1. 서 론

정부의 제로에너지 건축물 의무화 확대와 탄소중립 2050 정책에 따라 저에너지 고효율 설비 시스템에 대한 관심이 확대되고 있으며, 다양한 에너지절약 기계설비 시스템이 설계에 반영되고 있다. 일반적으로, 건축설비 설계자가 가장 많이 설계에 반영한 저에너지 고효율 시스템은 COP가 우수한 열원설비를 선정하는 것이었다. 건축물 냉난방 에너지 소비량의 대부분을 차지하는 열원설비를 높은 COP로 운전할수록 적은 에너지 소요량으로 건물을 운영할 수 있기 때문이다. 하지만 최근, 냉동기, 보일러를 비롯한 열원설비의 효율성 향상기술이 한계에 다다름에 따라, 냉수와 냉각수 순환유량 감소를 통한 펌프 에너지 절감기술에 대한 관심이 높아지고 있다.^(1,2)

따라서, 본 논문에서는 건축물 에너지 소비량 절감을 위한 냉수 대온도차 냉동기의 소비에너지 절감효과에 대해 소개하고자 한다.

2. 연구방법

일반적으로 건축물 냉동기의 설계온도 조건은 KS에 명시되어 있는 표준 정격 조건과 같이 설계되고 있다. Table 1에는 KS B 6270 원심 냉동기 표준 정격 조건, Table 2에는 KS B 6271 흡수식 냉동기 표준 정격 조건을 정리하였다. Table 1, Table 2에 따르면 냉동기 표준 정격 온도조건은 냉수 입/출구 온도 12/7℃, 온도차 5℃로 나타나있다. 냉각수는 원심 냉동기의 경우 입/출구 온도 32/37℃로 온도차가 5℃이지만 흡수식 냉동기는 냉각수 입구 온도 32℃만 제시되어 있어, 출구 온도에 대한 기준은 없다. 하지만 통상적으로 원심 냉동기 냉각수 기준에 맞춰 입/출구 온도 32/37℃, 온도차 5℃로 설계하고 있다.⁽³⁾

미국에서 사용하는 냉동기 표준 조건은 AHRI Standard 551/591(SI)에 냉동기 성능 산정을 위한 냉수, 냉각수 조건 등이 명시되어 있다. AHRI Standard는 미국 냉동공조산업 협회(AHRI)가 운영하는 성능 인증 프로그램으로 제조사가 판매하는 제품을 지정 시험 기관에 공정하게 제품 성능을 시험하고 그 제품이 제조사가 제공한 성능과 같이 일정하고 정확하게 작동할 것을 약속하는 인증 프로그램으로 국내에서 제품마다 시험성적을 받는 제도와는 다른 제도이다. Table 3에는 AHRI Standard 551/591(SI)에 명시되어 있는 냉동기의 정격 표준 조건에서 냉방 시 열 제거 열교환기 방법 중 Evaporatively - Cooled Entering Temperature, Without Condenser 조건을 제외하고 나타내었다.⁽⁴⁾ 국내 기준과 마찬가지로 AHRI에서도 냉수 입/출구 온도 12/7℃, 온도차 5℃가 표준 정격 온도로 사용하고 있다. 반면 냉각수는 입/출구 온도 30/35℃로 국내 기준 32/37℃와 차이가 있지만 온도차는 5℃를 표준 조건으로 사용하고 있어 냉수, 냉각수의 표준 온도차가 5℃임을 알 수 있다.

