대한설비공학회 콜드체인부문위원회는 2021년 동계학술발표대회 특별세션에서 최근 콜드체인 냉동냉장 시스템 우수기술 개발 사례를 소개했다.

이날 우수기술 개발 사례로는 △양연호 오텍캐리어냉장 이사의 ‘콜드체인용 냉장비에서의 인버터시스템 기술 적용 효과와 필요성’ △황준하 아르네코리아 부장 ‘콜드체인 시장을 위한 혁신적 솔루션’ △졍연주 한국마이콤 선임의 ‘에너지 절약형 냉동창고의 우수사례 소개와 향후 개발과제’ △허재혁 한국에너지기술연구원 책임연구원의 ‘냉동저장고 및 건조기 복합 시스템의 증발압력 제어에 관한 연구’에 대한 발표가 있었다.

인버터 냉장비 정속형 대비 여름철 최소 38% 에너지소비량 절감

양연호 오텍캐리어냉장 이사

양연호 오텍 캐래어냉장 이사는 ‘콜드체인용 냉장비에서의 인버터시스템 기술 적용 효과와 필요성’ 발표에서 연중 상시 운전해야 하는 에너지 다소비형 콜드체인용 냉장비에서 에너지절감 효과가 탁월한 인버터 시스템 기술의 필요성과 적용시 에너지절감 효과에 대해 자체 및 고객사 객장 시험과 해외 외부기관의 시험 결과에 대해 소개했다.

이 3곳에서 인버터 기술을 적용한 콜드체인용 인버터형 시스템과 기존 정속형 시스템의 에너지소비량 비교시험 결과, 인버터형 시스템이 정속형 시스템 대비 각각 60%, 38%, 38.2% 에너지소비량 절감효과가 있는 것으로 확인됐다.

양 이사는 “시험결과의 차이는 주위온도 조건에 의한 것으로, 자체 시험실에서는 부분부하가 큰 봄/가을 및 겨울 조건이 포함되어 있으며, 실증시험과 해외 외부기관의 시험조건은 여름 조건으로만 시험한 결과”라고 언급했다.

시험 결과에 의하면 인버터형 시스템은 정속형 시스템 대비 여름철 조건에서 최소 38%의 에너지 소비량 절감이 가능한 것으로 나타났으며 특히 부분부하가 빈번하게 발생되는 봄, 가을, 겨울철에 에너지 절감효과가 크다는 것을 알 수 있다.

양연호 이사는 “콜드체인용 냉장비는 연중 상시 운전해야 하는 에너지다소비형 시스템으로 정부 정책인 ‘2050 탄소중립’을 실현하기 위해서도 에너지절감 효과가 입증된 인버터형 시스템 적용이 요구된다”며 “콜드체인용 냉장비에 인버터형 시스템을 확대하기 위해서는 부분부하를 적용하는 국내 시험규격과 고효율인증제도의 개정 및 제정, 그리고 효율을 인증할 수 있는 공인인증시험기관의 전용 시험실 구축이 절실하다”고 언급했다.

콜드체인시장을 위한 혁신적 솔루션

황준하 아르네코리아 부장

황준하 아르네코리아 부장은 ‘콜드체인시장을 위한 혁신적 솔루션’ 발표에서 “콜드체인 산업의 핵심인 냉동기에 사용되는 냉매가 에너지 절감 및 친환경성 확보에 가장 핵심이 되는 요소로 글로벌 환경규제에 따라 낮은 GWP를 보유한 냉매로의 전환이 이뤄지고 있다”며 “하지만 우리나라의 경우 GWP 3,900대인 R404a와 R507이 기존 냉매를 대체할 신냉매로 인식되고 있어 글로벌 트렌드에 역행하고 있다”고 언급했다.

