대한설비공학회는 11월29일 과학기술회관에서 열린 ‘2024년도 동계학술발표대회’에서 차세대 대체냉매 특별세션을 진행했다고 밝혔다.
세션은 △R1132a- CF3I 혼합냉매의 상평형 특성에 관한 연구(김동호 한국기계연구원 책임연구원) △차세대 냉매 열물성(밀도, 점도)측정기술 개발현황: Calvet 열량계를 이용한 냉매의 비열측정 (이성준 한국표준과학연구원 열유체측정그룹 연구원) △R410A 대체냉매인 R1132a와 CF₃I혼합냉매를 적용한 가정용 히트펌프 냉난방 성능에 관한 실험적 연구(김정수 고려대학교 스마트융합학과 대학원생) △대체냉매 R466A를 적용한 VRF히트펌프 시스템의 시험 평가(정대연 오텍캐리어 연구원) △Low GWP 냉매를 적용한 VRF히트펌프 시스템의 실증운전결과 분석(이기원 한국산업기술시험원 연구원) 등의 발표로 진행됐다.
이번 세션에서 발표된 연구는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원이 주관하는 ‘차세대 대체냉매 및 고효율 냉난방기기 핵심기술·통합 운영시스템 개발’과제 지원으로 진행됐다.
GWP 150 이하 대체냉매 연구 필수적김동호 한국기계연구원 책임연구원은 ‘R1132a·CF₃I 혼합냉매의 상평형 특성에 관한 연구’를 주제로 발표했다.
R410A의 경우 현재 R454B 및 R32 등의 대체냉매로 전환돼 상용화가 진행 중이지만 이 또한 지속가능한 솔루션이 될 수는 없을 것으로 예상되고 있다. 최근 유럽에서는 GWP 150 이하 냉매에 대한 다양한 연구들이 진행 중이며 향후 먼 미래는 이보다 더 낮은 GWP를 가지는 냉매에 대한 요구가 생길 것으로 보고 있다. 이에 대한 해결책으로 대체냉매가 제안되며 대체냉매는 혼합냉매로 개발될 것으로 예측되고 있다.
김 책임은 “연구원 내부적으로 GWP 150 이하가 목표는 아니며 GWP 10 이하까지 도전적인 목표를 가지고 움직이고 있다”라며 “혼합냉매 개발에 있어서 VLE(Vapor-Liquid Equilibrium)연구가 필수적이며 이번 발표에선 R1132a 및 CF₃I Binary 혼합물에 대한 VLE 실험 일부 결과를 제시하고자 한다”고 설명했다.
R1132a는 R1132(E)의 이성질체(Isomer)로 낮은 임계온도와 높은 임계압력을 가져 CO₂와 유사한 특성을 나타낸다. 또한 R1132a는 GWP 1 이하 냉매로 다양한 조합으로 활용할 수 있을 것으로 판단되고 있다. CF₃I 냉매(R13I1)는 R466A의 원료로 GWP 1 이하이며 소화능력이 커서 가연성을 낮추는 원료로 활용되고 있다. 현재 REFPROP(냉매물성계산프로그램) 10.0기준에서는 R1132a의 상태방정식이 제공되지 않은 상황이다. 그럼에도 많은 연구들에서 열역학적 물성측정 결과 발표가 이어지고 있다.
혼합냉매의 기·액 평형 측정장치는 크게 △평형셀 △온도계 및 압력계 △성분비 분석을 위한 가스크로마토그래피로 구성돼 있다. 측정장치는 정밀한 항온수조에 함침되는 형태로 제작했으며 평형셀 내 온도는 고정밀 백금저항온도계(Fluke-5609)로 측정했다.
