기호설명

1. 서 론

지구 온난화 등 환경 관련 문제로 인하여 화석연료 기반의 보일러 등을 고온 히트펌프(High Temperature Heat Pump, HTHP)로 대체하기 위한 연구 및 개발이 지속적으로 이루어지고 있다. 고온용 히트펌프는 화석연료 기반 열원 기기를 대체할 수 있는 유망한 기술로 주목받고 있습니다. 또한, 고온용 히트펌프는 100℃ 이하 산업 현장에 활용되지 못하고 배출되는 열이나 주변 폐열을 활용하여 산업 현장에서 필요로 하는 120℃ 이상의 열을 공급할 수 있으며, 에너지 효율 향상과 이산화탄소 배출 저감을 동시에 달성할 수 있는 장점이 있다. 기존의 R134a, R245fa 등과 같이 높은 GWP(지구 온난화 지수, Global Warming Potential)를 갖는 냉매들은 지구 온난화 문제로 인해 규제 대상이 되었으며, 이에 따라 GWP가 낮은 냉매에 관한 연구와 시스템 개발이 활발히 진행되고 있다.^{(1- 25)}

최근에는 HFO(Hydrofluoroolefin), HCFO(Hydrochlorofluoroolefin), R290(Propane), R718(Water, H2O) 등 자연냉매를 포함한 다양한 신냉매들이 고온 히트펌프에 적용되고 있으며, 이들은 낮은 환경영향과 우수한 열역학적 성능을 동시에 만족시킬 수 있는 후보로 평가되고 있다. 특히, 후보군 중 R1233zd(E), R1224yd(Z), R1336mzz(Z/E) 등의 냉매는 높은 열 안정성과 낮은 인화성 그리고 낮은 GWP를 특징으로 하며, 150℃ 이상의 고온 공급이 가능한 시스템에서 실험적으로 우수한 성능을 보여주고 있다.⁽⁸⁾ 또한, 고온 단계와 저온 단계를 분리하여 냉매를 적용한 캐스케이드 시스템(Cascade system)이나, 증기 압축 사이클과 역 브레이튼 사이클을 결합한 하이브리드 사이클 구조도 높은 에너지 효율과 확장성을 바탕으로 주목받고 있다.^{(7, 14, 19, 20, 21)} 이와 더불어, IEA Annex 58과 같은 국제 공동 연구를 통해 고온 히트펌프 기술의 표준화와 실용화가 촉진되고 있으며, 냉매 물성 분석, 사이클 해석 등 종합적인 연구와 개발이 수행되고 있다.⁽¹²⁾ 참고문헌⁽²²⁾는 과거부터 현재까지의 사용되던 냉매의 변화를 고찰한 문헌이다. 이를 보면 ODP(Ozone Depletion Potential)가 있는 냉매는 2000년 이전, GWP(Global Warming Potential)가 높은 냉매는 2000년 이후에 사용 제한이 이루어지고 있으며, 앞으로는 자연냉매로 회귀 될 수도 있고, 아주 낮은 ODP의 허용이나 가연성 냉매의 사용이 허가될 수 있다고 언급하고 있다. 이러한 기술 및 환경적 배경 속에서 고온 히트펌프는 향후 다양한 산업 분야에서 지속 가능한 열원 대체 기술로서 중요한 역할을 할 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 문헌조사를 통하여 고온용 히트펌프에 적용할 수 있는 냉매들을 검토하였다. 또한 검토한 냉매들의 열역학적 특징과 ODP, GWP 및 안정등급(SG, Safety Group)등 을 종합적으로 검토하였다. 이러한 분석 결과를 바탕으로 냉매 군 중에 온도에 따라 적합성이 높을 것으로 판단되는 냉매를 제안하고자 한다.

