기후위기시대 속 탄소중립을 이끌어 갈 히트펌프산업을 조명하는 컨퍼런스가 개최됐다.

 

냉난방공조 전문저널 칸kharn은 4월13일 코엑스마곡에서 ‘All That Heat Pump 2026’을 개최했다고 밝혔다. 총 6개 세션이 운영됐으며 2-2세션은 ‘산업용 히트펌프’를 주제로 컨퍼런스가 진행됐다. 2-2세션에는 산업용 히트펌프업계 전문가 및 기업관계자들 약 200여명이 참석했다.

 

2-2 산업용 히트펌프 세션은 △산업용 히트펌프 기술개발 동향 공유(최봉수 한국에너지기술연구원 박사) △산업용 히트펌프 적용사례(정광주 LG전자 ES에너지컨설팅팀 책임) △HFO 냉매적용 히트펌프 솔루션(박지훈 댄포스 매니저) △산업공정 적용을 위한 히트펌프시스템 표준 개발 동향(서정식 한국냉동공조시험연구원 본부장) △글로벌 냉매 전환 트렌드와 산업용 히트펌프용 HFO냉매 솔루션(김민지 솔스티스 매니저) △흡착식 열배터리 및 액상 쌍극자 칼로릭냉장고 연구사례(강용태 고려대 교수) 등 6개의 발표로 구성됐다.

 

산업 열 전기화 핵심 ‘히트펌프’

산업부문 탄소중립 달성을 위한 핵심기술로 히트펌프가 부상하고 있다. 최봉수 에너지기술연구원 책임연구원은 ‘산업용 히트펌프 기술개발 동향 공유’를 주제로 산업공정 열에너지 구조와 기술개발 동향을 분석하며 산업 열 탈탄소화를 실현을 위한 히트펌프의 중요성을 강조했다.

 

전 세계 에너지소비 중 산업부문은 약 30%를 차지하고 있다. 이중 약 19%가 열에너지로 활용된다. 그러나 산업 열생산의 약 75%가 화석연료기반으로 이뤄지고 있어 온실가스 배출 비중은 약 37%에 달하는 것으로 나타났다. 이러한 구조에서는 기존 보일러 중심의 시스템을 전기와 히트펌프로 전환하지 않고서는 탄소중립 달성이 어려울 것으로 전망된다.

 

히트펌프의 적용 가능성도 제시됐다. 산업공정에서 사용되는 열은 100℃ 이하부터 500℃ 이상까지 다양한 온도대에 분포하지만 약 200℃ 이하 구간이 전체의 약 47%를 차지한다.

 

히트펌프는 공급온도에 따라 △80℃ 이하의 일반형 △80~120℃ 구간의 고온형 △120℃ 이상의 초고온형 등으로 구분된다. 산업 적용 확대를 위해서는 고온영역 기술확보가 핵심 과제로 꼽힌다.

 

최 책임은 “히트펌프를 활용하면 산업 열의 절반수준까지 전기화가 가능하다”라며 “향후 산업용 히트펌프는 고온·대용량 중심으로 발전할 것”이라고 전망했다.

 

온실가스 저감효과도 확인된다. 고효율 가스보일러대비 히트펌프(COP 3 기준)는 약 40% 수준의 탄소배출 저감이 가능하며 재생에너지 전력을 활용할 경우 배출량은 더욱 감소한다. 특히 저GWP 냉매 적용 시 냉매누설에 따른 배출까지 최소화할 수 있어 향후 저GWP 냉매 적용 기술개발도 중요해질 것이다.

 

기술개발 측면에서는 열원, 냉매, 구성기기, 열공급 조건이 주요 요소로 제시됐다. 특히 최근에는 산업공정에서 발생하는 폐열을 적극 활용하는 연구가 확대되고 있으며 냉매 역시 저GWP 및 자연냉매로 전환되는 흐름이 뚜렷하다. 열원과 공급온도 간 차이를 의미하는 ‘온도리프트’가 기술난이도를 결정하는 핵심 변수로 강조됐다.

