대한민국 기계설비 전시회(HVAC KOREA)는 4월10일 HVAC KOREA 통합 컨퍼런스로 냉동부문 학술강연회를 개최했다고 밝혔다.

 

냉동부문 학술강연회는 김민성 중앙대 교수가 좌장을 맡았으며 총 4개의 주제발표가 진행됐다. △컨테이너형 냉각솔루션 소개(이성만 한국코로나 상무) △냉각탑 일체형 냉동기모듈과 프리쿨링시스템의 경제성평가(이건해 신성엔지니어링 연구원) △냉각탑 일체형 냉동기시스템의 현장검증 및 발전사항(박세웅 성지공조기술 차장) △산업용 고온 히트펌프상용화와 그 응용(고희환 태양전기 수석연구원) 등의 주제발표가 있었다.

 

인건비·설치시간절감 강점 컨테이너형 냉각솔루션
이성만 한국코로나 상무는 ‘컨테이너형 냉각솔루션 소개’를 발표했다. 한국코로나는 1987년 일본 코로나의 버너를 공급하면서 사업을 시작해 온풍기·보일러·흡수식·냉온수기용 소형버너 등 다양한 연소장치를 개발·생산해 공급해오고 있다.

 

이번 발표에서는 한국코로나에서 유통 중인 글로벌 에너지그룹 ENGIE에 속한 ENGIE Refrigeration의 컨테이너형 냉각설비에 대해서 소개했다. ENGIE는 다국적 에너지그룹으로 전 세계 70여개 사이드를 운영하고 있으며 국제적인 네트워크망을 활용해 해외판매와 서비스를 제공하고 있다. 2023년 기준 ENGIE그룹 매출은 123조원이며 ENGIE Refrigeration은 2023년 기준 1,740억원 매출을 달성했다.

 

컨테이너형 냉각솔루션은 컴팩트한 모듈과 패키지형 솔루션을 장점으로 꼽을 수 있다. 공통 베이스프레임에 컴팩트한 모듈형으로 사전조립된 냉수·냉각설비로 노동력·인건비·시간절감 등을 추구할 수 있다. 공장에서 완전한 배선·사전테스트를 거쳐 운전을 완벽하게 준비한 상태로 출고된다. 이 때문에 현장설치 비용이 들지 않으며 전문가에 의한 산업용 조립형태로 현장에서는 전기와 물만을 연결하면 돼 굉장히 짧은 설치시간이 소요된다. 전기·물·통신을 위한 명확하게 정의된 인터페이스도 갖고 있다.

 

또한 컨테이너형 냉각솔루션은 건물외부에 설치되는 독립형시스템이기 때문에 작은 설치면적 만이 필요하며 냉각설비가 생산공간의 어떤 공간도 점유하지 않는다. 설치는 실외에서 이뤄지며 일반적으로 건축허가가 필요하지 않고 컨테이너 자체가 난방 및 조명이 갖춰진 기계실 역할을 수행한다. 또한 환경적 위험요소나 폭발위험성에 대한 보호를 동시에 제공할 수 있다.

 

냉각모듈은 △펌프모듈 △버퍼탱크 △판형 열교환기 △샌드필터 △제어 캐비닛 등으로 구성돼 있으며 단일 통합솔루션 안에서 냉수·냉각수 관리가 가능하다. 현재 구현된 솔루션으로는 ENGIE기업의 Quantum냉동기를 적용한 3가지정도가 있다.

 

먼저 A솔루션은 개방형 냉각탑적용이 불가능한 경우에 대한 최적의 솔루션으로 Quantum냉동기 B090-P3C-HH모델과 드라이쿨러를 적용했다. 냉각용량은 680kW, 열 배출량은 830kW이며 사용온도는 13~20℃다. 압력을 가진 밀폐시스템 및 냉수·냉각수 회로분리 시스템을 가지고 있다. 병원이나 연구시설 및 데이터센터 등에 적합하다.

