산업현장에서 냉동공조설비는 빠질 수 없는 요소로 에너지사용의 큰 부분을 차지하고 있다. 단일 장비당 수백W에서 수백kW의 전기를 소모하고 있다. 가령 건물의 에너지 사용량은 전체에너지 소비량의 25% 내외를 차지하고 LCC(Life Cycle Cost:생애주기)를 고려하면 30%를 초과해 국가 에너지소비에도 직간접적인 영향을 주고 있다. 특히 냉난방공조설비가 차지하는 비중은 50% 이상으로 에너지소비의 주요 원인이 되고 있다.

건축물의 에너지소비는 국가 에너지 총 소비량의 25~40%를 차지하고 있다. 건물에서의 에너지절약방법은 단열, 건물 방위 및 형상 등을 통한 건축계획적 접근방법과 에너지사용기기 및 시스템 운전효율을 향상시키는 설비적 접근방법이 있다. 설비적 에너지절약방법 중 단기간 연구개발로 에너지절감을 실현시키는 방법은 건물에너지 운영관리 및 최적화된 제어기술 도입이 해답이다. 이런 기술을 적용하기 위해서는 단위 제어기(기기에 직접 연결되어 제어되는 컨트롤러) 및 통합 정보 제어 및 운용관리 소프트웨어가 필요하다.

국제에너지기구(IEA)는 건물의 열원 및 공조시스템에서의 에너지절약은 주로 시스템의 최적제어 및 신속한 고장진단을 통해 효율을 높일 수 있다는 연구결과를 제시하고 있다. 이는 건물뿐만 아니라 모든 냉동공조시스템 전반에 걸쳐 비슷한 결과를 의미하고 있다. 결국 논리적이고 체계적인 최적제어는 최소장비의 개별제어에서 통합제어로 이어져야 한다.

실제로 제어시스템은 장비, 설비 등의 내부에 장착돼 드러나지는 않지만 에너지절약 및 에너지효율 향상에 주도적 역할을 수행하고 있다. 냉동공조시스템에서 제어시스템은 인간의 두뇌와 같은 역할을 한다. 각 부품의 역할이 최상의 조건으로 가동돼 성능을 극대화시킬 수 있도록 도와주기 때문이다.

냉동공조제품 제어기술 동향

냉동사이클의 이른바 4대 components를 포함한 여러 가지 관련 기술들은 그 짧은 역사에서도 끊임없이 발전해 왔지만 최근 전기·전자·제어분야의 폭발적인 기술적 진보에 의해 새로운 시대를 맞이하고 있다. 이와 함께 시대적 화두인 ‘에너지효율 증대’와 맞물려 그 중요성은 더욱 강조되고 있다.

국내 대부분의 산업용 냉난방, 냉동공조기기의 자동제어시스템 초기에는 대부분 재래 방식인 릴레이 타이머를 적용한 시퀀스 제어(Sequence Control)회로에 의한 컨트롤 방식을 사용했다.

아날로그 제어(전기식, 시퀀스제어, 전자식)방식을 대체하는 마이콤컨트롤 제어방식을 적용하기 시작 것은 1960년대 초다. 이후 반도체 기술의 급속한 발전에 의해 LSI(Large Scale Integration)기술이 적용된 하나의 칩에 고밀도 메모리를 가진 컴퓨터 개념(마이크로 프로세서 개념)의 등장으로 1975년에 마이크로 컴퓨터를 사용한 제품이 출현했다.

이러한 마이크로 컴퓨터를 응용해 직접디지털제어라는 DDC(Direct Digital Control) 명칭하에 DDC 제어기술은 빌딩 자동제어시스템의 핵심기술로 발전해 왔다. 이 빌딩 자동제어시스템은 인텔리전트 빌딩은 물론 일반 빌딩공조제어 시스템에서도 없어서는 안 될 제어기술로 발전해 왔다.

