HFO 냉매의 대기 분해와 TFA 환경 영향｜로우 GWP 냉매의 새로운 환경 과제

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냉동·냉장 및 공조 산업에서는 지구온난화 영향을 낮추기 위해 기존 고GWP HFC 냉매를 보다 낮은 GWP의 냉매로 전환하는 움직임이 계속되고 있습니다. 특히 HFO(Hydrofluoroolefin)는 대기 중 수명이 짧아 일부 제품에서 매우 낮은 GWP를 구현할 수 있다는 특징 때문에 자동차 공조와 일부 냉동공조 분야에서 활용되고 있습니다.

하지만 냉매의 환경성을 GWP 하나만으로 판단하기에는 한계가 있습니다.

냉매가 설비에서 누설되어 대기로 방출되면 대기화학 반응을 거치게 되고, 일부 불소계 냉매에서는 TFA(Trifluoroacetic Acid, 트리플루오로아세트산)와 같은 분해산물이 생성될 수 있습니다.

TFA는 물에 잘 녹고 환경 중에서 이동성이 높은 물질이기 때문에 최근에는 HFO 사용 확대에 따른 TFA 생성과 수계 유입 가능성을 함께 평가해야 한다는 연구가 증가하고 있습니다.

다만 이것을 곧바로 "HFO는 환경적으로 위험한 냉매"라고 단정하는 것도 정확하지 않습니다. 실제 환경 영향은 냉매 종류, 배출량, 대기화학 조건, 지역 강수량, 수계의 특성 등에 따라 달라지며 현재도 지속적인 연구와 모니터링이 이루어지고 있습니다.

로우 GWP 냉매의 숨겨진 유산

1. HFO 냉매와 로우 GWP의 의미

냉동·냉장 및 공조(HVAC&R) 산업에서는 지구온난화 영향을 줄이기 위해 기존 고 GWP 냉매를 대체하는 기술이 지속적으로 개발되고 있습니다. 그중 HFO(Hydrofluoroolefin)는 일부 냉매에서 낮은 지구온난화지수(GWP)를 구현할 수 있다는 점에서 주목받고 있습니다.

HFO 계열의 대표적인 냉매로는 R-1234yf와 R-1234ze(E) 등이 있습니다. 이들 냉매는 분자 구조에 탄소-탄소 이중결합을 포함하고 있으며, 일반적으로 대기 중에서 비교적 빠르게 반응하는 특성을 가집니다. 일부 HFO의 대기 수명이 짧은 이유도 이러한 대기화학적 반응성과 관련이 있습니다.

대기 중 수명이 짧으면 냉매가 대기에 머물면서 지구온난화에 기여하는 기간이 짧아질 수 있습니다. 따라서 일부 HFO는 기존의 장수명 HFC 냉매보다 훨씬 낮은 GWP를 나타냅니다.

그러나 GWP는 냉매의 환경 영향을 평가하는 여러 지표 가운데 하나입니다. GWP가 낮다는 사실만으로 냉매가 대기 중에서 아무런 분해산물을 만들지 않는다거나, 수계와 생태계에 영향을 미치지 않는다고 판단할 수는 없습니다.

냉매의 환경성을 정확하게 평가하려면 직접적인 온실가스 영향뿐 아니라 대기 중 분해산물, 누설량, 에너지 소비, 회수·재생 가능성 및 설비의 전체 운전 기간을 함께 검토해야 합니다.

2. HFO가 대기 중에서 분해되는 과정

냉매가 설비에서 누설되거나 정비 과정에서 대기로 방출되면 대기 중 여러 화학종과 반응할 수 있습니다. 일부 HFO는 수산기 라디칼(OH)과 같은 대기 성분과 반응하며, 이후 여러 산화 중간생성물을 거쳐 최종 분해산물을 형성합니다.

이 과정은 단순히 냉매가 사라지는 현상으로만 이해해서는 안 됩니다. 원래 냉매의 대기 수명이 짧더라도 분해 과정에서 생성된 물질의 특성은 원래 냉매와 다를 수 있기 때문입니다.

일부 불소계 냉매의 대기화학 반응에서는 TFA(Trifluoroacetic Acid, 트리플루오로아세트산)가 생성될 수 있습니다. TFA는 물에 잘 녹고 환경 중에서 이동할 수 있으며, 일부 환경 조건에서는 오랫동안 존재할 수 있는 물질입니다.

