아이스 온 코일형 빙축열 시스템 및 설치 사례

[그림자]

아이스 온 코일형 빙축열 시스템 및 설치 사례

최 규 명
LG전선(주)기계사업부
공조설계실과장

1. 서 론

그 동안 심야 전력을 이용한 수축열이나 빙축열에 관한 소개는 미국이나 일본의 경우를 중심으로 국내에 알려져 왔고, 국내에서도 많지는 않지만 실건물에 주로 소용량의 수축 또는 빙축열 시스템을 사용한 것으로 알고 있다. 그러나 실용화 단계에는 이르지 못한 것 같다.
한국전력공사에 의하면 80년대 초부터 년중 최대 전력부하가 여름철 주간에 발생한 이후에 '87~'89년 3년간 전력수요 증가율이 연평균 13.4%에 달하고 있다. 이의 가장 큰 원인은 여름철 냉방을 위한 냉방기기의 수요 급증으로 인한 것으로서 이들 기기의 전력수요가 전체의 21%수준에 이르고 있는 실정이라 한다.
이런 상황하에서 국내에서도 본격적인 빙축열 보급을 위한 개발 프로젝트로 한국전력공사의 협력하에 국내 관심 있는 업체가 참여한 가운데 '90년도에 실용화 개발을 착수하여 파이롯트 시험을 완료하였다. 금번에 본 프로젝트 개발과 관련한 그 동안 추진되어온 내용이 전반적으로 소개될 것으로 보인다. 많은 빙축열 시스템이 있는 가운데 당사에서는 아이스온 코일(ICE-ON-COIL)형 빙축열 시스템을 개발하였다. 이하 그 특징과 실건물에 적용한 사례를 소개한다.

2. 아이스 온 코일형 빙축열 시스템

    2 . 1 시스템 종류

아이스 온 코일형은 축열조내의 열교환기 표면에 얼음이 고착되는 형을 말하는데 현재 일본, 미국에서 사용되는 빙축열 시스템의 대종을 이루고 있다. 아이스 온 코일형은 제빙과 해빙 방식에 따라 몇가지로 분류된다.

가. 제빙방식에 따른 분류

1)브라인 순환식
이 방식은 그림 1과 같이 냉동기의 냉각기에서 열교환하여 생산된 저온의 브라인(보통의 에칠렌글리콜 30% 용액을 많이 사용)을 빙축조 내의 열교환기 파이프 내로 순환 시켜 제빙하는 방식으로 비교적 설비가 간단하고 제빙효율도 좋아서 가장 많이 사용하는 방식이다.

그림1. 브라인 순환식

2)냉매 직접 팽창식
이 방식은 냉동기의 순환 액냉매를 빙축조 내의 열교환기 코일 내에 직접 교축 팽창시켜 제빙하는 것으로서 냉매 순환 방식에 따라 건식, 만액식, 강제순환식으로 구분할 수 있다.
건식(그림2)은 빙축조 열교환기 입구 직전에 팽창밸브를 설치하여 코일 내에서 냉매가스 증발에 의해 제빙하는 방식으로 설치는 가장 간단하지만 제빙능력이 좋지 않고 냉매 과열도 차에 의해 균일한 제빙이 어렵다. 이에 반해 그림 3과 같은 만액식은 저압탱크에서 생성된 저온의 냉매액이 중력에 의해 코일 내를 순환하므로 당연히 냉매 순환량이 많아지며, 열통과율이 커져 제빙능력이 좋다. 더욱이 그림 4와 같이 냉매 순환 펌프를 설치하여 저압 탱크의 저온 냉매액을 강제로 순환시키므로써 더욱 좋은 제빙능력을 얻을 수 있다. 그러나 이 방식은 저압 탱크, 수액기, 냉매순환 펌프, 저압탱크 내의 일정한 저온냉매 유지를 위한 액면 제어기등이 필요한 관계로 시스템이 복잡하고 다량의 냉매기 필요하는 등 초기 비용이 상승하는 단점이 있다.

그림 2. 냉매 건식

그림 3. 냉매 만액식

그림 4. 냉매 강제 순환식

나. 해빙방식에 따른 분류
브라인 순환식 빙축 시스템에서 주간 방냉시 해빙 방식은 직접 접촉 해빙 방식과 간접 접촉 해빙 방식이 있다.

