초고층 천축 열원설비설계의 주요 지침

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초고층 천축 열원설비설계의 주요 지침

열원방식을 선정할 때에는 기기 검토와 에너지 검토로 대별하여 체계적으로 시행해야 한다. 기기 검토는 공조계통별의 열부하 계산에서 얻어진 열원설비부하(동시부하율 및 여유을 고려)로 결정된 열원용량을 기초로 하여 기기 자체에 대한 고정비, 변동비, 신뢰성 등에 대하여 검토한다. 물론 고정비, 변동비에 대해서는 에너지와의 관계를 고려하여 검토하여야 한다. 한편, 에너지에 대한 검토는 에너지의 전반적인 동향에 관심을 갖고 공급 안정성이나 가격 안정성에 대하여 집중적으로 검토한다. 특히, 석유에 대해서는 단순히 현시점에서의 에너지 단가에의 하여 그 우열을 판단하지 않고 객관적인 정세를 고려하여 평가할 필요가 있다. 전기, 도시가스 등과 같이 공급망에 의존하는 것은 투입설비비, 관련설비비에 대해서도 충분한 검토가 있어야 한다.

초대형 고층건물관련 프로젝트는 전체적으로 MT130과 같은 중소도시 규모의 건물을 가상적으로 통합 설계하고 있다. 이와 같은 초고층 건물에서는 에너지 공급계획과 에너지설비방식의 결정은 설계초기단계에서 신중히 검토해야하는 중요한 사항이다 초고층건물에 적합한 관련설비로서는 각종 열원방식과 밀접한 관계가 있는 축열시스템, 열회수시스템, 토탈에너지시스템 등이 있다.

 

가. 일반적인 사항

초고층 건물은 보통 높이가 100m 이상으로 다른 건물에 비해서 수직적인 높이가 증가함에 따른 수압이 최대과제로 열원과 열매체, 기계실의 위치가 큰 문제점이 된다. 수직조닝은 층수에 따른 조닝으로서 공조기의 배치방식과 열원계통의 배치계획에 관한 것으로 계획초기부터 고려해야 할 중요한 요소이다. 수직조닝에 영향을 주는 요소로는 건물의 층별 용도, 수압, 기타 관련설비로서 급수/급탕설비 가 있다. 비용절감의 기회는 기획 및 설계단계를 거쳐 건설단계와 운영 및 유지 관리단계로 갈수록 급격히 감소하므로 초기 단계에서의 비용절감의 기회를 간과해서는 안 된다.

(1) 열원설비 선정 시 고려사항

초고층 건물 열원설비 선정 시 특징은 다음과 같다.

(가) 초고층 건물은 저층 건물에 비해 복사, 바람, 일사에 의한 영향으로 냉난방 부하에 더 많은 영향을 받기 때문에 열원장비의 용량 재래의 건물과 비교하여 증가하게되고, 창문의 개폐가 어려우므로 자연환경의 이용보다는 공조설비에 의한 의존도가 크게 된다.

(나) 건물 방위별로 부하의 차가 크며, 냉/난방이 동시에 필요하므로 냉열원과 온열원이 동시에 요구되며, 연간냉방 및 중간기 공조가 필요하다. 사무자동화의 일반화로 OA기기로 인한 내부발열이 크기 때문에 열원설비의 용량이 증가하게 된다.

(다) 열원시스템은 건물규모, 열부하의 중간기 특성, 에너지 단가 측면에서의 경제성, 정부시책 등을 바탕으로 고효율, 고성능, 유지관리비의 최소에 따른 에너지 절약을 고려하여 그 종류 및 배치 계획을 종합적으로 분석한 후 결정한다. 시스템의 안정성과 연료공급의 안전성을 고려하여 연료의 다원화와 비상열원이 필요하다

(라) 추후 부하변동에 유연성 있게 대응할 수 있도록 준비되어야 한다.

(2) 열원설비의 분류

초고층 건물에 적용될 수 있는 열원방식은 지역냉난방 열원방식, 토탈 에너지 (Total energy)방식 등의 외부 열원방식과 태양열 이용방식, 일반열원, 열회수방식, 축열방식 등의 내부 열원방식으로 나눌 수 있다.

외부열원방식은 건물외부의 플랜트로부터 냉온수나 증기를 공급받아 건물 자체의 열원 계획이 필요없는 방식이다. 국내의 실정으로는 지역난방의 예가 몇 곳 있는 정도이고 냉수의 공급에 의한 지역냉방은 아직 시행되지 않고 있다.

내부열원방식이란 외부에서 기름, 전기, 가스 및 태양에너지 등의 에너지를 공급받아 공기조화에 필요한 냉온수 또는 증기 등의 열매를 건물 내에서 만들어내는 방식으로서 연료는 반드시 경제성뿐만 아니라 공해에 대한 고려, 법규나 규제에 대한 검토, 장래의 에너지 공급, 비상시의 대책, 연간 사용량 등에 따라 선정된다. 초고층 건물에서는 온열원 매체로 증기가 거의 절대적으로 채택되고있는데 배관상의 문제점이 있지만 수압문제의 측면에서 유리하고, 대량의 에너지를 공급할 경우 열 운송 능력의 큰 장점이 있다. 냉열원의 경우, 근래에 흡수식 냉동기가 채택되고 있는데 보일러의 가동이 없는 여름철에도 보일러의 운전이 필요하지만 전력요금이나 석유가격과의 관계나 전기 설비에서의 수변전 용량의 문제를 따져서 검토해야 한다.

또한, 열원기기 배치방식에 따라 중앙열원방식과 개별열원방식으로 분류되며,사용연료의 종류에 따른 분류로 전기+연료방식, 전 전기방식, 전 연료방식으로구분한다.

전기+연료방식은 냉열원에 전동냉동기(전기)를 온열원에 보일러를 사용하는방식으로 가장 일반적인 방식이다.

 

이 방식에 이용되는 냉동기의 경우, 터보냉동기, 왕복동냉동기, 스크류냉동기 및 패캐지형 공조기 등이며, 보일러는 주철제 보일러, 진공식 온수기 등이 있다. 전 전기방식은 주로 전동열펌프를 이용하고 보조적으로 보일러를 사용하는 방식으로 냉방과 난방의 열부하의 불균형이 클 경우 냉방전용의 냉동기를 겸용하거나, 보조열원으로 전기 보일러, 전열기 등을 이용한다. 설치공간이 작고, 연소기기가 없어 안정성이 높으며, 대기오염도 거의 없다. 높은 성적계수로 온난지역이나 내부발열이 많은 건물에서는 경제적으로도 유리하다.

 

 

(3) 열원기기의 배치방식

중앙 열원방식과 개별 열원방식으로 구분되며 시스템 선정 시 건물의 목적, 용도, 이용상태 등을 충분히 검토한 후 선정된다. 최근에 공조시스템의 제어성을 높이기 위해 개별제어의 측면에서 개별 열원방식도 사용하고 있으나, 유지관리나 에너지효율 면에서 현재까지 지어진 고층건물은 대부분 중앙 열원방식이다.

(가) 중앙 열원방식: 1차 열원이 기계실에 집중 설치되고 2차측 공조시스템에는 펌프 등을 이용하여 열원을 공급하는 방식으로 대규모 건물에 적합하다.

