지난 6월24일부터 26일까지 진행된 대한설비공학회 하계학술대회 특별세션 ‘가스냉방’에서는 가스냉방분야 산업적 특성과 기술 등이 공유됐다.

 

발표는 △반도체공장 LNG 소성로의 배기가스를 이용한 흡수식냉온수기의 적용사례 소개(우성민 삼중테크 부장) △흡수식냉동기의 열교환기 세관 전후 절감량 산정을 위한 운전자료 분석연구(백민철 K-HVAC 연구원) △데이터센터 폐열 회수를 위한 히트펌프 결합형 흡수식 열배터리의 동적특성 시뮬레이션 분석(김동준 고려대 학생) 등의 순서로 진행됐다.

 

배가스 온도변화 능동적대응

우성민 삼중테크 부장은 '반도체공장 LNG 소성로의 배기가스를 이용한 흡수식냉온수기의 적용사례'를 소개했다. 삼중테크는 비전기식 열구동 냉동기 전문기업으로 국책연구개발 수행 및 다수의 신기술 인증을 보유한 업계 선두주자다.

 

최근에는 세계 최초로 SOFC(고체산화물 연료전지) 전용 WHRC(Waste Heat Recovery Cooling / Heating)를 개발해 미국 실리콘밸리 본사에 공급하는 등 독보적인 배열활용 기술력을 선보이고 있다.

 

첨단 반도체공정은 소성·건조·열처리 등으로 인해 장시간 LNG 소성로를 운전하며 이 과정에서 80~320℃에 달하는 고온의 배가스가 연속적으로 대기에 방출된다. 반면 클린룸과 생산동은 외기 비중이 100%에 달해 하절기 냉각·제습 및 동절기 가열을 위한 전기식 공조부하가 집중돼 피크전력과 운영비 부담이 심각한 고질적 문제를 안고 있었다.

 

삼중테크는 이런 문제를 해결하기 위해 버려지는 △배가스 △배온수 △스팀 등의 폐열을 회수해 냉수 또는 온수를 생산하는 패키지형 배열 구동시스템인 WHRC시스템을 구축했다. 기존 배열활용방식이 설비와 제어를 별도로 구축해 효율저하와 인터페이스 리스크가 컸던 반면 삼중테크의 '패키지형 WHRC'는 회수부, 흡수식 냉온수기, 댐퍼, 팬, 펌프, 냉각탑 및 통합제어시스템까지 원스톱 패키지로 제공해 급격한 열원 변동에도 안정적인 통합제어가 가능한 것이 특징이다.

 

이번 실증은 W사 반도체 소재 제조공장의 H4동 LNG 소성로에서 발생하는 배가스를 열원으로 삼아 150usRT급 이중효용 배가스 흡수식 WHRC 시스템을 구축하고 이를 H1동 외기조화기(AHU) 2대의 프리쿨링·프리히팅 코일에 연결하는 방식으로 진행됐다.

 

실증 결과 시스템은 배가스 온도변화에 능동적으로 대응하며 높은 에너지효율을 기록했다. 냉방운전의 경우 배가스 입구온도에 비례해 능력이 급증했는데 배가스 온도 148.6℃에서 시뮬레이션 예측대비 87% 증가한 75RT를 기록했으며 312℃의 피크온도에서는 예측대비 12% 향상된 최대 171RT의 냉방능력을 발휘해 사이클 예측치를 크게 상회했다. 주간 난방운전 실증에서도 배가스 온도에 비례해 안정적인 열공급이 이뤄졌으며 267℃의 온도조건에서 588kW의 난방능력을 직접 발휘하며 뛰어난 성능을 검증했다.

 

실증을 통해 확인된 경제적·환경적 효과는 실제 수치로도 명확히 증명됐다. 11월부터 3월까지 운전되는 난방시즌을 기준으로 산정한 결과 주간마다 44,284kWh씩 난방전력을 아껴 시즌 누적 총 728MWh의 전력을 절감했다. 이는 전력단가 180원/kWh 기준으로 환산했을 때 시즌당 약 1억3,100만원의 운전비를 아끼는 경제적 효과로 이어지며 동시에 온실가스 배출량을 시즌당 333tCO₂만큼 줄이는 고무적인 탄소저감 성과를 거뒀다.

