“냉동냉장 시스템에서 에너지를 절감하기 위해서는 크게 시스템을 구성하는 각각의 부품에 대해 효율이 높은 것을 선택하든지 또는 적용한 각각의 부품 고장률이 낮아서 운전율을 높이는 2가지 방안이 있다.”

댄포스 코리아(대표이사 김성엽) 냉동공조사업부 김병균 이사는 ‘2020 KFCA 콜드체인 신기술 세미나’에서 ‘저온저장고용 냉동기의 에너지 절감 방안’ 발표를 통해 이같이 밝히고 에너지 효율성과 신뢰성 측면에서 대응하고 있는 댄포스의 콜드체인 솔루션에 대해 소개했다.

댄포스는 에너지 저감성과 내구성이 검증된 저온저장고용 냉동기를 구성하는 다양한 부품을 갖추고 있다. 중저온용 및 인버터 스크롤 압축기, 드라이브 단독운전이 가능한 CDS 인버터 드라이브, 솔레노이드 밸브 기능이 내장된 전자식 팽창밸브(AKVP), 모바일 앱으로 설정 및 모니터링이 가능한 AK-CC55 저온저장고용 제어기, 제어로직 프로그램밍 및 서버 기능이 내장된 MCX 프로그램 제어기 등이 댄포스의 저온저장고용 냉동기에 적용되는 대표적인 장치들이다.

댄포스의 스크롤 압축기는 중온용(MLZ), 저온용(LLZ) 정속형 모델과 인버터(VZH, VLZ) 모델 등 다양한 라인업을 갖추고 있다.

냉동시스템 적용 압축기 시장, 반밀폐형에서 밀폐형 제품으로 이전 중

김병균 이사는 “압축기는 전체 냉동시스템의 효율에 가장 큰 영향을 미친다.”면서 “특히 스크롤 압축기는 왕복동 압축기보다 체적 효율이 좋은 점 때문에 널리 사용되고 있다”고 설명했다.

댄포스에서 제시한 등엔트로피 효율(Isentropic Efficiency) 데이터를 보면 비교 제품 대비 유독 2~3마력 급 중온용 MLZ 스크롤 압축기의 에너지 효율이 약 17~21% 정도로 높다.

김병균 이사는 “일반적으로 업계에서 인버터 압축기를 사용하면서 또는 홍보할 때 정속형 대비 에너지 효율 25~30% 향상, 에너지 절감률 20% 등의 효과를 내세운다.”며 “댄포스의 중온용 MLZ 스크롤 압축기 2~3마력은 정속형이면서도 시스템적으로 15~20% 정도 에너지 절감 효과를 기대할 수 있다”고 밝혔다.

댄포스 정속형 스크롤 압축기의 고효율화는 스크롤의 형상기술, 모터의 최적화 기술 등이 집약된 결과다.

현재 저온저장고용 냉동기로는 주로 스크롤 압축기와 반밀폐형 왕복동 압축기가 적용되고 있다. 특히 반밀폐형 왕복동 압축기는 고장 시 분해 후 수리 및 고장 난 부품 교체가 가능하다는 이점 때문에 그동안 시장을 주도해 왔다.

김병균 이사는 “최근 들어 스크롤 압축기의 기술 향상과 냉동기 제조사 및 시공사 엔지니어들의 전문성이 강화되면서 압축기 하자로 인한 유지 보수가 거의 발생하지 않는다.”면서 “한국 저온저장고 냉동기에 적용되는 압축기는 반밀폐형 압축기에서 밀폐형 압축기로 상당 부분 이전되고 있다.”고 강조했다.

HOOP와 ORV 적용…압축기 과열 운전 방지

댄포스의 중온용 MLZ 스크롤 압축기(이하 MLZ)의 가장 큰 특징은 오일 온도 이용 모터 프로텍터(HOOP, Hot Oil Overload Protector)와 오일 리턴 밸브(ORV)를 적용한 점이다.

보통 압축기가 과열되면 과열 가스를 바이패스 시켜서 모터 보호장치인 ‘프로텍터’를 작동해서 압축기를 보호한다.

