지구온난화가 심해지며 예전과 같은 대기온도가 유지되지 않는 상황 속 식품·의약품 운송 시 온도관리가 중요해지고 있다. 이와 동시에 일정한 온도를 유지하기 위해 많은 에너지가 소모되는만큼 콜드체인산업은 산업확장에 대비해 효율적 에너지관리를 위한 다양한 과제를 마주하고 있다. 이를 해결하기위한 학계와 산업계의 현안 공유의 자리가 열렸다. 

대한설비공학회 콜드체인부문위원회는 9월5일 과학기술회관에서 콜드체인부문 학술강연회를 개최했다고 밝혔다. 

조홍현 설비공학회 콜드체인부문위원장은 “콜드체인학술강연회 1년에 한 번씩 매번 개최하고 있으며 학술보단 실제 산업현장의 사례 등을 공유하는 자리로 만들어가고 있다”라며 “콜드체인산업은 지금 우리 일상과 건강을 책임지고 있는 중요한 분야”라고 말했다. 

이어 “최근 콜드체인산업은 탄소중립 달성이라는 중요한 이슈를 마주하고 있으며 AI와 IoT연계 등을 통한 관리방안을 모색하는 중”이라며 “콜드체인산업은 미래 먹거리산업이며 앞으로 기계설비분야 산업군에서 중요한 역할을 할 것으로 기대되며 이번 세미나가 산업발전에 좋은 도움이 되길 바란다”고 전했다. 

학술강연회는 산업계와 학계를 아우른 6개의 발표로 구성됐다. △지열 통합 히트펌프 시스템의 에너지 효율향상에 관한 연구(장동수 국민대학교 교수) △글로벌 친환경 냉매동향 및 북미 내 CO₂시스템 관련 실증연구 사례(곽병권 코플랜드 상무) △자연냉매 냉동·냉장기기 활성화 방안은(정지원 베이어레프코리아 부장) △식품 콜드체인 택배유통 패키지에서의 저온유지기술 동향(안재환 한국식품연구원 박사) △농산물도매시장의 콜드체인 현황과 정온경매장 도입사례(김주원 서울농수산식품공사 부장) △CO₂ 초임계 2단 압축 냉동사이클에서 최적 중압의 영향(정연주 한국마이콤 선임) 등으로 진행됐다. 

지열 히트펌프, 콜드체인 적용가능성 모색

장동수 국민대학교 교수는 ‘지열 통합 히트펌프 시스템의 에너지 효율향상에 관한 연구’를 주제로 지열 통합 히트펌프(GSIHP: Ground Source Integrated Heat Pump)시스템의 에너지 효율향상 가능성에 대해 발표했다. 장 교수는 미국 표준기술연구소에서 연구경험을 토대로 콜드체인인프라가 직면한 에너지·환경적 부담을 줄이는 방안으로 지열기반 시스템의 적용성을 제시했다.

장 교수는 “최근 식품 안전강화와 백신·의약품 물류확대에 따라 콜드체인수요가 급증하고 있으며 이와 동시에 저온창고와 물류센터가 막대한 전력을 소비하며 온실가스배출에도 크게 기여하고 있다”라며 “물류과정에서는 예상할 수 없는 열 침투와 잠열 부하 및 대형 물류창고 내 온도불균일성 등 운영 상의 난제들도 마주하고 있어 콜드체인운영 기술은 단순히 저온 유지가 아닌 에너지의 효율적 운영 및 안정적 환경 유지를 고려해야 한다”고 말했다.  

이러한 과제를 해결할 수 있는 대안으로 지열 히트펌프(GSHP)가 소개됐다. 지열은 연중 일정한 온도를 유지해 외부 기후조건의 영향을 적게 받으며 극한 상황에서도 안정적 운전이 가능하다. 

장 교수는 특히 대형 냉동창고와 물류센터에서 전력피크를 억제하며 태양광(PV) 등 재생에너지와 GSHP를 연계할 경우 탄소중립형 콜드체인 인프라구축에도 기여할 수 있을 것이라고 강조했다. 

