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- 새로 개발된 냉각 회로는 124g의 프로판으로 12.8킬로와트의 가열 용량 달성
- 상업적으로 이용 가능한 열 펌프에는 킬로와트당 약 60g의 프로판 필요
- 현재 상용되는 CO2보다 "단" 3배 높은 온실 효과, 그러나 일반 냉매보다 기후에 덜 해롭다

프로판 히트 펌프 최고 효율 기록
냉각 회로는 124g의 냉매 프로판으로 12.8KW(킬로와트)의 가열 용량을 달성했다.

공기 및 지상의 열:
탄화수소 프로판은 히트 펌프에서 특히 기후 친화적인 냉매로 간주되지만 인화성이 높다. 연구원들은 최근 특히 소량의 프로판으로 높은 열 출력을 달성할 수 있는 시스템을 개발하는 데 성공했다. 새로 개발된 냉각 회로는 124g의 프로판으로 12.8킬로와트의 가열 용량을 달성하며 이는 새로운 효율 기록이다. 프로토타입은 아직 연속 작동을 위해 설계되지 않았지만 추가 최적화를 통해 이를 변경해야 한다. 

▲ 열 펌프는 가열 또는 냉각을 위해 환경의 열 에너지를 사용한다. 그러나 이를 위한 전제 조건은 열교환기로서의 효율적인 냉매다. (출처:BWP)

히트 펌프는 작은 온도 차이를 사용해 건물을 가열하거나 냉각할 수 있다. 이것은 저온에서 증발하는 유체를 압축한 다음 지면이나 건물 내부의 주변 공기에서 집중된 열에너지를 방출하는 특수 냉매에 의해 가능하다. 그러나 염두해야 할 것은 지금의 냉장고처럼 일반적인 냉매는 플루오르화 탄화수소로 구성되며, 이는 지구 온난화 가능성이 높기 때문에 기후에 극도로 유해하다.

보다 기후 친화적인 냉매로서의 프로판

히트 펌프 냉매의 가능한 대안은 열역학적 특성이 매우 좋은 프로판이다. 현재 상용되는 CO2보다 "단" 3배 높은 온실 효과를 갖고 있지만 일반 냉매보다 기후에 덜 해롭다. 문제는 가스의 높은 가연성이다. 위험을 줄이기 위해 LC150 연구 프로젝트의 과학자들은 최소의 냉매로 히트 펌프를 작동하면서도 여전히 효율적으로 작동하는 방법을 찾고 있다.

이를 위해 Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE의 ​​연구원과 히트 펌프 제조업체 컨소시엄은 2021년 가을부터 다양한 염수 히트 펌프 프로토타입을 개발하고 테스트해 왔다. 증발기, 압축기, 응축기, 열교환기, 팽창밸브 등 개별 구성품을 다양한 별자리로 조립하고 2주간 연속 운전하면서 성능을 점검했다.

▲ 이 프로젝트의 목표는 냉각 용량 킬로와트당 15~30g의 프로판의 특정 충전량을 달성하는 것이었다. © Fraunhofer ISE

킬로와트당 10g 미만의 프로판

성공:
최고의 구성 요소군은 12.8킬로와트의 최대 가열 출력을 위해 124그램의 프로판만 필요했다. 이는 새로운 효율 기록이며 킬로와트당 10그램 미만의 냉매 요구 사항에 해당한다. Fraunhofer ISE의 ​​프로젝트 관리자인 클레멘스 당크베르트(Clemens Dankwerth)는 "5개의 라이터에 들어 있는 프로판의 양과 거의 같다"고 설명했다. 비교를 하자면 상업적으로 이용 가능한 열 펌프에는 킬로와트당 약 60g의 프로판이 필요하다.

기록적인 냉동 회로는 여기에 사용되는 압축기가 연속 작동을 위해 설계되지 않았기 때문에 아직 시장 출시 준비가 되지 않았다. "하지만 제조업체는 이미 수명이 더 긴 완전 밀폐형 압축기를 연구하고 있다"고 Dankwerth는 말했다. 과학자들은 또한 냉매의 양을 줄이기 위해 추가 조정 작업을 하고 있다. 열교환기의 내부 부피와 필요한 오일의 양이 감소했으며 센서와 같은 추가 구성 요소도 기본 요소로 축소되었다. 내부 용적을 줄이기 위해 배관은 가능한 한 짧게 유지되었다.

기록을 세운 냉각 회로의 최종 버전은 더 균형 잡힌 시스템을 달성하기 위해 약간 더 많은 냉매와 약간 더 큰 열교환기로 구현된다. 연구팀은 8~10킬로와트의 출력과 최대 150g의 냉매 충전량을 갖는 냉각 회로라는 프로젝트의 목표가 실제 작동 조건에서도 달성될 수 있다고 확신하고 있다.
출처: Fraunhofer 태양 에너지 시스템 연구소 ISE

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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