개념적인 이동 경로는 다음과 같습니다.

HFO 냉매의 대기 방출 → 대기화학 반응 → 산화 중간생성물 형성 → 일부 경로에서 TFA 생성 → 대기 중 이동 → 강수 등에 의한 지표면 침적

다만 이 흐름이 모든 HFO에 똑같이 적용되는 것은 아닙니다. 냉매의 분자 구조에 따라 분해 경로와 TFA 생성 수율이 달라질 수 있습니다. 또한 배출량, 기상 조건, 대기 중 반응 및 지역별 강수 특성도 최종적인 환경 노출에 영향을 줍니다.

따라서 특정 HFO 냉매의 환경 영향을 평가할 때는 해당 물질의 대기 수명과 GWP뿐 아니라 분해산물에 관한 연구 결과도 확인하는 것이 바람직합니다.

3. TFA의 생성과 환경적 특성

TFA는 트리플루오로아세트산을 의미하며, 일부 불소계 화학물질의 대기 분해 과정에서 생성될 수 있습니다. HFO 냉매 외에도 다른 산업용 화학물질이나 농약 등 다양한 물질이 환경 중 TFA의 공급원이 될 수 있습니다.

TFA가 환경 연구에서 주목받는 주요 이유는 다음과 같습니다.

첫째, 물에 잘 녹습니다. 따라서 대기 중에서 생성된 TFA는 강수와 함께 지표면으로 이동하거나 수계로 유입될 수 있습니다.

둘째, 환경 중에서 쉽게 제거되지 않을 수 있습니다. 물질의 지속성과 이동성은 토양, 하천, 호수 및 지하수의 환경 노출을 평가할 때 중요한 요소입니다.

셋째, TFA의 환경 중 농도는 단일 배출원만으로 결정되지 않습니다. 냉매의 대기 분해뿐 아니라 다른 산업용 화학물질, 농약, 의약품 및 자연적인 공급원과 관련된 기여 가능성도 고려해야 합니다.

넷째, 환경 중에서 검출되었다는 사실과 특정 냉매가 그 농도를 유발했다는 결론은 서로 다릅니다. 물속에서 TFA가 검출되더라도 그 원인을 확인하려면 배출량 자료, 대기화학 모델, 지역별 측정값 및 다른 공급원의 영향을 함께 분석해야 합니다.

이러한 이유로 TFA 문제는 단순히 검출 여부만으로 판단하기보다 생성 경로, 환경 중 이동, 축적 가능성 및 실제 노출 수준을 종합적으로 평가해야 합니다.

4. R-1234yf와 TFA 관련 연구 결과

R-1234yf는 낮은 GWP를 가진 대표적인 HFO 냉매 중 하나입니다. 특히 자동차 공조 분야에서 기존 냉매의 대체재로 널리 알려져 있으며, 대기 중에서 빠르게 분해되는 특성을 가지고 있습니다.

이러한 특성은 GWP 측면에서는 장점이 될 수 있지만, 대기 분해 과정에서 TFA가 생성될 수 있다는 점도 함께 검토해야 합니다.

UNEP 환경영향평가패널의 2024년 평가 자료는 일부 냉매 대체물질의 분해 과정에서 TFA가 생성될 수 있으며, TFA가 환경 중에서 널리 검출되는 물질이라는 점을 설명합니다. 동시에 해당 평가에서는 당시 이용 가능한 자료를 바탕으로 수계의 측정 농도에서 사람과 생태계에 대한 위험이 낮은 수준으로 평가되고 있다고 정리했습니다. 다만 일부 수생생물과 장기간 노출에 관한 불확실성은 남아 있다고 지적했습니다.

2026년 6월에는 학술지 Environmental Science & Technology에 R-1234yf의 미래 배출 시나리오를 기반으로 중국의 TFA 침적과 호수 내 축적 가능성을 분석한 연구가 발표되었습니다.

이 연구는 2025년부터 2060년까지의 배출 시나리오를 적용해 TFA의 지역별 침적량과 호수 농도를 모델링했습니다. 연구 결과에서는 중국 내 지역별 차이가 크게 나타났으며, 북부 일부 지역에서 상대적으로 높은 농도가 예측될 수 있다고 분석했습니다.

