1930년 무렵 냉동기가 나온 이래 그 기술은 급속도로 발전을 거듭해 고효율과 안정성을 겸비한 HVAC&R 시스템이 나오게 됐다. 그렇다면 어떤 점이 새로워지고 변한 것일까?

상공업 분야에 적용되는 HVAC&R 시스템을 보면 냉동기는 공장에서 가장 많이 사용했다. 그러나 더 이상은 대형 프로젝트에만 국한된 이야기가 아니다

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대규모 플랜트나 건물에서 수년간 냉동 시스템이 주로 사용되어 왔지만 냉각수가 주는 이점이 이제는 소규모 개발 사업이나 주거용으로도 점차 인기를 얻고 있다.

하지만 전통적인 냉동기는 설치나 유지관리가 쉬운 VRF(Variable Refrigerant Flow) 시스템 같은 신기술과 치열한 경쟁을 벌이고 있다.

제조사는 냉동기가 VRF보다 탁월한 에너지효율뿐 아니라 설계 유연성, 쾌적함, 수명주기 총비용까지 개선이 이루어져 첨단 빌딩에 더 나은 선택이 될 수 있다고 어필한다.

왜 냉동기를 선택해야 하는가

HVAC 시스템은 건물이 이용하는 에너지 중 상당 부분을 차지하고 있으므로 냉동기는 건물 전체의 효율 개선에 중요한 요소라 할 수 있다.

실제로 ASHRAE 표준 90.1-2013만 봐도 400톤급 이상 수냉식 원심 냉동기가 공랭식 냉동기, 지붕형 장치, 완비형 시스템을 포함한 다른 기계식 냉동 기술보다 훨씬 효율적이라는 것을 알 수 있다.

냉동기는 총 소요비용이 적어 고성능 건물 소유주가 시스템 수명주기 동안 시스템 비용을 절약할 수 있다. HVAC와 함께 설계가 잘 된 냉동기는 운영비와 에너지 효율을 우선시 하므로 온도, 습도, 공간 환기 수준을 최적으로 맞출 뿐 아니라 소음 수준이나 환경 영향도 최소화 한다.

또 다른 이점은 냉동기가 더 낮은 수두압에서 작동해 에너지를 덜 쓰고 온실가스 배출량도 줄어 고성능 건물의 지속가능성에도 기여한다는 점이다.

최근 어떤 점이 변했나

기술이 빠른 속도로 발전하고 있는 것은 HVAC&R 산업도 다르지 않다. 그렇다면 냉동기는 그 동안 어떻게 변해왔을까?

냉동 시스템과 유체 냉동기의 기본 구성요소는 수십 년간 변하지 않은 채 그대로라 해도 압축기 기술, 냉매 기체, 제조법, 전자 제어장치가 개선되면서 쾌적 환경 분야뿐 아니라 산업 분야에서도 적용할 수 있는 기능과 응용분야가 늘어난 첨단 냉동기가 개발됐다.

전자, 건물 관리 시스템(BMS) 통신, 데이터 분석 기능이 전보다 더 강력해지고 제어 시스템은 훨씬 효율적으로 제어할 수 있게 됐다. 요즘은 단일 냉동기 제어 모듈에 입출력 장치를 최대 52개까지 연결할 수 있으며, 연결 시 Modbus, BACnet, 그 외 BMS 통신 프로토콜을 이용할 수 있다.

기본 냉동기 제어장치에 냉동기 동작 중 정보를 읽어 들여 시스템 매개변수를 모니터한 후에 팬, 압축기 부하, 팽창밸브 등이 필요한 설정점에 도달하도록 다양한 기능을 제어하면서도 초과 운영이나 주기 ON/OFF 반복이 없는 비례적분 미분(PID) 알고리즘을 적용하여 에너지를 절약할 수 있다.

스마트 기능으로 밤 시간에 저소음으로 작동할뿐 아니라 설정점도 유동적이어서 주변 온도 탐침으로 제어할 수 있다. 주변 온도가 낮으면 자연 냉방도 할 수 있고 가정용 온수 생산이나 쾌적한 환경을 위한 물 가열 어느 쪽에서나 설정점을 여러 가지로 설정하여 열을 회수하는 다양한 방법을 이용한다.

냉동기에서 가장 크게 발전한 분야를 하나 꼽으라면 제어장치라 말할 수 있다.

존슨 컨트롤즈(Johnson Controls)의 한 관계자는 냉동기가 부분부하 조건에 더 적합하게 발전했다고 설명이다.

