한국설비기술협회(회장 김철영) 축열기술전문위원회(위원장 서정식)는 축열식 냉난방시스템의 확대·보급과 기술발전을 테마로 5월 19일(목) 오후 13시 서울 세텍 전시장 3홀 내 강연장에서 ‘2022년도 탄소중립 실현을 위한 축열시스템 기술강연회’를 개최했다.

협회 축열기술전문위원회 서정식 위원장(한국냉동공조인증센터 박사)의 사회로 진행된 이날 강연회에서는 특별세션으로 한국에너지기술평가원 이윤빈 PD의 ‘탄소중립기술 구현을 위한 기술개발’ 소개를 시작으로 △축냉설비 보급 및 지원제도 현황(한국전력공사 김민구 차장) △인공지능을 적용한 HVAC 제어의 동향(한국기계연구원 류진우 박사) △축열시스템 적용사례 : 국제백신연구소 냉열원시스템 개보수(신성엔지니어링 박동선 팀장) △산업용 축열시스템 에너지절약 사례(엠에이산업 한국철 부장) △탄소중립 실현을 위한 복합수열원 수축열시스템 적용사례(장한기술 노상우 팀장) 등 5가지 주제발표가 이어졌다.

정부 R&D 지원은 민간혁신 이끌어내는 마중물 역할

이윤빈 한국에너지기술평가원 PD

이윤빈 한국에너지기술평가원 PD는 특별세션으로 진행된 ‘탄소중립기술 구현을 위한 기술개발’ 소개에서 “2019년 국내 에너지소비량은 2001년 대비 산업부문 1.67배, 가정· 상업부문 1.23배, 수송부문 1.35배, 공공부문 1.80배 등 전 산업부문에 걸쳐 1.51배 증가했다”라며 “ 정부는 탈탄소 중립기술 구현을 위해 중장기적으로 ‘에너지효율 향상’과 ‘에너지 신산업 육성’ 정책 방향을 세우고 2030년 선진국형 고효율 에너지 소비구조 실현을 통해 기준수요 대비 2030년 최종 에너지 소비는 14.4%(29.6백만 TOE) 절감을 목표로 하고 있다”고 말했다.

이어 “세계 각국은 저탄소/고효율로의 전환을 위해 중앙집중형 공급원에서 분산에너지원 및 수요관리 중심으로 전환을 추진하고 있으며 기후변화 대응에 온실가스 감축 기여가 제일 큰 효율향상 기술에 주목하고 신산업을 육성하고 있다”라며 주요국의 동향에 대해 소개했다.

이윤빈 PD는 “우리나라 역시 2020년 12월 ‘2050 탄소중립 추진전략’과 후속 조치를 통해 2030년 온실가스 감축목표(NDC) 달성 및 2050년 탄소중립(넷제로) 실현에 필요한 13대 분야 197개 핵심기술 개발 일정과 확보 방안 등을 제시했다”라며 “△수요절감(에너지효율, 행태변화 등) △전기화(히트펌프, 전기차 등) △전기화 어려운 연료의 탈탄소화(수소, 바이오연료, 합성연료 등) △발전원 탈탄소화(재생에너지) △산업 공정상 배출량 저감 △잔존 배출량 흡수 등의 기술이 고효율과 저탄소를 동시에 추구할 수 있는 NDC 목표달성을 위한 핵심기술”이라고 강조했다.

이어 “국가연구개발사업의 성과 발생까지 다양한 기술분야, 회임기간, 경제사회적 이슈, 다양한 주체 등 다양한 경로와 단계가 존재하는 만큼 탄소중립 R&D 추진은 관계부처, 정부출연 싱크탱크, 관련단체, 대중매체 등 다양한 주체의 참여와 협력을 통해 풀어나가야 할 난제”라고 밝히며 “정부 R&D 지원은 민간혁신을 이끌어내는 마중물의 역할”이라고 언급했다.