 

국내에서는 고온 및 대용량 중심의 기술개발이 진행 중이다. 160℃ 스팀 히트펌프 개발을 비롯해 1,000RT급 대온도차시스템, 180℃급 고온 히트펌프 등 다양한 과제가 추진되고 있다. 일부는 MVR(Mechanical Vapor Recompression)과 결합해 온도를 추가로 상승시키는 방식이 적용되고 있다. 또한 냉열과 온열을 동시에 공급하는 캐스케이드 구조 히트펌프 개발도 진행되는 등 기술고도화가 이뤄지고 있다.

 

최 책임은 “히트펌프는 단순한 설비가 아니라 산업 열 사용 구조 자체를 바꾸는 기술”이라며 “탄소중립과 에너지안보를 동시에 달성하기 위해 반드시 확대돼야 하고 기술개발과 함께 실증 및 정책지원이 병행될 때 산업전반으로 히트펌프 확산이 가능할 것”이라고 밝혔다.

 

폐열 활용 E절감 효과 입증

산업공정 전반에서 히트펌프 적용사례가 확대되며 에너지절감과 탄소저감 효과가 실증되고 있다. 정광주LG전자 ES에너지컨설팅팀 책임은 ‘산업용 히트펌프 적용사례’를 단순 보일러 대체를 넘어 공정효율을 동시에 개선하는 히트펌프의 중요성을 짚었다.

 

정 책임은 “히트펌프는 온실가스 감축기술 중에서도 상위권에 위치하는 핵심기술”이라며 “산업부문에서는 폐열회수를 통한 공정효율 향상 효과가 크다”고 설명했다.

 

이어 “다만 산업적용의 장애물도 있는데 산업공정은 온도조건과 공정형태가 매우 다양해 표준화가 어렵다”라며 “제품종류만 해도 수만가지에 달해 히트펌프 적용설계가 쉽지 않다”고 덧붙였다.

 

현재 산업용 히트펌프는 주로 100℃ 이하, 특히 50~60℃ 구간에서 가장 보편적으로 활용되고 있다. 압축기 방식은 터보, 스크류, 스크롤이 대표적이다. 터보압축기는 대용량, 스크류와 스크롤 압축기는 중소형 중심으로 구성돼 공정별 맞춤 적용이 이뤄지고 있다.

 

에너지절감 효과도 구체적으로 제시됐다. 보일러대비 히트펌프 적용 시 에너지사용량은 열원조건에 따라 약 35~70% 수준까지 감소하는 것으로 나타났다. 특히 냉수 및 냉각수 열원을 활용하는 경우 효율이 가장 높게 나타났다.

 

산업공정 적용사례도 다양하게 제시됐다. 냉각수 열원을 활용한 시스템에서는 냉동기 냉각수를 히트펌프로 회수해 온수 생산에 활용하면서 기존 보일러 연료 사용을 줄일 수 있다. 또한 냉각효율 향상에 따른 냉동기 성능 개선 효과도 동시에 확보했다.

 

공조시스템에서도 히트펌프 활용이 확대되고 있다. 공정 냉각수(PCW)를 열원으로 활용해 공조기(AHU)의 예열 및 재열에 적용함으로써 연중 안정적인 열 공급이 가능하다. 이를 통해 냉각과 가열을 동시에 수행하는 구조로 효율을 높였다.

 

특히 정밀 온·습도제어가 필요한 산업공조에서는 히트펌프기반 시스템이 기존대비 약 50% 수준의 에너지절감 효과를 보였다. 냉각제습과정에서 발생한 열을 재열에 활용함으로써 전기히터 및 보일러 사용을 크게 줄인 것이 주요 원인으로 분석됐다.

