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새로운 반도체 공정에서의 수축열 적용사례설비개요수축열시스템은 축냉시스템의 하나로 심야시간대에 냉수를 생산·축열조에 저장하였다가 이를 낮 시간대에 사용하는 냉방시스템을 말한다.축냉시스템은 계절간 또는 주야간의 수요격차로 인한 전력생산 비용을 상승시키는 요인을 감소시키는 가장 중요한 전력수요관리 수단이며, 부하평준화를 이루는 가장 효과적인 방법이다.<그림1>은 하절기 시간대별 전력수요 곡선이다. 그림에서 보는 바와 같이 주·야간 Peak치가 두 배 정도 차이가 난다. 이것을 일정하게 하는 것이 국가적인 목적이고, 다소 높은 초기투자비를 절감하기 위해 심야전력 지원제도를 실시하는 것이다. <표1> 및 <표2>에 심야전력 요금 및 지원제도를 보여준다.또한 <표3>에 보인 바와 같이 ESCO 사업을 통한 초기 투자비의 부담을 해소할 수 있는 혜택도 있다.수축열시스템은 잉여 심야전력을 사용하므로 화석연료를 사용하는 냉·온수기에 비해 운전비가 대폭 절감되고, 유지 및 보수가 편리하며, 부하변동에도 안정적이다. 또한 운전 시 CO2 발생이 적으므로 지구온난화에 미치는 영향이 작다. 원리 및 구조수축열시스템은 물의 현열(Sensible Heat)만을 이용하여 축냉 및 방냉을 하는 시스템을 말한다. 값싼 심야전력을 이용하여 수축열탱크(Chilled Water Storage Tank)에 4℃정도의 물을 저장한다. 물은 4℃에서 밀도가 가장 크기 때문에 이러한 밀도차를 이용해서 축열조에 냉수를 상·하부 섞이지 않도록 저장한다. <그림2>에 수축열시스템 흐름도를 보여준다. 수축열시스템은 빙축열시스템에 비해 상대적으로 높은 온도로 열을 저장하기 때문에 냉동기의 성적계수가 증가하고, 하절기 냉방용으로 사용하던 수축열조는 동절기 난방용으로 사용할 수 있으며, 축열조의 설계 및 시공이 용이하다. 또한 시스템이 간단하며, 냉동기의 효율적인 운전이 가능한 장점이 있다. 그러나 축열조의 면적이 커지고 축열조 내 온도성층화에 유의해야 한다. <그림3>에 수축열조의 성층화가 이루어지는 그림을 보여준다. 온도 성층화를 보다 효율적이고 우수하게 만드려면 물의 분배기(Diffuser)의 설계 및 시공이 매우 중요하다.설비 특징·정부의 적극적인 지원 및 한전의 무상지원금·시스템이 간단하므로 유지관리 편리·장기전원 설비건설계획에 의하면 원자력 발전비율이 40%까지 높아져 심야전력요금은 매우 안정적·일반 냉동기를 사용하므로 효율이 높고, 냉동기의 효율적인 운전가능·수축열조를 비상시에는 소방용수로 사용 가능하여 전체 건축비용 절감·갑작스러운 부하변동이 있는 곳에 유리·저온용액(Brine)을 사용하지 않고 물을 사용하므로 환경 친화적임·대부분 원자력 발전의 심야전력을 이용하므로 배출가스 없음·저온의 축열조를 이용하여 냉방하므로 양질의 냉방 실현·기존 냉동기에 수축열조만 추가하면 되므로 설치가 간단·빙축열, 흡수식 및 전기식 냉동기를 이용한 방식보다 운전비가 최저·온수를 저장하면 겨울철 난방으로도 사용 가능(열펌프, 태양열, 지열 이용 등)에너지 절약 적용분야기존의 축냉시스템은 대체로 사무실이나 상업시설 등 공조용에 적용되었다. 초기투자비는 다소 높지만, 유지관리비가 매우 낮아 축냉시스템의 적용은 많이 이루어졌다. 그러나, 산업공정용으로의 적용은 그다지 많이 검토되지 않았다. 산업시설에서는 전기식 냉동기로 냉방 및 설비 냉각을 하였다. 이는 산업용에 이용되는 냉각은 공조용에 사용되는 냉방과는 달리 냉방의 신뢰성과 운전비 절감이 무엇보다 중요하기 때문이다. 