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Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering

ISO Journal TitleKorean J. Air-Cond. Refrig. Eng.
  • Open Access, Monthly
Open Access Monthly
  • ISSN : 1229-6422 (Print)
  • ISSN : 2465-7611 (Online)

  1. 성균관대학교 반도체디스플레이공학과 석사과정, 삼성전자 공과대학원 (Student, Department of Semiconductor and Display Engineering, Sungkyunkwan University, 2066 Seobu-ro, 649, Korea)
  2. 성균관대학교 건설환경공학부 교수 (Professor, School of Civil, Architectural Engineering and Landscape Architecture, Sungkyunkwan University, 066 Seobu-ro, 16419, Korea)



단열가습, 냉각수 폐열, 에너지 사용량, 외조기, 증기가습
Adiabatic Humidification, CoolingWater-WasteHeat, Energy Consumption, Outdoor Air Conditioner, Steam Humidification

기호설명

$PHC$: 예열 코일(Pre-heating coil)
$1-CC$: 1차 냉각/제습 코일(1-Cooling coil)
$2-CC$: 2차 냉각/제습 코일(2-Cooling coil)
$1-HC$: 1차 가열 코일(1-Heating coil)
$1'-HC$: 1차 가열 코일(2단 구성시)
$2-HC$: 2차 가열 코일(2-Heating coil)
$RHC$: 재열 코일(Re-heating coil)
$WSS$: 단열 가습장치(Water showering system)
1-$WSS$: 1차 단열 가습장치(2단 구성시, 1차)
2-$WSS$: 2차 단열 가습장치(2단 구성시, 2차)
$STEAM$: 증기 가습장치(Steam humidification)
DCC: 클린룸 현열 냉각 코일(Dry cooling coil)
FFU: 클린룸 내부 기류 순환 장치(Fan filter unit)
$H$: 엔탈피(Enthalpy) [kJ/kg]
$T$: 온도(Temperature) [℃]
$X$: 절대습도(Absolute humidity) [kg/kg’]
$Q_{PHC}$: 예열 코일 부하 [kJ/kg]
$Q_{1-CC}$: 1차 냉각/제습 코일 부하 [kJ/kg]
$Q_{2-CC}$: 2차 냉각/제습 코일 부하 [kJ/kg]
$Q_{1-HC}$: 1차 가열 코일 부하 [kJ/kg]
$Q_{1'-HC}$: 1차 가열 코일 부하(2단 구성시) [kJ/kg]
$Q_{2-HC}$: 2차 가열 코일 부하 [kJ/kg]
$Q_{RHC}$: 재열 코일 부하 [kJ/kg]
$Q_{steam,\: humidification}$: 증기 가습 부하 [kJ/kg]
$M_{wss}$: WSS에 필요한 수분량 [kg/kg’]
$M_{1-wss}$: 1차 WSS에 필요한 수분량 [kg/kg’]
$M_{2-wss}$: 2차 WSS에 필요한 수분량 [kg/kg’]
$M_{steam}$: 증기 가습에 필요한 수분량 [kg/kg’]
$M_{cw,\: wasteheat}$ : 냉각수 폐열 유량 [kg/s]
$M_{chw}$ : 냉수 유량 [kg/s]
$W_{c hille r}$: 냉동기 에너지 사용량 [W]
$W_{boile r}$: 보일러 에너지 사용량 [W]
$W_{fan}$: 송풍기 에너지 사용량 [W]
$W_{pump,\: cw,\: w\ast eheat}$: 폐열 펌프 에너지 사용량 [W]
$W_{pump,\: wss}$: WSS 펌프 에너지 사용량 [W]
$W_{pump,\: c hw}$ : 냉수 펌프 에너지 사용량 [W]
CAPFT: Cooling Capacity Function Temperature Curve
EIRFT: Electric Input to Cooling Output Ratio Function Temperature Curve
$T_{chws}$: 냉수 공급온도 [℃]
$T_{cws}$: 냉각수 공급온도 [℃]
$T_{wet,\: air}$: 습구 온도 [℃]
$V_{a}$ : 외조기 풍량 [CMM, CMS]
$\rho_{a}$ : 공기의 밀도 [kg/m3]
COP : Coefficient Of Performance
$\eta_{boile r}$ : 보일러 효율 [\%]
$\eta_{fan}$ : 송풍기 효율 [\%]
$\eta_{pump}$ : 펌프 효율 [\%]
$P_{fan}$ : 송풍기 압력 [Pa]
$P_{pump}$ : 펌프 압력 [Pa]
$C_{p}$ : 물의 비열 [kJ/kg·℃]
$C_{p,\: wet,\: air}$: 습공기의 비열 [kJ/kg·℃]

1. 서 론

반도체 산업은 에너지 다소비 업종 중 하나로 타 제조업과 비교하면 에너지 사용량이 많다. 최근 발표된 영국의 기후, 에너지 분야의 정책연구소인 “Ember”의 철강, 전자, 반도체 등 탄소 배출이 많은 상위 8개 기업의 전기에너지 사용량 분석에 따르면 2020년 국내 기업 중 전기에너지를 많이 소비하는 기업은 1, 2위 모두 반도체를 생산하는 기업으로 타 업종과 비교해 볼 때 에너지 사용량이 월등히 많은 것으로 나타났다.(1)

반도체 생산과정에서 에너지 소비 특성을 살펴보면 클린룸 내부에서 웨이퍼(Wafer)를 직접 가공하는 공정에 약 51%의 에너지가 사용되며, 다음으로는 클린룸 환경제어를 위한 공조 부분에서 약 31%의 에너지를 사용하는 것으로 나타났다.(2) 클린룸 환경제어를 위한 대표적인 공조설비는 외조기로 24시간 연중무휴로 가동되며, 외기 부하를 직접 처리하여 청정 공기(Fresh air)를 클린룸에 공급하는 반도체 인프라 설비 중에서도 에너지 사용량이 많은 설비로 분류된다.

