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기계硏, 40℃ 저온 폐열 활용 차세대 히트펌프 개발
▲ 기계연 탄소중립기계연구소 히트펌프연구센터왕 중앙대 연구팀이 10 kW급 화학흡착식 히트펌프(左)와전기화학적 압축기 스택을 개발했다.
국내 연구진이 산업 현장과 데이터센터 등에서 버려지는 40°C 수준의 저온 폐열을 냉방 에너지로 전환하는 기술을 개발했다. 세계 최고 수준의 흡착베드 성능을 바탕으로 기존에는 활용이 어려웠던 저온 폐열로 냉방을 구현해 전력 소비를 줄이고 미활용 에너지의 활용도를 높일 수 있을 것으로 기대된다.
한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연)은 탄소중립기계연구소 히트펌프연구센터 김영 책임연구원 연구팀과 중앙대학교(총장 박세현) 김민성·김동규 교수 연구팀이 한국에너지기술평가원(KETEP) 알키미스트 사업 지원을 받아 '전기화학적 압축기를 이용한 화학흡착식 히트펌프 시스템'을 개발했다고 5일 밝혔다.
이번 연구는 공장 폐열과 데이터센터 배열 등 기존에 충분히 활용되지 못했던 40℃ 수준의 저온 열원을 냉방에 활용할 수 있도록 히트펌프 시스템의 작동 온도를 낮추고 핵심 부품 성능을 높인 것이 핵심이다.
기계연은 40°C 저온 폐열로 구동되는 화학흡착식 히트펌프를, 중앙대는 소음과 진동이 없는 전기화학적 압축기를 개발했으며, 삼중테크(주)가 10 kW 화학흡착식 히트펌프 시제품을 제작했다.
기존 흡착식 냉방 기술은 일반적으로 70℃ 이상의 고온 열원을 필요로 해 산업 현장에서 발생하는 저온 폐열을 활용하는 데 한계가 있었다. 연구진은 화학흡착식 히트펌프를 적용해 40℃ 수준의 저온 폐열만으로 냉방이 가능한 시스템을 구현하고 실증했다.
화학흡착식 히트펌프는 열에너지를 이용해 냉매를 흡착·탈착시키면서 냉방 효과를 발생시키는 방식이다. 전력을 직접 소비해 냉매를 압축하는 일반적인 전기식 냉방 시스템과 달리 버려지는 열에너지를 구동원으로 활용할 수 있어 전력 사용량을 줄일 수 있는 것이 특징이다.
연구진은 히트펌프의 핵심 부품인 흡착베드의 구조도 개선했다. 그 결과 비냉방출력(SCP) 346.5W/kg을 달성했다. 이는 해외 경쟁 기술보다 2배 이상 높은 수준으로, 연구진은 세계 최고 수준의 흡착베드 성능을 확보했다고 설명했다.
흡착베드는 냉매를 흡착·탈착하는 과정에서 열교환이 이뤄지는 핵심 장치로, 성능이 높아질수록 동일한 공간에서 더 많은 냉방 출력을 확보할 수 있다. 이번 성능 향상은 저온 폐열을 활용하는 히트펌프의 소형화와 효율 향상에도 기여할 것으로 기대된다.
시스템에는 기계적 구동부가 없는 전기화학적 압축기도 적용됐다. 중앙대학교 연구진이 개발한 전기화학적 압축기는 기존 기계식 압축기와 달리 기계적 구동부가 없어 소음과 진동이 거의 발생하지 않는 것이 특징이다.
또한 기계연과 중앙대학교는 대면적 암모니아 압축기 개발을 통해 시스템 컨셉 실증을 진행하며 상용화 가능성을 높였다. 자연 냉매인 암모니아를 활용할 수 있어 국제적인 냉매 규제 강화에도 대응할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구에는 삼중테크도 참여해 10kW급 화학흡착식 히트펌프 시제품을 제작했다. 연구진은 현재 해당 시제품을 활용한 실증시험을 진행하고 있으며, 실제 산업 현장 적용 가능성을 검증하고 있다.
개발 기술은 데이터센터와 공장을 비롯해 건물 냉난방 시스템 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 특히 데이터센터의 서버 운용 과정에서 발생하는 배열이나 산업공정에서 배출되는 저온 폐열을 냉방에 다시 활용할 수 있어 냉방 전력 소비와 에너지 손실을 동시에 줄이는 효과가 기대된다.
향후 연구진은 저온 폐열을 활용하는 히트펌프의 출력과 효율을 높이고 적용 가능한 열원과 운전조건을 확대해 상용화 기반을 강화할 계획이다.
김영 한국기계연구원 책임연구원은 "공장과 데이터센터에서 버려지는 40℃ 수준의 저온 폐열만으로 냉방을 구현한 것이 이번 연구의 가장 큰 성과"라며 "현재 10kW급 시제품 실증 시험을 진행하고 있으며, 향후 데이터센터와 건물, 산업 현장 등에 적용해 에너지 절감에 기여할 계획"이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP) 알키미스트 사업 지원을 받아 수행됐다. 연구진은 과제를 통해 SCI 논문 74건, 특허 출원 67건·등록 29건 등의 연구성과를 창출했으며, 현재 10kW급 시제품을 활용한 실증시험을 이어가고 있다.