축냉설비 인정업체 40개, 총 93개 모델 공급

김민구 한국전력 수요관리처 차장

김민구 한국전력 수요관리처 차장은 ‘축냉설비 보급 및 지원제도 현황’ 발표에서 “전력 부하관리는 동·하절기 등 불안정한 전력수급 발생시에 안정성 확보와 전력설비 투자 억제를 통한 국가적 차원의 에너지자원 절약을 도모하기 위함”이라며 “한전은 축냉설비, 최대전력관리장치, 건물냉난방기기 원격관리시스템 (KAMS) 등 3가지 부하관리기기에 대해 당해연도 지원금 예산범위 내에서 지원하고 있다”고 밝혔다.

축냉설비는 심야시간대(단 심야(을)Ⅱ는 24 시간 사용가능) 열원기기(냉동기 또는 히트펌프)를 가동해 얼음이나 냉온수를 생산, 저장했다가 전기 사용이 집중된 낮시간 냉난방에 사용하는 시스템이다.

축냉설비 설치고객은 감소전력에 따라 △~200/kW까지 31만원/kW △400kW까지 27만원/kW △401kW 이상 22만원/kW을 지원받는다. 만약 감소전력이 300kW일 경우, 지원금은 8,900만원이 지급된다. 설치지원금 상한액은 2억원이다.

축냉설비를 설계에 반영하는 설계사무소에 지급하던 설계장려금(상한액 3천만원)은 2020년 7월 1일 이후 폐지됐으며 2020년 6월 30일까지 설치계획서 접수분에 한해서만 지급된다.

김민구 차장은 “설치지원금 외에도 세제 및 금융지원, 대체냉방시스템 의무화 및 공공기관 의무화 지원제도 등을 통해 축냉설비 보급을 지원하고 있다”라며 “현재 축냉설비 인정업체는 40개 업체이며 설비형 89개, 제품형 4개 등 총 93개 모델이 공급되고 있다”고 소개했다.

HVAC제어 시장규모 18.7조, 전체 HVAC 시장의 7.8% 수준

류진우 한국기계연구원 박사

류진우 한국기계연구원 박사는 ‘인공지 능을 적용한 HVAC 제어의 동향’ 발표에서 △HVAC 제어의 개념과 시장 △인공지능 HVAC 제어 국내외 적용사례 △인공지능 HVAC 제어의 연구동향 등에 대해서 소 개했다.

우선 글로벌 HVAC 제어 시장규모는 18.7조원으로 전체 HVAC 시장규모(241조원)의 7.8% 수준이라고 밝히며 제어를 통한 건물 에너지효율 향상에 대한 요구와 COVID-19로 인한 스마트홈, ICT 등의 수요 증가로 연평균 예상 성장률은 10.5%로 성장성이 높다고 전망했다.

반면 최종 사용자의 제어 중요성에 대한 인식 부족과 높은 설치비용, 기술적 복잡성, 기존 HVAC 설비제어시스템 업그레이드에 대한 어려움 등의 제약사항도 있다고 덧붙였다.

류진우 박사는 “현재 우리가 접하는 HVAC 인공지능 사례는 재실여부, 적외선/열화상 카메라 이용, 바닥온도센서에 기반한 기류제어나 시스템 ON/OFF 등의 기존 제어시스템과 일부 연동으로 구현 가능한 기능이 많고 기존 규칙기반 제어는 보수적인 제어로직 방식으로 효율보다는 신뢰성에 치우친 방식이라는 한계점도 존재한다”라며 “앞으로 데이터 기반의 새로운 제어방식이 필요하다”고 강조했다.