외조기의 에너지 사용량 분석 및 개선을 위해 다양한 연구가 진행되었다. Hu and Tsao(3)는 반도체 클린룸에 공급되는 HVAC 설비를 대상으로 5개의 Case 연구를 통한 에너지 절감 방안을 검토하였으며 FFU, DCC, 외조기로 구성된 HVAC 시스템이 다른 시스템에 비해 에너지 절감이 가장 우수한 시스템으로 검토되었다. Tsao et al.(4)의 연구에서는 냉수의 공급 열원 조건을 변경하는 8개의 Case 연구를 통한 에너지 절감 방안을 연구하였고 Pre-cooling coil과 Re-heating coil에 DCC 반환 냉수를 재활용하면 에너지 절감이 가장 우수한 것으로 검토되었다. Tsao et al.(5)는 외조기에서 Cooling coil, Heating coil, Re-heating coil 및 송풍기와 같은 구성 요소에 변화를 주어 에너지 사용량을 분석하였다. 이상의 연구에서는 외조기와 다양한 HVAC 설비 시스템의 조합으로 연구를 진행하였으나 연구의 대부분이 냉각/제습 조건이 주로 발생하는 아열대 지역의 조건으로 한국의 환경 조건과 설비의 연간 에너지 사용량을 비교하기에는 다소 한계가 있다.

국내의 환경 조건으로 진행된 연구를 살펴보면 Jo et al.(6)은 서울지역의 외기조건을 기준으로 하여 가습조건에 변화를 주는 3개의 Case 연구를 수행하였으며, Pressurized Water Atomizer 형태의 가습조건이 에너지 절감 효과가 가장 높은 것으로 나타났다. Kim et al.(7)은 가습조건에 변화를 주어 2개의 Case 연구를 수행하였으며, 수분무 가습방식이 에너지 절감 효과가 높다는 결과를 제시하였다. 또한, Song et al.(8)의 연구에서는 수분무 가습방식 중 일류체 분무를 통한 가습방식과 증기 가습방식과의 연간 에너지 사용량을 분석하였으며 일류체 수분무 가습방식이 에너지 절감 효과가 높다는 결과를 제시하였다. Kim et al.(9)은 수분무 가습방식인 Air washer system에 열교환기를 도입하여 배기열 및 DCC 반환 냉수를 열원으로 이용한 Case 연구를 수행하였으며, DCC 반환 냉수와 Air washer system의 조합이 에너지 절감 효과가 높다는 결과를 제시하고 있다. 이상 기존의 국내외 연구사례는 외조기 시스템의 변경, 냉수 사용조건 개선 및 가습방식 개선의 연구가 주로 이루어졌다. 또한, 연간 에너지 사용량 분석의 연구들은 시스템을 단순하게 구성하여 외기 조건상 3개의 기간(동절기, 환절기, 하절기)으로 구분하여 외조기 시스템의 연간 에너지 사용량을 분석하고 있어 냉각수 폐열을 활용한 연간 에너지 사용량 분석에는 더욱 세분화된 조건으로 구분이 필요하다고 판단된다.

냉각수 폐열은 냉동기 가동 시 발생하는 응축열이 냉각수를 통해 냉각탑으로 버려지는데 그 열을 재활용하는 방안이다. 냉각수 폐열은 동절기 클린룸의 운영부하에 따라 온도 차이가 있을 수 있으나 보통 27~39℃ 정도의 폐열을 사용한다. 보일러를 이용한 가열의 경우 100℃ 이상의 증기를 가열원(Heat source)으로 하여 온수를 가열하는 것으로 열의 효율적인 사용 측면에서 보면 냉각수 폐열 활용방안이 에너지 절감에 유리하다.

본 연구의 목적은 기존 연구에서 다루지 않았던 반도체 클린룸에서 나오는 냉각수 폐열과 단열 가습장치의 조합으로 에너지 절감이 가능한 외조기 구성안을 제안하고, 제안된 외조기 구성안에 대한 연간 에너지 사용량 계산을 통해 각 구성안의 에너지 절감 효과를 분석하고자 한다.

2. 연구방법

대형 반도체 클린룸의 온습도는 23℃, 45%(절대습도 0.00786 kg/kg’)로 운영하였으나, 반도체 공정의 미세화로 인한 공기 중 수분의 영향성을 제한하기 위해 23℃, 42%(절대습도 0.00733 kg/kg’)로 습도의 중심값을 하향하여 운영하는 추세이다. 이를 위해 외조기에서 공급하는 절대습도 조건은 0.00733 kg/kg’로 고정하였다. 공급온도는 클린룸의 내부 부하와 반도체 공정에 따라 차이가 있으나, 본 연구에서는 하절기 냉각/제습된 공기 온도인 9.4℃, 상대습도 100%로 포화된 공기가 후단에 있는 송풍기와 모터에 수분으로 기인한 영향성이 없도록 재열 코일 (RHC)을 거쳐 11.4~11.5℃로 온도를 올리고, 송풍기 발열로 인한 온도 상승 2.5~2.6℃를 반영한 조건인 14℃로 클린룸에 공급하도록 설정하였다.

기본적인 외조기의 구성은 외기의 변동에 상관없이 항상 일정한 온습도 조건을 유지하기 위해 외조기 내부에는 4개의 가열 코일(PHC, 1-HC, 2-HC, RHC)과 2개의 냉각/제습 코일(1-CC, 2-CC)이 있고 2개의 가습장치(WSS 단열 가습, 증기 가습)를 가지고 있다. 가열 코일, 냉각/제습 코일, 가습장치의 구성 및 가열 코일에 공급되는 열원을 냉각수 폐열로 변화를 주었을 때 연간 에너지 사용량 변화 및 에너지 절감 가능성을 확인하고자 한다. 다음과 같은 3개의 Case로 외조기를 구성하였다(Fig. 1).

