◎ 칠러용 냉매 선정과 전망

◎ 칠러용 냉매 선정과 전망

1989년 말까지는 냉매를 선택하는 일이 매우 단순하거나 적어도 지금보다는 더 단순했다고 할 수 있다. 원심식(터보) 칠러의 냉매는 R-11, R-12, R-500 중 하나였으며 낮은 용량을 내거나 열회수를 위해 높은 응축온도에서 작동하는 특별한 경우에는 R-113 또는 R-114를 각각 선택했다. 대부분의 엔지니어들은 어떤 냉매를 원한다고 표기하지 않고 대개 입찰 서류에 있는 대체냉매 혹은 대체 기술 등을 따랐으며 다만 용량, 작동 조건, 필요한 배관, 동력 그리고 제어 특징들을 명문화하여 요구했을 뿐이다.

◇ 이전의 선택 옵션들

R-11은 주로 저압 칠러의 고효율성과 원가 면에서의 우수성으로 인하여 선두 자리를 지켰으며 그 결과 원심식 냉동기의 삼분의 이는 이 냉매를 채택했다. 선진국의 경우 1994년에 이미 R-11의 생산이 끝났음에도 불구하고 현재 다른 모든 원심식 냉동기를 합한 것보다 더 많은 R-11용 원심식 칠러가 사용되고 있는데 이러한 모순은 이미 설치된 많은 냉동기의 교체율과 전환율이 매우 낮기 때문에 발생하는 것이다.

그 다음으로 많은 것은 R-12로서 이 냉매를 사용하는 경우에는 경쟁적인 원심식 칠러의 범위를 낮은 용량까지 확장시킬 수 있으며 높은 효율이 요구되지 않을 때에는 비용 면에서 유리하다. R-500을 원심식 칠러에 도입한 이유는 같은 설계에 대해 50Hz 모터 속도로 60Hz에서 R-12가 내던 용량과 같은 용량을 얻기 위함이었으며 이것은 나중에 60Hz 장치에서 용량 범위를 확장시키기 위해서도 사용되었다. 참고로 50Hz는 유럽과 일본의 일부지역 그리고 그 외의 아시아 지역에서 표준인 반면 60Hz는 북미의 대부분과 일본의 나머지 지역에서 표준이다.

스크롤, 피스톤 또는 스크류 압축기는 고압의 HCFC인 R-22를 사용하는데 이 다용도 냉매는 또한 원심식 압축기를 사용하는 가장 큰 칠러들 - 용량이 5MW(1400톤)을 넘는 것들 - 에서도 지배적으로 쓰이고 있다. 비교적 적은 수의 칠러 시스템은 - 전체의 10%가 채 안 됨 - R-717(암모니아)을 쓰거나 또는 흡수식 칠러인데 흡수식 칠러의 경우 대부분은 냉매와 흡수제로서 물과 리튬브로마이드를 각각 사용하고 있다.

◇ 현재의 선택 옵션들

오늘날 원심식 냉동기에 사용되는 냉매는 R-22, R-123, R134a 중의 하나이다. 이 중에서 R-22는 크기가 작고 매우 큰 용량을 내는 곳에 사용된다. R-123과 R-134a의 사용비율은 R-11과 R-12의 비율과 비슷하며 따라서 새롭게 설치되는 기계의 3분의 2가 저압 HCFC인 R-123을 사용한다. 나머지 것들의 대부분은 중간 압력의 HFC인 R-134a를 사용한다. R-134a는 다른 용도의 기기에서 눈에 띄게 더 많이 채택되고 있으며 또한 R-22를 대체할 것으로 보여 전체적으로 가장 널리 사용되는 냉매가 될 것으로 예측된다.
한편 군함 특히 잠수함에 사용되는 구형 R-114용 칠러의 대체를 위해서는 중압의 HFC인 R-236fa를 사용한다. 그러나 지상에 설치되는 새 칠러를 만들기 위해 이 냉매를 파는 업체는 하나도 없다.

R-22는 스크롤, 피스톤 또는 스크류 압축기를 사용하는 작은 칠러에서 여전히 가장 많은 비중을 차지하고 있지만 상황은 바뀌어 가고 있다. R-407C와 R-410A(HFC의 혼합물) 뿐만 아니라 R-134를 사용하는 시스템이 R-22 대체 시스템으로 도입되고 있기 때문이다. 특히 유럽의 몇몇 소형 칠러들은 R-404A를 사용하는데 이것도 HFC 혼합물이다. R-407C의 압력-온도 특성이 R-22의 특성과 비슷함에도 불구하고 이것을 제대로 사용하기 위해서는 혼합물의 성분이 빠져나감으로 인해 발생하는 조성변화를 피하기 위해 시스템의 변형이 필요하다(예를 들면 만액식 증발기를 제거하는 것 등). R-407C를 사용하는 일부 새로운 시스템은 효율 증대를 위해 온도구배를 이용하는 로렌츠 사이클을 적용한다.

R-717(암모니아)을 사용하고 있는 칠러의 수가 증가하고 있기는 하지만 여전히 적은 규모이며 이보다 훨씬 더 적은 수의 칠러가 R-290(프로판), R-600(n-부탄), R-600a(이소부탄), R-1270(프로필렌) 또는 이런 탄화수소들의 혼합물을 사용한다. 이런 경향은 다른 곳보다도 유럽에서 좀더 보편적이다.

물/리튬브로마이드를 사용하는 흡수식 칠러는 북미에서 선적되는 전체 칠러의 2%가 채 못된다. 이 수치는 다른 모든 공조기와 경쟁하는 소형 암모니아/물 칠러를 제외한 것이지만 이 칠러의 시장점유율은 0.2% 이하이다. 일본에서는 원심식 칠러에 대한 관심을 증대시키려는 조짐이 보이기는 하지만 원심식 칠러보다는 흡수식 칠러가 훨씬 더 보편적이다. 이러한 지역적인 선호현상은 주로 에너지 자원과 원가 그리고 제조 규약의 차이 때문에 발생하는 것이다.

