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연재기획

[Kharn·한국에너지공단 공동기획] 에너지절감 앞당기는 고효율기자재 원심식 스크류 냉동기

원심식·스크류 냉동기, 초고층 HVAC시스템 확대

냉동기는 공기(또는 물 등)를 냉각시키는 모든 기계로 기계식 냉동기 중 고효율에너지인증 대상기자재는 원심식 냉동기와 스크류 냉동기가 해당되며 주로 냉동용, 공조용, 공장 프레스용 등으로 쓰이고 있다.

초기에는 생활공간 생성 및 유지 목적으로 제품이 사용됐으나 전 산업분야의 응용기기로써 기계, 전자, 화학, 건축설비 등 생산공정에도 필수적으로 사용되고 있다.

원심식 냉동기는 고속 회전하는 임펠러를 이용해 유체를 압축하는 방식의 냉동기로 ‘터보냉동기’라고 불리며 대용량에 적합하다. 스크류 냉동기는 나사(screw) 모양의 암수 2개의 Rotor가 맞물려 돌아가면서 체적을 줄여 압축이 이뤄지는 구조이며 고속운전이 가능하고 용량에 비해 소형에 적합하다. 소용량 왕복식과 대용량 원심식 사이 용량에서 주로 쓰이고 있다.

원심식 냉동기는 중대형 용량의 냉방부하를 감당하는 냉방장치로 압축기를 사용해 냉방을 수행하는 냉동기 중 가장 큰 용량으로 제작이 가능하며 현존하는 냉동기 중 효율이 가장 우수하다.

이에 따라 상업용 중소형 빌딩뿐만 아니라 냉방부하가 크고 에너지 소비량이 많은 초고층 건물의 HVAC SYSTEM에 적용이 확대되고 있다.

특히 1년 365일 기기의 가동을 필요로 하는 반도체 제조용 클린룸 설비의 온도제어용 기기와 대형 데이터센터의 냉각설비 및 기기의 운전 신뢰성을 요구하는 발전소, 자동차산업 및 플랜트설비 등 산업 전반에 걸쳐 두루 이용되고 있다.

원심식 냉동기는 일반 공조용 시스템뿐만 아니라 빙축열 시스템에도 이용된다. 빙축열 시스템은 하절기 주간시간 전력부하의 저감을 위해 야간시간동안 축열을 수행한 후 주간시간에 축열된 열량을 이용해 냉방부하를 감당하는 시스템이다. 종전에는 열원장치로 스크류 냉동기를 주로 활용했으나 시스템 용량 증대 및 효율을 고려해 터보냉동기로 점차 변경돼 적용되고 있다.

2015년 원심식·스크류 냉동기 시장은 국내시장 포화와 신규수요 미흡으로 인해 2014년대비 대폭 감소했다.


대형 건설공사를 제외한 중급시장은 대기업과 중견기업이 생산하는 냉동기가 공급되고 있으며 건설공사 또는 설비공사납품 형태로 수요에 대응하고 있다.

국내 시장 위축과 수요 한정으로 중소기업 간 과다 경쟁으로 인해 수익성 악화로 있으며 기술 개발 여력 상실 등 악순환으로 연결돼 산업발전에 어려움을 겪고 있는 것으로 나타났다.

현재 터보냉동기시장의 가장 큰 시장은 반도체용 클린룸, 디스플레이 제작용 시설설비다. 이 최대시장은 국산 터보냉동기보다는 외산이 잠식하고 있다. 이처럼 외산이 최대 시장을 잠식하고 있는 배경에는 ‘냉매’가 한몫하고 있다.

터보냉동기는 고압 냉매(R134a)와 저압냉매(R123)를 사용하는 제품으로 나뉜다. 국산은 주로 고압 냉매를, 외산은 주로 저압냉매를 사용하고 있다. 저압냉매의 가장 큰 장점은 바로 안전관리자를 선임하지 않아도 된다는 것이다. 이 때문에 국내 반도체 클린룸을 가장 많이 짓고 보유하고 있는 전자회사들이 저압냉매를 선호하고 있다. 심지어 저압냉매 터보냉동기는 고효율에너지기자재 인증도 받지 않았다.

