지구촌 절전 대책은 공장의 조명 설비까지 그 효과를 미치게 됐다. 공장에 사용하는 에너지 가운데 조명에 쓰는 에너지는 20%를 웃돌 정도로 꽤 높은 비중을 차지한다. 그래서 LED 조명과 같은 고효율 조명으로 교체하는 움직임이 일고 있는데 이처럼 고효율 램프 · 조명기구를적용함으로써얻는에너지절감효과는어느정도이며, 조명교체후전기료를절감한실제사례를살펴본다.
정리 박지혜 기자 · 김미선 객원기자
최근에는 조명 설계를 3차원으로 행하는'광환경 평가 시스템'이라는 방법도 사용되고 있다. 같은 밝기라 해도 배경물의 색상 등 설치 상황에 따라 사람이 느끼는 밝기가 달라지기에 조명을 심리적인 관점에서 판단하는 재료로써 보다 구체적으로 설계하는 방법이다. 공장 조명은 LED의 더욱 높은 고효율화, EL의 보급, 얇은 경량에서의 고반사율, 렌즈 제어를 이용하는 기구의 개발, 사람이 대상물을 보는 방법 등의 연구가 진행 중이므로 앞으로 에너지 절감화가 한 층 이루어질 것으로 기대된다. 2005년 교토의정서에 따라 일본은 온실가스 배출량 6% 삭감을 목표로 잡았다. 2006년 4월부터 제1차 기간에 들어갔으며, 그 결과 1990년 12억 6100만t이었던 배출량이 2007년 12억 900만t(4200만t 감소)으로 감소해, 기준 연도의 배출량과 비교하면 목표치보다 4.1% 밑돌게 됐다(<그림 1> 참조). 예년에 비해 감소한 편이지만 목표 달성을 위해 남은 1.9%의 배출량을 삭감할 필요가 있었다.
온실가스 배출 감소 정책의 일환으로 일본은 2008년 5월 30일'에너지 사용의 합리화에 관한 법률(에너지 절감법)'을 개정했다. 당시까지 일정 규모 이상의 대규모 공장에 에너지 관리 의무를 부과했지만, 법 개정에 따라 <그림 2>와 같이 사업소 단위에서 사업자 단위(기업 단위)의 에너지 관리 의무를 부과했다. 또한 일정한 요건을 만족하는 프랜차이즈 체인에 대해서도 체인 전체를 일체화시켜 본부사업자에 대해 사업자 단위의 에너지 관리와 같은 관리 의무를 부과했다. 이로써 중소 규모의 사업소를 설치하는 사업자가 새롭게 의무 대상에 포함됨으로써 이 같은 많은 업체에서 에너지 절감을 검토할 필요가 생겼다.
2011년 3월 11일 발생한 동일본 대지진 후 원전폐로 및 재가동의 지연 등으로 일본에서는 급격한 절전 대책을 부득이하게 진행하고 있는 상황이다. 정부는 7월 1일에 도쿄전력, 도호쿠전력 관내에 있는 대규모 공장 등의 고액 전력 수요가에 대해 전년비 15%의 절전을 의무로 부과하는 전력 사용 제한령을 37년 만에 발동했다. 여름 전력 부족분에 대해서는 고액 전력 수용가에서 서머타임 등을 시행한 작업 체제의 변화 및 윤번 조업에 따른 휴무일 가동 등으로 극복했다. 생산성은 계속 유지하되 에너지소비를 억제할 필요가 있는 공장에서는 동력 및 열원과 같은 직접 생산성 및 운용성에 관한 것 이외에 특별히 조명 설비에서 얼마나 에너지를 절감할 수 있는지가 관건이다.
