대한설비공학회 동계학술대회에서 냉동공조산업협회 특별세션으로 '2023년 탄소중립을 위한 콜드체인 기술 세미나'가 열려 주목받았다.
이번 세미나에서는 △냉동냉장 진열장 국제 성능시험규격 비교연구(김원욱 한국냉동공조인증센터 책임연구원) △상업용 냉장고의 국내외 표준 및 제도현황(장영수 국민대학교 교수) △국내외 콜드체인 기술 시장과 전망(김민성 중앙대학교 교수) △R744 냉매를 적용한 쇼케이스 냉동 사이클의 성능에 관한 시뮬레이션(김민수 서울대학교 교수) 등이 발표됐다.
개방형 쇼케이스 소비전력량, 밀폐형대비 4.3~8.4배
첫 발표에 나선 김원욱 한국냉동공조인증센터 책임연구원은 ‘냉동냉장 진열장 국제 성능시험규격 비교연구’를 주제로 발표했다.
콜드체인의 주요 장치 중 하나인 냉동냉장 진열장(이하 쇼케이스)은 최종소비자가 마트 등의 소매점에서 냉동 또는 냉장상태로 진열돼 있는 제품을 확인하고 구매할 수 있도록 하는 것이 목적인 진열장이다. 이에 따라 냉동냉장 진열장의 성능은 진열장 내부의 부하온도를 일정온도로 유지하는데 소비되는 전력량으로 평가한다.
이번 연구에서는 국내에서 상업용 전기냉장고에 대한 성능시험규격으로 사용되는 IEC 62552 규격과 냉동냉장 진열장의 국제성능시험규격인 ISO 23953을 동일한 시료를 시험해 결과를 비교했다.
발표자료에 따르면 콜드체인의 주요 장치인 쇼케이스의 일소비전력량을 KS C IEC 62552, KS B ISO 23953 등 두 가지 시험방법을 사용해 비교한 결과 밀폐형, 개방형 모두 KS B ISO 23953의 일소비전력량이 높은 결과를 보였다.
다만 밀폐형 냉장진열장의 경우 두 시험방법의 차이가 7.7%로 크지 않았으나 개방형 냉장진열장의 경우 37.7%의 상당한 차이로 나타났다. 이는 실사용조건을 고려한 조명, 커버, 부하의 사용여부에 의한 것으로 판단된다.
김 책임연구원는 “현재 냉동냉장진열장의 효율관리는 국내의 에너지소비절감을 위해 매우 필요한 상황”이라며 “냉동냉장진열장의 소비전력량 시험에서 실사용조건의 고려여부는 시험비용(시간)에 영향을 주므로 효율적인 시험방법을 선정할 필요가 있다”고 말했다.
MEPS시행 에너지성능 라벨제도 개발장영수 국민대학교 기계공학부 교수는 ‘상업용 냉장고의 국내외 표준 및 제도 현황’에 대해 발표했다.
상업용 냉동냉장기기(CRE: Commercial Refrigeration Equipment)는 일반적으로 식료품의 저장 또는 전시를 위해 소매 및 식품 서비스분야에서 사용되는 비 가정용 냉동냉장장비를 말한다. 전 세계 냉동시장의 약 65%를 차지하고 있으며 냉장 디스플레이 캐비닛(RDC)은 전 세계 CRE시장의 약 절반을 차지한다.
2013년 83TWh에서 BAU 시나리오에 따르면 상업용 냉동냉장기기 에너지소비량은 2035년 175TWh로 증가할 것으로 예측되며 2035년 에너지절약 가능성을 45~56TWh로 추정된다.
2008년 EU에서 평가된 제품에 대해 RDC, RSC, 응축장치 및 냉장 자동판매기가 각각 약 89%와 에너지소비의 85%를 차지했으며 미국에서는 각각 약 71%, 에너지소비의 72%를 차지했다.
콜드체인용 냉동냉장기기의 국내시장 규모는 연간 약 1조원 이상으로 추산되고 있으며 연중 운전되므로 전력소비가 많은 에너지다소비기기다. 이에 따라 고효율화를 유도하기 위해 최소에너지성능표준(MEPS)은 가장 널리 사용되는 에너지효율제도이며 에너지성능라벨제도도 많은 국가에서 사용되고 있다.
에너지효율지수(EEI)는 일반적으로 실험실 조건에서 측정된 실제 에너지소비량으로 정의되며 호주, 중국, EU의 MEPS 및 라벨 요건은 표준에 정의된 EEI로 설정된다. 국내 가정용 및 상업용 전기냉장고의 일부가 현재 효율관리기자재 품목으로 지정돼 최저 효율 및 효율등급제도가 운용되고 있으나 대표적 에너지다소비기기인 냉동냉장진열장에 대한 효율 관리제도는 아직 시행되고 있지 않은 상황이다.
장영수 교수는 “상업용 냉장고의 다양한 크기와 형태로 인해 MEPS와 에너지성능라벨제도 적용에 어려움이 있지만 세계 주요 국가에서 MEPS를 시행하고 에너지성능라벨제도를 개발하고 있다”라며 “적절한 에너지효율관리제도 개발과 적용으로 상업용 냉장고의 에너지효율 개선 효과가 매우 클 것으로 기대한다”고 밝혔다.
