DYNAMIC HARVEST방식 氷蓄熱시스템 |
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1. 서론 |
HARNEST방식 빙축열시스템은 증발기 전열면에서 생성된 얼음을 주기적으로 분리 이탈시켜 별도의 빙축열조에 저장하였다가 저장된 얼음의 잠열을 냉방에 이용하는 시스템이다. HARVEST 방식 제빙기는 1952년 미 TURBO사에서 처음 개발하여 당시 대형 얼음을 제조, 톱이나 망치로 깨뜨려서 사용하던 공업용 제빙시장에 선풍을 불러 일으킨 획기적인 기술이다. TURBO社는 1978年 HARVEST방식 제빙기술을 응용하여 빙축열 시스템을 개발하였으며 현재는 미국내는 물론 유럽, 일본, 대만 등지에 설치되어 대단한 호평을 받고 있는 시스템이다. 국내에는 1990년 3월 한국전력공사의 축냉설비 공동개발 계획에 따라(주)한미터보에서 도입하여 한전온양지점에 시험 설치하여 1990년도 하계냉방을 실시한바 있다. 본 고에서는 HARVEST 빙축열 시스템의 구성, 특성 및 장비선정 방법등 시스템에 대한 소개와 한전 온양지점과 현재 설치 공사중인 기아타운의 적용 사례등에 관하여 기술하고자 한다.
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2. HARVEST빙축열 시스템 |
2 . 1 시스템의 구성 |
시스템의 구성은 빙축열조에서 냉수(冷水)를 직접 부하측에 순환시키는 개방형(OPEN SYSTEM)과 열교환기를 이용하여 별도의 회로를 구성하는 밀폐형(CLOSE SYSTEM)이 있다.
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가. OPEN 시스템 OPEN 시스템을 구성하면 부하측 냉수 이용 온도차를 크게 할수 있어(△t10。C~15。C)부하측 배관 및 설비를 축소할 수 있다.
그림 1. OPEN SYSTEM |
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나. CLOSED 시스템 CLOSED시스템을 구성하면 부하측배관 및 설비를 기존 방식 그대로 사용할 수 있다. | |
2 . 2 빙축열기(ICE MAKER/CHILLER) |
HARVEST빙축열기는 응고(凝固)얼음(SOLID ICE)을 생성하는 동적제빙형(DYNAMIC TYPE)이며 냉매 방식으로는 후레온 22(R-22)를 사용하는 직접 팽창식에 속한다.
그림 2. CLOSED SYSTEM
그림 3. 냉매계통도 |
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가. 빙축열기(ICE MAKER/CHILLER) HARVEST 빙축열기의 냉매계통도는 그림 3과 같으며 구성기기는 다음과 같다. 1) 압축기(COMPRESSOR) 압축기는 왕복동 또는 스크류(SCREW)압축기를 사용한다. 2)증발판(EVAPORATOR PLATES) TURBO 빙축열의 가장 중요한 부분이며 타빙축냉동기의 증발기와는 매우 상이하다. 구조는 두장의 스테이인레스 철판(SUS 304)을 맞대어 중간 중간 용접을 한후 유압을 이용하여 성형 제작한 것이며 이같은 증발기판을 장비용량에 따라 20~150매까지 수직으로 설치한다. 3) 물분배관(WATER DISTRIBUTION) 스테인레스로 제작된 물분 배관은 증발기판(EVAPORATOR PLATES)상부에 설치되어 순환수펌프(RECIRCULATING PUMP)에 衣하여 유입되는 물을 증발기판에 일정하게 흘러내리게 한다. 4) 응축기(CONDENSER) 응축기는 수냉식(WATER COOLED),공냉식(AIR COOLED)또는 증발식(EVAPORATIVE COOLED)이 사용된다. 5) 냉매 배관(REFRIGERANT PIPING) 냉매 배관에는 팽창밸브(EXPANSION VALVE), HOR GAS 도입용 3-WAY VALVE와 축열기(ACCUMULTOR),수액기 (RECEIVER)등이 설치된다. 냉매배관에 설치되는 모든 압력용기는 ASME규격에 의하여 제작된다. 나. 제빙 및 탈빙 과정
그림 4. 제빙 과정 | 1) 제빙과정(REFRIGERATION CYCLE) 그림 4와 같이 액 냉매가 하부로 부터 증발판 내부로 유입, 증발한 후 흡입관 (SUSTION LINE)을 거쳐 압축기로 흡입된다. 이때 제빙판 상부의 물 분배통(WATER DISTRIBUTION PAN)으로 부터 물이 흘러 내리면서 증발판 양쪽면에서 얼음이 생성된다. 2) 탈빙 과정(DEFROST CYCLE) 그림 5는 탈빙 과정으로 제빙과정이 20분정도 계속 되면 증발판 양쪽면에 생성된 얼으의 두계가 약6.5m/m가 된다. 이때 상부의 DEFROST LINE으로 부터 압축기 토축측의 고온 고압 냉매가스가 3-WAY VALVE를 통하여 증발판 내부로 유입되면 얼음은 증발판 외부로 부터 분리되어 하부의 빙축열조로 떨어진다. 표준 CYCLE의 작동시간은 20분 제빙에 30초간 탈빙이 이루어진다.