김 연구원은 “GWP 10 이하 대체냉매 개발을 위해 어떤 것을 섞을까 고민하다가 현재 R1132a와 CF₃I 혼합물 가능성을 검토해보고자 VLE 실험을 진행했다”라며 “향후 REFPROP에서 사용가능하도록 R1132a 상태방정식 예비(preliminary)버전 제작 및 R1132a·CF₃I 혼합냉매의 이원 상호 작용 매개 변수(binary interaction parameter)값 피팅을 통해 REFPROP에서 사용 가능하도록 했으며 피팅결과와 실험결과를 비교한 상황”이라고 밝혔다.
이어 “추후 VLE 실험결과의 보완이 필요하며 편차분석 등은 후속 연구에서 진행할 예정”이라며 “내부적으로는 Low GWP 지수와 낮은 온도를 달성하기 위해선 R410A냉매 수준의 목표치보단 R1132a냉매 수준으로 목표치를 추구해야 한다고 판단한다”고 말했다.
상태방정식 개발위한 측정기술 지원 이성준 한국표준과학연구원 열유체측정그룹 연구원은 ‘차세대 냉매 열물성(밀도‧점도)측정기술 개발현황: Calvet 열량계를 이용한 냉매의 비열측정’에 대해 발표했다.
이 연구원은 “대체냉매 연구를 위한 상태방정식 도출을 위해서는 다양한 물리적 조건에서 비열과 같은 열적특성의 정확한 측정 및 분석이 필요하다”라며 “이번 R&D과제에서 한국표준과학연구원은 기계연에서 선택한 냉매의 열물성을 측정하고 있다”고 설명했다.
측정 시스템은 비열 측정을 위한 칼벳 열량계와 원하는 조건에서 샘플을 준비하고 주입하는 데 사용되는 주사기 펌프 및 믹서로 구성돼 있다. 샘플 주입 유닛설계를 위해 배관 및 계기 도면(P&ID)이 최종화됐으며 제작과정 중 3D 모델링을 통해 진공펌프 배치 등 최적의 파이프 길이가 결정됐다.
이 연구원은 “측정을 계속 진행하면서 확인한 바로는 밀도가 작아지면 압력제어가 불안정해지면서 실험이 실패하는 경우가 많았다”라며 “이번 연구는 칼벳 열량계를 이용해 냉매의 비열 용량을 측정하기 위한 시스템을 설계‧구현했으며 고압실험의 안전성을 고려했다”고 밝혔다.
이어 “비열 용량측정 정확성은 표준물질인 헵탄을 이용한 두 단계 접근법으로 검증됐으며 측정시스템은 프로판과 R32와 같은 알려진 냉매를 사용해 보정됐다”라며 “R125 냉매를 측정했을때 기준값에서 3% 미만의 편차를 보였으며 비열 용량 측정시스템 안정성과 정확성을 확인한 성과도 있어서 향후엔 효율성을 높이기 위한 시스템 자동화를 연구할 예정”이라고 말했다.
R1132a·CF₃I 혼합냉매 적용 HP 성능비교김정수 대학원생은 ‘R410A 대체냉매인 R1132a와 CF₃I혼합냉매를 적용한 가정용 히트펌프 냉난방 성능에 관한 실험적 연구’를 주제로 발표했다.
히트펌프는 높은 에너지효율을 가지고 있으며 사계절 온도변화에 따른 냉난방 운전이 모두 가능해 냉동공조분야에서 많은 관심을 받고 있다. 현재 히트펌프 및 다양한 시스템에는 GWP 2088의 R410A냉매가 사용되고 있으며 PFAS 규제 등에 대응하기 위해 신규냉매 및 이를 사용하는 시스템 성능개발에 대한 연구가 중요해지고 있다.
김 학생은 “관련 연구 중에는 PFAS 규제에서 벗어난 R1132a의 열역학적 물성을 측정해 R116과 R744와의 혼합냉매를 시뮬레이션으로 분석하여 응축온도 ‒40°C 극저온에서의 2.36의 성능계수(COP)를 얻은 것이 있다”라며 “이를 기반으로 본 연구는 R410A를 대체 할 수 있는 R1132a·CF₃I 혼합냉매에 대한 냉난방 성능연구를 수행하고자 했다”고 설명했다.