공장의 적정 조도 공장의 조명설비는 단순히 밝기를 확보하기 위한 것 뿐아니라,'생산성 향상'이 주된 목적이라고 할 수 있다. 이를 달성하기위해 작업원이 효율적으로 작업하기 위한 안전성 · 작업성 · 쾌적성 등의 확보가 필수다. 에너지 절감 추진을 위해 공장 및 대규모 시설에서는 더욱 높은 에너지 절감 효과를 요구하고 있지만, 지나치게 간격을 두고 점등하거나 극단적으로 소등하게 되면 작업원들에게 필요한 시환경을 손실함으로써 그 결과 대사고로 이어질 위험이 있다. 산업규격 조도 기준(KS A 3011: 1998)에서는 공장의 작업 내용에 따라 조도(빛을 받는 면의 밝기)기준을 정해 두고 있다. 조도는 주로 시 작업면(바닥 위 85㎝, 앉아서 하는 일일 경우 바닥 위 40㎝)에 있어 수평면 조도를 나타내지만 작업 내용에 따라서 수직면 혹은 경사면의 조도를 표시하는 것도 있다. 또 기준 조도는 설비 당초 값이 아닌 항상 유지해야하는 값이다. 간격을 두고 점등하거나 조명의 취부 방법을 바꾸는 경우에는 <표 1>의 조도 기준에 따라 각 구획의 적정 조도를 확인한 후 작업에 지장을 주지 않는 정도의 밝기를 먼저 파악해야 한다. 국부 조명을 사용해 기준 조도에 맞추는 경우 전체 조도는 국부 조명조도의 10% 이상인 것이 바람직하다. 더 좋은 시환경을 위해서는 조도 외에도 글레어(눈부심) 및 깜박임의 억제, 설치된 기자재 및 재료 등에 따른 그림자의 영향, 균제도(밝기의 밸런스) 등을 고려하는 것도 필요하다.
에너지 절감을 위한 공장 조명 공장의 기존 조명 설비는 주로 수은 램프나 메탈핼라이드 램프, 고압 나트륨 램프가 사용됐으나 최근에는 에너지 절감을 목적으로 발광관의 소재를 지금까지의 석영에서 세라믹으로 바꾼 세라믹 메탈핼라이드 램프 채용으로 옮아가는 추세다. 또한 LED조명기구가 주목받고 있으며 출력 및 빛의 폭에서는 무전극 HID 램프(PLS)가 우수하고 수명도 LED와 비슷한 정도의 램프가 개발되는 등 매우 양질의 광원으로 평가받고 있다.
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콤팩트 메탈핼라이드 램프 수은 램프용 안정기로 점등 가능한 세라믹 메탈핼라이드 램프도 있기에 수은 램프에서 그 램프로 바꿔 끼우는 것만으로도 같은 밝기를 유지한 채 램프수는 절반에 가깝게 줄일 수 있다. 소비 전력, 광속에 비해 램프 크기가 매우 작고 가벼워 조명기구 제조에 유리하고 효율이 높은 편이다. 실외 조명용인 150W급 개발부터 시작해 70W, 30W급으로 크기가 작아지며 실내용으로도 사용 범위가 확장되고 있다. 기존 실내 백열램프를 대체할 경우 50~90% 에너지 절약 효과가 있으며 형광램프 32W(광속 4000lm)와 콤팩트 메탈핼라이드 램프 150W(광속 1만 4000lm)와 비교할 경우 약 3.5배 광속 차이를 가지고 있어 에너지 효율이 높다. 제조 기술은 필립스, 오스람, GE라이팅 등의 기업이 보유하며 국내외 시장을 독점하고 있다. 램프당 4만 원이라는 높은 가격이 보급 확산에 걸림돌이다. 콤팩트(세라믹) 메탈핼라이드 램프는 다음과 같은 특징이 있다.