그림 5. 탈빙 과정 |
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2 . 3 빙축열조(CIE STORAGE TANK) |
빙축열조는 STEEL TANK, 콘크리트 탱크 또는 FRP탱크등이 사용되며 탱크의 보냉은 폴리우레탄이 사용된다. 설치 위치는 기계실 바닥, 기계실, 옥외또는 건물 옥상등 현장 여건을 고려하여 설치한다.
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2 . 4 시스템의 특성 |
HARVEST 빙축열 시스템은 축열시스템의 일반적인 특성 이외에도 다음과 같은 특성이 있다.
가. 빙축열기는 증발판위에 공급되는 물온도에 따라 ICE MAKER또는 고효율의 CHILLER로서 작동한다. (예 : TURBO MODEL IGC 160의 경우) - ICE MAKING(공급물온도 0。C) 냉동능력 161.8R/T 소요동력 155.5KW -CHILLEING (공급물온도 0。C) 냉동능력 268.6R/T 소요동력 170.0KW 나. 제빙시 증발온도가 높고(-6.7。C)비교적 일정한게 유지할 수 있어 제빙효율이 높고 압축기의 내용연수가 길다. 다. ICE MAKER/CHILLER가 PACKAGE TYPE으로 현장설치가 용이하며 전열면인 증발판과 압축기 등 모든 기기가 축열조 상부에 위치하므로 보수관리가 간편하다 라. 주말 운전방식(WEEKLY LOAD LEVELING 또는 SHFTING)을 채택할 수 있어 빙축열조 설치공간을 충분히 확보할 수있는 경우 가장 경제적인 시스템의 구성이 가능하다. 마. 별도의 열교환기, 온수저장조 등을 설치하면 HEAT PUMP로서 작동하여 난방이 가능하다.
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3. 축열운전방식 |
HARVEST 빙축시스템의 운전방식은 전력요금체계, 건물의 부하 특성등을 감안하여 4가지 축열방법중에서 한가지 방식을 채택한다. 특히 시스템과는 달리 주말운전방식을 채택할 수 있어 장비 용량을 가장 적게 선정할 수 있다.
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3 . 1 전량축열방식(FULL STORAGE) |
가. 일부하 이동방식(DAILY LOAD SHIFTING) 매일의 필요한 부하를 심야 전력시간 (22:00~08:00)에 장비를 가동하여 얼음을 저장 하였다가 다음날의 냉방에 이용하는 방법으로 4가지 운전방식중 장비용량은 가장 크게 되나 연간운전비용절감액이 많다. 나. 주간부하 이동방식(WEEKLY LOAD SHIFTING) 일주일간의 공조부하를 토 · 일요일을 포함한 매일의 심야전력시간에 장비를 가동하여 냉방에 이용하는 방법으로 장비용량은 Daily load shifting에 비해 작아지나 storage tank는 크다. 연간 절감액은 Daily load shifting과 비슷하다.
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3 . 2 부분축열방식(PARTIAL STORAGE) |
가. 일부하 평준화방식(DAILY LOAD LEVELING) 매일의 부하를 24시간 장비를 가동하여 냉방하는 방법으로 장비 용량과 탱크 크기가 shifting방식에 비해 많이 적으나 연간 절감비용이shifting에 비해 적다.