Fig. 1 Outdoor air conditioner system schematic.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.4.163/fig1.png

2.1 외조기의 구성

2.1.1 Case 1 외조기의 구성

Case 1의 경우 대형 반도체 클린룸에 주로 사용하고 있는 외조기의 구성이며, 기본 검토 케이스이다. 이 경우, 가습장치는 단열 가습장치인 WSS로 냉각 가습 역할을 하고, 증기 가습(Steam)은 보일러에서 만들어진 증기를 직접 분사하여 공기의 가습이 이루어진다. 가습 비율은 WSS 단열 가습이 87%, 증기 가습이 13%로 구성된다. WSS 단열 가습장치를 주(Main) 가습장치로 활용하고, 증기 가습장치는 환절기 외기의 급격한 습도 변동에 대응하기 위해 보조의 가습장치로 활용한다. 가열 코일인 PHC, 1-HC, RHC에 공급되는 가열원은 냉각수 폐열을 열원으로 사용하고, 2-HC에는 보일러에서 만들어진 증기를 열원으로 사용하고 있다. 냉각/제습 코일인 1-CC, 2-CC에는 냉동기에서 만들어진 냉수를 냉열원으로 사용하고 있다.

2.1.2 Case 2 외조기의 구성

본 연구에서 에너지 절감의 목적으로 구성한 Case 2 외조기의 경우, 가습장치 중 하나인 증기 가습장치 (Steam)를 제거하고, WSS 단열 가습장치의 설계 조건을 100%, 1단으로 적용하였다. WSS 단열 가습의 경우 증기 가습과 비교할 때 응답속도가 느리다는 단점이 있어, 환절기 급격한 습도 변동을 제어하기 위해 2-CC의 위치를 WSS 후단으로 이동하였다. 가열 코일의 경우 Case 1과 동일하게 PHC, 1-HC, RHC은 냉각수 폐열을 열원으로 사용하고, 2-HC은 보일러에서 만들어진 증기를 열원으로 사용한다. 냉각/제습 코일은 Case 1과 동일하게 냉동기에서 만들어진 냉수를 열원으로 사용한다.

2.1.3 Case 3 외조기의 구성

Case 3의 경우 가습장치 중 하나인 증기 가습장치(Steam)를 제거하고, WSS 단열 가습장치의 설계 조건을 50%, 2단으로 구성하여 에너지 절감 목적에 맞춰 냉각수 폐열만으로 운영이 가능한 외조기로 구성하였다. WSS의 단열 가습 효과를 높이기 위해서는 WSS 전단 공기의 온도 상승이 필요하다. 이때 1-HC을 통해 냉각수 폐열로 공기의 온도를 올리고, 부족한 열원은 보일러에서 만들어진 증기 열원을 사용하여 2-HC을 통해 공기의 온도 상승이 진행된다. WSS를 2단으로 구성하게 되면 1단으로 구성된 장치보다 전단 공기 온도를 크게 높일 필요가 없어 냉각수 폐열만으로 운영이 가능해진다. Case 3의 외조기는 Case 1, 2와는 다르게 WSS를 2단으로 구성하여 2-HC(보일러 증기 열원사용) 대신 1’-HC(냉각수 폐열 사용, 1-HC의 2단 구성시 사용)를 적용하였고, 보일러에서 만들어지는 증기를 사용하지 않고 냉각수 폐열을 적극적으로 사용하여 에너지 절감이 가능한 장치로 구성하였다. 냉각/제습 코일은 Case 1, 2와 동일하게 냉동기에서 만들어진 냉수를 열원으로 사용한다.

2.2 외조기 내부 부하 분석을 위한 Zone 구분

외조기 내부의 각 장치별로 부하를 산출하기 위해 설계 조건을 기준으로 하여 습공기 선도에서 Zone을 구분하였다. 각각의 Case별로 Zone을 구분하기 위해 Case 1은 C1-Zone, Case 2는 C2-Zone, Case 3은 C3-Zone으로 표기하였다.

2.2.1 Case 1 외조기의 Zone

Case 1 외조기는 내부 장치의 설계 조건에 맞추어 8개의 Zone으로 구분한다(Fig. 2). C1-Zone 1의 경우 온도가 0℃ 이하의 영역에 해당하며 C1-Zone 2는 온도 20℃ 이하, 절대습도 0.00643 kg/kg’ 이하, 엔탈피는 27.58 kJ/kg 이하의 영역에 해당하고 C1-Zone 3은 온도 20℃ 초과, 절대습도 0.00643 kg/kg’ 이하, 엔탈피는 27.58 kJ/kg 이하의 영역에 해당한다. C1-Zone 4의 경우 절대습도 0.00643 kg/kg’ 이하, 엔탈피는 27.58 kJ/kg 초과의 영역에 해당하고 C1-Zone 5는 온도 11.4℃ 이하, 절대습도 0.00643 kg/kg’ 초과부터 0.00733 kg/kg’ 이하의 영역에 해당하며 C1-Zone 6은 온도 11.4℃ 초과, 절대습도 0.00643 kg/kg’ 초과부터 0.00733 kg/kg’ 이하의 영역에 해당한다. C1-Zone 7의 경우 온도는 17.8℃ 이하, 절대습도 0.00733 kg/kg’ 초과의 영역에 해당하고, C1-Zone 8은 온도 17.8℃ 초과, 절대습도 0.00733 kg/kg’ 초과의 영역으로 구분한다.

Fig. 2 Psychrometric chart for Case 1.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.4.163/fig2.png

2.2.2 Case 2 외조기의 Zone

Case 2 외조기는 내부 장치의 설계 조건에 맞추어 6개의 Zone으로 구분한다(Fig. 3). C2-Zone 1의 경우 온도가 0℃ 이하의 영역에 해당하며 C2-Zone 2는 온도 20℃ 이하, 절대습도 0.00733 kg/kg’ 이하, 엔탈피는 30.06 kJ/kg 이하의 영역에 해당하고 C2-Zone 3은 온도 20℃ 초과, 절대습도 0.00733 kg/kg’ 이하, 엔탈피는 30.06 kJ/kg 이하의 영역에 해당한다. C2-Zone 4의 경우 절대습도 0.00733 kg/kg’ 이하, 엔탈피는 30.06 kJ/kg 초과의 영역에 해당하고 C2-Zone 5는 온도 17.8℃ 이하, 절대습도 0.00733 kg/kg’ 초과의 영역에 해당하며 C2-Zone 6은 온도 17.8℃ 초과, 절대습도 0.00733 kg/kg’ 초과의 영역으로 구분한다.

