11월28일 한국과학기술회관에서 열린 대한설비공학회는 동계학술대회에서는 ‘차세대 대체냉매’ 특별세션이 운영돼 R410A 대체할 CF₃I기반 혼합냉매 개발성과가 공유됐다. 

 

이번 특별세션에서는 △CF₃I를 포함하는 Binary 혼합물에 대한 상평형 실험연구(김동호 한국기계연구원 박사) △히트펌프 가연성 냉매 적용에 따른 화재 위험성 평가를 위한 고장트리분석 방법 연구(류진우 한국기계연구원 박사) △CF₃I를 포함하는 Low GWP 이성분 혼합냉매 상태방정식의 파라미터 피팅(이공훈 한국기계연구원 박사) △히트펌프를 위한 Low GWP 혼합 냉매 R32/R1234yf/R13I1의 조성비율 최적화 연구(김정수 고려대 석사과정) △R1234yf+R13I1 혼합냉매의 열물성(이성준 한국표준과학연구원 박사) 등을 주제로 진행됐다.

 

CF₃I Low GWP 혼합냉매, R410A 대체 가속

 

김동호 한국기계연구원 박사는 ‘CF₃I를 포함하는 Binary 혼합물에 대한 상평형 실험연구’를 주제로 발표했다.

 

고GWP 냉매 감축이 본격화되면서 R410A를 대체할 Low GWP 냉매를 찾는 작업이 냉동공조업계의 핵심과제로 떠올랐다. 독성, 가연성, 압력조건 등을 함께 고려하면 A1(비가연) 등급을 유지하면서 성능과 Low GWP를 동시에 충족하는 후보는 매우 제한적이다. 이로 인해 A2L 약가연 냉매를 일정부분 수용하는 흐름과 함께 가연성을 최대한 억제하는 혼합설계기술에 대한 수요가 커지고 있다.

 

이중 소화약제로 활용돼 온 CF₃I(Trifluoroiodomethane)는 강한 화염억제능력과 GWP 1 이하 수준의 매우 낮은 온난화지수, R134a와 유사한 중압영역 특성을 동시에 갖춰 가연성 HFO계열과 섞어 사용하기에 적합한 핵심성분으로 부상하고 있다.

 

이미 상용 혼합냉매 R466A는 CF₃I의 가능성을 보여주는 대표사례로 R32·R125기반 조성에 CF₃I를 약 40%까지 포함해 Low GWP와 A1 비가연등급을 함께 달성하며 R410A 대체후보로 주목받고 있다.

 

그러나 ASHRAE Standard 34에 등록된 냉매조합 통계를 보면 R32·R125 조합이 압도적인 반면 CF₃I를 포함한 혼합냉매는 오랫동안 R466A 정도만 뚜렷하게 자리잡고 있을 만큼 사례가 적고 널리 사용되는 물성 프로그램에서도 CF₃I 관련 상평형(VLE)·바이너리 상호작용계수(BIP) 데이터가 크게 부족해 설계 시 예측값과 실제 거동 사이의 편차가 큰 것이 업계의 고민거리였다.

 

한국기계연구원은 이러한 데이터 공백을 해소하기 위해 CF₃I–R1132a, CF₃I–R1123, CF₃I–R1234yf 등 세가지 Low GWP 올레핀 조합에 대한 상평형실험을 수행하고 이를 바탕으로 신뢰성 있는 BIP를 도출하는 연구를 진행했다. R1132a는 CO₂와 유사한 고압특성을 가진 냉매로 고온 히트펌프 응용에서 관심을 받는 물질이고 일본 AGC가 개발한 R1123은 여러 문헌에서 R410A 대체 핵심후보로 거론될 만큼 물성이 유사한 순냉매로 평가된다. R1234yf는 이미 자동차 공조시스템에 널리 적용된 대표 HFO로 중압영역에서의 성능과 Low GWP 특성이 검증돼 있어 CF3I와 조합했을 때의 거동을 비교하기에 적합하다.

 

연구팀은 –40℃에서 55℃ 범위의 온도조건에서 평형 셀과 GC를 이용해 기상·액상조성, 온도, 압력데이터를 확보했고 이 VLE 데이터 세트를 바탕으로 REFPROP에 적용 가능한 형태의 BIP를 비선형 피팅으로 도출했다. BIP는 1에 가까운 값이라 소수점 이하 자릿수에 매우 민감하며 실무적으로는 유효숫자 8자리 수준의 정밀도가 필요하다는 점도 강조됐다. 기존 기본값으로 계산한 상평형 곡선은 CF₃I혼합냉매의 실험점과 상당한 차이를 보였지만 새로 도출된 BIP를 적용하면 압력–조성 곡선과 실험데이터가 거의 겹칠 정도로 일치도가 향상돼 설계·해석에 활용가능한 수준의 모델로 개선된 것이 확인됐다.

