건물부문이 전 세계 에너지소비의 상당 부분을 차지하는 가운데 에너지효율성과 지속가능성 제고가 핵심 과제로 대두되고 있다. 이러한 상황에서 히트펌프는 건물 에너지관리의 혁신적인 솔루션으로 주목받고 있다.

 

히트펌프는 열역학 원리를 활용해 저온의 열원에서 고온의 열원으로 에너지를 효율적으로 이동시키는 시스템이다. 주거용 건물의 냉난방, 산업용 건조공정, 전기자동차 열관리 등 다양한 분야에서 활발히 적용되며 지속가능한 에너지 솔루션으로서 입지를 강화하고 있다.

 

건물부문 최대 에너지소비처인 난방분야에서 히트펌프가 효율적이며 지속가능한 대안으로 부상하고 있다. 이러한 추세는 난방, 환기 및 공조(HVAC) 제조사들의 포트폴리오 혁신을 견인하고 있다.

 

히트펌프 구성 요소는 현재도 높은 효율성을 보이고 있으나 냉매회로의 제어기술 고도화를 통해 시스템효율을 한층 더 향상시킬 수 있는 잠재력을 지니고 있다. 이는 건물부문의 에너지 효율화에 새로운 전기를 마련할 수 있을 것으로 전망된다.

 

지멘스 전자식 팽창밸브, COP 향상 혁신기술 주목

 

지멘스 스마트 인프라는 리투아니아 냉각기 전문기업 Refra와 협력을 통해 프로판(R290) 히트펌프의 성능을 획기적으로 개선하는 데 성공했다. 실제 운영환경에서 진행된 이번 기술혁신으로, 30kW급 프로판 히트펌프의 성능계수(COP)가 대폭 향상됐다.

 

Refra 히트펌프에는 지멘스의 신제품 전자식 팽창밸브 ‘MVL 702’가 적용됐다. 이를 통해 난방기간 동안 COP를 8.3% 증가시켰으며 제상사이클을 고려할 경우 그 효과는 16.5%까지 상승하는 것으로 나타났다. 지멘스의 신제품 ‘전자식 팽창밸브’ 적용으로 기존 전자식 팽창밸브대비 정밀과열제어가 가져오는 획기적인 성능향상 효과를 입증해 히트펌프시스템의 에너지효율성 향상에 있어 주목할 만한 성과로 평가받고 있다.

 

이번 기술혁신은 히트펌프시스템의 실질적인 성능 개선을 통해 건물부문 에너지효율화와 지속가능성 제고에 새로운 이정표를 제시할 것으로 기대된다. 지멘스의 전자식 팽창밸브는 기존 스테퍼(stepper) 모터 구동방식의 전자식 팽창밸브대비 신속한 반응성과 정밀한 위치제어능력을 바탕으로 획기적인 성능향상을 실현했다.

 

특히 제어시스템이 냉매회로를 최적화해 증발기 출구 냉매의 과열도를 최소화함으로써 시스템 전반의 효율성을 극대화하는 데 성공했다.

 

성능계수(COP) 향상으로 히트펌프는 에너지소비를 14% 절감하면서도 열공급량을 최대 21% 증가시키는 획기적인 성과를 달성했다. 이는 단순한 기술적 진보를 넘어 실질적인 운영효율화와 경제적 이익으로 이어지는 의미있는 발전으로 평가받고 있다.

 

실제 운영환경서 테스트 완료

 

Refra는 60kW급 이중회로 가역형 공기-물 히트펌프를 사용해 MVL 702의 성능을 검증했다. 이번 실험은 동일한 사양의 두 회로에 각각 지멘스 전자식 팽창밸브와 기존 팽창밸브를 적용해 비교 분석하는 방식으로 진행됐다. 테스트에 사용된 히트펌프는 인버터 드라이브(VSD) 압축기를 탑재해 풀 부하조건에서 운전됐으며 외기온도가 -6℃인 환경에서 공급수 온도를 30~32℃로 유지하면서 성능계수(COP)는 3.7~4.1 수준을 기록했다.