◇ 무엇이 변했는가?

시스템을 설계하는 엔지니어나 빌딩 소유자가 아닌 장비 제조업자들이 냉매에 대해 역사적인 선택을 했다. 빌딩 소유자와 엔지니어는 다른 내부적인 부품에는 큰 관심을 두었으나 냉매의 선택에는 거의 관심을 두지 않았다. 이들 대부분은 칠러를 선택할 때 원가, 성능, 지역 제조업자의 설명과 서비스 옵션, 더 나은 작동조건 그리고 신뢰성 등을 가장 크게 고려했다. 또한 그들은 가능한 한 특정 냉매 또는 장비를 사용하기 위해 시스템 작동자가 상주해야만 하는 어려움이나 특별 허가를 필요로 하는 지역적 요구 조건 등의 까다로움을 피하기 위해 일부 냉매를 배제했다.

그러나 1987년 성층권의 오존층을 보호하기 위한 역사적 조약인 몬트리얼 의정서1를 국제 사회가 합의하게 됨에 따라 이 규칙이 바뀌었다. 특히 1990년과 1992년에 이루어진 수정안2과 그 이후 기후변화3에 관한 교토의정서와 함께 이 규칙은 또 다시 바뀌었다. 또한 이 두 개의 환경협약은 사실상 과학의 발달과 정치적 영향에 의해 앞으로 분명히 개정될 것이며 이러한 변화는 훨씬 더 강력한 제재 조치를 이끌어내게 될 것이다.

◇ 환경적인 관심사

현재 온 세계가 신경을 쓰고 있는 두 개의 큰 관심사는 성층권 오존 파괴와 기후 변화인데 이것들의 특징은 전세계적이라는 점이다.

- 성층권 오존 파괴

산소의 한 형태인 오존은 태양으로부터 들어오는 UV-B를 흡수하는데 이것이 흡수되지 않으면 인간과 동식물에 해를 끼치게 된다. 1974년 몰리나(M. J. Molina)와 로우랜드(F. S. Rowland)는 오존의 자연적 형성 및 파괴 과정의 균형을 깨뜨리는 염소의 근원이 다름 아닌 CFC라고 발표했다. 이 발표와 그에 따른 조사 결과 인위적인 합성물로부터 나온 염소와 브롬에 의해 성층권의 오존층이 얇아지는 것으로 나타났고 그로 인해 전 세계인의 우려를 불러 일으켰다. 이러한 연구들은 인위적인 화학물질의 사용이 현재의 수준으로 증가한다고 볼 때 좀 더 심각한 오존 파괴가 일어날 가능성이 있음을 잘 보여 주었다.

국제 사회가 합의한 몬트리얼 의정서는 오존층 보호를 위해 규제해야 할 물질을 계획대로 단계적으로 감소시킬 것을 요구한다. 이런 규제 물질에는 냉매, 세정제, 폼블로잉에이전트(foam blowing agents), 에어로졸 추진제, 소화제 그리고 다른 용도로 사용되는 화학물질 중 염소와 브롬을 함유한 것이 포함된다.

- 기후변화

지구 온난화에 관한 전망은 오존층 붕괴보다 더 오랜 역사를 가지고 있다. 1827년 수학자 프리어(J-B. Fourier)는 대기와 땅의 온도를 조절하는 데 있어서 대기중의 가스가 하는 역할을 규명한 바 있다. 1896년 아레니우스(S. Arrhenius)가 발표한 논문은 화석연료 사용이 증가함에 따라 이산화탄소의 배출이 자연스럽게 온실효과를 증가시킬 것이라고 경고했다.

기후변화는 관련 인자들 및 자연적 상쇄 과정을 알기 어렵고 또한 이 두 가지 모두에 대한 민감성이 불확실하기 때문에 오존파괴보다 훨씬 더 복잡하다. 그럼에도 불구하고 대다수의 과학자들은 지구온난화가 발생하고 있으며 그 결과는 더 참담할 것이라는데 의견을 함께하고 있다.

오존 파괴와는 달리 기후변화로 인해 일부지역은 혜택을 보게 될 것이다. 그러나 불행하게도 지구온난화는 질병의 확산을 강화시키고 해수면 근처에 사는 많은 사람들은 해수면의 상승으로 인해 물에 잠길 위험에 처하게 된다. 또한 급격한 기후 변화는 대부분의 농작물과 다른 식물들에게 해를 끼칠 것이다.

미국국립해양대기행정부(NOAA)의 말맨(J. D. Mahlman)과 같은 핵심 과학자들은 우리가 이미 2100년경의 대기중 이산화탄소 농도를 두 배까지 - 어쩌면 네 배까지 - 증가시키기로 작정했다고 주장하고 있는데, 바로 이 이산화탄소야말로 우리의 주요 관심사인 온실효과를 일으키는 주범이다.

오존 문제에 관해 핵심분야에서 일해 온 NOAA의 또 다른 과학자 앨브리튼(D. L. Albritton)은 독특한 견해를 제시한다. 그는 역사가들이 성층권 오존 파괴에 대한 인류의 반응을 기후변화라는 좀더 어려운 문제에 대비하기 위한 필수적인 관문으로 보고 있다고 제안한다.

환경문제에 관한 논쟁은 기후변화 자체를 부인하거나 또는 고의로 그것을 만들어내려는 것에서부터 종말을 맞이하게 될 것이라는 경고에까지 다양하다. 그런데 가장 최근에 이루어진 평가에서 기후변화에 관한 정부간 패널(IPCC)은 기후변화가 시작되었다고 인식할 만한 증거가 있다고 결론지었다.