 

압력–조성(P–x/y) 다이그램 분석에서는 CF₃I–R1132a, CF₃I–R1123처럼 고압냉매와의 조합에서 기상·액상 곡선간 간격이 넓어 온도 글라이드가 크게 나타나는 반면 CF₃I–R1234yf 조합은 곡선 간 간격이 상대적으로 좁고 글라이드가 작아 중압시스템에서 다루기 쉬운 특성을 보이는 것으로 나타났다. 이는 R410A 대체용 혼합냉매 설계에서 압력수준과 온도 글라이드를 함께 고려해 CF₃I 파트너냉매를 선택해야 한다는 점을 시사한다.

 

김동호 박사는 “CF₃I 혼합냉매에 대한 기초 데이터 부족이라는 구조적 문제를 완화하고 REFPROP와 같은 물성도구 안에서 실험과 정합하는 상태방정식 모델을 구축할 수 있는 기반을 제공했다”라며 “향후 R410A 대체냉매 개발과 Low GWP시스템 최적화 연구의 폭을 넓혀줄 것”이라고 밝혔다.

 

A2L 냉매 화재 위험, FTA 정량평가 중요

 

류진우 한국기계연구원 박사는 '히트펌프 가연성 냉매 적용에 따른 화재 위험성 평가를 위한 고장트리분석 방법 연구'를 주제로 발표했다.

 

High GWP 냉매규제가 강화되면서 히트펌프 대체냉매 개발이 가속화되고 있지만 GWP가 낮아질수록 분자구조상 CH결합 증가로 가연성이 높아지는 경향을 보인다. CF결합이 강한 기존 HFC와 달리 HFO 등 신냉매는 약한 CH 결합으로 인해 불이 잘 붙는 특성을 가진다.

 

특히 주거용·건물용 히트펌프처럼 실내·외 혼재환경에서는 화재우려가 커진다. 이에 A2L 약가연 냉매 적용이 확대되는 가운데 동일 A2L 클래스라도 위험도 차별화가 필요해 미국·일본에서 이미 위험성 평가 연구가 진행됐으나 방법론의 명확성 부족으로 국내 적용이 어려운 실정이었다.

 

류진우 박사는 화재발생 확률을 정량계산하는 FTA(Fault Tree Analysis) 방법론을 제안했다. FTA는 사고원인을 탑다운 방식으로 추적하는 정량분석으로 FMEA(고장모드 영향분석)의 정성적 접근과 달리 누설빈도, 가연범위 지속시간, 점화원 확률 등을 수치화해 화재 발생 가능성을 도출한다. 일본가전 기준(100만대당 1회 사고허용, 환산 100년에 1회)을 벤치마킹해 허용기준을 설정하고 초과 시 디텍션 강화 등 위험감소 대책을 반영해 재평가하는 프로세스를 제시했다.

 

히트펌프 생애주기(물류·설치·사용·서비스·폐기)를 세분화해 단계별 위험을 분석하며 제조는 생산자 책임으로 한정했다. 화재조건을 가연범위 형성(누설빈도×지속시간×부피)과 점화원(스파크·화염·고온표면) 만남으로 정의하고 시간적(X축: 가연범위+점화원 발생 빈도)·공간적(Y축: CFD 기반 부피 중첩) 확률을 독립 가정 하에 계산한다. A2L냉매의 높은 최소점화에너지(MIE)로 정전기 등 저에너지 스파크는 배제하고, 기계·전기 스파크와 화염·고온표면을 중점 고려했다.

 

류 박사는 “AHRI·JRA보고서의 불명확한 방법론을 보완해 국내 히트펌프 맞춤형 FTA 프레임워크를 구축, 냉매 믹스처 개발과 연계한 안전설계 가이드라인을 수립했다”라며 “15년 사용주기 가정 하에 단계별 누설·점화 확률을 산정했으나 공간확률의 CFD 시뮬레이션은 진행 중으로 향후 최종 화재확률 도출 후 재발표 예정”이라고 밝혔다.

 

CF₃I Low GWP 혼합냉매, 상태방정식 파라미터 피팅 성공

 

이공훈 한국기계연구원 박사는 ‘CF₃I를 포함하는 Low GWP 이성분 혼합냉매 상태방정식의 파라미터 피팅’을 주제로 발표했다.

