대한설비공학회(회장 최준영)는 6월19일부터 21일까지 용평리조트에서 열린 2024년 하계학술대회에서 ‘콜드체인부문위원회’ 특별세션을 개최해 탄소중립을 위한 콜드체인분야의 개선 방향성과 주요 이슈 등을 공유했다. 

세션은 △냉수, 냉각수 시스템에너지 효율을 위한 적합한 온도센서 선정에 관한 연구(엄진호 지텍이엔지 기술사업부 차장) △냉수코일의 온도센서 반응속도에 따른 제어밸브성능에 대한 고찰(엄진호 지텍이엔지 기술사업부 차장) △냉수코일의 온도센서 반응속도에 따른 제어밸브성능에 대한 고찰(엄진호 지텍이엔지 기술사업부 차장) △무결정 가정용 냉장고의 에너지 소비와 응축기의 아울렛에서 R600a냉매 유권에 과냉도가 미치는 영향(왕잔저 부산대 기계공학과) △콜드체인 내 직접접촉방출 냉각방식 적용을 위한 제빙기 성능개선에 관한 연구(김준석 아주대학교 기계공학과 석사과정) △콜드체인설비의 신규품목도입을 위한 인증기술기준 수립 필요성(조정흠 한국냉동공조산업협회 연구원) △CO2초임계냉동기의 실증사례를 통한 전력절감 효과분석(정연주 한국마이콤 선임) 등 순으로 진행됐다.

온도범위·정확도 비교 통해 적합한 온도센서 선정 필요

엄진호 지텍이엔지 기술사업부 차장은 ‘냉수, 냉각수 시스템에너지 효율을 위한 적합한 온도센서 선정에 관한 연구’에 대해 발표했다. 

엄 차장은 이번 연구배경으로 전 세계적으로 추진되고 있는 탄소중립현황을 설명했다.

엄 차장은 “지구온난화가 점점 빠르게 진행되면서 에너지 사용 절감이 전 세계적으로 중요한 이슈”라며 “에너지경제연구원과 한국에너지공단의 ‘2020년도 에너지 총 조사 보고서’에 따르면 에너지원별 건물의 소비비중은 전력이 59.8%로 과반을 차지하고 있으며 실질적인 탄소중립을 위해서는 건축물의 에너지절감이 필수적”이라고 설명했다. 

우리나라는 현재 에너지를 절감하기 위해 건축물에 BEMS(Building Energy Management System)를 적용해 모니터링을 통해 효율적인 건물 에너지사용을 위한 운영을 추구하고 있다. 냉동기 등의 열원생산장비 및 부하측 열원소비장비에는 냉수 및 냉각수 등의 온도를 제어해 에너지효율을 높일 수 있다. 에너지효율을 높이기 위해서는 장비성능뿐 만 아니라 장비의 성능을 뒷받침할 수 있는 온도센서의 역할도 중요하다. 이번 연구는 각 장비 특성별 적합한 온도센서가 무엇인지 확인하는 연구다.

건축물에서 냉온수 열원장비에서는 냉수 및 냉각수 측의 냉동기 및 열교환(코일) 장비를 통과하는 유량 및 온도차에 의해서 열량을 공급하게 된다.

엄 차장은 “냉동기에서 열원을 생산할 때 공급수온도와 환수온도 차이(설계 온도차)에 의해서 단위 시간 당 열량의 값이 결정되는데 이 온도 차이에서 정확한 온도를 측정하지 못한다면 유량이 증가하게 된다”라며 “설계 온도차를 유지하기 위해서는 정확한 유량제어가 이뤄져야 하며 통과하는 유량 및 실내 온도의 정확한 측정이 이뤄져야 한다”고 말했다.

건축물 냉수·냉각수 시스템에서 사용되는 온도센서는 △RTD(Resistance Temperature Detector) △써미스터(Thermistor) 등이 있다. RTD와 써미스터센서 모두 온도관련 산업에서는 빠질 수 없는 센서지만 많은 산업분야에서 각각의 장단점을 무시한 채 적합하지 않은 산업분야에 활용하고 있다. 

연구에선 먼저 온도센서 편차에 따른 냉난방시스템 사용 유량을 파악하기 위해 온도차에 의한 사용유량을 비교했다. 이후 적합한 온도센서 선정을 위해 RTD와 써미스터를 비교하며 각 센서의 특성을 확인했다. 

그 결과 RTD센서는 최대 650℃까지 측정가능하므로 고온에서 정확성이 필요할 때 적합하며 전기적 잡음에 대한 높은 내성도 갖추고 있어 PT100의 경우 PT1000보다 모터·발전기 및 기타 고전압장비가 있는 산업자동화환경에도 적합하다는 것을 확인했다. 써미스터의 경우 150℃ 미만 측정에 적합하다. 감도가 가장 좋기때문에 150℃미만 온도범위에서 훨씬 더 나은 성능을 제공하며 비용도 RTD보다 저렴해 써미스터는 일반 가전제품·AC장치·온수기에 사용되는 것이 적합하다는 것을 확인할 수 있었다. 