2. 적용 가능 냉매

Table 1은 참고문헌에서 검토된 냉매를 문헌별로 분류한 표이다. 100℃ 이하의 폐열 또는 주변열을 이용하여 120℃ 이상으로 승온 할 수 있을 것으로 언급되는 냉매를 분류하였으며, 약 14종인 것으로 판단된다. 참고문헌 등에서 가장 많이 언급되고 있는 냉매는 R1336mzz(Z), 1234ze(Z), R1233zd(E), R744 및 R290 등이다.

Table 2는 참고문헌을 기반으로 검토된 냉매 14종 및 기존에 사용되던 냉매 3종의 특성(임계온도, 임계압력 등)을 나타낸 표이다. Table 2의 임계온도 및 압력은 REFPROP version 10.0(2024)을 기준으로 작성하였다. 이중 R1130(E), R514A는 참고문헌⁽¹⁷⁾의 내용을 기준으로 작성하였다. 그리고 ODP, GWP 및 SG는 미국 ASHRAE 기준을 참조하여 작성하였다. 검토에는 기존에 고온 특성이 우수하여 사용되었던 냉매 3종을 새롭게 언급되고 있는 냉매와 비교를 위하여 포함하였다. Fig. 1은 검토된 냉매별 임계온도를 나타난 표이다. 이를 보면 대부분의 냉매가 120℃를 넘는 임계온도를 나타내고 있으며, 11종의 냉매는 150℃가 넘는 것으로 분석된다. 검토된 냉매 중 R718 냉매의 경우 373.9℃로 가장 높은 임계온도를 갖으며, R1130(E) 냉매가 242.5℃로 그다음으로 높은 임계온도를 갖는다.

Table 3은 ASHRAE에서 제공하는 냉매의 안전 등급(Safety Group)에 대한 의미를 나타낸 표이다. 이를 보면, 앞쪽 A 및 B는 독성이 낮고, 높음을 의미하며, 뒤쪽 숫자는 가연성의 정도를 나타낸다. 1인 경우 비가연성, 3인 경우 강가연성을 의미한다.

Fig. 1 Critical temperature of various refrigerants.

3. 합성냉매

4. 자연냉매

5. 냉매 선정기준 및 결과

일반적으로 냉매의 선정은 시스템에서 요구되는 온도와 특성에 따라 결정된다. 냉매 선정 시에는 환경성, 안정성, 임계온도 등을 종합적으로 비교할 필요가 있다고 언급되어 있다.^{(1, 5, 8, 15, 17, 22)} 특히, 히트펌프의 효율 및 과도한 압축기 토출 온도를 방지하기 위하여 임계온도는 응축 온도보다 높아야 한다고 언급하고 있다.⁽¹²⁾ 시스템 개발과정에서 가장 주요한 요소 부품인 압축기의 적합성을 정성적으로 알아보기 위하여 냉매의 비체적 및 비열비를 포함하였다. 냉매의 비체적이 높은 경우 압축기의 체적이 상대적으로 클 수 있고, 비열비가 높은 경우 단열 압축과정에서 압축기로 인가된 에너지가 압력보다는 온도로 이동되는 비율이 커져서 압축기의 열역학적 효율이 낮아지며, 토출 냉매의 온도가 과도하게 오를 수 있다. 냉매 선택 시 수급 용이성 및 가격 등 경제적인 측면도 중요한 요소이다. 다만, 향후 사용량이 늘어날 경우 가격 및 수급 용이성 등은 해소될 수 있다는 가정하에서 이 부분은 제외하였다. 온도범위는 참고문헌 등을 참조하여 130℃ 이하, 130℃ ~ 160℃, 160℃ ~ 200℃ 및 200℃ 이상 각 4그룹으로 구분하고 적절한 냉매를 선정하였다.

냉매의 선택 시 요구조건으로는 참고문헌 등을 종합하여 다음과 같이 선정하였다.

○ 환경 및 안정적 특성

• ODP : 없어야 함.(단, HCFO는 포함)

• GWP : 100 이하.