 

지열과 냉수열원을 결합한 하이브리드시스템은 계절에 따라 열원을 전환해 연중 안정적인 온수 공급을 구현했으며 하수열 및 연료전지 폐열을 활용한 사례에서는 지역난방 환수 예열에 히트펌프를 적용해 에너지 활용도를 높였다.

 

정 책임은 “히트펌프는 단순히 열을 생산하는 설비가 아니라 공정 내 버려지는 에너지를 재활용하는 시스템”이라며 “적용조건만 맞으면 투자대비 효과가 매우 큰 기술”이라고 말했다. 이어 “앞으로는 다양한 공정에 맞는 최적 설계와 열원발굴이 병행돼야 한다”라며 “이 과제를 넘어설 때 히트펌프가 산업 전반으로 확산될 수 있을 것”이라고 강조했다.

 

HFO 냉매·인버터기술, 상업용 히트펌프 고효율화 핵심

상업용 히트펌프시장에서 저GWP냉매 전환과 인버터기반 고효율기술이 핵심 경쟁요소로 부상하고 있다. 박지훈 댄포스 매니저는 ‘HFO 냉매적용 히트펌프 솔루션’을 주제로 HFO냉매 특성과 공기열원 히트펌프 규제동향, 압축기기술 등을 소개했다.

 

현재 상업용 히트펌프는 R410A 냉매가 주로 사용되고 있으나 고GWP 냉매 규제 강화에 따라 750 이하 냉매 사용이 요구되며 대체냉매로 R32, R452B, R454B 등이 부상하고 있다.

 

박 매니저는 “냉매선택은 단순 대체가 아니라 압축기와 열교환기 설계까지 영향을 미치는 요소”라며 “특히 증기밀도와 잠열특성이 시스템성능을 좌우한다”고 설명했다.

 

R32냉매는 증발잠열이 크고 성능 측면에서 유리하지만 증기밀도가 낮아 체적증가 및 압력손실 문제가 발생할 수 있어 설계 최적화가 필요하다. 반면 R452B와 R454B는 기존 R410A대비 성능과 효율이 개선되면서도 적용 안정성이 높아 대안으로 제시되고 있다.

 

시장에서는 기업별 전략이 다르게 나타나고 있다. 대기업은 이미 R32기반 제품으로 유럽시장에 대응하고 있는 추세이며 일부 기업은 GWP가 낮은 R454B를 채택하고 있다. 효율과 환경성 사이에서 균형을 찾아가는 것이 향후 시장대응의 열쇠가 될 것으로 전망된다.

 

공기열원 히트펌프시장 확대 정책도 주요 변수로 제시됐다. 정부는 2035년까지 히트펌프 350만대 보급과 온실가스 518만톤 감축을 목표로 설정했다. 도시가스 미보급지역과 복지시설, 농업시설 등을 중심으로 보급이 추진될 예정이다.

 

박 매니저는 “가정용 중심 보급 외에도 목욕탕, 숙박시설, 수영장 등 고열 수요를 가진 상업용시장이 중요한 히트펌프 적용처가 될 것”이라며 “결국 상업용 히트펌프 수요가 함께 확대될 것”이라고 전망했다.

 

에너지규제 측면에서 인버터기술의 중요성도 강조됐다. 부분부하 운전이 확대되는 구조 속 인버터기반 제어가 필수적이며 정속형대비 인버터형은 에너지절감 효과가 크고 온도제어 안정성이 높다. 인버터 스크롤 압축기는 부하변화에 따라 용량을 연속적으로 조절할 수 있어 부분부하 구간에서 효율이 크게 향상되며 온·오프라인 반복에 따른 손실도 줄일 수 있다.

 

모터기술에서도 차별화가 이뤄지고 있다. BLDC모터는 구조가 단순하고 비용이 낮지만 대용량 적용과 효율 측면에서 한계가 있다. PMSM기반 PM모터는 제어가 복잡하지만 고효율과 저소음을 기반으로 대형 시스템에 적합한 것으로 제시됐다.

