도쿄전력·미쓰비시전기 공동 개발, 고효율 공랭식 히트펌프 빙축열 유닛에 대해

김대근 기자
입력 2014.01.06 00:00

도쿄전력·미쓰비시전기 공동 개발
고효율 공랭식 히트펌프, 빙축열 유닛에 대해

빌딩과 공장 등에서는 CO₂배출량 절감 및 러닝코스트 저감을 위해 냉·난방용 열원을 흡수식 냉온수기에서 공랭식 히트펌프 칠러로 전환하려는 리뉴얼 수요가 증가하고 있다. 그러나 리뉴얼시 기존의 공랭식 히트펌프 칠러에서는 축열조 설치 공간의 제약 및 도입비용 등의 과제가 남아있었다. 이러한 요구에 대응하기 위해 도쿄전력과 미쓰비시전기는 고효율 공랭식 히트펌프 빙축열 유닛‘콤팩트 큐브 ICE’를 개발했다. 여기서는 빙축열 유닛 ‘콤팩트 큐브 ICE’의 개요 및 특성에 대해 설명한다.

번역·정리 김대근 기자

빌딩이나 공장의 CO₂절감 추진이 요망되고 있는 가운데 CO₂를 보다 효과적으로 절감하는 비장의 카드로서 히트펌프 기술을 이용한 고효율 기기의 보급에 기대가 모아지고 있다. 특히, 건물의 에너지 소비량 중 큰 비율을 차지하고 있는 공조 부분을 히트펌프를 통해 고효율화함으로써 CO₂절감 효과를 크게 거둘 수 있다. 도쿄전력에서는 신축 건물을 계획 중인 고객뿐만 아니라, 리뉴얼 시기를 맞이한 흡수식 냉온수기 및 보일러를 사용하는 고객들을 대상으로 ‘고효율 열원기기 CO₂절감 리뉴얼에 관한 제안’을 실시해 많은 고객들이 채용하고 있다. 그 하나의 제안인 축열식 공조 시스템은 CO₂의 절감 효과뿐만 아니라, 계약전력 및 수변전 용량의 감소, 야간의 저렴한 전기 사용 가능으로 코스트의 절감 효과가 기대되는 한편, 축열조의 설치 공간 및 도입비용 등의 면에서는 아직 몇 가지 과제도 남아있다. 그리하여 도쿄전력과 미쓰비시는 고효율 열원기에 콤팩트한 빙축열조를 조합한 공랭식 히트펌프 빙축열유닛, ‘콤팩트큐브ICE’를개발하여 축열식 공조 시스템에 의한 CO₂절감 리뉴얼을 계획 중인 고객들의 기대에 부응하고자 그 제안 활동을 개시하였다.

콤팩트 큐브 ICE의 개요
콤팩트 큐브 ICE의 열원기에는 2008년도 에너지 절약 대상 ‘에너지 절약 센터 회장상’을 수상한 고효율 공랭 히트펌프 칠러 ‘콤팩트 큐브’(<그림 1> 참조)를 채용하고 있다. <그림 2>와 <그림 3>에 외관도 및 시스템 계통도를 나타냈다. 또한, 콤팩트 큐브 ICE는 다양한 시스템 구축에 유연하게 대응할 수 있도록 40마력, 60마력, 120마력의 3기종을 시리즈화했다. (<표 1> 참조) 또 열원기의 운전특성을 살려 지금까지 없었던 야간제빙 시의 운전효율(COP)을 실현시키고, 주간 운전효율도 한층 향상시켜 CO₂절감과 비용절감 효과를 기대할 수 있는 제품을 만들어냈다. 아래에 그 특징을 소개한다.

부분부하 효율이 높은 압축기 채용

콤팩트 큐브 ICE에서는 압축기에 부분부하 운전 시 효율이 높은 DC 인버터 구동 스크롤 압축기를 채용하고 있다. <그림 4>에 보이는 바와 같이 기존의 압축기에서는 정격운전 시 부분부하의 운전효율이 떨어진 것에 비해 본제품의 압축기는 정격운전 시 약 60% 가까이 운전효율이 높아졌다. 이를 통해 연간 공조부하의 대부분을 차지하는 부분부하 시의 운전효율이 향상되어 CO₂절감 효과를 높일 수 있었다.

