가정용 CO 2 히트펌프 급탕기의 개발

가정용 CO 2 히트펌프 급탕기의 개발

전문연구위원 차원민

1. 개요

□ 일본의 급탕수요는 민생용 최종 에너지소비의 약 30%를 차지하고 있으 며, 이것을 1차 에너지로 환산하면 국내공급의 5%정도에 해당한다. 또 한 CO2 배출량으로는 일본전체의 6%정도를 점하는 것으로 추정되고 있다. 이와 같이 에너지소비나 CO2 배출량에서 차지하는 급탕수요의 비율은 지극히 크다는 것은 알 수 가 있으며, 현 상태로서는 그의 90%

가 화석연료의 직접연소로 인한 것으로, 고효율 히트펌프의 도입으로 에너지절약과 CO2 감소가 기대되는 분야이다.

□ 한편 오존층 관점으로 볼 때, 염소를 포함한 플루오로카본(Fluoro Carbon), 즉 에어콘의 냉매로서 널리 사용되고 있는 HCFC22(R22)는 2020년까지의 단계적인 생산금지가 결정되어 있고, 그의 대체냉매로서 개발 이용되고 있는 염소가 포함 안된 플루오로카본 HFC도, 지구온난 화계수가 높아서 1997년 말에 개최된 지구온난화방지 교토(京都)회의 (COP3)에서 규제 대상물질로 지정되었다.

□ 이러한 상황에서, 오존층 보호를 계기로 HFC를 주요 대체냉매로서 개 발을 추진해 온 미국이나 일본에 대하여, 유럽에서는 플루오로카본과 같은 합성물이 아닌 자연계에 존재하는 물질을 히트펌프의 냉매로 바 꾸기로 해서, 최근에는 COP3의 결과를 감안하여 자연냉매가 세계적인 주목을 받게 되었다.

□ 여기에서는 자연냉매인 CO2에 관하여, 그 특징과 또한 세계에서 처음 으로 개발 상품화 한, 가정용 CO2 냉매 히트펌프 급탕기의 개요와 그 의 보급상황 및 기술개발동향에 관해서 설명한다.

2. 자연냉매 CO

의 특징

□ CO2 냉매의 특징

○ 오존 파괴계수는 0 이고, 지구온난화계수는 1 이며, 환경에 대한 부 하가 적다.

○ 독성, 가연성이 없고, 안전하며, 싸다.

○ 임계온도가 낮고(31 ⁰C), 공조나 급탕용에서는 사이클의 고압측이 초 임계가 되는 천이(遷異)임계(Trans-critical) 사이클이 된다.

○ 따라서 단순한 사이클의 경우, 일시에 가열하는 급탕과 같이 승온폭 (昇溫幅)이 큰 가열 프로세스에서는 높은 성적계수(COP : 열출력/압 축기 전기입력)가 기대되는 한편, 공조용에서는 COP가 낮다.

○ 고압으로 작동하기 때문에 기기를 새로 설계해야 하며, CO2 에서는 저압이 3 MPa, 고압이 10MPa 정도, 플루오로카본으로는 각각 0.5MPa와 2.5Mpa 정도이다.

○ 저압축비, 고차압(高差壓)의 압축기가 필요

○ 압축기의 단위 흡입량 당 가열능력이 크고, 열전달 율이 높아서 시스 템의 콤팩트화가 가능하다.

○ 냉매회수의 필요가 없으며, 그로 인한 비용이 불필요.

□ 이상과 같은 특징으로, CO2 냉매의 유망한 적용분야로서는, 효율면으로 나, 또는 일시 집중가열의 급탕과 산업 프로세스용 냉온 동시이용 및 건조 냉매 누수와 안전성으로나, 자동차 애어콘 용도를 생각할 수 있 다. 그리고 히트 펌프의 큰 시장인 일반 공조, 특히 냉방적용에 관하여 는 플루오로카본과 대등한 효율을 확보하기 위하여는 사이클에 대한 연구가 더 필요하다.

