최신 히트펌프 기술의 활용과 효과(下) :: Today

Tech Story ▶▶▶ ※자료 : 원로과학기술인

펌프업계에서 환경 보호와 에너지 절약이라는 두 가지 토끼를 잡기 위한 기술들이 속속 등장하고 있다.

냉동 공조 기기에 대한 규제와 에너지 절약에 대한 목소리가 높아지면서 압축기의 고효율화, 터보냉동기와 열교환기기의 고성능화, 송풍기의 저소음화와 고효율화에 대한 기술 개발이 중요해지고 있다.

에너지 소비삭감 뿐만 아니라, 고효율화를 위한 기술개발에 대해 살펴보았다. <편집자 주>

5. 터보냉동기의 기술개발

가. 터보냉동기의 고효율화 변천

오일쇼크 이후 대체 수요를 맞고 있는 터보냉동기는 대부분 COP 4~5 정도이고 냉각수 스케일의 영향으로 성능저하가 진행되고 있는 것으로 추정된다.

CFC 냉매의 대체냉매를 시작한 1990년 전반의 고성능 기계도 COP 5.4 정도에 머무른다.

최초에는 고효율 HFC 냉매터보 냉동기로서 COP 6.1과 6.4가 개발되어 있어 초기보다 전력소비의 15~35% 정도 절감 가능하다.

나. 터보냉동기의 고성능화 기술

1) 기본성능의 향상

- 최적 냉동사이클의 선정

- 압축기의 고성능화

- 열교환기의 고성능화

2) 연간 에너지절약

- 인버터 구동 적용기술

- 고기능 통신기술

- 유지보수

다. 기본 성능의 향상

1) 최적 냉동 사이클의 선정

2단 압축 2단 팽창 서브쿨(subcool) 사이클은 1단 사이클 대비 성능 향상 정도가 10%이다.

2) 압축기의 고성능화

3차원 CFD 설계를 채용하여 임펠러 형상, 디퓨저, 리턴벤트(returnvent) 및 스크롤 설계를 최적화하여 공력 성능을 향상시킨다.

또한 50%의 베어링 손실 저감, 치차에서도 종래 대비 50% 손실 저감하여 기계손실을 저감한다.

3) 열교환기의 고성능화

전열관은 핵비등 촉진관을 채용하고 최적의 관의 그룹배치를 도모한다.

라. 연간 에너지절약

1) 인버터 구동 적용기술

원심압축기는 회전수에 의해 압축비가 결정되므로 회전수 변속제어에 의해 냉각수 온도 하한치를 내릴 수 있고, 외기온도 연동 운전이 가능하므로 최적 회전수 제어운전에 의해 대폭적인 에너지절약이 가능하다.

인버터 구동에 의한 변속 운전시 표준기종 대비 7~8월엔 10~15%, 기타 계절엔 50%에 달하는 에너지절약 효과를 얻을 수 있다. 업무용 저압전력을 기준으로 하면 전기요금을 연간 35% 절약 가능하다.

2) 고기능 통신기술

각종 운전 데이터의 원격 감시 기능을 한다.

3) 유지보수

냉동기 부품은 정기교환부품과 설계수명 15년 이상의 내구부품으로 나누어지는바, 정기교환부품도 경과연월뿐 아니라 운전상황에 따른 잔존수명 평가를 한다.

또 계속된 성능의 추이나 보수 이력 데이터베이스는 부품교환이나 튜브세정 등에 적절한 조치를 하는 판단 자료가 된다.

6. 축열식 공조시스템의 설계와 운전기술에 의한 우열

가. 축열조와 히트펌프 열원의 조합(냉난방과 급탕 시스템)

축열조는 단조식과 복조식이 있고, 현열이용 또는 잠열이용 방식인가 등에 따라 시스템이 결정된다.

단조식에 비해서 대형고층빌딩, 모텔, 병원 등의 급탕에 연간 냉온열원의 수요가 있는 건물은 히트펌프 열원에 의한 냉온 열원이 동시 공급되는 복조식과 냉·온 수조 모두 있는 전축열식과의 조합방식이 축열 효율, 운전 비용면에서 가장 바람직한 축열공조 시스템이다.

