인구 증가, 경제성장, 도시화, 인구 노령화, 기후변화 등의 요인으로 냉각수요가 지속적으로 증가하는 추세다. 특히 대형 상업용 및 산업용 냉동·냉장산업분야는 국가별로 속도는 다르지만 높은 GWP냉매의 단계적 감축이 전 세계적으로 진행되고 있다.
스크류 압축기와 같은 대형 압축기 사용을 요구하는 어플리케이션이 증가하고 있는 것도 특징이다. 또한 냉동시스템의 낮은 생애주기 비용 및 총 소유 비용 절감에 대한 요구가 증가하고 있으며 사용자 편리성을 극대화할 수 있는 디지털 솔루션이 급속도로 발전하고 있다. 이러한 현상은 지속적인 성장 추세의 콜드체인산업 영역에서 더욱 활발하게 진행되고 있다.
A사의 한 관계자는 “이미 오래전부터 글로벌 이슈로 부각된 지구온난화에 대한 우려와 주거환경 발전과 관련해 콜드체인 솔루션에 대한 시장의 요구도 변화되고 있다”라며 “보다 우수한 에너지효율성과 보다 낮은 소음 수준에 대한 필요성은 정속형 압축기기술이 주를 이르고 있는 국내 중·저온시장에서의 인버터기술 확대가 가속화되고 있는 이유”라고 지적했다.
계절변화에 따른 부하변동이 불가피한 국내 현실상 가변속도기술로 최적의 냉각용량을 발휘하는 인버터 솔루션은 시장의 요구에 부응할 수 있는 가장 적합한 대안으로 떠오르고 있다. 특히 연중 24시간 계속해서 운전하고 부하변동이 잦은 소형 저온저장고 및 편의점, 슈퍼마켓, 할인점 등에서 운용되는 냉장·냉동시스템은 1년 내내 사용하는 에너지다소비형 시스템인 만큼 인버터 냉동기를 적용할 경우 에너지절감효과에 따른 온실가스 저감 등의 효과를 기대할 수 있다.
인버터 냉동기 구성은
인버터 냉동기는 부하변동에 따라 압축기 및 응축기 팬 모터를 가변제어하며 변동되는 부하에 따라 냉매유량을 최적의 상태로 공급함으로써 에너지를 절감할 수 있다. 여러 대의 실내기를 시스템 컨트롤과 통신하며 각각의 실내기를 최적화 제어함으로써 압축기 운전율 감소로 에너지를 절약한다.
시스템 모니터링 제어기술을 적용해 시스템의 운전상태를 언제 어디서나 모바일폰(IoT)으로 실시간 모니터링이 가능해 최적의 운전조건 진단 및 조정도 가능한 것이 특징이다. 인버터 냉동기는 AC(교류)전원을 DC(직류)전원으로 변환하는 컨버터와 DC전원을 다시 가상의 AC로 전환하는 인버터(전원변환장치)가 장착된 제품이며 회전수를 단계별로 조절해 구동출력을 압축기로 전송하는 디지털 엔진 모듈이 적용된다.
또한 각 센서로부터 수집된 상태 값들을 최적의 상태로 계산해 인버터 모듈로 전송하는 시스템 컨트롤러와 통신 모듈과 주위온도 및 시스템 압력을 수집하는 온도센서와 압력센서, BLDC 압축기와 팬모터, 전자밸브 등으로 구성된다.
인버터 냉동기는 에너지절감 및 GWP가 낮은 냉매를 적용해 지구온난화 주범인 CO₂발생을 줄여 국가의 친환경정책인 탄소중립에 기여할 수 있으며 소음 저감에도 유리해 최근 이슈가 되고 있는 주거소음 문제로 분쟁이 증가되고 있는 문제점 해소방안으로 기대를 모으고 있다. 또한 고내 온도를 안정적으로 운전이 가능해 생산지부터 소비지까지 안정적인 온도유지로 식품의 안전성도 유지할 수 있다. 특히 압축기를 제외한 많은 관련부품들은 국내에서 조달 가능해 중소기업 육성에도 큰 도움이 되며 글로벌 시장에서 ‘Made in Korea’제품의 신뢰성 확보도 가능해 향후 동남아 등 수출 가능성이 높은 시스템으로 평가받고 있다.
에너지절감 효과는 확실B사의 관계자는 “고효율 인버터기술을 적용한 냉장·냉동시스템으로 대체 운용하면 기존 정속형 시스템대비 연간 30~40% 에너지절감이 가능해 국가적인 2050 탄소중립관련 에너지정책에 크게 기여할 수 있는 시스템”이라고 강조했다.