3. 가정용 CO

냉매급탕기의 개발

□ 일본에서는 일찍이 CO2를 착안하여 1995년부터 전력중앙연구소가 냉매 로서의 가능성을 위한 기초적 연구를 해왔다. 그 결과 CO2가 히트 펌 프의 냉매로서 충분히 이용가능하다는 것, 특히 급탕용은 사이클상의 특별한 연구 없이도 높은 COP를 얻을 수 있기 때문에 장래 유망하다 는 것을 확인 하였다.

□ 이 연구 성과를 가지고 1998년 9월에 도쿄전력과 전력중앙연구소는 주 택급탕분야의 에너지 절약을 목표로 CO2 냉매급탕기의 개발을 시작하 였고 , 2001년4월에 세계에서 처음으로 상품화를 하였다. 그 개요를 소 개한다.

○ 이 급탕기의 개요

- 플레온보다도 고차압․저압축비로 작동하는 고효율 압축기.

- 물을 적은 온도차로 가열할 수 있고, 콤팩트한 급탕열교환기.

- 높은 COP로 급탕이 가능한 시스템 운전 제어방법.

- 이러한 과제에 대하여 시작, 평가, 개발을 반복 하였으며, 고효율(도 쿄 지역에서는 년평균 COP ; 3이상), 그리고 고온급탕 (90 ⁰C)가 가 능한 히트 펌프를 개발하였다.

□ 실용화된 급탕기의 히트 펌프부분은 증발기, 압축기, 급탕열교환기 및 팽창밸브로 구성되는 단순한 사이클에 기액(氣液)분리기를 부친 것이 며, 열원(熱源)은 공기이다. 표준급탕능력은 4.5kW이고, 위에서 기술한 히트 펌프 유닛과 저탕 탱크 로 구성 되어 있다. 값이 싼 심야전력을 이용하여 온탕을 비축하고, 낮에는 이를 이용하는 방식이다. 또한 과거 1주간의 온탕 사용량을 참고로 하여 다음날 가열할 제어기능도 갖고 있다. 크기는 가로, 새로, 높이가 81, 32, 65cm이고, 저탕탱크는 109, 45, 152cm, 용량 300 리터 이다.

□ 개발된 압축기의 압축 작동부는 정숙성을 확보하기 위해 스크롤 (scrawl)식으로 되어 있고, 고정 스크롤과 가동 스크롤의 결합으로 압 축하는 구조이다. 효율 확보는 초고압 작동에 있어 스크롤의 기계손실 을 억제하고, 작동실 간의 누수를 최소한으로 하는 것이 중요하였다.

이 상반되는 요구에 대하여, 굴리는 스러스트베어링을 새로 개발하여 선회 스크롤을 억제함으로써 기계손실을 적게 하고, 높은 정밀도 가공 과 결합으로 작동실 간격사이를 최소한으로 하였다.

□ 개발된 급탕 열교환기에 있어서, 플루오로카본계에 사용되는 수냉매열 교환기는 일반적으로 2중관식이고, 이것을 CO2냉매에 적용하면, 물과 냉매간의 온도차를 크게 할 수 없어서 열교환성능이 저하되기 마련이 다. 그래서 냉매측을 미새관 구조로 하여, 고내압화와 동시에 초임계 영역에서의 열전달율을 대폭 향상 시켜 소형, 고성능화를 꾀하였다.

□ 또한 시스템의 고효율 운전제어방법에 관하여는, 팽창 밸브를 많이 열 거나 적게 여는 식으로 제어함으로써 COP를 최대로 하는 히트 펌프 의 운전제어방법을 개발했다. 보통 히트 펌프는 증발기 입구와 출구의 냉매의온도차로 팽창 밸브를 제어하지만, 이 히트 펌프는 고효율화를

위해 상술한 바와 같은 운전제어방법을 개발한 것이다.

□ 개발기의 연간 평균으로 본 시험결과에 관한 평가는, 얻어진 연간 평균 의 COP(히트 펌프 입력기준; 압축기와 보조기의 전기입력의 합계치)가 약 3.4이고, 저장탱크의 열손실을 10%정도라고 보아도 3.0이상의 COP 를 달성 할 수 있다는 것을 알 수 있었다. 결과적으로 개발기는 약 30%의 에너지 절약과 CO2 배출량도 약 절반으로 삭감하는 성과를 올 렸다.