3. 대온도차 냉동기 시스템 개요

대온도차 열원 시스템은 냉수 또는 냉각수 입/출구 온도차를 정격 표준 조건 5℃보다 높게 설계하여 수 배관의 순환 수량을 감소시켜 펌프 동력 최소화 에너지 절약을 하는 시스템이다. 순환 수량을 감소시키면 펌프 동력 감소에 의한 운영비 절감과 더불어 배관 크기 감소, 기계실 면적 최소화 및 건물 층고 감소에 의한 초기 투자비 감소 효과가 있다. 대온도차 시스템 설계 조건에 대해 The Chilled Water Plant Design Guide에서는 냉수 온도차 7∼11℃, 냉각수 온도차 7∼10℃를 권장하고 있으며, 이와 마찬가지로 국내에서도 7℃ 이상으로 많은 설계가 이루어지고 있다. 표준 정격 조건 온도차 5℃에서 대온도차 7℃로 설계 시 순환 수량은 약 29% 감소하며, 대온도차 10℃로 설계 시 순환 수량이 50% 감소한다. 순환 수량의 감소율만큼 펌프 동력 소요량이 비례하여 줄어든다.⁽⁵⁾ Fig. 1에는 냉동기 표준 정격 조건, Fig. 2에는 대온도차 냉동기 조건을 예시로 나타내었다.

Fig. 1 Conventional chiller Design condition

Fig. 2 Large temperature differential chiller Design condition.

4. 냉수 대온도차 성능 및 경제성 비교

4.1 시스템 구성 및 냉수 온도 조건

냉수 대온도차별 설비 성능 및 경제성 비교를 위해 냉수 대온도차 조건을 표준 정격 조건, 냉수 입구 대온도차, 냉수 출구 대온도차 및 냉수 입/출구 대온도차로 총 네 가지로 구분하였다. 냉수 대온도차 조건별 설비 성능 비교를 위한 냉동기 시스템은 냉동기, 냉각탑, 팬코일 유닛, 냉수순환펌프, 냉각수순환펌프, 냉수 팽창탱크로 구성된다. 냉동기는 냉수를 생산하기 위한 열원설비로 냉동기에서 생산된 냉수는 냉수순환펌프를 통해 팬코일 유닛으로 수송하여 실내 냉방부하를 처리하게 된다. 냉수배관계통은 밀폐계로 냉수의 수축, 팽창 시 배관에 영향을 주므로 냉수의 수축, 팽창에 따른 영향을 최소화하기 위해 팽창탱크를 설치해야 한다. 냉각탑은 냉동기의 냉수 생산과정에서 발생하는 응축열을 방열하기 위한 설비로 냉각수순환펌프를 사용하여 냉각수를 냉동기에서 냉각탑으로 수송한다. 냉각수 배관은 냉각탑이 대기에 개방되어 있는 개방계 배관이므로 냉각수의 수축 및 팽창의 흡수는 냉각탑에서 해결되므로 별도의 팽창탱크 설치가 필요 없다는 특징이 있다.^(6,7) Fig. 3에는 냉동기 시스템 구성도를 나타내었으며, Table 4에는 냉수 대온도차 대안별 온도 조건을 정리하였다.

Fig. 3 Large temperature differential chiller diagram.

Table 4 Water temperature condition of chilled water large temperature differential chiller

Division	ALT-1 (Standard rated condition)	Large temperature differential - Chilled water
		ALT-2 (Entering temperature)	ALT-3 (Leaving Temperature)	ALT-4 (Entering/Leaving temperature)
Chilled water entering temperature(℃)	12	15	12	15
Chilled water leaving temperature(℃)	7	7	5	5
Entering/Leaving temperature differential(℃)	5	8	7	10