인공지능 HVAC 제어의 국내외 적용사례로는 △구글 데이터센터 서버냉각 에너지절감 사례(미국) △슈나이더일렉트릭의 본사 르하이브 인텔리전트빌딩 에너지절감 사례(프랑스) △Nest Learning Thermostat 부하관리 프로그램 운영사례(미국) △미쓰비시의 인공지능 부하제어 사례(일본) △삼성전자의 시스템 에어컨 상태 감지기술 사례 △여의도 서울국제 금융센터몰(IFC) 축열시스템 에너지절감 사례 등을 소개했다.

류진우 박사는 “동일한 시스템이라도 제어에 따라서 에너지 사용량 차이가 큰 만큼 외부정보(카메라 등)를 도입하면 불필요한 에너지 사용량을 줄일 수 있다”라며 “HVAC 시스템 제어를 위한 인공지능 기술 적용을 위해 데이터 기반의 강화학습 제어를 이용한 △차량 내부온도제어 △산업용 AHU 제어 △HVAC 시스템 강화학습 △강화학습을 적용한 온도 제어 등 다양한 형태의 연구가 진행 중”이라고 밝혔다.

국제백신연구소, 축열조 가용범위 확대로 운전효율 향상

박동선 신성엔지니어링 팀장

박동선 신성엔지니어링 팀장은 ‘축열시스템 적용사례’로 빙축열 시스템 및 노후 열원장비 교체를 통해 시스템 및 환경 개선, 에너지 소비효율 증대를 달성한 ‘국제백신연구소 냉열원 시스템 개보수’ 현장을 소개했다.

박동선 팀장은 “국제백신연구소 냉열원 개선공사의 궁극적인 목적은 전체 전력량 및 가스사용량 감소를 도모해 냉방효율을 증대하는 것”이라며 “장비 및 효율 개선과 축열량계를 이용한 적절한 운영을 통해 축열조 가용범위 확대로 운전효율을 향상시켰다”고 말했다. 국제백신연구소에는 야간 부하 대응력을 높이기 위해 증기 흡수식 냉동기 용량을 455RT에서 525RT로 증가시켰다. 적용 제품도 COP 1.50로 효율이 개선된 고효율 2중효용 증기흡수식 냉동기로 교체해 가스소비량을 줄였다. 또 기존 스크류 냉동기는 R-513A 신냉매를 적용한 터보냉동기(COP : 주간 4.33, 야간 3.95)로 교체했다.

전체 시스템은 2차측 부하 공조기까지 브라인으로 운영되던 기존 브라인 직접냉방 방식(Up Stream Type)에서 브라인 간접냉방 방식(Down Stream Type)으로 교체해 2차측 부하 공조기는 냉수(H2O) 대응으로 개선했다. 이를 통해 축열조는 변경하지 않고 배관라인을 변경해서 축열조 이용효율을 최대한 증가시켰으며 브라인 사용량은 기존 약 11,000kg에서 약 6,200kg으로 43% 이상 절감했다. 국제백신연구소는 시스템 운용개선을 통해 축열조 운용 제어범위는 기존 45~95%에서 10~95%로 확대되고, 축열조 가용열용량(24대 기준)은 기존 37,080kcal/℃에서 63,036kcal/℃로 증가하면서 약 60% 이용효율이 증가했다.

또 냉동기 등 시스템 변경을 통해 에너지소비량이 기존 1140.1kW에서 985.3kW로 10% 이상 개선됐다.

박동선 팀장은 “시스템 운영 및 효율 개선뿐 아니라 브라인을 기계실에서만 운용하는 간접 냉방방식 채택으로 브라인 사용량이 대폭 줄어 브라인 공조기 운용에 따른 위험성을 없애 재실자의 근무환경 개선효과도 얻을 수 있었다”고 말했다.

식품가공공장, Ice Chiller 적용으로 에너지비용 절감 및 생산성 향상

한국철 엠에이산업 부장

한국철 엠에이산업 부장은 ‘산업용 축열시스템 에너지절약 사례’ 발표에서 △산업용 축열 시스템의 특징 △레토르트 식품가공 공장 축열시스템 적용사례 △발전방향 및 제안에 대해 소개했다.