실험에 사용한 R1132a·CF₃I 혼합냉매는 R1132a의 질량 비율이 35%로 R410A와 직접 비교하기 위해 가정용 용량 히트펌프 장치를 구성해 적용했다. 냉난방 절환운전이 가능한 히트펌프장치에서 운전모드별 냉매 최적충전량을 구하는 실험을 진행했으며 이후 각 최적충전량에서 다양한 열원 온도에서 R1132a·CF₃I 혼합냉매 성능을 측정했다.
실험 결과 난방과 냉방 조건에서 R1132a·CF₃I 혼합냉매의 최적 충전량은 각각 3.89kg, 5.17 kg으로 나타났다. R410A의 3.31kg, 4.63kg에 비해 각각 17.7%, 11.6% 컸다. 최적 충전량의 난방과 냉방 조건에서 COP는 각각 R410A는 6.02와 4.71, R1132a·CF₃I 혼합냉매는 3.12, 2.37로 나타났다. 각각 51.8%, 50.3%로 감소했음을 확인할 수 있었다.
김 학생은 “난방운전에서 증발온도가 10°C에서 ‒5°C까지 감소할 때 R410A의 난방용량은 37.1% 감소했으나 R1132a·CF₃I 혼합냉매 23.5% 감소했다”라며 “R1132a·CF₃I 혼합냉매의 COP는 R410A에 비해 감소했으나 저온조건에서 난방용량이 증가하기 때문에 한랭지역에서 연간 운전에 따른 소비전력 감소효과를 가져올 수 있을 것으로 보인다”고 설명했다.
이어 “향후 연구에선 R1132a·CF₃I 혼합냉매의 조성비를 최적화해 생애주기환경평가(LCCP)를 개선해 그 냉매를 추가로 스크리닝하며 다른 혼합냉매의 후보를 또 탐색하고자 한다”라며 “마지막으로는 LCCP를 최적화하기 위해서 대체냉매적용에 따라서 어떻게 해야지 운전을 최적화할 수 있을지까지 연구하고자 한다”고 밝혔다.
1차년도 국책과제 목표달성, 친환경 신냉매 적용 예정정대연 오텍캐리어 연구원은 ‘대체냉매 R466A를 적용한 VRF히트펌프 시스템의 시험 평가’를 주제로 발표했다.
현재 VRF히트펌프 시스템에는 HFC계열의 R410A 냉매가 사용되고 있는 가운데 향후 미국‧유럽 등에선 GWP 750 이상 냉매사용을 금지하도록 규제할 계획을 세우고 있다. VRF히트펌프 시스템에도 Low GWP 냉매를 적용한 시스템 개발이 필요한 상황인 것이다.
정 연구원은 “GWP 750 이하면서 성능이 우수한 냉매로는 R32(GWP 675)나 R466A(GWP 733)가 있지만 R32는 A2L(약가연성)등급으로 R466A는 R410A와 마찬가지로 A1(비가연성)등급”이라며 “조금 더 안전한 A1등급인 R466A를 VRF히트펌프 시스템에 적용해 연구를 진행했으며 냉매 적용에 앞서 R466A의 단점인 아연 부식문제를 해결하기 위한 조치를 해 실내기 및 실외기 열교환기를 신규로 개발했으며 유럽규격인 EN 14825기준으로 시험수행 및 효율을 확인했다”고 설명했다.
시험을 위해 제작한 VRF히트펌프 시스템은 정격 냉방능력 15.5kW 제품으로 실외기 1대에 1WAY 카세트형 실내기 4대로 구성했다. 과제 공동연구 기관인 고려대학교에서 실외 열교환기 핀을, 국민대학교에서 실내 열교환기 핀을 설계했다. 목업 금형제작을 통해 핀을 제작해 열교환기 결합 후 적용했다.
