Tech Story ※자료 : 원로과학기술인

펌프업계에서 환경 보호와 에너지 절약이라는 두 마리 토끼를 잡기 위한 기술들이 속속 등장하고 있다.

냉동 공조 기기에 대한 규제와 에너지 절약에 대한 목소리가 높아지면서 압축기의 고효율화, 터보냉동기와 열교환기기의 고성능화, 송풍기의 저소음화와 고효율화에 대한 기술 개발이 중요해지고 있다.

본 내용에서는 에너지 소비절감 뿐만 아니라, 고효율화를 위한 기술개발에 대해 살펴보았다. <편집자 주>

1. 기술의 개요

가. 환경 문제로부터 냉동 공조 기기에 대한 규제

1985년 빈 조약, 1987년 몬트리올 의정서에 의해 오존층 파괴 물질의 생산량 및 소비량을 규제하여 왔다.

CFC를 중심으로 특정 프론은 선진국에서 1996년 1월 1일을 기하여 금지되었다.

HCFC(Hydro Chloro Fluoro Carbon)는 오존 파괴 계수가 CFC류에 비하여 적기 때문에 규제는 2004년 1월 1일부터 소비 및 생산량이 삭감 개시되었고, 2020년에는 실질적으로 완전 금지될 예정이다.

이에 따라 오존층 파괴 분자인 염소를 포함하지 않은 냉매인 HFC류(Hydro Fluoro Carbon)의 개발이 진행되어 선진국에서는 냉장고나 자동차용 쿨러의 냉매는 HFC134a로 전환되었고 공조기에는 HFC의 혼합 냉매인 R410A나 R407C가 사용되도록 되었다.

한편, 성층권 오존 보호를 위해 도입되었던 HFC류가 이번엔 CO2에 비해서 수백∼수천 배의 온난화 성능을 가지고 있어서, 1997년 12월 기후변동 조약국 회의에서 PFC나 SF6과 함께 배출 삭감 대상에 포함되었다.

1998년 5월 가전 재활용법이 제정되어 2001년 4월에 시행되었는바, 에어컨이나 냉장고에 대해서는 재료의 재활용뿐 아니라, 봉입되어있는 냉매(CFC, HCFC, HFC)의 회수 의무도 정해졌다.

또 2001년 6월 프론 회수 파괴법에 의해 업무용 냉동 공조기기에 사용되는 냉매(CFC, HCFC, HFC)의 회수 파괴가 2002년 4월 1일부터 의무화되고, 자동차 에어컨도 2002년 11월부터 시작되었다.

나. 에너지절약

1) 에너지절약법에 의한 고효율화

1999년에 시행된 개정 에너지절약법에 따라 기준이 제시된 바, 가정용 에어컨은 가장 COP가 높은 분야의 %카르노(Carnot)는 24%를 넘고 있으나, 업무용 에어컨 경우 15% 전후가 되어 효율 개선 여지가 많이 있음을 알 수 있는데, 당시엔 업무용에 인버터가 도입되지도 않았고 가정용에 비해 에너지절약에 대한 관심이 적었던 사유도 있다.

지금은 업무용 에어컨도 평균 COP가 3을 넘는 기기가 계속 발매되고 있어서 관심도 높아지고 에너지절약 기기로서의 중요도도 높아지고 있다.

2) 에너지절약을 위한 기술 개발

냉동 공조기기의 에너지절약 기술을 종합하면 다음과 같다.

·압축기, 인버터 : DC화, 회전자 자석의 형상과 재질,제어 방식의 개선

·열교환기 : 형상을 개선(다단 밴딩), 튜브의 소구경화, 고성능 전열관의 개발

·팬, 팬모터 : DC화, 제어법의 개선, 박판 블레이드화

·냉동 사이클 : 전자제어, 배관 및 밸브의 대형화

대부분의 공조기기가 부분 부하 운전되고 있어 정격 조건과 함께 부분 부하에서도 기간 소비 에너지양의 삭감 또는 효율 향상을 위한 기술 개발과 시험 방법의 확립이 필요하나, 각 제조업체에 맡기기보다 공인 기관에서의 공조기기 성능 시험이 필요하다.