1) 직접 접촉 해빙 방식
이 방식은 그림 5와 같이 제빙시 빙축조 열교환기 파이프 내에 브라인이 순환하면서 파피프 외측에 얼음이 생성된다. 주간 방냉시는 빙축조 내의 물이 얼음과 직접 접촉 순환하는 과정에서 물이 냉각되고, 이 냉각된 물(약1。C)이 1차측 냉수 펌프에 의해 열교환기를 거치는 동안 그림 5와 같이 부하측에 필요한 냉수(예를 들면 7。C)를 생산하는 방식이다.

그림 5. 직접 접촉식 방냉 시스템

그림 6. 직접 접촉식 해빙 과정

이 방식은 그림 6과 같이 얼음이 완전히 해빙될 때까지 얼음과 직접 접촉하므로 1차측 냉수온도가 일정하고 낮으므로 냉방효율이 좋다. 또한 냉동기 병렬 방냉 운전시 냉동기의 증발기는 부하측 냉수 계통으로 운전하므로 냉동기 효율이 높게 운전된다. 그러나 냉동기가 제빙시는 브라인 계통으로 운전하고, 주간 방냉시는 냉수 계통 운전을 해야 하므로 증발기의 2원화가 필요하기 때문에 초기 설비비가 상승하는 단점이 있다.
2 ) 간접 접촉 해빙 방식
이 방식은 제빙시나 방냉시 모두 브라인 계통으로 운전 된다.
그림 7, 그림 8은 시스템 및 해빙과정을 나타낸다. 방냉운전시 빙축조내의 물은 정체된 상태로 밀폐되어 있고, 파이프 내의 브라인이 순환하면서 얼음내측에서 외측을 향해 해빙된다. 이러한 과정에서 브라인 온도가 낮아지고 이것이 열교환기를 거치면서 냉방에 필요한 냉수를 생산하는 방식이다. 이방식은 해빙시 파이프와 얼음 사이에 물막이 점점 크게 형성되어 어느 시점에서 얼음과 브라인 사이에서 전열저항 작용을 하여 브라인 온도가 다소 높아지므로 결국 부하측 냉수 온도가 상승하여 냉방효율이 직접접촉 방식보다 떨어진다. 또한 냉동기가 브라인 계통으로 운전되므로 냉동기 효율도 감소하는 단점이 있다. 그러나 제빙 및 방냉시 공히 브라인 계통으로만 운전하므로 시스템이 간단하고 직접 접촉방식보다는 경제적이다.

그림 7. 간접 접촉식 방냉 시스템

그림 8. 간접 접촉식 해빙과정

    2 . 2 아이스 온 코일 빙축열조의 열특성

본 항목에 대해서는 필자가 직접 시험을 한 바는 없다. 다만 아이스 온 코일형 빙축조를 이해하는 데 도움이 될 것으로 사료되어 일본 냉동학회지에 게재 된 相樂典泰 氏의 원문을 소개한다.
그림 9는 제빙시 축열조 내의 수온이 시간이 경과 함에 따라 형성되는 온도 분포를 나타낸다.

그림 9. 제빙시 축열조내 온도분포

축열조 내의 수온은 시간이 경과 하면서 축열조 상부를 제외하고는 균일하게 저하하고 있음을 보여준다.
조내 수온이 계속 하강함에 따라 4。C에 이르면 온도 분포 모양이 바뀌게 된다. 이러한 현상은 축열조 상부의 4。C이하의 물과 혼합되면서 조 전체가 4。C정도의 물이 형성되고 계속해서 냉각이 진행함에 따라 자연 대류에 의해 조 전체의 수온이 하강하는 것이다.
그림10은 냉동기는 가동하지 않고 축열조로만 방냉운전 할 때의 온도 분포를 나타낸다. 그림은 조내의 교반이 적은 경우이지만 조 내의 교반 작용이 큰 경우에는 수온이 4。C 정도(조 내에 얼음은 존재)까지는 빙축조의 최상부를 제외하고는 일정하게 수온이 상승, 즉 완전 혼합 상태를 나타낸다.

그림 10. 방냉시 축열조내 온도분포 [냉동기 가동안함]

그림 11. 방냉시 축열조내 온도분포 [냉동기 가동함]

그림 12. 방냉시 축열조내 온도분포의 특징

그림 11은 냉동기 가동을 하면서 방냉하는 축열조의 수온 분포를 나타낸다. 이같은 운전상태에서의 축열조네 온도 분포는 대체로 그림 12와 같이 4。C까지는 완전혼합 상태인 A구역, 이후부터는 성충화가 시작되고 해빙을 계속하면서 온도 경계면이 하강하는 B구역, 수온분포 전체가 이동하는 부분으로 조내 수온이 상승하는 C구역으로 분류 표현할 수 있다. 또 대부분의 얼음은 A, B구역에서 해빙된다.