• SG : A1(비 가연성 및 약한 독성)

○ 열역학적 특성

• 시스템 성능계수 : $COP=Q_{con}/W_{comp}$ ($Q_{con}=\dot{m}_{ref}(h_{2}-h_{5})$, $W_{con}=\dot{m}_{ref}(h_{2}-h_{1})$)

• 증발 및 응축압력 및 압축비 검토함.

• 비체적($\nu$), 비열비($K$, 압축기 입구)

• 응축 온도에 비하여 임계온도가 10℃ 이상 높아야 함.(임계온도)

Fig. 2(a) 및 (b)는 시스템 성능계수를 계산하기 위한 기본 증기 압축식 시스템의 개략도 및 P-h선도를 나타낸 그림이다. 시스템 성능계수는 응축기 열 전달률을 압축기에 투입된 일로 나눈 값으로 정의하였다. 기본 사이클 해석은 EES(ver 11.573)를 이용하여 계산하였다. 냉매의 물성값은 EES에 포함된 값을 이용하였다.

Table 4는 환경적 및 안정성 측면에서 검토된 냉매들을 나타낸 표이다. 이를 보면, 임계점이 200℃ 이상인 냉매는 2종류뿐이다.

Fig. 2 Basic vapour compression cycle and P-h diagram.

R1130(E) 냉매는 R514A 에 사용되는 혼합 냉매로 단독 사용 사례가 다소 부족하고, 독성이 강한 냉매이다. 따라서 가능할 것으로 판단되는 냉매는 R718 냉매가 유일하다.

Table 5는 2그룹 냉매들을 단단 증기 압축식 시스템(Single stage vapour compression system)의 시스템에 적용했을 때 성능계수(COP)를 비교한 표이다. 다만, R1224yd(E) 및 R1130(E) 냉매의 경우 시스템 해석을 위한 물성치 정보가 다소 부족하여 분석에서 제외하였다. 그리고 압축기의 효율은 열역학적 효율, 기계 및 전기효율 등으로 구분할 수 있다. 다만 본 연구에서는 압축기의 열역학적 효율을 약 0.75 ~ 0.80, 기계효율을 0.9 및 전기효율을 0.9로 정의한 후 이를 종합하여 압축기의 효율을 0.6으로 선정하고, 성능비교를 수행하였다.

○ 시스템 성능 비교를 위한 해석 조건(2그룹)

• $T_{eva}$ [℃] : 85 ($dT_{h}$ : 5℃)

• $T_{con}$ [℃] : 150 ($dT_{c}$ : 5℃)

• $\eta_{comp}$ [-] : 0.6 (압축기 효율)

Table 5에 나타낸 결과를 보면 시스템 COP 측면에서 R718 냉매가 가장 우수한 성능을 보이지만, 다소 큰 압축비를 나타낸다. 이는 증발온도가 100℃ 이하로 진공상태이기 때문에 나타낸 결과로 판단된다. 검토된 냉매들의 비체적을 보면 대부분 유사한 값을 나타내고 있지만 R718 냉매의 경우 다른 냉매들에 비하여 약 100배 정도 큰 값을 갖는다. 이를 앞서 R718 냉매를 이용할 경우 장비가 상대적으로 아주 클 수 있음을 의미한다. 또한 비열비 또한 다소 높게 나타나 사용 시 압축기 출구가 상대적으로 높은 온도를 가질 수 있다.

따라서 압축비, 비체적 및 비열비 등을 종합적으로 고려하면 R1233zd(E) 냉매가 가장 적합할 것으로 판단된다. 또한 R1336mzz(Z) 냉매도 좋은 선택지가 될 수 있다. 그리고 앞서 환경적인 측면에서 검토를 제외한 무기질 자연 냉매들을 분석해 보면 R601a 냉매의 경우 동일한 조건에서 COP측면에서 다른 냉매들에 비하여 다소 우수한 결과를 나타내고 있는 것으로 확인할 수 있다. 비체적 및 비열비 측면에서도 비교적 준수한 값을 나타낸다. 상대적으로 압축비가 낮아 기존 검토된 냉매에 비하여 좋은 성능을 나타낼 것으로 생각된다.