 

박 매니저는 “히트펌프기술은 단순한 냉매 교체가 아니라 압축기, 제어, 시스템설계가 함께 변화해야 한다”라며 “향후 시장은 고효율·저GWP·인버터기반 기술이 결합된 방향으로 발전할 것”이라고 말했다.

 

산업용 히트펌프 ‘표준화’ 추진

산업공정에 히트펌프를 적용하기 위한 핵심과제로 ‘표준화’ 필요성이 강조됐다. 서정식 냉동공조시험연구원 본부장은 ‘산업공정 적용을 위한 히트펌프시스템 표준 개발 동향’을 주제로 산업용 히트펌프는 단일 제품이 아니라 공정과 결합된 시스템이며 시장확산을 위해서는 신뢰를 확보할 수 있는 표준체계 구축이 필수라고 강조했다.

 

산업용 히트펌프시장은 아직 초기 단계로 볼 수 있다. 건물용과 달리 산업공정은 요구조건이 매우 다양하며 설비에 문제발생 시 생산전체에 영향을 미치기 때문에 적용에 대한 신뢰성 확보가 중요하다.

 

산업용 히트펌프는 건물용과 비교해 부하조건과 열원특성이 크게 다르다. 건물은 비교적 표준화된 외기조건과 부하조건을 기반으로 설계가 가능하지만 산업공정은 공정별 온도, 열원, 운전방식이 상이해 표준화된 설계 접근이 어렵다. 산업공정의 부하온도는 -10℃에서 300℃까지 넓게 분포하며 공정별 요구조건이 상이한 것이 특징이다. 이로 인해 현재 산업용 히트펌프는 ‘핸드메이드’ 방식으로 설계·적용되는 경우가 많다.

 

특히 산업공정에서는 폐열 등 미활용에너지를 열원으로 활용하는 경우가 많아 기존 건물용 히트펌프와 다른 접근이 필요하다. 열원과 부하조건이 공정마다 다르게 설정되며 냉동·가열·동시운전 등 다양한 운전모드가 요구된다. 이에 따라 히트펌프 단일 장비가 아닌 △축열조 △열교환기 △MVR(Mechanical Vapor Recompression) 등 주변기기까지 포함한 ‘시스템’ 단위 접근이 필요하다.

 

현재 기술 수준에서는 상용 고온 히트펌프가 약 80~100℃ 수준, 개발 제품은 100~140℃까지 적용 가능한 것으로 분석된다. 다만 산업공정에서 요구하는 고온 영역까지 대응하기 위해서는 MVR, 진공열교환기 등 보조기술과의 결합이 필수적이다.

 

서 본부장은 “현재 산업용 히트펌프 표준화는 기존 KS기준을 기반으로 확장되는 방향으로 추진되고 있다”라며 “신규 표준을 만드는 것이 아니라 기존 KSB6270(원심식 냉동기) 표준에 히트펌프 개념을 포함하는 개정 방식으로 접근하고 있다”고 설명했다.

 

주요 개정 방향으로는 △히트펌프를 포함하는 적용범위 확대 △가열, 냉동, 열회수 등의 용어정비 △공정별 온도조건을 반영하는 시험조건 확장 △성능지표 확대 △시험방법 개선 등이 제시됐다. 특히 산업공정 특성을 반영해 열원과 부하 측 온도조건을 다양하게 설정하는 ‘응용조건’ 개념이 도입될 예정이다.

 

서 본부장은 “산업용 히트펌프는 기기 중심이 아닌 공정 해석, 경제성 분석, 엔지니어링이 결합된 산업”이라며 “표준화는 기술 확산과 시장 형성을 위한 기반이 될 것”이라고 강조했다. 이어 “현재 표준화 작업은 막 시작 단계이며 2026년 내 KS 개정안 반영을 목표로 추진되고 있다”라며 “산업계와의 협력을 통해 실질적으로 활용가능한 기준을 마련할 계획”이라고 밝혔다.

