[쿠키과학] ‘공장·데이터센터 폐열로 냉방’… 기계연, 차세대 저전력 히트펌프 개발

한국기계연구원(이하 기계연)이 공장과 데이터센터에서 버리는 40℃ 수준 열로 전력 소비와 소음까지 줄이는 차세대 히트펌프 시스템을 개발했다.

기계연 탄소중립기계연구소 히트펌프연구센터 김영 책임연구원팀과 중앙대 김민성·김동규 교수팀은 전기화학적 압축기를 이용한 화학흡착식 히트펌프 시스템을 개발했다고 5일 밝혔다.

히트펌프는 냉매를 순환시켜 열을 필요한 곳으로 옮기는 장치다.

화학흡착식 히트펌프는 냉매가 흡착제에 붙고 떨어지는 과정에서 열을 흡수하거나 방출하는 원리를 이용한다.

연구팀이 개발한 시스템은 전기 대신 공장 폐열이나 데이터센터에서 나오는 열을 주요 에너지원으로 활용한다.

기존 흡착식 냉방 기술은 일반적으로 70℃ 이상의 열원이 필요했지만, 연구팀은 40℃ 수준의 저온 폐열만으로 냉방할 수 있다는 점을 실증했다.

연구팀은 냉매로 자연 냉매인 암모니아를 사용했다.

연구팀은 히트펌프 핵심 부품인 흡착베드 구조도 개선, 흡착제 1㎏당 346.5W 냉방 출력을 내는 비냉방출력(SCP)을 기록했다.

이는 해외 경쟁 기술보다 2배 이상 높은 수준이다.

또 시스템에 회전하거나 왕복 운동하는 기계적 구동부 없이 전기화학 반응으로 암모니아를 압축하고 이동시키는 전기화학적 압축기를 적용했다.

이는 기계 부품의 움직임이 없어 기존 기계식 압축기보다 소음과 진동이 적기 때문에 병원, 학교 등 정숙성이 필요한 장소에 유용하다.

아울러 전기화학적 압축기는 버려지는 열을 냉방 에너지로 활용하고 압축기에 쓰는 전력도 줄여 전체 에너지 이용 효율을 높인다.

연구팀은 대면적 암모니아 압축기를 개발해 개념 검증을 마치고 상용화를 위한 시제품 실증 단계로 연구를 확대했다.

현재 10kW급 화학흡착식 히트펌프 시제품으로 성능과 운전 안정성을 시험 중이다.

이 기술은 공장과 데이터센터, 건물의 냉난방 시스템에 적용할 수 있다.

특히 데이터센터에서 배출하는 열을 다시 냉방 에너지로 활용하면 외부 전력 사용량을 줄일 수 있고, 공장 생산과정에서 발생한 저온 폐열을 회수해 냉방이나 온도 관리에 사용할 수 있다.

또 오존층 파괴와 지구온난화 문제를 일으킬 수 있는 합성 냉매 대신 암모니아를 사용하는 것도 강점으로 꼽힌다.

이번 연구에서 기계연은 저온 폐열로 작동하는 화학흡착식 히트펌프를, 중앙대는 냉매를 이동시키는 전기화학적 압축기를 개발했고, 삼중테크는 냉방용량 10kW급 시제품을 제작했다.

김 책임연구원은 “공장과 데이터센터에서 버리는 40℃ 수준의 저온 폐열만으로 냉방을 구현한 것이 이번 연구의 가장 큰 성과”라며 “10kW급 시제품 실증을 거쳐 데이터센터와 건물, 산업 현장에 적용할 수 있는 기술로 발전시키겠다”고 설명했다.

한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP) 알키미스트 사업의 지원을 받아 수행했고, 과학기술논문인용색인(SCI)급 논문 74건, 특허 67건을 출원했다.

이재형 기자 jh@kukinews.com