부분 부하에서도 효율 향상을 위해선 업무용 에어컨에 대해서도 인버터 제어가 도입되어 있으나, 주파수 제어 범위가 50∼100%로서, 가정용 에어컨의 20∼100%에 비교해 봐도 제어 범위가 작다.

이 주파수 제어 범위보다 작은 부하에선 단속 운전이 되어 COP가 급격하게 저하한다.

업무용 빌딩의 냉동 부하는 50% 이하인 시간이 많으므로 주파수 제어범위를 넓히려는 노력이 필요하다.

다. 자연 작동 매체의 이용

최근 유럽을 중심으로 기존 냉매 대신 자연 작동 매체로서 프로판이나 이소부탄 등의 탄화수소, 이산화탄소, 암모니아, 물, 공기의 기대가 높아지고 있다.

자연 작동 매체를 쓰게 되면 COP가 R22 등 기존의 냉매에 비해서 현저하게 성능이 뒤떨어지므로 운전 중에 전기 소비가 늘어 이산화탄소 배출량이 커져서 온실 효과 계수(GWP)가 낮아져 이점이 상쇄된다.

독일이나 북유럽에서 냉장고용 작동 매체로 이소부탄이 널리 보급되고 있으나, 가연성 때문에 사용하기 어려워 가정용 냉장고 용도에 한정하여 충전량이 적어도 되기 때문에 보급되고 있다.

일본에서도 이소부탄을 작동 매체로 하는 냉장고가 판매되고 있다.

이산화탄소는 독성이나 가연성이 없어 자동차 에어컨용 작동 유체로서 개발되어 왔으나 COP가 현재의 냉매 HFC 134a에 비해 낮고, 비용이 높아 실용화되지 못하고 있다.

그러나 급탕용 및 바닥 난방용 히트펌프가 개발되어 향후 보급이 기대되고 있다.

암모니아는 누설시의 안전 확보 때문에 비용이 높고, 독성이나 가연성이 있어 쉽게 사용되지는 않으나, 안전기술은 확립되어 있어서 냉온창고나 이차 냉매계의 공조용 원동기 용도에 보급이 기대된다.

2. 히트펌프 기술에 의한 CO2 배출량 삭감 잠재력

투입된 에너지 이상의 에너지를 만드는 히트펌프와 에너지를 저장하는 기술에 의해 수요공급의 불균형을 해소시켜서 설비의 고효율을 가능하게 하는 축열시스템이 있다.

가. 민생수요가 전체에너지 소비구성의 절반 차지(일본)

1990년대의 10년간 에너지 소비증가율은 산업부문이 9.1%이나 민생부문은 26%, 운수부문은 22%에 달하며, CO2 배출량도 민생부문은 20%를 상회한다.

CO2 배출량의 증가를 6% 삭감해야 하는 목표(Tokyo 의정서)에 따라 국가적인 노력을 경주한다.

민생부문 에너지 가운데 가정부문의 58%가 냉난방과 급탕수요이며, 업무부문에서도 냉난방과 급탕이 50%를 넘어서고 있어 이의 대부분을 화석연료에 의지함으로써 CO2 배출량 증가의 주 요인이 되고 있다.

나. 히트펌프에 의한 CO2 배출량 삭감 잠재력

1) 민생업무 부문

냉난방을 포함하여 업무용 에너지 중 30%가 공조에너지이며, 에너지종별로 보면 60%가 석유, 14%가 가스, 25%가 전기이다.

이를 모두 전기에너지에 의한 히트펌프로 바꾼다면(COP=6), 현재 추정 CO2 배출량 4,400만 t-CO2/년에 대해서 1,400만 t-CO2/년까지 삭감이 가능하다는 시산이다.

즉, 업무부문의 공조에서 약 2,900만 t-CO2/년의 삭감 잠재력을 가진 것으로 본다.

급탕은 업무용에너지 가운데 22%를 점유하며, 에너지 종별로는 54%가 석유, 33%가 가스이다.

