“40℃ 폐열로 냉방”…기계연, 차세대 히트펌프 시스템 첫 실증

공장이나 데이터센터에서 버려지던 40℃ 수준의 저온 폐열만으로 냉방을 구현하는 차세대 히트펌프 시스템이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 기존 에어컨이 전기를 써 냉매를 압축하는 방식과 달리, 폐열을 직접 에너지원으로 활용해 냉방을 구현한 것으로, 흡착베드 성능 향상을 통해 전력 사용을 줄이고 에너지 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

한국기계연구원(원장 류석현, 이하 기계연)은 탄소중립기계연구소 히트펌프연구센터 김영 책임연구원 연구팀이 중앙대학교 김민성·김동규 교수 연구팀과 공동으로 ‘전기화학적 압축기를 이용한 화학흡착식 히트펌프 시스템’을 개발했다고 6일 밝혔다. 연구는 한국에너지기술평가원(KETEP) 알키미스트 사업의 지원을 받아 수행됐다.

기계연 연구팀은 40℃ 저온 폐열로 구동되는 화학흡착식 히트펌프를 개발했고, 중앙대 연구팀은 소음·진동이 없는 전기화학적 압축기를 구현했다. 삼중테크㈜는 10 kW급 화학흡착식 히트펌프 시제품 제작을 맡았다.

화학흡착식 히트펌프는 공장 폐열이나 데이터센터 폐열과 같은 저온 폐열로 냉방을 구현하는 기술이다. 70℃ 이상 고온 열원이 필요했던 기존 흡착식 냉방 기술과 달리, 40℃ 수준의 폐열만으로도 냉방 운전이 가능하다는 점을 실증했다.

연구진은 히트펌프 핵심 부품인 흡착베드 구조를 개선해 비냉방출력(SCP) 346.5 W/kg을 달성했다. 이는 해외 경쟁 기술 대비 2배 이상 높은 수준으로, 세계 최고 수준의 성능이라는 설명이다.

개발된 시스템에는 기계적 구동부가 없는 전기화학적 압축기가 적용됐다. 기존 기계식 압축기 대비 에너지 소비를 줄일 수 있고, 소음과 진동이 거의 발생하지 않아 병원·학교·주거지역 등 다양한 환경에서 활용이 가능하다. 기계연은 중앙대와 협력해 대면적 암모니아 압축기를 개발해 개념 실증과 상용화 단계에 한 걸음 더 다가갔다.

향후 이 기술은 데이터센터, 공장, 건물 냉난방 시스템 등에 적용될 수 있을 것으로 예상된다. 지금까지 활용되지 못했던 폐열을 에너지원으로 사용할 수 있어 에너지 절감 효과가 크고, 자연 냉매인 암모니아를 사용해 국제 냉매 규제에도 대응할 수 있다는 설명이다.

김영 책임연구원은 “공장과 데이터센터에서 버려지는 40℃ 수준의 저온 폐열만으로 냉방을 구현했다”라며 “현재 10 kW급 시제품 실증 시험을 진행 중이며, 향후 데이터센터와 건물, 산업 현장 등에 적용해 에너지 절감에 기여할 계획”이라고 말했다.


연구진은 이번 과제를 통해 SCI 논문 74건, 특허 출원 67건, 특허 등록 29건 등의 연구 성과도 거뒀다. 10 kW급 시제품을 활용한 실증 시험을 지속하며 기술 완성도와 상용화 가능성을 점검하고 있다.