나아가 장 교수는 가변속 지열원 히트펌프인 ‘GSIHP’의 가능성도 제시했다. GSIHP는 난방·냉방·급탕을 모두 제공하며 냉방과정에서 발생하는 폐열을 회수해 급탕에 재활용할 수 있는 특징을 가진다. 콜드체인산업 적용사례는 아니지만 TRNSYS 건물 에너지시뮬레이션 결과 GSIHP는 기존 공기열원 히트펌프(ASHP)대비 연간 에너지 소비를 최대 54% 줄였으며 일반 GSHP에 대비해서는 약 37% 절감효과를 나타냈다.

장 교수는 향후 주택용 건물에서 진행된 시뮬레이션을 넘어 냉동창고와 저온물류센터 등 실제 콜드체인환경을 대상으로 한 TRNSYS 모델 구축을 준비하고 있다. 다양한 기후조건과 저장 유형별 특성을 반영한 △성능분석 △제어전략 최적화 △장기 운영평가를 통해 GSIHP의 상용화 가능성을 검토한다는 계획이다.

장 교수는 “콜드체인현장에 특화된 제어전략과 실증연구를 통해 지열기반 시스템의 실용적 적용성을 입증해 나가겠다”고 말했다.

차세대 냉매, 저GWP·안전성·효율성 중요 고려사항

곽병권 코플랜드 상무는 ‘글로벌 친환경 냉매동향 및 북미 내 CO₂시스템 관련 실증연구 사례’를 주제로 발표를 진행했다. 학술강연회 특성상 여러 대학원생도 참석한 만큼 곽 상무는 냉매의 역사적 변화와 규제환경을 차근차근 짚으며 향후 냉동·냉장산업이 직면할 전환의 방향을 제시했다. 

냉매는 공조·냉동분야에서 가장 핵심적인 요소다. 19세기 후반부터 CO₂가 최초의 냉매로 사용됐으나 20세기 중반 화학합성냉매가 등장하면서 R22냉매 등 프레온가스가 주류를 차지하게 됐다. 

프레온계열 냉매는 사용편의성과 우수한 물성 덕분에 1970년대까지 보편적으로 사용됐지만 오존층 파괴문제가 대두되면서 규제로 인해 시장에서 사라지게됐다. 1987년 몬트리올 의정서가 채택됐으며 CFC·HCFC류 냉매사용이 단계적으로 규제됐다. 이후 HFC계열 냉매인 R410A와 R404A 등이 대체재로 확산됐으나 지구온난화지수(GWP)가 높다는 점에서 규제대상이 됐다. 

곽 상무는 현재 글로벌시장의 냉매규제상황에 대해서도 상세하게 전달했다. 유럽과 일본은 이미 고 GWP냉매 사용규제 기준을 강화하며 선도적으로 전환을 진행하고 있다. 미국은 트럼프행정부 기조에 따라 다양한 양상을 보이는 듯하지만 주(州)단위로 강도 높은 규제를 도입하고 있다. 이에 비해 한국은 규제 도입이 상당히 늦어 사실상 아프리카·동남아와 같은 그룹의 규제 상황과 비슷하다고 지적했다. 

곽 상무는 “한국은 규제 도입을 늦게 시작한 만큼 더 급격한 감축이 필요한 상황인데 다행이도 한국 정부역시 지난 해 말 냉매규제 일정을 발표하며 국제기준에 발맞추고 있다”라며 “향후 5년간 냉매전환 속도는 지난 50년간의 변화보다 훨씬 더 클 것”이라고 전망했다.

이어 “한 가지 안타까운 것은 우리나라의 경우 여전히 일부 현장에서 R22 등 여전히 프레온계열의 구세대 냉매가 사용되고 있어 냉매전환에 리스크가 상당할 것 같다”라며 “하지만 한국이라는 나라는 드라이브가 걸리면 굉장히 빠른 속도로 움직인다는 강점이 있어 기대하고 있는 지점도 있다”고 말했다. 