제빙 시의 부분부하 운전을 통한 COP 향상
지금까지의 빙축열 유닛은 주간의 공조부하의 절반가량을 축열조로부터 충당하기 위해 축열조는 저렴한 전력을 사용할 수 있는 10시간(22:00~익일 8:00) 동안 열원기를 정격운전해 제조한 냉열을 저장하는 용량이었다. 콤팩트 큐브 ICE에서는 여름철 피크시간(13:00~16:00)의 공조부하를 충당할 수 있을 만큼의 축열조 용량으로 하였다. 따라서 기존의 빙축열 유닛과 비교해 축열조 용량이 한층 적어졌다. 본제품은 앞서 말한 부분부하 운전 시의 효율이 높은 압축기를 여러 대 탑재하고 있다. 따라서 100% 운전으로 단시간 축열을 행할 경우에 비해 효율이 높은 부분부하로 10시간에 걸쳐 천천히 압축기를 운전 제어함으로써(<그림 5> 참조) 제빙 시 COP가 기존 대비 약 3할이나 향상되었다.(120마력 빙축열 유닛의 경우)

야간운전 시의 저소음화

축열식 공조 시스템은 야간에 열원기를 운전하기 때문에 야간의 저소음화가 요망된다. 콤팩트 큐브 ICE는 <그림 6>에 나타난 대로 야간 축열 운전 시 압축기 및 송풍기 운전을 각각 인버터 제어를 통해 정격운전 시 대비 6㏈ 정도 소음치를 낮추었다.

콤팩트 큐브와의 조합에 대응
야간 부하의 대응 및 설치 공간 등의 제약으로 인해 전부 축열식 공조 시스템으로 리뉴얼하기가 곤란한 경우에는 축열식 공조와 비축열식 공조를 조합한 병용 시스템으로 계획하는 경우도 있다. 콤팩트 큐브 ICE(축열식)는 비축열식 열원(콤팩트 큐브)과의 병용 시스템을 집중 콘트롤러로 제어하여 복잡한 수배관 및 제어시스템의 조합 없이 병용 시스템을 쉽게 구성할 수 있다.(<그림 7> 참조) 여름철 주간의 공조 피크부하 시간대는 콤팩트 큐브 ICE의 열원기를 정지시켜 축열조에서의 방열운전을 통해 계약전력의 절감과 피크컷 효과를 통한 비용을 절감할 수 있다. 또 다른 주간의 추종운전 시간대는 효율이 좋은 비축열식 열원을 우선적으로 운전한다.

CO₂배출량 및 러닝코스트의 비교

흡수 냉온수기를 기존형 빙축열 유닛으로 리뉴얼하는 경우와 콤팩트 큐브 ICE로 리뉴얼하는 경우의 도입효과에 대한 비교를 <그림 8>에 나타냈다. 콤팩트 큐브 ICE는 지금까지의 빙축열 유닛보다 한층 높은 CO₂절감 및 비용절감 효과를 추구하여 흡수 냉온수기 대비 CO₂ 약 55%, 러닝코스트 약 71%의 절감을 기대할 수 있는 상품이다.

근래 히트펌프의 기술이 비약적으로 진보하여 과거 10년 사이에 전동식 열원기의 효율은 2배를 뛰어넘고 있다. 전력회사에서도 수력, 화력, 원자력과 같은 전원의 베스트믹스와 더불어 다양한 기술적 노력을 통해 CO₂배출의 원단위 저감을 목표로 하고 있다. 이 계통전력과 히트펌프의 조합으로 CO₂절감 효과를 더욱 높일 수 있게 되었으며, 연소식에서 전동식으로의 열원전환으로 유지보수 비용의 절감 및 본고에서 소개한 빙축열 유닛 등의 축열식 공조 시스템 채용을 통해 전력회사의 할인 메뉴를 적용받아 비용 절감도 꾀할 수 있게 되었다.