대부분의 산업용 공정에는 냉열과 온열 부하가 동일 현장에서 필요한 경우가 많다. 냉열 부하는 공조 및 공정용 냉각부하, 식품분야에서는 특히 0 ~ 2℃의 저온수가 필요하다. 온열 부하는 세척용, 난방용, 기타 반응 조건 조성용 등 35 ~ 120℃의 온열 부하가 필요하다. 하지만 축열식 히트펌프 시스템의 적용은 제한적이다.

한국철 부장은 히트펌프 사용이 일반적이지 못한 이유로 △열 수요의 시점, 용량 불일치 △공정별로 다른 온도의 열이 필요 △ 필요한 냉열과 온열의 온도차가 지나치게 큰 경우가 많음 △냉난방에 집중된 HP 시스템을 꼽으며 모 도계공장은 공정에 필요한 냉열(0~2℃, -6℃)과 온열(58℃)을 3개의 축열조를 이용하는 고효율 축열식 히트펌프 시스템을 적용해 에너지절약을 실현했다고 언급했다.

이어 산업용 공정은 공정 초기 Batch Pro-cessoad, 간헐적·일사적 부하 변동성이 크고 부하시간이 긴 경우가 많다며 독일의 맥주 공장을 예로 들어, 냉각 부하 변동을 축냉 시스템으로 효과적으로 대응해 장비 용량을 축소한 사례에 대해 소개했다.

한국철 부장은 산업용으로 축열시스템을 도입하면 상변화 축열로 0~3℃의 저온수를 안정적으로 생산, 공급온도의 안정화를 통해 공정수의 일정 온도 유지와 Buffer 기능이 가능하고 축열시스템에 온수 생산이 가능한 히트펌프를 적용하면 산업공정의 이용시간 불일치, 수요와 공급 용량의 불일치 문제를 해결 가능하다고 강조했다.

이어 산업용 축열시스템은 냉온열 모두 활용 가능한 시스템으로 △열 생산 시점의 이동을 통한 고효율/ 저비용 운전 △장비 부하율의 합리적 조정으로 운전효율 극대화 △열 수송 시스템에 대온도차, 상변화 물질 이용 등으로 수송 에너지 절감 △에너지 시스템으로 폐열 등 미활용 에너지 활용 등 혁신적 에너지절약 시스템이라며 레토르트 식품가공공장의 아이스칠러(ICE Chiller) 축열시스템 적용 사례를 소개했다.

충주 신도시 산단에 위치한 레토르트 식품 가공공장의 주생산품은 계란 가공식품이며 빠른 냉각 및 최종 품온 4℃ 이하 유지가 관건인 현장으로 2021년 11월 축열설비가 완공돼 가동 중이다.

주요 설비는 Ice Chiller(제빙용량 : 75us RT, 2대, 공랭식 Heat Recovery형), 반밀폐 R-134a 전용 스크류 압축기, 열회수기 (380kW, 2대), 공랭식 응축기(244kW, 4대), 펌프류(브라인 펌프, 제빙수 펌프, 냉수순환 펌프) 등이다.

한국철 부장은 “피드백 결과, 응축열 활용으로 별도 에너지소비 없이 온수 생산이 가능하고 야간 축열 이용률 상승으로 에너지 비용이 절감되는 한편 시스템 통합으로 공정 수온도 안정이 실현돼 냉각시간이 단축되면서 제품품질 및 생산성 향상으로 이어졌지만 개방된 옥내 설치 여건에 대한 대응 부족, 축열조 축열량 편중 현상 발생 등 설비 정상화 과정의 애로도 발생해 완료 및 해결 중”이라고 밝혔다.