 

B솔루션은 Quantum냉동기 W090-P2F-HH모델과 개방형 냉각탑(EWK)를 적용한 초고효율 솔루션이다. 냉각용량은 1,000kW, 열 배출량은 1,140kW이며 사용온도는 12~18℃다. 배수를 위한 리프트 장치와 4-챔버 수조의 구성을 가지고 있으며 짧은 납기기간의 솔루션이다. 인쇄산업, 유리산업, 반도체 생산 등 연속 공정냉각에 적합하다.

 

C솔루션은 컴팩트한 냉수 생산부를 가지고 있는 Quantum냉동기 B090-P3C모델과 사용자 공급냉각수를 적용했다. 사용자가 공급하는 현장 냉각수 네트워크를 통한 열배출이 이뤄지며 유연한 현장설치 및 최소한의 현장 설치작업으로 구축이 가능하다. 냉각용량은 700kW, 열 배출량은 860kW이며 사용온도는 5~10℃다. 플라스틱·자동차·화학 및 제약 등 기계냉각이나 비연속 공정냉각에 적합하다.

 

이 상무는 “컨테이너형 냉각솔루션은 병원이나 연구시설같은 특수적 사항이 요구되는 공조시스템분야 및 반도체 생산 등 연속 공정냉각, 기계제조·금속가공 등의 비연속 공정냉각, 양조장·맥아제조소 등 생산제품 및 제조라인 냉각, 데이터센터까지 아우르며 전 산업분야에 광범위하게 적용할 수 있다”라며 “컨테이너형 냉각솔루션은 냉각플랜트를 패키지형태로 이동시키기 때문에 이동성이 좋으며 산업분야별 특성을 고려한 솔루션을 준비해 구축해뒀으며 현재 네덜란드 암스테르담 및 독일 등에 실제 구축사례를 보유하고 있다”고 말했다.

 

대용량 냉동기 효율성 추구방안 제시
이건해 신성엔지니어링 연구원은 ‘냉각탑 일체형 냉동기모듈과 프리쿨링시스템의 경제성평가’를 주제로 현재 연구개발 중인 냉동기모듈과 프리쿨링시스템 사례와 성능 등을 소개했다.

 

신성엔지니어링은 고효율, 친환경, 신재생에너지, 특수산업 냉동공조분야 대표기업으로 중앙공조제품으로는 △터보냉동기 △흡수식냉동기 △흡수식 냉온수기 △스크류냉동기 △공조기 △빙축열시스템 △수축열시스템 △바닥공조 등을 공급하고 있다.

 

터보냉동기는 임펠러의 고속회전을 통해 증기를 흡입·압축하는 방식으로 압축가스가 냉동사이클을 순환해 냉동작용을 일으킨다. 터보냉동기는 대용량 냉동능력 대응이 가능하며 고효율 압축기로 대폭적인 에너지 절감실현이 가능하다. 또한 진동과 소음이 적어 조용한 운전이 가능하며 설비가 간단해 설치면적도 적다.

 

전 세계 터보냉동기 시장규모는 지속적으로 증가하는 추세다. 2023년기준 8억1,000만달러로 집계된 시장규모는 2032년 14억4,000만달러로 성장할 것으로 전망된다. 국내 터보냉동기시장은 약 1,000~1,200억원 규모이며 반도체·디스플레이공장·플랜트·공공기관의 시장을 점유하고 있다. 최근에는 데이터센터와 연구개발센터 등 에너지복합단지에서 적극활용될 것으로 전망되고 있다.

 

이처럼 터보냉동기의 활용처가 증가하는 가운데 조금 더 공간효율적인 설비구축과 에너지효율성 강화를 위해 냉각탑 일체형 냉동기모듈 및 프리쿨링시스템 개발이 추진됐다.

 

최근 기계실 내부공간 이용 효율증대가 요구되고 있으며 대용량 냉동의 경우 빌트업 냉각탑 설치 공사기간 및 비용이 증대되며 냉각탑과 냉동기를 연결하는 냉각수 배관 등에 설비 비용이 발생해 설비구축 시 부담이 커지는 상황이다. 또한 분리된 구성을 가진 냉동기는 부하변동 시 설비확장의 어려움을 지닌다.