현재 HFC가 온실효과를 일으키는 전체 가스방출에서 차지하는 비중은 적다. GWP 차이를 나타내는 등가 이산화탄소로 표현하면 2%가 채 못되는 양이다. 이 중 냉매로 인한 부분은 훨씬 더 적다. 그럼에도 불구하고 전 세계적인 관점에서 볼 때 총체적인 HFC의 영향은 교토 의정서에 언급된 다른 가스들보다도 좀 더 급속하게 증가하고 있다.

- 다른 사항들

오존층 파괴와 기후변화에서 얻은 한 가지 교훈은 환경 문제를 인식하거나 증명하기도 전에 화학 물질의 방출이 계속해서 늘어간다는 점이다.
지속적인 화학오염물질(Persistent Chemical Pollutants, PCP)의 축적과 그것이 생태계에 미치는 영향에 대한 우려가 증가하고 있으며 그 문제 중의 한 가지 측면은 식수 공급이 제한될 수도 있다는 매우 위협적인 사실이다.

또 다른 우려는 농사에 사용되는 강한 비료와 연료의 연소과정 그리고 널리 경작되는 콩 류로 인해 대기 중에 질소 농도가 많이 증가하고 있다는 점이다. 이를 해결하기 위한 방법 중 하나는 칠러 작동을 포함하는 모든 에너지 사용에 대해 효율 증대를 요구하는 것이다.

증기압축식 냉동시스템을 구동하기 위해서는 화석연료를 사용해야 하는데 이로 인한 공기 오염과 자원 이용은 앞으로도 계속해서 우려 사항이 될 것으로 보인다. 이런 우려 사항들은 현재 60억을 넘은 세계 인구의 계속적인 증가 및 경제적 개발 그리고 산업개발과 함께 계속해서 증가할 것이다.

우리는 미래의 문제를 정확하게 예측할 수는 없지만 몇몇 문제가 분명히 일어날 것이라고는 예견해야 한다. 우리는 화학물질 그 자체 또는 그 물질의 분해물이 시간에 따라 축적된다는 사실을 알고 있기 때문에 자연계를 교란시키는 일을 피하고 또 대기 중에서 오랜 수명을 지니고 있는 화학물질의 방출을 피하기 위해 신중한 조치를 취해야 한다.

◇ 냉 매

냉매가 위에서 언급된 환경적 우려 사항의 일부가 되고 있기는 하지만 냉매 자체가 환경에 미치는 영향은 그리 크지 않다. 냉매 사용과 다른 화학물질 사용과는 한 가지 다른 점이 있는데 그것은 냉각 기능을 수행하면서 냉매를 방출해서는 안 된다는 것이다. 사실 이 같은 냉매 방출을 피해야 시스템의 성능을 향상시키고 원가를 절감할 수 있다. 문제는 시스템 안의 냉매가 아니라 시스템에서 누출되는 냉매인 것이다.

냉매는 본질적으로 사회 전체에게 이득을 제공한다. 냉매로 인해 기후가 맞지 않는 지역에서 사람들이 살 수 있기도 하고 음식 저장과 수송을 할 수 있으며 의약품과 조제품의 생산과 저장, 그리고 질병의 확산 등을 막을 수 있다. 또한 냉동을 통해 많은 중요한 생산 과정이 가능하게 되고 노동 생산성이 증가되며 안락함을 제공받을 수 있다.

냉매는 냉동시스템에서 가장 중요한 요소 중 하나이다. 냉동기에서는 냉매를 증발시키기 위해 열을 제거함으로써 냉각을 얻을 수 있다. 이 때 냉매를 공기나 다른 냉각되는 물질과 분리하기 위해서는 증발기와 같은 열교환기가 필요하다. 냉매 회로의 남아 있는 부분은 단순히 냉매의 순환을 돕는 역할을 한다. 증기압축식 사이클에서 압축기 또는 흡수식 사이클에서 업소버/디소버 회로와 용액펌프는 냉매의 압력을 증가시켜 더 높은 온도에서 열이 방출되게 하며 응축기는 냉매를 재액체화시켜 다시 증발되게 하는 역할을 하고 팽창밸브나 오리피스와 같은 교축장치는 유량을 조절하여 회로의 고압측과 저압측을 분리한다.

냉동 시스템에서 그 외의 모든 것은 부하가 변할 때 작동조건과 열방출 조건을 조절하고 증발기에서의 열수송과 응축기에서의 열량을 열방출 장치로 이동시키며 또한 시스템을 구동하기 위한 에너지 공급과 시스템의 안전성, 내구성, 신뢰성을 향상시키는 기능을 한다. 일반적으로 거의 모든 유체가 상변화를 통해 냉매로 사용될 수 있으나 실질적으로 유체마다 안정성, 안전성, 성능, 호환성 등에서 차이가 있으므로 냉매의 선택에 신중을 기해야 한다.

- 냉매의 역사

냉매를 사용하기 시작한 이후의 첫 1세기 동안은 거의 원형에 가까운 기계에 혁신적으로 낯익은 유체 - 어떤 것이든 냉각 작용을 하기만 하면 가리지 않고 - 를 적용시키려는 노력이 대부분이었다. 그 당시의 목표는 단지 냉동을 제공하는 것이며 내구성은 그 다음 문제였다. 초기 냉매의 거의 대부분은 가연성, 독성 또는 두 성질을 모두 지니고 있었으며 일부는 매우 민감한 반응을 보이기도 했다. 따라서 사고도 빈번했고 한 때는 냄새가 없고 독성이 없는 프로판이 냉매로 시장에 나오기도 했다.