엄 차장은 “건축물 열원장비 시스템에서 부적절한 온도센서 적용시 유량을 과잉사용하게 돼 코일성능을 달성하지 못하는 등 에너지 낭비를 초래하게 된다”라며 “앞으로는 온도범위·정확도·민감도·배선구조 등 여러조건들을 고려해 온도센서를 선정해야 열효율향상과 낭비되는 에너지를 절감할 수 있고 이를 통해 탄소중립에 기여할 수 있다”고 설명했다. 

온도센서·제어밸브 호환 성능증대 중요요인

두 번째 섹션도 엄진호 지텍이엔지 기술사업부 차장이 맡아 ‘냉수코일의 온도센서 반응속도에 따른 제어밸브성능에 대한 고찰’에 대해 발표했다.

엄 차장은 “앞서 말했듯이 건축물 냉난방에 사용되는 에너지를 줄이는 것이 시급한 문제로 다가오고 있다”라며 “건축물 냉난방시 에너지가 낭비되는 원인 중 하나는 열원 생산장비 및 열원 소비장비에 적용되는 제어밸브의 성능이 뒷받침되지 않아 장비효율이 떨어져 발생되기도 한다”라고 설명했다. 

이어 “열원장비의 코일간 온도센서 반응속도를 제어밸브에서 따라가지 못하면 에너지효율을 높이지 못하며 결과적으로 건축물 에너지감소의 장애물이 된다”라며 “연구에서는 온도센서 반응속도에 따른 제어밸브의 성능에 따라 절감되는 에너지를 분석해봤다”고 연구배경을 밝혔다. 

이를 위해 먼저 건축물 냉난방시스템에서 온도측정을 위해 사용되는 PT100과 PT1000센서를 이용해 온도실측·온도센서 반응속도 비교했다. 그 결과 제어적인 측면 고려시엔 반응속도가 빠른 PT100Ω 적용이 효율적이라는 것을 확인했다. 

이후 온도센서 변경 및 반응속도에 따른 제어밸브 적용을 실험했다. 그 결과 코일성능을 만족하기 위해서는 유량제어밸브도 빠른 반응속도를 가진 온도센서에 반응할 수 있는 적합한 제어밸브 적용이 필요하며 코일 전단 수배관 압력변동에 따른 차압제어를 원활하게 수행하며 온도센서에 빠르게 반응한다면 원하는 코일 성능을 이끌어낼 수 있다는 것을 확인해볼 수 있었다. 

엄 차장은 “원하는 에너지절감 실현을 위해서는 냉동기 IPLV 통합성능계수와 같이 100%부하 뿐만 아니라 부분부하에서도 제어가 가능한 제어밸브를 선정해야하며 그렇게 온도센서와 제어밸브가 적절히 선정되었을 때 원하는 냉수코일 성능을 이끌어내 낭비되는 냉수에너지를 감소시킬 수 있다”라며 “냉수 코일시스템에 적용되는 온도센서뿐 아니라 그 성능을 뒷받침하는 제어밸브가 선정돼야 결과적으로 탄소중립에 기여할 수 있다”고 강조했다. 

40℃ 이상 온도… 가정용 냉장고 효율개선 설계 필요 

왕잔저 부산대 기계공학과 학생은 ‘Effects of Degree of Sub-cooling on Flow Regime of R600a at the Condenser Outlet and Energy Consumption of No-frost Domestic Refrigerator(무결정 가정용 냉장고의 에너지 소비와 응축기의 아울렛에서 R600a냉매 유권에 과냉도가 미치는 영향)’을 발표했다. 

가정용 냉장고는 상당한 양의 에너지를 소비하며 대부분 압축기·콘덴서·팽창장치·증발기 등 4가지 주요 구성요소로 구성된 증기압축 냉동시스템(VCRS)을 사용한다. 

왕잔저 학생은 “이전 연구원들의 실험을 살펴보면 과냉각도가 더 높아도 모세관 입구의 냉매 R600a 상태가 비평형 2상 유동으로 나타나 냉장고의 에너지 성능이 예상보다 떨어진다고 보고한 바 있다”라며 “하지만 비평형 2상 유동은 복잡한 현상으로 다양한 주변 조건에서 냉장고작동을 위한 일반적인 제어논리를 공식화하는 것이 매우 어려운 상황”이라고 설명했다.  