 

냉각탑 일체형 냉동기모듈은 냉동기·펌프 등의 이전설치를 통해 기계실 및 옥외공간활용을 가능하게 하며 연결배관거리의 감소로 배관비용이 절담된다. 또한 부하변동에 대한 모듈추가 공급·조립을 통해 확장성이 용이하다. 냉각탑 일체형 모듈은 △제어모듈 △배관 및 펌프모듈 △서비스 모듈 △냉동기모듈 △중간배관모듈 1·2 △배관 및 열교환기 모듈 등으로 구성돼 있다.

 

프리쿨링시스템은 낮은 외기온도 조건에서 냉각탑만으로 냉수를 공급할 수 있는 에너지절약시스템이다. 일반적으로 비교적 온도가 높은 냉수확보가 가능하다. 수냉식방식으로는 열교환기 및 냉수·냉각수배관을 별도설치하는 간접열교환 방식, 냉각탑의 냉각수를 냉수로써 직접 수요측에 공급하는 직접 방식 등이 있다.

 

이 연구원은 “프리쿨링시스템의 경제성을 평가하기 위해 연구를 진행한 결과 외기 이슬점 온도 6℃이하 조건에서 프리쿨링시스템 적용이 가능했으며 2023년 기준 국내의 한 지역의 연중기온조건에 따라 연간 45% 프리쿨링시스템을 적용할 수 있음을 확인했다”라며 “최대로 프리쿨링시스템을 운전하게 되면 100% 냉동기 운전 소비전력대비 최대 24%를 절감할 수 있을 것으로 조사됐으며 이는 연간 최대 327억원 절감가능한 수치”라고 설명했다.

 

이어 “냉각탑 일체형 냉동기모듈과 프리쿨링시스템을 적용한다면 공간활용도가 높아지며 통합관리시스템으로 장비간 호환성 및 관리가 향상될 것”이라며 “나아가 소비전력 감소 및 CO₂배출량도 감소시킬 수 있다”고 시스템의 이점을 강조했다.

 

전산센터·산업시설 등 냉각탑 일체형 냉동기 적용사례 공유
박세웅 성지공조기술 차장은 ‘냉각탑 일체형 냉동기시스템의 현장검증 및 발전사항’을 주제로 실제구축사례 등을 발표했다.

 

박 차장은 “신기술 제품인 냉각탑과 냉동기, 펌프일체형 냉동기시스템은 10℃차 대온도차 냉동기적용으로 배관경 30%, 냉수&냉각수 펌프 및 냉각탑 동력이 30~40% 감소된다”라며 “냉각수 배관공사가 없어져 공사비가 감소되며 펌프양정도 크게 낮아 냉각수 펌프 운전비가 줄어든다”고 설명했다.

 

성지공조기술의 대표적 납품사례를 분야별로 정리하면 △판매시설 △산업시설(옥상설치) △지식산업센터(옥상설치) △업무시설 △주상복합(옥상·지하) △리모델링 △전산센터(실내) 등이 있다.

 

구미 삼성 SDI는 산업시설 옥상설치 사례로 기존 장비교체 공사로 운전 휴지기간을 최소화하기 위해 완제품 공장출고형으로 제작됐다. 현장 단순조립으로 장비설치에서 시운전까지 3일이 소요됐다. 설비확장도 지속적으로 진행 중인데 사이트 부하증가 시 병렬식으로 냉각탑 일체형 냉동기를 1대씩 추가해 2021년부터 매년 추가해오고 있다.

 

부천 효성 해링턴 플레이스는 주상복합 옥상설치 사례로 근생시설 옥상에 냉각탑 일체형냉동기를 설치해 지하기계실 면적을 지하주차장으로 활용할 수 있게 했다. 주상복합 건물인만큼 디자인시트 및 상부조경을 통해 건축물과 조화를 추구하며 혐오시설 민원에서 탈피했으며 저소음으로 세대 내 만족도를 높였다.