그러나 이 결과는 미래 배출량을 가정한 모델링 결과입니다. 중국의 모든 호수에서 해당 농도가 이미 관측되었다는 뜻도 아니고, 다른 국가나 지역에서 동일한 농도가 발생한다는 의미도 아닙니다.

모델 결과를 실제 환경 위험으로 해석하려면 배출 시나리오의 타당성, 대기 이동 조건, 수계의 깊이와 체류시간, 강수량 및 현장 측정 자료를 함께 검토해야 합니다.

따라서 이 연구가 주는 중요한 시사점은 모든 HFO가 즉시 환경에 심각한 피해를 준다는 결론이 아니라, 사용량이 증가할 경우 발생할 수 있는 장기적인 분해산물의 환경 부담을 예측하고 실제 측정 자료와 비교해야 한다는 점입니다.

5. TFA의 수계 유입과 환경 영향 평가

TFA는 물에 잘 녹기 때문에 대기 중에서 생성된 뒤 강수와 함께 지표면에 침적될 수 있습니다. 침적된 TFA는 토양이나 하천, 호수 등으로 이동할 수 있으며, 지역의 수문 조건에 따라 환경 중 농도가 달라질 수 있습니다.

예를 들어 강수량이 많고 수계의 물 교환이 활발한 지역과, 수심이 얕고 물의 체류시간이 긴 호수는 같은 양의 물질이 유입되더라도 농도 변화가 다르게 나타날 수 있습니다.

따라서 환경 영향 평가에서는 다음 요소를 함께 확인해야 합니다.

• 해당 지역의 HFO 배출량과 배출 추세
• 대기 중 분해 및 TFA 생성 가능성
• 기상 조건과 대기 이동 경로
• 강수량과 건식·습식 침적
• 하천과 호수의 유입·유출량
• 수계의 수심과 물의 체류시간
• TFA의 실제 측정 농도와 장기 추세
• 다른 TFA 공급원의 영향

특히 물에서 TFA가 검출되었다고 해서 그 원인을 곧바로 HFO 냉매로 단정해서는 안 됩니다. 다른 화학물질에서 생성된 TFA가 같은 지역에 유입되었을 가능성도 검토해야 합니다.

환경 측정 결과와 모델링 결과는 서로 보완적으로 사용해야 합니다. 모델링은 향후 배출 시나리오에 따른 잠재적 영향을 추정하는 데 유용하지만, 실제 환경 상태를 확인하려면 측정 자료가 필요합니다.

반대로 단기간의 측정값만으로 장기적인 축적 가능성을 완전히 판단하기도 어렵습니다. 장기 모니터링과 배출원 분석이 함께 이루어져야 보다 신뢰할 수 있는 평가가 가능합니다.

6. TFA와 PFAS 규제 동향을 구분해서 이해하기

TFA와 PFAS는 최근 화학물질의 환경 지속성 및 이동성에 관한 논의에서 함께 언급되는 경우가 많습니다. 그러나 TFA의 환경적 특성에 관한 과학적 평가와 HFO 냉매에 대한 법적 규제는 구분해서 이해해야 합니다.

PFAS는 일반적으로 과불화알킬 및 다불화알킬 물질을 의미하는 광범위한 화학물질군입니다. 물질마다 분자 구조와 물리·화학적 특성, 환경 거동 및 독성 자료가 다를 수 있습니다. 따라서 PFAS라는 분류만으로 모든 물질의 위험 수준이나 규제 결과가 같다고 판단해서는 안 됩니다.

TFA의 분류와 규제에 관해서는 유럽화학물질청(ECHA)의 평가 동향을 확인할 필요가 있습니다. ECHA는 2026년 6월 TFA에 대해 생식독성 및 지속성·이동성 관련 분류를 권고하는 과학위원회 의견을 발표했으며, 2026년 10월에는 TFA의 조화분류 의견을 공개했습니다.

여기서 중요한 점은 과학위원회의 분류 의견과 최종적으로 발효된 법적 제한이 동일한 단계가 아니라는 것입니다. 실제 법적 의무는 적용되는 규정, 최종 결정 및 시행 일정에 따라 확인해야 합니다.