1928년부터 나오기 시작한 제2세대 냉매는 더 안전한 냉매를 찾으려는 노력의 결과이며 가정용 냉장고에 많이 사용되게 되었다. 밎즐리(T. Midgley, Jr.)와 그의 동료인 헨(A. L. Henne) 그리고 맥나리(R. R. McNary)는 안정적이고 독성이나 가연성이 없으며 시스템에 맞는 비등점을 가진 것으로 판단되는 물질을 찾기 위해 물성치 표들을 검색했다. 그 결과 그들은 이전에 사용되지 않았던 유기 불화물에 관심을 갖게 되었다. 그러나 그들은 데이터 부족으로 인해 다른 접근방법을 시도할 수밖에 없었다. 밎즐리는 화학물질 주기표를 이용하여 먼저 휘발성이 부족한 것을 제거했다. 그 후에 낮은 비등점에 근거하여 불활성기체뿐만 아니라 불안정하고 독성이 있는 성분을 제거했다. 그 결과 그는 8 가지 성분만을 갖게 되었다: 탄소, 질소, 산소, 황, 수소, 불소, 염소, 브롬. 이 원소들은 주기표에서 불소를 거의 가운데 두고 가로와 세로를 교차시킨 부근에 모여 있었다. 더 새로운 데이터와 기술을 갖고 있는 다른 사람들이 계속해서 검색작업을 한 결과 거의 동일하게 밎즐리가 선택한 성분들이 적합한 것이었다는 결론을 얻게 되었다. 흥미롭게도 1928년 이전에 사용된 냉매는 모두 다 그 8 가지 성분 중 불소를 뺀 7 개로 이루어져 있다. 참고문헌 4-7은 냉매의 역사에 대해 상세히 기술하고 있다.

- 이상적인 냉매

이상적인 냉매는 우리가 원하는 열역학적 특성을 가지고 있을 뿐만 아니라 독성과 가연성이 없어야 하고 시스템 안에서 완벽하게 안정적이어야 하며 심지어는 분해된 산물까지도 환경친화적이어야 한다. 그리고 그 양이 충분해야 하고 제조하기 쉬워야하며 스스로 윤활이 가능하고 냉동기 제작 시에 사용한 다른 재료들 및 서비스 냉동시스템과 호환되어야 한다. 또한 물질 자체를 다루기 쉬워야 하며 발견하기도 쉬워야 하고 압력이 지나치게 높거나 낮지 않아야 한다.

이 외에도 또 다른 기준이 더 있지만 현재까지 발견된 냉매 중 어떤 냉매도 위의 조건 모두를 만족시키는 이상적인 물질이 되지 못한다. 화학적, 열물리적 분석에 따르면 바람직한 분자 구성과 물성치가 서로 충돌을 빚고 있으며 이것은 실질적으로 이상적인 냉매가 존재하는 가능성 혹은 합성될 수 있다는 가능성이 없음을 보여 준다.

할로겐 원소를 함유한 유기화합물 특히 탄소뿐만 아니라 염소, 불소, 수소를 포함하는 물질의 경우 수소를 증가시키면 대기중 수명은 감소하지만 가연성이 증가하고, 불소를 증가시키면 혼화성이 감소하여 '완전히 불소화된 냉매'는 일반적으로 오일 회수를 위해 인공 윤활유를 필요로 한다. 반면에 염소를 증가시키면 일반적으로 독성이 증가하는데 독성에는 사람을 마취시키는 것, 생식기와 호흡기에 영향을 미치는 것뿐만 아니라 치명적인 것, 암을 일으키는 것, 돌연변이를 일으키는 것 등 여러 형태가 있다. 그 중 어떤 것은 자연적인 것이고 어떤 것은 화학적인 것이다. 염소의 양은 여러 가지 결정적 변수 중의 단 하나에 지나지 않는다.

불소나 염소의 양을 증가시키면 냉매의 대기 중 안정성이 증가된다. 냉매에서 염소 성분을 증가시키면 일반적으로 ODP가 증가된다. 브롬이나 염소를 전혀 포함하고 있지 않은 화합물은 ODP가 거의 0에 가깝다. 이와 마찬가지로 불소의 양을 증가시키면 GWP가 증가한다. 수소로 대체하면 대기 중 수명이 단축되는 경향이 있는데 이처럼 대기 중 수명이 매우 짧은 화합물의 대부분은 방출되었을 경우 성층권에 다다르기 전에 분해되어 ODP가 낮게 되며 또한 대기 중에서의 지속성이 비교적 짧기 때문에 GWP도 낮게 된다.

- 냉매선택기준

이상적인 냉매란 없으며 앞으로 발견될 것 같지도 않다는 것을 인식하게 되면서 사용자들은 현재 이용 가능한 냉매들 중에서 냉매를 선택할 수밖에 없게 되었다. 그런 선택이 미래에도 받아들여질지 확실하지 않기 때문에 이런 냉매들 중에서 적당한 것을 선택하는 일은 참으로 힘든 일이다. 게다가 현명한 선택을 하기 위해서는 여러 가지 요소를 검토해야만 하는데 이 일은 환경과 안전 문제에서부터 성능과 호환성문제에 이르기까지 그 범위가 다양하다.

냉매를 제품으로 만드는 장비 제조업자들은 그들 자신의 선택이 논리적으로 유일한 선택이라고 말한다. 화학물질 제조업자들과 독립적인 서비스 회사들도 시장 개발 및 확장에 열중하고 있지만 냉매 선택 문제로는 크게 염려하지 않는다. 그다지 놀랄 일은 아니지만 논쟁, 오도 그리고 때때로 부정확한 정보가 지금까지 냉매 시장을 뒤덮었으며 그 결과 두려움, 불확실성, 의심의 분위기를 만들었다. 사람들이 관심을 갖고 지겨 보는 의심 인자들은 다음과 같다: 1) 환경 보호를 위한 규제에 근거한 향후 유용성; 2) 효율; 3) 독성; 4) 가연성; 5) 원가 상승.