“전에는 건물 관리자와 소유주가 냉동기 효율을 평가했다. 이제는 냉동기가 100% 부하로 작동할 일이 좀처럼 없기 때문에 냉동기의 부분부하 효율을 본다.”고 전했다.

실제로 냉동기를 쓰는 대부분의 분야가 전부하 상태 작동시간의 1% 미만을 쓰도록 되어 있다. 따라서 가변속도 구동장치(VSD)나 가변속도 압축기와 팬 같은 것이 등장해 설계에 큰 변화를 가져왔다.

사실 VSD는 냉동기하면 누구나 떠올리는 신기술이다.

“4-파이프 스마트 히트펌프에서 특히 가변 속도 구동 기술의 장점이 발휘되며, 그 중에서도 전통적인 공기조화 분야에서 연중 가장 일반적인 조건인 부분부하 상태에서 최고 효율을 보인다.”고 냉동기 공급업체 Climaveneta의 한 관계자는 말했다

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다목적 장치는 실제로 설치되는 국가에 따라 동절기나 하절기 최대 첨두 수요를 포용할 수 있는 크기이다. 그러나 전통적인 쾌적시설 분야에서 HVAC 시설은 연중 몇 시간 동안만 전부하 상태로 작동한다. 이 말은 즉 대부분 시간을 부분부하 상태로 작동한다는 의미이다. 가변 속도 구동기술이 있으면 시스템이 요구하는 열부하를 조합하여 장치를 효과적으로 운영하므로 총효율비(TER)(온수와 냉수 생산 시 장치 성능을 고려하여 계산)를 기존의 고정속도 장치보다 19% 더 높일 수 있다.

또 하나 크게 발전된 것으로 건물 전체 냉동기와 제어장치를 설계하려는 움직임이다. 전에는 특정 온도의 물을 생산하도록 냉동기를 설정했다. 그러나 건물이나 시설은 하루 종일 밤낮으로 물을 냉각할 필요가 없다. 그러므로 상당한 에너지를 사용하였고, 이런 점 때문에 냉동기와 BMS를 통합하여 건물 조건에 따라 동적으로 성능을 상쇄하는 기술이 나오게 됐다. 예전에는 냉동기가 자립형이었지만, 이제는 BMS의 냉동기 외부에 지능장치가 들어간 것을 볼 수 있다.

또 한 가지 제어장치의 큰 변화는 냉동기를 ‘클라우드’에 연결한 점이다. 냉동기가 클라우드로 보낸 정보를 분석하여 냉동기 성능이나 잠재적 문제에 대한 보고서를 생성할 수 있다. 심지어 거주자가 말하기 전에 건물주에게 알려 냉동기가 실제 고장이 나기 전에 시급한 문제점을 보고해 준다.

기계 학습이 분석에 통합되어 사용자에게 ‘수정 사항’을 제시할 수 있게 됐다. 덕분에 유지관리 및 가동이 쉬워지고 예측성도 훨씬 좋아졌다.

존슨 컨트롤즈(Johnson Controls)는 클라우드에 ‘연결된’ 냉동기가 약 6,000대 가량 보급되어 있다고 한다.

트레인(Trane) 관계자는 제어장치는 사용자 친화적, 양방향, 다기능으로 진화하고 있다고 덧붙였다.

이제는 인터페이스도 여러 언어로 되어 있다.

AHI Carrier의 관계자는 “많은 냉동기에 10.4 인치 고해상도 천연색 터치스크린이 장착되어 있어 매우 효율적이며 안전하게 일일 활동과 주기 관리 종합 정보를 보여준다.”고 설명했다.

직관적 메뉴 구성, 시의적절한 데이터로 구성한 애니메이션 인터페이스, 그래프, 알림 메일 푸시기능, 스마트 비밀번호가 이런 발전에 한몫했다.

트레인(Trane) 관계자에 따르면 트레인이 냉동기 제어의 중요한 부분을 발전시켰다며 일례로 차세대 마이크로프로세서 제어장치는 Adaptive Control 기술로 제어력이 개선되어 악조건에서도 장치가 계속 작동하도록 해 준다. 첨단 마이크로전자장치는 열 과부하나 위상 회전 같은 일반적인 전기적 결함 조건에서 압축기와 모터를 보호해 준다.