차세대 냉매 대안에 대한 기준도 제시됐다. 향후 미래세대의 냉매선택은 △GWP와 △오존파괴지수(ODP) △안전성(독성·인화성) △냉각용량 △에너지효율 △토출온도 △글라이드 특성 등 다양한 요소를 고려해야 한다. 

특히 GWP 150 이하의 대안을 찾는 것이 국제적으로 요구되고 있으며 곽 상무는 R454A, R454C 계열이 콜드체인 응용분야에서 유력한 후보라고 설명했다. 해당 계열냉매는 R404A대비 냉각용량 손실이 적으며 안전성과 효율도 일정 수준을 충족해 향후 규제환경에서 주요 대체냉매로 자리잡을 수 있을 것이라고 전망했다. 

곽 상무는“최근 CO₂가 친환경 냉매로 각광받고 있지만 여전히 극복해야할 기술적 과제가 많다”라며 “전 세계적으로 빨라지고 있는 규제일정에 맞춰 다양한 대체냉매와 시스템솔루션을 병행 검토하며 학계와 산업계는 미래 산업환경을 대비해 긴밀히 협력 대응해야할 것”이라고 당부했다. 

CO₂냉매 안전성 확보위한 기술개발 활발

정지원 베이어레프코리아 부장은 ‘자연냉매 냉동·냉장기기 활성화 방안은’이라는 주제로 친환경냉매 설비 실제도입 사례 등을 공유했다. 

글로벌 냉매규제는 전 세계적으로 강화되고 있는 추세며 이 흐름 속 CO₂냉매 적용 필요성이 강조되고 있다. 1989년부터 시작된 국제 냉매규제는 2016년 키갈리 개정서 이후 한층 강화됐다. 이에 따라 한국도 2024년부터 본격적으로 규제도입을 알렸다. 

정 부장은 “한국 또한 2045년까지 HFCS소비량 80% 감축목표를 달성해야 하는 상황에 놓였다”라며 “산업용 냉장분야에서 여전히 사용되는 HFC계열 냉매는 높은 GWP지수를 갖고 있어 머지않아 사용이 제한될 수밖에 없다”고 지적했다.

하지만 냉매전환에 있어서도 필연적인 트레이드오프(Trade off)가 발생할 수 밖에서 없다. 저 GWP냉매는 인화성 위험이 커지고 안전성을 우선하면 환경적 영향을 피하기 어렵다. 최근 유럽에서 강화되는 추세인 PFAS규제로 인해 일부 대체냉매조차 한계가 드러나는 상황이다. 

정 부장은 “결국 냉매 선택은 효율, 안전성, 환경성, 시장성을 모두 고려해야 하는 복합 과제”라며 “이러한 제약 속에서 CO₂가 가장 합리적인 대안으로 자리 잡을 수 있을 것”이라고 강조했다. 

이어 “최근 전 세계적으로 냉매규제가 강화되면서 HFC계열 냉매 가격이 상승하는 추세인데 이러한 상황 속 CO₂냉매는 안정적인 공급망을 기반으로 비교적 저렴하게 확보할 수 있어 장기적으로 가격경쟁력에서 우위를 차지하게 될 것”이라며 “이외에도 CO₂냉매는 동일한 운전 조건에서 다른 냉매대비 압축토출량이 적어 압축기와 배관을 보다 컴팩트하게 설계할 수 있어서 경제성과 효율성 모두를 높일 수 있다”라며 CO₂냉매의 장점을 언급했다. 

CO₂냉매 적용 설비의 초기 투자비가 높다는 지적이 있지만 설계 최적화와 국산화가 병행되면 충분히 완화될 수 있을 것이라고도 덧붙였다. 