 

몬트리올 의정서와 기후변화협약에 따른 GWP 규제 강화로 VRF 등 냉동공조시스템에서 Low GWP냉매 개발이 가속화되고 있으며 9개 기관이 참여하는 과제에서 냉매개발과 VRF 적용성평가를 병행 중이다.

 

이공훈 박사팀은 Peng-Robinson 등 큐빅 EOS의 단순 kij 피팅과 달리 REFPROP 표준인 Helmholtz EOS의 복잡한 바이너리 인터랙션 파라미터(BIP)와 departure function 파라미터를 피팅하는 고난도 접근을 적용했다. Helmholtz EOS는 ideal+residual 파트로 구성되며 mixing rule과 summation을 통해 다성분 혼합을 표현하나 residual 파트 피팅을 위해 VLE뿐만 아니라 단상밀도·비열 등 광범위 데이터가 필수적이다. 대상은 특성차이가 큰 R1132a-CF3I(임계온도 차이 큼, temperature glide 25~35℃)와 유사한 R1234yf-CF₃I(공비냉매에 가까움, glide 1.6℃ 이내) 두 조합이다.

 

VLE데이터만으로 BIP 피팅한 R1132a-CF₃I는 단상영역에서 밀도오차 25~30%, 비열오차 25%로 부정확했으나 단상데이터까지 활용한 departure function 피팅으로 각각 ±5%, ±3% 수준으로 대폭개선됐다. 반면 압력대·임계온도가 유사한 R1234yf-CF₃I는 VLE 단독피팅만으로도 단상오차가 작아(밀도·비열 모두 근사 수준) 추가 피팅효과가 상대적으로 미미한 것으로 확인됐다. 피팅된 EOS를 REFPROP HMX.BNC 파일에 업데이트하거나 predefined mixture로 등록해 임계점·P-xy 다이어그램·글라이드까지 예측가능하며 CoolProp 등 오픈소스에서도 유사정확도 구현이 가능하다.

 

연구결과 특성차이가 큰 혼합물일수록 단상데이터기반 고차피팅이 필수임을 입증했으며 현재 단상데이터 부족으로 간이피팅에 그쳤으나 추가데이터 확보 시 정밀도 향상이 기대된다.

 

이공훈 박사는 "VLE 실험 데이터를 EOS 피팅으로 연결, REFPROP에서 바로 활용가능한 상태방정식을 구축해 Low GWP 혼합냉매의 VRF시스템 설계·성능 평가를 지원한다"라며 “CF₃I기반 신냉매의 실용화 속도를 높이는 기초기술이 중요하다”고 평가했다.

 

히트펌프 R410A 대체 TM150 최적화

 

김정수 고려대 석사과정은 '히트펌프를 위한 low-GWP 혼합 냉매 R32/R1234yf/R13I1의 조성 비율 최적화 연구'를 발표하며 EU 키갈리협약(2030년 HFC 5% 이하) 등 규제에 부합하는 GWP 150 이하 삼성분 혼합냉매 TM150(R32 19.1%, R1234yf 56.7%, R13I1 24.2%)을 개발, R410A대비 LCCP 14.5% 개선과 A1 안전등급을 달성했다고 밝혔다.

 

High GWP R410A(2,256)는 2025년부터 GWP 150 제한으로 대체가 불가피하나 HC(R290)·HFO(R1234yf) 등 Low GWP 후보는 A3·A2L 고가연성으로 drop-in 적용이 어렵다. R454C 등 기존 혼합냉매 연구는 많으나 규제변화에 맞춘 GWP 정밀 최적화와 가연성·LCCP 종합분석이 부족한 실정이다,

 

김정수 석사과정은 R32(고성능), R1234yf(Low GWP), R13I1(화염억제)의 삼성분 조합을 선정해 히트펌프 실험데이터를 기반으로 NSGA-II 유전 알고리즘을 적용했다.

 

KS C 9306 규격(외기 -5~+43℃, 과열도 5℃) 물-물 히트펌프 실험으로 R410A·R454C·3종 TM(질량비 R32 20% 고정, GWP≈150)을 평가한 결과, TM용량은 R410A대비 29~31% 감소했으나 COP은 TMA 7.5%↓~TMC 1.7%↑로 유사 수준이었다. 실험 데이터를 활용한 시뮬레이션모델은 용량·COP·유량 모두 실험값대비 평균 절대 오차 5% 이내로 검증됐으며 이를 바탕으로 COP·용량 동시 최대화와 GWP≤150·가연성 A1 제약 하 다목적 최적화 등을 수행했다.