정 연구원은 “시험은 한국산업기술시험원(KTL) 경기분원에서 진행했으며 제작된 시스템을 EN 14825기준으로 시험한 결과 계절성능 지표인 SEER는 6.36, SCOP는 3.95를 얻을 수 있었으며 이는 국책과제 1단계 3차년도 목표를 달성한 수치”라며 “향후 과제 2단계 목표달성을 위한 시스템개선을 통해 효율을 향상시킬 예정이며 해당 VRF히트펌프 시스템에 친환경 신냉매를 적용해 비교분석 연구를 수행할 예정”이라고 밝혔다.
대체냉매 적용 VRF히트펌프 시스템 실증 진행이기원 한국산업기술시험원 연구원은 ‘Low GWP 냉매를 적용한 VRF히트펌프 시스템의 실증운전결과 분석’을 주제로 발표했다.
히트펌프는 전기에너지만을 사용하며 외부공기에서 열을 추출해 실내 난방 및 냉방을 제공할수 있는 고효율 열교환 장치로서 에너지 효율성을 높이는 동시에 이산화탄소 배출량을 감소시키는 데 기여한다.
하지만 히트펌프에서 사용되는 냉매는 또 다른 환경적 문제를 야기할 수 있어 히트펌프에 사용되는 냉매를 GWP가 낮은 냉매로 대체하려는 노력이 계속되고 있다.
이 연구원은 “Low GWP냉매를 사용하는 VRF히트펌프를 개발해 실제 환경에서 실증운전을 통해 성능을 분석했다”라며 “이를 통해 Low GWP냉매 적용이 히트펌프 효율성과 지속가능성을 향상시킬 수 있음을 검증하며 친환경 난방 및 냉방 시스템 개발에 대한 방향성을 제시하고자 했다”고 말했다.
실증사이트는 서울특별시 영등포구에 위치한 A사의 연구소로 회의실에는 각각 1대의 실내기가 설치돼 있고 사무실에는 실내기 3대가 설치돼 총 6대가 설치된 사이트다.
연구에 사용된 R410A냉매를 사용하는 VRF 히트펌프 시스템의 사양은 실외기는 17kW, 실내기는 2.2kW(3대), 2.8kW(2대), 3.6kW(1대)의 정격능력을 가지고 있었다. R466A 냉매를 사용하는 VRF 히트펌프 시스템의 실외기는 15.5 kW, 실내기는 3.5 kW(4대), 4.25 kW(2대)의 정격능력을 가지고 있었으며 R410A 냉매를 사용하는 VRF 히트펌프 시스템과 정격능력의 차이가 있었다. 이에 따라 실내기 구성을 동일하게 가져가게 됨에 따라 실외기 용량보다 실내기 용량이 커지게 됐다.
이번 연구에서는 실증사이트에서 R410A냉매를 사용하는 VRF히트펌프 시스템의 하절기 냉방운전 데이터를 확보했으며 R466A 냉매를 사용하는 VRF 히트펌프 시스템을 개발해 동일한 실증사이트에서 하절기 냉방운전 데이터를 획득했다. 두 데이터는 1년의 간격을 둬 측정됐으며 △제품의 냉방능력 △소비전력량 △COP 등을 비교했다.
이 연구원은 “실증 결과 R410A냉매를 사용한 VRF히트펌프 시스템의 2023년 7월 평균 냉방능력은 11.28 kW, 소비전력은 3.53 kW, COP는 3.20이었으며 R466A냉매를 사용한 VRF히트펌프 시스템의 2024년 7월 평균 냉방능력은 6.38 kW, 소비전력은 2.54 kW, COP는 2.51로 나타났다”라며 “이번 연구결과는 대체냉매를 적용한 VRF히트펌프 시스템의 문제점 및 개선사항을 파악하며 제품 최적화에 활용될 예정”이라고 밝혔다.