이어 황 부장은 “농장에서 식탁까지 식품, 의약품을 전달하는 콜드체인 산업은 HFO 및 자연냉매를 통한 친환경시스템 구축으로 탄소중립에 기여할 수 있다”며 “일본의 경우 강력한 냉매규제를 통해 GWP를 제한하며 자연냉매 사용을 유도하고 있지만 우리나라는 아직까지도 정부차원의 냉매규제는 미흡한 실정이다”라고 말했다.

발표에서 황준하 부장은 에너지효율성과 친환경성을 동시에 갖춘 아르네코리아의 상업용 냉동시스템에 대해서도 소개했다.

에너지다소비형 기기인 상업용 냉동기에는 이코너마이저를 적용, 향상된 제어알고리즘 설계로 고 신뢰성을 확보했다.

콜드체인 전용으로 제작된 인버터냉동기는 여름철 외기온도 상승 시에도 안정적인 압축기 구동이 가능해 COP를 25% 향상시켰으며 냉매량 변화에도 최적의 사이클이 구현되도록 설계했다.

또 국내에서 유일하게 HFC 및 HFO냉매를 시스템 교체 없이 사용이 가능한 것이 강점이다. 20RT 미만으로 최대 75마력까지 구현이 가능하며 냉동·냉장 겸용으로 설계, 넓은 운전영역을 실현하며 대형 유통매장에 유기적으로 대응할 수 있다.

‘A물류냉동창고, 최적 설계로 70% 에너지 절감 확인

졍연주 한국마이콤 선임

졍연주 한국마이콤 선임은 ‘에너지절약형 냉동창고의 우수사례 소개와 향후, 개발과제’ 발표에서 “냉동창고의 우수사례 소개와 향후, 개발과제’ 발표에서 “냉동창고의 에너지절감 노력은 기후위기를 극복하기 위한 CO2 배출량의 삭감과 냉동창고의 운영원가 절감, 천연자원의 보호라는 3가지 목적을 갖고 실행돼야 한다”며 에너지 절약형 냉동창고의 우수사례로 경기도 포승에 위치한 A물류 냉동냉장시스템’에 대해 소개했다.

A물류는 R507A 냉매를 이용한 중앙집중방식으로 직접팽창 냉각방식이 적용됐다. 주요 장비인 냉동기는 개방형 스크류식으로 신형 압축기를 탑재한 마이콤사의 J-SERIES이며, 전실냉각용 냉동기는 반밀폐 스크류식, 응축기는 군트너사의 SUS304 재질의 증발식 응축기를 증발기는 군트너사 유니트 쿨러를 사용했다.

냉각시스템에는 전자식 팽창밸브를 사용하고, 인버터 및 EC-FAN을 적용해 전체적인 에너지절감을 도모했다. 또 각층 냉장창고 입구에 가로순환형 에어셔터인 써모셔터를 설치해 입출고 시 침입외기의 냉각부하를 최소화 하고 프레온 설비에서 중요한 오일 회수장치를 적용해 오일 체류에 의한 증발기의 냉동효율 저하를 방지했다. -5℃로 설계된 냉동창고 1층 전실바닥에는 바닥 동결 방지장치를 설치해 항상 안전하고 청결한 바닥을 유지할 수 있도록 했다.

정연주 선임은 “A물류 창고는 수용량 약 38,640톤의 냉동창고로 2020년 전력사용량을 분석한 결과, SEC가 18.04(kWh/㎥/year)로 에너지 효율이 매우 우수한 것으로 조사됐다”며 유럽과 일본의 조사 데이터를 근거로 에너지절갈 효과를 설명했다.

2013년 국제냉동기구 주최 제2회 국제콜드체인학술대회(ICCC)에서 Evans, J.A.등이 유럽 331개소의 냉동냉장창고의 연간에너지 소비량을 조사발표한 자료에는 냉동창고 평균 SEC 69.4(kWh/㎥/year)의 26%, 일본 냉동창고 기준 SEC인 158(KWh/ton/ year)의 32%로 나타났다.