○ 냉매선정기준 : 향후 유용성

칠러용 냉매인 R-22와 R-123은 몬트리얼 의정서 및 각 국가의 의정서 이행 규약에 따라 단계적으로 폐기시켜야 한다. 이 의정서는 선진국의 경우 2030년까지 개도국의 경우 2040년까지 이 냉매들의 생산을 중지할 것을 요구하고 있으며 또한 모든 HCFC의 ODP 가중치 합계로서 HCFC 감소치를 규정하고 있다. 의정서 참가국들의 국내 규정을 살펴보면 이 같은 의정서 내용을 똑같이 적용하거나 혹은 새로운 장비에서의 사용, 제조와 수입 그리고 극단적인 경우 모든 HCFC 사용에 대하여 의정서가 요구하는 것보다 전폐 일정을 앞당기고 있음을 알 수 있다. 이러한 전폐 일정은 일반적으로 R-22에 대해 더 빠른데 그 이유는 R-22의 ODP가 상대적으로 높기 때문이다.

지금까지 HCFC에 대한 주요 관심사는 단열재 폼블로잉 용도로 사용되어 온 R-141b와 R142b의 누출이었다. 이 응용 분야에서는 본질적으로 대기에 방출이 될 수밖에 없는데 이들의 ODP는 각각 0.086과 0.043으로서 다른 HCFC에 비해 높은 편이다. 이와는 대조적으로 칠러에 사용되는 냉매는 누출량이 매우 적으며 R-22와 R-123의 ODP도 각각 0.034와 0.012로서 매우 낮은 편이다.

정밀한 분석에 따르면 냉매로 사용되는 R-123이 오존 파괴에 미치는 영향은 냉매로 인한 최고치의 0.001%도 안 되어 사실 무시할 만한 수준이다. 지난 몇 년간의 연구를 살펴보면 R-123의 환경적 측면에서의 장점이 오존에 미치는 영향을 훨씬 능가하므로 R-123 전폐를 다시 고려해야 한다고 한다는 주장이 많이 제기되고 있다.9-13

R-123 전폐를 연기시키는 것은 과학적 측면에서 정당성이 크지만 정치적 측면은 참으로 예측하기 어렵다. 사실 전폐를 재고려하지 않고도 R-123은 향후 30년 동안 생산이 허가되어 있다(개도국에서는 40년). 현재 구동되고 있거나 앞으로 생산될 R-123용 칠러를 서비스하는 데 필요한 냉매는 2030년까지의 30년뿐만 아니라 그 이후에도 계속해서 적어도 몇 십 년 동안은 있어야 한다. 선진국에서는 1994년에 혹은 그보다 더 일찍 R-11 생산을 중단했지만 지금도 R-11 칠러를 서비스하는 데 필요한 재고가 충분히 있음에 주목해야 한다. 몬트리얼 의정서가 허용하는바 장치의 폐기와 교체로 인한 냉매의 재생 등으로 인해 이런 냉매들은 적절한 가격으로 적절한 양 이상이 제공될 것이다. 단지 중요한 것은 서비스를 하는 데 필요한 양을 줄이기 위해 적절하게 시스템 누출을 방지하면서 시스템을 유지시키는 것이다.

HFC는 ODP가 0이기 때문에 몬트리얼 의정서에 따라 제약을 받지 않는다. HFC 방출은 교토의정서 하에서 규제를 받지만 이 조약은 아직 시행되지 않고 있으며 개도국들에 의한 조치들을 다루기 위해 수정되지 않는다면 제대로 시행되지 않을지도 모른다.

교토 의정서는 현재 6개의 특정 가스나 HFC를 포함하는 그룹에 대해 GWP에 가중치를 둔 바구니 개념에 근거하여 방출 감소목표를 규정하고 있다. 사실 HFC는 전체 가스 중에서 차지하는 부분은 작지만 그 사용량이 가장 빠르게 증가하고 있는 물질이다. 앞으로 HFC에 대해 특정한 생산 한계가 정해질 것인지는 알 수 없다. 몇몇 국가에서는 - 특히 유럽에서는 - 일방적으로 일부 HFC 사용에 대해 제약을 두거나 심지어는 금지하는 방향으로 움직이고 있다. 장비제조업자들은 R-236fa의 GWP가 9,400으로 R-123의 120, R-134a의 1,600과는 대조적으로 매우 높다는 점을 고려하여 새로운 칠러 장비에 이 냉매를 사용하는 것을 피해 왔다.

이 시점에서 몇 가지 주요 단일 성분 냉매의 ODP와 GWP에 대하여 몇몇 사항을 언급할 필요가 있다.

첫째 CFC는 오존층 파괴와 온실 효과 모두에 영향을 미치므로 당연히 규제해야 한다.

둘째 순수냉매 중 R-123과 HFC-152a만이 거의 0에 가까운 ODP와 GWP를 나타내고 있다. 그러나 R-152a는 가연성이 있는 물질이므로 냉동 목적을 위한 혼합냉매의 한 성분으로 특히 서비스 냉매인 R-401 계열과 R-500의 한 성분으로 사용되어야 한다.

셋째 오존층 파괴에 대한 조치를 취하기에 앞서 지구온난화 문제를 다룰 조치를 취하지 않으면 전혀 생각하지 않았던 양상이 나타날 수도 있다.

R-123 사용을 지지하는 강력한 이론적 근거로 인한 전폐 연기 가능성과 일부 국가들이 이미 HFC에 대한 강력한 통제 방안을 찾고 있음을 인지하면서 냉동공조산업은 과학적 결정을 내리기 위해 분명한 입장을 정리할 필요가 있다. 이런 결정에는 좋은 영향과 좋지 못한 영향을 다 고려하여 모든 환경적 문제를 종합적으로 평가하는 작업이 포함된다.