3. 실시 사례

    3 . 1 개요

실시 사례에 소개되는 시스템은 브라인 순환식 간접 접촉 해빙방식이다. 또한 본 빙축열 냉방 시스템을 설치한 건물은 아래 표1과 같은 재래식 냉방설비를 갖춘 지하 1층, 지상4층으로 된 건물이다.

표 1. 기존 냉방 설비 내용…난방 설비 제외

구분	용량
왕복식 냉동기 냉각수 펌프 냉수 펌프 냉각탑 A H U	50 RT X 2대 1300 LPM X 7.5Kw X 20M 2대 ( 1대는 예비) 550 LPM X 5.5Kw X 20M 3대(1대는 예비) 100RT X 1대 AIR FLOW 33,000 CMH X 1대 65,000 CHM X 2대

빙축열 냉동기, 브라인-냉수 열교환기, 브라인 펌프는 지하 1층 기계실에 설치하고 냉각수 펌프 및 순환계통과 냉수 펌프 및 순환 계통은 기존의 것을 사용하여 빙축열 냉동기와 병렬로 연결하였다. 또한 빙축조는 옥외 지상에 설치 하였다. 그림 1, 2, 3, 4는 이들 설치를 보여준다.

    3 . 2 시스템 설계

가. 심야 전력시간 : 8시간(23:00~07:00)
냉 방 시 간 : 10시간(08:00 ~18:00)
나. 로드 프로파일(LOAD PROFILE)
일반 냉방 건물의 냉방시간에 있어 로드 프로파일은 일반적으로 그림 13과 같은 모양을 갖는다. 곡선 A는 냉방기간중 최대 냉방 부하일의 모양이고 냉방 중간기, 냉방초 · 말기는 A곡선 아래인 B, C와 같을 것이다.
일반재래식 냉방 방식에서 냉동기의 용량은 최대 냉방 부하일(A곡선)의 시간 최대 냉방 부하를 기준하여 선정된다. 빙축열 방식에서는 최대 냉방 부하일의 냉방부하 합계, 즉 A곡선 아래 면적의 합(RT-HR)이 빙축열 기기의 선정 기준이 된다. 본 실시 건물에 대한 부하 모양을 표2와 같이 산정했다.

다. 압축기 용량
축열시 압축기 용량(RT)

=	일 최대 냉방부하(RT-HR)
	축열시간+(n X 냉방시간)

=	800
	8+(1.6X10)

=

34RT

방냉시 압축기 용량(RT)

그림 13. 냉방부하 모양

표2. 시간대별 부하

시간	부하(RT)	시간	부하(RT)
08:00~ 09:00 09:00~ 10:00 10:00~ 11:00 11:00~ 12:00 12:00~ 13:00	72 52 60 78 86	13:00~ 14:00 14:00~ 15:00 15:00~ 16:00 16:00~ 17:00 17:00~ 18:00	86 92 98 96 80
총 부하 : 800RT - HR

=n X 축열시 압축기 용량(RT)
=1.6 X 34=55RT
여기서 n은 방냉시 압축기 능력과 축열시 압축기 능력비로서 1.6으로 본다.
라. 축열조 용량(RT-HR)
=축열시 압축기 용량(RT) X 축열시간(HR)
=34RT X 8HR = 272RT-HR
축열조는 수입하였으므로 여기서는 축열조 자체에 대한 설계는 다루지 않았다. 실제 선정한 축열조 용량은 315 RT-HR이고 표 3은 이에 대한 제원을 나타낸다.

표3. 시간대별 부하

항목	내 용
구조 축열용량 물의량 얼음중량 코일체적 외형	축열조 내의 제빙 열교환기는 외경이 27.2mm인 강관으로 된 코일 조립체로서 코일 배열은 100mm X 100mm로 되어 있고 용웅 아연 도금 처리 되었다. 축열조는 아연 도금 철판으로 제작되고 조 외부는 폴리스치렌(POLYSTYRENE) 75mm로 단열 처리되어 박판으로 마감 후 특수 코팅 포리하여 노천 설치 가능하게 되었다. 규일한 제빙과 해빙을 위해 어에 펌프로 저압공기를 축열조 하부에 서치된 다공 PVC 파이프를 통해 교반이 된 구조이다. 315 RT-HR(잠열기준) 22,710 LITER 11,330 KG 0.923㎥ 높이 2,400mm X 길이 5,490mm X 높이 X 1,900mm

