인버터 터보 냉동기

터보냉동기는 일반 빌딩공조, 지역냉온방, 공장 공조 등의 중앙 열원방식에서 사용되는 냉열원기다. 기동시간과 응답성이 빠르며, 치밀한 온도 제어가 가능하며 유지 보수가 쉽고, 경년 열화도 적다는 특징을 갖고 있다. 또한 성능면과 CO2 배출량에서도 다른 열원기기에 비해 유리하기 때문에 환경문제에 관심이 높은 고객을 중심으로 터보 냉동기에 대한 수요가 높아지고 있다. 미츠비시중공업(주)에서는 올해초 기본성능의 개선과 더불어 가변속제어를 포함한 최적제어를 적용함으로써 비약적으로 성능이 향상된 신형 터보 냉동기 AART, AART-Ⅰ시리즈를 내놓았다. 서론 터보냉동기는 일반 빌딩공조, 지역냉온방, 공장 공조 등의 중앙 열원방식에서 사용되는 냉열원기다. 기동시간과 응답성이 빠르며, 치밀한 온도 제어가 가능하며 유지 보수가 쉽고, 경년 열화도 적다는 특징을 갖고 있다. 또한 성능면과 CO2 배출량에서도 다른 열원기기에 비해 유리하기 때문에 환경문제에 관심이 높은 고객을 중심으로 터보 냉동기에 대한 수요가 높아지고 있다. 당사는 2000년 이래 오존층을 파괴하지 않는 냉매 HFC-134a에 특화함으로써 지구환경의 보호에 주력함과 동시에 사회적인 요구인 에너지 절감을 위해 기기성능의 향상을 꾀해왔다. <그림 1>에 당사의 냉동기 성능의 변천을 표시한다. 세로축은 냉동기 성능을 표시하는 COP, 가로축은 연도다. 오일 쇼크 이후 에너지 절감을 추진하는 사회적인 흐름에 영향을 받아 고성능화가 추진되었으며, 20여년간 약 1.5배 이상의 성능향상을 달성하였다. 최근의 AART시리즈는 기기단체의 COP가 6.4에 달하고 있다.

기기 COP는 정격점에서의 성능인데, 연간운전에서의 COP도 함께 표시했다. 대형냉동기는 정격점에서의 운전비율이 적으며, 전체 운전시간의 9할 이상이 부분부하와 냉각수 온도가 낮은 운전이었다. 고객에게 있어서는 연간 COP가 러닝코스트와 직결되기 때문에, 정격점 이외의 성능이 매우 중요하다. 종래의 터보냉각기로는 연간운전 COP는 기기COP와 크게 다르지 않았지만, 가변속이 가능한 인버터기는 연간운전 COP가 아주 높으며, 기기 COP만으로 냉동기의 성능을 평가할 수 없었다. 이 글에서는 인버터 냉동기(AART-Ⅰ시리즈)를 중심으로 최근의 고성능기술에 관해 소개한다.

