서울대학교 냉동시스템 및 컨트롤연구실은 냉동 및 히트펌프시스템의 성능 및 효율 향상을 목표로 다양한 시스템 및 구성요소에 대한 해석과 실험을 수행하며 우수 인재양성 및 배출에 힘쓰고 있다. 그동안 △열펌프시스템 성능 향상 △자연냉매 이용시스템 △기상 냉매 주입 히트펌프 사이클 △혼합냉매 이용 사이클 △혼합냉매 누출 및 재충전 △착상 및 제상제어 △냉동시스템 내 냉매 충전량 예측 등의 연구를 수행했다.
현재 △30kW급 항온·항습 챔버 △차량용 열펌프 성능시험 장치 △기상 냉매 주입 히트펌프시스템 성능시험 장치 및 가시화 장치 △자기냉동 시스템 성능시험 장치 △각종 열역학적 상태량 측정장비 등을 보유하고 있다.
서울대학교 냉동시스템 및 컨트롤 연구실은 친환경 대체냉매 적용 콜드체인 시스템 시험·평가 인프라 기반 구축 사업에 참여한다. 김민수 서울대 교수를 만나봤다.
■ 최근 5년간 냉동공조분야에서 수행한 과제는
최근 수행한 과제는 ‘자연냉매 냉방시스템 기초, 응용 시뮬레이션 및 실험 연구’와 ‘자연냉매 활용 산업용 소형 냉방시스템 개발’이 있다. 이를 통해 자연냉매를 적용한 냉방시스템의 모델을 개발해 시뮬레이션 및 실험연구를 수행했다.
또한 ‘전기동력자동차 전용 플랫폼 폐열 활용 및 신냉매 적용 4kW급 냉난방 모듈화기술’과 ‘혼합냉매를 이용한 히트펌프 사이클의 정상상태 시뮬레이션 모델’, ‘냉동창고 냉동시스템의 대체냉매 적용 연구’ 등의 과제도 진행해 신냉매, 혼합냉매 및 대체냉매를 적용한 냉난방 시뮬레이션 모델과 성능향상 기술을 개발했다.
‘고효율 VRF 멀티히트펌프 시스템 최적설계 및 제어기술개발’, ‘사이클 및 전력신호 기반 냉매량 판단기술’, ‘VRF용 사이클 모델링 기반 냉매 충전량 예측 방법에 관한 연구’ 등의 과제를 수행하며 히트펌프시스템의 설계 및 제어, 그리고 냉매 충전량 예측기술도 개발했다.
이와 함께 ‘자기 칼로리 냉동시스템 냉방성능 향상을 위한 시스템 시뮬레이션 및 성능평가기술 개발’ 과제를 수행해 자기냉동시스템의 성능 향상 시뮬레이션 모델 개발 및 성능평가기술 개발을 수행한 바 있다.
■ 이번 과제에 참여하게 된 배경은
자연냉매 및 혼합냉매를 냉동 및 히트펌프시스템에 적용하는 연구를 폭넓게 수행해 왔으며 다양한 시뮬레이션모델을 보유하고 있다. 성능평가 실험을 수행할 수 있는 기반을 갖추고 있을 뿐만 아니라 우수한 연구인력을 보유하고 있어 전반적인 콜드체인시스템의 시험 및 평가를 수행할 수 있기 때문에 참여하게 됐다.
또한 다양한 모델들의 정확도를 검증하고 시스템의 성능평가기술을 개발한 경험을 지니고 있기에 이러한 연구수행 경험을 바탕으로 이번 과제에서 친환경 대체냉매를 적용한 냉동·냉장기기의 해석 모델 개발과 성능해석을 수행할 계획이다. 이를 통해 콜드체인시스템의 시험·평가기준을 정립하는 데에 기여할 수 있을 것이다. 콜드체인시스템의 성능평가 및 성능 향상 방안을 제시함으로써 국가적인 에너지절감 및 탄소중립에도 기여할 수 있을 것이다.
■ 콜드체인 시장에 대해 평가한다면
콜드체인시장은 냉동·냉장을 필요로 하는 식료품, 의약품 등의 생산, 운송, 보관, 소비에 이르는 일련의 과정을 적절한 온도에서 수행하는 데 필요한 시설, 장비 및 물품 자체 등을 포괄하는 것으로 이미 매우 큰 시장을 형성하고 있다.
특히 코로나 상황에서 물류배송시장이 급격하게 성장해 냉동·냉장이 필요한 신선식품의 주문, 보관, 배달이 늘어남에 따라 콜드체인시장도 크게 성장했다. 또한 백신을 운송할 때도 냉동·냉장 상태에서 적절한 온도를 유지하며 운송해야 했기 때문에 콜드체인의 중요성을 재차 강조할 수 있는 계기가 됐다.
콜드체인시장은 규모도 성장했을 뿐만 아니라 중요성도 매우 높게 인식되고 있다. 국내뿐만 아니라 해외의 콜드체인시장까지 고려하면 콜드체인시스템의 중요성이 더욱 커질 것으로 보이며 콜드체인시장은 앞으로 매우 큰 성장잠재력을 지니고 있다.
■ 이번 사업에서 맡은 역할은
이번에 선정된 연구 과제는 1단계 3년, 2단계 2년으로 구성돼 있다. 1단계(1~3년차)에서는 친환경 대체냉매를 적용한 콜드체인 냉동기기(쇼케이스, 냉동탑차, 냉동창고)에 대한 모델링을 진행해 해당 해석모델의 정확도를 검증하는 역할을 수행할 예정이다.
1단계 1~2년차에는 대체냉매의 환경친화성 및 안정성에 대한 분석을 바탕으로 분류한 대체냉매를 기준으로 쇼케이스, 냉동탑차, 냉동창고와 같은 냉동기기에 대체냉매를 적용하는 경우 해석모델을 개발하고 이를 바탕으로 해당 냉동기기의 성능을 시뮬레이션을 통해 예측하게 된다.
1단계 3년차에는 쇼케이스 해석 모델을 바탕으로 쇼케이스장치를 대상으로 시뮬레이션 결과와 실험결과를 비교해 해석모델의 정확도를 검증하고 향상시킬 계획이다.
2단계(4~5년차)에서는 개발한 냉동기기들의 해석모델을 바탕으로 콜드체인 시스템을 구성해 해당 시스템의 탄소중립 기여도 등을 분석하고 친환경 대체냉매를 적용한 냉동기기들의 성능, 효율 및 환경 영향을 개선하는 방안에 대한 연구를 진행한다.
■ 역할을 통한 기대효과는
정확도 높은 해석모델을 만들고 검증함으로써 친환경 대체냉매를 적용한 콜드체인시스템의 시험·평가기준 설정에 도움을 줄 것이며 이를 통해 콜드체인 인프라 구축에 기여하리라 본다. 이러한 연구를 바탕으로 콜드체인시장 성장 및 고효율화에도 기여할 수 있다.
■ 마지막으로 하고 싶은 말이 있다면
콜드체인시장의 규모와 앞으로의 성장 가능성을 고려하면 콜드체인시스템 및 냉동·냉장기기의 시험·평가기준을 정확하게 제시해 신뢰성 있는 제품들이 개발돼 보급되는 것이 매우 중요하다. 이러한 과정에서 다양한 연구팀들이 경험을 공유하고 새로운 아이디어를 제시한다면 국내 및 해외에서 선도적인 역할을 수행할 수 있을 것으로 본다. 매우 중요한 식생활과 밀접하게 연관돼 있는 만큼 주변의 관심과 지원이 절실한 시점이다.
