쇼케이스 냉동시스템들의 최근 기술발전은 슈퍼마켓 산업구조를 형성하는 요인들을 반영하고 있는데 △극심한 경쟁 △낮은 이익률 △높은 에너지비용 △높은 냉매가격 △규제로부터의 압력 △대중의 인지도 등이 그 요인에 해당한다.
최근 국내의 편의점 점포수가 4만개에 도달하는 등 냉동·냉장시스템을 주로 사용하는 편의점, 중소형 마트의 시장규모가 증가하고 있다.
또한 쇼케이스 관련 냉동·냉장설비의 방향은 쇼케이스의 형식에 있어서는 점점 다양화, 고급화되는 동시에 에너지절약 문제를 해결하는 방향으로 국내·외 시장에서 진행되고 있다. 다단형, 평형, 아일랜드형 등 다양한 형식으로 개발되고 있고 소비자의 편의를 위해 덮개가 없는 형태도 증가추세에 있다.
쇼케이스의 종류는 리친(reach-in) 쇼케이스, 워크인(walk-in) 쇼케이스, 소형 냉장·냉동 쇼케이스, 다단 오픈 쇼케이스 및 평형 오픈 쇼케이스가 있다. 소형점포의 경우 소형 냉동·냉장 쇼케이스 또는 리친 쇼케이스를 주로 적용하고 편의점의 경우 소형 다단 오픈 쇼케이스, 워크인 쇼케이스, 냉동 리친 쇼케이스 및 소형 냉동 쇼케이스를 주로 사용한다.
에너지효율화 및 환경문제
식품 슈퍼마켓의 경우 일반적으로 연간 전력소비량의 약 60%가 냉동·냉장 쇼케이스 관련설비가 차지하기 때문에 점포의 유지비와 관련해서 에너지절약형 시스템이 절실하다.
구체적으로는 쇼케이스용 냉동시스템이 대략 50%, 쇼케이스 본체 관련 소비전력비율과 공조실 비용 등이 각각 15%정도를 담당하고 있다.
현재 21차 당사국총회에서 신기후체제 합의문인 파리협정이 타결됐고 한국 또한 2030년까지 전망치대비 37%의 온실가스 감축을 목표로 이러한 활동에 동참하고 있다.
대형 슈퍼마켓의 경우 액 냉매부와 기상 냉매부를 포함해 수백미터에 해당하는 배관을 연결하는 수백개의 연결부, 그리고 고온가스 제상을 위한 고온가스배관에서 주요 냉매의 누설이 생기고 매년 약 30%의 냉매를 보충하는 현실이다.
이에 쇼케이스관련 국내·외 기술개발 현황을 살펴보면 에너지절약적인 측면에서는 냉동기 내장형에서 분리형으로 변화, 인버터냉동기 채용, 실내 공조시스템과 쇼케이스의 상호조합, 제상히터없는 쇼케이스 등 에너지절약기술들이 개발, 적용되고 있다.
환경적인 측면에서는 CO₂를 이차유체로 적용한 냉동·냉장시스템이 개발, 적용되고 있다. 이는 HFC계열 냉매의 규제대응, 냉매 충진량의 획기적 감소, 에너지절감, 유지보수의 용이함에 기인한다.
보다 구체적으로 국내의 경우 오존파괴물질인 CFC 발포액 금지, 최신 혼합냉매인 R404A와 R410A를 적용하고 전자안정기 채용, 쇼케이스 도어 개선, 전자팽창밸브 적용, 인버터 압축기 적용, 쇼케이스 원격관리시스템 등을 적용하고 있다.
북미의 경우 CO₂ 냉매를 적용한 냉동·냉장 쇼케이스 개발, 열회수를 통한 온수생산, 외부공기 예열, 히트펌프 적용을 위한 열회수시스템을 적용하고 있다. 유럽의 경우 마이크로채널과 배관 및 용기기술을 적용해 냉매질량을 감소시키고 자연냉매 적용확대, 고체·액체 슬러리 및 보조 냉매 사용, 자기냉동(magnetic refrigeration)을 활용하고 있다. 일본에서는 친환경 시스템 적용(NH₃-CO₂ 케스케이드 시스템, 자연냉매의 활용), 에너지절약시스템(실내 공조시스템과 쇼케이스의 조합)을 도입하고 있다.
에너지효율적 쇼케이스시스템
CO₂ 캐스케이드 시스템은 유럽의 슈퍼마켓 시스템에 광범위하게 적용되고 있으며 최근 일본과 북미지역에서도 도입해 다양한 시스템 및 구성에 사용하고 있다. CO₂는 주로 캐스케이드 시스템의 하부시스템에 적용돼 냉장·냉동에 활용되고 상부시스템은 암모니아, 프로판, R410A 등 다양한 조합으로 시스템에 적용되고 있다.