 

우성민 삼중테크 부장은 "이번 실증은 소극적인 보일러 예열수준에 머물렀던 폐열회수기술을 적극적인 냉난방 부하저감 시스템으로 확장했다는 점에서 기술적 의의가 크다"라며 "친환경냉매를 사용해 오존파괴지수 Zero를 달성함은 물론 기업들의 ESG경영 및 RE100 대응에도 실질적인 솔루션이 될 것"이라고 강조했다.

 

실증연구 통한 파울링효과 분석

백민철 K-HVAC 연구원은 '흡수식냉동기의 열교환기 세관 전후 절감량 산정을 위한 운전자료 분석연구'를 주제로 발표를 진행했다. 백 연구원은 건물의 냉방을 담당하는 흡수식냉동기의 핵심 저해요인인 '파울링(Fouling)' 현상을 억제하기 위한 세관작업의 실제효과를 현장데이터로 검증했다.

 

흡수식냉동기는 일반적인 전기식냉동기와 달리 전력을 대량소모하는 압축기가 없는 것이 특징이다. 대신 증발기, 흡수기, 재생기, 응축기를 거치는 사이클을 이용하며 냉매인 물과 흡수액인 리튬 브로마이드(LiBr) 수용액과 한국지역난방공사 등에서 공급하는 온수를 주요 재생열원으로 사용해 냉방을 생산한다.

 

백 연구원은 흡수식냉동기의 운전효율을 저하시키는 핵심요인으로 전열관 내 오염층이 쌓이는 파울링현상을 지목했다. 흡수식 사이클에서 증발기 압력을 유지하기 위해 증발된 물을 흡수액에 흡수하고 재생기에서 온수로 이를 분리한 뒤 다시 응축하는 과정이 반복된다. 이때 응축기와 흡수기에 사용되는 냉각수 라인은 건물옥상 등 야외에 설치된 냉각탑에 의해 외부에 노출되는데 이 구간에서 냉각수의 오염이 주로 발생한다. 오염된 냉각수가 전열관을 지나면서 △슬러지 △분진 △미생물 등에 의한 파울링을 만들어내고 전열관 전열효율이 감소함에 따라 냉동기 전체 운전효율 저하로 이어진다.

 

백 연구원은 "파울링 계수의 설계 대표값은 0.00035 수준으로 클린조건의 열전달률(U값) 1000 기준에서 파울링이 0.005 발생할 때 클린조건대비 U값이 약 33% 감소함을 수식으로 확인할 수 있다"고 설명했다.

 

세관을 통해 운전효율이 향상되는지 확인하고 주요데이터를 비교분석하기 위해 연구팀은 인간 부하량의 변동이 적은 업무용 및 상업용 건물 위주로 총 5개의 실증지를 섭외했다. 오피스텔의 경우 주거목적 공간이 많아 사람 수에 따른 부하량 변동이 크기 때문에 섭외 우선순위에서 미뤄졌다. 데이터가 통용되거나 왜곡되지 않게 제조사별로 냉동기를 확보했으며 용량은 222RT 4대, 227RT 1대, 270RT 2대, 410RT 2대 등 다양하게 구성했다. 각 실증지는 냉동기 한 대당 순환펌프와 냉각탑이 각각 세트로 묶여 운전되는 구조다.

 

운전시간의 경우 대부분의 현장이 오전 8시부터 오후 6시까지 가동되나 D실증지는 내부에 집회시설과 행사장이 위치해 오전 7시부터 오후 10시까지 반나절 이상 장기간 운전되는 특성을 보였다. 현장계측을 위해 온도계는 RTD를 사용했으며 데이터로거는 그라프텍 제품을 적용했다. 유량계는 후지사의 초음파 유량계를 기계실 내 직배관 확보가 어려운 현장의 경우 냉각탑 상부에 설치했다. 펌프변동성을 파악하기 위한 전력량계와 테스토 온도계 등도 함께 배치됐다.