또한 PFAS 전반에 대한 광범위한 규제 논의가 진행되고 있다고 해서 모든 HFO 냉매가 이미 일괄 금지되었다고 해석해서는 안 됩니다. 물질별 정의, 용도, 예외 조항, 적용 지역 및 최종 규정의 범위를 확인해야 합니다.

냉동공조 설비를 투자하거나 장기 운영할 기업은 다음 항목을 정기적으로 검토하는 것이 좋습니다.

1. 현재 적용되는 냉매 관련 법규
2. TFA 및 관련 화학물질의 분류·평가 현황
3. PFAS 관련 규제안의 심사 및 최종 결정 단계
4. 해당 냉매와 설비 용도에 대한 적용 범위
5. 제조사의 공급 및 기술지원 계획
6. 대체 냉매의 안전성과 성능
7. 설비 수명과 향후 유지보수 비용

규제 동향을 확인할 때는 언론 기사나 요약 자료만으로 결론을 내리기보다 ECHA, 유럽연합 공식 법령 및 국내 관계기관의 최신 공지를 직접 확인하는 것이 바람직합니다.

7. GWP만으로 냉매의 환경성을 판단하기 어려운 이유

GWP는 일정 기간 동안 특정 온실가스가 이산화탄소와 비교해 얼마나 큰 온난화 영향을 주는지 나타내는 지표입니다. 냉매의 직접 배출에 따른 기후 영향을 비교하는 데 중요한 역할을 합니다.

하지만 GWP가 낮다는 사실만으로 해당 냉매가 모든 환경 측면에서 우수하다고 결론 내릴 수는 없습니다.

냉매를 선정할 때는 적어도 다음 네 가지 관점을 구분해야 합니다.

첫째, 직접 온실가스 영향입니다. 냉매의 GWP, 설비의 충전량, 예상 누설률, 운전 기간 및 회수율이 중요한 변수입니다.

둘째, 간접 온실가스 영향입니다. 냉동설비의 전력 소비로 발생하는 배출량도 전체 환경 성과에 영향을 줍니다. 따라서 실제 운전 효율과 전력의 배출계수를 함께 고려해야 합니다.

셋째, 대기 분해산물과 환경 거동입니다. 냉매가 대기 중에서 분해되는 방식과 생성물의 특성을 검토해야 합니다. TFA는 이러한 검토가 필요한 사례 중 하나입니다.

넷째, 안전성과 설비 적합성입니다. 가연성, 독성, 운전 압력, 압축기 호환성, 윤활유, 열교환기 및 제어장치의 적합성은 냉매 선정의 필수 조건입니다.

이러한 요소를 종합적으로 평가하려면 냉매 자체의 특성뿐 아니라 설비의 전 생애주기를 고려하는 접근이 필요합니다.

예를 들어 동일한 냉매를 사용하더라도 설비의 누설률이 높고 전력 소비가 크다면 전체 환경 성과가 나빠질 수 있습니다. 반대로 누설을 줄이고 에너지 효율을 개선하며 회수·재생 체계를 갖추면 환경 부담을 줄이는 데 도움이 됩니다.

8. 자연냉매와 HFO의 환경·안전성 비교

CO₂(R-744), 프로판(R-290), 암모니아(R-717)와 같은 자연냉매는 HFO와 화학적 특성이 다르므로 HFO의 대기 분해에서 발생하는 TFA 문제를 동일한 방식으로 적용할 수 없습니다.

그러나 자연냉매 역시 안전성과 설비 설계 측면에서 고려해야 할 조건이 있습니다.

8-1. 이산화탄소(R-744)

CO₂는 일반적으로 GWP가 1로 기준화되는 냉매이며, HFO와 같은 유기불소계 냉매가 아닙니다. 따라서 HFO의 대기 분해에서 나타나는 TFA 생성 문제를 동일하게 적용할 수 없습니다.

다만 CO₂ 냉동시스템은 높은 압력에서 운전할 수 있으므로 배관, 밸브, 압력용기, 안전장치 및 고압 제어의 적합성을 검토해야 합니다. 특히 외기 온도가 높은 지역에서는 가스쿨러 조건과 시스템 운전 전략이 성능에 영향을 줄 수 있습니다.

8-2. 프로판(R-290)

R-290은 낮은 GWP를 가진 탄화수소 냉매입니다. HFO와는 다른 화학 구조를 가지므로 HFO의 분해산물인 TFA 문제를 같은 방식으로 평가하지 않습니다.

