[투데이에너지 홍시현 기자] “히트펌프는 에너지를 절약하고 온실가스 배출을 줄이는 효과적인 HVAC 기술이며 그 결과 가스, 석유, 전기 시스템의 가장 효율적인 대안이다”
LG전자 H&A연구센터장인 오세기 부사장은 지난 27일 제주 라마다프라자호텔에서 온오프라인으로 동시에 개최된 ‘제13차 International Energy Agency Heat Pump Conference’에 기조 연설자로 나서 이와 같이 밝히며 히트펌프의 중요성 및 적용 확대 등 미래시장을 전망했다.
히트펌프는 글로벌 온실가스 저감 및 탄소 중립을 위한 중요한 핵심 기술로 다양한 분야로 확대되고 있다. 오늘날 국가 에너지 소비의 30%를 차지하는 냉난방분야의 효율화를 위해서 공조분야에서도 히트펌프 기술 적용에 힘쓰고 있다.
오세기 부사장은 “일본, 유럽, 중국 등은 다양한 고효율 제품 장려 정책을 마련 또는 추진해 히트펌프에 대한 인센티브를 시행 중”이라며 “하지만 기존 공기 열원 히트펌프는 기술적으로 극복해야 할 난제가 있다”고 밝혔다.
첫째, 외부온도가 낮아지면 난방성능이 저하돼 운전을 보증할 수 없다. 그 결과 극저온 지역에서는 주 난방시스템으로 사용하기가 어렵고 추가적인 난방열원이 필요하다. 둘째, 실외 열교환기의 제상운전으로 인해 연속난방이 중단됨에 따라 온도 편차 및 소음으로 인한 재실자의 불쾌감을 초래할 수 있다.
오 부사장은 이를 극복하기 위한 다양한 기술이 연구개발 되고 있다고 설명했다.
저온의 난방성능을 향상시키기 위해서는 시스템 고압을 올리는 기술이 필요하며 이를 위해 압축기의 압력비 제한을 확대하면 충분한 난방 공급이 가능해진다. 충분한 난방 공급을 위한 대표 기술들로 △압력비 확장을 위해 압축기 강도를 높이는 기술과 압축기를 직렬로 작동시키는 2단 압축 기술 △고출력 인버터, 냉매 인젝션 사이클, 최적 냉매량 제어, 열교환기 최적 설계를 포함한 고난방 사이클기술 △오일 관리 기술 등이 이에 해당한다.
우선 압축기는 저온에서 높은 압력비를 생성시키기 위해서는 높은 용량의 압축기가 우선돼야 하고 높은 압력비에서도 운전 신뢰성을 확보하기 위해서는 스크롤 압축기의 경우 배압구조 설계 기술이 고도화돼야 한다. 최근 중간 단에 냉매를 한 번 더 분사하는 더블 인젝션 기술로 기존 인젝션대비 난방 성능을 약 10% 추가 개선했다. 그리고 마모 신뢰성 개선을 위한 새로운 소재기술과 고속/고압축비 조건에서의 저소음·저진동 기술도 병행이 필요하다.
인버터 기술은 고속으로 압축기를 운전시킬 수 있는 인버터 제어 구동 기술이 필요하며 고속 운전 시, 회로 온도 상승으로 인한 방열 설계가 요구된다. 고효율 전류/전압제어와 고속 및 고출력으로 인해 방열량이 증가함에 따라 작은 면적에서의 냉각량을 키울 수 있는 냉매 냉각기술이 적용되고 있다.
열교환기는 시스템 성능을 결정하는 핵심 구성 요소 중 하나다. 일반적으로 난방성능을 최적화하는 방향으로 열교환기 Path수가 설계돼 있어 냉방 성능은 다소 떨어진다. 이 문제를 해결하기 위해 개발된 기술이 바로 능동 가변 열교환기이다. 냉방 운전 시, 열교환기 상부 배출구의 냉매를 하부로 재유입시켜 냉방 Path수를 감소시키는 효과를 만들어 냈고 그 결과 하나의 동일한 열교환기를 가지고 냉방과 난방을 위한 각각의 최적화된 경로를 구현할 수 있게 됐다.
제상운전으로 인한 난방 중단도 히트펌프 기술의 난제다. 이를 해결하기 위한 기술이 ‘교번제상기술’이다. 오 부사장은 “제상 효과와 비용 측면에서 현재 가장 효과적인 방법은 단일 프레임의 경우 열교환기를 두 부분으로 나눠서 번갈아 제상하고 다중 프레임의 경우 번갈아 가며 한 프레임씩 제상하는 방식인 ‘교번제상’”이라며 “증발기의 크기가 약 절반으로 줄어들고 제공되는 난방능력도 절반 수준으로 떨어질 수 있으나 상대적으로 저렴한 비용으로 공간의 Cold draft를 없애면서 다소 연속적인 난방을 공급할 수 있다”며 지속적으로 최첨단 기술이 개발될 것으로 봤다.
히트펌프 기술은 다양하게 적용되고 있다. 기존 냉·난방, 온수 공급에서 이제는 가전 등 응용분야가 확대되는 추세다.
최근 필수가전으로 자리매김 한 의류 건조기는 가스, 히터, 히트펌프 3가지 방식으로 구분되는데 히트펌프 건조기는 가스나 히터대비 건조시간은 다소 길지만 설치가 간편하고 히터대비 높은 수준의 에너지절감이 가능하며 중온으로 섬세한 옷감케어가 가능해 옷감수축 없이 고품질 의류 건조가 가능하다. 한국을 비롯해 이태리, 체코, 핀란드 등의 국가에서 대부분의 소비자들이 히트펌프 건조기를 널리 사용 중이다.
오 부사장은 “의류 스타일링 및 위생을 목적으로 하는 가전제품에도 히트펌프 기술이 적용돼 있다”라며 “LG전자 스타일러는 인버터 히트펌프 기술을 적용해 중온으로 옷감 손상없이 의류케어가 가능하고 히터대비 전기비 걱정없이 매일 의류케어를 할 수 있다”고 소개했다.
오 부사장은 마지막으로 “저외기온에서 성능저하 및 불연속난방은 앞으로도 히트펌프가 해결해야 할 숙제”라며 이를 극복하기 위한 기술 개발을 강조했다.