나. 주간부하 평준화 방식(WEEKLY LOAD LEVELING) 일주일간의 공조부하를 토 · 일요일을 포함한 일주일 계속 가동하는 방법으로 장비용량은 가장 적으나 storage tank는Daily load shfting과 비교하여 커진다. 연간 절감액은 Daily load leveling과 비슷하다.
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4. 장비선정방법 |
냉방면적 8,360㎡(약 2,530평)의 일반 사무실용 건물에 대한 장비 선정의 예를 들어본다.
시 간 |
냉 방 부 하 (Tons) |
월 |
화 |
수 |
목 |
금 |
토 |
일 |
계 |
09:00 |
209.83 |
150.84 |
150.84 |
150.84 |
150.84 |
150.84 |
0 |
964.03 |
10:00 |
166.85 |
151.69 |
151.69 |
151.69 |
151.69 |
151.69 |
0 |
925.30 |
11:00 |
198.88 |
153.39 |
153.37 |
153.37 |
153.37 |
153.37 |
0 |
965.73 |
12:00 |
192.13 |
187.23 |
187.23 |
187.37 |
187.23 |
187.23 |
0 |
1,128.28 |
13:00 |
195.51 |
196.82 |
196.82 |
196.82 |
196.82 |
196.82 |
0 |
1,179.61 |
14:00 |
211.52 |
204.78 |
204.78 |
204.78 |
204.78 |
0 |
0 |
1,030.64 |
15:00 |
225.00 |
216.57 |
216.57 |
216.57 |
216.57 |
0 |
0 |
1,091.28 |
16:00 |
200.56 |
182.87 |
182.87 |
182.87 |
182.87 |
0 |
0 |
932.04 |
17:00 |
168.54 |
167.7 |
167.7 |
167.7 |
167.7 |
0 |
0 |
839.34 |
18:00 |
132.3 |
132.3 |
132.3 |
132.3 |
132.3 |
0 |
0 |
661.5 |
계 |
1,900.9 |
1,744.17 |
1,744.17 |
1,744.17 |
1,744.17 |
839.95 |
0 |
9,717.59 | <냉방우전조건> (가) 심야전력시간 : 10시간 (10:00 P.M~08:00 A.M) (나) 냉방시간 - 월요일~금요일 : 10시간(08:00A.M ~ 06:00P.M) - 토요일 : 5시간(08:00 A.M~01:00 P.M) | |
4 . 1 축열장비 선정기중 |
그림 6은 검토 건물의 월요일과 화요일의 부하분포곡선을 나타낸다. 두 분포곡선에서 나타난 부하량의 차이는 냉방을 하지않는 주말에 축열된 건물의 잔유열에 의한 것이다. 일반적으로 HAVEST빙축장비의 용량은 화요일 부하를 기준으로 선장한다. 평일보다 크게 나타나는 월요일 부하는 주말 시간대를 이용하여 여분의 축열을 하였다가 대응할 수 있다.