이를 모두 전기에너지에 의한 히트펌프로 대치한다면(COP=4) 현재 추정 CO2 배출량 2,300만 t-CO2/년에서 750만 t-CO2/년까지 삭감이 가능하다.

즉, 업무부문의 급탕에서 약 1,500만 t-CO2/년의 삭감 잠재력을 가진 것이다.

2) 민생가정 부문

가정소요 에너지 중 28%가 난방으로서 이의 67%가 석유, 17%가 가스, 8%가 전기에서 얻고 있다.

이를 한랭지에서는 COP=3, 일반지역은 COP=6의 히트펌프난방기로 대치한다면 현재 추정 CO2 배출량 4,100만 t-CO2/년에서 1,200만 t-CO2/년까지 삭감 가능하므로, 가정 난방 분야에서 약 2,900만 t-CO2/년의 삭감 잠재력이 있다.

가정용중 22%는 급탕으로 이 가운데 26%가 석유, 62%가 가스이다. 이를 COP=4의 히트펌프 급탕기로 대치한다면, 현재 추정 CO2 배출량 3,700만 t-CO2/년에서 1,200만 t-CO2/년까지 삭감 가능하므로 약 2,500만 t-CO2/년의 삭감 잠재력이 있다.

즉, 전체 민생부문에서 1억 t-CO2/년의 CO2 삭감이 가능할 것으로 보고 있다.

다. 축열시스템

열의 생산은 열원동기의 최고 효율점에서 운전하고, 발생열을 저장하여 필요시 공급하는 축열시스템에 의해 에너지 효율이 대폭 개선된다.

현재는 축열시스템에서 공조가 중심이 되어왔으나, 급탕수요에 대해서 CO2 냉매히트펌프 급탕기가 출현하여, 기존 연소효율 90%를 넘는 잠열 회수형 보일러에 비해 2배의 에너지 절감 효과가 있다.

3. 자연냉매 CO2를 이용한 히트펌프 급탕기의 개발과 효과

가. 자연 냉매 CO2의 특징

독성, 가연성이 없어 열적 안정성이 크며, 지구 온난화 계수는 프론의 1/1,000이다.

한편, CO2는 임계온도가 낮아서 공조나 급탕에 사용되면 사이클의 고압측이 초임계압이 된다.

이 때문에 대향류의 열교환기에서 온수를 높은 성적계수로 가열 가능하다.

다만, 작동 압력이 매우 높아 고압측이 초임 계압이 된다. 실험 결과에 의하면 프레온 R22에 비해서 2할 정도 높은 3.8의 COP를 얻었다.

나. 자연냉매 CO2를 이용한 가정용 히트펌프 급탕기의 개발

프론계에 사용되고 있는 수냉매 열교환기는 이중관식 이어서 이것을 CO2 냉매에 적용하면 물과 냉매 간 온도 차가 크지 않아 열교환기가 커지게 된다.

여기서 냉매측을 미세관 구조로 하여 고 내압화와 동시에 초임계 영역의 열 전달률을 대폭 향상시키고, 물 측에는 오프셋 핀을 사용하여 소형 고성능화 시켰다.

실제로는 극세관을 판상으로 나란히 한 구조로서 극세관 내부에 CO2가 흐르도록 되어있다.

상품화 시킨 가정용 CO2 냉매 히트펌프 급탕기는 고효율(COP 3 이상) 및 고온급탕(90℃)이 가능하며, 싼 심야전기를 이용하여 온수를 저장하여 주간에 이용한다.

정격 급탕 능력 4.5kw 경우, 연간 COP는 3.4, 온수 저장 탱크의 열손실(10%)을 감안해도 3.0 이상을 달성하였고 심야전기의 1차 에너지 환산 효율은 0.37(22시~08시)로서, 급탕기 전체 환산 효율은 0.37×3=1.11로 되고 있어서 연소식 급탕기의 1차 에너지 환산 효율이 0.8 정도임을 감안하면 30% 정도의 에너지절약이 달성되며, 또 CO2 배출량도 반 정도에 불과하여 매우 높은 에너지절약과 환경성을 가지고 있다.