하지만 MLZ은 오일 온도를 이용한 프로텍터로 과열 운전으로 인한 압축기 소손 전에 모터 프로텍터를 작동해 압축기를 보호하게 된다.

김병균 이사는 “압축기의 모터 프로텍터는 전류가 높을 때뿐 아니라 모터 온도가 과열됐을 때도 작동이 되는데 과열 가스를 투입하면 모터가 완전히 식을 때까지 접점이 열려 있게 되어 압축기 작동이 안 된다.”며 “과열 가스 대신 오일로 하게 되면 모터 과열이 심해지기 전에 투입되므로 모터가 식는 속도뿐 아니라 압축기 재기동 속도도 빠른 장점이 있다.”고 강조했다.

또 MLZ은 오일 리턴 밸브를 적용해 압축기 내에서 오일을 회수해 작은 유량에서도 압축기 내에 충분한 오일량을 유지할 수 있다.

김병균 이사는 “HOOP와 ORV 두 장치가 있고 없고의 차이는 고장 날 때까지의 시간”이라며 “MLZ은 오일을 토출하고 또 모아서 회수를 반복하기 때문에 오일 부족으로 인해서 마찰 부위가 엉겨 붙는 등의 고장 없이 계속 가동된다.”고 말했다.

MLZ은 전 모델에 사이트글라스와 오일 슈레더 밸브를 기본 장착하고 있으며 R404A, R448A, R449A 냉매 사용이 가능하다.

저온용 LLZ… 동일 스크롤 압축기 대비 효율 25%, 냉동능력 40% 향상

한동안 저온용 시장에서 스크롤 압축기는 크게 주목을 받지 못했다.

그 이유는 우선 저온의 경우, 저장고 내 제품의 가치가 매우 높기 때문에 고장 등에 신속한 유지 보수 대응이 가능한 반밀폐형 왕복동 압축기를 선호했다.

또 스크롤 압축기의 저온 가동 시 효율 문제, 여기에 냉장용 모델을 냉동용에 사용하면서 고장도 잦았다. 그러면서 냉동냉장 시장에서 스크롤 압축기는 저온에 사용하면 안 된다는 인식이 자리 잡게 됐었다.

김병균 이사는 “하지만 스크롤 압축기 업체들의 기술 향상을 통한 효율 개선과 내구성 강화 그리고 적용 업체의 엔지니어링 강화 등이 지속적으로 이루어지고 개선되면서 10여 년 전부터 저온용에도 스크롤 압축기 적용이 확대되고 있다”고 밝혔다.

댄포스 저온용 스크롤 압축기 LLZ은 냉동용으로 사용될 때는 이코노마이저를 이용해 2단 압축 사이클을 형성한다. 압축기 2대를 가지고 2단 사이클을 형성하는 게 아니라 압축기 1대로 2단 압축 사이클을 형성한다.

LLZ은 동일 마력의 스크롤 압축기 성능 대비해 증발온도 -25℃ 기준으로 효율은 25%, 냉동능력은 40% 향상됐다.

또한 다단 압축 사이클에 비해 토출 가스 온도가 낮아 압축기 신뢰성도 높고 반 밀폐 압축기 대비 무게가 40kg 정도 가벼워 유지 보수가 편리하다.

특히 그동안 일일이 조립해야 했던 이코노마이저용 판형 열교환기, 팽창변, 오리피스, 전자변 등을 일괄 구성한 이코노마이저 키트도 댄포스 협력사에서 모델별로 공급하고 있어 제조사에서는 구입 후 입·출구 측만 용접하면 된다.

김병균 이사는 “대형 식품 유통센터의 경우에는 저온용 LLZ 스크롤 압축기 3~4대 사용한 이코노마이저 멀티 랙 시스템 적용을 통해 식품의 품질과 신선도를 최상으로 유지하며 에너지 효율을 극대화할 수 있다.”며 “롯데마트 등에 적용되어 안정성과 신뢰성을 인정받고 있다.”고 밝혔다.