(나) 개별 열원방식: 부하가 발생하는 장소(실내)에 별도의 열원기기를 설치하여 발생하는 부하를 처리하는 방식으로 주로 중소 규모의 건물용으로 개발이 추진되고 있으나 최근 기종이 다양해지고 성능도 향상되어 대규모 건물에도 적용할 수 있는 제품이 생산되고 있다. 표 3.46은 중앙 열원방식과 개별 열원방식의 장단점을 나타낸다.

 

(4) 열원방식의 비교 검토

(가) 열원방식 선정 순서

열원방식 선정작업의 흐름은, 크게 기기검토와 에너지검토로 구별되나, 상호 관련되어 있으므로, 병행하여 검토를 진행하여야 한다.

그림 3.57은 열원방식 선정에 대한 순서도를 나타낸다. 기기검토는 초기조건에 근거하여, 기기와 관련된 고정비/변동비/신뢰성 등의 검토를 시행하며, 고정비/변동비에 대해서는 에너지와의 관계를 고려한 검토를 해야 한다. 한편, 에너지검토는 에너지 전반의 동향을 파악하여, 안전성 및 경제성 검토가 주체가 된다. 기기의 대수는, 설비비/스페이스/유지관리 편의성 등을 고려하면 일반적으로 적은 것이 유리하나, 운전비면 에서는 냉열원/온열원 어느 쪽이건 저부하시 저효율의 대용량 기기를 운전하는 것은 불리하게 된다. 기기의 운전패턴 및 년간부하 계산에 근거하여, 기기의 특성과 제어방식을 종합적으로 고려, 최적 운전대수를 결정 한다.

(라) 보일러의 비교 검토

대규모 건물의 증기난방의 경우, 증기공급을 고려하여 보일러는 0.29~0.69MPa (3-7㎏/㎠g)로 운전되는 경우가 많으며, 또한 흡수식 냉동기의 열원으로 사용될 경우에는 0.78-0.88(8-9)Kg/㎝fg) 정도의 증기가 필요하므로 연관 또는 수관보일러가 주로 사용된다. 증기 터빈구동냉동기를 사용할 경우에는 더 높은 고압의 증기가 필요하므로 수관보일러가 주로 사용된다.

온수를 열원으로 하는 경우, 대규모 난방설비에는 120-150℃정도의 고온수가사용되며, 이 경우에는 연관 또는 수관보일러가 사용된다.

보일러의 용량(정격출력)은 연속운전이 가능한 최대부하 출력을 나타내며, 증기보일러의 경우는 실제 증발량, 환산증발량 또는 열출력으로 표시된다. 실제증발량은 보일러 사용압력에서의 실제 증발한 량이며, 보일러용량으로는 증기압력, 온도 및 급수온도를 동시에 나타내야 한다. 환산 증발량은 100℃ 포화수를 100℃ 건조포화증기로 바꾸기 위한 열량 2,256kj/(539kcal/㎏)을 기준으로하여 나타낸 것으로, 열출력, 실제 증발량, 환산증발량 상호간에 다음과 같은 관계가 있다.

또한, 온수보일러의 열출력은 온수유량 (㎏/h)과 보일러 입출수의 엔탈피 차이의 누계를 나타낸다. 보일러 효율은 연료 연소에 의한 화학에너지가 어느 정도 유효하게 물에 전달되는가를 나타내는 것으로, 보일러 선정에 있어 중요한 평가지표가 된다. 통상적으로 버너와 송풍기 등의 보조동력을 포함하지 않는 연료의 저위발열량을 기준으로 하여 다음 식으로 표기된다.

(마) 각종 냉각방식의 비교

나. 에너지 공급 계획

최근 우리 나라에서도 대규모 도시재개발과 신도시건설 시 지역열원설비가 계획되고 있다. 여기에서 냉열원으로는 냉수를, 온열원으로는 증기나 고온수를 인입하는 초고층건축의 설비계획상 다음과 같은 사항을 검토해야한다

(1) 지역열원 인입방식

(가) 지역열원 인입방식과 특징

지역열원의 인입방식을 건물 내의 1차 열원사용방식으로 분류하면 냉 ·온열원 모두 직접인입방식, 간접인입방식, 겸용인입방식의 3가지로 분류된다. 이상 3가지 방식의 특징을 표 3.51에 나타낸다.

① 냉수 인입방식(그림 3.58)

㉮ 직접인입방식 : 지역냉수를 직접 단말기기까지 공급하는 방식이다. 지역냉수의 공급압력이 건물의 높이를 상회하는 경우는 단말기기의 내압으로 결정되는 조닝 구분으로 감압밸브, 압력유지 밸브를 사용한다. 지역냉수의 압력이 건물의 높이 이하인 경우는 부스터펌프로 올리고 환수관 쪽에는 수주낙하의 방지와 배관, 기기로의 과대압력을 방지하기 위해 압력유지밸브를 사용한다.

㉯ 간접인입방식 : 지역냉수에서 공급압력보다 낮은 위치에 설치된 열교환기로 2차 냉수를 만들어 단말기기 및 공기조화기로 냉수를 보내어 부하를 간접적으로 처리하는 방식이다. 이 방식에는 부스터 펌프, 압력유지밸브가 불필요하다.

㉰ 겸용인입방식 : 열교환기, 공기조화기에는 1차 냉수를 직접 공급하고, 단말기기에는 2차 냉수를 공급하는 방식이다. 이 경우 공급압력높이 이상으로 공급하려면 부스터펌프, 압력유지밸브를 사용한다.

② 고온수 인입방식(그림 3.59)

㉮ 직접인입방식 : 지역고온수를 직접 공기조화기나 단말기기에 공급하는 방식이다. 1차측 고온수를 허용 물올림높이보다 낮은 위치에 설치된 기기에 직접고온수의 온도를 변경하지 않고 공급하는 직결방식과 허용 올리기높이보다 낮은 위치에 설치된 펌프 또는 이젝터로 순환온수를 바이패스 혼합시켜 온도를 올려 1차 저온수나 1차 중온수로 허용 올리기높이보다 높은 위치의 기기에공급하는 브리드인 방식이 있다.

㉯ 간접인입방식 : 고온수의 허옹 물올림높이 이하로 설치된 열교환기에계 2차온수를 만들어 공기조화기, 간말기기로 공급하는 방식이다.

㉰ 겸용인입방식 : 단말기기에만 2차측 온수를 공급하는 방식이다.

③ 증기 인입 방식

증기의 인입은 일반 직접지역 주배관에서 건물내에 고압증기를 받아들여 감압밸브, 증기유량계를 통해 필요위치에서 감압밸브로 소요압력으로 감압해 공기조화기, 열교환기, 저탕조, 주방기구에 공급된다. 순환수는 순환수조로 돌아가 펌프에 의해 지역순환수 주배관으로 반송된다. 플랜트에 따라 순환수를 요구하지 않는 경우도 있다.

증기는 높이에 관한 기술상의 제약이 적고 용도도 넓다. 따라서 인입에 필요한 설비비가 수요자측에서는 저렴하며 초고층건축의 온열원으로는 가장 대처하기 쉽다.