CO₂ 캐스케이드 시스템의 한 예로 일본 내 슈퍼마켓을 대상으로 R410A·CO₂ 캐스케이드 히트펌프 시스템을 적용해 기존 3분할된, 즉 2대의 냉장 쇼케이스, 냉동 쇼케이스, 공조용 냉·난방시스템을 CO₂-R410A 캐스케이드 시스템으로 일체화했다. 냉장은 고온측 냉동기로 CO₂를 냉각시켜 이차냉매를 펌프로 강제순환했고 냉동은 CO₂부스터 압축기에 의한 직접 팽창식으로, 공조는 냉동·냉장의 배열회수 히트펌프를 도입했다. 이를 통해 [그림1]과 같이 총 20% 이상의 에너지절약효과를 거뒀다.
또한 식품의 보관능력향상과 냉매누설량의 획기적 감소, 환경친화냉매나 적용한계를 갖고있는 암모니아와 HC계열 냉매를 간접적으로 사용할 수 있는 이차유체시스템이 슈퍼마켓 냉동·냉장시스템으로 최근 각광받고 있다.
이차유체시스템은 냉동시스템에서 냉각된 이차유체를 순환시켜 냉장부하의 열을 제거하는데 이차유체 냉각시스템은 냉매가 포함된 배관이 전부 기계실 혹은 기계센터에 위치하기 때문에 누설제거 및 유지, 관리에 대한 접근이 용이하다.
또한 직접 팽창식보다 절반 가까이 적은 냉매 충전량으로도 구동이 가능하다. [그림 2]는 슈퍼마켓 적용 보스턴지역 내 이차유체시스템의 운영결과를 나타내는데 DX로 표시된 직접 팽창 시스템에 비해 연간 총 에너지사용량에 있어 약 10%의 절감효과를 나타내고 있다.
쇼케이스 시스템의 지속가능성
쇼케이스 시스템의 지속가능성을 위해서는 시스템 개발에 있어 친환경성과 에너지절약성을 동시에 추구해야 할 것이다.
친환경성을 위해서는 자연냉매 및 냉매 충진량 감소 시스템 개발이 시급하고 에너지절약시스템을 위해서는 캐스케이드 시스템 적용, 실내 공조시스템과 쇼케이스의 조합이 필요하다.
최근 일본, 유럽, 북미의 경우 CO₂를 중심으로 한 캐스케이드 시스템과 이차유체시스템이 슈퍼마켓에서 시장을 확대하고 있고 매장공조시스템과 연계해 환경적인 측면과 에너지 측면을 모두 향상시키고 있다.
이에 반해 국내에서는 이런 해외 기술의 변화에 느리게 대응하고 있어 선제적인 관련 기술개발 및 적용이 필요하다.
끝으로 슈퍼마켓 냉동·냉장시스템의 설계자는 식품보관 시스템의 속성을 명확하게 파악해야만 에너지효율적 속성 및 정확한 크기를 기반으로 구성요소를 선택할 수 있으며 시스템 효율을 높일 수 있을 것이다.
참고문헌
윤린, 슈퍼마켓의 이차유체 시스템, 설비저널 2014년 1월호
박창용, 북미 냉동/냉장 쇼케이스 관련 연구 소개, 설비저널 2011년 6월호
서정균, 편의점, 슈퍼마켓 지향 R410A/CO₂ 캐스케이드식 히트펌프 시스템의 개요와 성능평
가, 설비저널 2010년 11월호
권정태, 권영철, 쇼케이스 관련 냉동냉장설비 개발동향, 설비저널 2003년 7월호
쇼케이스 냉동시스템들의 최근 기술발전은 슈퍼마켓 산업구조를 형성하는 요인들을 반영하고 있는데 △극심한 경쟁 △낮은 이익률 △높은 에너지비용 △높은 냉매가격 △규제로부터의 압력 △대중의 인지도 등이 그 요인에 해당한다.
CO₂ 캐스케이드 시스템의 한 예로 일본 내 슈퍼마켓을 대상으로 R410A·CO₂ 캐스케이드 히트펌프 시스템을 적용해 기존 3분할된, 즉 2대의 냉장 쇼케이스, 냉동 쇼케이스, 공조용 냉·난방시스템을 CO₂-R410A 캐스케이드 시스템으로 일체화했다. 냉장은 고온측 냉동기로 CO₂를 냉각시켜 이차냉매를 펌프로 강제순환했고 냉동은 CO₂부스터 압축기에 의한 직접 팽창식으로, 공조는 냉동·냉장의 배열회수 히트펌프를 도입했다. 이를 통해 [그림1]과 같이 총 20% 이상의 에너지절약효과를 거뒀다.
또한 직접 팽창식보다 절반 가까이 적은 냉매 충전량으로도 구동이 가능하다. [그림 2]는 슈퍼마켓 적용 보스턴지역 내 이차유체시스템의 운영결과를 나타내는데 DX로 표시된 직접 팽창 시스템에 비해 연간 총 에너지사용량에 있어 약 10%의 절감효과를 나타내고 있다.
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