중앙 토출밸브 ‘IDV’ 적용 모델…외기 온도 낮을수록 에너지 절감 효과 더 높아

댄포스 압축기에는 중앙 토출밸브 ‘IDV’가 적용돼 부하 효율 및 압축기 신뢰성을 향상시켜준다. IDV는 동일한 냉각 용량을 유지하면서 부분부하 조건에서 냉매의 과도한 압축을 기계적으로 줄여 준다. 압력비가 스크롤의 설계 최적점 아래로 떨어질 때 IDV를 개방함으로써 모터의 토크를 시스템의 압력 조건에 맞게 조정한다. 이는 모터의 토크와 전기 소비량을 줄여 시스템의 계절별 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. IDV 기술은 냉동기에서 4~15%까지 시스템 효율성을 높여 주고 액냉매 처리 능력을 향상시켜 준다.

일반적으로 압축기가 전기에너지를 소모하는 것은 냉매가스를 압축하는데 사용하는 에너지다. 압축기의 응축 압력 또는 응축 온도는 압축비가 아니라 외기 온도에 따라서 결정된다. 외기온도가 낮아서 부분부하 운전조건이 되면 스크롤 안쪽에서는 토출부가 있는 말단까지 압축하면서 에너지를 소비하게 된다. 그 다음 토출된 가스가 팽창하면서 외기온도에 맞춰진 응축압력 또는 응축 온도가 되는 것이다.

하지만 댄포스 압축기에는 중앙 토출밸브 ‘IDV’ 적용으로 외기 온도가 낮을 때도 말단까지 압축하지 않고 중앙부에서 토출을 반복하게 된다. 이런 이유로 모터의 전기에너지를 절약할 수 있다.

김병균 이사는 “밸브의 잦은 ON/OFF로 인해 신뢰성에 문제를 제기하기도 하지만 지난 50년간 사용해오던 반밀폐 압축기에도 흡입 및 토출 측에 이런 원리의 밸브가 이미 사용되고 있었다.”며 “스크롤 상부에 이런 밸브가 있다고 해서 압축기의 신뢰성에는 전혀 영향이 없다.”고 강조했다.

댄포스의 동일 압축기에 IDV를 장착한 것과 그렇지 않은 것의 에너지 효율 차이를 비교한 결과 외기 온도가 낮으면 낮을수록 에너지 절감 효과가 더 높아진다.

김 이사는 “기 설치 제품 중 압축기만 교체해야 하는 경우, 배관 부분만 약간 수정한 후 IDV 장착 압축기를 적용하면 대략 6~7% 정도의 에너지를 절감할 수 있다”고 말했다.

IDV 적용 댄포스 인버터 스크롤 압축기 ‘VZH 및 VLZ 시리즈’는 광범위한 애플리케이션에서 높은 수준의 효율성을 제공하기 위해 부분부하 작동에 최적화됐다. VZH의 적용 범위는 개별 시스템에서 4~26TR(최대 속도에서 하이브리드 탠덤에 사용될 경우 52TR)이다. 확장된 안전운전영역을 통해 특히 항온 항습기, 칠러, 상업용 냉동기와 같은 애플리케이션에 적합하다. 현재 세계 상업용 HVAC & R 시장에서 사용할 수 있는 가장 광범위한 인버터 스크롤 압축기 제품군이기도 하다.

VZH에 적용된 중압 토출 밸브(이하 IDV)는 공조 시스템의 부분부하 효율을 향상시키는 기계식 밸브이다.

특허제품인 IDV는 댄포스 DSH 스크롤 압축기과 인버터 스크롤 압축기의 7.5~50톤 제품에 적용된다.

IDV가 적용된 새로운 VZH는 기존의 댄포스 스크롤 압축기와 호환되며 복잡성을 줄이고 재설계 시 수행해야 할 신뢰성 시험을 최소화해 준다.

저온저장고 냉동 시스템에도 인버터 압축기 적용이 점차 확대되고 있다.