(나) 인입방식의 검토순서

지역열원의 인입방식을 선정할 때의 일반적인 순서는 그림 3.60과 같다.

선정상의 주의사항은 다음과 같다.

① 건물의 종별, 규모, 부하특성, 용도로 정해지는 본래의 설비계획을 지역열원에서 생기는 각종 조건으로 본질을 손상하지 않는 범위에서 인입을 검토한다.

② 지역열원의 공급조건(온도, 압력)을 유효하게 이용한다.

③ 변유량 방식은 저부하시의 운전에서 기술적, 경제적인 대책을 고려한다.

④ 기기 및 배관을 가능한 표준적인 압력으로 사용할 수 있도록 조닝, 기기 배치를 고려한다.

⑤ 제어 및 보수상 너무 복잡한 시스템은 피한다.

⑥ 실제부하를 적용시켜 비용계산(공사비, 경상비)을 한다.

(2) 지역열원 인입설비

(가) 인입설비

지역열원의 인입에 필요한 설비는 열원종별, 공급조건, 인입방식으로 정한다. 열원종별과 인입방식별로 각각 필요한 수요자측의 설비기기를 표 3.1.48에 나타낸다. 인입설비에는 열원공급자측에서 제공되는 것과 수요자측에서 설비하는 것이 있다. 계량기, 계측기기, 1차측 압력제어밸브, 유량제어밸브는 일반공급자 측에서 제공된다. 이들 계측값은 플래트측에서 신호로 보내지는데 미리 공급자 측과 협의해서 수요자측이 신호를 받을 수 있는 경우도 있다. 계량기 이후의 설비기기는 수요자가 설치한다. 1차측과 직결되는 부분에 대해서는 책임구분을 명확히 하여 후일의 문제발생이 없도록 해야한다. 지역열원의 인입설비시 설비 계획의 순서는 다음과 같다.

① 인입위치의 결정

② 서브스레이션내 설비 계획도의 작성

③ 공급자측의 제공품 확인

④ 계측기기 및 신호의 종별 확인

⑤ 수요자, 공급자의 공사구분과 책임구분의 확인

(나) 인입설비의 문제와 대책

지역열원을 초고층건축에 인입하는 경우 특히 검토할 것은. 냉수 또는 고온수를 공급압력보다 높은 위치에 공급할 때 생길 수 있는 워터햄머와 진공이다. 전자는 이상압력의 발생으로, 후자는 수주분리의 발생으로 일어나는 것이다. 그 링 3.61과 그림 3.62의 기본적인 인입방식에서 평상 운전시와 고장시의 수격 현상과 진공현상의 발생 원인 및 그 대책을 표 3.53에 나타낸다.

(다) 압력변동과 대책

변유량 방식의 경우, 지역 열원의 수요자측 입구 및 출구압력은 건물의 부하 상태에 따라 변하게 된다. 이러한 압력변동은 인입설비의 제어에 커다란 영향을 미친다. 특히 양정곡선의 커브가 평평한 펌프에서는 압력변동에 의한 수량 변화의 비율이 크게 되고, 좌부하상태로 운전되는 경우가 발생한다. 압력변동을 받기 쉬운 펌프에서도 컨트롤의 정밀도를 올리려면 압력변동을 최소한으로 할 필요가 있다. 이상의 이유로 입구 및 출구 모두 정압밸브를 설치하고 압력변동을 흡수하는 것이 바람직하다.

다. 축열시스템

축열시스템은 축열매체로부터 열을 .빼앗거나 열을 저장하여서 다른 시간에 이용할 수 있도록 하는 시스템이다. HVAC에 이용되는 축열시스템은 냉 · 난방과 관련하여 다양한 온도에서의 축열체를 포함하고 있다. 고온 축열체는 일반적으로 태양에너지 혹은 고온난방과 관련되어 있으며, 저온 축열체는 공조, 냉각, 혹.은 저온 온도 프로세스와 관련되어 있다. 에너지는 일 단위, 주 단위, 년 단위 혹은 계절단위의 사이클을 가지고 충전, 저장, 방전이 된다·

열 저장의 목적은 방열(rejected heat)을 필요할 때 사용될 수 있도록 저장하는 것이며, 다른 하나는 피크수요를 줄이기 위해 저장을 하는 것이다. 일반적으로 냉방시 이러한 축열조는 축열물질에 계획적으로 효율을 높여 열을 축열하여, 피크 부하시 이용할 수 있는 것으로 그 특징은 표 3.54와 같다.

 각주 038)

축열조 설계에 있어서는 축열조의 열 손실을 고려해야 한다. 축열조는 이러한 열 손실이 제대로 고려되지 않을 경우 효율이 크게 떨어진다. 또한, 초고층 건물에서는 축열조의 흡상 동력비가 증가하므로 축열조의 위치나 유형(개방식 또는밀폐식)에 특히 주의해야 한다. 그리고, 초고층 건물에서는 축열조 시스템과 소방용 탱크시스템의 결합

 각주 039)

이 고려될 수 있는데, 이 경우 각각의 시스템을 동시에 설치할 때 생기는 비용증가와 탱크 설치공간의 확보라는 두 가지 문제를 동시에 해결할 수 있다. 아울러 축열조 시스템은 그 자체로서 투자회수가 가능하므로 법규상 축열조가 반드시 설치되어야 할 경우에는 더욱이 이러한 다중 시스템의 설치를 고려하여야 할 것이다. 그리고, 건물 개 ·보수시에는 장비를 교체할 때에 냉동기, 펌프, 냉각탑 등의 비용을 절감할 수 있게 된다.

여기서는, 최근 그 적용사례가 증가하고 있는 빙축열시스템의 주요 설계지침을 중심으로 기술한다.

(1) 축열매체

다양한 물질이 축열매체로 이용될 수 있으며, 요구되는 특성과 종류는 다음 표 3.55와 같다

일반적으로 값이 싸고 안전하고 열용량이 크고 공조설비의 열매로 직접 이용할 수가 있다는 점에서 공조 및 난방과 같은 HVAC 적용방식에서 물을 이용한다. 물은 온도가 냉각점과 증발점 사이에 위치할 때 실질적으로 모든 요구되는 성질들을 보여준다. 자갈류는 수동형·태양열이용 설비에서 사용되며, 얼음(氷)축 열은 값싼 심야전력 이용과 축열조의 용량을 감소시키는데 효과가 있어서 채용한다. 고온 축열시스템은 고압증기 보일러를 설치한 병원의 열원설비 용량을 감소시키거나 심야에 보일러 운전이 불필요한 경우에 이용함으로써 인건비의 절감, 보일러의 저부하시 온 ·오프 운전함으로서 야기되는 에너지 손실을 방지한다.

(2) 축열시스템의 특징

축열시스템의 주요한 특징은 다음과 같다.

① 경제적 비용 절약: 초기 비용의 감소와 운전비용의 감소

② 기기 사이즈의 축소

③ 자본금 절약 : 기기 사이즈의 축소와 인센터브 프로그램으로 인해 자본금 감소

④ 에너지 비용 절감

⑤ HVAC 운전개선: 축열체는 열적능력을 냉 ·난방 시스템에 더해주기 때문에, 기기 운전에서 열부하 성질을 분리할 수 있도록 해준다.