Fig. 3 Psychrometric chart for Case 2.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.4.163/fig3.png

2.2.3 Case 3 외조기의 Zone

Case 3 외조기는 내부 장치의 설계 조건에 맞추어 7개의 Zone으로 구분한다(Fig. 4). C3-Zone 1의 경우 온도가 0℃ 이하의 영역에 해당하며 C3-Zone 2는 절대습도 0.00395 kg/kg’ 이하, 엔탈피는 21.54 kJ/kg 이하의 영역에 해당하고 C3-Zone 3은 절대습도 0.00395 kg/kg’ 이하, 엔탈피는 21.54 kJ/kg 초과의 영역에 해당한다. C3-Zone 4의 경우 절대습도 0.00395 kg/kg’ 초과부터 0.00733 kg/kg’ 이하의 영역, 엔탈피는 29.96 kJ/kg 이하의 영역에 해당하며 C3-Zone 5는 절대습도 0.00395 kg/kg’ 초과부터 0.00733 kg/kg’ 이하의 영역, 엔탈피는 29.96 kJ/kg 초과 영역에 해당한다. C3-Zone 6의 경우 온도는 17.8℃ 이하, 절대습도 0.00733 kg/kg’ 초과의 영역에 해당하고 C3-Zone 7은 온도 17.8℃ 초과, 절대습도 0.00733 kg/kg’ 초과의 영역으로 구분한다.

Fig. 4 Psychrometric chart for Case 3.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.4.163/fig4.png

2.3 외조기 내부 부하 산출

외조기의 내부 부하 산출을 위해서 Zone을 구분하였고, 구분된 Zone에 해당하는 외기가 외조기의 가열 코일, 냉각/제습 코일, 가습장치를 통과하여 최종 공급 지점까지 이동하면서 발생한 부하를 집계하면 연간 외조기 내부 부하가 산출된다. 시간 단위로 부하를 집계하기 위해 외기 조건은 2021년 수원 지역 기상청의 온습도 데이터(8,760시간)를 활용하였다.

외조기 내부 부하 집계시 누락 여부를 확인하고 각각의 Zone별 부하 특성을 확인하기 위해 외기 빈도(Out-air frequency)를 사용하였다. 예를 들어 C1-Zone 1에 해당하는 외기의 빈도는 전체 8,760시간 중 1,123시간으로 해당 시간 동안은 비슷한 경로의 부하(PHC 부하, 1-HC 부하, 2-HC 부하, WSS 가습 부하, 증기 가습 부하)가 발생하며 1,123시간 동안 산출된 1,123개의 개별 부하를 합산하면 C1-Zone 1의 연간 외조기 부하를 확인할 수 있다. 그리고 각각의 Zone별 외기 빈도를 합산하면 8,760시간으로 해당 외조기의 연간 부하를 집계할 때 누락 여부를 확인할 수 있다. 또한 외기 조건과 공급 조건은 Case별로 동일하지만 내부의 장치 구성에 따라 Zone이 결정되고, Zone에 따라 외기 빈도가 결정되어 최종 부하는 Case별 서로 다른 형태를 가지는 것을 확인할 수 있다. 각각의 Case별 코일 부하, 가습 부하, 외기 빈도를 Table 1~Table 3에 정리하였다.

Table 1 Case 1: Coil load, humidification load, out-air frequency

Coil load

Humidification load

Out-air frequency

C1-Zone 1

$Q_{PHC}$, $Q_{1-HC}$, $Q_{2-HC}$

$M_{wss}$, $M_{steam}$

1,123 (13%)

C1-Zone 2

$Q_{1-HC}$, $Q_{2-HC}$

$M_{wss}$, $M_{steam}$

2,755 (31%)

C1-Zone 3

$Q_{2-HC}$

$M_{wss}$, $M_{steam}$

-

C1-Zone 4

$Q_{2-CC}$

$M_{wss}$, $M_{steam}$

494 (6%)

C1-Zone 5

$Q_{1-HC}$

$M_{steam}$

166 (2%)

C1-Zone 6

$Q_{2-CC}$

$M_{steam}$

176 (2%)

C1-Zone 7

$Q_{2-CC}$, $Q_{RHC}$

-

718 (8%)

C1-Zone 8

$Q_{1-CC}$, $Q_{2-CC}$, $Q_{RHC}$

-

3,328 (38%)

Table 2 Case 2: Coil load, humidification load, out-air frequency

Coil load

Humidification load

Out-air frequency

C2-Zone 1

$Q_{PHC}$, $Q_{1-HC}$, $Q_{2-HC}$

$M_{wss}$

1,123 (13%)

C2-Zone 2

$Q_{1-HC}$, $Q_{2-HC}$

$M_{wss}$

3,164 (36%)

C2-Zone 3

$Q_{2-HC}$

$M_{wss}$

2 (0%)

C2-Zone 4

$Q_{2-CC}$

$M_{wss}$

425 (5%)

C2-Zone 5

$Q_{2-CC}$, $Q_{RHC}$

-

718 (8%)

C2-Zone 6

$Q_{1-CC}$, $Q_{2-CC}$, $Q_{RHC}$

-

3,328 (38%)

Table 3 Case 3: Coil load, humidification load, out-air frequency

Coil load

Humidification load

Out-air frequency

C3-Zone 1

$Q_{PHC}$, $Q_{1-HC}$, $Q_{1'-HC}$

$M_{1-wss}$, $M_{2-wss}$

1,123 (13%)