그러나 R-290은 A3 가연성 냉매이므로 냉매 충전량, 설치 공간, 환기, 점화원 관리, 누설 대응 및 적용 표준을 검토해야 합니다. 낮은 GWP만을 근거로 안전성이 확보된다고 판단해서는 안 됩니다.

8-3. 암모니아(R-717)

암모니아는 산업용 냉동에서 널리 사용되어 온 자연냉매입니다. 일반적으로 매우 낮은 직접 GWP를 갖지만 독성이 있으므로 누설 감지, 환기, 작업자 보호, 안전구역 및 비상 대응 체계가 중요합니다.

자연냉매의 장점은 해당 시스템의 적용 조건과 안전 요구사항을 충족할 때 의미가 있습니다. 따라서 HFO와 자연냉매를 비교할 때는 환경 영향과 함께 에너지 효율, 안전성, 초기 투자비, 유지보수 능력 및 설비 수명주기 비용을 모두 검토해야 합니다.

9. 냉동설비에서 실천할 수 있는 냉매 환경관리

TFA와 같은 분해산물에 대한 환경 부담을 관리하는 데는 냉매의 불필요한 대기 방출을 줄이는 것이 중요합니다. 이는 특정 냉매에만 적용되는 원칙이 아니라 냉동공조 설비 전반에 필요한 기본 관리입니다.

9-1. 설계 단계의 관리

• 냉동 부하에 맞는 적정 냉매 충전량을 검토합니다.
• 누설 가능성이 높은 접속부와 서비스 포트를 관리하기 쉬운 구조로 설계합니다.
• 밸브, 배관 및 압력부품이 냉매의 운전 조건에 적합한지 확인합니다.
• 필요한 경우 누설 감지와 안전 차단 기능을 검토합니다.
• 제조사가 승인한 냉매와 부품 조합을 사용합니다.

9-2. 운전 단계의 관리

• 반복적인 냉매 보충 이력을 기록합니다.
• 압력과 온도, 전력 소비 및 운전 상태를 지속적으로 확인합니다.
• 비정상적인 압력 변화와 냉동능력 저하를 점검합니다.
• 누설이 의심되면 원인을 확인하고 적절한 수리를 진행합니다.
• 정기점검 결과를 누적해 설비별 누설 추세를 분석합니다.

9-3. 정비 및 회수 단계의 관리

• 정비 작업에서는 적절한 냉매 회수 장비를 사용합니다.
• 회수 냉매는 종류와 상태를 확인하고 용기를 구분해 관리합니다.
• 서로 다른 냉매가 혼입되지 않도록 합니다.
• 누설 부위를 수리한 뒤 필요한 기밀시험과 점검을 진행합니다.
• 냉매 재사용 또는 재생은 냉매 상태와 제조사 지침, 관련 규정에 따라 결정합니다.
• 회수와 충전 작업의 날짜, 냉매 종류, 회수량 및 충전량을 기록합니다.

이러한 관리 방식은 냉매의 직접 배출을 줄이는 데 도움이 되며, 설비의 운전 안정성과 유지보수 이력을 관리하는 데도 유용합니다.

다만 누설 관리만으로 TFA 문제 전체가 해결되는 것은 아닙니다. TFA 생성은 배출된 물질의 대기화학적 특성과 관련되므로, 냉매 선택과 배출 저감, 환경 연구 및 규제 동향을 함께 고려해야 합니다.

10. 콜드체인 설비의 냉매 선정 체크리스트

냉동창고, 식품공장, 대형 유통시설 및 물류센터에서 냉매를 선정할 때는 다음 항목을 검토할 수 있습니다.

10-1. 환경성 평가

□ GWP 값과 적용한 평가 기준을 확인합니다.
□ 냉매의 대기 수명과 알려진 분해산물을 확인합니다.
□ TFA 등 관련 환경 연구의 범위와 한계를 확인합니다.
□ 직접 배출과 전력 소비에 따른 간접 배출을 함께 검토합니다.
□ 회수·재생 인프라와 폐기 절차를 확인합니다.

10-2. 설비 적합성 평가

□ 냉매의 안전등급과 운전 압력을 확인합니다.
□ 압축기와 윤활유의 적합성을 확인합니다.
□ 열교환기와 팽창장치의 운전 조건을 검토합니다.
□ 필요한 누설 감지, 환기 및 안전장치를 검토합니다.
□ 제조사의 승인 조건과 유지보수 지침을 확인합니다.