(3) 적용방식

(가)축열시스템의 운전 및 제어

 각주 040)

일반적으로 축열시스템의 운전과 제어는 일반 시스템들에 비해서 더욱 스케줄에 의한 운전을 해야한다. 축열시스템은 사용시 냉 · 난방을 따로 분리하고 있기 때문에, 이 기능들을 각각 별도로 제어한다는 점을 고려해야 한다. 또한, 다양한 축열시스템이 냉 ·난방을 직접 또는 축열체를 통하여 제공하며 이러한 유연성으로 인해 부하가 특정한 시간에 어떻게 처리될 것인가를 정의할 필요가 있다 다시 말하면,

① 시스템에서 가능한 운전모드

② 운전모드를 실행하는데 이용되는 제어전략

③ 다양한 운전 모드와 제어전략이 언제 선택될 것인가를 결정하는 운전전략 이라는 관점에서 이러한 제어수준을 제공하는 방법이 정의되어야 한다.

(나) 운전모드

운전전략은 설계의도를 실현시키기 위해 축열을 조절하는 전체적인 방법들을 정의한다. 운전전략은 축열, 냉동기 단독운전에 의한 부하 처리, 또는 방열을 통해 부하를 만족시키는 것과 같은 운전모드를 주관하는 로직을 결정한다. 또한 운전전략은 어떤 제어 전략을 각각의 운전모드에서 사용할 것인가를 결정한다.

제어전략은 특정한 운전모드에서 시스템이 어떻게 조절될 것인가를 정의한다. 제어전략은 부하와 다른 변수들의 변화에 대응하여 개개의 조절 루프와 그 조절루프의 설정 값을 정의한다.

운전모드는 시스템이 현재 실행되고 있는 다수의 가능한 기능을 설명한다. ASHRAE Handbook-1999 HVAC applications에서 설명하는 축열시스템의 기본적인 운전모드가 표 3.56에 나타나 있다.

(4) 축열식 냉방시스템

축열식 냉방시스템은 야간의 값만 전기를 이용하여 전기에너지를 냉수나 얼음의 형태로 저장했다가 주간의 냉방에 이용하는 시스템이다. 수축열은 물의 현열을 이용하고 빙축열은 얼음의 융해열(79.50㎉/㎏)과 약간의 현열을 이용한다. 축열식 냉방시스템은 하절기 주간에 발생하는 전력수요의 최대치를 저감함으로써 발전설비의 증설수요를 억제하고 발전설비의 부하조절용으로 즉, 주간의 피크부하를 심야 시간대로 전이하여 부하의 평준화를 이루게 하는데 그 목적이 있는바 초기 투자비가 높아 채용을 기피하는 현상을 감안 정부차원의 각종 설비 지원, 세제 지원들의 대책을 이용하여 활성화를 유도하고 있다

냉방 시스템에 ′축열″개념의 도입은 축열하는 시간 동안의 열손실만을 고려하면 효율이 떨어진다고도 할 순 없으나, 실제로는 열원기기 가동 효율의 증가 및 운전상태에 따른 제어의 편리성과 열원의 안정된 공급의 측면에서 종합적으로 시스템의 효율을 높여준다. 주간으로부터 야간으로의 피크부하 전이에 따라 부하평준화에 의한 에너지 절약효과는 수요자측과 공급측 양쪽 모두에서 얻을 수 있다. 수요자 입장에서 보면 하루의 냉방부하의 피크를 평준화함으로서 열원기를 정격용량에 가까운 수준으로 정상 운전하는 것이 가능해지기 때문에 전체 투입에너지가 감소되는 이점이 있다. 한편 공급자측에서는 주간 피크시에 가동시키고 있는 저열효율의 노후 석유화력을 야간의 고효율 화력발전으로 대체시키는 것이 가능하게 된다.

일본의 경우 축열식 공조시스템을 에너지절약 대책안의 하나로 명확히 설정하고 부하평준화뿐만 아니라 지구온난화 방지라는 관점에서도 보급 확대를 도모할 방침이다. 축열시 냉방시스템의 장˙단점은 다음과 같다.

(가) 장점

① 냉동기 및 열원 설비용량을 줄일 수 있다.

② 수전설비 용량축소 및 계약전력이 감소된다

③ 심야전력 이용으로 전력운전비가 감소된다(일반) 전기사용 냉동기의 1/3정도

④ 전력부하 균형에 기여한다.

⑤ 축열로 열공급이 안정적이다(일부 냉방수요의 급격한 증가에 대응).

⑥ 열원기기(냉동기)를 고효율로 운전할 수 있다.

(나) 단점

① 축열조 등으로 인한 설비 스페이스가 증가한다

② 축열조에서 열손실이 증가한다

③ 야간 운전시 인건비가 증가하며, 개방식 축열조는 반송동력이 증가한다.

④ 수축조의 경우 냉수탱크설치에 따른 하중이 크다.

⑤ 초기 시설비가 증가한다.

(5) 빙축열시스템

국내 빙축열시스템은 한국전력공사의 적극적인 지원과 관련법규에 힘입어 급속히 그 적용실적이 늘어나고 있다. 빙축열 시스템은 냉방 운전시에 냉동기에서 만들어진 냉수를 바로 공조기나, 팬코일유니트 둥과 같은 부하측에 공급하는 일반 시스템과는 달리 야간에 일정시간 냉동기를 운전하여 얼음 형태로 저장했다가 주간에 단독 또는 냉동기와 병행해서 직접 또는 간접으로 운전하는 방식이다. 그림 3.63과 그림 3.64는 각각 일반 시스템과 빙축열시스템의 개념도이며, 그림 3.63에서 알 수 있듯이 빙축열시스템은 빙축열조가 추가로 설치되지만 냉동기 용량을 줄일 수 있다.

(가) 빙축열 시스템의 구성과 운용방식

① 전부하 축열방식과 부분부하 축열방식

전부하 축열방식은 그림 3.65와 같이 심야 전력이 적용되는 시간대에서만 냉동기를 가동하여 다음날의 냉방부하 전체를 축열하고, 주간에는 냉동기 가동없이 냉방 운전하는 방식이다. 심야전력이 적용되므로 동력비가 가장 많이 절감되고. 시스템 운전도 간단하나, 축열조와 냉동기 용량이 커져 초기 투자비 및 설치공간이 늘어난다. 또한, 제빙 COP가 떨어지므로 제빙과 방열시간이 동일할 경우 일반시스템에 비해서는 냉동기 용량이 커질 수도 있다. 초고층 건물의 보조냉방, 예비 열원시스템 등으로 활용하면 건물전체 열원시스템의 신뢰도를 높일 수 있어 인텔리젠트화에 부응하는 열원시스템이 될 수 있다.

부분부하 축열방식은 그림 3.66과 같이 냉동기를 가동하여 주간부하의 일부를 축열하고, 주간에 냉동기와 빙축열조를 동시에 가동하는 방식이다. 전축열에 비하여 축열조와 냉동기용량을 줄일 수 있으므로 초기투자비와 설치공간이 감소되나 운전비는 증가한다. 현재, 국내에서 적용되고 있는 빙축열 시스템은 거의 대부분 이 방식이다.

