일반적인 흡수식 냉동기는 냉수 7~12℃, 냉각수 32~37℃ 온도조건으로 설계된다. 그러나 각각의 온도차를 10℃(7~17℃, 32~42℃)까지 늘릴 경우 온도차와 비례해 냉수 또는 냉각수 유량은 각각 절반이 되는데 이 시스템을 대온도차 공조시스템이라고 부른다.
유량이 줄어들 경우 유체를 이송하는 배관 및 펌프가 크게 줄어들어 초기 설비비 및 운용비가 대폭 절감된다.
그러나 냉동기의 냉수 출구온도를 7℃로 한다면 부하측 냉수 출구온도가 17℃까지 상승함에 따라 실내의 쾌적성이 떨어지게 된다. 이에 따라 쾌적한 대온도차 냉방시스템을 적용하기위해서는 저온냉수(5℃) 생산이 요구된다.
이러한 큰 장점에도 불구하고 대온도차를 사용하는 저온공조시스템을 쉽게 적용하지 못하는 이유는 냉동기의 응축온도 상승에 따라 발생되는 성적계수 감소와 흡수식 냉동기의 저온 냉수(5℃) 생산의 문제로 국내에서는 적용하지 못하고 있는 실정이다.
이에 따라 성지공조기술은 문제점을 극복할 수 있는 고효율 2단 저온수 흡수식 냉동기를 개발했으며 발생되는 문제점을 극복할 수 있는 기술들을 설비공학회 하계학술대회에서 발표돼 주목받았다.
대온도차 냉각수시스템을 적용할 경우 기존 32~37℃의 냉각수시스템에 비해 응축기 출구의 냉각수온도가 5℃ 상승한 42℃가 된다. 이에 따라 응축기 및 재생기의 압력이 상승해 응축 및 재생효과가 하락하며 냉동기의 성적계수가 크게 하락하는 문제점이 있다.
그러나 하나의 동체로 이뤄진 응축기 및 제1재생기 내부를 수직격벽으로 좌우 분리해 낮은 압력의 응축기와 높은 압력의 응축기로 나눠 2개의 응축기효과를 구현할 수 있다. 제1재생기도 낮은 압력부와 높은 압력부로 나눠 2개의 제1재생기 효과를 구현한 기술로 낮은 압력부에서 낮은 온수온도로 흡수액을 비등함으로써 재생과 응축효과를 향상시켜 성적계수 하락을 방지할 수 있다.
또한 보조 재생기의 전열관 배열을 넓혀 제1재생기 하부에 위치시키고 제1재생기의 낮은 압력부와 연통시킬 경우 보조 재생기의 압력이 낮아지며 보조재생기의 압력이 낮을 경우 보조 희용액이 낮은 온도에서도 비등되므로 재생과 응축의 효과가 향상되어 냉동기의 성적계수가 향상된다.
펌프내장형 대온도차 냉동기는 하나의 동체로 이뤄진 증발기 및 흡수기를 수평격벽으로 2단 분리시켜 냉수 출구쪽은 낮은 압력의 증발기와 흡수기가 구성되며 냉수 입구측은 상대적으로 높은 압력의 증발기와 흡수기로 구성되도록 구획한 기술로 냉수 출구측은 낮은 압력으로 증발 및 흡수가 가능하다.
냉매(물)의 비등점은 압력에 따라 변하며 압력이 낮아질수록 비등점의 온도 또한 낮아지므로 낮은 압력의 발생 및 유지는 흡수식 냉동기의 핵심기술이며 생산할 수 있는 냉수온도의 지표가 된다.
일반적인 냉동기의 증발기 및 흡수기의 압력은 1개의 구획으로 정해져 있으므로 내부는 평균 압력이 된다. 비등점온도가 높아 냉수와의 온도차가 적어짐에 따라 생산 가능한 냉수온도가 비교적 높다.
그러나 펌프내장형 대온도차 냉동기는 낮은 압력부의 구획으로 냉매의 비등점이 낮아 냉수와의 온도차가 커지므로 일반적인 저온수 2단 흡수식 냉동기에 비해 낮은 온도의 냉수 생산이 가능하다. 즉 냉수 출구측 구획의 압력을 낮게 함으로써 비등점의 온도가 낮아지고 냉수와 온도차가 커지므로 5℃의 냉수 생산이 가능하다. 이때 흡수기의 흡수성능도 함께 향상돼 성적계수가 향상되는 효과가 나타난다.
펌프내장형 대온도차 냉동기는 냉수·냉각수 물량이 50% 감소해 펌프, 냉각탑 등 동력이 30% 이상 절감되므로 ESG 및 탄소중립에 적합하며 화학세관 및 용액정제가 없어 폐기물이 미발생되므로 친환경 건축물 구현이 가능하다.
또한 냉동기 하부에 펌프가 내장돼 냉수·냉각수 배관, 펌프가 내재화돼 있으며 공장에서 100% 제작하고 현장에서는 조립만 해 화재사고예방, 공사기간 단축이 가능하다.
냉각수측에 자동세정장치를 일체화해 전열관 내부에 스케일 고착 및 효율저하가 없어 운전비 23% 감소 및 세관 유지보수비용을 절감할 수 있다. 흡수액 정제장치, 계면활성제, 부식 억제제 자동충전장치, 옥틸알코올 자동주입장치가 포함돼 운전비 4% 감소 및 정비 유지보수비용을 절감할 수 있다.
특히 일반 인버터펌프 운전은 1대 풀부하 시 다른 1대가 운전되지만 병렬식 인버터 운전은 각 펌프효율이 최고점에서 운전하도록 제어해 일반 인버터펌프대비 운전비 16% 절감할 수 있다. 냉각탑을 이용해 냉동기를 최적의 성적계수(COP)로 가동해 냉동기 운전에 소요되는 운전비를 절감시키는 시스템으로 냉동기+냉각탑 운전비의 9%를 절감할 수 있다. 펌프 내장형 냉동기로 배치했을 때 배관이 축소돼 공간활용도 가능하다.
일반 냉방시스템은 지하기계실에 냉동기와 펌프를 분리, 설치하고 옥상에 냉각탑을 설치해 냉각수배관을 연결하는 시스템이다. 하지만 대온도차 냉각탑 일체형 냉동기시스템은 냉동기, 냉각탑, 펌프 등이 일체화돼 옥상층이나 지하기계실에 설치되므로 건물 내 냉각수배관이 필요없다. 이에 따라 냉각수펌프 양정감소로 초기투자비 및 운전비를 절감할 수 있다.
일반 냉방시스템은 지하 기계실에 냉동기 및 펌프를 분리, 설치해 배관을 연결해 2개층을 사용해야 하지만 옥상층에 대온도차 냉각탑 일체형 냉동기 설치 시 기계실 공간을 주차장 및 분양면적으로 활용할 수 있다. 이를 통해 일체식 무세관시스템 23%, 용액 무정비시스템 4%, 냉동기 운전비절감시스템 9%, 병렬식 인버터펌프시스템 16% 등으로 운전비절감 효과가 있다.
박세웅 성지공조기술 차장은 “대온도차 펌프내장형 저온수냉동기와 일반 저온수냉동기 비교 시 초기투자비는 약21억원 절감, 운전비 20년간 약51억원, 유지보수비 20년간 6억5,000만원, 기계실건축비(51평) 2억원을 절감해 총80억5,000만원을 절감할 수 있다”고 강조했다.
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