C3-Zone 2

$Q_{1-HC}$, $Q_{1'-HC}$

$M_{1-wss}$, $M_{2-wss}$

982 (11%)

C3-Zone 3

$Q_{2-CC}$, $Q_{1'-HC}$

$M_{1-wss}$, $M_{2-wss}$

102 (1%)

C3-Zone 4

$Q_{1'-HC}$

$M_{2-wss}$

2,081 (24%)

C3-Zone 5

$Q_{2-CC}$

$M_{2-wss}$

426 (5%)

C3-Zone 6

$Q_{2-CC}$, $Q_{RHC}$

-

718 (8%)

C3-Zone 7

$Q_{1-CC}$, $Q_{2-CC}$, $Q_{RHC}$

-

3,328 (38%)

2.4 설비 에너지 사용량 산출

외조기 내부의 코일 부하, 가습 부하 산출 후 설비의 에너지 사용량으로 환산하면 각각의 Case별 비교가 가능하다. 반도체 클린룸 운영에 필요한 주요 설비인 냉동기, 보일러, 송풍기, 펌프 설비의 연간 에너지 사용량을 산출하기 위해 아래의 계산식을 사용하였다.

2.4.1 냉동기 에너지 사용량($W_{c hille r}$)

냉동기는 냉수의 온도, 냉각수의 온도에 따라 효율 차이가 발생한다. 냉수 공급온도는 10℃, 5℃로 고정하고 냉각수 공급온도를 기준으로 변동하는 냉동기 효율을 연간 에너지 사용량에 반영하기 위해 식(1)을 사용하였고, 냉동기에 투입된 에너지가 냉수를 만들 때 발생하는 냉동기 효율 변화도 연간 에너지 사용량에 반영하기 위해 식(2)를 사용하였다. 식(1), (2)에 필요한 상수는 “DOE-2 Centrifugal 5.50 COP” 값을 사용하였다. 식(3)은 냉각수 온도를 약식으로 산출하기 위해 사용하였고, 식(4)는 10℃의 냉수 생산의 경우에 사용하고, 식(5)는 5℃ 냉수 생산을 위한 냉동기 에너지 사용량 산출을 위해 사용한다.

(1)
$C APFT= 0.257896+ 0.0389016\times T_{chws}-0.00021708\times T_{chws}^{2} \\ +0.0468684\times T_{cws}- 0.00094284\times T_{cws}^{2}-0.00034344\times T_{chws}\times T_{cws}$
(2)
$EIRFT= 0.9338840- 0.0582120\times T_{chws}+0.00450036\times T_{chws}^{2} \\ +0.00243\times T_{cws}+ 0.000486\times T_{cws}^{2}-0.001215\times T_{chws}\times T_{cws}$
(3)
$T_{cws}= T_{wet,\: air}+ 5^{\circ}{C}$
(4)
$W_{c h i lle r,\: chw 10^{\circ}{C}}=\dfrac{V_{a}\times\rho_{a}}{COP}\times(Q_{1-CC}\times C APFT\times EIRFT)$
(5)
$W_{c h i lle r,\: chw 5^{\circ}{C}}=\dfrac{V_{a}\times\rho_{a}}{COP}\times(Q_{2-CC}\times C APFT\times EIRFT)$

2.4.2 보일러 에너지 사용량($W_{boile r}$)

보일러에 필요한 에너지 사용량 산출은 식(6)을 사용하고, 증기 가습 부하계산은 식(7)을 사용한다. $H_{steam}$은 증기 공급압력 0.2 MPa일 때 증기의 엔탈피를 사용한다.

(6)
$W_{boile r}=\dfrac{(Q_{2-HC}+ Q_{steam,\: humidification})\times V_{a}\times\rho_{a}}{\eta_{boile r}}$
(7)
$Q_{steam,\: humidification}=M_{steam}\times H_{steam}$

2.4.3 송풍기 에너지 사용량($W_{fan}$) 및 발열에 의한 온도 상승 계산($\triangle T_{fan}$)

송풍기의 에너지 사용량 산출은 식(8)을 사용하고, 발열에 의한 온도 상승 계산은 식(9)을 사용한다.

(8)
$W_{fan}=\dfrac{V_{a}P_{fan}}{\eta_{fan}}$
(9)
$\triangle T_{fan}=\dfrac{P_{fan}}{\eta_{fan}\times\rho_{a}\times C_{p,\: Wet,\: Air}}$

2.4.4 펌프 에너지 사용량($W_{pump,\: cw,\: wast eheat}$, $W_{pump,\: wss}$, $W_{pump,\: chw}$)

펌프의 에너지 사용량에서 냉각수 폐열을 이용한 폐열 펌프 부하는 식(10), (11)을 사용하고, WSS 단열 가습을 위한 순환수 펌프 부하는 식(12)을 사용한다. 식(12)의 경우 첫 번째 괄호는 가습에 필요한 실제 수분의 공급량을 기준으로 펌프의 부하를 계산한다. 두 번째 괄호는 WSS 단열 가습의 특성상 외기 공기 중에 포함되어 있는 수용성 가스(NOx, SOx, NHx) 제거를 위한 Chemical Filter 역할을 위해 외조기에 공급되는 공기 유량의 5%를 체적비로 환산하고 이에 해당하는 양의 순환수를 연속적으로 WSS 엘리미네이터에 공급할 필요가 있어 펌프 부하로 계산하였다. 냉수 펌프 부하는 식(13), (14)을 사용한다.