10-3. 장기 운영 평가

□ 설비의 예상 수명과 냉매 공급 전망을 확인합니다.
□ 향후 규제 변화 가능성과 적용 범위를 확인합니다.
□ 대체 냉매 적용 시 필요한 설비 변경을 검토합니다.
□ 초기 투자비와 에너지 비용, 유지보수 비용을 비교합니다.
□ 누설률과 에너지 소비를 기록할 수 있는 관리 체계를 구축합니다.

체크리스트의 목적은 특정 냉매를 일률적으로 배제하는 것이 아닙니다. 프로젝트의 실제 운전 조건과 안전 요구사항을 충족하면서 전체 환경 부담을 줄일 수 있는 대안을 비교하는 데 있습니다.

11. 결론: 냉매의 전체 수명주기를 고려하는 설계

HFO 냉매는 낮은 GWP를 구현할 수 있다는 장점 때문에 냉동공조 산업의 대체 냉매 전략에서 중요한 역할을 하고 있습니다. 그러나 일부 HFO가 대기 중에서 분해되는 과정에서 TFA를 생성할 수 있다는 점은 냉매의 환경성을 보다 폭넓게 평가해야 한다는 사실을 보여줍니다.

UNEP의 2024년 환경평가와 2026년 발표된 R-1234yf 관련 모델링 연구는 서로 다른 관점의 정보를 제공합니다. 전자는 당시의 환경 측정 자료와 독성 평가, 불확실성을 종합적으로 검토했고, 후자는 미래 배출 시나리오에 따른 지역별 TFA 침적과 축적 가능성을 분석했습니다.

이 두 자료를 함께 읽을 때 중요한 것은 잠재적인 장기 환경 부담을 무시하지 않는 동시에, 모델 예측을 현재의 모든 지역에서 확인된 오염이나 확정된 위해성으로 확대 해석하지 않는 것입니다.

냉매를 선정하는 엔지니어와 설비 운영자는 다음 원칙을 적용할 필요가 있습니다.

첫째, GWP뿐 아니라 냉매의 대기 수명과 분해산물을 확인합니다.

둘째, 연구 결과를 해석할 때 실제 측정값과 모델링 결과를 구분합니다.

셋째, TFA 관련 과학적 평가와 PFAS 규제의 법적 적용 상태를 구분해 확인합니다.

넷째, 설비의 에너지 효율과 직접 냉매 배출을 함께 관리합니다.

다섯째, 냉매 누설을 예방하고 회수·재생 절차를 체계적으로 운영합니다.

여섯째, HFO와 자연냉매를 비교할 때 환경성뿐 아니라 안전성, 설비 적합성, 비용 및 유지보수 조건을 함께 평가합니다.

결국 친환경 냉동공조 시스템은 단순히 GWP가 낮은 냉매를 선택하는 것만으로 완성되지 않습니다. 냉매가 생산되고, 설비에 충전되고, 운전 중 누설되거나 회수되고, 재생 또는 폐기되는 전체 과정을 살펴야 합니다.

앞으로의 콜드체인 엔지니어링에서는 냉매의 직접적인 온실가스 영향뿐 아니라 대기 분해산물과 환경 중 이동, 에너지 소비, 안전성 및 회수 체계를 포함하는 수명주기 관점이 더욱 중요해질 것입니다.

참고 자료

1. UNEP, Environmental Effects Assessment Panel, Update Assessment 2024
2. Wang et al., Trifluoroacetic Acid (TFA) Deposition and Accumulation Potential from Future Emissions of HFO-1234yf in China, Environmental Science & Technology, 2026
3. European Chemicals Agency (ECHA), PFAS 관련 평가 및 규제 동향
4. ASHRAE, Refrigerant Designations and Safety Classifications
5. U.S. Environmental Protection Agency, Technology Transitions GWP Reference Table

참고 자료의 내용은 연구 발표 시점과 평가 범위에 따라 달라질 수 있습니다. 실제 설계와 규제 대응에 활용할 때는 최신 연구 원문, 공식 규정 및 해당 냉매 제조사의 기술 자료를 확인해야 합니다.