부하변동에 따른 압축기 가변용량 제어기술과 시스템 최적화 운전 알고리즘기술이 적용된 고효율 인버터 냉장·냉동시스템은 부분부하 시 효율을 높인 것으로 특히 연중 운전하는 냉장·냉동시스템에서 에너지절감 효과가 크다.
캐리어냉장이 실시한 실증 시험결과 정속형 냉동기대비 38% 전기요금이 절감되는 것으로 나타났다. 현재 운용되고 있는 정속형 냉장·냉동시스템을 인버터형으로 대체 시 500MW 용량의 화력발전소 2기분인 988MW을 절감할 수 있는 효과도 기대할 수 있다. 최근 댄포스도 파트너십을 맺고 인버터 콘덴싱유니트(CDU)를 개발, 시장에 출시한 제품을 기준으로 인버터 제품에 대한 실증자료를 얻었다. 인버터 압축기가 적용된 시스템의 경우 실험결과 정속형 CDU대비 20~25%정도 에너지절감이 가능한 것으로 나타났다.
또한 실제 운전조건 상 부분부하 조건이 많기 때문에 소음도 5dB가량 낮았다. 특히 15HP급 시스템의 경우 반밀폐 압축기를 적용한 시스템대비 무게를 60~70%가량 경량화할 수 있어 운송, 설치업자들에게 있어 편이성을 제공할 수 있는 것으로 나타났다.
캐리어냉장도 A 편의점 18개 점포에 각각 개선 전 냉장용 정속형 2HP 냉동기(소비전력40.33kWh/day)와 개선 후 인버터형 2HP 냉동기(소비전력 23.50kWh/day)를 적용해 적산전력계로 실측한 결과 평균 38% 전기요금 절감 효과가 도출된 것을 확인했다.
외부기관(고객 주도 싱가포르 Temasek대) 시험 결과도 글로벌 냉동장비 업체인 Heatcraft의 의뢰로 싱가포르 Temasek대에서 에너지효율 비교시험 결과 개선 전(정속형)대비 개선 후(인버터형) 약 38.2% 에너지절감을 확인했다. 다만 개선 전(정속형)대비 개선 후(인버터형) 시스템의 총 설비비용은 1.5배 높았다.
국내·외 시장 동향은
국내의 인버터기술은 가전제품용인 에어컨시스템에 적용되고 있으며 LG전자와 삼성전자, 캐리어에어컨에서 인버터기술이 개발돼 상용화되고 있다. 상업용 냉장·냉동용 인버터기술은 LG전자와 캐리어냉장, 아르네코리아, 경동산업 등에서 개발돼 상용화되고 있으며 국내 각 사에서 개발이 활발히 추진되고 있다.
대용량의 경우는 개발 초기단계이며 다수의 압축기를 연계하는 냉장·냉동시스템의 멀티형 통합 제어기술은 국내에서 아직 상용화되지 않은 상황으로 알려지고 있다. 시장규모는 업계 추정으로 2021년 3만대 보급으로 480억원대 시장이 형성됐으며 2022년 5만대 800억원, 2023년 7만대 1,150억원, 2024년 10만대 1,650억원으로 성장할 것으로 전망된다.
냉장·냉동시스템 적용 인버터기술은 일본에서 가장 많이 발전돼 있다. 도시바캐리어, 다이킨, 미쓰비시 등이 인버터기술을 보유하고 있으며 지속적으로 에너지절감형 인버터를 개발하고 있다. 멀티형 통합 제어기술은 일본에서도 도시바캐리어, 다이킨 등 몇 안되는 회사에서만 보유하고 있는 기술로 알려지고 있다. 이를 통해 대형 시스템에 적용해 에너지를 획기적으로 절감하는 실적을 보이고 있다.
캐리어냉장의 관계자는 “냉동·냉장분야에 에너지절감형 인버터시스템 기술 확보로 일본과의 인버터 응용기술 격차를 줄여 동남아 등 고 전력비 사용 국가에 수출기반 확보가 가능하다”라며 “고효율 인버터시스템 기술 확대로 관련산업의 에너지절감기술 성장이 가능하다”고 밝혔다.
인버터 기술개발 확대로 수요처의 운영비용 절감과 관련업계의 응용기술 발전으로 글로벌 경쟁력도 확보할 수 있다.
경동산업의 경우 인버터 기술이 적용된 인버터 CDU(콘덴싱 유니트)를 이미 수출하고 있다. C사의 관계자는 “현재 국내 냉장·냉동시스템 제품은 저가 수요 중심으로 시장이 형성돼 인버터기술이 적용된 고효율 제품 확대가 어렵다”라며 “정부 보조지원사업에 고효율 제품을 적용하는 제도개선을 통해 고효율 제품을 육성해야 관련산업의 기술발전과 수출경쟁력을 확보할 수 있다”고 지적했다.