물론 한계도 존재한다. CO₂냉매는 고압운전이 필수적이어서 안전설계와 고강도 자재확보가 요구된다. 특히 여름철 고온환경에서는 트랜스크리티컬(Trans critical) 운전 특성상 효율이 떨어질 수밖에 없다. 

정 부장은 “하지만 현재 CO₂냉매적용 설비 문제를 해결하고자 다양한 기술개발이 이뤄지고 있다”라며 “초기에는 암모니아와 CO₂를 조합한 캐스케이드 방식이 사용됐지만 단계적으로 부스터 방식, 병렬 압축(parallel compression), 리시버 방식 등으로 발전단계를 거쳤으며 최근에는 가스쿨러 외기에 물을 분사해 온도를 낮추는 워터 스프레이시스템까지 다양한 기술이 도입되며 한계를 극복해 나가고 있다”고 강조했다. 

정 부장은 “CO₂냉매 적용은 단순히 규제대응을 넘어 지속가능한 미래를 위한 필수 대안으로 이를 위해 제도·기술·시장 전반에서의 협력과 지원이 절실하다”라며 “자연냉매 적용 냉동·냉장설비 활성화를 위해 국내 규제기준을 현실화하고 정부차원의 보조금과 세제 인센티브 확대, 국산 부품 개발 지원, R&D 투자확대 등이 지속적으로 병행돼야 할 것”이라고 말했다. 

콜드체인패키지, 단열기술·친환경 동시 고려해야

안재환 한국식품연구원 식품융합연구본부 선임연구원은 ‘식품 콜드체인 택배유통 패키지에서의 저온유지기술 동향’을 주제로 발표했다.

콜드체인은 생산에서 소비에 이르는 전과정에서 식품의 온도제어가 유지돼야 한다. 온라인 식품시장 확대에 따라 식품의 택배유통은 급격히 늘고 있지만 현실적으로 냉장·냉동 배송차량을 전과정 적용하기란 쉽지 않다. 

안 선임연구원은 “대부분의 온라인식품은 일반 택배시스템으로 이동하며 이 과정에서 온도유지의 어려움이 발생한다”라며 “식품 패키징은 단열·보냉기술 적용이 필수적이지만 일회용의 한계와 비용문제, 그리고 환경적 부담이 적지 않은 상황”이라고 설명했다.

이에 따라 연구현장에서는 다양한 단열·보냉 패키징 실험이 시도되고 있다. 단열패키징에서 많이 쓰이는 골판지 플라스틱(CP)과 스티로폼(EPS) 박스, 진공단열패널(VIP)과 폴리우레탄(PU)박스의 효능을 비교한 결과, VIP를 사용할 경우 PU박스보다 냉장유지시간이 세배 넘게 증가하지만 그만큼 원가가 상승해 실사용에는 제약이 따른다.

이와 함께 단열성을 높이기 위해 골판지박스, 공기층을 활용한 단열, 가금류산업에서 생산된 깃털을 섬유형태로 가공해 단열재로 활용하는 업사이클링 아이디어 등 단열효과에 친환경성·재활용성까지 더한 다양한 시도가 꾸준히 이어지고 있다.

또한 배송되는 박스의 내장구조에 따라 다양한 식품의 온도보존을 위한 구획설계도 연구되고 있으며 모서리 설계변경을 통해 중앙과 외곽의 식품온도차를 최소화하는 아이디어도 실험되고 있다. 보냉재의 위치와 분배에 관한 연구도 이어져 PCM 등 보냉제를 박스의 여러면에 균일하게 배치하는 것이 단일위치 집중보다 온도유지에 효과적임을 입증했다. PCM 복합재 농도를 달리하는 경우에도 냉장시간의 연장을 확인할 수 있었다.

최근에는 택배박스 및 보냉재의 폐기물을 줄이고 동시에 열손실을 최소화하기 위한 ‘부분단열강화(ARIEL: Adding thermal resistance for refrigerated delivery)’ 기술도 주목받고 있다. 에어쿠션을 활용해 박스와 아이스팩 사이에 단열층을 추가함으로써 기존 스티로폼박스보다 식품온도를 더 오래 유지할 수 있다. 

