한국설비기술협회는 최근 한국지역난방공사가 발주한 ‘흡수식냉방 대온도차 적용 타당성 검토 연구’ 용역을 마무리했다. 이번 연구용역은 지역냉방 공급지역 대온도차 냉동기 설치 확대를 위해 한국지역난방공사의 지역냉방 흡수식 냉동기 기술규격서 개정(안)을 제시하는 것으로 김내현 설비기술협회 흡수식용역위원장(인천대 명예교수)이 용역총괄을 맡았으며 △흡수식 냉동기 및 관련 장비 해석: 김철기 월드에너지 상무 △CFD시뮬레이션: 정재훈 씨엔아이엔지니어링 본부장 △냉각탑 및 FCU해석: 송덕용 성지공조기술 전무 △기술기준: 김종하 히트앤쿨에너지 대표 등이 참여했다.
김내현 위원장은 지난 2008년 지역난방공사가 발주한 ‘저온수 흡수식냉동기 규격 개발’ 연구용역을 수행한 바 있어 이번 ‘흡수식냉방 대온도차 적용 타당성 검토 연구’ 용역을 수행했다. 김내현 교수를 만나봤다.
■ 대온도차 관련 용역을 시행한 배경은
지역난방 공급지역에 표준온도차(5℃) 이상의 온수공급을 허용하기 위해 냉수, 냉각수 펌프 및 냉각탑의 소비전력을 줄여 지역냉방 경쟁력 확보하고 전력피크 해소를 통해 지역냉방 확대 보급에 기여하기 위해 대온차 흡수식 냉동기가 필요한 상황이다.
현재 터보냉동기는 대온도차 개념이 있었지만 흡수식 시스템으로는 아직 규격이 없는 상황이다. 실제로 대온도차 시스템이 적용되면 배관경이 우선 줄어들기 때문에 실제 설계 시 5℃가 기본설계이지만 실제로 5℃로 설계하지 않고 7℃, 10℃로 설계하는 현장도 있다. 기술기준이 없어 기술기준을 마련할 필요가 생겼기 때문에 이번에 지역난방공사가 용역을 낸 것이다.
최종적으로 냉동기 가격은 올라가고 냉각탑은 줄어든다. 하지만 배관비용까지 합치면 전체 초기투자비가 15% 정도 줄어든다. 큰 온도차를 감당하기위해 냉동기 크기가 커지는 반면 연간 운영비를 보면 특별한 건물에 대해 씨아이엔지니어링이 시뮬레이션을 진행한 결과 펌프운전비용이 줄어든 만큼 전기사용량도 줄어들기 때문 효과가 큰 것으로 나왔다.
결국 기존 냉수, 냉각수 온도차 5℃를 냉수, 냉각수 온도차 5℃ 이상으로 개정한다면 설비 투자비 및 운영비 절감을 통한 흡수식 냉방 대온도차 시장 확대에 기여할 수 있다. 특히 이번 용역은 대온도차 흡수식 냉동기 표준정격조건 및 성능시험 기준을 수립하고 대온도차 흡수식 냉동기 성능계수 및 통합성능계수 기준을 제시하는 것이 목표였다.
목표 달성을 위해 대온도차 흡수식 시스템 적용 시 냉방성능 변화 및 부대설비 용량 변경을 검토했으며 대온도차 흡수식 시스템의 지역냉방 적용 가능성을 확인했다. 또한 대온도차 시스템 절감효과를 산출하기 위해 표준온도차대비 대온도차 적용 시 부하계산, 표준온도차대비 대온도차 적용 시 초기투자비 및 운영비 비교, 대온도차 시스템의 안정성 등을 분석했다.
냉수 환수온도가 높을 경우 코일 출구 공기온도가 상승해 실내의 쾌적성이 떨어질 수 있어 일반 공조환경의 냉수환수 최대온도를 15도로 고려했으며 냉수공급 온도가 낮을 수록 쾌적한 공조환경 조성에 유리하나 냉동기의 안전장치, 배관보온 등의 문제가 발생될 우려가 있어 냉수공급 최저온도를 5도로 고려했다. 이에 따라 기존 논문, 저널 등의 자료 검토 결과 대온도차시스템의 냉수조건을 최대 5~15도 선정해 검토했다.
■ 기존 지역냉방용 흡수식 역할 및 대온도차와 차이점은
흡수식 냉방은 하절기 냉방부하 증가로 전력피크가 발생할 때 전력부하 절감이 가능한 대표적인 열구동 냉방시스템이다. 흡수식 냉방시스템에 대온도차를 적용(냉수, 냉각수 유량 50% 감량)하면 최대 85%의 전력 절감을 달성할 수 있으며 부대설비의 배관 사이즈 또한 줄어 초기 투자비 및 운영비를 모두 절감할 수 있다.
국내 흡수식 냉동기업체의 대온도차 보급 현황을 확인결과 냉수 6℃ 이상 46건, 냉각수 6℃이상 13건 등이 보급됐으며 온도차 7~8℃ 이상 36건으로 가장 큰 비중을 차지했다. 10℃ 적용 사례도 다수 존재했다.
■ 용역결과는 어땠나
대온도차 조건별 냉동기 효율 및 기기 사이즈 변화 실험과 시뮬레이션을 통한 비교, 검증한 결과 대온도차 시스템 적용 시 전체 초기 투자비 15% 절감과 대온도차 시스템 적용 시 연간 운영비 13% 절감을 확인해 지역냉방 흡수식냉동기 기술규격서 개정안을 제시했다.