이어 “2018년 6월 서용진, 정지환의 ‘R600a의 비평형 2상 유동이 증기 압축식 냉동시스템의 단열모세관 질량유량에 미치는 영향’ 논문결과에 따르면 비평형 2상 유동이 더 낮은 COP(Coefficient Of Performance: 성능계수)를 가지며 응축기에서의 열 제거율도 감소함을 시사하지만 냉장고의 전체 작동 범위를 포괄하며 R600a로 작동하는 가정용 냉장고에 대한 연구는 제한적이며 실험의 주요구성요소 변경이 필요하다”라며 “추가조사가 필요하며 결과적으로 연구는 국내 No-Frost의 철저한 에너지분석을 통해 그 격차를 메우는 것을 목표로 한다”고 밝혔다. 

가정용 냉장고의 제어논리는 △주변온도에 대한 설계된 응축압력 △압축기 속도 △모세관 크기 △예상되는 공기측 열부하 △냉매증발기 출구과열도 등과 같은 특정요소를 기반으로 다양하게 측정될 수 있다. 이에 따라 이번 연구에선 다양한 주변조건들을 설정해 실험을 진행했다. 그 결과 가정용냉장고의 효율성은 작동 조건에 따라 크게 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 

끝으로 왕잔저 학생은 “조건을 조금만 조정해도 증발기의 열전달률과 냉장고의 COP에 영향을 미칠 수 있으며 모세관 입구에서 냉매의 과냉도도 이 두 요소와 직접적인 관계있다”라며 “응축압력이 특정 한계를 초과하면 COP가 1미만으로 떨어지는 경우도 존재하며 주변온도가 40℃를 초과하는 경우 냉장고의 에너지 효율 또는 COP를 개선하기 위해 설계변경이 필요할 수 있다”고 말했다. 

저온배수 활용·하이브리드 냉각방식 필요

김준석 아주대학교 기계공학과 석사과정 학생은 ‘콜드체인 내 직접 접촉방출 냉각방식 적용을 위한 제빙기 성능개선에 관한 연구’에 대해 발표했다. 

김 학생는 “현재 운행되는 콜드체인 유통차량 대부분은 디젤방식으로 구동되며 저온유지를 위해 증기압축식 냉각시스템을 유통차량에 적용해 사용되는데 이 경우 온실가스를 배출함은 물론 에너지효율 또한 낮다”라며 “콜드체인시스템에서 탄소배출량 저감과 에너지효율 개선을 위해서는 냉각방식에 대한 개선이 반드시 필요한 실정”이라고 설명했다. 

개선된 냉각방식으로는 얼음을 이용해 냉각하는 ‘직접접촉방출 냉각방식’이 대표적이다. 직접접촉방출냉각은 334 kJ/kg의 높은 융해잠열을 가진 얼음을 냉각에너지원으로 사용해 냉각하는 방식으로 높은 냉각성능과 친환경 에너지원 측면에서 높은 이점을 가지고 있다. 그런데 얼음을 생산하기 위해서는 냉동사이클에 기반한 제빙기가 사용돼야 하며 효율적인 얼음생산을 위해서는 제빙기의 성능향상이 필수적으로 수반돼야 한다. 이에 따라 이번 연구는 얼음생산 과정에서 버려지는 배수를 활용한 응축기 냉각방식 적용을 통한 제빙기 사이클 성능개선에 관한 실험을 진행했다. 

연구에선 LIMPIO사의 NTF SL90A 모델의 제빙기를 사용했다. 일일 제빙량이 55kg으로 시중에서 흔히 사용되는 중소형 용량이며 얼음 크기를 단계별로 조절할 수 있다. 실험은 얼음 규모에 따른 제빙기 기초성능평가를 진행 후 저온의 배수(평균 9℃)를 활용한 분사 및 침지냉각방식 적용을 통해 제빙기 성능향상에 관해 연구를 진행했다.

김 학생은 “얼음규모가 증가함에 따라 제빙기의 소비전력이 증가했으며 응축온도는 감소하는 경향성을 확인할 수 있었다”라며 “분사 적용 시 평균 12.4℃ 응축온도 감소 및 평균 10.6%의 제빙기 COP증가효과 발생을 확인했으며 침지냉각의 경우 증발온도의 급격한 감소에서 비롯된 사이클시간의 과도한 감소로 얼음 생산량이 감소하는 것을 확인할 수 있었다”고 설명했다.

이어 “실험을 통해 저온의 배수를 활용한 응축기 냉각효과 및 하이브리드 냉각방식 도입의 필요성 확인할 수 있었다”라며 “응축기 냉각을 통해 응축온도가 낮아짐에 따라 제빙기의 성능 향상을 기대할 수 있을 것”이라고 말했다. 

콜드체인 설비 인증기술기준 수립 필요

가스쿨러 압력조절로 CO₂ 초임계시스템 최대효율 달성