터보 냉동기는 냉수뿐 아니라 섭씨 0℃ 이하의 저온 열매熱媒를 정밀하게 온도 제어해 유저에게 공급하는 대용량 열원기다. 최근 고효율·고기능화로 진화하는 터보 냉동기는 지역 열 공급 사업자, 공장 열원 시스템 유저, 일반 대규모 공조 유저 중심으로많이 채용돼 에너지 절약 효과를 톡톡히 보고 있다. 터보 냉동기의 에너지 절약 효과 차원에서, 열원기와 연계 시스템 간의 운용에 있어 고효율 운전을 서포트할 수 있는 기술과 운전 지원 서비스의 확충이 무엇보다 중요하다. 이런 추세에 따라 열원기의에너지 절약과 복수 열원기 및 주변 기기를 효율적으로 운용하는 시스템을 소개한다.
터보 냉동기는 최근 흡수 냉온수기의 대체 열원으로 적용돼 보일러를 대신한 온열원 기기로 확대됐다. 터보 냉동기는 타 열원기와 비교해에너지 절약이 뛰어나 넓게 적용됐지만, 최근엔 기 기 고효율뿐만 아니라 유저가 고성능 유지 운용을실시할 수 있는 상품이 출시돼 서포트 기술 개발을추진 중이다. 이에 터보 냉동기의 기기 고효율에 대한 소개와 고효율 운전 서포트 유지 기술 및 기능운전의 제어를 소개한다.
터보 냉동기의 고효율 에너지 절약과 CO2 배출 억제라는 관점에서 터보 냉동기로 전환 수요가 급증하는 추세이다. 특히2000년 고효율 터보 냉동기 NART 시리즈의 발매이후 터보 냉동기는 계속 개선돼 왔다. 그 결과2004년 JIS(Japanese Industrial Standards) 조건에 있어 정격 COP 6.4까지 향상, 2010년 인버터기술 적용 이후로 부분 부하 운전 시 최고 COP24.8까지 달성했다(<그림 1> 참조).COP[-] = 냉각 능력[㎾]/소비 전력[㎾]
정격 성능의향상｜에너지 절약 개선 차원에서 터보냉동기의 전환 수요가 증가해 업무용 공조 소용량150~700 USRt ETI 시리즈를 시장 투입해 성능향상과 대용량의 고효율 성능 도입에 기여했다. 또한 한층 더 고효율화 된 기술로 ETI-40 ES를 세계최고 레벨 정격 COP 7.0, 부분 부하 시 최고 COP29.1을 달성했다.
부분 부하 시의향상｜최근 몇 년 동안 고성능화의 사고방식은 정격 조건에 있어서 COP가 아닌 연간 운전에 대한 부분 부하 조건과 저수 각수 온도 조건에있어 성능을 고려해 기간 효율화를 진행했다. 미쓰비시㈜에서도 연간 에너지 소비량을 효과적으로 절감할 수 있는 인버터 가속 제어를 이용해 2003년부터 부분 성능 향상을 달성해 왔다.
폐열 회수 히트펌프 수요 증가 공장에서 난방이나 살균 및 세정을 위한 가열을할 때 지금까지 중유, 천연가스, 화석연료 등 연소에너지를 사용했으나 에너지 절약, CO2 배출량 감소를 감안해 폐열을 이용한 히트펌프가 주목을 받게 됐다. 히트펌프는 가정용 급탕기와 같은 소규모에서부터 가열, 세정 및 공조 프로세스 등 산업용도까지 폭넓게 보급됐다. 공장의 냉각탑에서 대기 중에 버려지는 열이나 하수로 버려지는 10 ~ 50℃배출 열을 회수, 최고 90℃의 온수를 연속적으로 공급할 수 있는 온수 히트 펌프 ETW-L를 개발해 시판 중이다.
히트펌프 ETW-L의특징｜온수 히트펌프 ETW-L은온수 출구 온도 90℃, 열원수 입구 온도 50℃의 조건으로 가열 시, COP는 3.7이다. 보일러를 대체했을 경우 대폭적인CO2 감소 및 에너 지 절약으로 연결된다. <그림 2>는가열 능력 및 성능맵을 나타낸다. 열원수 입구 온도의적용 범위는 10℃~50℃으로 35℃이상의 열원수 90℃ 온수를 연속적으로 공급 출력할 수 있으며, 열원수 입구 온도가 10℃ 경우 온수 출구 온도는 70℃까지 된다.
화력 COP[-] = 가열 능력[㎾]/소비 능력[㎾]
히트펌프 ETW-L의 에너지 절약성｜정격 온도 조건열원수 입구 50℃/출구 40℃, 온수 입구 80℃/출구 90℃의 연간 운전 3330시간으로 전력요금 및 가스요금, CO2 배출량의 일반적인 보일러와 비교하면 <그림 3>과 같다. 일반 보일러와 비교하면 러닝코스트와 CO2 배출량을 큰 폭으로 절감해 에너지 소비감소의 관점에서 향후 보일러의 대체로 온수 히트 펌프 도입이 증가할 것이다.
보 냉동기 설비의 에너지 절약 시스템
과거 터보 냉동기의 유저 상당수는 고효율, 안정운용에 대한 것이었으나 최근에는 그 이상의 다양화·고도화의 요구가 강해졌다. ▲고효율 상태를간편하게 제어 ▲운전 데이터 모니터링 ▲피드백에따른 최적 운용 등 열원 시스템을 연속적, 안정적으로 운용하며 일괄 제어가 간단한 방식을 원한다. 이런 소비자 욕구를 충족하기 위해 종합 제어 시스템에너지 컨덕터를 2010년 4월 출시했다.