4. 히트펌프의 고효율화를 지원하는 요소 기술

가. 압축기의 고효율화

1) 압축기 모터

에어컨 소비 전력의 반 이상은 압축기가 소비하므로 압축기 모터의 고효율화가 매우 중요해진다.

가정용 에어컨은 1995년부터 영구자석 모터(브러시리스 DC모터)를 채용하여 고효율화를 진행시켰으며, 최근에는 회전자의 내부에 영구자석을 심은 DC모터(릴럭턴스 DC모터)가 개발되어, 대출력이면서 표면자석 DC모터를 능가하는 고효율모터가 업무용이나 가정용에 폭넓게 탑재되고 있다.

이 모터는 회전자 내부에 희토류(希土類)자석을 4개 배치하여 큰 자석 토크를 발생시키면서, 철과 자석이 당기는 힘(릴럭턴스=자기저항)에서 생기는 릴럭턴스 토크의 병용이 가능해져서 보다 큰 토크를 얻을 수 있다.

또한 회전자 표면은 적층 강판으로 구성되어 와전류 손실이 적어서 효율 향상을 도모하고 있다.

2) 인버터

모터를 구동하는 데에는 회전자의 회전 위치를 검출해서 적절한 위치에서 전선에 전류를 흘려줄 필요가 있다.

그러나 압축기 내부가 고온, 고압이어서 홀소자 등의 위치 센서를 사용할 수 없어 모터에 발생하는 유기전압을 이용한 센서리스 제어가 사용되어 왔다.

또 최대 토크가 되는 전류 위상이 30도 부근이므로 릴럭턴스 DC모터를 고효율로 구동하기 위해서는 새로운 전류 위상 제어기술이 개발되었다.

이상의 릴럭턴스 DC모터와 전류 위상제어 인버터가 조합되어 정격점뿐 아니라 전 부하 구간에 걸쳐서 90% 이상의 고효율화를 실현시켰다.

3) 압축기 구조

압축기는 로터리 타입과 스크롤 타입이 있으나, 로터리 타입을 고효율화 시킨 스윙 타입이 있다.

특징은 로터리 타입의 블레이드와 로러를 일체형 구조로 하여 로터리 타입에서 발생하고 있는 로러와 블레이드 간의 접촉에 의한 기계손실을 제거하고, 접촉부의 고저압력 사이의 가스 누설을 감소시킴으로서 고효율화를 도모하였다.

4) 열교환기의 고효율화

교환기 내 핀의 형상은 플레이트 형에서 전열면적을 확대시킨 파형핀, 온도 경계층 발달을 억제한 루버 핀으로 변천하면서 당초 플레이트 핀 대비 2.5배 정도의 전열 촉진이 되었다.

또한 형상에 의한 전열 촉진에 더하여 전열관을 소구경화 하고 핀 개수를 증가시켜서 통풍 저항을 증가시키지 않으면서 전열 면적의 확대를 실현하였다.

전열관은 초기에 평활관에서 전열면적의 확대와 난류 촉진을 위해 관 내면에 홈붙이 관이 개발되어 최근에는 평활관 대비 3.5배 정도의 높은 전열 성능을 갖고 있다.

최근에는 제품 내부에 열교환기를 내장하고, 곡관부를 증가 시켜서 1.2배 용적을 확보하되 제품의 대형화나 통풍저항 증대 없이 고효율화를 꾀하는 열교환기의 최적 설계가 중요하게 되고 있다.

5) 송풍기의 저소음화, 고효율화

프로펠러 송풍기의 경우, 날개 단면 형상은 초기 균등 두께 형상에서 이차원 다음 삼차원 형상 날개(반경 방향으로 형상이 변화)로 변화되고 날개 표면의 경계층에 박리를 제어하는 경계층 제어(딤플 : 골프공에도 사용) 기술이 부가되어 약 10dBA 이상의 저소음화가 이루어지고 있다.

최근에는 에어 호일 날개 형상이 개발되었고, 이어서 하이브리드 날개 형상까지 개발되어 초기보다 약 5dBA 이상 저소음화를 달성하고 있다.