나. 축열방식의 선택

축열방식은 액티브 축열에 현열축열 방식만으로 할 것인가 또는 현열잠열축열 방식을 덧붙일 것인가를 선택한다.

다. 히트 펌프 열원 기종의 결정

냉난방, 냉동능력, 자격여부 조건에 의해 결정한다.

공랭식과 수냉식 또는 부속기기(언로드 및 백업용)를 한랭지 사양도 포함해서 기종, 냉동능력을 결정한다.

라. 고효율 축열방식으로의 설계변경

한정된 축열량의 활용범위를 확장시켜서 운용시의 축열식 공조 시스템의 효율 향상이 가능하도록 사양을 만든다.

축열조와 반송능력의 삭감, 냉온수 수질보호를 위해 열교환기(물-물) 이용의 경우, 2차측 냉온수 펌프의 온도범위를 7~9℃로 확장하기 위해 열교환기 전열면적을 확장하고 공조냉수 코일의 열수를 6~9열로 늘려서 공조출구온도(14℃)와 근접하게 해두는 것이 중요하다.

또한, 2차 측 냉온수 펌프는 냉온수 2방향 밸브제어와 인버터 또는 냉수압력 바이패스제어와의 병행에 의한 가변유량제어를 하여 축열 효율을 높인다.

축열조 개방회로의 1차, 2차측 냉수 펌프를 축열조 수면 이하로 설치하는 압입방식으로 하고 종횡의 냉온수 배관을 리버스 리턴방식으로 하여 관의 균등 저항화, 낙수 및 공기혼입방지, 풋(foot) 밸브 제거 등 유지관리를 배려 설계하여 운용 면에서도 효율화가 가능하도록 해둔다.

마. 피스톤 플로의 형성

히트펌프 열원제어(냉각수 출입구온도제어, 보조기기연동, 복수기계제어)와 1차 펌프 3웨이 밸브 일정유량제어 및 2차 펌프 저온수조 흡상과 공조기의 2웨이 밸브 가변유량제어와의 조합에 의해 또 냉각수압력 바이패스나 인버터 제어에 의해 피스톤 플로우(PF)가 만들어진다.

PF는 열원의 축열운전시에 저온수조측에 저온냉수(5℃ 이하)를 보내고, 저온수조에서 고온수조방향으로 연결관을 통해서 냉수를 보내 아침까지 모든 수조를 저온으로 냉각하게 되나, 그 고저 온도차 경계역의 좌우로 이동을 하면서 열원의 능력 상태에 따라 열원 1차 펌프는 고온수조와 저온수조로 흡상시켜 열원 입구 온도를 10~15℃로 3방향 밸브제어하며 송수시켜 냉동기로 냉각시키면 냉수출구는 저온(5℃)을 확보할 수 있게 된다.

한편 주간의 공조기 부하에의 방열시에는 저온수조의 냉수(5℃)를 공조기 코일 2웨이 밸브로 가변유량제어 시켜 온도상승(10~15℃)시켜 고온수조로 회수시켜야한다.

저온수와 고온수조의 온도차 경계벽(△T: 5~7℃)이 생기고 축열시는 왼쪽으로, 방열시에는 오른편으로 이동하
게 된다.

이 온도차 경계벽의 규칙적인 좌우 이동이 PF의 형성으로써, 축열량의 확장과 고효율 운전에 연결되며 연일(토, 일 휴일의 경우 일~목요일)엔 스케줄제어, 계절에 의한 건물부하증감을 반영하면서 이러한 플로가 반복된다.

바. BEMS에 의한 축열제어 감시와 경제성의 유지

심야 히트 펌프 열원의 축열제어, 축열조 고저 온도차에 의한 PF형성 및 주간방열시의 온도분포를 BEMS (Building Energy & Environment Management System)의 다점 트렌드(24~48시간) 감시를 행하여 주간관리기술자가 제어의 진단과 평가를 한다.

다점 트렌드에 의한 축열부하 예측과 열원기계대수 제어, 계절에 의한 전 축열 방식 운전, 추가 부하운전 삭감, 축열 운전 시간의 단축 등 축열조의 수위와 수질 등을 포함하여 종합적인 감시를 한다.