(10)
$W_{pump,\: cw,\: wast eheat}=\dfrac{M_{cw,\: wast eheat}\times P_{pump}}{\eta_{pump}}$
(11)
$M_{cw,\: wast eheat}=\dfrac{(Q_{PHC}+Q_{1-HC}+Q_{1'-HC}+Q_{RHC})\times V_{a}\times\rho_{a}}{C_{p}\times\triangle T}$
(12)
$W_{pump,\: wss}=(\dfrac{M_{wss}\times P_{pump}}{\eta_{pump}})+(\dfrac{0.05\times V_{a}\times P_{pump}}{\eta_{pump}})$
(13)
$W_{pump,\: chw}=\dfrac{M_{chw}\times P_{pump}}{\eta_{pump}}$
(14)
$M_{chw}=\dfrac{(Q_{1-CC}+Q_{2-CC})\times V_{a}\times\rho_{a}}{C_{p}\times\triangle T}$

2.4.5 연간 에너지 사용량 계산을 위한 가정 및 기타 입력조건

반도체 플랜트 설비의 특성을 연간 에너지 사용량 계산에 반영하였다. 먼저 외조기의 공급 풍량을 2,000 CMM으로 고정하였다. 대형 반도체 클린룸은 24시간 연중무휴로 생산 설비가 운영되어 부하도 거의 일정하게 유지된다.(10,11) 생산 설비의 일정한 부하는 클린룸을 냉각하는 DCC 및 배기처리장치의 연중 일정한 부하를 의미하고 있으며 일정한 배기 부하로 인한 외조기의 공급 풍량도 일정하게 유지가 필요하다. 또한, 부대설비의 효율도 일정하게 고정하였다. 연간 일정한 부하를 가지는 반도체 클린룸의 부하 특성상 부대설비의 기저부하가 존재한다. 예를 들어 동절기 클린룸 내부의 냉각 장치인 DCC 부하로 인해 냉동기의 연간 기저부하가 존재하며, 하절기 초순수 온도 상승을 위한 보일러 열원의 사용으로 보일러의 연간 기저부하도 함께 존재한다. 이런 기저부하를 설비의 용량 설계할 때 댓수 제어가 가능하도록 설비 용량을 다변화하고, 최적의 효율로 운영 가능하다는 점을 고려하여 부분 부하 운전이 아닌 일정한 효율을 갖는 설비의 운전으로 반영하였다. 연간 설비의 에너지 사용량 계산을 위한 냉동기, 보일러의 사양은 Table 4에 정리하였고, 송풍기의 사양은 Table 5와 Table 6에 정리하였다. 펌프 설비의 사양은 Table 7에 정리하였고, 기타 계산에 필요한 값들은 Table 8에 정리하였다.

Table 4 Specification for the chiller & boiler scheme

Description

Parameter

Type

Centrifugal Chiller

Steam Boiler

COP / Efficiency ($\eta_{boile r}$)

5.5

90%(6)

Table 5 Fan pressure scheme

Description

Case 1

Case 2

Case 3

Filter

(Demister, Roll, Pre/Medium, Chemical, Hepa)

1,200 Pa

1,200 Pa

1,200 Pa

Coil

(PHC, 1-CC, 2-CC, 1-HC, 2-HC, RHC)

650 Pa

650 Pa

650 Pa

WSS

100 Pa(12)

(1-stage)

100 Pa

(1-stage)

200 Pa

(2-stage)

Supply Duct & Loss

550 Pa

550 Pa

550 Pa

Total ($P_{fan}$)

2,500 Pa

2,500 Pa

2,600 Pa

Table 6 Specification for the fan scheme

Description

Parameter

Type

Air-Foil Fan

Flow ($V_{a}$)

2,000 CMM (33.3 CMS)

Efficiency ($\eta_{fan}$)

80%(6)

Table 7 Specification for the pump scheme

Description

Chilled Pump

Waste heat Pump

WSS Pump

Type

Centrifugal Pump

Centrifugal Pump

Centrifugal Pump

Temperature of the water supply

5℃ / 10℃

27℃

(variable)

Temperature of the water return

12℃ / 17℃

20℃

Efficiency of the water pump ($\eta_{pump}$)

80%(6)

80%

80%

Head of the water pump ($P_{pump}$)

500 kPa

500 kPa

500 kPa

Table 8 Other material properties for calculation

Description

$\rho_{a}$

$C_{p}$

$C_{p,\: Wet,\: Air}$

$H_{steam}$

Parameter

1.2 kg/m3

4.18 kJ/kg

1.019 kJ/kg

2,725 kJ/kg

3. 분석 결과 및 고찰

3.1 외조기 내부 부하 분석

외조기 내부의 가열 코일과 냉각/제습 코일의 부하는 Fig. 5에 가습 부하는 Fig. 6에서 확인할 수 있다. 가열 코일 중 PHC의 부하는 외기 조건과 Zone을 나누는 구획 조건이 Case 1, 2, 3 모두 동일하여 PHC의 부하도 동일하게 산출되었다. 1-HC의 가열원은 냉각수 폐열로 사용하고 있으며, 사용량을 점진적으로 증가시키도록 시스템을 구성하였고, 그에 따라 각 Case별 부하가 점진적으로 증가함을 알 수 있다. 2-HC의 경우 Case 2에서 WSS 단열 가습을 100% 설계 및 1단 구성으로 전단 공기의 온도 상승이 필요하여 Case 1보다 부하가 증가함을 알 수 있고, Case 3에서는 WSS 단열 가습을 50% 설계 및 2단 구성하였고, 냉각수 폐열을 적극적으로 활용하여 보일러 증기를 열원으로 활용하는 2-HC의 부하가 없는 것을 확인할 수 있다. RHC의 경우 하절기 냉각/제습 후 재열을 위해 필요한 부하로 Case 1, 2에서는 WSS 단열 가습장치를 1단으로 구성하였으나, Case 3에서는 WSS 단열 가습장치를 2단 구성하여 외조기의 기내 정압이 약 100 Pa 정도 증가하였고 이로 인해 송풍기의 에너지 사용량이 증가하게 되었다. 송풍기의 에너지 사용량 증가로 인해 이와 연계된 송풍기의 발열량도 증가하였다. 결론적으로 최종 공급온도는 14℃로 동일 조건이나 외조기 내부의 송풍기 발열로 인한 RHC의 부하가 Case 1, 2보다 Case 3에서는 상대적으로 감소하는 효과를 가져왔다.

