트레인코리아 / 노진덕

 

1. 서론

국제적으로 냉동기에 관한 기준은 미국냉난방협회(AHRI)의 규정에 의한 성능시험 및 효율이 주요 지표였고, 냉수플랜트 시스템은 미국공조냉동공학회(ASHRAE)의 많은 미국 엔지니어뿐만 아니라 세계 여러 나라의 엔지니어가 함께 회원으로 활동하여 발전되어 왔다.

장비AHRI 규정의 기계적인 부분에서 압축기, 열교환기, 냉매 등에 의하여 많은 변화를 거듭하며 발전하였고, 전기적인 부분에서도 기동반, 인버터(VSD), 제어 등에서 많은 발전이 있었다. 성능이 개선된 다양한 냉동기뿐만 냉수플랜트 시스템에서도 많은 변천이 이루어져, 최근 ASHRAE에서는 성능에 대한 평가를 냉동기에서 냉수플랜트 시스템으로 바뀌고 있다.

2. 본론

2·1 냉동기(장비)의 동향

냉동기는 미국공조냉동협회와 연방에너지부가 상업용 건물에 면적당 에너지 소비량을 낮추어 에너지 소비 절감을 추진하고 있으며, 2013년부터 ‘제로에너지’ 목표가 주어져 효율이 높은 냉동기의 필요성을 절실하게 느끼고 있다.

1995년, 터보 냉동기에 가변 주파수 드라이버(Variable Frequency Drives)가 처음 채택되었고, 이는 2005년도부터 급격히 증가하게 되었다. 급격하게 증가하게 된 배경에는 무엇보다도 점점 더 저렴해지는 가격과 고속회전 할 수는 컴프레샤의 베어링에 대한 기술발전이 있었기 때문이다. 가변주파수 드라이버가 장착된 냉동기는 아직까지도 가격이 매우 높기 때문에, 여러 냉동기를 한 곳에서 사용하는 시스템적으로 고려되어야 한다.

다음 <그림 1>과 같이 300냉동톤 이상에서 수냉식 냉동기의 성능평가는 미국공조냉동협회에 의해 1975년 최고효율로만 평가되었다가, 1999년에 부분부하 효율로 기준평가가 다시 제정되었다. 이후, 2010년에는 Path A 와 Path B 평가 기준이 소개 되었고, 2013년 최대부하 성능에 개선은 없었으나, 2010년 이후로는 부분부하 성능을 보다 중요시하는 경향으로 변화하여 어떻게 좋은 효율로 운전할 수 있는가 초점을 맞추고 있다.

                  

<그림 1> 냉동기 성능평가

2·2 압축기 설계

2000년부터 새로운 베어링과 인버터를 적용 할 수 있는 압축기가 개발되었다. 압축기는 아래의 공식과 같이, 리프트는 압축기 임펠러 크기에 영향을 주고, 냉동톤은 압축기를 통한 체적 흐름을 말한다. 체적 흐름을 결정하는 냉매는 효율에 매우 큰 영향을 끼치며, 임펠러로부터 최고효율을 달성하기 위해 임펠러 핀과 최적의 속도 조화가 필요하다.

아래 <그림 2>와 같이, 최근 터보 압축기는 마그네틱과 공기베어링은 중압의 압축기에 고속 회전하지만 일반베어링은 저압의 압축기에서 사용하고 있다.

최근 냉수 플랜트 시스템에 폐열 회수, 빙축열, 수축열, 프리쿨링 시스템을 적용하여 시스템에 효율을 높이는 설계를 많이 적용하고 있으며, 일본은 주도적으로 냉방과 난방을 동시에 사용할 수 있는 공기열 히트펌프의 시스템을 개발하여 많이 보급하고 있다.

               

<그림 2> 압축기 설계

2·3  냉동기 냉매

냉동기에 대한 환경적인 규제는 국제적으로 강화되어 왔으며, 현재는 세계적으로 냉매에 대해서 자연냉매, 가연성, 효율 및 온난화 지수에 대해 논의하고 있다. 유럽에서는 2030년까지 HCFs를 삭감하겠다는 계획을 수립하여 시행에 들어 갔으며, 미국, 캐나다 및 멕시코는 2016년 말까지 삭감계획을 발표하기로 하였다. 

최근, 하니웰, 캐모스 및 다이킨에서 온난화 지수가 낮은 대체 냉매를 개발하였고, 냉동공조 제조 업체에서도 HFO계열의 신냉매를 적용한 냉동기를 출시하고 있다. 현재까지 개발된 냉매 및 신냉매의 효율과 사용압력은 아래 <그림 3>을 참조하길 바란다.

            

<그림  3> 현재 개발된 냉매, 효율 및 압력

2·4  자동제어

냉수플랜트 자동제어의 중요한 동향을 3가지로 구분할 수 있다. 첫째, 제조사에서 제어의 시대 흐름에 따라 누구나 연결하여 관리 할 수 있도록 하기 위해서 오픈 프로토콜(Open Protocols)을 기반으로 BACnet, Lontalk 및 Modbus가 많이 사용되고 있으며, 이 중 국제표준 BACnet 오픈 프로토콜이 40%정도 차지하고 있다. 두 번째로 연결(Connectivity)은 인터넷, 노트패드 및 휴대폰에서 무선 네트워크를 이용하여 편리하게 관리 및 서비스를 할 수 하고 있다. 마지막으로, 웹 기반의 진단(Diagnostics)이 일반화 되고 있다. 냉동기 제조사에 웹 기반으로 중앙에서 진단, 예방정비, 및 에너지를 서비스 할 수 있는 시스템이 구축하는 방향으로 발전하고 있다.