· 고효율, 높은 황색성 · 장수명(2만~4만 시간) · 벌레 유인성의 낮음
LED 조명 LED를 이용한 램프 및 조명기구의 개발이 최근 급속하게 진행돼 왔으며, 고황색인 데다 고효율화가 진행돼 LED 조명을 받아들이는 시설도 많아졌다. LED의 소자는 작아서 소자인 채로 사용하면 스포트라이트와 같이 좁은 범위만 비추게 된다. 그러나 각각의 소자에 반사판 및 렌즈를 붙이고, 그 전면에 확산 글로브Globe를 붙이는 등의 연구로 조명기구로 알맞은 빛의 폭을 가지게 된다. 또한 직류전원에서 점등시키는 것으로 조광 제어도 용이해 에너지를 절감할 수 있다. 광원 효율은 상용화 단계에서 100lm/W 이상으로 백열전구 및 할로겐전구에 비해 약 50%의 에너지 절감 효과로 각광받고 있으며 2020년에는 약 240lm/W 이상 도달할 것으로 예상된다. 수명도 길어 형광등 대비 약 5배 이상이며 기존 광원보다 칩크기가 0.3~2㎜로 광원 및 시스템의 소형, 슬림, 박형화가 가능하고 다양한 파장의 LED를 이용해 감성조명과 가변색 창출 등 다채로운 디자인이 가능하다. LED는 일반 조명뿐 아니라 휴대폰, 가전기기, 자동차, 디스플레이, 의료 등 조명을 필요로 하는 거의 모든 산업에 적용하는 부품이다. LED램프 및 조명기구는 다음과 같은 특징이 있다.
· 고효율 · 장수명(5만 시간 이상) · 수은 등 중금속을 쓰지 않은 친환경성 · 순시 점등 · 소등
무전극 HID 램프(PLS) 전구 내부에 필라멘트나 전극 없이 전구 외부 반도체 소자 또는 전자관 등에서 발생한 전자파를 여기코일이나 공동(Cavity) 등을 이용해 전자파가 전구에 인가하는 방식으로 인가된 전자파가 전구 내부의 물질을 방전하고 이때 전구 내부의 방전 물질로부터 방출되는 빛을 이용하는 조명. LG전자는 창고 및 공장 용도의 700W 제품 개발을 완료해 상용화 중이다. 경기장 및 투광용 1㎾도 보급 중이며 현재 1.8㎾급 개발 중이다. 재점등 시간을 최소화하고 램프 수량을 축소해 가격 절감과 전력비 절감이 현재 해결 과제다. 또한 용도에 적합한 색온도 및 연색성 확장이 요구되고 있다.
· 고효율 · 장수명(6만 시간 이상) · 무수은 및 RoHS* 규제에 영향 없는 친환경성
천장 높이에 따른 조명기구
고천장(10m 이상) 천장이 높은 공장의 경우 조명 자체의 소비 전력 외에도 높게 위치한 램프 교환 및 보수 유지, 청소 작업도 상당한 코스트와 시간이 요구된다. 그 때문에 고출력의 광원이 될 만한 기구를 줄이거나 수명이 긴 조명기구를 이용해 유지 보수의 작업 시간 및 횟수를 줄이는 것이 필요하다. 설치하는 조명기구의 종류는 기본적으로 저렴한 가격으로 승강 장치 등을 이용할 수 있는 차양 타입이 일반적이다. 이 경우 천장 높이가 높을수록 기구의 배광이 집광 타입을 이용하는 편이 작업 측면까지 빛이 도달하는 데 효과적이다.
중천장(6~10m) 높이가 6~10m인 천장의 경우 출력보다 빛의 폭 및 균제도를 높이기 위해 형광등이나 확산 타입의 HID 램프 조명기구, LED 조명기구 등으로 균일한 빛을 전반적으로 조사하는 것이 효과적이다.
저천장(6m 이하) 천장이 낮은 작업장의 경우에는 글레어(눈부심)를 충분히 고려해야 한다. 특히 세심한 작업을 하는 곳을 비추는 국부 조명의 경우 시작업을 하는 가까운 곳에 조명이 있는 경우가 대부분이다. 제어실 및 계기반을 볼 때나 컴퓨터의 디스플레이를 볼 때 그 유리면에 조명이 비춰짐으로써 작업에 방해가 되기에 차광 루버Louver 및 우유 빛깔의 글로브 등으로 빛을 부드럽게 하는 연구가 필요하다. 사용할 만한 기구로는 주로 직관형 형광등 및 형광등 타입의 LED 조명기구가 효과적이다. 이때 소자가 직접 보이는 LED 기구를 사용하면 높은 글레어가 발생해 작업에 방해가 되므로 주의한다.