(나) 냉동기, 축열조, 펌프배열

냉동기 상단배치(chiller upstream)방식은 그림 3.67과 같이 냉동기를 축열조 상류측에 배치하는 방직으로서, 열교환기를 통과한 브라인이 바로 냉동기에 유입되므로 냉동기 입구 브란인 온도가 높아 냉동기의 운전효율은 높아진다. 반면에, 축열조에 유입되므로 브라인 온도가 낮아 축열조 방열 효율이 떨어져 축열조 용량이 커지고 공사비도 증가한다.

냉동기 하단배치(chiller downstream)방식은 그림 3.68과 같이 냉동기를 축열조 하단측에 배치하는 방식으로서, 열교환기를 통과하여 온도가 높아진 브라인이 바로 축열조로 유입되므로 축열조의 방열효율이 높아져 측열조 용량이 줄어들지만, 냉동기 입구수온이 낮아져 냉동기 운전효율은 나빠진다.

브라인 회로방식에서, 브라인 순펌프의 위치는 축열조 형식에 따라서 달라질 수 있으나 열교환기 입구측 브라인 온도는 될 수 있는 한 낮아야 2차측 냉수온도차와 브라인 온도차를 크게 할 수 있으므로 1, 2차측 순환펌프의 동력비를 절감할 수 있고, 열교환기 전열면적도 줄일 수 있어 바람직하다.

밀폐형 회로는 그림 3.69에서처럼 1차측 회로(브라인 또는 물)가 대기에 개방되지 않은 방식으로서, 브라인(또는 물) 배관계통의 부식, 축열조 열취득, 순환점프 위치 선정 등의 측면에서 다소 유리해질 수 있으나, 설치장소에 제약을 받을 수 있다. 개방형 회로는 그림 3.70과 같이 1차측 회로가 대기에 개방되는방식으로서, 축열조 형상의 선정이 비교적 자유로워 설치장소에 제약을 덜 받는 장점이 있으나, 브라인 관리, 열 취득, 배관계통의 부실 등의 측면에서 다소 불리하다.

(다) 빙축열시스템의 운전방식

빙축열시스템의 운전방식에는 제빙운전, 냉동기+축열조 동시운전, 축열조 단독운전, 냉동기 단독운전이 있다.

먼저, 제빙운전방식은 축열조 물을 냉각함으로써 주간 냉방부하에 대비하는 운전으로 냉동기의 브라인 출구온도가 -6℃로 제빙을 하고, 제빙 완료시 축열조의 출구온도가 -3.5℃가 된다.

냉동기+축열조 동시운전방식은 100% 빙축열이 아닌 경우로 냉방부하가 클때 환수된 일부 냉수가 빙축열조를 거쳐 다른 환수된 냉수와 혼합되어 냉동기에서 최종적으로 적정온도의 냉수를 공급하는 방식이다 2차측 부하량이 냉동기 용량보다 다소 클 때 3방향 조절밸브에서 6.5℃로 유지하여 냉방부하가 큰 여름철 한 낮에 주로 이용된다.

축열조 단독운전방식은 2차측 부하량이 적을 때 축열조의 축열량만으로 부하를 분담한다. 브라인을 순환 열교환기 1차측 온도를 4℃로 유지하여 냉방부하량이 적거나 외기온도가 비교적 낮은 경우 축열량만으로도 냉방이 가능한 경우의 운전형태로 주로 초여름 또는 초가을에 이용된다.

냉동기 단독운전방식은 축열조에서 더 이상 적정온도의 냉수를 공급받기 곤란할 때 냉동기에 의해서 냉방하는 방식이다. 축열조의 해빙을 지연 보류시킬때와 축열조의 해빙이 완료되었을 때 가동되며 축열조는 브라인이 흐르지 않는다.

(라) 빙축열 시스템의 종류

축냉식 냉방시스템에는 물을 이용한 빙축열, 화합물의 공융점을 이용한 공융염 및 포집화합물이 있다. 빙축열의 장점은 얼음의 잠열을 이용하므로 잠열량이 커서 축열조의 크기를 작게 할 수 있으며, 결빙 및 해빙 등 반복사이클에도 열성능이 딘화하지 않는 안정된 열저장 매체이다. 또한, 빙축열 시스템에서는 낮은 급기온도를 얻을 수 있어 저온 급기시스템의 채용이 가능하여 이송에너지 및 급기시스템 설치공간의 절약을 꾀할 수 있다. 그러나, 기존의 냉방방식에 비하여 얼음을 생성시키기 위해 저온 냉동기를 사용해야 하므로 시스템의 에너지효율이 떨어지는 단점이 있다.

빙축열시스템의 종류를 구분하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 여기서는 착빙방법에 의한 정적 직접접촉식(static-direct contact), 정적 간접접촉식(static-indirect confact) 및 동적 직접접촉식(dynamic-direct contact)으로 나누어 설명한다.

① 정적 직접접촉(static-direct contact)방식

Ice on coil 방식으로 빙축열시스템에서 가장 많이 채용되고 있는 방식으로 외부 해빙시스템이라고 한다. 제빙과정 중에는 냉매 또는 2차 냉매가 그림 3.75와 같이 관 외부의 얼음을 성장시키기 위해 축열조내에 잠겨져 있는 관 내부를 통과하게 된다. 해빙과정 중에는 탱크내의 물이 관외 표면에 부착된 얼음과 직접접촉하여 순환하게 된다.

② 정적 간접접촉(static- indirect contact)방식

Coils 방식이라고 하며, 보통 25% 에틸렌그리콜 등의 2차냉매를 사용하여 축열조내의 물을 얼린다. 축냉과정에서는 냉동기에서 나온 1차 냉매는 축열조 내의 전열관을 통하여 순환이 되며 관 주위에 있는 물은 얼음이 된다. 축냉이 완전히 끝나면 관 외부의 물은 모두 얼게 된다.

 (그림 3.76)

방냉과정 중에는 부하측에 순환하는 2차냉매가 관내를 순환하여 해빙하게 된다.

③ 정적 간접접촉 콘테이너(static- indirect container)방식 또 다른 정적 간접접촉방식은 플라스틱 볼 또는 판형 용기내에 물을 주입한 모듈을 축열조내에 적층시킨 형태이다. 축냉 과정중에는 2차냉매가 축열조 내 즉, 용기외부를 순환하게 되어, 용기 내부일 물을 얼리게 된다. 또한, 방냉과정 중에는 부하측을 순환하는 2차 냉매가 용기 내의 얼음을 녹여 냉방을 가능하게 한다

 (그림 3.77)

용기 내의 물이 결빙하게 되면 용기는 2차 냉매보다 가벼워져 부력 때문에 축열조내에서 뜨게 되므로 용기를 고정시키는 방안을 고려해야 한다.

④ 동적 직접접촉(dynamic-direct contact)방식

동적 직접접촉방식은 Ice Harvesters 방식이라고 하며, 축열조 상부에 얼음 제조 장치가 있다. 1차 냉매는 냉동기로부터 얼음제조장치를 순환하게 된다. 또한 물은 얼음제조장치 중의 증발기표면과 축열조내를 순환한다.

