냉동의 역사 냉동의 분야 고대 이집트인의 다공길 토기 신라시대의 석빙고 최초의 냉동기 특허 1834년 Perkins 에테르 냉동기 에테르 냉매 사용 손으로 압축기 운전 1860년 : Carre의 흡수식 냉동기 (NH3-H2O) 1921년 : Carrier 터보 냉동기 냉동의 분야 주거 및 산업용 공기조화 식품 및 산업용 냉동 극저온 응용 ( MHD 발전, 초전도체, MRI )

냉매 및 냉동기술의 발달사 1600 눈과 소금의 혼합물을 이용, 물의 빙점이하의 온도 얻음 1600 눈과 소금의 혼합물을 이용, 물의 빙점이하의 온도 얻음 1775 물의 증발온도 및 압력을 내리기 위해 흡입펌프 사용 1834 최초의 압축식 냉동기 발명 ( 냉매 : 에텔 ) 1850 물과 황산을 이용한 흡수냉동기 발명 1859 암모니아－물 흡수냉동기 개발 1876 축육수송 냉동선에 메틸에텔이 냉매로 사용 1880 염화메틸 및 이산화탄소등 각종냉매 사용 1930 프레온계 냉매 발명 1931－1936 R-12, R-11, R-114, R-113, R-22 가 등장, 시판 1956 Du Pont사가 프레온계 냉매의 내용을 공개 1957 Pernwalt Chemicals Corp.에서 프레온계 냉매 생산 1958 Union Carbide Corp. 에서 프레온계 냉매 생산 1961 R-502 ( R-22 + R-115 ) 등장 1977 울산화학에서 R-12 국내생산 및 보급 1983 울산화학에서 R-22 국내생산 및 보급 1993 KIST R-134a 개발 및 국산화 성공

Ice cellar(17th~18th centuries) 프랑스 베르사이유 궁전

The Barjols (Var, France) ice cellar(17th~18th centuries). In the rear, the grid and water evacuation channels, the jutting stones forming a staircase for the worker, at the top, the above ground level part of the building with its vestibule, its doors and its roof affording protection from rain.

Delivery of Cold (1900) 1/08 Ice harvesting Unloading barges into local ice storage Source Local delivery by ice wagon The local ice man Home ice box User 1/08

Delivery of Cold (1920s) 1/08 Ice plant Unloading barges into local ice storage Power lines Local delivery by ice truck The local ice man Electric power plant Home ice box User 1/08

Delivery of Cold (1930s) First coupling of refrigerator to application Ice plant Unloading barges into local ice storage Local delivery by ice truck Power lines The local ice man Electric power plant Home refrigerator User 1/08

냉동공조산업의 특성 전자 의료 섬유 냉동공조 식품 산업 기계 건축 화학 반도체 공장의 환경제어 냉동수술실 MRI 제약 공장의 냉각 섬유 섬유 공장의 항온 항습 냉동공조 산업 식품 식품 저장기기 식품 가공, 처리 기기 냉동냉장 창고 기계 건축 금속 공장의 열처리 우주 환경 실험 설비 측정기기 냉각설비 사무실 냉난방 기기 환기기기 주거용 냉난방 기기 공장 난방기 화학 냉동 건조 화학 공정의 냉동 및 액화

생활 수준 향상에 따른 에어컨 사용의 증가

냉동공조산업 세계동향(1) 세계 총생산은 2006년 1,348억불 연평균(‘01～’06) 5% 성장 - 북미, 서유럽 등이 세계시장의 50% 이상을 차지하고 있음   - 중국, 인도 등 아시아의 경제발전으로 이 지역의 비중이 가파르게 증가하고 있음.   - 에어컨, 냉장고가 냉동․공조시장의 60% 이상을 차지하고 있으며 전체 시장은 매년 5% 정도 신장되고 있음.