* RoHS: Restriction of the use of Hazardous Substances in EEE. 전기전자 제품에 납, 카드뮴, 수은, 크롬, 난연제(PBBs, PBDEs)와 같은 유해물질 사용을 제한하는 유해물질 사용제한 지침. 2006. 7. 1 시행.
조명 교체와 에너지 절감 사례
LED 공장등 확산 운동'스마일 팩토리 서비스' 공장 등 사업장에서 에너지 효율이 높은 LED 조명으로 교체하고자 하나 사업주는 비용 면에서 상당한 부담을 갖는다. 작은 규모, 영세 업체일수록 더 그렇다. 그런데 한 친환경 에너지관련 업체가 그런 중소기업의 애로사항을 개선하고자 초기 투자비 없이 무이자 상환하는 프로그램으로 LED 조명 교체 서비스를 진행하고 있다. 일명'스마일 팩토리 서비스'는 8월부터 시작해 공장, 주유소, 업무시설 등의 조명 리뉴얼을 전개하고 있다. 현재까지 안산 반월공단의 성신공업 1공장, 전영화전 1공장, 안산 디지털센터(아파트형 공장) 내 중앙하이테크, 고양시 SCR, 부천 온수산업단지 관리공단 조일감속기, 인천 남동공단 청우A.T.S, 충남 당진 태화정공 공장에 LED 공장등 교체를 마무리했다. 조명 교체를 진행한 사업장은 50~70% 전기료를 절감할 뿐 아니라 작업장이 더욱 환해지고 쾌적해져 심리적으로도 긍정적인 효과를 얻었다고 한다. 썬테크놀러지(www.smileled.co.kr) 측은"전국적으로 중소기업 공장들이 꾸준히 기존 조명을 LED 조명(LED 투광등, LED 공장등)으로 교체해 전기료 절감을 실현하고 있다"며"연말에는 겨울 전력난을 우려하며 절전 문제가 관심을 끌면서 조명 교체 문의가 늘었다"고 전했다. 스마일 팩토리 서비스는 초기 투자비 없이 설치비를 포함한 모든 비용을 48개월간 무이자 상환하는 프로그램이다. 교체 첫 달부터 절전 차액으로 현금 수익이 발생되는 무이자 리스 서비스로, 신용 등급, 가입조건, 설치비, A/S 비용에 대한 부담이 없다. 가령, 공장 천장 메탈 램프(400W)를 COB LED 공장등 (100W)으로 교체할 경우, 사용자는 48개월간 월 1만 460원(1개당)만 부담하면 된다.
일본 요코하마시 냉장창고
백열등 200W 300대 이상의 설비를 같은 수의 18W LED 램프(사진右)로 교환함으로써 같은 밝기를 유지하면서 60㎾h 이상의 대폭적인 에너지를 절감했다. 조명기구 수명도 1000시간에서 4만 시간으로 늘어나 조명 교체에 따른 지출 및 유지 보수비도 절감했다.
일본 (재)COOPNETFOODS IQF 공장
이 공장은 주요 설비 · 기기를 통해 연간 CO₂감소량 64.9t의 목표를 잡았다. 이를 달성하기 위한 조명으로, 180W의 LED 고천장용 기구를 채용했다. 또한 기존의 수은등 400W 40등을 수명 4만 시간의 세라믹 메탈핼라이드 램프(발광관 2개, 사진 右) 190W로 교환했다. 그 결과, 전기료가 50% 이상 절감됐으며 램프 수명도 기존보다 4배 늘어나 유지관리비 절감과 에너지 절감을 실현하고 있다.
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