3.1 PCA 시스템의 냉매 후보군 선정

PCA는 공항에서 항공기 근접 지역에서 설치되어 작동되기 때문에 냉매의 물성뿐만 아니라, 안전성과 환경성도 함께 고려되어야 한다. 본 연구에서는 환경성을 고려하여 Table 1과 같이 HFO 계열의 냉매들을 1차 후보군으로 선정하였다. 점차 강화되고 있는 냉매 규제를 고려할 때 ODP(Ozone Depletion Potential)이 0이고 GWP(Global Warming Potential)이 10 이하인 HFO(HydroFluoroOlefin) 계열의 냉매들은 새로 개발되는 공조 시스템에 적용하기에 적합한 냉매로 판단된다.

한편, 냉매의 독성 등급은 독성의 정도에 따라 저독성(A)과 고독성(B)으로, 가연성 등급은 비가연성(A1), 약가연성(A2L), 가연성(A2) 등으로 구분된다.⁽⁶⁾ 계류 항공기용 PCA 시스템의 경우 많은 사람들이 이용하는 공항에 설치 및 운용되기 때문에 독성이 낮아야 한다. 또한, 공항 특성상 A2 등급 이하의 냉매는 제외되어야 하므로 A1 또는 A2L 등급의 냉매가 현실적인 고려 대상이 된다고 볼 수 있다. A2L 냉매는 약한 가연성을 지니지만, ICAO(The International Civil Aviation Organization)나 FAA(Federal Aviation Administration)의 규제 대상에는 포함되지 않으며, ASHRAE 15의 지침을 따른다면 사용이 가능하다.⁽⁷⁾ 따라서, A2 등급인 R1243zf는 성능 분석 단계에서는 제외되었으며, 최종적으로 5종의 냉매에 대해서 히트펌프 사이클의 기본 성능 분석이 수행되었다.

3.2 PCA 시스템의 사이클 구성

Fig. 1은 PCA용 히트펌프 사이클의 구성도를 나타낸 그림이다. PCA용 히트펌프 시스템은 차가운 외기를 승온한 후 계류 중인 항공기의 기내로 공급해야 한다. 우리나라 겨울철 기온은 -10℃ 이하까지도 떨어지며, 기내로 연결된 배관에서의 열손실 등을 고려해 히트펌프에서 토출되는 공기의 온도는 40℃로 설정한다고 했을 때 공기의 온도 상승량은 50℃ 수준으로 계산된다. 따라서, 단일 사이클 하나로 히트펌프 시스템을 구성하기보다는 시스템의 효율을 높이고자 4개의 1단 압축 사이클을 직렬로 배치하여 PCA용 히트펌프 시스템을 구성하였다.

Fig. 1에서 구성한 사이클의 성능 분석을 위해 사용한 주요 설계 인자와 지표는 Table 2와 같다. 시스템에서 주요한 설계 변수는 총 5개로, 본 연구에서는 외기 온도에 따른 히트펌프 시스템의 성능 분석을 목적으로 하므로, $d T_{air,\: eva}$, $LTD$, $\eta_{comp}$, $d T_{h}$, $d T_{c}$는 각각 7.0℃, 7.5℃, 0.75, 5.0℃, 3.0℃로 일정하게 설정하였다. 그리고 응축기를 지나는 공기는 응축기를 순차적으로 지날 때마다 동일한 온도차만큼의 승온이 이루어지도록 하였고, 이로 인해 모듈마다 응축 온도가 달라지게 된다. 반면, 증발기로는 모두 동일한 온도의 외기가 유입되므로 4개의 모듈 모두 동일한 증발 온도를 갖는다.

Fig. 1 Heat pump cycle for PCA system.

냉매에 따른 히트펌프 사이클의 성능을 비교하기 위해 기준 조건(외기 온도 -10℃, 공기의 토출 온도 40℃)에서 히트펌프 사이클의 COP와 Pratio,max를 분석하였다. 기준 조건에서 증발기의 포화 온도는 -24.5℃로 설정하였고, 모듈 1에서 모듈 4까지의 응축기 포화 온도는 각각 10.0, 22.5, 35.0 및 47.5℃로 설정하였다. 그리고 냉매에 따른 증발기와 응축기의 포화 압력을 Table 3에 나타내었다.

Fig. 2(a)는 Table 3의 조건에서 분석한 COP를 비교한 그래프로, 기준 조건에서 COP는 냉매에 따라 3.63~3.95의 범위로 나타나며 냉매에 따른 COP의 차이는 10% 이내인 것으로 확인된다. Fig. 2(b)는 냉매에 따른 시스템의 최대 압축비를 나타내며 시스템적으로는 증발기와 응축기의 온도 차이가 가장 크게 발생하는 4번째 모듈의 압축비에 해당된다. 모두 동일한 조건이지만 냉매에 따라 압축비의 차이가 매우 크게 나타나는 것을 확인할 수 있는데, 압축비가 지나치게 큰 경우 1단 압축 사이클로는 히트펌프 시스템 구현이 불가능할 수 있다. 압축비를 높게 형성할 수 있는 스크류(Screw) 압축기의 경우에도 최대 압축비는 약 15 수준으로 확인되며⁽⁸⁾, 이를 고려하면 기준 조건에서 히트펌프 사이클에 사용 가능한 냉매는 R1234yf와 R1234ze(E)로 한정된다. 그리고, COP를 함께 고려한다면 본 연구에서 제시하는 히트펌프 사이클에 가장 적합한 냉매는 R1234ze(E)라고 볼 수 있다.