안 선임연구원은 “콜드체인패키지의 궁극적 과제는 단열·보냉기술 발전뿐만 아니라 폐기물, 비용 및 현장운용 현실을 동시에 고려하는 것”이라며 “친환경성과 경제성이 균형을 이루려면 운영시스템 혁신과 함께 소재·설계와 같은 기술적 진보가 모두 병행돼야 한다”고 밝혔다.

가락시장, 선진시장대비 저온유통 비율 심각

김주원 서울농수산식품공사 건설안전본부 PL은 ‘농산물도매시장의 콜드체인 현황과 정온경매장 도입 사례’에 대해 발표했다.

가락시장은 국내 농수산물의 45%를 처리하는 압도적 규모의 도매시설이다. 연간 230만톤, 약 6조2,000억원의 거래물량을 기록하며 전국 32개 공영도매시장 중 거래량 비중의 35%를 차지하고 있다. 그러나 세계 주요도매시장과 비교해 우리나라 농산물의 저온유통 비율은 심각히 낮다. 

김 PL은 “엽채류, 채소류, 과실류 등은 3~7%의 저온유통만 이뤄지고 있으며 평균손실률은 20~30%에 달한다”라며 “선진국의 손실률이 5% 수준임을 감안하면 국내 유통환경의 개선이 시급한 상황”이라고 설명했다.

특히 가락시장 과일, 채소경매장은 여전히 바닥과 지붕만 갖춘 공간이 많아 여름엔 고온, 겨울엔 추위에 그대로 노출된다. 산지에서 갓 수확한 농산물이 한여름 아스팔트에서 30°C 이상 열을 받은 뒤 도매시장에 도착해 품질저하와 엄청난 폐기물, 손실비용 발생이 불가피하다. 실제로 폐기로 인한 농산물쓰레기는 가락시장 기준 연간 2만3,000톤에 달하며 처리비용으로만 연 26억원이 들고 있는 실정이다.

유통트렌드는 급변하고 있다. 오프라인식품 판매는 감소하는 반면 온라인 식품시장과 소분·가공·저온유통 중심의 서비스는 연평균 13% 성장세다. 1인 가구 증가와 맞물려 온라인유통 확대, 신선식품 품질경쟁이 강화되고 정부도 산지 스마트 APC(농산물산지유통센터: Agricultural Products Processing Center)구축과 도매시장 콜드체인허브를 통해 시스템혁신을 추진하고 있다.

이러한 변화 속에 정온경매장 필요성은 더욱 대두된다. 일본 오타시장, 프랑스 헌지스시장은 이미 도매장의 100%에 단열과 저온설비를 갖추고 품질저하와 손실을 최소화하고 있다. 반면 가락시장의 저온시설은 전체의 2%에 불과하다. 과일점포 일부만 개별저온창고를 설치했을 뿐, 배추·무·대파 등 대량 경매품목의 온도관리는 미흡하다. 정온경매장은 품질보존을 목적으로 계절·품목별로 10~28도 수준의 온도관리를 해주는 시설로 실제 가락시장 채소2동은 지난해 정온경매장을 구축해 계절별로 겨울엔 5℃ 이상, 여름엔 26℃ 이하로 운영 중이다.

저온저장시설 확대는 경제적 효과도 높다. 2017년 기준 채소감모율 15%를 6%로 개선할 경우 연간 189억~378억 원의 손실회피가 가능하다는 연구결과가 제시됐다. 이는 단순 폐기액 절감뿐만 아니라 고품질 농산물 거래활성화, 생산자와 유통인·소비자 모두의 만족도 향상으로 이어진다.