 

HFO 냉매전환, 에너지절감·탄소저감까지 고려해야 

글로벌 냉매시장이 규제중심에서 효율과 탄소까지 고려하는 방향으로 전환되고 있다. 김민지 솔스티스 매니저는 ‘글로벌 냉매 전환 트렌드와 산업용 히트펌프용 HFO 냉매솔루션’을 주제로 앞으로 히트펌프 냉매 방향성에 대해 제시했다.

 

글로벌 냉매 변화 동향을 살펴보면 CFC, HCFC를 거쳐 현재 HFC까지 도달했지만 2016년 키갈리개정서를 기점으로 전 세계적으로 HFC 감축이 본격화됐다. 이러한 흐름 속에서 GWP가 1 수준인 HFO냉매와 자연냉매가 차세대 냉매로 부상하고 있다.

 

국가별 규제는 냉매전환 속도를 결정짓는 핵심 요인으로 작용하고 있다. 미국은 AIM 규제를 통해 2025년부터 히트펌프 및 공조기기에 GWP 700 이하 냉매 적용을 의무화했으며 유럽은 F-Gas 규제를 통해 150 이하 수준까지 강화된 기준을 적용하고 있다. 한국 역시 2028년부터 히트펌프에 GWP 750 이하 냉매 사용이 요구될 예정이다.

 

이러한 규제환경 속에서 시장은 빠르게 재편되고 있다. 북미시장에서는 R454B 냉매가 R410A를 대체하는 주요 솔루션으로 자리잡았다. 유럽은 보다 강한 규제에 따라 R454C와 같은 저GWP 냉매중심으로 전환이 진행되고 있다.

 

산업용 히트펌프시장 역시 확대되는 추세다. 유럽은 산업 폐열회수를 중심으로 히트펌프 적용이 확대되고 있다. 북미는 데이터센터 성장과 함께 냉각 및 열관리기술 수요가 증가하고 있다. 아시아지역은 반도체, 배터리 등 제조공정 중심으로 고온 히트펌프 수요가 증가하는 단계다.

 

이러한 변화에 대응하기 위해 다양한 대체 냉매 솔루션이 개발되고 있다. 대표적으로 HFO 단일 냉매는 GWP가 1 이하로 환경성이 뛰어나며 HFO와 HFC를 혼합한 블렌드 냉매는 기존 시스템을 유지하면서도 규제에 대응할 수 있는 현실적인 대안으로 제시된다.

 

실제 성능측면에서도 대체 냉매의 경쟁력이 확인되고 있다. 기존 R134a를 R513A로 전환할 경우 용량은 약 101% 수준을 유지하면서 효율도 안정적으로 확보되는 것으로 나타났다. 이는 시스템 변경 부담이 적으면서도 규제를 충족할 수 있어 북미시장에서 빠르게 확산되는 배경으로 분석된다.

 

히트펌프분야에서는 온도구간별 냉매전략이 중요하게 작용한다. 저온영역에서는 R454B, R454C 등이 적용되며 중온 영역에서는 R513A, R515B, R1234ze가 대안으로 제시된다. 특히 고온영역에서는 기존 전기히터 보조방식 대신 단일냉매로 100℃ 이상을 구현할 수 있는 기술이 등장하고 있으며 초고온 영역에서는 R1233zd기반 솔루션이 산업용 스팀 대체 기술로 활용되고 있다.

 

김 매니저는 “앞으로 냉매 선택기준은 단순히 GWP 수치가 아니라 시스템효율, 적용 용이성, 규제대응까지 종합적으로 고려하는 방향으로 변화할 것”이라며 “지속가능한 히트펌프시장 확대를 위해서는 냉매와 시스템기술이 함께 발전해야 한다”고 밝혔다.