설비에 공급되는 냉각수가 중단되거나 공급온도가 불규칙할 경우 제품의 불량률이 증가할 뿐만 아니라 설비의 중단으로 인한 막대한 경제적 및 신뢰도에 손실을 입게 된다. 특히 반도체 설비의 경우, 제품의 정밀도가 매우 높고 사소한 온도 변화에 민감하므로 냉방의 신뢰성은 더욱 중요하다.이에 유지관리비가 많이 소요되어도 전기식 냉동기를 사용해서 공정용으로 사용하였다. 이러한 전기식 냉동기의 사용으로 인해 <표4>에서 보인 바와 같이 전체 소비전력의 51%를 차지하고 있는 산업용 전력이 주간 피크전력을 사용하여 전력 불균형 현상이 계속 심화되었으며, 이에 따른 전력부하 평준화를 위하여 국가에서는 많은 노력을 기울이고 있다.축냉시스템의 보급은 전력 수요관리에서 중요한 수단이며, 부하 평준화를 이루는 데 가장 효과적이 방법이다.에너지 절감 효과수축열시스템의 적용 시 아래와 같은 에너지 절감 효과가 있다·심야전력의 적용으로 기존 유지관리비의 약 40% 정도로 운영이 가능하며, 전력의 피크 억제 효과로 인해 연간 기본요금을 감소시켜 유지비 측면에서 많은 이점이 있다. ·부하 변동에도 잘 대응해서 고효율 운전이 가능하다. 다. 저온의 축열조에서 양질의 냉방 및 냉각을 실현하여 설비의 불량률을 저하시켜 생산성을 향상하는 효과가 있다. ·심야전력의 적용으로 건물의 수전설비 용량을 감소시켜 수전설비 용량 증대에 소요되는 막대한 초기투자비를 절약시켜 준다.·수축열을 포함한 축냉식 냉방설비 설치는 적용 건물 뿐만 아니라, 국가적으로도 치솟고 있는 유가에 대한 전력수요 절감이라는 국가적인 활동에도 큰 효과가 있다. 적용사례1. 반도체 설비에서의 수축열시스템 적용반도체 설비의 경우, 제품의 정밀도가 매우 높고 사소한 주위의 온도 변화에 민감하므로 냉방의 신뢰성은 매우 중요하다. 국내에서는 냉방의 신뢰성 등을 이유로 반도체 설비 등 공정용으로 사용이 많이 적용되지 않았다. 그러나 수축열시스템은 일반 전기식 냉동기보다 부하 대응성이 매우 우수하며, 냉방신뢰성도 우수하다. 국외에서는 이러한 냉방효과 및 신뢰성이 우수한 수축열시스템을 <표5>에서와 같이 많이 적용하고 있다.2. 반도체 설비의 부하특성반도체 설비는 설비의 부하가 계절에 따른 외기의 영향을 받는 것을 알 수 있다. <그림4>는 반도체 설비의 1년간 가동부하 특성을 보여준다. 이는 냉동기 가동에 따른 전력소비량을 도신한 것으로 장비는 연중 가동하며, 전력 사용량이 외기 온도변화와 같은 패턴으로 변화하는 것으로 설비의 부하가 계절 및 외기 온도에 영향을 받는 것을 알 수 있다.하절기를 제외하고는 적은 수의 냉동기로 설비 냉각 및 공조용으로 이용하고 있으며, 기본요금은 하절기 피크부하에 맞도록 높은 기본요금을 부담하고 있었다. 3. 수축열시스템 적용당 설비는 냉수를 제조해서 생산공정의 온·습도를 유지할 뿐만 아니라 생산공정 냉각수의 온도를 조절하기 위해 냉수를 공급하고 있다.전기식 냉동기를 이용하여 공조 및 공정용으로 사용함에 따라 운전요금 및 유지관리비 등이 매우 높았으며, 설비 증설 및 부하 증가로 인한 수전설비 및 냉동기의 증설을 고려해야 했다. <그림5>에 냉동기 용량 대비 냉동부하량에 대한 그림을 보여준다. 이에 냉방신뢰성이 우수하고 운전비가 저렴할 뿐만 아니라 수전설비 용량도 줄일 수 있는 수축열시스템을 적용하였다.거의 모든 공장은 예비용 냉동기를 보유하고 있으며, 이를 활용하여 수축열시스템을 설치하여 냉각설비의 정지 없이 수축열시스템을 설치하였다.수축열시스템의 경우 기존 전기식냉동기에 수축열조 등을 설치하여 간단하게 시스템을 설치할 수 있다. 전기식 냉동기에 비해 다소 높은 초기투자비는 ESCO 사업을 통해 초기 투자비를 줄이고 에너지 절약요금으로 상환하는 방식을 택하였다.