 

실증지별 구조적 특성도 공유됐다. A실증지는 냉수배관이 개별 냉동기에서 나와 하나로 합쳐진 뒤 헤더에 물리는 구조여서 헤더 측에서 입출구 온도를 측정했다. 반면 E실증지는 냉동기로부터 나오는 냉수배관이 공급 및 환수 헤더로 개별연결되는 구조를 취했다. 현재 B와 C 실증지는 데이터를 확보 중인 단계다.

 

이번 발표에서는 계측데이터 분석이 완료된 A실증지와 D실증지의 구체적인 운전지표가 분석됐다. 1일 간격으로 교번운전을 진행하는 A실증지의 세관 전 3일과 세관 후 5일 치 자료를 비교분석한 결과 냉방부하와 외기온도의 간섭에 따른 지표변화가 확인됐다.

 

데이터에 따르면 1호기의 냉동능력은 세관 전 183.3kW에서 세관 후 200kW로 소폭 증가했으나 공급열량은 178kW에서 285.6kW로 크게 증가해 시스템 COP는 1.0에서 0.7로 운전 효율이 다소 감소한 것을 확인할 수 있었다. 하지만 이는 시스템효율 저하보다는 세관 후 크게 상승한 외기온도 조건이 영향을 미쳤을 것이라 분석된다. 또한 유사한 펌프동력 조건에서 냉각수 방열량이 개선됐다는 분석 또한 열교환기의 성능이 회복됐음이 긍정적으로 확인됐다.

 

2호기 역시 유사하게 COP가 0.83에서 0.56으로 줄어들었지만 냉각수 입출구 온도차가 0.51℃에서 0.85℃로 증가하고 냉각탑 방열량이 218.kW에서 376.5kW로 늘어났다. 초기측정 시 다소 불안정했던 에너지밸런스 차이가 세관 후 정상범위에 가깝게 회복돼 세관을 통해 응축기 측 열교환기의 파울링이 감소하고 성능이 회복됐음을 볼 수 있었다.

 

백민철 연구원은 "정식 냉방기간이 아님에 따른 부하 및 외기 간섭에도 불구하고 냉각수 유출온도 차와 방열량 증가를 통해 세관의 파울링 감소효과를 성공적으로 실증했다"라며 "향후 B,C 실증지의 추가측정을 완료해 절감량 산정에 필요한 주요 변인들을 분석하고 최종적으로 흡수식냉동기의 에너지절감량을 명확히 도출할 수 있는 산정식을 만들 것"이라고 강조했다.

 

HP-ATB시스템기반 고 에너지효율 달성

김동준 고려대 회원은 '데이터센터 폐열회수를 위한 히트펌프 결합형 흡수식 열배터리의 동적특성 시뮬레이션 분석'을 주제로 발표를 진행했다.

 

최근 AI 서버 수요의 급격한 확대로 데이터센터의 전력소비가 빠르게 증가하고 있다. 데이터센터에서 소비된 전력의 대부분은 열에너지로 전환되지만 발생한 폐열은 온도가 낮아 직접 활용하기 어렵고 수요와의 시간적 불일치라는 한계가 존재한다. 기존의 히트펌프는 승온은 가능하나 에너지는 저장할 수 없고 열저장시스템은 시간적 불일치에 대한 한계는 해결할 수 있지만 승온 기능이 없다.

 

이를 해결하기 위해 김 회원은 히트펌프와 흡수식 열배터리를 직렬로 결합한 구조인 HP-ATB(Heat Pump-Absorption Thermal Battery)시스템을 제안했다. 히트펌프가 데이터센터의 저온폐열을 흡수해 고온으로 승온시키면 흡수식 열배터리가 이 열을 화학적포텐셜로 저장하는 구조다. 화학적 포텐셜 저장은 일반 저장방식과 달리 열손실이 없고 저장밀도가 높아 시스템 소형화에 매우 유리하다. 충전 시에는 용액을 가열해 냉매를 분리저장하고 방전 시에는 냉매를 다시 증발·흡수시켜 냉방열과 난방열을 공급하게 된다.