 (그림 3.78)

축냉과정 중 얼음은 5~10㎜두께로 성장하게 되며, 일단 규정 두께에 도달하면 1차냉매의 순환은 정지되고, 증발기 표면은 by-pass된 고온의 가스에 의해 가열되어 증발기 효면으로부터 얼음이 이탈되어 축열조내에 떨어지게 된다.

⑤ 동적 직접접촉 슬러리 생성(Dynandc-direct Slurry Generators)방식

Slurry Generator의 경우는 수 퍼센트의 글리즐이 포함된 수용액이 사용된다. 냉동기의 증발기에서 생성된 Ice Crystal Slurry는 펌프에 의해 축열조로 유송된다.

 (그림 3.79)

특히 본 Surry시스템에서는 축열조내의 온도가 축열조내에 얼음의 양을 나타내는 기준이 된다. 즉, 축열조내에 얼음이 많이 존재 할수록 남아 있는 용액중에 글리콜의 농도가 증가되므로 빙점이 강하된다. 따라서 축열조내의 온도는 시스템 운전에서 중요한 인자가 된다.

(마) 빙축열시스템 설계시 고려사항

빙축열시스템의 적용목적, 건물특성, 설치장소, 여건 등에 따라서 여러 요소들에 대한 고려가 이루어져야 한다. 표 3.57는 빙축열시스템의 적용에 따른 고려사항을 나타내고 있다.

(바) 빙축열시스템의 응용

① 저온송수방식

축열조내의 1~3℃의 저온냉수를 이용하면 통상 냉수온도차의 2배 정도를 얻을 수 있으므로 배관공사비와 순환펌프 동력비를 대폭 줄일 수 있어 대규모 시설에 효과적이다. 냉방부하가 증가된 기존 건물에 적용하면 배관설비를 교체하지 않고도 부하에 효과적으로 대응할 수 있다.

② 브라인 직송방식

저온송수방식에서 언급한 직송 방식으로서 효과적으로 저온을 이용할 수 있으나, 브라인의 점성이 크고 비열이 작기 때문에 동일온도의 냉수보다도 펌프동력이 증대하는 경향이 있다.

③ 물과 얼음의 혼합 송수방식

동적형 제방시스템에서 얻어지는 파쇄된 얼음과 물을 혼합하여 송수하면 얼음의 잠열과 물의 현열을 출시에 이용할 수 있으므로 냉열을 효과적으로 반송 할 수 있다. 따라서 지역냉방 같은 대량의 열을 원거리에 공급할 경우 지역 배관의 공사비와 반송동력을 대폭 줄일 수 있는 효과적인 방식이지만, 얼음과 물의 분리, 얼음에 의한 관로의 막힘, 분기관에서의 얼음 분배문제, 열량계측 등의 문제가 있다.

④ 저온 급기방식

저온급기방식이란 공조기에서 공급하는 공기의 온도를 일반적인 공조방식보다 낮은 온도로 공급하므로 급기풍량이 감소하여 덕트 크기가 작아지고, 송풍기 모터동력도 작게 할 수 있는 경제적인 공조시스템이다. 빙축열조에서 얻어지는 저온냉수로 7~12℃의 저온냉품을 만들어 대온도차 농풍방식을 적용하면 송풍동력의 대폭적인 절감이 가능하며, 특히 OA화로 냉방부하가 증가된 기존 건물에 적용하면 덕트 변경 없이 부하에 대응할 수 있다. 또한, 저습도의 공기가 얻어지므로 특수한 용도에 이용될 수 있고, 이러한 저온의 공기는 덕트 내의 박테리아나 곰팡이류의 성장을 줄일 수 있으므로, 실내의 쾌적성도 높일 수 있다. 그러나, 경우에 따라서는 덕트의 결로, 실내 온도분포의 불균일, 공기 청정도 저하, 잠열부하의 증대 등의 문제점도 예상된다. 전술한 바와 같이 저온급기방식으로 할 경우는 일반공조방식에 비해 다음과 같은 장점이 있다.

초기투자비가 절감 : 공조터미널 유니트 또는 취출구측에서 증책요인이 있으며, 열원을 저온공조에 효율적인 빙축열시스템을 사용할 경우는 전체적인 설비공사비는 다소 증가하지만, 덕트가 작아지므로 건물의 충고를 낮출 수 있어서 건축공사비가 크게 절감되므로 전체적인 초기투자비는 절감된다

운전비 절감 : 공조기의 풍량이 적어지므로 공조용 동력 중 큰 비중을 차지하는 공기수송동력이 감소된다. ASHRAE의 자료에 의하면 30~40%의′팬 동력 이 절감되는 것으로 나타났다.

환기성능 우수 : 1차 공기는 변풍량으로 공급되지만 터미널 이후에 취출되는 급기는 항상 정풍량방식으로 취출되므로 일반적인 변풍량방식에 비해 실내의 환기성능 및 기류분포가 우수하다.

열 환경성능 우수 : 저온급기방식은 정풍량방식으로 취출되므로 실내의 기류 분포가 항상 일정하여 공기확산 성능지수가 좋아지고 실내 열환경성능이 좋아진다. 또한, 상대습도가 40% 정도의 낮은 습도로 공급되므로 실내의 건구온도는 상대적로 높아져서 쾌적조건을 유지한다.

저온급기방식의 열원의 종류에는 일반 냉동기 방식과 빙축열방식 그리고, 직접 팽창방식이 있는데 저온급기방식은 공기의 온도가 낮을수록 냉방효율이 증가하므로 열원시스텐은 빙축열 방식을 이용하는 것이 바람직하다. 빙축열 방식의 구성은 냉동기 우선방식과 축열조 우선방식이 있으며, 냉동기 우선방식은 냉동기의 작동온도가 높아 냉동기의 성적계수가 높아지므로 효율적이지만, 일반 공조시스템에 비하여 축열조의 공칭용량이 커져야 한다. 축열조 우선 방식은 냉동기의 작동온도가 낮아지므로 냉동기의 성적계수는 저하하지만 축열조의 이용률이 높아 축열용량이 작아지므로 경제적이다.

저온급기방식은 지금까지 개발된 공조방식 중 가장 덕트 스페이스를 줄일 수 있는 방법 중의 하나이며, 천장스페이스는 작고 공조부하는 증가되고 있는 기존건물의 개보수 공사시에 제한된 스페이스 내에서 쾌적한 공기조화설비를 설치하려는 경우에 이용 가능한 방법이다.

라. 열회수시스템

열회수시스템은 건물 내의 잉여 열이나 버려지는 배열을 회수하여 건물 안에서 열이 부족한 곳에 반송하여 유효한 난방용 열원으로 이용하는 방식이며, 유류파동 이후 이용이 급증하고 있다. 건물 안에서의 회수열은 조명발열, 인체발열, OA 기기발열, 기계실, 전기실, 승강 기계실에서의 배기열 등이 있다.

초고층 건물에서 공조시스템은 동시에 냉난방을 필요로 하며, 냉방 사이클에서 열은 공간에서 회수되어 대기 중에 버려지는데, 많은 경우에 이러한 제거열은 회수될 수 있고 난방 시스템에서 사용될 수 있다. 즉, 열회수 방식은 건물 내의 잉여 열이나 낭비되는 배열을 회수해서 건물 내의 열이 부족한 장소에 반송하고, 유효하게 재사용 하는 방식으로 외기 도입량이 많고 연간공조를 통해 공조기 운전시간이 긴 초고층 건물에서는 그 에너지 절약효과가 크다고 할 수 있다. 이러한 열회수시스템으로는 배열을 직접 이용하는 전열교환기 시스템과 히트펌프에 의한 승온이용방식(昇溫利用方式)이 있다.