마. 방냉 브라인 펌프 용량(P-1)

LPM =	Qnax X 3,024	X	1000
	√ X S X △T		60
=	98 X 3,024
	1,045 X 0.882 X 9.5
=	98 X 3,024
	1,045 X 0.882 X 9.5
=	570 LPM

여기서, Qmax:일시간 최대 부하 (RT)
√ : 브라인 비중량(kg/㎥)
S : 브라인 비열(kcal/kg。C)
△T : 온도차(。C)
브라인 입구 온도 : 1.9。C
브라인 출구 온도 : 11.4。C
바. 축냉 브라인 펌프 유량(P-2)

LPM =	Qn X 3,024	X	1000
	√ X S X △T		600
=	34 X 3,024	X	1000
=	1,045 X 0.882 X 3.6		600
=	517 LPM

여기서, Qn : 제빙 운전시 압축기 용량(RT)
△T : 온도차(。C)
입구온도: -7.5。C
출구온도 : -3.9。C

표4. 브라인 - 냉수 열교환기 특성

항목	내용
열교환기 형시 숼 외경(IN) 튜브 외경(IN) 튜브길이(M) 튜브 수 패스 수/ 써키트 수 튜브 측 압력강화(kg/㎠) 쉘측 압력강화(kg/㎠) 수측입출구 온도(。C) 브라인측 입출구 온도(。C) 브라인 유량(LPM) 브라인 측 냉수 유량(LPM) 대수 평균 온도차(。C) 열전달 계수(kcal/hr · ㎡。C) 전열 면적(㎡)	쉘 앤 튜우브 (스파이어럴 튜우브) 10.75 0.875 5.5 61 4/1 0.17 0.58 12/7 11.4/1.9 570 988 2.1 610 87.65

이상의 설계한 내용을 요약하여 표5에 나타낸다.


사. 브라인-냉수 열교환기(hx)
브라인 - 냉수 열교환기는 순화량을 가급적 적게하여 펌프의 크기를 줄이고 방냉 운전시 압축기 효율을 높이기 위해 최대한 고온 운전할 수 있도록 하는 최적 열교환기 선정 프로그램에 의한 선정 결과를 표4에 요약한다.

표5. 빙축열 기기 계획 용량

항목	내용
시간 최대 냉방 부하 냉방 운전 시간 제빙 운전 시간 압축기 용량 축열시 압축기 능력 방열시 압축기 능력 축 열 조 축열 브라인 펌프 방열 브라인 펌프 브라인 - 냉수 열교환기	296,352 kcal/h(98 RT) 10시간(08:00~18:00) 8시간(23:00~07:00) 호칭마력 60HP/법정냉동톤 30.7톤 123,000 kcal/h, 입력 48.4kw 191,000 kcal/h, 입력 62.4kw 축열용량 315 RT-HR(잠열기준) 얼음량 11902 kg 물용적 22710 LITTER I P F % 510 LPM X 7.5kw X 15M (단단 볼트류) 570 LPM X 3.7kw X 15M (단단 볼트류) 쉘 앤 튜우브식, 전열 면적 87.65㎡ · h。C대수평균 온도차2.1。C

표6. 운전방식

구 분	GCH	P-1	P-2	P-3	P-4	A P	V-1	V-2
제빙운전	가동	정지	가동	가동	정지	가동	a-b	a-c
방냉운전	가동	가동	가동	가동	가동	가동	비례제어	a-b

표7. 제빙시 각부 온도 및 능력
측정일: '90.08.22~23

시간	T7 (。C)	T8 (。C)	온도차 (。C)	T6 (。C)	소비전력 유량(LPM)	소비전력 (kw)	제빙능력 (kcal/h)	C.O.P
23:00 24:00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00	2.6 0.6 -5.2 -5.2 -6.2 -6.6 -6.5 -6.6 -7.0	8.4 5.2 -0.8 -1.1 -2.1 -2.2 -2.4 -2.6 -3.0	5.8 4.6 4.4 4.1 4.1 4.4 4.1 4.0 4.0	24.0 23.6 23.6 23.7 22.0 22.0 22.0 22.1 22.0	510 510 510 510 510 510 510 510 510	56 55 52 51 49 49 48 49 48	163.582 129.737 124.096 115.635 115.635 124.096 115.635 112.815 112.815	3.4 2.7 2.8 2.6 2.7 2.9 2.8 2.7 2.7