냉동공조산업 세계동향(2) < 지역별/연도별 세계 냉동공조기기 시장규모, ( )는 % > (단위 : 억 달러) 지역/연도 1996년 2001년 2006년 2011년 북미 274(31.0) 323(30.4) 381(28.3) 453(27.0) 서유럽 212(24.0) 271(25.5) 337(25.0) 406(24.2) 중국 68(7.7) 111(10.4) 181(13.4) 271(16.2) 일본 149(16.7) 151(14.3) 168(12.5) 185(11.0) 기타 182(20.6) 207(19.4) 281(20.9) 363(20.6)   한국 49(5.5) 83(7.8) 145(10.7) 170(10.1) 총 계 885 1,063 1,348 1,678 <자료 : JARN(일본, 냉동공조전문지), 2005>

< 품목별/연도별 세계 냉동공조기기 시장규모, ( )는 % > 냉동공조산업 세계동향(3) < 품목별/연도별 세계 냉동공조기기 시장규모, ( )는 % > (단위 : 억 달러) 품목/연도 1996년 2001년 2006년 2011년 에어컨디셔너 233 276 369 479 냉동냉장고 163 192 250 310 압축기 79 99 121 151 자동차용 에어컨 105 132 153 173 전열기기 143 164 202 254 기타 162 200 253 311 총 계 885 1,063 1,348 1,678 <자료 : JARN(일본, 냉동공조전문지), 2005>

냉동공조산업 시장전망 2011년 세계 총생산은 약 1,700억불, 2011년 세계시장 한국 점유율은 10% 예상 - 한국은 단일 국가로는 중국, 미국, 일본에 이어 세계 4위 생산국   - 에어컨은 2004년 전 세계에 약 1,600만대 이상을 판매하여 세계시장 점유율 28% (2005년 일본 후지경제연구소, R&D Biz)

냉동공조산업 국내 규모 ‘07, 국내 총생산량은 9조원이며 생산량의 약 40% 수출 - 생산액의 50% 이상을 차지하는 냉장고 및 가정용에어컨은 대부분 해외 생산기지에서 생산하고 있으며 이를 포함 시 14조원 추정 - 국내 기업체 수는 약 2,000개사, 종사자 수는 약 50,000명임

Air Conditioner 생산 (국내) <Units : in thousands>

EHP 생산 (국내) <units>

GHP 용도별 현황 2004年 ~ 2007年 施設區分 數量 比率 (%) 敎育施設 7,350 36.97 醫療施設 1,110 5.58 宗敎施設 2,103 10.58 複合施設 3,036 15.27 官 公 署 882 4.44 其 他 5,399 27.16 合 計 19,880 100.0

대형 냉동기 출하량 (국내) <units>

오존층 파괴 (Ozone Depletion) Figure: TOMS 위성사진

이산화탄소 배출량 세계 온실가스 배출량 세계 10위(‘04년 기준, IEA 연료연소부문) 이산화탄소배출량 증가율 OECD 국가중 1위(‘04년 기준)

오존층 파괴방지 대책 오존층 파괴 지수가 높은 냉매의 사용 금지 (CFC, HCFC) 대체 냉매의 개발 (HFC) 자연냉매로의 대체 — 탄화수소계 냉매, 이산화탄소, 암모니아, 물, 공기 등

선진국(38개국) 제1차 공약기간(2008~2012)동안 1990년도 배출량 대비 평균 5.2% 감축 국내 주요 냉매 사용물질(1) 구분 규제대상 협약 협약 주요내용 주요 용도 비고 그룹 종류 CFCs CFC-11, 12, 115(R-502) 몬트리올 의정서 2010년부터 생산,수입금지 원심식/스크류냉동기(Chiller), 자동차 에어컨, 냉동탑차 HCFCs HCFC-22, HCFC-123, HCFC-124 2030년부터 생산, 수입금지 에어컨, 냉동기(Chiller) HFCs HFC-134a, HFC-152a, HFC-125, HFC-245fa 교토의정서 6개 Basket 규제물질에 포함 CFC 및 HCFC 대체냉매 선진국(38개국) 제1차 공약기간(2008~2012)동안 1990년도 배출량 대비 평균 5.2% 감축