DDC 컨트롤러는 아날로그 조절기 대신 마이크로 컴퓨터의 제어로직(소프트웨어 처리)에 의해 디지털적으로 조작부를 움직이는 것을 말한다. 좀 더 자세하게 정의하면 DDC란 각종 센서로부터 연산해 DDC로부터 나가는 출력은 수치 형태로 나타내게 되고 이 수치는 조작기 등을 작동시키기 위한 전압이나 공기압 신호로 변환돼 냉난방 공조기기의 자동제어분야에 핵심 요소로 적용되고 있다.

또한 최근 인터넷의 대중화로 인해 공장, 사무실 및 가정에서 전원이 공급되는 모든 기기들을 인터넷에 연결해 원격지 어디에서나 제어할 수 있는 시스템에 활용할 수 있도록 개발하고 있다.

이러한 인터넷 원격 감시제어기능이 내장된 임베디드 시스템을 이용한 마이콤 개발관련 산업용 응용시스템들은 공통적으로 LAN(Local Area Network) 및 공중망을 이용한 화상회의 기능, 무인 카메라 제어 및 화상통신을 이용한 원격감시·조작기능, 화면구성, 화면내용 정의가 가능한 멀티미디어 MMI(Man Machine Interface), 멀티미디어 DB(database) 운용, 인터넷 응용 원격진단 기능 등이 포함돼 있다. 이와 같이 인터넷을 통한 원격 감시 제어시스템은 앞으로도 보다 폭넓게 발전 변모해 갈 것으로 기대된다.

최근 들어 초고속 정보통신망으로 대표되는 정보 관련 사회 간접자본의 계속적인 확충 및 컴퓨터 업계에서 태동된 멀티미디어 응용기술의 급속한 발전과 함께 산업용 시스템에 멀티미디어 기술 적용이 가속화되고 있다.

또한 전세계적으로 이산화탄소(CO₂)를 줄이기 위해 노력하고 연구하는 가운데 냉난방공조기기분야의 에너지 소모 비중이 막대해 고효율의 제품 생산이 주요 핵심기술로 연구되고 있다.

이중 부하에 따라 속도가 고효율을 유지하는 가운데 가변될 수 있는 냉매 압축기용 BLDC모터의 DC 인버터 드라이버 제어기술과 함께 전자식 팽창변, 전자식 압력 트렌스미터, 최적의 마이크로 컴퓨터의 프로그램 로직을 적용한 컨트롤러에 대한 연구가 지속되고 있다.

특히 유도 전동기의 부하 비중이 커 이를 고효율화하기 위해 BLDC모터로 변경되고 있으며 이를 제어하기 위한 DC 인버터 드라이버적용 기술이 냉동기의 부하를 추종하고 있다. 응답에 따라 용량제어를 효율적으로 제어(P, ID, PID)하도록 소용량부터 10마력 대용량까지 압축기모터의 파라메터를 분석해 경부하 시 필요없이 소모되는 전력을 최소화하고 냉동기의 빈번한 운전 정지 동작을 방지하며 토크대응 및 소모되는 최대 전류를 억제해 에너지절감 효과도 극대화시킬 수 있도록 국산화 신제품이 속속 출시되고 있다.

앞으로의 산업용 마이콤 컨트롤러의 가장 큰 문제점은 노이즈에 대한 통신 오동작을 방지하기위한 EMI, EMS시험을 거친 전자파 장해에 완벽한 제품을 개발해야하는 것이 지속과제로 남아있다.

제어분야에서는 기존 제어기기의 신뢰성(하드웨어 빌드)에 있어 기술상향 평준화가 어느 정도 이뤄졌다. 이 때문에 대부분의 업체들은 이제 ‘어떤 컨트롤러를 사용하느냐’에서 ‘어떻게 사이클을 제어할까’로 넘어가고 있다.

그러나 사실 제어는 유닛의 근본인 하드웨어적 특성을 뛰어 넘을 수 없기에 ‘어떤 고효율 부품’을 사용할지 결정한 이후에 ‘어떻게?’라는 질문을 던질 수 있다. 다시 말해 대상기기의 특성뿐만 아니라 그 기기가 사이클에 미치는 영향을 고려해야 하는 제어가 필요해지고 있다는 뜻이다.