 

고양 삼송 e편한세상시티 3차·4차는 주상복합 지하설치 사례다. 경관·백연·혐오감 등으로 인해 냉각탑 외부설치가 불가한 현장이었으며 일체형 냉동기를 지하기계실에 설치했다. 일체형을 적용하면서 27층까지 냉각수 샤프트가 없어졌기 때문에 방 배치 및 평면구성이 조금 더 효율적인 구성을 갖게되며 평면사용 면적도 증가했다.

 

박 차장은 “한국지역난방공사가 발주한 대온도차 적용 타당성 검토 연구용역으로 경기도 고양시에 자리한 연면적 17만4,719.47㎡(약 5만2,945평) 규모의 지식산업센터에 냉각탑 일체형 대온도차 냉동기 적용시 경제성을 판단했을 때 냉동기 기계실 및 냉각수 샤프트가 없어져 총 동력 1,165kW가 줄어들었다”라며 “초기투자비 36.8억원, 운전비 121.8억원, 유지보수비 5.7억원 등 총 약 164억원의 절감효과를 얻을 수 있었다”고 말했다.

 

성지공조기술이 향후 선보일 냉각탑 일체형 냉동기 차세대 라인업으로는 △냉각탑·공조기 일체형 냉동기 △냉각탑·실외기 일체형 냉동기 △냉각탑·연료전지 일체형 냉동기 △냉각탑·탈취기 일체형 냉동기 △냉각탑·입체식 듀얼냉수 냉동기 등이 있다. 기타 신기술로는 △착탈식 무동파 코일 △스케일 제거 및 부식방지시스템 등을 보유하고 있다.

 

운전·유지비용 고려시 고온 히트펌프 이점↑
고희환 태양전기 수석연구원은 ‘산업용 고온 히트펌프상용화와 그 응용’을 주제로 태양전기에서 구축한 솔루션과 향후 고온 히트펌프 활용가능성에 대해 설명했다.

 

고 수석연구원은 “히트펌프는 미활용열을 유용하게 이용하기 위해 열의 등급을 높이는 기술로 보면 된다”라며 “2050탄소중립 정책방향에 따라 산업용 고온 히트펌프 R&D가 진행되고 있다”고 최근 동향을 설명했다.

산업용 고온 히트펌프의 핵심기술은 △윤활유를 사용하지 않는 자기부상 고온용 원심 냉매압축기 △고온적용이 가능한 냉매 등으로 설명할 수 있다. 원심 냉매압축기는 고속화와 소형화의 추세로 기술이 변화하고 있다. 기존에는 110~155kW급 윤활유사용 원심 냉매압축기가 주로 활용됐으며 R-11,R123 냉매가 적용됐다. 이후 새롭게 개발된 압축기는 120kW급 1단압축 무급유 원심냉매압축기로 R-245냉매가 적용된다.

 

자기부상 원심 냉매압축기의 주요 특징으로는 △소형화 △자기부상 베어링 △고속화 5만rpm △고온 냉각기술 △높은 압축비 △Low GWP 신냉매 대응 등으로 설명할 수 있다.

 

고온 히트펌프는 기존산업체 및 미활용열이나 폐열이 발생하는 모든 산업현장에 적용가능하며 지역난방, 초저습 드라이룸, 산업용 클린룸에서도 활용될 수 있다. 특히 지역난방의 경우 산업과 건물에 열을 공급하는 세계 최대 규모의 네트워크로 내수시장의 잠재력도 가지고 있다.

 

고 수석연구원은 “고온 히트펌프로의 전환 시 초기 투자비용 회수기간 등이 소비자 선택에 큰 영향을 미친다”라며 “설비 효율향상 및 에너지 비용, 탄소세 등의 관계성을 모두 고려해 계산했을 때 2~3년내에 투자비용 회수가 가능하다고 보고 있다”고 설명했다.

 

이어 “산업용 고온 히트펌프는 굉장히 간단하며 고효율을 가지고 있다”라며 “상대적으로 높은 가격대를 형성하고 있는 것도 사실이지만 장기적으로 판단했을 때 운전비용 및 유지비용이 더욱 낮은 설비”라고 설명했다.