제어장치에만 국한된 얘기는 아니다. 냉동기가 동적으로 되기까지도 큰 변화가 있었다. 예를 들어 요오크(York)는 다양한 모듈식 미니 냉각기를 선택적으로 조립할 수 있어 건물 소유주/관리자가 냉각기 크기를 상대적으로 쉽게 키우거나 줄일 수 있어 냉각기에 유연성이 필요한 고객에는 실로 유용한 부분이다. 모듈 중 일부를 다른 건물로 옮기거나 아예 다른 장소로 옮길 수 있으며 필요하면 신속히 '확장'할 수도 있다.

또 하나 데이터센터 같은 틈새 환경과 관련하여 고속 시동 기술이 개발됐다. 오일을 사용하는 베어링 냉각기는 오일 회로가 있어야 하므로 오일을 펌핑할 시간이 필요하다. 안정화 될 때까지 압력을 모니터 해야 하고 그 이후에야 부하를 감당할 수 있다. 데이터센터 장비의 성능과 수명에 영향을 주어 고장을 일으킬 수도 있으므로 VSD 고속 시동 기술이 있으면 이런 환경에 특히 중요한 부하를 즉시 해결할 수 있다.

냉매 분야도 다른 분야처럼 많은 연구 개발이 이루어지고 있으며, 머지않아 새로운 냉매를 사용할 수 있게 될 것으로 전망된다.

트레인의 관계자는 냉매가 현대식 냉동기 발전에서 중요한 발전 중 하나라는 데에 동의했다. 에너지 효율적이고 환경 친화적이며 지구온난화 지수(GWP)가 낮은 차세대 냉매가 시장 판도를 바꿀 것이다.

또 하나 기술이 크게 발전한 분야가 EC모터 기술이다. 기존의 교류(AC) 모터보다 에너지를 약 1/4 정도밖에 사용하지 않는다.

히트펌프 기술은

히트펌프 냉동기도 널리 보급되고 있으며 최근에 나온 Climaveneta의 Integra같은 일부 최신 기술은 4-파이프 풀-인버터 설계로 놀라운 효율을 자랑한다. 이 공기열원 스마트 히트펌프는 효율을 더욱 높여 매우 높은 비용 효율로 온수와 냉수를 생산한다. 압축기와 팬의 회전 속도에 동적으로 적응하여 시설의 실시간 수요에 완벽히 대응할 수 있으므로 어떠한 조건에서건 흡수한 전력을 최대한 활용할 수 있어 에너지 낭비를 최소화 할 수 있다.

이런 히트펌프에는 VSD 스크류 압축기 두 개를 완전 독립 회로로 넣을 수 있다. 압축기 정비가 간단할 뿐 아니라 냉각 회로의 예비성도 확보할 수 있는 특수 구성이다. 인버터 기술로 돌입전류가 발생하지 않는다. 즉, 장치가 공칭 전류를 초과할 일이 절대로 없기 때문에 전기나 기계적 스트레스를 받지 않고 소프트 스타터나 스타/델타 커뮤터 같은 장치를 추가할 필요가 없다.

이런 히트펌프는 시스템 요구에 따라 압축기와 팬의 회전 속도를 연속하여 조절할 수 있으므로 부분부하 상태에서 작동해도 소음이 적다. 부분부하가 커질수록 소음은 낮아진다. 장기간 새로운 기술과 발전을 겪으면서 장치가 새로운 방식으로 개선됐다.

에너지 효율 개선

그렇다면 냉동기의 에너지 효율은 어떻게 개선할 수 있을까? 앞에서 이미 많은 부분을 언급했지만 다시 한 번 구체적으로 짚어보겠다.

에너지 효율에 기여하는 요소는 다음과 같다.

•가변속 팬과 압축기: 저부하 상태와 주변 온도가 낮을 때, 최적으로 동작하면서 on/off 순환을 줄이고 필요한 응축 압력도 최소- 냉동기의 가장 효율적인 작동 지점

•알루미늄 마이크로-채널 응축기 코일: 이런 코일은 열방출률을 개선해 줄뿐 아니라 운영비도 낮춰주면서도, 표준 구리/알루미늄 코일보다 제조비도 더 싸고 내부식성이 있으며 냉각기 냉매 비용도 더 적게 들어간다.

•열 회수: 냉동기에서 회수한 열이 냉동기 동작을 최적화하면서, 건물 다른 영역에서 이용할 수 있는 자유 에너지 공급

•자연 냉방: 저온 조건에서는 폐쇄회로 내 유체가 냉동기에 설치된 추가 코일을 순환하여 냉매 없이도 열을 자연 방출

여기에 튜브 기술도 크게 발전하여 표면적이 더 넓어져 효율이 높아졌다.