4.2 설비 성능 비교

4.2.1 냉동기

냉동기 성능은 AHRI(Air Conditioning, Heating and Refrigeration Institute) 인증을 받은 냉동기 제조사에 ALT-1 표준 냉수온도 조건 1,000USRT 냉동기 데이터와 ALT-1 동일 냉동기에 대온도차 냉수 온도조건을 적용한 ALT-2 ~ 4의 데이터를 제공받아 정리하였다. AHRI인증은 AHRI가 운영하는 성능인증 프로그램으로 제조사의 제품을 독립 시험기관에서 규격에 따라 시험하고 시험 결과를 근거하여 제조사가 표기한 성능에 대한 인증이다. 실제 냉동기 운영 시 성능을 설계단계에서 AHRI 인증으로 보증하는 역할을 한다. ALT-1부터 ALT-4까지 동일 모델로 냉수 조건에 따른 성능 변화를 Table 5에 나타내었다. 냉수 입/출구 온도차가 커짐에 따라 냉수 유량이 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 유량이 감소함에 따라 증발기 내 유속이 감소하므로 마찰손실 값이 작아진다. ALT-4의 경우 오히려 마찰손실 값이 커지는데 이는 유량에 비해 큰 냉동능력을 만들기 위해 전열면적을 넓히기 위한 방법으로 Pass 수를 증가시켰기 때문이다. 냉각수는 냉수 조건 변화의 영향으로 응축 열량이 바뀌었지만 냉각수 온도 조건이 동일하여 냉각수 유량은 1% 내외로 크지 않는 것으로 나타났다. COP는 냉수 입구 온도가 높은 ALT-2에서 증가하였으나, 냉수 출구 온도가 낮은 ALT-3, 4에서는 COP가 표준 정격 조건보다 낮다. 이는 냉수 출구 온도를 낮출수록 더 많은 에너지가 필요하기 때문이다.

대온도차 적용 시 순환수의 온도차가 커지면 열교환기(증발기)의 전열면적을 늘리기 위해 2 Passes에서 3 Passes로 선정될 수 있다. Pass 수는 입/출구 방향은 장비 배치에 영향을 미치므로 반드시 기계실 장비 배치 전에 확인하여 설계에 반영하여야 한다. Fig. 4에는 Pass 수에 따른 입/출구 방향을 나타내었다.

Fig. 4 Inlet/ Outlet Direction according to the number of passes.

Table 5 Performance comparison of chiller

Division		ALT-1	Large temperature differential - Chilled water
			ALT-2	ALT-3	ALT-4
Capacity(USRT)		1,000	1,000	1,000	1,000
Chilled water	Flow rate(lpm)	10,062	6,294	7,191	5,032
	Entering/Leaving temperature(℃)	12/7	15/7	12/5	15/5
	Friction loss(kPa)	70.7	30.0	36.4	80.1(3 Passes)
Cooling water	Flow rate(lpm)	11,718	11,718	11,805	11,772
	Entering/Leaving temperature(℃)	32/37	32/37	32/37	32/37
	Friction loss(kPa)	49.5	49.5	50.1	49.9
Power consumption(kW)		568.1	566.4	600.8	604.7
COP		6.19	6.21	5.85	5.81

4.2.2 냉각탑

냉각탑 성능은 냉동기 냉각수 조건을 고려하여 선정하였으며, Table 6에 나타내었다. 냉각탑의 설계 능력은 어프로치, 레인지에 따른 보정 계수를 고려한 값으로 계산하였고, 장비 냉각 능력은 냉각탑 장비 용량이다. ALT-1∼4까지 1,000CRT로 선정되었으며, 소비전력은 38 kW로 모두 같다.

Table 6 Performance comparison of cooling tower

Division		ALT-1	Large temperature differential - Chilled water
			ALT-2	ALT-3	ALT-4
Deign Capacity(CRT)		901.2	901.2	907.6	905.1
Equipment Capacity(CRT)		1,000	1,000	1,000	1,000
Cooling water	Flow rate(lpm)	11,718	11,718	11,805	11,772
	Entering/Leaving temperature(℃)	37/32	37/32	37/32	37/32
Design outdoor wetbulb temperature(℃)		27	27	27	27
Approach(℃)		5	5	5	5
Range(℃)		5	5	5	5
FAN	Flow rate(㎥/h)	169,800×2	169,800×2	169,800×2	169,800×2
	Power consumption(kW)	19×2	19×2	19×2	19×2

4.2.3 팬코일 유닛

팬코일 유닛 성능은 ALT-1부터 4까지 동일 모델로 냉동기 냉수 조건, 실내 온/습도 조건 등을 고려하였다. Table 7에는 팬코일 유닛 제조사에서 냉수온도 조건에 따른 시험 데이터를 제공 받은 팬코일 유닛 성능을 정리하였다. 팬코일의 냉방능력은 냉수 입/출구 온도 조건, 실내공기(환기) 온/습도 조건에 따라 결정되며 냉수 출구 온도가 높을수록 토출 공기의 온도와 절대습도가 높아지므로 냉방능력이 작아진다. 1,000 USRT를 기준으로 필요수량을 계산해 보면 전열 냉방능력이 큰 ALT-3이 필요수량이 가장 적고 ALT-2가 가장 많다. 이에 따라 팬코일 유닛 성능 결정에는 냉수 입구 온도보다는 냉수 출구 영향이 큰 것을 알 수 있다.