국내 주요 냉매 사용물질(2) 구분 규제대상 협약 협약 주요내용 주요 용도 비고 그룹 종류 HCFC /HFC 혼합물 R-408A(FX 10) R-409A(FX 56) 몬트리올의정서/교토 의정서 2030년부터 생산, 수입금지 냉동기(Chiller) HCFC/HFC HFC R-404a, R-407c, R-410a 교토 6개 Basket 규 제물질에 포함 우리나라에서 CFC 및 HCFC의 대체냉매로 사용 천연냉매 R-717(암모니아) R-600a(이소부탄) R-290(프로판) - CFC, HCFC,HFC 대체냉매

국내 대체 냉매 동향 분야 과거 현재 미래(Indicative) 가정용 냉장고 CFC-12 HFC-134a, R-600a(Iso-Butane) R600a(Iso-Butane) 상업용 냉동기 CFC-12, R-502 HFC-134a, HCFC-22, HFC-404a, R-507A, HFC-410A, Ammonia, CO2, HydroCarbon HCFC-22, HFC-407C, Ammonia Ammonia 가정용 에어컨 HCFC-22 HFC-410A 상업용 에어컨 HFC-410A, HFC-407C 원심식 냉동기 CFC-11 HCFC-123, HFC-134a, HCFC-22 HFC-134a, HFC-245fa 스크류 냉동기 HFC-134a HFC-134a, HFC-407C, HFC-407E * TEAP Progress report (’07.5)

국내 냉매 생산 현황 (CFCs, HCFC) <한국정밀화학산업진흥회> 우리나라는 HFC 규제국이 아니여서 관련 규제법규가 없어 이에대한 루트파악 및 수치가 불가능함. <한국정밀화학산업진흥회>

국내 냉매 사용 현황 <한국정밀화학산업진흥회>

몬트리올의정서 제19차 당사국 회의 캐나다 몬트리올에서 ‘몬트리올 의정서’ 제 19차 당사국 회의 개최 에어컨 냉매 HCFCs 퇴출 스케줄 10년 앞당겨 캐나다 몬트리올에서 ‘몬트리올 의정서’ 제 19차 당사국 회의 개최 선진국은 2020년, 개발도상국은 2030년까지 HCFCs 전면 중지 우리나라의 감축목표 - 2015년 까지 10 % - 2020년 까지 35 % - 2025년 까지 67.5% - 2030년 까지 100 %

지구온난화 및 환경문제 정부 관심 및 활동 증대 가. 우리나라 기후변화 팀은 사무관 1명이 담당하였으나 2007년 9월 UN 고위급회담에 참가 이후 적극 대응 총리실에 기후변화대책계획단을 설치 (07년 10월). 5개년 계획인 4차 종합 대책 발표(07년 12월) 나. 2008년 7월 도쿄 글로벌 기후변화 확대정상회의 개최 : 우리나라 최초로 이명박 대통령 참석 다. 2008년 6월 국무총리실 기후변화대응 종합기본계획(안) “ Low Carbon, Green Korea" 발표 라. 향후 추진 정책 내용 : 온실가스 중장기 대책방안 마련, (가칭)기후변화대책기본법제정추진(정부입법), 탄소세등을 포함 금융, 세제로 추진