고효율기자재 ‘원심식·스크류 냉동기’
1999년 8월7일 고효율기자재로 편입된 것은 원심식 냉동기였다. 이후 2006년 스크류 냉동기가 신규 고효율기자재로 편입됐다. 원심식·스크류 냉동기는 압축기, 증발기, 응축기, 부속 냉매배관 및 제어장치 등으로 냉동사이클을 구성하는 제품이 고효율기자재 인증 대상이며 냉동능력은 원심식 냉동기의 경우 604만8,000kcal/h(7,032.6kW, 2,000USRT) 이하, 스크류 냉동기의 경우 151만2,000kcal/h(1,758.1kW, 500USRT) 이하로 규정하고 있다. 원심식 냉동기는 지난 2006년 1,500RT까지 인증기준에서 현재의 2,000RT까지 확대됐다.

원심식·스크류 냉동기는 기능에 따라 △냉각 전용형 △냉각·가열 겸용형 등으로, 응축기의 열교환 방식에 따라 △수냉식 △공랭식 등으로 구분하고 있다.



업계에서 바라는 제도 개선 방향
냉동공조기기는 주변의 온도에 따라 효율이 크게 변동하는 특성이 있다. 국내에서는 계절의 변화에 따른 외기온도를 반영한 성능(효율) 측정방법이 일반화돼 있다.

가령 멀티히트펌프는 IEER(Integrated Energy Efficiency Ratio), 직화흡수식냉온수기은 IPLV(Integrated Part Load Value(AHRI 550/590)), 히트펌프보일러는 KSCOP(Korean Seasonal COP) 등이다.

냉동기에 대한 측정기준도 외기온도를 반영한 IPLV, ESEER* 등 부분부하 시의 효율을 반영한 효율지표를 일반적으로 사용하고 있다. 그러나 고효율에너지기자재는 정격효율(100% 부하 시 COP)을 사용하고 있다.

기본적으로 정속형 냉동기에 부분부하 효율을 적용할 경우 인버터형 냉동기에 비해 현저하게 IPLV(NPLV)값에서 차이가 난다. 특히 냉동기 사용조건이 100% 전부하 시 사용보다는 부하율 75%, 50%가 전체 냉동기사용시간의 80% 이상을 차지하고 있어 자연스럽게 부분부하 효율에 초점이 맞춰지고 있다. 이렇다보니 자연스럽게 인버터를 적용한 제품이 늘어나고 있다.

실제로 정속형과 대비해 인버터형 제품은 평균 38.2% 사용전력에 차이가 있으며 이는 실제 현장에 설치해 운전할 때 38.2% 에너지가 절감된다는 것을 의미한다.

국내 터보냉동기시장은 외산과 국산점유율이 거의 유사한 상황이다. 모 기업에서 지난 2011년 조사한 결과에 따르면 국내시장 점유율은 LG 33%, 트레인 29%, 캐리어·요크 각 7%, 센추리·귀뚜라미 각 5%, 기타 14% 정도였다. 이러한 시장 구도는 크게 바뀌지 않은 것으로 관련업계는 내다보고 있다.

주요업체는 정속형과 인버터형 터보냉동기 제품을 모두 판매하고 있으나 고효율에너지기자재 승인제품은 정속형에 집중돼 있는 것으로 조사됐다.

업계의 한 관계자는 “국내 고효율에너지기자재 인증기준이 정속형 위주로 돼 있다”라며 “인버터형 제품의 경우 부분부하에서는 효율이 월등하지만 100% 정격부하에서 전력변환에 의한 손실로 인해 효율이 낮아 일부 소형모델 외에는 사실상 인증이 불가능한 상황”이라고 지적했다.

국내 대부분의 기업들도 이제는 인버터형 터보냉동기 라인업을 보유하고 있으며 가격 측면에서도 정속형 고급제품과 큰 차이가 없는 것으로 알려지고 있다. 냉동기 선정 및 판매 시 보조금 혜택을 받을 수 있는 고효율에너지기자재 인증 기준이 현재 정속형 위주로 돼 있어 실사용 시의 효율이 매우 우수한 인버터형 제품의 경우 인증에서 배제되고 있는 상황이다.

다른 냉동공조 제품의 인증기준이나 국제적인 평가방법의 흐름과도 상반되는 만큼 인버터형 냉동기에 대한 부분부하를 고려한 고효율에너지기자재 인증을 통해 국내 냉방전력 절감을 유도해야 한다는 목소리가 관련업계에서 나오고 있다.

업계의 한 관계자는 “흡수식냉온수기의 사례와 같이 국제적으로 인정받은 IPLV 지표를 활용한 인버터제품에 대한 최소한의 인증기준을 설정해 효율이 우수한 제품의 시장진입이 원천적으로 봉쇄되는 불합리한 상황이 시급히 해결되기를 희망한다”고 강조했다.


ESEER: European Seasonal Energy Efficiency Ratio.

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