가락시장은 현재 2031년 완공을 목표로 총 5단계의 시설 현대화사업을 추진 중이다. 저온창고 역시 3.3배, 소분가공장은 4.7배, 연면적은 1.8배 증가할 예정이며 공동배송장도 신설된다. 신재생에너지 활용도 적극적이다. 태양광·지열 설비를 활용해 건물 에너지사용량의 27%를 충당하며 운행비용을 기존 터보냉동기대비 절반 이하로 줄이는 등 친환경·에너지효율을 모두 고려한 설계가 도입되고 있다.

정온경매장 열원으로는 지열설비·히트펌프를 적용, 계절별 실효성 높은 공조·환기시스템 설계도 함께 진행 중이다. 이런 변화는 공영도매시장 관련법을 준수하는 한편 친환경 온실가스저감과 국민 먹거리 품질보장이라는 두마리 토끼를 잡기 위한 것이다. 실제 32개 공영도매시장 중 29곳이 정온경매장 도입, 신재생에너지 활용을 앞두고 있어 국내 농산물유통의 새로운 기준점으로 자리잡을 전망이다.

김 PL은 “산지부터 소비지까지 콜드체인과 정온경매장 확대는 신선식품·고급농산물 수요증가에 부응하는 중요한 인프라로 온라인도매시장 등 유통환경 변화에도 적응할 수 있는 핵심 경쟁력”이라며 “제도적·기술적 혁신이 정착할수록 품질, 손실률, 환경문제, 비용 등 현장 개선효과가 클 것으로 기대되며, 학계와 산업계의 추가적인 기술개발과 협력이 필수적”이라고 강조했다.

CO₂ 초임계운전, 시스템조건별 최적 중간압력 찾아야

정연주 한국마이콤 총괄기획실 선임은 ‘CO₂ 초임계 2단 압축 냉동사이클에서 최적 중압의 영향’에 대해 발표했다.

CO₂는 압축기 임계점이 낮아 국내 콜드체인 현장에서는 여름철 초임계 운전이 필수적이다. 이때 냉동시스템 효율을 나타내는 COP는 증발온도와 응축온도, 특히 가스쿨러 출구온도에 크게 좌우된다. 

정 선임은 “최적고압과 함께 시스템설계자에게 결정적으로 중요한 값은 바로 최적 중간압력”이라며 “설계현장에서는 냉동능력과 압축동력의 비율, 즉 COP를 최대화하기 위해 중간압력을 세밀하게 조정해야 한다”고 밝혔다.

동력은 냉매순환량과 각 단계에서의 엔탈피 차의 곱으로 산출되며 고단압축비와 저단압축비의 밸런스가 플래시가스의 발생량과 함께 전체 동력절감에 영향을 미친다.

한국마이콤은 최적 중간압력 선정에 앞서 운전조건별 COP가 어떻게 달라지는지 시뮬레이션 및 실제 현장 운전데이터를 비교분석해 실증했다.

정 선임은 “동절기 아임계운전에서는 최적중간압력과 실제 운전치 사이에 COP가 약 9% 차이 날 만큼 압력조정이 민감히 작용했다”라며 “하절기 초임계운전에서는 실제 운전치와 최적치가 근접했고 COP 차이는 0.7%에 불과했으며 간절기는 최적 중간압력대로 운전할 때 COP가 약 6% 정도 더 높았다”고 연구결과를 밝혔다.

이 같은 결과는 중간압력이 높아지면 고단압축비가 줄어들어 동력이 감소하지만 지나치게 높으면 저단압축비가 커지고 저단 토출온도가 비정상적으로 상승해 COP가 다시 저하된다는 점을 보여준다. 즉 한계까지 올린 중간압력보다 시스템조건에 맞는 최적값을 찾아내는 것이 COP 및 전체 에너지효율을 좌우하는 핵심이다.

정 선임은 “COP의 극대화는 단순 전력절감이 아닌 최적고압과 중간압력의 실시간 조정, 그리고 압축기단열·팽창·압축효율까지 전반적인 시스템최적화가 동반될 때 달성된다”고 강조했다.