에너지효율 증진과 기후변화협약 대응 정부의 종합대책 추진 1999년부터 현재까지 3차례에 걸쳐 기후변화협약 대응 정부종합대책을 수립 * 제 3차 종합대책 주요내용(2005년 ~ 2007년) 협약 이행기반 구축사업 - 의무부담 협상기반 구축 - 온실가스 통계 및 분석 시스템 구축 - 온실가스 감축관련 연구 - 대국민 교육 / 홍보 - 교토메카니즘 활용기반 구축 부문별 온실가스 감축사업 - 통합형 에너지 수요관리 - 에너지 공급부문 온실가스 감축 - 에너지 이용효율 개선 - 건물 및 수송/교통 부문 관리 - 환경/폐기물 부문 - 농축산/임업 부문 기후변화 적응기반 구축사업 - 기후변화 모니터링 및 방재기반 확충 - 기후변화에 따른 생태계 및 건강 영향평가 - 냉매의 단계적 전환 - 환경친화적 자연냉매를 적용한 고효율 냉난방시스템 개발 냉동공조부분 target

대기업 에어컨 타겟 시장 변경(1) 대기업 시스템 에어컨 진출 가속도 실외기 한대의 마력을 높여 대형 건물에 설치하던 대형 냉동기를 에너지 효율이 높은 시스템 에어컨으로 변경 중인 추세임

대기업 에어컨 타겟 시장 변경(2) 삼성전자 : 난방능력을 25% 높인 시스템 에어컨을 사용, 최대 30% 이상의 에너지 절감효과 LG 전자 : 에어컨 매출의 30% 수준인 상업용 에어컨 매출 비중을 2010년까지 50% 높일 계획

실내환경 오염 에어필터/열교환코일 실내벽지 덕트내부 <34>

실내환경 제어 HVAC Heating Ventilation Air-Conditioning Fire Refrigeration Clean Air Era of Heating Era of Cooling Era of IAQ

냉동공조산업의 대응방향

냉동공조산업 변화 방향 환경 친화적 자연냉매 적용 시스템 선진국형 산업구조 지구 환경 보존 국민소득 증대 고효율 시스템 개발 에너지 절약 냉동 공조 산업 개편 21세기 신기술 개발 국제 기구 협력 쾌적성 및 공기청정 기후 협약 신성장 동력산업의 기반 CFC 규제

한국 자연냉매 사용 현황 시장에서 사용 되는 것 Water + 리튬브로마이드 가정용냉장고 이소부탄 냉장고개발 R600a 본격적 적용, 대형냉장고 50~60%사용 선박용, 냉동창고용(독성-사용규제), 민가 가까운 곳 불가 대형 냉동창고에 거의 사용 현재 삼성전자에서 개발 중 (CO2 압축기 개발 완료) 일본급탕기(효율이 난방은 좋으나, 냉방이 R22에 비해 저하) Absorption Chiller(대용량 플랜트, 빌딩) CO2 NH3/CO2 HC

냉동공조산업 대응 방향 (결론) 냉동 분야 에너지 효율 향상 자연냉매 적용 신성장 동력산업 기반 (극저온 냉동기술 응용) 공조 분야 에너지 효율 향상 및 쾌적성 (공기청정) 지역냉난방시스템 (대형화) 증발냉방시스템

Stirling Cryocooler TI(Texas Instruments) Sunpower(M77) SIGNAAL USFA Leybold RICOR TI(Texas Instruments) Ball Aerospace Daikin Sumitomo

Thales Cryogenics (네덜란드) 국외 기술 현황 구분 기관 및 회사 냉동기형태 연구내용 미국 Northrop Grumman Corp. • IDCA 탱크, 헬리콥터, 함정, 이동시스템용 350mW급 STC FLIR 민군겸용 열영상장치용 150mW급 STC EU Thales Cryogenics (네덜란드) 730mW급 STC AEG(독일) 군사용 1W급 STC 이스라엘 RICOR Micro IDCA용 220mW급 STC <Hughes - USA> <AIM – Germany> <FLIR - USA> <Thales - Netheland> <Ricor - Israel>

Evaporative Cooling 물의 증발잠열을 이용, 공기온도를 낮추는 냉방 방식 장점 에너지 투입 거의 없이 냉방가능 환경친화적 냉방방식 단점 최저온도가 습구온도로 제한 (냉방시 13~17oC 공급 필요) 건조한 지역에만 적용 가능 실내 습도 증가

