삼성전자, 영하 30도 대응 히트펌프 개발…알래스카 실증 추진

삼성전자가 기온이 영하 30도 아래로 내려가는 지역에서도 난방과 온수를 안정적으로 공급할 수 있는 히트펌프 기술 개발에 나선다. 미국 에너지부 산하 오크리지 국립연구소와 공동으로 기술을 고도화하고, 알래스카의 실제 주거 환경을 가정한 실증시험까지 진행할 계획이다.

이번 연구는 난방기기의 에너지원을 화석연료에서 전기로 바꾸는 흐름이 확산되는 가운데, 히트펌프의 약점으로 꼽히는 혹한기 성능 저하를 개선하는 데 초점이 맞춰졌다.

기온 내려갈수록 성능 떨어지는 히트펌프

히트펌프는 냉매를 순환시켜 외부에 존재하는 열을 실내로 옮긴다. 연료를 직접 태우지 않으면서 하나의 시스템으로 냉방과 난방, 온수 공급까지 처리할 수 있다는 것이 장점이다.

하지만 외부 기온이 낮아지면 냉매가 흡수할 수 있는 열도 감소한다. 압축기에 걸리는 부담이 커지면서 난방 능력과 에너지 효율이 함께 떨어질 수 있다. 북미 북부와 북유럽처럼 영하 30도 이하의 날씨가 장기간 이어지는 지역에서는 저온 운전 성능이 제품 경쟁력을 좌우하는 이유다.

삼성전자와 오크리지 국립연구소가 추진하는 공동 과제도 이러한 한계를 보완하는 것을 목표로 한다. 연구는 2027년 상반기까지 진행될 예정이다.

단일 압축기로 난방과 온수 공급 목표

삼성전자는 압축기 한 대를 사용하는 조건에서도 영하 30도 이하의 환경에서 난방과 온수 공급 성능을 유지할 수 있도록 증기압축 기술을 개선한다.

증기압축 방식은 외부의 열을 흡수한 냉매를 고온·고압 상태로 만든 뒤, 발생한 열을 실내 공기나 물에 전달하는 구조다. 열을 내보낸 냉매는 다시 외부에서 열을 흡수하며 같은 과정을 반복한다.

이번 연구에는 두 가지 기술이 핵심적으로 적용된다.

• 회전식 스크롤 압축기: 두 개의 스크롤이 맞물려 냉매를 압축하며 에너지 손실과 진동을 줄이고 장시간 운전 안정성을 높인다.
• 플래시 인젝션: 압축기의 상태를 감지한 뒤 필요한 시점에 냉매를 추가로 주입해 과열과 열효율 저하를 억제한다.

삼성전자는 압축기 구조와 냉매 제어 방식을 함께 개선해 극저온 환경에서 발생하는 성능 저하를 줄일 계획이다.

알래스카 혹한에서 실제 성능 확인

공동 연구로 개발된 기술은 미국 알래스카 페어뱅크스에 있는 로키국립연구소의 필드테스트 랩에서 검증된다. 페어뱅크스는 겨울철 월평균 최저기온이 영하 40도 안팎까지 내려가고, 역대 최저기온은 영하 50도 아래를 기록한 지역이다.

연구진은 시험실에서 확인하기 어려운 장시간 운전 조건과 급격한 기온 변화까지 반영해 다음 항목을 점검할 예정이다.

• 극저온 환경의 난방 능력
• 전력 사용량과 에너지 효율
• 장시간 가동 시 압축기 안정성
• 난방과 온수의 동시 공급 성능

실제 한랭지에서 검증한다는 점에서 제품 상용화 이전의 신뢰성을 확인하는 중요한 단계가 될 전망이다.

시스템에어컨과 히트펌프 보일러로 확대

삼성전자는 알래스카 실증 결과를 바탕으로 관련 기술을 냉난방 겸용 시스템에어컨과 EHS 히트펌프 보일러 등 다양한 냉난방공조 제품에 적용할 계획이다.

이번 연구가 예정된 성능을 확보하면 삼성전자는 일반적인 겨울 환경을 넘어 북미와 북유럽의 혹한 지역까지 히트펌프 공급 범위를 넓힐 수 있다. 향후 상용화 시점과 적용 제품은 공동 연구와 현지 실증 결과에 따라 구체화될 것으로 보인다.