표8. 방냉시 냉동기측 열생산량
측정일:'90.08.23

시간	T5 (。C)	T7 (。C)	온도차 (。C)	T6 (。C)	브라인 유량(LPM)	소비전력 (kw)	제빙능력 (kcal/h)	C.O.P
09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00	11.8 9.6 9.1 8.7 9.2 8.8 8.7 9.1 8.8 8.7	5.5 4.8 4.5 3.8 4.2 4.3 3.8 4.1 4.3 4.1	6.3 4.8 4.6 4.9 5.0 4.5 4.9 5.0 4.5 4.6	30.6 32.4 33.7 33.9 32.6 33.4 32.9 31.4 28.0 29.7	570 570 570 570 570 570 570 570 570 570	61.5 55.4 55.0 55.4 58.8 55.2 55.0 54.8 55.0 54.8	198.587 151.305 145.000 154.457 157.609 141.848 154.457 157.609 141.848 145.000	3.8 3.2 3.1 3.2 3.1 3.0 3.3 3.3 3.0 3.1

표9. 방냉시 2차(부하)측 열생산량
측정일: '90.08.23

시간	T1 (。C)	T2 (。C)	온도차 (。C)	냉수 유량(LPM)	부하측열량 (kcal/h)
09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00	12.7 11.6 11.6 12.2 12.2 11.1 10.3 10.8 10.2	8.7 8.1 8.1 8.3 8.2 7.0 7.0 7.3 7.0	4.0 3.5 3.5 3.9 4.0 4.1 3.3 3.5 3.2	1180 1180 1180 1180 1180 1180 1180 1180 1180	249,782 218,560 218,560 243,538 249,872 256,027 206,070 218,560 119,826

    3. 3 시스템 작동 및 측정점

4. 시험결과

표7은 축냉시 축열조 열교환기 입출구 온도, 외기 온도, 압축기 소비 전력을 축냉 운전 개시후 1시간 간격으로 측정한 값이다. 또한 이 값으로 제빙능력, 냉동기 효율을 계산한 값을 보여준다. 브라인 평균 입출구 온도는 -6.2。C/-2.1。C, 제빙효율 C.O.P=2.7정도로 나타났다. 표8은 방냉시 냉동기가 생산한 열량을 보여준다. 방냉 운전시 냉동기 효율 C.O.P= 3.1정도로서 주간 운전시와 제빙 운전시 냉동기 효율비는 1.15:1로 나타났다. 표9는 방냉시 축열조 및 냉동기가 처리한 열량이다. 2차부하측 열교환기 냉수 입출구 오도는 평균 12。C/8。C를 유지했다. 빙측열 시스템 냉방 효율은 냉도기외의 열원기기들의 전력소비를 측정하지 못하여 산정해보지 못했다.

5. 결론

본 시험에 의한 제빙 성능 C.O.P-=2.7, 방냉시 냉동기 성능은 3.1정도로 주간 운전시와 야간 운전시 냉동기 성능비는 1.15:1로 나타났다. 제빙 성능은 비교적 만족한 수준이지만 주간 운전시 성능은 예상치에 미치지 못했다. 원인은 브라인 계통 운전으로 인한 냉동기 성능 저하와 간접 접촉 해빙으로 인한 열효율 감소라고 생각된다.
향후 계획으로 성능 향상을 위해 제빙시는 브라인 계통으로 운전하고, 주간 운전시는 부하측 냉수 계통으로운전하는 직접 접촉 해빙 방식, 즉 주간 운전시 냉동기는 일반 재래식 냉방 설비 냉동기와 동일한 성능 조건으로 운전하는 시스템으로 대처할 계획이다.
경제성 측면에서는 현재 일반 재래식 냉방 설비 방식에 대한 빙축열 설비에 있어 초기 투자비 상승분의 단순 회수 년수가 최소 6년이상 걸리는 것은 익히아는 사실이라 믿는다. 전력 공급 회사의 초기 투자비에대한 지원 혜택부여 및 심야 전력 요금 제도의 개선을 기대한다. 또한 주로 수입에 의존하는 빙축조의 국산화를 포함한 저렴한 빙축열 기기개발보급이 기기 제조 회사의 당면 과제이고 이에 대해 적극 대처해 나갈 계획이다.

※ 한국냉동공조기술협회 1991년 2월호