보통 인버터 압축기는 기준점을 어디에 두는가에 따라 에너지 비용을 적게는 25%부터 많게는 45%까지 절감 할 수 있다.

뿐만 아니라 인버터 압축기를 적용하면 목표 고내 온도 기준 ±0.5℃ 이내에서 매우 정밀하게 온도 및 습도를 제어할 수 있어 상품 가치를 보존할 수 있다.

김병균 이사는 “정밀하게 고내 온도를 유지할 수 있으므로 기존 정속형 압축기 적용 시 증발온도를 -10℃로 설정했다면 인버터 압축기 적용 시에는 -8℃로 2℃ 정도 올려도 고내 온도 제어에는 큰 문제가 없다.”면서 “증발 온도 2℃ 높일 때 약 9%의 에너지 절감 효과를 거둘 수 있다”고 강조했다.

인버터 드라이브 ‘CDS’…드라이브 단독운전 가능, 압축기 최적화

가정용 에어컨에 들어가는 인버터 드라이브와 달리 저장고에 들어가는 인버터 드라이브는 특별한 능력이 요구된다.

그것은 바로 드라이브 단독운전이다. 복잡한 인버터 제어기가 고장 났을 때 인버터 드라이브 만으로도 시스템의 운전이 돼야 한다.

댄포스의 인버터 드라이브 ‘CDS’는 드라이브 단독운전이 가능하다. 댄포스 압축기에 최적화된 CDS는 제어기나 센서가 고장 나도 설정한 값으로 단독운전이 가능하다.

또한 자체적으로 전기에너지 사용량을 측정해 주므로 전산 전력계를 따로 장비할 필요도 없다. 오일 회수관리, 잦은 단속 운전 방지, 역회전 방지, 속도 바이패스, 드라이브 인터페이스 LCP, MCT10 등의 기능도 갖추고 있다.

특히 PCB 산업용 코팅으로 습도 5~95%에서 운전을 보장해 준다.

인버터 압축기에는 과열도를 제어하기 위해 압력센서를 사용한다. 보통 압력센서로 측정한 값을 가지고 현장에서 제일 먼저 고민하는 게이 압력이 맞는지 틀리는지 하는 것이다.

댄포스의 압력센서 P110은 5.0V 입력 전압(100%)을 가지고 사용하게 되는데 센서 불량일 경우 입력 전압의 2%(0.1V)를 출력하고 하네스 접촉 불량 시에는 0%(~0.0V)을 출력해 센서 고장과 하네스 체결부 완결성 검사 등 4~95%까지 넓은 구간에서 높은 정확도로 자가 진단 기능을 수행한다.

전자식 팽창밸브 AKVP는 솔레노이드 밸브 기능이 내장된 베스트셀러 제품으로 전 세계 300만 개 이상 설치되어 있다. 시스템의 효율을 향상시켜 주며 제품 수명이 최소 10년 이상으로 길고 5,000만 회 작동 가능 주기(0.00001% 이내 누설률)를 가졌다. 1개 바디로 여러 오리피스를 사용할 수 있으며 최소 안전과열도 기능과 과열도 제어 알고리즘 MSS가 구비되어 있다. PWM 용량 적용 범위 10~100%이며 작동 소음 및 진동 방지를 위한 신기술이 적용돼 있다. △R404A △R507A △R448A △R449A △R452A △R410A △CO₂ 등 모든 종류의 냉매를 사용할 수 있다.

AK-CC55 저온저장고 제어기는 AKVP 전자식 팽창밸브 제어기능을 포함하고 있으며 모바일앱으로 설정 및 모니터링할 수 있다. 컴팩트, 싱글, 멀티 등의 구성이 가능하다.

MCX 프로그램제어기는 고객의 특별한 요구에 부합하는 제어로직 프로그래밍, 서버기능을 내장했다. 그래픽도구를 사용한 쉬운 프로그래밍과 다양한 경험을 보유한 댄포스 엔지니어가 프로그램을 지원하고 있다. 또 서버 기능 보유 모델 사용 시에는 별도의 서비스 구축 없이 설비모니터링을 구현할 수 있다.