- 인버터를 활용한 HVAC & R 에너지 절감 및 Digitalization


 

▲댄포스 드라이브사업부 장은상 부장이 최근 대한설비공학회 학술발표대회에서 ‘인버터를 활용한 HVACR 에너지 절감 및 Digitalization’ 주제발표를 하고 있다.

 

 

“현재 AC드라이브 적용이 가능한 모든 애플리케이션에 인버터를 적용할 경우 전 세계적 에너지 소비량의 최대 8% 정도를 절감할 수 있다”


 

댄포스 드라이브사업부 장은상 부장은 최근 대한설비공학회 학술발표대회에서 ‘인버터를 활용한 HVACR 에너지 절감 및 Digitalization’ 주제발표를 통해 이같이 밝히고 HVAC & R 분야 중 전동기 사용 애플리케이션에 인버터를 채용할 경우, 많은 부분에서 에너지 사용의 최적화와 효율 향상으로 에너지절감을 실현할 수 있다고 강조했다.


전 세계 전기에너지 소비량 중 적어도 20% 정도가 AC드라이브에서 사용된다. 그 중에서 50% 이상이 모터를 구동하는데 소비되고 있다.


산업계의 경우 지역이나 분야에 따라서 그 비중은 65~75%까지 증가한다.

 

에너지 사용분야를 보면 Main Drives인 컨베이터 벨트, 수직 이송, 익스트루더 등에서 36% 정도를, Auxiliary drives인 펌프, 팬, 컴프레서 등에서 64% 정도를 소비하고 있다.

 

 

 

이처럼 HVAC & R 분야인 팬, 펌프 그리고 컴프레서 부하에서 대부분의 에너지가 사용되고

있다.

 

이러한 전동기 사용 애플리케이션 중 많은 부분은 에너지 사용의 최적화 가능성을 많이 가지고 있다.

 

하지만 이러한 애플리케이션의 경우, 항상 시스템 설계는 각각의 시스템이 감당해야 할 최대 부하를 상정해 적용되고 있다. 이에 반해 실제 사용되는 부하는 대부분 부분부하에서 사용되고 있다.

 

이런 이유에서 부분부하의 운전효율은 시스템운전효율을 결정하는데 중요한 인자가 되고 있으며 이를 위해서는 인버터를 적용한 가변속 시스템을 구성하는 것이 가장 효과적이다.

 

또한 최근 IoT가 새로운 트렌드가 되면서 디지털화된 정보교류가 중요해지고 있는데 이를 잘

활용하기 위해서는 제품의 디지털화(Digitalization)가 추구돼야 한다.

 

장은상 댄포스 드라이브사업부 부장은 “그래서 많은 프로세스 정보를 디지털화 하고 이를 통신을 통해 다른 기기와 교환할 수 있는 능력을 가진 인버터의 채용이 시스템 업그레이드 상에서 중요한 고려 대상이 된다”고 밝혔다.

 

인버터란 3상 고정전압을 입력받아 DC를 다시 AC로 변환하는 과정을 거쳐 삼상 AC 전동기에 적정한 주파수와 전압을 공급해 전동기의 속도를 제어하는 장치를 말한다. 다른 말로 AC drive, VSD (Variable Speed Drive), VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) 등으

로도 불린다.

 

실제로 냉동냉장 및 건물 공조파트의 상당히 많은 부분에서 인버터가 적용되어 활용되고 있

다. Racks, Packs, Heat Pumps, Reciprocating Chiller, Reefer Containers, Screw Chiller, Centrifugal Chiller, Scroll Chiller 등에 채용된 컴프레서를 비롯해 Condenser, Evaporator, AHU, ACU, Cooling Tower 등의 팬 그리고 Chilled Water Pumps, Condenser Water Pump, Liquid Refrigerant Pump 등에도 인버터가 적용되고 있다.

 

 

 

통상적으로 HVAC & R 설비의 잠재적인 에너지 절감 가능성은 △각 부분품의 효율 증대로

10% △속도제어로 전환 시 30% △시스템 또는 프로세스의 최적화를 통해 60%이다.

 

냉동냉장분야에서 많이 다루고 있는 컴프레서의 인버터화가 중요한 게 인버터를 통한 속도제어를 하면 상당히 많은 양의 에너지를 절감할 수 있기 때문이다.


AC드라이브는 전동기에 투입되는 파워를 제어하며 통상 15~40%의 에너지를 절감할 수

있다.

 

장은상 부장은 “현재 AC드라이브는 펌프, 팬, 컴프레서에서 적용되고 있으며 AC드라이브 적용이 가능한 모든 애플리케이션에 인버터를 적용할 경우 전 세계적으로 에너지 소비량의 8% 정도를 절감할 수 있다”며 댄포스가 HVAC & R 업계에 제시하고 싶은 게 이 점이라고 강조했다.


 

▲댄포스 드라이브 「VLT」 제품군

 

 


인버터를 통한 에너지절감 원심식 팬, 펌프 등 가변토크 부하

원심식 팬 또는 펌프는 구동 원리상 부하가 요구하는 토크가 모터의 회전속도의 2승에 비례한다. 즉, 설계된 정격의 모터 회전수보다 사용 회전수가 줄어들 경우 부하 토크는 회전속도 비율의 제곱의 형태로 줄어들게 되고 소요되는 에너지는 회전속도와 토크의 곱으로 산출되므로 회전속도 비율의 세제곱의 형태로 줄어든다. 즉, 팬 또는 펌프의 속도를 설계 정격 속도의 절반으로 줄이게 되는 경우 에너지 사용량은 80% 이상 줄어드는 것을 알 수 있다.