Table 7 Performance comparison of FCU

Division		ALT-1	Large temperature differential - Chilled water
			ALT-2	ALT-3	ALT-4
Capacity	Total heat(kW)	13.2	10.3	13.8	10.6
	Sensible heat(kW)	7.7	7.0	7.8	6.9
Chilled water	Flow rate(lpm)	34	18.4	28.4	17
	Entering/Leaving temperature(℃)	7/12	7/15	5/12	5/15
	Friction loss(kPa)	42	6.9	17.2	3
Indoor air condition(℃/%RH)		26/50	26/50	26/50	26/50
Supply air condition(℃/%RH)		14.6/89.8	15.9/90.2	14.3/88.7	15.2/88.2
Power consumption(kW)		0.24	0.24	0.24	0.24
Quantity required for 1,000 USRT(EA)		267	342	255	332

4.2.4 순환펌프

순환펌프는 냉수 순환을 위한 냉수 순환펌프와 냉각수 순환을 위한 냉각수 순환펌프가 있다. 냉수 펌프의 유량은 냉동기 냉수 유량과 같은 값이다. 양정은 ALT-1 300 kPa을 기준으로 냉동기와 팬코일 유닛의 마찰손실을 고려하여 계산하였다. ALT-2∼4의 값도 동일한 방식으로 펌프의 모터 동력을 산정하였으며 Table 8에 순환펌프 성능을 나타내었다. 대온도차를 적용한 ALT-2, 4가 37 kW로 소비전력이 가장 작은 것으로 나타났으며 ALT-1 대비 소비전력이 51% 절감된다. 냉각수펌프는 냉수 펌프와 마찬가지로 유량과 양정을 계산하여 펌프의 모터 동력을 산정하였다. 냉각수펌프는 대온도차를 적용하지 않아 유량과 양정 변화가 크지 않으므로 ALT-1∼4까지 모두 같은 값을 갖는 것으로 나타났다.

Table 8 Performance comparison of circulation pump

Division		ALT-1	Large temperature differential - Chilled water
			ALT-2	ALT-3	ALT-4
Chilled water	Flow rate(lpm)	10,062	6,294	7,191	5,032
	Entering/Leaving temperature(℃)	300	217	235	268
	Friction loss(kPa)	75	37	45	37
Cooling water	Flow rate(lpm)	11,718	11,718	11,805	11,772
	Entering/Leaving temperature(℃)	300	300	301	300
	Friction loss(kPa)	90	90	90	90

4.2.5 총 소비전력

ALT-1∼4의 피크 기준 총 소비전력을 정리하면 Table 9와 같이 나타낼 수 있다. ALT-2는 ALT-1 대비 2.6% 감소하였다. 팬코일 유닛 수량 증가에 따라 소비전력이 늘어나지만 냉수 펌프 소비전력이 큰 폭으로 감소하여 네 가지 안 중에 소비전력이 가장 작은 것으로 나타났다. ALT-3은 ALT-1과 소비전력 차이가 크지 않았다. ALT-4는 1.7% 증가한 것으로 나타났다. 이는 냉수 펌프에서는 소비전력이 줄어들지만 냉동기에서 소비전력이 큰 폭으로 늘어나 유일하게 ALT-1 대비 소비전력이 증가하였다.

