려사항이 됐다. 이에 따라 ODP가 ZERO이지만 GWP가 높은 HFC(R23, R410A) 계열 냉매들도 규제를 피해가기 힘든 상황이다.
CFC 및 HCFC냉매의 사용이 단계적으로 중단된 후 HFC는 가장 널리 사용되는 냉매로 자리매김했으며 2021년 HFC 및 혼합냉매의 시장점유율은 63.3%에 육박했다. 이러한 냉매시장에도 변화의 바람이 불어오고 있다.
규제 환경에 대응하는 업계(다이킨, 허니웰 등)들의 최근 특허 목록의 상당수가 HFO와 관련 내용이었으며 HFC의 잠재적인 대체물질로서 HFO에 대한 수요 역시 빠르게 증가하고 있다.
냉동공조협회의 관계자는 “HFO냉매의 CAGR(연평균 성장률)은 22.58%에 달해 4.04%의 CAGR을 나타내는 HFC와 상당한 격차를 나타내며 HFC대비 HFO냉매시장 규모가 상대적으로 작은 건 분명하지만 HFO냉매가 개발단계라는 점과 그로 인해 형성된 높은 가격대를 감안할 필요가 있다”라며 “가전제품의 수요 증가와 저온 유통시장의 급격한 성장으로 인해 꾸준하게 성장 중인 냉매시장에서 글로벌 트렌드인 GWP 관련 규제 강화에 대한 대응이 시급하며 Low GWP 냉매로의 전환은 앞으로 선택이 아닌 필수가 될 것”이라고 강조했다.
이 관계자는 “키갈리의정서에 따른 감축목표를 시행하기 위해 보다 구체적인 가이드라인이 필요하다”라며 “Low GWP냉매로의 전환이 불가피한 상황에서 환경적, 산업적 효과를 고려해 적용 분야별로 GWP 제한 설정 및 적용 일정 수립을 통해 산업계에 심각성을 인지시킬 필요가 있다”고 지적했다.
이기원 한국산업기술시험원 박사는 ‘Low GWP 냉매를 적용한 VRF 히트펌프 시스템의 경제성 평가’ 연구를 발표했다. 이번 연구에서는 Low GWP 냉매를 VRF 히트펌프 시스템에 적용해 경제성을 평가하기위해 진행됐다.
경제성 평가는 BUENAS·PAMS를 기반으로 해 두 가지 관점에서 진행됐으며 두 가지 관점은 가구단위 관점과 국가단위 관점이다. 가구단위 관점에서의 분석은 VRF 히트펌프 1대에 대한 비용과 편익을, 국가 관점은 VRF 히트펌프의 판매량을 예측해 국가적 비용과 편익을 계산했다.
가구단위 경제성 평가조건은 냉매를 기존 냉매에서 Low GWP 냉매로 변경함에 따라 VRF 히트펌프의 판매가격은 증가하나 설비의 효율은 변화가 없는 경우 경제성 평가 결과는 평가기간인 10년간 사용할 때 기존 냉매를 적용한 히트펌프보다 높은 초기 투자비용으로 인해 경제성이 없다고 판단됐다. 가구단위에서 경제성을 확보할수 있는 방안은 VRF 히트펌프의 판가격이 11% 증가했을 때 설비효율이 약 9% 이상 증가하면 냉매 변경에 따라 증가한 초기 투자비용을 10년간 절약한 전기요금으로 회수할 수 있음을 확인했다.
국가단위 경제성 평가의 조건은 냉매를 기존 냉매에서 Low GWP 냉매로 변경함에 따라 VRF 히트펌프의 판매 가격은 증가하나 설비의 효율은 변화가 없는 경우 경제성 평가 결과는 평가기간인 10년간 사용할 때 경제성을 확보할 수 없었다. 국가 단위에서 경제성을 확보할 수 있는 방안은 VRF 히트펌프의 판매 가격이 11% 증가했을 때 설비효율이 약 2.6% 이상 증가하면 경제성 확보가 가능하다.
경제성 평가기간 동안 Low GWP 냉매가격이 감소하는 경우를 가정해 경제성을 확보(B/C 1 이상)할 수 있는 설비의 효율을 검토해 본 결과, 가격이 50% 감소하게 되면 설비효율이 1.8% 이상 증가해도 경제성을 확보할 수 있었다. 이때 10년간 누적 에너지절감량은 약 3,274GWh, 누적 CO₂절감량은 1.39MTon이었다.
이기원 박사는 “경제성 평가 결과 Low GWP 냉매의 높은 가격 및 VRF 히트펌프의 효율 등에 의해 현재 수준에서는 경제성 확보가 불가능하다는 결론을 얻었다”라며 “이와 관련 Low GWP 냉매의 안정적인 수급 및 자체 개발을 통한 가격의 안정성 확보와 VRF 히트펌프의 효율 향상 등 대응책 마련이 필요할 것”이라고 지적했다.
첫 발표에 나선 김동호 기계연구원 박사는 ‘대체냉매 상평형 물성 및 안전성 평가 기술 개발 현황’을 주제로 발표했다. 
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