극저온 냉동기술의 응용 분야 1. 공기의 액화 액체질소 (비등온도: 약 78K) : 진공을 생성, 고감도 기기의 냉각 2. 액화 천연가스 (LNG: Liquefied Natural Gas) 약 90% 이상의 메탄 (비등온도: 약 112K) 수송 및 저장 - 액화 3. 고진공 생성 신소재 개발, 고순도 전자부품 (특히 반도체)의 제작과정 환경실험에 이용 극저온 진공펌프 (Cryopump) 4. 수소연료 우주선의 추진용 연료: 액체수소(비등온도: 20K) 수소자동차의 연료

5. 통신 및 계측기기 고주파 증폭기 (Maser) 적외선 감지기 (Infrared Detector) 6. 수송기기 자기부상열차 (Magnetically Levitated Train) 자기추진선박 및 잠수함 : MHD (Magnetohydraudynamic) 7. 의료기기 극저온 저장 (Cryoperservation), 극저온 수술 (Cryosurgery) 자기공명 영상기 (MRI: Magnetic Resonance Imaging) 초전도 양자 간섭장치 (SQUID, Superconducting Quantum Interface Device)

8. 에너지 산업 초전도 발전기 Tokamak 융합로 초전도 자기에너지 저장 (SMES: Superconducting Magnetic Energy Storage) 9. 전자부품 및 컴퓨터 CMOS 이용 - High Speed & Low Power Dissipation 10. 과학연구기기 입자가속기 (Accelerator)와 충돌기 (Collider) 기포상자 (Bubble Chamber) 초전도 양자 간섭장치 (SQUID)

냉동사이클의 분류 냉동사이클 가스사이클 열역학적 과정 (Thermodynamic) 열전 과정 (Thermoelectric) HCFC/HFC계 냉매이용 자연냉매이용 (HC계, CO2, NH3 등) 압축-흡수혼합사이클 냉동사이클 가스사이클 열역학적 과정 (Thermodynamic) 열전 과정 (Thermoelectric) 열자기 과정 (Thermomagnetic) 전자 센서 냉각 극저온 냉동 장치 증기사이클 증기압축식 사이클 Sorption 증발 냉각 시스템 스터링, VM사이클 공기 Vortex 관, 맥동관 냉동등 흡수식 흡착식 수소 흡장식 화학반응식

Ch. 2 Thermal Principles 2-3 Properties (물성치) Temperature (C ) K = C + 273 Pressure (Pa) 대기압 : 101.325 kPa Density ( ) 표준공기 밀도 (25 C , 1기압) Speafic heat ( ) 공기 : 물 : Enthalpy (h) Entropy (s)

- 냉동 사이클 ( P- h 선도 ) - 이상기체의 법칙 P : 절대압력 (Pa) : 비체적 ( ) R : 기체상수 공기 : : 비체적 ( ) R : 기체상수 공기 : 물 : T : 절대온도(K)

Ch. 3 Psychrometry ( 습공기 선도 ) 공조기는 습공기를 다루는 경우가 많이 있음 (ex : 가습기, 냉각탑, 증발기….) 3-3 saturation line (포화선)

3-5 Humidity ratio (습도비, 절대습도) 3-4 Relative humidity 3-5 Humidity ratio (습도비, 절대습도) 수증기량 건공기량

3-6 Enthalpy 3-7 Specific volume 3-8 Straight Line Law : 건공기의 비열 (1.0 kJ/kg K) : 포화공기의 엔탈피 3-7 Specific volume 3-8 Straight Line Law

3-9 Adiabatic saturation & Wet bulb temp Adiabatic saturator

3-11 Wet-bulb Temperature 3-12 Process

3-15 Enthalpy potential Wet-surface temp 에서의 포화습공기 엔탈피 Free-stream

3-16 엔탈피 포텐셜에 대한 고찰 Heat transfer Air water Air water water air