○ 냉매선정기준 : 효율

거의 모든 휘발성 물질이 냉매로 사용될 수 있다. 뿐만 아니라 다른 유체들도 각각의 유체특성에 따른 사이클의 변형으로 이론적으로는 동일한 성능계수(COP)를 제공할 수 있다.4,14-16 그러나 단순사이클4에서 얻을 수 있는 성능은 각각의 유체에 따라 다르며 그 차이는 실제 장치에서 심지어 더 크게 나타난다.4,9,10

새로운 원심식 칠러에 사용된 냉매들 중에서 R-123은 다른 대체냉매에 비해 이론적인 효율면에서 3-5%의 향상을 보인다. 1996년 11월에 실시한 냉동공조협회(ARI)의 조사에 따르면 R-123은 그 때까지 이용 가능한 가장 좋은 장비17에 대해 9-20% 효율 향상을 보였다. 그 때 이후로 다른 냉매보다 R-123에 대하여 성능 증대가 더 크게 이루어졌기 때문에 다른 냉매와의 차이는 더욱 증가되어 왔다.

그러나 이 사실이 R-123 칠러가 다른 냉매보다 항상 우수하다는 것을 의미하는 것은 아니다. 왜냐하면 이용 가능한 효율 범위가 중첩되기 때문이다. 즉 이 사실은 최고의 효율을 요구할 때만 R-123 칠러가 다른 칠러에 비해 분명히 이점을 가지고 있음을 의미한다.

이러한 성능 향상은 냉매누출효과와 시스템이 사용하는 에너지를 결합하여 등가 이산화탄소 방출량으로 표현한 전체등가온난화지수(TEWI)와 수명주기온난화지수(LCWI) 측면에서 중요한 차이를 가져온다.

○ 냉매선정기준 : 독성

R-22, R-123, R-134a 그리고 가장 보편적인 냉매들은 피부 독성과 흡입 독성이 낮거나 매우 낮다. 이것들 중 어떤 것도 발암물질이 아니며 독극물로 재생되거나 발전하지도 않고 호흡기에 장애를 일으키지도 않는다. 단 R-717(암모니아)은 예외인데 암모니아는 피부와 눈에 해롭고 또한 호흡기에도 나쁜 영향을 끼친다. 그러나 냄새가 강하므로 누출을 쉽게 감지할 수 있는 장점이 있다. 위에 언급된 냉매 중 R-717(암모니아)과 R-718(물)을 제외한 냉매들은 심장병 증감제(增感劑)이며 또한 질식제로도 작용할 수 있다.
위에 언급된 모든 냉매는 기술자들과 또 그것을 다루거나 그 근처에 있는 다른 사람들 즉 일반적으로 오랜 기간 반복적으로 노출된 만성 노출자에게 상당히 낮은 수준의 직업병 발병 위험성을 제공한다. R-123은 허용 가능한 노출한계(PEL)와 미국냉동공조학회(ASHRAE)의 냉매 규정 표준 3418에 따른 안전도 분류에서 나타난 것 같이 R-22와 R-134a보다 더 독성이 강하다. 그런데 R-717(암모니아)은 독성이 더 강하다. 그러나 그것들 중 어떤 것도 미국 연방 법규 또는 대부분의 지역 건축 규범 하에서 "매우 독성이 강한 물질" 또는 심지어 "독성이 있는 물질"로 간주되지 않는다.¹⁹

이러한 냉매들은 적절한 장비와 시스템 설계 그리고 권장하는 서비스 방법에 충실하기만 하면 다 안전하게 사용될 수 있다. 미국냉동공조학회의 냉동 표준 1520와 빌딩, 소방 그리고 기계 규범 등은 최소한의 안전 요구조건이 무엇인지 보여 준다.

독성 지수 자체가 상대적인 위험도를 나타내지는 않으므로 대부분의 이런 지수들과 노출한계는 무차원 형태의 농도 즉 ppmv/v(parts per million by volume) 또는 무차원 등가수(단위 체적당 질량) 등으로 표현된다. 휘발성의 차이 때문에 같은 양의 저압 및 고압 냉매가 분해되거나 누출되면 실내 온도에서 서로 다른 공기 중 농도를 띄게 된다. 비등점이 27.8 ℃인 R-123의 대부분은 바닥에서 액체로 응축되고 그 결과 공기 중 농도는 낮을 것이다. 한편 R-22나 R-134a는 초기 농도가 매우 높지만 좀 더 빨리 확산된다. 누설시 냉매는 압력에 의해 빠져나가므로 같은 크기의 구멍으로 빠져나가는 냉매의 양은 저압냉매보다 고압냉매가 더 많을 것이다.

전체적으로 볼 때 R-123은 기존의 R-11보다 더 많은 조치들을 사용하므로 더 안전하거나 훨씬 더 안전하다. 그리고 R-134a는 상업화된 냉매 중 가장 독성이 없는 냉매이다. 이런 냉매 모두 부적절하게 사용될 때는 위험성을 갖게 되지만 냉매 시스템을 중심으로 일할 때에 가장 위험한 부분은 작업장으로 오가는 것이다. 냉매에 노출되어 사망할 가능성은 고의적으로 악용하는 경우를 배제하면 번개에 의해 죽을 확률보다 20배 이상 더 적다. 이 같은 수치는 냉매누출 탐지기의 사용, 개선된 안전성 표준과 규범에 순응하는 것 등을 고려하면 더 향상될 것이다.