 

연구팀은 고온구동에 적합한 R245fa냉매를 사용하는 히트펌프 사이클과 리튬 브로마이드(LiBr) 수용액을 작동유체로 하는 흡수식 열배터리를 구성해 동적 시뮬레이션을 진행했다. 충전 시 데이터센터의 50℃ 수준 폐열을 히트펌프를 통해 80℃로 승온시켜 배터리재생기로 유입시켰으며 이때 발생하는 방열은 건물의 저온 급탕부하 예열에 활용했다. 반대로 방전 시에는 배터리증발기가 건물의 냉수 라인에서 열을 흡수해 냉방을 공급하고 흡수기 측은 30℃의 순환수를 받아 급탕 출력을 제공하도록 설계했다.

 

재생기 열원 온도를 80℃에서 90℃까지 변화시킨 결과 온도가 상승할수록 재생되는 냉매량이 증가해 응축기 측의 열전달률이 상승했으며 운전구간 사이의 농도 차가 충전 초기 0.88%에서 종료시점 3.98%로 확대되는 것을 확인했다. 또한 순환펌프 유량에 대한 영향을 보기 위해 기준 열원온도 85℃에서 유량을 0.2에서 1.0kg/s까지 변화시킨 결과로는 유량이 증가할수록 열전달률과 냉매 순환량이 증가하여 초기출력은 상승하지만 동시에 농도차 포텐셜이 빠르게 소모돼 이후 출력이 감소하는 상충관계가 나타남을 확인할 수 있었다. 해당 운전조건을 통해 상업용 건물이 요구하는 최대 출력 20kW를 기준으로 한 운전가능영역을 도출했다.

 

시스템의 COP맵과 도출된 수식을 연계해 최적 운전조건을 선정한 결과 동일한 20kW 출력을 만족하는 조건 중 열원온도가 낮을수록 전체 시스템COP가 높아지는 경향이 확인됐다. 이는 전력소비의 대부분을 차지하는 부분이 히트펌프의 압축기이므로 목표출력을 달성하면서도 열원 온도를 낮춰 히트펌프의 승온 부하를 줄여야 효율이 극대화되는 구조기 때문이다. 이를 통해 유량 0.91kg/s, 열원 온도 80℃ 조건에서 급탕 COP 5.89, 냉방 COP 2.503을 달성했으며 높은 수준의 에너지저장밀도를 확보했다. 

 

김 회원은 이 최적조건을 기반으로 부하의 특성에 맞는 두 가지 제어 전략을 제언했다. 24시간 동안 부하가 꾸준히 지속되는 급탕 부하의 경우 1시간 단위의 충방전 사이클을 도입한 결과 시스템 공급량과 수요가 약 1% 이내의 오차로 일치해 실시간 부하변화에 동적으로 유연하게 대응함이 증명됐다. 에너지효율 측면에서는 전기보일러의 COP를 1.0, 히트펌프 COP를 3.5로 가정했을때 HP-ATB 시스템은 5.89를 기록해 전기보일러대비 83%, 기존 히트펌프대비 40.6%의 전력소비 절감효과를 확인했다.

 

야간에 수요가 없고 주간에 피크를 달성하는 냉방부하에 대해서는 야간충전 및 주간방전 전략을 수립해 시뮬레이션을 진행한 결과 미운전 구간을 포함한 전체 수요 일치율을 74.7%로 나타나 기존 냉방설비의 보조장치로서 충분한 부하 절감효과를 가짐을 입증했다. 

 

김동준 고려대 회원은 "기존 설비와 유사한 효율로 열손실 없는 시간적 이동을 구현할 수 있었다"라며 "이를 통해 HP-ATB 시스템이 데이터센터 페어를 건물 에너지원으로 전환하는 핵심기술로서의 실현가능성을 수치적으로 검증했다"고 밝혔다.