○ 시스템 성능 비교를 위한 해석 조건(4그룹)

• $T_{eva}$ [℃] : 140 (과열도 5℃)

• $T_{con}$ [℃] : 220 (과냉도 5℃)

• $\eta_{comp}$ [-] : 0.6 (압축기 효율)

Table 6은 증발온도 140℃, 응축온도 220℃ 조건에서 단단 증기 압축기 시스템에 R718 냉매를 적용했을 때 성능지표를 나타낸 표이다. 압축비 6.415로 계산되었으며, COP는 3.52를 나타낸다. 비체적도 상대적으로 높지만 앞선 Table 5의 비체적 값과 비교하면 상대적으로 낮은 값으로 판단된다.

6. 요약 및 결론

본 연구에서는 130℃ 이상 고온용 히트펌프 개발의 선행 연구로 적용 가능한 냉매를 검토하고 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 임계온도가 높아 고온용 히트펌프 등에 사용되었던 기존 냉매 3종과 신규로 거론되고 있는 냉매 14종에 대한 임계 온도 및 압력과 ODP 및 GWP 등을 검토하였다. 그리고 요구온도에 따라 적합할 것으로 예측되는 냉매를 선정하였다. 결론적으로 향후 적용 가능한 냉매군은 HFO, HCFO 및 자연 냉매군이 될 것으로 판단된다.

2. 130 ~ 160℃를 목표로 하는 고온용 히트펌프에 적용할 수 있는 냉매를 환경적 측면 및 시스템 성능 측면에서 검토해 보면 R1336mzz(Z), R1233zd(E) 및 R718 냉매들이 적합할 것으로 판단된다. 이들 냉매는 모두 임계온도가 160℃ 이상으로 아임계 사이클 구성이 가능하다. 다만, 초임계영역 사이클 구성이 가능한 냉매는 추가적인 검토가 필요할 것으로 판단되며, 가연성 및 독성이 강한 냉매를 포함한다면 무기질 자연냉매 계열인 R601 및 R600 냉매 등도 충분히 검토가 가능할 것으로 판단된다. 그리고 독성은 강하지만 비가연성 혼합냉매인 R514A도 검토 대상이 될 수 있다.

3. 200℃ 이상에서는 R1130(E) 및 R718 냉매 2종이 가장 적합한 냉매로 판단된다. 두 냉매는 임계온도가 200℃ 이상으로 200℃ 이상에도 아임계 사이클 구성이 가능한 냉매이다. 다만, 참고문헌을 종합해 보면, 160℃ 이상에서는 두 가지 냉매를 사용하는 이원 시스템 또는 증기 재압축기 등을 추가하여 승온할 수 있을 것으로 판단된다. 이 경우 저 단측에 R1336mzz(Z) 또는 R514A등을 이용하고, 고단측에 R718 냉매를 사용하는 케스케이드 시스템을 이용할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 고단측의 경우 다단으로 구성된 증기 재압축기도 검토가 가능할 것으로 판단된다. R718 냉매의 경우 가장 큰 단점으로 분리되는 물성은 바로 비체적이 크다는 것이다. R718 냉매의 경우 기술적 한계가 있지만, 환경적인 측면 등을 종합적으로 고려할 때 200℃ 이상의 고온에서는 가장 적절할 것으로 판단된다.

4. 본 논문에서는 100℃ 이상의 고온을 얻기 위하여 사용할 수 있는 냉매를 선정하기 위한 연구를 수행하였다. 참고문헌의 내용을 조사하고, 간단한 정량적인 계산을 통하여 요구되는 온도대 별 적합한 냉매를 선정하였다. 다만 이는 다양한 사이클 구성과 요소 부품의 개발 및 제작 가능성 그리고 경제적인 측면 등을 모두 포함하면 달라질 수 있을 것으로 생각된다. 따라서 추가적인 시스템 해석 및 검토와 요소 부품의 설계 및 개발 등의 지속적인 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.