직접이용의 전열교환기방식은, 공기대 공기의 전열교환을 하며 원판형의 특수한 충진재로 된 로터를 설치하며 외기측과 배기측 사이에서 회전시킴으로써 열교환을 하며, 물 등의 중간 열매체를 거치지 않은 잠열과 현열의 교환으로 열교환율은 55~70% 정도이다. 이 방식은 공조설비의 에너지 절약 기법으로 가장 많이 이용되고 있으며, 외기도입량이 많고 운전시간이 긴 시설에서는 효과가 크다.

히트펌프에 의한 승온이용방식 중에서 중· 대규모 건물에서 사용되는 열회수 열펌프 방식의 대표적인 것은 2중 응축기 방식(double bundle condenser system)이 있다. 이 방식은 냉동기의 응축기에 냉각탑 및 온수회로에 접속하는 2개의 관 속(bundle)을 갖는 열펌프 냉동기를 이용하여 냉수에 의하여 회수한 열을 열펌프에 의하여 온도를 높여서 응축기의 온수회로측에서 빼내어 난방을 하고 남는 열 은축열조에 비축한다. 축열이 완료되면 응축기의 냉각탑 회로를 통하여 건물 밖으로 방열한다.

 각주 041)

비교적 소규모 건물의 열회수 열펌프 방식으코 채용되는 것으로는 소형 수냉식 열펌프 유닛방식이 있다.

표 3.58은 각종 열회수시스템의 특징을 나타내고 있다.

(1) 열회수시스템의 종류

각각의 장 ·단점과 응용범위를 가지고 있는 다양한 형식의 열회수시스템이 적용되고 있는데, 주요한 방법은 다음과 같다:

① 직접이용 열회수 방식(air-to-air heat recovery)

② 배기 히트펌프 방식(exhaust air heat pumps)

③ 히트펌프와 결합된 공기식 열회수 방식(combined air-to-air heat recovery with heat pumps)

④ 동적 단열방식

⑤ 지중 매설덕트에를 사용한 급기예열 방식

(2) 직접이용 열회수 방식(air-to-air heat recovery)

환기 시스템의 배기에서 급기로 열을 운반하는데 사용되는 시스템이다. 직접 이용 열회수 방식은 분기된 급기 배기의 네트워크를 통합하는 기계적 환기시 스템과 연결되어 사용된다. 종류로는 판형 열교환기(plate heat exchanger), 런 어라운드 코일(run-around coil)식, 써멀 휠(thermal wheel)방식, 공기와 연도 가스(flue gas)로부터 열회수 하는 방식,복열(heat recuperator)방식 등이 있다.

(가) 판형 열교환기

판형 열교환기는 정적인 장치이다. 판형 열교환기는 분리되어 있지만 교차하는 급기와 배기관들로 이루어져 있다. 그 유관벽 혹은 유관판들은 매우 고전도 물질로 이루어져 있기에 매우 빠른 열전달이 행해진다. 판형 열교환기의 효율은 급 ·배기의 기류구성, 플래이트 사이의 공간배치, 표면 면적과 표면 형식(거칠기는 난류를 증진시키고 열전도 계수를 높인다.)등에 영향을 받는다.

판형 열교환기의 장점은 다음과 같다.

① 시스템이 단순하고 신뢰성 높다.

② 동적인 부품이 없기에 관리효율이 높지만, 정기적인 필터 교환이 필요.

③ 제대로 시공되면, 급·배기 사이의 교차오염의 가능성이 거의 없다.

단점은 다음과 같다.

① 바이패스가 없으면, 냉방시 과열 발생.

② 열교환기는 추가적인 기류저항을 만들어내므로 높아진 팬에너지가 필요.

③ 부적절한 디자인 혹은 설치가 잘못되면 소음발생.

④ 기밀성능이 떨어지면 교차 누기 발생.

(나) 런 어라운드 코일(run-around coil)방식

2개의 핀형 열교환기로 구성되어 있으며 핀형 열교환기 중 하나는 급기쪽에 다른 하나는 배기쪽에 설치된다. 글리콜 용액이나 물 등의 유체는 열전달 매체로 쓰이며 순환펌프를 사용하는 교환기 사이에 연속적으로 이동된다. 배기열은 열교환기를 통해 급기쪽으로 전달된다. 성능은 일차적으로 코일의 행수에 따라 결정된다. 다중 급기, 배기 시스템이 단일 루프에 의해서 통합 될 수 있다.

이 방식의 장점은 급기와 배기가 완전히 분리되어 있어서 교차 오염의 위험이 줄어든다는 것이며 단점은 다음과 같다.

① 단지 현열의 전달만 가능하며 상대적으로 효율이 낮다. (40-60%)

② 순환펌프를 운전하기 위해 필요한 추가적인 에너지가 에너지 절약비용과 상쇄되어야 한다(일반적으로 열회수에 필요한 에너지 5%정도).

③ 순환점프는 추가적인 관리가 필요하다. 동결의 위험도 있다.

(다) 써멀 휠(Thermal wheel)방식

써멀 훨(Thermal wheel)은 금속 메쉬 혹은 다른 불활성 물질로 채워진 다수 의 부위로 나뉘어진 회전형 실린더이다. 이는 분당 10 에서 20회 정도 회전하면서 작동되며 따뜻한 배기에서 열을 뽑아내서 차가운 급기에 열을 방출한다. 어떤 써멀 휠은 잠열의 이동을 가능하게 하는 건조성 물질을 포함하고 있다. 이 시스템은 건조하고 차가운 유입공기에 대해서 시스템이 대향 모드로 작동할 수 있는 곳에서 유용하다. 휠이 급기와 배기 사이메 완벽한 경계를 제공할 수 없기 때문에 교차오염은 피할 수 없다. 이는 배기존에 가장 가까운 휠의 부위를 통과하는 외기 부분에 소형 ″세정구역″을 설치하는 것에 의해서 줄일 수 있다.

써멀 휠(Thermal wheel)은 건물 자체가 HVAC 시스템의 통합파트를 형성하는 거대한 상업건물 혹은 공공건물에 주로 사용된다

이 방식의 장점은 다음과 같다.

① 매체에 따라 현열뿐 아니라 잠열도 전달할 수 있다.

② 가변속 드라이브가 장치 효율을 다양화할 수 있게 해준다.

③ 광범위한 매트릭스 재질은 시스템이 넓은 적용범위를 가질 수 있도록 해준 다.

④ 시스템 전체에 걸쳐 정압감소는 낮기 때문에 팬 에너지의 이용을 최소화할 수 있다.

단점은 다음과 같다.

① 배기와 급기 덕트가 인접해 있다.

② 드라이브 모터는 에너지 사용을 증가시킨다.

③ 세정구역은 열효율을 감소시키며 독성흄이 배기되는 장소에는 사용될 수 없다.