Fig. 2 Heat pump performance by refrigerant. (a) COP, (b) Pratio,max.

3.3 외기 온도에 따른 PCA 시스템의 성능 분석

Fig. 3은 2015년부터 2024년까지 인천국제공항의 10년간 외기온도 변화를 나타낸 그래프이다. 인천국제공항의 기온 데이터는 기상청 기상자료개방포털⁽⁹⁾에서 제공하는 공항기상관측 자료를 사용하였다. 기상자료개방포털 에서는 일 최고 기온과 최저 기온 값을 제공하며, 이 두 값의 중간 값을 일 기온의 대푯값으로 정의하였다. Fig. 3에 따르면 인천국제공항의 기온은 계절에 따라 -10℃ 이하에서부터 최대 30℃ 이상까지 변하는 것을 알 수 있다.

히트펌프 시스템은 난방을 목적으로 하므로 외기가 일정 온도 이하로 내려갈 때 작동한다고 볼 수 있다. 평균 외기온이 10℃ 이하가 되는 날에만 히트펌프가 가동된다고 가정하면 Fig. 3의 빨간색 영역에 해당되는 온도 조건에서 히트펌프가 작동하게 된다. 따라서 2015~2024년 사이 일평균 온도가 10℃ 이하인 조건에서 R1234ze(E)를 적용한 히트펌프의 COP를 분석하였으며, 외기온도에 따른 COP를 나타내면 Fig. 4와 같이 나타난다. 해당 기간의 일평균 기온 범위는 -14~10℃이며, 이때의 COP는 3.6~5.1의 범위로 나타난다. 공기의 토출 온도는 40℃로 일정하기 때문에 외기의 온도가 높은 조건일수록 COP가 높아지는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 3 Outdoor air temperature changes at the Incheon International Airport from 2015 to 2024.

Fig. 4 Variation of COP of the PCA heat pump cycle with outdoor air temperature.

3.4 히트펌프 사용에 따른 이산화탄소 배출 분석

PCA 도입 이전의 시스템은 항공유를 소비하는 APU를 이용하기 때문에 오염 물질의 배출이 매우 심각한 상황이었다. 따라서, PCA용 히트펌프 시스템이 보급될 경우 대기 중으로 배출되는 오염 물질을 크게 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 이에 대해 정량적인 분석을 수행하고자, 앞서 3.3에서 도출한 COP 데이터를 기반으로 히트펌프 사용에 의한 CO₂ 배출량 변화를 산출하고자 하였다. 인천국제공사에서 발간한 그린리포트 2024⁽²⁾에 의하면 2023년도에 APU 가동으로 인해 배출된 CO₂ 배출량은 178,912 tCO₂이었다. 2023년의 일평균 외기온도 데이터를 기준으로 10℃ 이하로 내려간 날 수는 총 145일이며, 145일에 해당되는 CO₂ 배출량은 약 71,075 tCO₂라고 가정하였다. 만약, APU를 사용하지 않고 히트펌프를 가동했다고 가정한다면 직접적인 CO₂ 배출량은 단순히 0에 수렴한다고 볼 수 있다. 하지만, 발전 과정에서의 CO₂ 배출까지 고려한다면 히트펌프의 CO₂ 배출량은 달라지게 된다.

전기 사용에 의한 히트펌프의 CO₂ 간접 배출량을 산출하기 위해 먼저 APU 시스템의 에너지양을 분석하고자 하였다. APU 시스템에 의해 배출되는 CO₂의 일 배출량은 하루 평균 약 490 tCO₂ 수준으로 추정된다. 에너지온실가스종합정보 플랫폼⁽¹⁰⁾의 데이터에 의하면 항공유는 2.49 kgCO₂/L의 배출계수를 갖기 때문에, APU로 인해 하루에 소모되는 항공유는 약 196,855 L로 계산되며, 항공유의 발열량 34 MJ/L를 이용하면 이는 곧 1,859 MWh(6,693,082 MJ) 수준의 열에너지로 환산된다. 그리고 이 값을 COP로 나누어주게 되면 APU에 의해 발생하는 열에너지를 히트펌프로 대체하였을 경우 필요한 전력량이 계산된다. 최종적으로 이 전력량에 CO₂ 배출계수인 0.4150 tCO₂/MWh⁽¹⁰⁾를 곱하면 히트펌프 운전 시 배출되는 CO₂의 양을 계산할 수 있다.

Fig. 5는 상기 서술한 방법에 의해 계산된 145일 동안의 CO₂ 배출량을 나타낸 그래프이다. 이 기간동안 히트펌프 사용 시 배출되는 CO₂ 양은 하루 최대 약 230 tCO₂이며, 이는 APU의 하루 CO₂ 배출량인 490 tCO₂와 비교하면 약 47% 수준으로, CO₂ 배출량이 50% 이상 절감된 것을 확인할 수 있다. 또한, 145일간 히트펌프 사용 시 총 CO₂ 배출량은 약 27,173 tCO₂로 145일간 APU에 의해 배출된 CO₂ 양의 약 38% 수준인 것으로 분석된다. 이 분석 결과는 일부 가정과 근사치 등을 통해 산출된 결과로 실제와는 다소 차이가 있을 수 있지만, APU 대신 히트펌프를 사용할 경우 CO₂ 배출량을 크게 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 5 Daily CO₂ emissions from heat pump use.