냉매는 에너지 효율에도 영향을 준다. HCFC와 HFC에서 HFO로 차세대 냉매로 넘어가면서, 산업이 발전하고 있으므로 냉매는 냉동기 효율에 중요한 역할을 한다. GWP가 0에 가까운 새로운 냉매를 선택하면 제조사/공급자는 냉동기 효율을 최고 등급에 맞게 최적화 할 수 있다 .

트레인은 HFO 냉매를 냉동기에 최초로 도입했다.

냉동기 압축기 설계에 혁신이 일면서 전부하나 부분부하 상태 모든 운영 조건에서 최고 효율을 발휘할 수 있게 되어 큰 차이를 만들었다.

직접-구동 특정속도 스크류 압축기, 영구자석 모터, 적응 주파수 구동장치 같은 장치를 통합하여 냉각기 효율이 크게 개선됐다. 마찬가지로 압축기와 열교환기 기술도 계속 발전하고 있으며 효율도 상당히 개선됐다.

캐리어(Carrier)의 AquaEdge 원심 냉동기같은 일부 장치는 압축기의 저속, 직접 구동, 백투백 설계가 효율을 크게 개선하는 한편 내력 평형도 맞춰주므로 냉매를 윤활제로 사용하는 에너지 절감 세라믹 베어링을 이용할 수 있다. 이 냉매 윤활 방식은 오일로 생기는 잠재적 문제를 해소해 주며 정비 비용도 절약할 수 있다. 첨단 제조기술로 이런 세라믹 베어링이 이런 윤활방식에 이상적인 솔루션이 됐다. 베어링은 인성이 탁월한 고질소 강을 이용하며, 세라믹 롤링은 표면이 매끈한 강화 유리섬유 폴리에텔에텔케톤(PEEK) 케이지를 사용한다. 이렇게 간단한 구조 덕에 하드웨어를 덜 사용하므로 냉동기 수명 내내 보다 안심하고 사용할 수 있다.

차지하는 면적 또한 줄어들고 있다. 예를 들어 Carrier의 경우 Ri233zd(E) 냉동기와 반달형 절탄기는 증발기와 응축기 사이 공간을 활용할 수 있는 크기로 설계하여 필요한 설치 공간을 최소화 했다.

이 장치를 기존의 R123 냉각기와 비교해 보면, 시설 공간을 최고 15%까지 줄였으며 이런 공간을 이제 업무에 사용할 수 있게 됐다.

향후 시장 전망

미래에 냉동기는 어떻게 될까? 다른 시스템으로 교체되지는 않을까? 답은…. 아니다!

업계 전문가들은 “냉동 시스템이 단계적으로 폐지될 것이라 생각하지 않으며 글로벌 시장만 봐도 정반대로 움직이고 있다.”고 전망하고 있다.

또 이들은 냉매 관련법과 규제가 더욱 엄격해지고 시행 강도도 높아지면서 많은 곳에서 부피가 작은 기체를 사용하는 중앙 냉매 시스템을 선호하고 있다고 설명했다. 냉동기는 엄격한 규정에 따라 청정 환경에서 가압 및 충전하고 시험한다. 때문에 현장에서 시스템 오염 위험이 없다.

냉동기는 1930년대에 개발된 이후로 급격한 개선이 이루어졌다. 그러나 공기-공기 냉동 같은 난방/냉방 형태에는 획기적인 변화가 없었다. 효율과 신뢰성은 크게 향상되었지만, 1930년대 처음 나왔을 때처럼 냉동기는 그대로 사용되고 있다.

도시화가 급속도로 진행되고 신축 공사가 활발해 지면서 냉동기가 우리 생활의 일부가 된 점을 보면 이렇게 말해도 무방하리라 본다. 요구량이 많은 현실을 볼 때, 오늘날 건물 냉방에서 가장 효과적인 옵션이 아닐까 한다. 더욱이 냉동기 설계도 크게 개선되어 보다 신뢰할 수 있고 에너지도 효율적으로 이용할 수 있다.

모든 HVAC&R 장비와 마찬가지로 ‘각자 적합한 것이 있으며’ 냉동기가 모든 것을 해결할 수 있는 것은 아니다. 그러나 많은 분야에서 가치를 발휘할 수 있는 선택지인 것은 분명하다. 모든 냉동기가 똑같이 제작되는 것은 아니므로 신뢰할 수 있는 공급업체에서 구입하고 적절한 정비 계획을 세워야 한다는 점을 명심해야한다.

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