열원 종합 제어 시스템 에너지컨덕터｜<표 1>은 에너지 컨덕터가 갖은 6가지 제어 기능이다. 열원기의대수 제어·최적 부하 배분 제어, 냉수/냉각수 변류량 제어, 냉각탑의 풍량 제어를 통합 실시해 열원시스템 전체의 COP 향상을 <그림 4>로 나타냈다.
에너지 절약 효과사례｜에너지 컨덕터를 적용한 케이스의 에너지 효과 사례로 <표 2>에 나타냈다. 열원 시스템 기기 구성으로 1일 24시간 연간 365일 공장 부하를 상정해 에너지 컨덕터로 시스템을최적 제어할 경우 시뮬레이션 결과는 <그림 5>와같다. 냉수/냉각수 변류량 제어, 냉각탑 풍량 제어의 적용에 의한 냉동기 운전 효율은 약 9% 저하했지만보조기계 냉수펌프, 냉각수 펌프, 냉각탑의 소비 전력이 큰 폭으로 낮아져 시스템 효율은 약 26% 향상했다. 열원기 자본의 성능 향상, 에너지 절약이한계점에 도달돼 있는 현재 상태로 시스템 COP 향상에 매우 유효한 것을 확인했다.
실시간 운전 데이터 표시·평가기술｜운전 데이터 열람·평가와 최적 운용의 요구에 따라 터보 냉동기 운전 데이터를 컴퓨터 웹WEB에 실시간 전송,열람할 수 있는 시스템을 구축했다. 유저가 소유한냉동기의 운전 상태를 웹에서 열람해 미쓰비시㈜가실시한 운전 데이터를 평가 후 최적 운용 등을 제안한 서비스와 통합 작업 중이다. 이전에 원격 감시 솔루션을 선보였으나 초기 도입 비용이 높아 실제 도입 사례는 일부 유저에 한정된 아쉬움이 있었다. 그러나 지금은 터보 냉동기의 보증 기간 동안 유저가 인터넷 환경과 프로바이더Provider 비용만 부담해 소유한 터보 냉동기의 운전 상태를 볼 수 있는 서비스를 갖췄다(<그림 6> 참조). 유지 보수(Maintenance) 이력의 일괄 관리로 운전 상태 표시, 웹을 경유·수집 축적한 데이터를 이용한 정기 보고서의 작성, 고장 및 성능 열화 예지, 운전 상태 평가·최적 운전 제안을 제공한다. 많은 유저에게 최적의 운전 제안 등 고부가가치 서비스를 제공해 열원기 유저와 회사 간의 운용 정보를 공유·지원하는 쌍방향 서포트 시스템 확립이 목표다.
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터보 냉동기를 포함한 열원 시스템의 고효율 달성을 위한 열원기의 고성능화와 에너지 절약 요소의 최신 기술을 소개했다. 열원 시스템의 구성 요소인 최적 운전·고성능 유지를 위해 여러 가지 기능이 고기능화로 전환하고 있다. 에너지 절약을 향상하는 열원 시스템 기술 개발은 고효율 운전에 기여한다는 사실은 이미 실험을 통해 입증됐다. 아울러냉수뿐 아니라 온수도 효율적으로 공급할 수 있도록 개발해야 된다. 앞으로 에너지 절약 경향은 더욱가속화돼 유저나 시스템 설계 측이 설비 전체에 적용해야 될 기술을 냉동기 제조 회사 측에 요구할 것다.
국내 사례
터보 냉동기 최적 운전 제어로 지난해 148억 원 절감한 코엑스
코엑스는 총 연면적 129만㎡에 각종 무역 관련 기관, 숙박 시설, 전시 공간, 대형 쇼핑몰 등 13개 건물로 무역협회와 주한 미상공회의소 등 1866개사가 입주, 상주 인구만 2만 명 하루 평균 유동 인구가15만 명에 이른다. 거대한 위용만큼이나 전력 사용량도 전북 진안군의 1년 에너지 사용량과 맞먹는 1억 500만㎾h에 달한다. 코엑스는 자체적으로 시설 관리 시스템인 BEMS(Building Energy Management System)를 개발·도입해 전력 원가를 따져 매시간 변하는 전력원의 가격을 비교해 열원기를 운용하고 있다. 코엑스에설치된 출연식 냉동기 3기, 전기를 사용해 터보 냉동기를 돌리는 터보식 냉동기 3기, 가스흡수식 냉동기 3기는 BEMS를 통해 냉동기의 최적 운전 조합을 찾아내 전력 소모가 가장 높은 냉난방은 심야전기의 빙축열을 이용하고 있다. 이렇게 해서 전기, 가스, 수도 비용은 시간당 123만 3000원으로, 코엑스는 기존에 연간 평균 160억 원에 달하던 에너지 비용을 지난해 148억 원으로 낮추는 효과를 거뒀다. 전절형 LED 조명 기구 교체메탈, 방전등, 형광등이 설치돼 있던 기존 15만 9234개 조명 중 11%인 1만 8575개의 전등을 LED 조명으로 교체해 700만 원 상당의 비용을 감소, 연간 9만 4350㎾h의 에너지를 절감했다. 여기에 그치지 않고 추가적으로 태양광 조명 7개를 설치하고, 지하주차장 및 주차 램프, 공용 통로 등의 기존 조명을 LED 조명으로 교체해 올해 6716㎾h, 40tCO2, 약 4억 원을 추가 절감할 계획이다.
터보 냉동기 화학세관 전력 피크 제어, 냉동기 및 보일러의 제어 운전을 통해 연간 5097tCO2, 10억 원 상당의 에너지 절감목표를 설정했다. 연 1회 터보 냉동기를 완전 분해해 화학세관 실시 후 스케일이 제거돼 개선 전보다약 20%인 1291.6㎽h 상당의 에너지를 절감했다.
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