<그림6>에 설치된 수축열시스템의 계통도를 보여준다.4. 경제성 평가<표5>에 투자비 및 유지관리비 등에 따른 경제성평가를 보이고 있다. 공정용으로 사용하는 경우 연간 운전이 되므로 일반 공조용보다 훨씬 우수한 경제성을 보인다. 전기식 냉동기 1대 증설하는 1안에 비해 초기투자비는 약 3.4억 원 더 소요되지만, 연간 운전비는 약 2.3억 원이 절약된다. 단순 투자회수기간은 약 1.5년으로 경제성은 매우 우수하다. ESCO 자금을 이용하여 에너지 절약요금으로 투자비를 상환할 경우 이자를 포함하여 약 3.6년의 경제성을 보인다. 초기투자비를 거의 투자하지 않고 ESCO 자금을 유효하게 활용하여 설치를 하였다. 5. 수축열시스템 운전 개선·수축열냉동기 축냉시 방냉 동시운전(동절기)부하가 적은 동절기에는 방냉 후 축냉시간이 짧아 전력비는 절감되나 야간에 냉동기가 1대 추가로 운전되어야 하는 문제가 있어 이를 축냉시에 방냉을 동시에 할 수 있도록 개선함으로써 야간에 냉동기 가동을 최대한 억제할 수 있었음.- 전력 절감 : 637,920 kWh/년- 절감 금액 : 18,000 천원·동절기 냉동기, 냉각수, 냉수pump, Cooling Tower등의 개선으로 전력사용량이 개선됨.동절기 공급 온도가 낮아 냉동기를 가동하지 않고 Cooling Tower를 이용해서 냉수를 공급하도록 개선. 이로 인해 냉동기를 가동하지 않아 전력을 많이 절약함.- 전력 절감 : 1,529,640 kWh/년- 절감 금액 : 21,000 천원·방냉펌프에 인버터를 설치해서 부하가 적은 동·춘추절기에는 추가적인 전력비 절감이 되었음.- 전력 절감 : 483,840 kWh/년- 절감 금액 : 25,000 천원 이로 인해 동절기 및 춘추절기에는 냉동기의 사용 없이 공정에 사용하는 냉수를 생산하고 있으며, 효율적인 관리를 통한 에너지 절약을 실현하고 있다. 반도체 설비에서 수축열시스템을 적용하였다. 주위 온도에 대해 민감도가 매우 높은 공정 상 수축열조에 있는 일정한 온도의 냉수를 공급하여 생산설비를 안정적으로 가동하며, 경제성도 매우 우수하였다. 수축열시스템의 도입 시 초기투자비는 일반 전기식 냉동기보다 조금 더 소요되지만 ESCO사업, 세제지원 및 한전 무상지원금 등으로 많이 감소할 수 있다. 요금이 저렴한 심야전력을 사용하는 수축열시스템은 전기요금을 절약할 뿐만 아니라 전력의 피크 억제효과로 인해 연간 기본요금 및 수전설비용량을 감소할 수 있어 유지비 면에서도 많은 이점이 있다. 또한 저온의 냉수를 축열조에 저장하므로 부하변동에 대한 대응이 매우 빨라 고효율 운전이 가능하다.또한 부하에 따른 Free Cooling 및 운전 개선 등으로 추가적인 에너지 절약을 얻어 낼 수 있어 추가적인 전력 절감을 기대할 수 있다.일반 전기식 냉동기의 경우 운전 중에 잦은 문제로 공정에 영향을 미칠 수 있는 경우가 수축열시스템에 비해 많은 반면 펌프로만 구동되는 수축열시스템의 경우 공정의 보다 안정적인 냉수 공급이 가능하여 생산성 향상에 많은 향상을 준다.특히 국가적인 차원에서 축냉시스템의 보급은 치솟고 있는 유가에 대한 전력수요 절감이라는 전력부하 평준화 정책에 도움을 줄 것이다. 첺<문의>(주)이앤이시스템(www.enesystem.co.kr)전화 : (02)523-0543 팩스 : (02)523-0544주소 : 서울특별시 서초구 서초3동 1577-4 금성빌딩 2층주요투자분야 : 빙축열, 수축열, (축열식)지열, 펌프, GHP, 필터, 터널환기 등
<Energy News>
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