소비효율관리제도 적용 시급
국내 냉동·냉장기업들은 고효율 제품들을 지속적으로 출시하고 있지만 제도 미비로 보급에 걸림돌이 되고 있다. 인버터 냉동기 보급의 가장 큰 걸림돌은 ‘유통’에 있다. 소비자의 대부분은 초기 투자비를 최소화하기 위해 저가형을 구매하거나 편의점 및 할인점 등을 운영하는 대기업은 입찰을 통해 최저가로 구매하고 있어 가격이 비교적 높은 고효율제품인 인버터 냉동기는 채택되기 어려운 구조다.
또한 소극적인 국가정책도 인버터 냉동기 보급 확대의 걸림돌이다. 연중 지속해서 운전하는 시스템은 밤과 낮 그리고 계절별 부하가 다르기 때문에 현 KS규격의 정격조건은 부하별 소비전력이 반영되지 않아 효율적인 시행이 어렵다. 국내 냉방기 또는 해외의 냉장·냉동시스템 시험규격은 연중 소비전력과 가변형에 대한 소비전력 시험규격이 있어 제도의 효율적인 이용으로 에너지절약을 유도할 수 있다. 국내 냉장·냉동기기의 시험규격도 현실에 맞게 수정, 보완돼야 한다는 것이 업계의 지적이다.
특히 내 공인인증시험기관에서 냉장·냉동시스템의 효율시험을 할 수 있는 체계와 전용설비가 구축돼 있지 않아 관련 학회 및 협회에서 정부기관에 건의하고 제도개선이 활발히 이뤄져야 인버터 냉동기 보급을 확대할 수 있는 방안이 마련될 것으로 보인다.
D사의 관계자는 “냉동·냉장창고는 비 냉동·냉장건물에 비해 에너지소비가 매우 많기 때문에 차별화된 에너지관리제도가 필요하다”라며 “이와 함께 고효율 인버터 제품 사용으로 에너지를 절감함으로써 결과적으로 온실가스 절감에 기여하는 효과를 얻을 수 있어 상업용 및 산업용 냉동기에 대한 소비효율관리제도 도입이 반드시 필요하다”고 강조했다.
예를 들어 공냉식 콘덴싱 유니트에 대한 최저 에너지효율등급제도를 시행함으로써 일정 수준 이상의 효율을 충족해야만 판매가 가능하도록 하고 소비효율 등급이 높은 제품 사용에 대한 인센티브를 제공하는 제도는 인버터 적용을 더욱 확대시킬 수 있을 것으로 기대된다.
D사의 관계자는 “친환경 냉매사용 및 에너지저감 등에 대한 정부정책 수립이 필요한 시점”이라며 “무엇보다 제조사와 사용자 모두 기후변화 및 탄소배출권에 대한 높은 관심을 가진다면 인버터 냉동기시장이 자연스레 확대될 수 있다”고 밝혔다.
E사의 관계자는 “우리나라처럼 사계절이 뚜렷해 외기온도 변화가 심한 경우 정격조건에서 운전되는 비율은 연 2% 미만으로 보고 있다”라며 “부분부하 조건에서 인버터시스템 적용으로 절감되는 에너지소비량은 매우 크다”고 밝혔다.
이 관계자는 “다만 부하변동이 심하기 때문에 인버터시스템이 안정적으로 운영될 수 있도록 제조사가 제공해야 하는 신뢰성의 문제”라며 “아직은 관련된 규제나 보조금 등의 정부지원 프로그램이 없지만 에너지절감 차원에서의 효과를 본 고객들의 전언에 따르면 인버터시스템 사용에 상당히 만족하고 있다”고 덧붙였다.
항상 최대 부하운전 조건을 기준으로 설계되는 냉동·냉장장비는 연중 많은 시간이 부분부하로 운전되고 있다. 이러한 운전조건에서 부분부하 운전효율을 극대화하는 방법은 바로 인버터를 활용해 가변속도운전을 하는 것이 가장 효과적이다.
또한 인버터에 접목된 디지털기술을 활용해 정밀한 제어 및 디지털 정보 수집도 가능해 보다 효율적인 운전관리를 할 수 있다. 인버터의 장점을 활용해 탄소배출량 절감 목표 달성에 기여하면서도 미래 디지털화를 위한 유용한 도구로서 인버터 냉동기 보급 확대에 적극 나서야 하는 이유다.