오도되고 있는 논쟁에 관하여 말하자면 지금까지 안전하게 사용해 온 R-22는 독성 실험을 하는 동안 쥐에게 악성종양을 유발시켰다. R-123과 R-134a의 경우 - 특히 후자는 단지 매우 높은 농도에서만 - 쥐를 만성적으로 이런 냉매에 노출시킨 결과 수명이 다하는 시점에서 양성 종양의 발생을 증가시켰다. 그러나 더 많은 기계적 테스트와 또 다른 테스트에 근거하여 독성 평가를 반복 수행한 결과 이러한 결과는 독성의 자료로 적절하지 않으며 사람에게 특별한 위험을 주지는 않는다는 결론이 나왔다. R-134a와 R-227fa의 인체 실험시 그 자원자가 주장한 내용은 그 실험에서 실제로 일어난 사실을 크게 왜곡한 것이다. 그 이후의 연구에서는 그런 반응이 실험을 수행하는 방법에 의해 나타나는 것이며 화학적인 작용에 의해 나타나는 것은 아니라는 것을 밝혀냈다. 또한 우발적인 노출뿐만 아니라 높은 농도에서 동물과 인간에 대한 여러 번의 실험을 통해 이 같은 발견들을 확증하게 되었다. 참고문헌 19, 21 그리고 22는 냉매의 독성에 관해 더 많은 정보를 제공한다.

○ 냉매선정기준 : 가연성

일반적으로 냉매의 안전성을 분류하기 위해 사용되는 실험에 따르면 암모니아와 하이드로카본을 제외하고는 위에서 언급된 칠러용 냉매 중 어떤 것도 가연성을 갖고 있지 않다. 암모니아의 가연성은 온건한 수준으로 쉽게 점화를 일으키지 않으며 R-123과 R-236fa는 소화제로서 상업화되어 사용되고 있다. 위에서 언급된 냉매 중 물을 제외한 다른 냉매의 경우 고압 냉매 속에 들어 있는 압축기 윤활유의 에어로졸을 포함한 고장으로 인해 발생하는 불에 대해 더 큰 주의를 기울여야 한다. 이것은 냉매가 가연성을 띄거나 소화 능력이 적은 경우에 특히 유의해야 할 사항이다.

○ 냉매 선정 기준 : 미래의 원가

향후 냉매원가에 대해 간단히 대답하자면 원가가 높을 필요가 없다는 것이다. 전체 시스템 원가 또는 장비 원가 중 냉매가 차지하는 부분은 작다. 서비스 냉매의 원가를 절감시킬 수 있는 효과적인 방법은 보충으로 인한 추가 수요를 최소화하는 것이다. 중요한 것은 새로운 장비에서 일어나는 누출에 대한 현장 테스트, 예방을 위한 보수와 서비스 실습, 기술자 교육, 그리고 누출 지시기에 대한 즉각적인 반응에 대해 제조업자들이 권장하는 사항을 충실히 지키는 것이다. 이런 사항들에는 냉매를 추가할 필요성, 누출 탐지기의 사용 그리고 공기 퍼지를 위한 작동 시간을 증가시키는 것 등이 포함된다.

◇ 칠러 전쟁

'칠러 전쟁'이라는 말은 냉매와 장비선택에 근거하여 1990년대에 일어난 판매 캠페인 또는 의심 캠페인을 의미한다. 칠러의 모든 응용 사례는 반드시 독특한 인자들에 대한 평가를 포함해야 하지만 대부분의 경우 몇 가지 일반화된 것들이 적용될 수 있다. 아래의 것들은 시장판매에서 나타나는 의구점들에 대한 반응이다.

낮은 압력의 냉매를 사용하면 보통 원가가 낮으며 특히 고효율 칠러의 경우는 더욱 더 그렇다. 이런 시스템은 새어 들어가는 공기를 제거하기 위해 퍼지 장치를 필요로 하지만 대기압 이하에서 작동하므로 냉매의 손실이 줄어든다.(즉 냉매가 누출되기보다는 공기가 침투해 들어간다). 퍼지 환기 즉 제거된 공기의 방출시 냉매도 방출된다는 주장은 주로 과거의 일이다. 지금은 응축 퍼지 장치나 특히 목탄이나 다른 종류의 회수장치를 통과시켜 퍼지를 하므로 냉매의 손실은 거의 없다고 보아야 한다.
고압 칠러는 대개 콤팩트하게 설계되므로 공간이 적거나 접근이 쉽지 않은 경우의 칠러 대체를 촉진시킬 수 있으며 또한 낮은 효율로 설계할 때는 일반적으로 장비 비용 - 작동 비용이 아님 - 이 적게 든다.

현재 R-22, R-123 그리고 R-134a는 다 칠러용 냉매로 선택이 가능하다. R-22 칠러는 대체되어야 하지만 R-22 재고와 재생 냉매는 수 년 동안 현재 사용되고 있는 칠러와 새로운 칠러용 서비스 수요를 감당해야 한다. 사용자가 냉매부족현상에 접하게 된다든가 높은 가격의 볼모가 될 것이라는 주장은 지나친 것이다. R-11, R-12 그리고 다른 CFC나 혹은 R-500과 R-502와 같이 CFC를 포함하는 혼합물의 경우 중요한 사항은 냉매 손실을 줄이기 위해 시스템 누출을 줄이고 서비스 수행을 개선하고 사용중인 냉매를 포함한 현재의 냉매 재고를 잘 관리하는 것이다. 이러한 조치는 전폐된 냉매에만 해당되는 것이 아니고 모든 냉매에 대해 필수적인 것이다.