신형 인버터 냉동기 당사는 2000년에 판매하기 시작한 고정속도의 고효율 터보 냉동기 NART시리즈를 기본으로 인버터를 탑재한 가변속 NART-Ⅰ시리즈를 2003년에 발매해서, 고객에게 호평받고 있다. NART-Ⅰ시리즈는 부분 부하시의 최고 COP가 18.6과 고정속기에 비해서 3배 가까운 성능을 발휘하고 있지만 보다 나은 성능 향상을 위해 최신형 고정속 AART시리즈의 인버터화를 실시했다. (1) 압축기의 개량 현행 시리즈는 모두 2단 압축 사이클을 채용하고 있기 때문에, 인페라를 2장(제1단, 제2단) 설치하고 있다. 효율향상을 위해 제2단 인페라 출구에는 디퓨저팬 및 디퓨저폭 제어기구가 있지만, 디류저팬과 인페라브레이드와의 공진을 피하기 위해 가변속에의 대응을 할 수 없었다. 신형 AART시리즈에서는 제2단 디퓨저와 디퓨저폭 제어기구 대신, 제2단 인페라 입구에 팬제어기구를 설치했다. 취부에 있어서는 팬의 위치와 구조를 CFD로 해석해서 제어범위가 넓으며 효율저하가 낮은 형상을 선택해서 실기 검증하여 채용했다. 또한 인페라브레이드와의 공진도 피하고 광범위한 회전수제어를 가능하게 했다. 시작기에서 성능확인 결과, 저부하영역까지 고효율이며 안전된 운전을 할 수 있다는 것을 확인했다. (2) 최적제어 제2단 입구 팬의 추가설치에 따라 신시리즈에서는 요량제어방식이 변경되기 때문에 제어방법을 고쳐 최대부하에서 저부하영역까지 최적의 압축기 성능을 끌어낼만한 연산제어를 고안해서 최신형 마이콘제어반에 넣었다. 또한 인버터와 조합한 AART-Ⅰ시리즈에서는 회전수제어도 재점검했다. 그 결과, 제2단과 제2단의 매칭이 개선되었으며, 종래기에서는 안정적인 운전이 되지 않았던 저헤드역(저냉각수온도역)에서의 운전도 가능하게 되었다. 고정속기의 냉각수 입구 온도하한치는 종래의 20℃에서 12℃까지 낮아졌으며, 냉동기의 성능향상에도 크게 기여할 것하고 있다. (3) 저압인버터 터보 냉동기에 인버터를 적용해서 효율화를 꾀하는 기술은 약 20년 전부터 실용화되어 왔다. 단, 당시에는 인버터의 용량과 전압에 제한이 있었으며, 또 가변속의 제어도 쉽지 않았으며, 충분한 에너지절감효과와 단기간의 투자회수가 되지 않았기 때문에 일반적으로 보급되지 않았다. 그러나 최근 몇 년 사이, 저압 범용 인버터가 보급되었고, 또 대형 산업용도를 중심으로 고압대용량 인버터도 시장 투입됨으로써 터보 냉동기로의 적용을 재개하며, 대용량 냉열원기기로서의 고효율화를 꾀하고 있다. 고압 인버터는 당사가 제작하는 모든 인버터기의 약 1/3을 점하고 있으며, 97% 이상의 고효율, 고주파전류의 제어, 스위칭 서지가 낮다는 등의 장점이 있는 출력트랜스레스타입을 채용했다. 변환기 사양과 제어 소프트웨어 등은 당사 터보냉동기용에 커스터머이즈로 사용하고 있다. 전원계통으로의 영향을 배려해서 36펄스의 다상식 다이오드 정류방식에 의한 고주파 전류 함유율을 저감, 역률 0.95 이상을 확보해서 상류측의 전원계통으로의 영향을 최소한으로 억제했다. 또한 단산 3레벨인버터의 다단적 구성을 이용한 멀티레벨 PWM제어에 의해 스위칭서지를 저감하기 위해 전동기절연의 영향이 거의 없다. <그림 2>은 입출력 전압과 전류파형이다. (4) 운전범위와 성능특성 <그림 3>에 신형 AART시리즈 성능특성을 표시한다. 고정속의 신형기로도 전부하역에서 대폭적으로 성능이 향상되었다. <그림 4>는 미국 냉동공조공업회규격(ARI)에 기반한 조건에서의 성능평가에서, 지금까지의 성능평가에 사용하는 기간성적계수(IPLV)로는 종래기 6.4였지만 신형기로는 7.9로 대폭 향상되었다. 또 <그림 4>에 인버터기의 AART-Ⅰ시리즈와 NART-Ⅰ시리즈의 성능비교를 표시한다. 냉각수입구온도가 낮은 부분부하운전조건에 있어서는 압축기의 개량과 가변속 제어와의 조합으로 대폭적으로 성능이 향상되어 최고 COP는 20.3가 된다. 공장공조부하를 상정, 연간으로 에너지효과를 시산하면 소비전력에서 49% 삭감되어 전기요금에서 40%가 삭감된다.(현행 AART 고정기기에 대해 신형 AART-Ⅰ 인버터기에서의 삭감치) 결말 기본성능의 개선과 더불어 가변속제어를 포함한 최적제어를 적용함으로써 비약적으로 성능이 향상된 신형 터보 냉동기 AART, AART-Ⅰ시리즈를 소개했다. 이 시리즈는 2006년부터 판매를 시작했다. 냉열부하가 있는 대규모상업시설과 공장공조용도 등에서 대폭적인 에너지 절감을 실현할 수 있는 기기다. 앞으로 이 기기들을 사용해서 냉각탑과 냉수, 냉각수 펌프 등의 주변설비를 포함한 공조시스템 전체의 최적운동을 과제로, 고객의 에너지 절감과 환경대응, CO2 삭감의 요구에 대응할 수 있을 것으로 기대된다. 현재 일본 내에서 터보 냉동기의 기간성적계수를 평가하기 위한 통일된 지표는 정해진 것이 없다. 미국 ARI에서 정한 IPLV도 1대 설치시를 상정하고 있으며, 여러 대의 설치가 늘어나고 있는 지금으로서는 일반적이지 않다. 또 지냉플랜트 등의 실적 데이터로부터 얻을 수 있는 평가식은 냉각수온도를 낮출 수 없는 흡수냉동기와 동시에 운전하기 위한 제약 등이 있으며, 본기를 시작으로 최신 터보 냉동기의 실력을 정확하게 판단하는 지표가 되지 못한다. 최신 공장 설비 등에서의 실기운전 데이터를 수집해서 분석 평가한 다음에 국내용 기간성적계수로서의 새로운 평가기준을 확립해나갈 필요가 있다.