 

Pareto front 분석에서 R454C(GWP 148)과 성능 유사한 TM150(R32 19.1/56.7/24.2%)를 선정, 플레이머빌리티 인덱스 평가로 A1 등급 확인됐다. IIR 가이드라인 기반 LCCP 분석(Temperature Bin Method, SPF 적용)에서 TM150은 직접배출(GWP 낮음) 90%↓ 효과에도 불구 간접배출(에너지 소비) 증가로 R410A 대비 14.5%↑(5.92→6.79 tCO₂e)됐으나 R454C대비 2.6%↓(LCCP 우수)로 환경성 우위를 입증했다.

 

김 석사과정은 “TM150은 R410A drop-in 불가 수준 용량 감소에도 불구 A1 안전성과 규제 준수 GWP로 실용적이며 향후 안전장치 연계 성능 검증과 다양한 GWP 타겟 혼합 조합 최적화로 발전 예정”이라고 밝혔다.

 

R1234yf-R13I1 혼합냉매 열물성 정밀측정 데이터 구축

 

이성준 한국표준과학연구원 연구원은 'R1234yf + R13I1 혼합냉매의 열물성' 발표에서 저GWP 차세대 냉매 개발을 위한 밀도·점도·비열·열전도도 등 핵심 열물성을 고정밀 측정하고 REFPROP 예측치와의 정합성을 확인한 결과를 제시했다.

 

기후변화 대응차원에서 오존층 파괴와 GWP 저감을 위한 신냉매 개발이 가속화 중이며 혼합냉매의 비선형 상호작용으로 인한 물성 변화를 정밀 측정하는 것이 상태방정식 구축의 핵심이다. 한국표준과학연구원은 과제 세부기관으로서 R1234yf(2,3,3,3-Tetrafluoropropene)와 R13I1(Trifluoroiodomethane) 혼합(70:30, 50:50, 30:70 질량비)을 대상으로 -40~55℃, 최대 70bar 범위에서 데이터를 확보했다.​

 

밀도측정은 Anton Paar DMA HPM 진동튜브 밀도계를 활용해 CRM(인증참조물질)으로 교정 후 수행, R13I1 70wt% 혼합에서 REFPROP대비 평균오차 -0.86~-1.81%(저압)·-1.35~-1.67%(고압)로 우수한 일치도를 보였다. 점도는 동진동 피스톤점도계로 불투명 샘플에도 적합한 고압·고온 측정이 가능해 순수 R13I1 기준 REFPROP 오차 0~1.52% 수준으로 검증됐으며 혼합에서도 ±1% 이내 정밀도를 달성했다. 비열은 Calvet 열량계와 stepwise method를 적용해 -50~20℃, 20~50bar에서 REFPROP과 0.1~1.2% 오차로 측정, 리비전된 REFPROP버전 적용 시 정확도가 추가향상됐다.​

 

열전도도는 Transient Hot-Wire(THW) 방법으로 백금와이어(25~50μm) 저항측정기반 순간열전도 분석을 통해 -40~30℃, 5~50bar 범위를 커버하며 Toluene·R32 표준시료로 REFPROP 오차 0.8%(Toluene)·4.6%(R32) 검증 후 혼합냉매 측정에 투입됐다. 3g 피스톤펌프 2기와 믹서 시스템으로 정확한 조성(오차 1bar 이내) 확보 후 PNID 절차를 통해 밀도·점도 통합시스템(항온조 내)과 비열·열전도도시스템(최대 500bar)으로 데이터를 생산, 모든 물성에서 REFPROP과 1~2% 이내 정합성을 확인했다.​

 

순수물질(R1234yf, R13I1) 비교측정부터 혼합까지 체계화된 접근으로 상태방정식 피팅에 필수적인 고품질 데이터베이스를 구축했으며 고압·저온 조건에서의 재현성과 불확도 평가를 완료해 실험절차서 등록을 마쳤다.

 

이 연구원은 "냉매 개발 후 열물성 측정 인프라 부재가 상용화의 장벽인데 KRISS 시스템은 신규 순수·혼합냉매 모두 대응 가능하며 가연성 평가(A2L 이하) 연계로 VRF·히트펌프 설계 지원이 가능하다"라며 “향후 음속 측정 등 확장으로 Low GWP 냉매 실용화 기반을 강화할 전망”이라고 강조했다.