인버터제어, 선택 아닌 필수

현재 시장에서 가장 주목 받고 있는 고효율기기는 바로 부분부하 압축기다. 실제로 냉동사이클에서 가장 많은 전기에너지를 소비하는 부품이다. 이에 따라 많은 압축기 제조사로부터 여러 가지 부분부하 솔루션들이 발표되고 있다. 특히 최근 국내 냉동공조시장에 빠른 속도로 도입이 되고 있는 솔루션은 BLDC(BrushLess Direct Current-inverter driven) 압축기다.

사실 과거 압축기가 유닛에서 차지하는 중요성과 복잡성과는 별개로 그 제어적인 중요도가 매우 낮았다고 할 수 있다. 사실 설정값에 의한 ON/OFF를 반복할 뿐 반복제어 속에서 유닛사이클이 환절기, 밤낮 온도차에 의한 응축압력감소 등이 어떻게 변화하는지를 생각하고 프로그램을 작성하지 않았다. 사실 1년에 2번씩 밸브를 교체하지 않는 이상TXV에서는 이런 부분을 검토할 필요가 없었다.

하지만 부분부하 압축기가 사용되면서 프로그래머는 대상 압축기 envelop과 실시간 증발·응축 압력 변화를 검토해 압축기의 오일회수와 설정온도 만족, 사이클 안정화 등을 고려하게 됐다. 이는 제어솔루션기업과 소속 프로그래머의 질적 향상을 이끌고 있다. 인버터 제어방식은 이제는 선택이 아닌 필수로 자리매김하고 있다.

BLDC의 장점은 일정한 목표 온도에 정확한 도달 및 부하변동에 따른 빠른 복귀이며 부분부하 운전으로 인한 정속형 압축기대비 높은 에너지효율이다. 반복적인 운전 정지없이 압축기 속도 조절을 통한 안정적인 냉동 열량 전달과 이에 따른 사이클 밸런스를 유지할 수 있다.

이에 반해 기존 설비대비 비용이 상승하고 적은 수치이지만 최대 출력에서의 정속형대비 낮은 COP가 단점으로 지적되고 있다. 특히 기술, 운용, 유지보수 어려움 등으로 사용자의 진입장벽이 존재한다.

이중 실제로 사용자가 가장 어려움을 겪는 부분이 바로 진입장벽이다. 이에 따라 각 제어전문기업들은 사용자가 application에 맞는 압축기를 선정하면 나머지 운용에 있어 제어방식, 보호로직, 압축기와 인버터 매칭 등의 이슈들을 해결하고 있다.

BLDC의 적용분야는 무궁무진하다. 소형 칠러부터 히트펌프, 프로세스 칠러분야까지 적용 시 일정 이상의 에너지효율 증대를 기대할 수 있다. 특히 냉동 및 냉장분야 시장은 그 적용 사례가 급진적으로 증대될 것으로 기대된다. 앞으로의 BLDC기술 적용에 있어 매우 중요한 성공의 척도가 될 것으로 관련업계 전문가들은 예상하고 있다.

하지만 모든 업체들이 BLDC가 주는 환상에 빠질 필요는 없을 것이다. 꾸준한 부하(정격)가 유지되고 그 변화의 폭이 작다면 특정 운전 영역에 맞는 정속형 압축기에 TXV가 오히려 최상의 효율이 나올 수 있기 때문이다. 불필요하고 복잡한 부품 추가는 제품의 안정성을 오히려 떨어뜨릴 수 있기 때문이다.

냉동공조분야는 부하를 전달하는 매개체의 온도 혹은 습도를 원하는 상태로 맞춰 주는 것이 목표다. 대부분의 경우 그 부하의 변동, 혹은 계절에 따른 외기 온도 변화에 민감하게 반응할 수밖에 없다. 이에 따라 많은 사용자는 정속형 압축기에 TXV로는 대처하지 못했던 application에 대한 BLDC 기술 접목을 고려하고 있다.