냉각/제습 코일 중 1-CC의 부하는 외기 조건과 Zone을 나누는 구획 조건이 Case 1, 2, 3 모두 동일하여 1-CC의 부하도 동일하게 산출되었다. 2-CC의 경우 대부분 부하는 여름철 냉각/제습을 위한 부하로 발생하고 있으며, 일부 외기 조건(고온, 건조)에서는 WSS 단열 가습장치가 냉각/가습의 역할을 하고 있어 2-CC의 부하를 소폭 감소시키는 역할도 같이 담당하고 있다. 결과적으로 Case 1 대비 Case 2, 3의 2-CC의 부하가 감소하는 것으로 확인된다. 가습 부하의 경우 외조기에 연간 필요한 가습량은 Case 1, 2, 3이 모두 동일하나 구성 장치에 따라 구분하기 위해 WSS 단열 가습량과 증기 가습량으로 분리하였다.

Fig. 5 Outdoor air conditioner coil load.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.4.163/fig5.png
Fig. 6 Humidification load.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.4.163/fig6.png

3.2 설비 에너지 사용량 분석

설비의 연간 에너지 사용량 분석을 위해 앞선 2장에서 Zone 구분, 내부 부하 집계, 설비 부하로의 산출 과정을 진행하였고, 상용 소프트웨어인 “Excel”을 기반으로 에너지 사용량을 시뮬레이션 및 분석하였다. 산출된 설비의 연간 에너지 사용량은 Fig. 7에 Case별 월간 에너지 사용량은 Fig. 8에 정리하였다. 냉동기 에너지 사용량은 부하의 대부분이 하절기 냉각/제습을 위한 부하로 Case 1 대비 Case 2, 3이 큰 변화가 없는 것을 확인할 수 있으며, 미세한 차이는 WSS 단열 가습 증가로 인한 냉각 효과가 주요 원인으로 파악된다. 보일러 에너지 사용량은 증기 가습 부하와 2-HC의 열원 부하로 구분할 수 있다. Case 1의 경우 증기 가습 부하와 2-HC의 부하가 동시에 발생하여 보일러 에너지 사용량이 가장 크게 나타났다. Case 2의 경우 증기 가습 부하는 없으나, WSS 단열 가습 효율을 증가시키기 위해 가습장치 전단의 2-HC를 통과하는 공기의 온도 상승이 필요하여 보일러 열원 부하가 일부 발생한다. Case 3의 경우 증기 가습 부하가 없고, WSS 단열 가습장치를 2단 구성으로 하였고 WSS 전단 공기의 온도 상승을 위해 냉각수 폐열을 활용하여 2-HC의 보일러 열원 부하가 없다.

송풍기의 에너지 사용량은 공급 풍량을 2,000 CMM으로 고정하여 송풍기에 필요한 에너지는 외조기 설계 압력과 관계가 있다. Case 1, 2의 경우 외조기 내부 설계 압력이 동일하여 송풍기의 에너지 사용량도 동일하게 산출되었다. Case 3의 경우 단열 가습장치의 2단 구성으로 외조기 내부 압력 상승분 100 Pa을 추가로 반영하여 송풍기의 에너지 사용량도 증가함을 알 수 있다. 펌프의 에너지 사용량에서 냉각수 폐열 펌프 부하는 각각의 Case별 냉각수 폐열 사용량 증가에 따라 점진적으로 펌프의 에너지 사용량이 증가하고 있다. WSS 단열 가습을 위한 펌프의 에너지 사용량은 실제 가습을 위해 추가되는 보충수(Make-up)의 유량보다는 WSS 단열 가습장치의 다른 목적 중 하나인 Chemical Filter의 역할로 WSS 내부의 엘리미네이터에 분사되는 순환수의 순환량이 많아 각각의 Case별 부하 변동이 크게 없는 것으로 분석되었다. 냉수 펌프의 에너지 사용량은 냉동기 에너지 사용량의 비율에 따라 비슷한 추세로 부하가 전가되는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 7 Annual energy consumption of each component.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.4.163/fig7.png
Fig. 8 Monthly energy consumption of each case.
../../Resources/sarek/KJACR.2023.35.4.163/fig8.png

4. 결 론

본 연구에서는 대형 반도체 생산 공장의 공조에너지 중에서 많은 에너지 소비를 유발하는 외조기에 대해 가열 코일, 냉각/제습 코일, 가습장치의 구성 및 가열 코일에 공급되는 열원에 변화를 주었을 때 연간 에너지 사용량 변화 및 에너지 절감 가능성을 확인하기 위해 검토를 하였다. 검토 케이스는 기존 외조기 구성(Case 1)에 대해 본 연구에서 에너지 절감 방안으로 Case 2, Case 3의 방안을 제시, 검토하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과는 다음과 같다.

1) 기존의 대형 반도체 클린룸에서 가장 많이 적용하고 있는 외조기의 구성인 Case 1은 증기 가습장치와 WSS 단열 가습장치가 혼합된 외조기로 구성되었다. 외조기 내부에는 4개의 가열 코일(PHC, 1-HC, 2-HC, RHC)과 2개의 냉각/제습 코일(1-CC, 2-CC), 2개의 가습장치(WSS 단열 가습 87%, 증기 가습 13%)로 구성되었다. 가열 코일 중 PHC, 1-HC, RHC의 경우 가열원으로는 냉각수 폐열을 사용하고, 2-HC의 경우 보일러에서 만들어진 증기를 열원으로 사용하고 있다. 가습장치 중 하나인 증기 가습장치도 보일러에서 만들어진 증기 열원을 사용하고 있어 분석한 케이스 중에서 에너지 사용량이 가장 높게 나타났다.