 

정토크 컴프레서 부하

2승 저감 토크와는 달리 일반적인 모터 부하는 속도의 변화에 관계없이 일정한 토크를 요구하는 정토크 부하이다. HVACR의 경우 냉동기 컴프레서 부하가 대표적인 정토크 부하라고 할 수 있다. 이 경우 부하의 전력소모량은 모터 속도에 비례하게 된다. 2승 저감 부하에 비해서는 에너지절감량은 그렇게 커 보이지는 않지만 이는 실제 부하의 사용 패턴을 고려해보면 에너지 절감에 대해서 많은 기회가 있음을 알게 된다.

 

드라이브와 디지털 트랜스포메이션

장은상 부장은 댄포스 드라이브와 디지털 트랜스포메이션에 대해서도 언급했다.

인버터를 프로세스에 채용할 경우 인버터는 기본적으로 모터의 상태를 모니터링하게 되며, 부하량과 시스템의 건전성 정도를 실시간으로 수치화해 모니터링 하게 된다. 또한 시스템에서 모니터링 해야 할 가치가 있는 각종 센서를 연결할 수 있는 Connectivity를 제공한다. 이러한 연결을 통해서 각종 센서에서 측정되는 시스템 변수는 수치화 되고, 이를 상위 시스템에 제공하는 것은 인버터에 채용된 여러 가지 필드버스를 통해 가능하게 된다. 최근 대두되는 IoT의 직접적인 활용은 인버터의 이더넷 통신을 구축할 경우 별도의 프로토콜 장비의 추가 없이도 인터넷 연결 및 여러 가지 인터넷 서비스의 활용이 가능하다 .

 

디지털 퍼포먼스

- 중앙 제어

설치 및 최적화된 운용을 위해 댄포스 드라이브는 실제 많이 사용되는 어떠한 컨트롤 시스템과도 호환성이 있다. 현재의 AC 드라이브는 매우 지능적으로 발전되어 왔으며, 이로 인해 드라이브 시스템에서 많은 역할을 수행할 수 있다. 드라이브의 모든 잠재력을 활용하기 위해서 선도적인 필드버스 또는 산업용 이더넷 프로토콜을 채용하여 제어시스템에 통합시킬 수 있다. 중앙제어 장치에서 설치된 드라이브의 모든 객체에 제한 없는 접근이 가능해 설치상태에서부터 비용 절감을 이끌어낼 수 있다.

 

- 더 나은 폴트/알람 관리

자세한 세부내용을 리포팅함으로써 폴트/알람을 야기할 가능성이 있는 원인을 쉽게 찾을 수 있도록 환경을 제공하며, 원격 장비 감시에 대한 효과적인 지원을 제공한다. 수집된 폴트/알람 메시지를 분석함으로 해서 정확한 장비의 수정과 유지보수의 실행이 가능해진다. 인터넷 연결성을 통한 원격관리는 상태 및 폴트/알람이 빠르게 원격지로 보고할 수 있도록 한다.

 

- 더 나은 자산 관리

고객의 자산은 하나의 중앙제어실에서 운용 가능하며 프로세스를 중앙제어실에서 설정하는 설정값에 따라 제어할 수 있다. 운영자는 현재의 상황을 항상 정확하게 파악할 수 있으며, 언제든지 시스템을 모니터링하고 드라이브의 설정을 원격에서 변경할 수 있다.

드라이브 자산의 시리얼번호, 펌웨어, 모듈 버전 및 모든 파라미터 설정에 쉽게 접근할 수 있

으며, 백업이 가능하다. 현재 속도와 소모되는 전력량과 같은 상태 데이터를 언제나 가져올 수 있다. 효과적인 에너지 및 피크 부하의 관리가 추가적인 컴포넌트 없이 가능하다.

 

- 전문가의 지원 허용

댄포스의 장비 lifecycle 서비스 DrivePro 포트폴리오의 하나인 DrivePro Remote Expert Support는 진단하고자 하는 드라이브와 연결된 엔드유저의 컴퓨터를 드라이브 전문가가 직접 연결하여 현장지원을 제공할 수 있다. 또한 댄포스의 전문가가 언제나 고객에게 직접적인 서비스를 제공할 수 있으며 고객의 시스템이 항상 최고 수준의 성능을 유지할 수 있도록 도와준다.


HVACR은 에너지 절감 기회가 많은 분야이며, 대부분의 경우 부분 부하로 운전이 된다. 컴프레서와 또한 프로세스에 연관된 펌프 및 팬의 회전수 최적제어를 통해 에너지 절감을 이룰 수

있다. 또한 인버터가 가진 디지털 기기로서의 능력을 통해 프로세스와 연관된 정보들을 수치화할 수 있고, 이를 시스템 레벨로 보고하는 것이 가능해진다. 이를 통해 프로세스의 많은 정보를 통합하여, 체계화할 경우 시스템에 IoT 개념을 적용할 수 있다. 에너지 사용 정보의 수집은 스마트 에너지 관리에 기여를 할 수 있으며, 시스템 변수의 모니터링을 통해서 시스템의 건전성 관리도 가능해진다.

 

한편 댄포스는 약 30여 년간 HVAC/R 분야에서 선도적으로 드라이브를 공급해왔다. 1986년 최초로 HVAC시스템에 특화된 전용드라이브를 시장에 출시한 이후 지금까지 댄포스와 Vacon HVAC는 전 세계적으로 300만대가 넘는 HVAC 전용 인버터를 상업용 빌딩에 공급해 왔다.

 

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