국내 콜드체인기술 표준 정리 필요김민성 중앙대학교 교수는 ‘국내외 콜드체인 기술시장과 전망’에 대해 발표했다.
콜드체인의 특징은 생산지부터 소비자 손에 들어가기까지 지속적으로 적정온도 유지 필요하며 24시간 운전에 따른 많은 에너지가 소비된다. 이로 인해 작동유체(냉매)에 대한 친환경성이 요구되며 에너지기준과 표준·규제 정립이 중요하다.
국내외 식품시장의 규모가 커짐에 따라 식품 콜드체인시장도 확장되고 있다.
글로벌 식품콜드체인시장에서 냉장화물 거래량은 2003~2013년 10년 사이 약 5,000만톤으로 증가했다. 총 매출규모는 757억달러(2011년)에서 2,240억달러(2017년)으로 약 3배 가량 확장됐다. 글로벌 콜드체인산업은 연간 15% 성장하고 있으며 2026년 4,380억달러로 예상된다.
국내 콜드체인시장도 2028년 물류시장과 콜드체인시장 규모가 195조원 규모로 동일하고 이후 역전이 예상된다.
국가별 냉동시장 현황을 살펴보면 인도 산업용 냉동시장은 2021년 12% 성장(1억3,300만달러)했으며 5년간 연평균 성장율(CAGR)은 7%다.
일본의 2021년 냉동제품 출하량은 2020년대비 RDC 27만2,000대(12.5%), 콘덴싱유닛 8만대(7.9%), 상업용 냉장고 20만1,000대(10.4%), 수송용 냉동기 2만7,000대(6.0%) 등이 증가했다.
국내 냉동냉장설비시장 규모 역시 1조6,100억원(2021년)에서 1조8,900억원(2022년)으로 1년간 17.6% 상승했다.
2022년 냉동냉장설비시장은 2021년대비 국내 상업용 냉동냉장기 6억5,150만원(18.1%), 유니트쿨러 3,714억원(15%), 콘덴싱유닛 6,255억원(18.9%) 등이 성장했다.
글로벌 콜드체인시장 주요 트렌드는 △선진국 소형매장 증가 △동남아국가연합(ASEAN아세안) 시장 잠재력 △급속냉동 식품 수요 증가 △원스톱 솔루션 (One-stop Solution) △편의점 열에너지 솔루션(일본) △대체냉매 전환 등이다.
김민성 교수는 “글로벌 콜드체인시장이 지속적으로 확대됨에 따라 국내 콜드체인기술의 표준 정리가 필요하다”라며 “선진 기술 동향에 맞춘 콜드체인 기술 고도화가 진행되야 글로벌시장을 리딩하는 K-콜드체인기업이 나올 수 있다”고 강조했다.
냉장 쇼케이스 R744 냉매 대체 시뮬레이션김민수 서울대학교 기계공학부 교수는 'R744 냉매를 적용한 쇼케이스 냉동사이클의 성능에 관한 시뮬레이션'을 발표했다.
기후변화에 대응하기 위한 COP26의 글래스코협정에서 1.5℃의 온도 상승을 막기위한 온실가스 규제로 GWP가 높은 HFC계 냉매 사용에 대한 규제 방안이 제시됐다. 이에 더해 유럽연합에서는 글래스코협정 이외에도 F-Gas regulation을 통해 연도별로 HFC계 냉매 감축 시나리오를 제시하며 연도별로 냉동냉장기기에 사용하는 냉매의 GWP에 대한 제한을 발표했다.
냉동냉장 쇼케이스에 사용되고 있는 냉매는 GWP가 수천에 해당하기 때문에 F-Gas regulation에 의해 유럽시장에서 사용할 수 없어 GWP가 낮은 냉매를 적용하는 것이 필요하다.
이에 따라 자연냉매로 분류되는 R744 냉매는 낮은 GWP 특성으로 인해 기존 냉매에 대한 대체냉매로 각광 받고 있으며 이를 적용하는 냉동냉장기기 시스템의 사이클이 연구되고 있다.
효과적인 콜드체인을 위해서는 식품별로 취급 환경온도에 따라 노출시간에 제한이 있어 취급 물품에 맞는 쇼케이스가 필요하다. 이번 연구에서는 압축기, 응축기(가스쿨러), 팽창밸브, 증발기로 구성된 냉장쇼케이스를 모델링해 R410A 냉매를 R744 냉매로 대체했을 경우 성능변화에 대해 살펴봤다.
냉동사이클은 압축기, 팽창밸브, 증발기로 이루어져 있으며 R744 냉매를 적용할 경우 응축기에서 응축이 필요하지 않아 가스쿨러로 대체했다. 쇼케이스의 내부 온도가 일정하게 유지되는 정상 상태를 가정해 쇼케이스 모델을 모델링한 후 시뮬레이션을 진행했다.
김민수 교수는 “쇼케이스 내부 유동 및 온도분포에 대한 시뮬레이션 수행을 통해 내부온도 유지에 필요한 냉방용량을 계산한 결과 적용 냉매별 (R410A, R404A, R744) 냉동사이클 성능을 비교해 대체냉매인 R744 냉매의 성능이 기존 냉매(R410A, R404A)에 비해 낮음을 확인했다”라며 “대체냉매로 R744 냉매를 사용하고자 한다면 cascade 사이클 구성 등 성능 향상을 위한 방안이 필요할 것으로 예상된다”고 강조했다.