2) Case 2는 증기 가습장치를 제거하고 WSS 단열 가습장치를 1단으로 구성하였다. 외조기 내부에는 4개의 가열 코일(PHC, 1-HC, 2-HC, RHC)과 2개의 냉각/제습 코일(1-CC, 2-CC), 1개의 가습장치(WSS 단열 가습 100%)로 구성되었다. 가열 코일 중 PHC, 1-HC, RHC의 경우 가열원으로 냉각수 폐열을 사용하고, 2HC의 경우 보일러에서 만들어진 증기를 열원으로 사용하고 있다. Case 1과 비교할 때, 증기 가습장치를 제거하여 증기 가습 부하로 인한 보일러 에너지 사용량은 줄었다. 하지만 WSS 단열 가습장치를 100% 설계 조건으로 변경되어 2-HC의 가열 부하는 일부 증가하게 되었다. 전체 에너지 사용량은 Case 1 대비 약 11.3% 정도 절감할 수 있는 것으로 확인되었다.

3) Case 3은 증기 가습장치를 제거하고 WSS 단열 가습장치를 2단으로 구성하였다. 외조기 내부에는 4개의 가열 코일(PHC, 1-HC, 1’-HC, RHC)과 2개의 냉각/제습코일(1-CC, 2-CC), 2개의 가습장치(1-WSS 50%, 2-WSS 50%)로 구성되었다. 가열 코일에는 전부 냉각수 폐열을 가열원으로 사용하고 있다. 가습장치는 증기 가습장치를 제거하고, WSS 단열 가습장치를 2단으로 배치하였다. WSS 단열 가습장치를 1단으로 배치하게 되면 가습 효율을 높이기 위해 WSS 전단의 공기 온도를 크게 높여야 하나, WSS 단열 가습장치를 2단으로 배치하게 되면 상대적으로 낮은 온도로 가습할 수 있다. 따라서 공기 온도를 올리는 데 필요한 가열 코일의 열원을 보일러에서 발생한 증기 열원에서 냉각수 폐열로 변환시킬 수 있다. 전체 에너지 사용량은 Case 1 대비 약 24.6% 정도 절감할 수 있는 것으로 확인되었다.

4) 별도 효과로 산정하지는 않았지만 동절기 반도체 공장 주변에서 자주 발생하는 냉각탑 백연의 경우, 냉각수 폐열을 공정에 적극적으로 활용하여 냉각탑 백연을 감소시킬 수 있고, 동절기 냉각탑에서 사용하는 전력 역시 감소할 것으로 기대할 수 있다. 또한, 공장 부지 내 보일러 에너지 사용량 감소는 사업장에서 직접 연소를 통해 발생하는 직접적인 탄소 배출을 줄임으로써 탄소 중립 목표의 달성에 효과적일 것으로 판단된다.

후 기

본 연구는 국토교통부 국토교통기술사업화지원사업의 연구개발비지원(21TBIP-C162046-01)에 의해 수행되었습니다.

References

1 
Ember, Online: https://ember-climate.org/insights/research/south-koreas-lack-of-wind-and-solar-hinders-exporters/.URL
2 
Yoo, K. H., 2014, Development of power-saving heat source technology for the high-tech electronics industry, Korea Institute of Industrial Technology, pp. 7-9.URL
3 
Hu, S. C. and Tsao, J. M., 2007, A comparative study on energy consumption for HVAC systems of high-tech FABs, Applied Thermal Engineering, Vol. 27, No. 17-18, pp. 2758-2766.DOI
4 
Tsao, J. M., Hu, S. C., Xu, T., and Chan, D. Y. L., 2010, Capturing Energy-Saving Opportunities in Make-Up Air Systems for Cleanrooms of High-Technology Fabrication Plant in Subtropical Climate, Energy and Buildings, Vol. 42, No. 11, pp. 2005-2013.DOI
5 
Tsao, J. M., Hu, S. C., Chan, D. Y. L., Hsu, R. T. C., and Lee, J. C. C., 2008, Saving energy in the make-up air unit (MAU) for semiconductor clean rooms in subtropical areas, Energy and Buildings, Vol. 40, No. 8, pp. 1387-1393.DOI
6 
Jo, M. S., Shin, J. H., Kim, W. J., and Jeong, J. W., 2017, Energy-saving Benefits of Adiabatic Humidification in the Air Conditioning System of Semiconductor Cleanrooms, Energies, Vol. 10, No. 11, pp. 1774.DOI
7 
Kim, K. C., Song, G. S., Kim, H. T., Yoo, K. H., Shin, D. K., and Park, D. J., 2013, An Assessment of Energy Consumption in Steam-Humidification and Water Spray Humidification Type Outdoor Air Conditioning Systems for Semiconductor Manufacturing Clean Rooms, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 25, No. 2, pp. 055-063.DOI
8 
Song, W. I., Park, S. B., Kim, K. C., Yoo, K. H., Tae, K. E., Kim, Y. S., Yang, J. S., Song, D. Y., Kwon, O. M., and Lee, K. H., 2018, An Experimental Study on Energy Consumption in an Indoor Water Spray Humidification Type Cleanroom with One Fluid Nozzles, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 30, No. 11, pp. 533-545.DOI
9 
Kim, K. C., Kim, H. T., Song, G. S., Yoo, K. H., Son, S. W., Shin, D. K., and Park, D. J., 2012, An Experimental Study on Energy Consumption of Air Washer Outdoor Air Conditioning Systems for Semiconductor Manufacturing Clean Rooms, Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering, Vol. 24, No. 4, pp. 297-305.DOI
10 
Yang, S. C., 2014, Improved cleanroom energy savings - Examples of energy recycling/saving in semiconductor cleanrooms, Air Cleaning Technology, Vol. 27, No. 1, pp. 15-29.URL
11 
Lee, Y. S., 2014, Clean room energy saving improvement case - clean room outdoor air conditioner energy saving case, Air Cleaning Technology, Vol. 27, No. 1, pp. 30-45.URL
12 
Wonbang Tech, Inc. Online: http://wonbangtech.com/icr/.URL