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4 . 2 축열방식별 장비 선정 |
빙축장비용량은 다음 식으로 결정한다. I=T · H/(NHI+1.3 X NHC) I=장비용량(제빙용량(TONS) T · H = 요구된 냉방부하량(TON-Hour) NHI=제빙운전시간 NHC=냉각운전시간 1.3=제빙운전용량에 대한 냉각운전용량의 비축열조 용량은 같다. 용량 (M3)=NHI X I 0.09 M3/TON-Hour
가. 일부하 이동방식(DAILY LOAD SHIFTING) 표1냉방부하표에서 화요일부하 : 1,744.17 Ton - Hr 월요일부하 : 1,900.96 Ton - Hr a. 화요일 부하기준
장비용량 = |
1,744.17 |
= 175 TONS |
10 |
축열량=(175TON)X(10Hr)=1,750TON-Hr |
축열조용량=(1,750 TON-Hr)X(0.09㎥/TON-Hr)=158㎥ |
b. 월요일 부하기준 장비용량=175TON 축열량=1,750 + (1,900.96-1,744.17) = 1,906.79TON-Hr 축열조용량= (1,906.79TON-Hr)X(0.09㎥/TON-Hr)=172㎥ 나. 주간 부하 이동방식(WEEKLY LOAD SHIFTING) 주간 총냉방부하 9,717.59 TON-Hr
장비용량 = |
9,717.59 |
=139 TONS |
7(10) |
축열량=(139TON)X(20Hr)-839.95 TON-Hr=1,940.05 TON-Hr |
축열조용량=(1,940.05 TON-HR)X(0.09 ㎥/TON-Hr)=175㎥ |
다. 일부하 평준화 방식(DAILY LOAD LEVELING) 표1 냉방부하표에서 화요일부하 : 1,744.17 TON-Hr 월요일부하 : 1,900.96 TON-Hr a. 화요일 부하기준
장비용량= |
1,744.17 |
=65tons |
[14+1.3(10)] |
축열량=(65TON)X(14Hr)=910TON-Hr |
축열조 용량= (910 TON=Hr)X(0.09㎥/TON-Hr)=82㎥ |
b. 월요일 부하기준
축열량=910+(1,900.96-1,744.17)=1,066.79TON-Hr |
축열조용량=(1,066.79 TON-Hr)X(0.09㎥/TON-Hr)=96㎥ |
라. 주간 부하 평준화방식(WEEKLY LOAD LEVELING) 주간총냉방부하9,717.59 TON-Hr
장비용량= |
9,717.59 |
=53TONS |
[1.3X(55)+113] |
축열량=(53TONS)X(11+24+8)=2,279TON-Hr |
축열조용량=(2,279 TONS-Hr)X(0.09㎥/TON-Hr)=205㎥ |
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4 . 3 축열운전방식결정 |
위와 같이 선정한 4가지 방식의 장비와 기존 냉방 방식의 장비에 대하여 초기투자비 및 연간운전지를 산출하여 경제성 검토를 한후 경제성과 축열조 설치 공간등을 감안하여 운전방식을 결정한다.
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5. 적용사례 |
5 . 1 한국전력공사 온양지점 |
가. 개요 한전온양지점 사욕은 1989년 8월 준공한 기존 건물로서 축냉설비의 인증시험을 위하여 빙축열 설비를 추가로 설치하여 1990년도 하계에는 빙축열 설비로만 냉방을 하였으며 생산기술연구원에서 성능시험을 실시하였다.
나. 건물개요
1) 위 치: 충남 온양시 권곡동 2) 건물규모 : 지하 1층 지상 3층 연면적 3,174 ㎡(약 960평) 3) 용도 : 일반사무실용 4) 근무시간: 09:00~18:00(9시간) | 다. 기존 냉방설비(열원 부분)
장비명 |
규격 |
수량 |
전력(KW) |
비고 |
왕복동 냉동기 |
80 R/T |
1 |
60.0 |
|
냉각탑 |
80 R/T |
1 |
2.2 |
|
냉각수펌프 |
1,100LPMX7.5HP |
2 |
11.0 |
|
계 |
|
|
73.2 |
| 라. 빙축장비선정
1)운전방식: 일부하 평준화 방식(DAILY LOAD LEVELING) 2) 장비용량계산 일냉방부하 572.72 TON-Hr
장비용량= |
572-72TON-Hr |
=21.2R/T |
14h+1.3x10h | ※ TURBO MODEL 중 HP200B (21.6R/T)선정 축열조용량=21.6 TON X 14h X 0.09 ㎥/TON-Hr=27.2㎥ 3) 빙축열기 사양
MODEL |
압 축 기 형 식 |
모터용량 |
물온도(。C) |
냉동능력(RT) |
소비전력(KW) |
TURBO사 HP 200 BSC |
HERMETIC |
40HP |
0 |
21.6 |
26.3 |
2.2 |
28.4 |
27.5 |
4.4 |
30.6 |
27.8 |
6.7 |
32.9 |
28.3 | ※ 1. 물온도는 증발판위에 공급되는 물온도. 2. 응축온도 35。C기준 |
마. 시스템의 구성 시스템의 구성는 열교환기를 사용하는 closed system으로 구성하였으며 냉각탐과 냉각수펌프는 현장 여건상 기존 장비를 이용했고 부하측 설비도 그대로 사용하였다.