R-717(암모니아)도 반드시 여러 가지 사항을 고려해야 한다. 사실 암모니아는 적절한 응용 분야에서 매우 뛰어난 냉매이다. 예를 들어 식품, 음료수 처리와 저장소 그리고 아이스링크의 냉동과 같은 산업용 과정에는 아주 좋은 냉매이다. 그러나 암모니아는 사고로 인해 누출이 생길 경우 많은 사람의 안전을 위협할 만한 장소에 적용하는 것은 적당하지 않다.
흡수식 사이클 칠러는 전형적으로 크고 값이 비싸다. 그러나 폐열이나 저가의 열 또는 연료를 사용하여 구동하면 작동비용이 더 적게 든다. 또한 전력 수요가 관심의 대상인 지역에서는 피크 전력수요를 감소시키는 전략적인 측면도 있다. 흡수식 칠러의 효율은 증기압축식 사이클에 비해 비교적 낮은 편이므로 대부분의 지역과 응용 분야에서 증기압축식에 비해 TEWI 또는 LCWI가 더 높거나 훨씬 더 높은 값을 나타낸다.

컵에 물이 부분적으로 찬 것에 대해 오래 전부터 논쟁이 있어 왔다. 철학자들은 컵에 물이 반이 차있는 것인지 혹은 반이 비어 있는 것인지에 대해 논쟁을 벌인다. 반면에 엔지니어들은 요구 사항에 비해 컵이 너무 크냐, 작으냐에 관심을 둔다. 냉매에 관한 반쪽의 진실은 이와 비슷한 반응을 불러일으킨다. 냉매 문제에 대한 답은 냉매들이 반만 맞느냐 혹은 반만 맞지 않느냐가 아니다. 사실 사람들은 대개 적절한 질문을 하지 않고 있다. 중요한 것은 요구 사항에 맞느냐 하는 것이다.

◇ 미래의 칠러용 냉매들

앞으로는 R-134a, R-407C, R-410A, 다른 혼합냉매 또는 R-717(암모니아)를 사용하는 새로운 칠러들이 R-22 칠러를 대체하게 될 것이다. R-134a는 계속 사용하게 될 것이고 매우 큰 용량을 내는 칠러 즉 15MW(4300톤)을 초과하는 칠러와 같이 제한된 시장에서 독점적인 냉매가 될 것이다. 어려운 전환 작업은 R-123 칠러에 관한 것인데 그 이유는 R-123을 대체할 수 있는 모든 냉매를 살펴본 결과 성능과 안전성4,9-10을 절충해야 하기 때문이다. 가장 분명한 해결책은 R-123을 몬트리얼 의정서와 국내법규 하에서 시행되고 있는 전폐에서 제외하는 것이다. 이 같은 전폐 면제 조치는 칠러용 냉매인 경우로만 제한시킬 수 있다. 사실 R-123은 오존층에 대한 영향이 인식할 수 없을 정도로 미미하고 지구온난화를 감소시키는 장점이 상당히 크며 또한 냉매들 중에서 대기 중 수명이 가장 짧은 편에 속하므로 면제에 대한 과학적 정당성이 매우 강하다.

R-245fa는 3-15 MW(850-4300 톤)의 대용량에서 다단압축기를 사용함으로써 R-123의 효율에 근접할 수 있는 잠재성을 지니고 있다. 그러나 냉매로서 상업화하는 데는 여전히 불확실한 점이 많이 남아 있다. 이 냉매의 사용은 적절한 생산 수준에 이르기 위해 시장에서 R-245fa를 폼블로잉 에이전트로서 얼마나 넓게 받아들일 것인지에 달려있다. 많은 회사가 이를 수용한다 하더라도 그 제조과정을 고려해 볼 때 R-245fa는 다른 냉매들보다 원가가 더 많이 들것으로 보인다. 또한 장비제조업자들에게 결정적으로 중요한 요소는 과연 이 냉매가 확실하게 장기간 사용 가능하냐 하는 것이다.

R-601(n-펜탄), R-601a(이소펜탄) 또는 그것들의 혼합물을 사용하자고 제안하는 것은 특히 위험할 것이다. 이런 하이드로카본은 가연성이 높고 원심식 칠러에 필요한 충진량이 크므로 큰 폭발을 일으킬 수도 있다. 또한 칠러가 대기압 이하에서 작동해야 하므로 공기 침투의 위험이 있어 압축되었을 때 폭발할 가능성이 있다. 안전성에 관한 문제는 별도로 하더라도 참고문헌 4와 9에서 드러난 것처럼 어떠한 하이드로카본이나 R-717(암모니아)도 칠러의 작동조건에서 R-123의 효율을 따라갈 수 없다.

◇ 결 론

현재 칠러용 냉매선택에 관한 염려의 대부분은 검증되지 않았다. 엔지니어, 빌딩 소유자 그리고 칠러 결정에 관련된 사람들은 원가, 성능, 지역 제조업자들의 지원, 서비스 옵션 그리고 신뢰성에 근거하여 전통적인 칠러 사양을 살펴보는 일로 되돌아가야 한다. 그들은 또한 보다 엄격한 환경적 규제를 예상하여 냉매 누출을 감소시키고 효율을 증가시키는 실질적인 조치를 다 취해야 한다.

다른 회사 제품의 신뢰성을 깎아 내리는 식의 캠페인은 더 오래되고, 덜 효율적이며, 쉽게 누출되고 고장나기 일쑤인 구장비의 교체를 지연시켰다. 그 결과 환경에 해를 끼치고 원가를 상승시켰으며 칠러 시장을 억눌렀다.

이상적인 냉매란 없으며 또한 앞으로도 그런 것을 찾을 가능성은 없다는 진보된 인식을 통해 칠러와 관련된 모든 사람들은 시장을 조작해서 무슨 일을 이루려는 생각보다는 어떤 냉매를 과학적으로 수용할 수 있는가에 대한 여부를 결정해야 한다. 그렇게 하지 못하면 소비자들은 산업계의 내분으로 인해 기후 변화를 악화시키는 칠러 선택 즉 덜 안전한 선택으로 돌아가게 될 것이다. 또한 이러한 선택은 결과적으로 낮은 효율과 이에 따른 에너지 사용 증대라는 요구 조건을 통해 또 다른 걱정스러운 문제들을 만들어내게 될 것이다.

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