정연주 선임은 “A물류 창고는 냉동기의 인버터 제어, 응축기와 증발기의 설계용량 대비 충분한 여유 능력과 EC팬 및 전자식 팽창밸브의 적용, 써모셔터로 침입외기의 차단 및 SCADA와 HMI의 모니터링 시스템을 적용함으로써 유럽과 일본의 SEC보다 약 70%의 에너지 절감이 가능한 것을 확인할 수 있었다”고 밝혔다.

축열식 냉동저장고·건조기 복합 시스템 개발

허재혁 한국에너지기술연구원 책임연구원

허재혁 한국에너지기술연구원 책임연구원은 중소기업 지명과 함께 중기청 과제를 진행하고 있는 ‘냉동저장고 및 건조기 복합 시스템의 증발압력 제어에 관한 연구’에 대해 소개했다.

허재혁 책임연구원은 “국내 농수산업 분야의 건조기 시장은 성장 중이나 대부분 전기 또는 유류를 사용하는 저효율 제품으로 2010년 이후 매년 20만대 이상 보급되면서 고효율 제품의 보급 확대를 통한 전력소비 절감이 절실하고 또 O2O(Online to Offline) 시장 확대에 따른 농가 자체의 저장 및 가공 수요가 증가되면서 신재생에너지 이용이나 히트펌프 방식이 적용된 고효율 냉동저장고 및 건조기 일체화 제품의 필요성으로 복합 증발부 압력 제어를 통해 저장고 및 건조기 일체형 고효율 복합기 개발에 나섰다”고 제품 개발 배경을 밝혔다.

기존 건조기는 저효율 전기히터나 유류방식을 사용한다. 또 개선책으로 개발된 히트펌프식 건조기도 전기히터를 병행 사용하고 있으며 냉장겸용 건조기도 건조는 전기히터에 의존하고 있다.

한국에너지기술연구원은 그동안 선행연구를 통해 △잠열축열식 냉동탑차의 에너지절감 기술 △과냉각 축냉시스템 적용 쇼케이스 △다단 사이클 구현 및 성능분석과 해석모델 등 다수의 연구 성과를 보유하고 있다.

허 책임연구원은 “최종 기술개발 목표는 현장설치형 축열식 중대형(50㎡ 이상) 냉동저장고 및 건조기 복합시스템 ”이라며 “세부적으로 △냉동복합건조기 시스템 설계 및 제작기술 △응축기 배열이용 축열 및 축열연계 최적 제상기술 △복합 응축 및 증발사이클 최적제어기술 등의 개발을 진행중”이라고 언급했다.

이어 그중 복합 증발부 구성 및 CRP, EEV를 이용한 증발압력 최적 제어 기술에 대해 소개했다.

허재혁 책임연구원은 “복합 증발부 구성으로 건조 및 냉동냉장 동시 운전이 가능하고 각 증발부로의 적절한 냉매량 분배 및 증발압 형성을 위해 CRP과 복수의 EEV를 적용해 최적 사이클을 구현하는 것이 이 시스템의 차별성‘이라고 강조했다.

이어 허재혁 책임연구원은 항온항습실 내부에 실험장치를 제작해 EEV(전자식 팽창밸브)와 EPR(압력조절밸브)의 개도 변화 테스트 결과, 중간 압력과 하부압력의 차이를 조절해주는 EPR의 변화에 따라서 성능 차이가 많다는 것을 실증했다고 소개했다.

허 책임연구원은 ”결론적으로 냉동 및 건조 복합사이클 구현이 가능한 것은 실증했지만 냉동고/저장고를 하나의 사이클로 구현했을 때는 냉동기 용량 60~80%의 최적 범위가 존재했고 단독운전의 경우 냉동저장고 가능했지만 건조기 단독운전은 사이클 설계문제로 효율이 매우 감소하는 것으로 나타났다“고 밝혔다.

현재 이 실증시험을 바탕으로 산업용 냉장냉동기 전문업체 지명에서 논산 양촌 곶감마을에 시제품(사진)을 만들어 인증을 위한 실증테스트를 진행중이다.