□ 개발기는 에너지 절약과 친환경성이 높게 평가되어, 경제산업부장관으 로부터 에너지 절약 대상을 수상했으며, 미국의 환경보호국으로부터도 수많은 상을 받은 바 있다. 이상은 2001년형 모델개발에 관한 것이 였 지만, 그 후에도, 도쿄전력이 고효율화나 저코스트화, 잡음 없고 다기능 화를 목표로 한 연구개발로 2003년7월에는 신형기를 상품화하고 있다.

2003년 모델은 압축기나 열교환기의 고효율화와 함께 팽창에너지의 회 수라고 하는 신기술이 이용되었으며, 초기 모델에 비하여 20%의 효율 향상을 달성하고 있다.

4. CO

냉매 급탕 히트 펌프의 개발과 보급 동향

□ 이와 같이 일본은 2001년 4월에 세계에서 처음으로 가정용 CO2히트 펌 프 급탕기를 개발, 상품화 하였지만, 그 후로도, 간사이전력과 산요전기 의 공동 개발로 , 또한 2002년 2월에는 간사이전력, 주부전력 및 다이 킨사의 공동개발로 가정용 히트 펌프 급탕기가 계속 해서 상품화되었 다. 현재 이들 상품은 OEM이나 직판으로 15개사가 판매를 하고 있다.

□ CO2히트 펌프 급탕기의 개발에서는, 압축기의 개발이 가장 중요했고 어려웠다. CO2로는 플루오로 카본에 비하여 고저압의 차이압력이 3배, 실린더 용적이 1/3, 밖으로 토해내는 압력이 3배정도가 된다. 이러한 조건만 가지고서도 충분한 효율, 신뢰성을 갖는 압축기를 새로 개발할 필요가 있었다고 본다.

□ 각사가 저 마다 보유하는 기술을 구사하여 개발을 했고, 산요전기는 twin rotary 압축기 기술을 적용하여, CO2의 압력을 2 로터를 사용하 여 2단으로 압축하는 압축기를 개발했다. 다이킨사는 로터리 압축기의

베인과 롤러를 일체화 하여, 스윙운동(swing push)을 하는 swing 압축 기를 새로 개발 하였다.

5. 결론

□ 일본 정부에서도 이 기술의 에너지절약성과 친환경성을 높이 평가하여 보조금제도를 마련하여 보급을 장려하고 있으며, 2003년에는 6∼7만대 가 보급 될 것으로 보고 있다. 일본의 가정용 급탕기 시장은 년간 300 만대로 보며, 이제 시작한 것에 불과하다.

□ 따라서, 추운지역에서 사용하기 편리한 기종이라든가, 다기능화(급탕과 욕실건조 및 방바닥 난방을 가능하게 하는), 고효율화 그리고 소음을 없애는 기술개발과, 물을 덥히기 위한 제어방식이나 시스템의 기술을 더 향상시켜, 앞으로는 가정용 뿐만이 아니라 업무용으로도 고효율의 CO2급탕 히트 펌프가 보급되어, 에너지절약과 대기오염방지에 기여 할 수 있기를 바란다.

◁전문가 제언▷

□ 가정용 CO2 냉매 히트 펌프 급탕기는 에너지 절약과 CO2 배출저감이 기대된다는 점으로 보아서, 신기술제품이라고 할 수 있으며, 오존층 보 호의 관점으로도 자연냉매인 CO2를 이용, 세계에서 처음으로 개발 상 품화 하였다는 점, 그리고 이것이 2003년에 본격적으로 시장화 되고 있 다는 점에 큰 관심을 끌고 있다.

□ 거기에다 아주 콤팩트한 이 제품이 약3 0%의 에너지 절약과 CO2배출 량도 반으로 줄일 수 있다는 것으로, 일본 정부가 보조금 제도 까지 마 련하여 전국적인 보급을 권장하고 있어, 업계에서는 이것을 더욱 다기 능화 하여 방바닥 난방에도 적용 시키는 한편, 업무용으로도 보급을 촉 진하고 있다.

□ 따라서, 이 제품이 특별한 기술상의 난문제가 있는 것으로는 보이지 않 으므로, 선진국 업계의 최근 움직임을 참고로 하여 우리나라의 관련업 계에서도 각별한 관심과 검토가 있기를 바라는 마음이다.