대온차와 표준온도차 경제성 평가 종합 비교를 보면 대온도차가 표준온도차대비 장비비는 18% 높은 반면 공조배관 공사비는 41% 저렴한 것으로 분석됐다. 연간 냉난방 온수요금은 대온도차가 표준온도차대비 6% 많았지만 연간 전기사용 요금은 34% 저렴했다.
냉수, 냉각수 대온도차의 이점은 유량감소에 따른 반송동력이 절감돼 초기투자비를 절감할 수 있는 것이다. 또한 냉동기 내부 압력 2단 격벽분리 구조 적용으로 흡수, 재생 열교환능력 극대화로 온도차가 클수록 기기 사이즈 감소율이 증가한다.
< 대온도차 vs 표준온도차 경제성 평가 종합 비교표 >
구분 | 대온도차 | 표준온도차 | 비율 |
초기투자비 | 장비비 | 6,200,510,000 | 5,257,460,000 | 118% |
공조배관 공사비 | 3,924,900,000 | 6,606,640,000 | 59% |
합계 | 10,125,410,000 | 11,867,100,000 | 85% |
연간운영비 | 연간 냉난방 온수요금 | 363,020,000 | 342,020,000 | 106% |
연간 전기 사용 요금 | 205,310,000 | 310,300,000 | 66% |
합계 | 568,300,000 | 652,320,000 | 87% |
<흡수식냉동기 표준정격조건/응용정격조건>
구분 | 온도조건(℃) | 오염계수 m2K/W (m2h℃/㎉) | IPLV(부분부하) 특성 |
입구 | 출구 | 냉 방 | 난 방 |
구동온수 | 95 | 55 (80) | 0.000018 (0.00002) | -입구온도: 95℃ -구동 온수유량은, 냉동능력 요구수준의 IPLV 능력에 맞게 100%이하로 줄인다. |
냉수 | 12 /응용정격 | 7 /응용정격 7 이하 | 0.000018 (0.00002) | -출구온도: 7℃ (냉수유량 일정) /응용정격출구온도:7℃이하 | - |
온수 | 55 | 60 | | - | -출구온도: 60℃ (온수유량 일정) |
냉각수 | 32 /응용정격 31 이상 | 37 /응용정격 | 0.000044 (0.00005) | |
<통합성능계수>
구 분 | 성능계수(COP) | 통합성능계수(IPLV) |
흡수식냉동기 (표준정격, 응용정격) | 0.64 | 0.83 |
■ 대온도차 보급에 따른 기대효과는
흡수식 냉방 공조시스템에 대한 설비 투자비, 운영비 및 에너지절감을 통한 시장 확대에 기여할 수 있다. 실제 현장에서는 대온도차가 적용되고 있다. 대온도차를 하라는 것이 아니라 대온도차를 시장에 적용되고 있는데 기술기준이 없는 것이 문제였다. 지역난방공사는 관리책임이 있기 때문에 이번 연구용역을 통해 기술기준을 정확하게 마련하는 것이 목표였다.
또한 건축물 냉난방 부하 증가에 따른 설비 보완 및 증설 수요가 증가하고 있기 때문에 기존 설비 변경을 최소화해 사회적 비용 절감에도 기여할 수 있다.
최근 열린 공청회에서 일부 기업에서 불만도 있었는데 이는 대온도차 적용 시 냉동기측 불리한 조건으로 인해 크기와 비용부담이 증가하는 문제가 발생한다는 지적이었다. 또한 기술규격 기준을 추가하면 성능시험 및 인증비용 부담이 커지고 한국지역난방공사 기술규격서 개정안에 대온도차 온도조건 규정하는 것에 반대하는 것이었다. 이에 따라 KS B 6271에서는 ‘응용정격’이라는 용어로 비표준 조건을 대신하고 NPLV와 같이 온도기준을 규정하지 않고 성능계수를 산출하는 방안으로 제시했다.
■ 업계에 하고 싶은 말이 있다면
향후 대온도차 적용 흡수식 냉방시장이 확대되고 있는 바 선제적으로 기술규격서 기준을 제정함으로써 제품의 품질을 담보하고 소비자불만을 미연에 방지할 수 있을 것이다.
국가적 에너지절감 효과나 건물주 입장에서도 대온도차 보급이 효과가 더 큰 만큼 이번 용역을 통해 기술기준을 제시하는 것이 옳은 방향이다. 특히 기술기준에 COP를 제시하는 것이 있는데 대온도차 COP를 어떻게 할 것인가인지에 용역참여기업들과 실험도 많이 하고 실제 실험도 많이 다녀봤다. 적정한 COP를 판단하고 기존 업체들도 달성할 수 있는 COP를 제시하는 것이 기술기준안의 최종목표였다.
한국설비기술협회는 최근 한국지역난방공사가 발주한 ‘흡수식냉방 대온도차 적용 타당성 검토 연구’ 용역을 마무리했다. 이번 연구용역은 지역냉방 공급지역 대온도차 냉동기 설치 확대를 위해 한국지역난방공사의 지역냉방 흡수식 냉동기 기술규격서 개정(안)을 제시하는 것으로 김내현 설비기술협회 흡수식용역위원장(인천대 명예교수)이 용역총괄을 맡았으며 △흡수식 냉동기 및 관련 장비 해석: 김철기 월드에너지 상무 △CFD시뮬레이션: 정재훈 씨엔아이엔지니어링 본부장 △냉각탑 및 FCU해석: 송덕용 성지공조기술 전무 △기술기준: 김종하 히트앤쿨에너지 대표 등이 참여했다. 
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