이어 한 부장은 “산업용 축열 시스템은 대부 분 에너지 절약 기능과 수요관리 기능을 모두 갖고 있는데 산업용 전력을 주간에도 냉동기를 사용해야 하므로 심야전력 설비로 인정받지 못하고 있다”라며 “산업용 축열 부분은 한 전이 주도해 에너지를 절약할 수 있는 분야이므로 현재의 냉방부하 위주의 사고에서 벗어나 산업용 축열시스템의 심야전력 을 공급이 필요하다”고 강조했다.

현재 산업용 축열에 대한 심야전력 공급 현황은 산업용 축열 분야는 초기 예비 장비에 수축열조를 추가해 전축열 방식으로 에너지 절약 및 운전 안정화 설비를 구축하는 경우가 대부분이지만 현재 대상 설비는 거의 모두 적용한 상황이다.

한국철 부장은 “시스템 구축시부터 축열설비 를 적용하는 경우는 산업용 심야전기는 을Ⅰ만을 허용함으로써 공정 안정이 필수적인 현장에 한전이 심야전기 사용을 제한한다는 인식을 주고 있다”라며 “특히 산업용 요금과 업무용 요금의 차별이 없어진 상황에서 산업용 요금에만 심야전력 공급을 제한하는 것은 형평성에 맞지 않다”고 지적했다.

N사 분당 신사옥 복합열원 수축열 시스템 설계 및 시공사례

노상우 장한기술 팀장

노상우 장한기술 팀장은 ‘탄소중립 실현을 위한 복합열원 수축열시스템 적용사례' 발표에서 △수축열 시스템의 장점과 종류 △N사 분당 신사옥 설계 및 시공사례 등을 소개했다. 수축열 시스템은 값싼 심야전력을 사용해 축열조에 냉수(4~5℃) 또는 온수(50~60℃)를 저장했다가 주간 냉방 및 난방에 이용하는 시스템으로 물의 온도에 따른 밀도차를 이용해 온도차에 의한 성층화된 물의 에너지를 이용하게 된다.

노상우 팀장은 “수축열 시스템은 △수축열조에 냉수 및 온수를 저장하므로 냉난방 모두 가능해 시스템이 간단함 △운전비가 저렴 △비축열식 대비 열원기기 용량이 줄어들어 수전설비 용량을 줄일 수 있음 △부하 대응성 및 냉방효과가 우수함 △기존 냉동기 및 냉각탑을 이용해 수축열 시스템 적용이 가능하다는 장점이 있다”라며 “수열원, 지열원, 공기열원을 이용해 냉동기와 히트펌프로 냉방과 난방을 공급한다”고 말했다.

이어 노 팀장은 복합열원 수축열 시스템의 설계 및 시공사례로 N사 분당 신사옥을 소개했다.

N사 분당 신사옥은 연면적 50,607평, 지하 8층/지상 29층 규모이며 냉난방공조설비로 냉동기+수축열(2,502USRt), 지열히트펌프+수축열(834USRt), 프리쿨링 시스템 (832USRt)이 적용됐다.

특히 수축열조 디퓨저 내부 배관 설계는 ASHRAE 기준을 준수하며 온도성층화를 위해 α-디퓨저를 이용한 Injection flow를 linear flow로 변경했다.

노상우 팀장은 “수축열조 디퓨저 및 내부 배 관은 수축열조 디퓨저 간 균일한 유량 분배를 위한 토너먼트 배관으로 구성하고 배관 해석을 통해 배관 유속 및 마찰 손실 검토를 거쳐 최신 열유동해석(CFC)을 통해 설계 데이터를 검증했다”고 밝혔다.

N사 분당 신사옥은 프리쿨링 시스템을 적용해 냉동기 가동으로 인한 전력에너지 절감 및 가동시간 단축을 통해 장비수명 연장이 가능하다. 또 프리쿨링 시스템의 사용시간을 극대화하기 위해 수축열조와 연계 운영해 일반적인 프리쿨링 대비 운전시간이 약 30~40% 증가해 운전비를 절감할 수 있다.