[해설] CO₂냉난방기 실용화
환경규제로 ‘CO₂’ 냉매 부각 / 유럽, 미국 등 선진국 주도적 연구
환경보전에 대한 문제가 절실한 상황에서 현재 대부분의 냉난방시스템의 작동매체로 사용되고 있는 CFC 및 HCFC 계열의 냉매는 오존층 파괴 문제로 이미 생산과 사용이 규제되기 시작했다. 그 대안으로 개발된 HFC 계열의 냉매 역시 지구 온난화문제가 있어 새로운 대안이 필요한 상황이다.
특히 지난 2월 교토의정서가 발효되면서 HFC계열의 냉매를 대체할 수 있는 천연냉매의 이용은 선택이 아니라 필수사항이 되고 있다.
최근 유럽이나 미국 등 선진국에서는 새로운 대안으로 CO₂를 주목하고 있다. CO₂(R744)는 다른 천연냉매에 비해 인화성과 악취, 독성이 없어서 안전성이 뛰어나고 높은 비열과 큰 체적용량을 가지고 있어 냉매로서 탁월한 열역학적 물성을 지니고 있기 때문이다. CO₂의 이러한 장점으로 작용유체로 하는 증기압축 시스템에 대한 연구가 활발하게 이뤄지고 있고 환경규제가 엄격한 유럽이나 미국, 일본 등과 같은 선진국을 중심으로 연구가 진행중이다.
이미 일본에서는 CO₂냉매를 적용한 온수급탕기와 같은 일부 상품이 개발됐으며 유럽에서는 CO₂를 냉매로 하는 차량 냉방시스템을 개발하고 있다. 미국은 냉음료 자동판매기, 의류건조기 등에 CO₂를 적용하기 시작했으며 현재도 새로운 연구가 계속되고 있다.
그러나 CO₂냉매를 이용한 냉난방시스템에 대해서는 성능과 신뢰성 향상을 위한 과제가 남아 있어 실용화를 위해서는 CO₂특성상 작동압력이 너무 높다는 단점을 보완할 수 있는 다양한 연구가 이뤄져야 할 것이다.
CO₂의 우수한 열물성과 초월임계 사이클 등 여러 가지 장점에도 불구하고 CO₂사이클의 이론적인 성능은 기존 시스템에 비해 다소 떨어진다. 이를 위해 극복하기 위한 다양한 사이클이 개발되고 있다. 효율을 향상시키기 위해 내부 열교환기를 이용하고 이젝터 또는 2단 압축 등의 방법과 CO₂사이클의 열방출 과정인 가스냉각기의 고온 열전단 특성을 이용, 온수급탕기, 건조기 등이 개발되고 있다. 또 포화압력이 낮은 냉매와의 혼합을 통해 작동압력을 낮추는 방안과 함께 캐스케이드 방식으로 이를 해결하려는 노력도 이뤄지고 있다. 반면 고압시스템으로 구성되기 때문에 기기의 소형화는 이점이라고 볼 수 있다. 대표적인 예가 자동차용 CO₂냉난방시스템을 들 수 있다. 또 업계에서는 CO₂를 냉매로 하는 가정용 기기가 가장 적합하다고 말한다.
현재 CO₂를 냉매로 활용한 냉동공조기 개발은 초기단계다. 그러나 CO₂냉난방시스템의 효율이 증대되고 신뢰성이 확보된다면 머지 않아 CO₂사이클의 상용화가 이뤄질 것으로 기대된다. CO₂상용화는 CFC나 HCFC 냉매의 사용규제 및 향후 HFC 냉매의 사용이 제한되는 상황에서 가장 강력한 대안으로 떠오르고 있다.
<강은철기자 eckang@enn.co.kr>
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