Table 9 Power consumption comparison

Division	ALT-1	Large temperature differential - Chilled water
		ALT-2	ALT-3	ALT-4
Chiller power consumption(kW)	568.1	566.4	600.8	604.7
Cooling Tower power consumption(kW)	38	38	38	38
FCU power consumption(kW)	64.1	82.1	61.2	79.7
Chilled water circulation pump consumption(kW)	75	37	45	37
Cooling water circulation pump consumption(kW)	90	90	90	90
Total(kW)	835.2	813.5	835	849.4

5. 결 론

본 연구에서는 건축물 에너지 소비량 절감을 위한 냉수 대온도차 냉동기 시스템을 소개하고 표준 온도조건의 냉동기와 대온도차 냉동기의 성능과 경제성을 비교, 분석하였다. 그 결과는 다음과 같다.

(1) 냉동기 선정 시 냉수 입/출구 온도조건에 따라 소비전력 및 COP가 변경되므로 이를 고려하여 냉동기를 선정해야 한다. 또한 열교환기(증발기) Pass 수는 장비의 배치, 입/출구 방향, 장비의 마찰손실 등에 영향을 주므로 반드시 장비 선정 단계에 확인해야 한다. 또한, 냉방부하는 건물의 용도, 규모, 운영시간 등에 의해 달라지므로 반드시 이를 반영하여 냉동기 냉수온도조건을 결정하여야 한다.

(2) 팬코일 유닛 선정 시 냉수 입/출구 온도조건에 따라 코일의 전열, 현열 처리량, 마찰손실, 등에 영향을 주므로 반드시 제조사에 데이터를 제공받아 설계에 반영하여야 한다. 또한, 팬코일 유닛으로 냉수 공급온도가 너무 낮은 경우 취출 시 결로가 발생할 수 있으므로, 배관 및 기기 단열에 대한 검토가 필요하다.

(3) 냉수 입구 온도를 높여 대온도차를 구성하는 경우(ALT-2) 냉동기 및 냉수펌프의 소비전력은 감소하지만 공조설비의 열교환 효율이 감소하므로 팬코일 유닛의 수는 증가한다. 하지만 소비전력이 가장 적으므로 초기투자비 보다는 적은 운영비를 우선 시 하는 현장에 적용하는 것을 권장한다.

(4) 냉수 출구 온도를 낮추어 대온도차를 구성하는 경우(ALT-3) 냉동기 소비전력은 증가하지만 냉수펌프 소비동력 감소한다. 또한 운전조건에 따른 공조설비의 열교환 효율 향상으로 팬코일 유닛의 수를 줄 일 수 있으므로 공조설비의 설치면적이 제한적인 곳에 적용하는 것을 권장한다.

(5) 냉수 출구 온도를 낮추고, 입구 온도를 높여 대온도차를 구성하는 경우(ALT-4) 냉동기 소비전력이 증가하고 공조설비의 열교환 효율이 감소하여 팬코일 유닛의 수가 증가한다. 하지만 펌프 소비전력과 배관 사이즈를 획기적으로 줄일 수 있으므로, 기계실과 공조설비의 거리가 먼 대규모 건물에 현장에 적용하는 것을 권장한다.

(6) 대온도차 냉동기는 냉수온도 조건에 따라 팬코일 유닛의 토출공기 상태가 변하므로 온도조건에 따라 팬코일 유닛에서 처리할 수 있는 전열 및 현열부하를 반드시 검토하여 설계에 반영해야 한다.

(7) 본 연구에서는 전기요금과 배관경 감소와 관련된 부분만 검토하였으나 Pass 수 증가에 따른 냉동기 열교환기 추가비용, 냉수순환펌프 유량감소에 따른 펌프 및 배관경 설치비 절감, 저온 수송에 따른 배단 단열재 변경 등을 복합적으로 고려한 경제성 평가에 대해서는 추후 진행할 예정이다.

설계 초기 단계부터 대온도차 냉동기 시스템과 같은 저에너지 고효율 시스템을 적용하여야 제로에너지 건축물과 탄소중립 2050과 같은 정부정책에 부응할 수 있으며, 운영단계에서 건축물에너지 소비량 절감을 구현할 수 있다. 따라서 본 연구를 바탕으로 건축물의 용도, 규모, 운영시간 등 건물 특성을 검토하여 대온도차 냉동기의 냉수온도 조건을 선정할 때 참고자료로 활용하길 기대한다.