바. 설치장비의 종합평가 그림 8은 생산기술연구원에서 측정평가한 설치장비의 종합평가도형이다. 그림에서 보듯이 야간축열율을 제외한 모든 효율이 기준치보다 크게 나타나 운전 상태가 매우 양호하다는 판정을 받았다. 또한 그림에서 나타난 야간 축열율율은 심야시간축열율만을 측정한 것이며 HARVEST방식의 경우 비냉방시간 14시간 (06:00P.M~08:00A.M)에 모두 축열하므로 실제적인 야간 축열율은 57% 정도이다.
그림 8. 종합평가 도형 | | |
5 . 2 기아타운 |
가. 개요 기아타운은 기아자동차에서 경기도 광명시에 연구소, 사무실, 복지관, 훈련원 등의 8개 건물을 1,2단지로 구분하여 단지별로 power plant를 설치, 각 건물로 냉 · 난방 및 전력을 공급할 수 있게 설계시공중인 건물이다. 폐사에서는 기아타운 1,2 단지 HARVEST 빙축 설비의 공급계약을 체결하고 현재 설치 공사중에 있다. 여기에서는 기아타운 1단지의 적용예를 기술한다. 나. 단지개요 1) 위치 : 경기도 광명시 소하동 2) 단지규모: 훈련원 2,700평 등 충연면적 18,500평
다. 냉방부하표(표2참조)
시 간 |
냉방부하(Ton-Hr) |
월 |
화 |
수 |
목 |
금 |
토 |
일 |
계 |
10:00 |
1,800 |
1,700 |
1,700 |
1,700 |
1,700 |
1,610 |
|
10,210.0 |
11:00 |
1,756.7 |
1,698 |
1,698 |
1,698 |
1,698 |
1,634 |
|
10,182.7 |
12:00 |
1,812 |
1,673 |
1,673 |
1,673 |
1,673 |
1,673 |
|
10,177.0 |
13:00 |
1,789 |
1,712 |
1,712 |
1,712 |
1,712 |
1,712 |
|
10,349.0 |
14:00 |
1,950 |
1,826 |
1,826 |
1,826 |
1,826 |
|
|
9,254.0 |
151:00 |
1,910 |
1,764 |
1,764 |
1,764 |
1,764 |
|
|
8,966.0 |
16:00 |
1,852 |
1,733 |
1,733 |
1,733 |
1,733 |
|
|
8,784.0 |
17:00 |
1,750 |
1,650 |
1,650 |
1,650 |
1,650 |
|
|
8,350.0 |
18:00 |
1,732 |
1,611 |
1,611 |
1,611 |
1,611 |
|
|
8,718.0 |
계 |
16,353.7 |
15,367.0 |
15,367.0 |
15,367.0 |
15,367.0 |
6,629.0 |
0 |
84,450.7 | 라. 빙축장비선정 1)운전방식 : 주간부하 평준화방식(WEEKLY LOAD LEVELING) 2)장비용량계산 주간총부하 : 84,450.7 TON-Hr
장비용량= |
84,450.7 |
=462.2 TON |
119h+1.3 X 49h | ※ IGC 160(161.8 R/T)3대 선정
축열조용량 : (11h+24h)X462.2 TON X 0.09㎥/TON-Hr=1456㎥ | 마. 기존방식과의 장비 비교(표3 참조)
구분 |
기 존 방 식 |
빙 축 열 방 식 |
냉동기 |
터보냉동기 700R/T X 3 |
빙축열기 IGC 160 X 3 -제빙용량:161.8 R/T -냉각용량:242.8 R/T |
냉각탑 |
700 R/T X3 |
300 RT X 3 |
냉각수펌프 |
양흡입 9,100 LPMX75HPX4 |
편흡입 3,900 LPM X40 HPX4 |
순환수펌프 |
- |
편흡입5,000 LPMX30 HPX4 |
빙축열조 |
- |
1,500㎥ |
계약전력 |
6,106 KW |
750KW | 바. 시스템의 구성(그림 9참조)
그림9. 시스템 구성도 | 사. 기대효과 1) 연간 냉방전력비 절감 : 118,153,000D원 2) 하계주간 PEAK 전력감소 : 1,356KW 3) 심야전력개발효과 : 1,064,250 KWh/년 | |
|
※한국냉동공조기술협회 |