 

열저장·무압축 냉각기술 부상

강용태 고려대학교 기계공학부 교수는 ‘흡착식 열배터리 및 액상 쌍극자 칼로릭냉장고 연구사례’를 주제로 플러스에너지빌딩 구현을 위한 핵심기술로 ‘솝션 열배터리’와 ‘액상 쌍극자 칼로릭 냉각사이클’을 소개하며 에너지저장과 활용기술의 중요성을 강조했다.

 

강 교수는 “국내 에너지소비의 55% 이상이 건물에서 발생하며 냉난방과 급탕을 포함한 건물 에너지관리가 탄소중립 실현의 핵심”이라며 “기존 제로에너지빌딩이 소비절감 중심이었다면 플러스에너지빌딩은 에너지를 더 생산하고 활용하는 개념으로 확장되고 있다”고 설명했다.

 

플러스에너지빌딩은 필요한 에너지보다 더 많은 에너지를 생산하는 구조로 정의된다. 이를 위해서는 △신재생에너지 다양화 △고밀도 에너지 저장 △에너지 활용 최적화 등 세 가지 기술이 핵심 요소로 제시된다. 신재생에너지는 생산과 소비간 불균형이 크기 때문에 저장기술이 필수적이다.

 

이중 ‘솝션 열배터리(Sorption Thermal Battery)’는 열에너지를 저장·이송하는 새로운 방식으로 주목받고 있다. 기존 열에너지는 온도 차 형태로 저장되지만 솝션 열배터리는 이를 농도차 포텐셜(potential)로 변환해 상온에서 저장하고 필요 시 다시 열로 변환한다. 이는 단열 손실을 줄이고 수송 효율을 높일 수 있는 구조다.

 

솝션 열배터리는 흡수식 및 흡착식 기반으로 구분되며 배치형 구조를 통해 에너지를 저장했다가 필요 시 사용하는 방식이다. 낮 동안 태양열이나 폐열을 활용해 에너지를 저장하고 야간이나 수요 시점에 냉난방으로 활용할 수 있다. 하나의 열원으로 냉방과 난방을 모두 대응할 수 있는 것이 특징이다. 다만 상용화를 위해서는 아직 기술적 과제도 남아 있다. 대표적으로 성능감소 현상이 주요 문제다.

 

강 교수는 “시간이 지날수록 방열량이 감소하는 문제가 발생한다”라며 “이는 흡착제 포화로 인해 농도차 구동력이 감소하기 때문인데 이에 대한 해결방안으로 수증기압을 제어하는 ‘동적 제어 방식’을 고려하고 있다”고 설명했다.

 

두 번째 핵심기술로 제시된 액상 쌍극자 칼로릭 냉각사이클은 압축기가 없는 차세대 냉각기술이다. 기존 칼로릭효과는 고체 기반이었지만 연구진은 액상에서도 전기장 등을 활용해 온도변화가 발생하는 것을 확인했다.

 

칼로릭기술은 외부 전기장, 자기장, 응력 등에 의해 물질의 온도가 변화하는 원리를 이용한다. 특히 액상 쌍극자기반 기술은 기존 고체방식 대비 큰 온도차 구현이 가능하다는 점에서 주목된다.

 

강 교수는 “기존 기술은 온도차가 10℃ 이하 수준이었지만 액상기반에서는 약 38℃ 수준까지 확보했다”라며 “이는 냉장·냉동 및 히트펌프 적용을 위한 실질적인 조건에 근접한 수준으로 액상 칼로릭 기술은 무압축·저소음 냉각기술로 확장 가능성이 크다”고 강조했다.

 

이어 “이번 발표에서 소개한 기술들은 아직 실증 단계에 있으며 상용화까지는 시간이 필요하지만 2~3년 내 시장 적용가능성을 기대하고 있다”라며 “플러스에너지빌딩 구현을 위해서는 생산보다 저장과 활용기술이 더욱 중요해질 것”이라고 덧붙였다.