환경오염 없는 물 냉각 시스템 개발… “비용 100분의 1로 절감”

김정철 한국기계연구원 선임연구원이 친환경 물 냉매 냉각 시스템에 대해 설명하고 있다./한국기계연구원

국내 연구진이 환경에 전혀 피해를 주지 않는 물을 냉매로 하는 냉각기술을 국내 최초로 개발했다. 냉매는 순환하며 열을 흡수해 온도를 낮추는 화학물질이다. 물 냉매는 기존 화학 냉매보다 가격이 저렴해, 향후 에어컨이나 산업 냉방기에 적용해 탄소중립 실현에 기여할 것으로 기대된다.

김정철 한국기계연구원(기계연) 히트펌프연구센터 선임연구원은 물을 냉매로 해 냉각하거나 열을 이동할 수 있는 친환경 물 냉매 냉각 시스템 원천기술을 국내 최초로 개발했다고 25일 밝혔다.

현재 시장에서 사용하는 냉매는 환경규제 기준이 강화되면서 2045년까지 일부 전량 폐기하거나 80%까지 사용량을 감축해야 한다. 개발용으로 판매되고 있는 친환경 합성 냉매는 단가가 비싸고 이를 생산하는 기업이 시장을 독점하고 있어 대안이 필요하다.

기계연은 기존의 합성 냉매를 사용하는 압축기와는 다르게 물을 냉매로 사용할 수 있는 원심식 압축기와 증발기, 응축기를 개발했다. 냉각 시스템은 액체 상태인 냉매가 증발기에서 기체가 되면서 실내의 열을 빼앗는 원리이다. 여름철 마당에 물을 뿌리면 금방 수증기로 변하며 잠시 시원해지는 것과 같다. 주위 온도를 낮춘 냉매 증기는 압축기와 응축기에서 액체로 변해 다시 증발기로 간다.

연구진은 물 냉매에 맞춰 증발기 내부를 섭씨 7도 이하로, 응축기 내부는 35도 이상으로 유지하고, 냉각 시스템 내부는 진공 상태로 만들었다. 물은 표면을 최소화하려는 힘인 ‘표면 장력’이 큰 점을 고려해 증발기와 응축기의 구조에 맞게 전열관을 배치했다. 전열관은 두 유체 사이에서 열을 전달하는 장치다. 전체적으로 기존 시스템의 기능은 유지하면서도 냉각 과정에서 물의 장점을 최대한 활용할 수 있게 했다.

암모니아나 프로판과 같은 친환경 냉매는 가연성이거나 독성인 경우가 많아 냉각 장치에 따로 안전시설을 반드시 구비해야 한다. 물 냉매는 무독성이고 불에 탈 우려가 없어 별도의 안전시설을 구비하지 않아도 된다. 연구진은 독일과 일본과 같은 선진국에서 개발됐던 기술이었으나 이번에 국내 최초로 원천기술을 개발해 국가 경쟁력을 확보했다고 밝혔다. 환경에 문제가 없고 가격도 최대 100분의 1까지 저렴해 냉매 비용 절감은 물론, 유지 보수와 운영 비용에서도 효율성을 크게 높일 것이라고 전망했다.

김정철 선임연구원은 “일부 선진국을 중심으로 개발됐던 물을 냉매로 하는 산업용 냉각기·히트펌프 시스템을 국내에서 개발한 첫 번째 사례”라며 “신규 냉매 규제 관련 친환경 냉각기·히트펌프 기술 개발이 꾸준히 요구되는 국제적 추세에 따라 국내에서도 관련 기술이 체계적으로 개발되고, 상용화에 이를 수 있도록 노력하겠다”고 밝혔다.

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