 

양측 회로는 적응형 과열도 제어기를 통해 제어 안정성에 따른 과열도 설정값을 단계적으로 조정하며 운영됐다. 이때 기존 전자식 팽창밸브에 최적화된 매개변수 설정을 동일하게 적용해 객관적인 비교기준을 확보했으며 실험은 제상주기와 난방기간을 포함한 전체 난방사이클을 대상으로 진행됐다.

 

제상기간 중 두 회로는 유사한 성능을 보였으나 MVL 702가 적용된 회로에서 더 높은 증발온도가 관측돼 난방 지속 시간이 현저히 증가했다. 이러한 특성으로 인해 전체 주기 동안의 COP 향상률이 8.3%에서 16.5%로 배가되는 결과를 얻을 수 있었다.

 

또한 신뢰성 높은 데이터를 확보하기 위해 각 테스트의 주기를 7~8개의 균등한 시간 프레임으로 분할해 측정값의 급격한 변동을 보정함으로써 지멘스 전자식 팽창밸브의 성능 우위를 객관적으로 입증할 수 있었다.

 

실증 분석 결과, 정밀한 과열도 제어가 히트펌프 효율성 향상의 핵심 요인임이 입증됐다. 지멘스 전자식 팽창밸브는 신속한 반응속도와 정확한 위치 제어능력을 바탕으로, 제어 안정성을 유지하면서도 현저히 낮은 과열도 달성에 성공했기 때문이다.

 

지멘스의 관계자는 “MVL 702 적용 회로는 평균 6.3K의 과열도 상태를 유지했는데 이는 기존 스테퍼 모터방식의 팽창밸브의 9.5K대비 획기적으로 개선된 것”이라며 “이러한 낮은 과열도 값은 성능계수(COP) 향상뿐만 아니라 증발기 온도 상승을 통해 제상주기를 대폭 연장하는 효과를 가져왔다”고 설명했다.

 

MVL 702, E효율성·지속가능성 입증

 

히트펌프용 냉매가 친환경 탄화수소 냉매로 전환되는 가운데 업계의 주요 과제로 부상한 프로판시스템의 성능을 기존 수소불화탄소(HFC) 수준으로 끌어올리는 데 있어 MVL 702의 혁신적 성능은 기존 열역학적 사이클에서도 상당한 효율 개선이 가능함을 입증했다. MVL 702의 선도적 테스트기업인 Refra는 실증과정을 통해 주목할 만한 성과를 확인했으며 장기 신뢰성, 비용 효율적 안전성, 그리고 획기적인 에너지 율 향상 등 다양한 이점이 검증돼 이는 곧 고객가치로 이어질 것으로 기대된다. .

 

지멘스의 관계자는 “히트펌프 제조사(OEM)들은 동일 난방성능을 유지하면서도 에너지소비를 획기적으로 절감할 수 있는 검증된 기술인 전자식 팽창밸브를 표준 제품 라인에 도입하는 방안을 적극 검토해야 할 시점에 직면했다”고 지적했다.

 

이어 “이번 연구는 OEM 제조사들에게 새로운 표준을 제시하며 에너지소비를 획기적으로 절감할 수 있는 기술적 진보를 입증한 사례”라며 “Refra와 지멘스의 협력은 냉매시장의 친환경 전환을 가속화하고 고객에게 보다 더 큰 가치를 제공하는 데 중요한 역할을 할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.

 

히트펌프업계의 한 전문가들은 “전자식 팽창밸브 도입을 통해 운영비용 절감과 환경 지속가능성이라는 두 가지 핵심 과제를 동시에 해결할 수 있다”라며 “이는 히트펌프산업의 새로운 도약을 위한 필수요소가 될 것”이라고 강조했다.