(라) 복열(heat recuperator)방식

이 시스템은 상당한 열적 능력을 가지고 있는 챔버와 챔버 사이에서 급기와 배기의 사이클을 제어할 수 있는 댐퍼를 이용한다. 사이클의 첫 번째 부분에서, 배기는 챔버의 반을 통해 흐르며 이는 챔버를 밀적질량 이상으로 가열시킨다. 댐퍼는 곧 작동하여 그 챔버의 반을 통해서 흐르며 이때 구조체로부터 열을 흡수하고 다음 사이클의 시작을 위해서 온도를 감소시킨다.

(마) 히트파이프

① 개요

히트파이프의 장점은 열응답성이 우수하고, 구조가 간단하며, 전열성이 뛰어난 장점이 있으며, 응용분야는 에너지 회수를 위한 각종 열교환기 관련산업은 물론 각종 첨단 전자장비, 컴퓨터, 항공기 및 인공위성 등 그 응용분야가 매우 광범위하다.

② 히트파이프의 작동원리

그림 3.84는 히트파이프의 기본적인 구조와 작동원리를 보여주고 있다. 용기의 형상은 밀폐 원형관으로서 재질은 구리, 스탠레스강 등 다양하게 선택할 수 있다. 관 내벽에는 금속망 등 다공성물질로 제작된 두께 1-2㎜의 엷은 층이 설치되어 있고 이것을 윅(wick) 또는 심지라 부른다. 히트파이프의 안쪽은 열을 수송하는데 필요한 액상의 유체로 충전되어 있다. 이 액체를 작동유체라 부르며 난방용 시스템의 경우는 물, 알콜, 암모니아, 프레온 등을 이용할 수 있다.

작동유체는 보통 99.9% 이생의 순도를 갖도록 정제하여 사용하여야 한다. 작동 유체를 충전할 때는 먼저 용기내부를 잘 세척하고 건조시킨 후 내부의 공기를 제거하여 진공상태로 만든다. 채울 수 있는 양만큼 액상의 작동유체를 주입하고 밀봉하며 이 때 공기 등 이물질이 들어가지 않아야 한다. 작동유체에 의한 상변화 열전달 과정은 다음과 같다.

그림 3.80에서 보는 것과 같이 보통 히트파이프의 한쪽 끝단에서 길이 L_{e}구간(증발부)을 통하여 열을 공급하면, 기-액 계면으로부터 액체가 기화된다. 이때 증기의 생성을 m_{g}와 열전달율 Q의 관계 는 Q=m_{g}h_{fg} 이다. 여기서 h_{fg} 는 액체의 잠열이다. 생성된 증기는 용기 중심 통로를 통하여 다른 쪽 끝단으로 이동한다. L_{e} 구간(응축부)을 통하여 히트파 이프로부터 열을 제거하면 증기는 표면에서 열을 방출하고 액상으로 응축되며, 이 응축액은 속으로 침투된다. 히트파이프가 지속적으로 작동하기 위해서는 응 축액이 통하여 다시 증발부로 이송되어야 한다. 이때 응축액 이송에 필요한 펌프일은 기-액 계면에서 발생하는 모세압에 의해 얻게 된다. 증발부 표면의 기- 액 계면에는 증기의 발생으로 계면이 곡면을 이루고 있다 이 결과 계면 전후 의 증기와 액체측의 압력 P_{v}와 P_{l}과 곡률반경, r_{c} 사이에는 다음과 같은 관계가 성립한다.

 (그림 3.85) 각주 042)

P_{v} - .P_{l}= σ/r_{c}

여기서 σ는 액체의 기-액 계면 표면장력이다. 한편 응축부 계면에서는 응축 액의 공급으로 계면의 곡률반경이 증발부 계면보다 크다. 이 결과 히트파이프가 정상작동할 때 증발부와 응축부에서는 언제나 P_{l,e}〈P_{l,c}인 관계를 얻게되며 이 압력차이 ΔP_{e}=P_{l,e}-P_{l,c}가 응축액의 수송에 필요한 힘이다. 위 식에서의 모세압의 크기 ΔP_{c}=σ/r_{c}는 형상, 작동유체의 물성, 열부하크기 등의 여러 변수들에 따라 결정된다. 히트파이프가 정상상태에서 작동하기 위해서는 아래의 식의 관계를 만족해야 한다.

ΔP_{c}=(σ/r_{c})≥ΔP_{l}+P_{v}

여기서, ΔP_{c},ΔP_{v}를 각각 액체와 중기의 수송에 관한 압력손실로서 증발부의 모세압이 언제나 이러한 유동저항보다 커야 한다. 이러한 조건 때문에 히트파이프 최대 열전달 한계가 존재하며 이것을 모세압 한계라고 한다. 그 외에 용기 내부에서 작동유체의 상 변화 및 2상 유동과 관련하여 음속 한계, 액적 발생 한계등이 존재한다.

 각주 043) 각주 044)

③ 히트파이프의 특징

열전도가 매우 크며 표면의 온도분포가 균일하다. 열의 응답성이 좋다. 가열부와 응축부를 분리시킬수 있다. 구조가 간단하고 경량이다. 유지 및 보수에 비용이 거의 들지 않는다. 무중력 하에서도 작동이 가능하다.

(3) 히트점프를 이용한 열회수시스템

(가) 환기용 배기 히트펌프

배기 히트펌프는 배기로부터 폐열을 회수하는 더 나은 방법이다. 이 방법은 폐열이 난방온수를 예열하는데 쓰이기 때문에 안정적인 기계 급기방식이 불필요하다. 일반적인 3가지의 방식은 다음과 같다.

공기-액체 시스템 : 가정용 온수와 습식 중앙난방을 위한 온수의 예열을 위해 필요

공기-액체, 공기 시스템 : 혼합 온수난방과 온풍난방 방식에 필요

전공기 시스템 : 전공기 열회수 방식을 지원하기 위해 필요

일반적으로 ′공기-액체′ 히트펌프는 증발기가 배기에 설치되어 외부로 나가는 공기로부터 열을 빼앗으며, 압축기가 저수탱크에 위치하여 수온을 높이는데 사용된다. 종종 압축기는 FCU안에 위치하며 FCU를 통하여 내부 공기는 연속적으로 순환되고 난방이 된다(공기식 히트펌프시스템).

이 방식의 장점과 단점은 다음과 같다.

장점 ·밸런스 급기 시스템이 필요 없이 배기로부터 열을 회수한다.

·환기시스템 비용과 덕트를 위한 공간을 줄일 수 있다.

·배기 시스템 혹은 자연형 굴뚝 시스템이 히트와 함께 사용되기 위해서 업그레이드 될 수 있다.

·배기 시스템이 침기를 방지하며, 누기를 막을 수 있다.

·침기와 의도적인 개구부들을 포함한 침기량은 50Pa의 유입공기압에서 3~5 ACH를 넘어서는 안된다

단점 ·히트펌프는 상대적으로 비싸고 운전에너지가 많이 든다.

·에너지 비용을 신중하게 평가해야 한다.

·COP값이 높아야 하며 실비와 에너지 이득을 보이는 시스템에 대해서 는 4, 5 이상이 되어야 한다.

(나) 히트펌프를 이용한 공기식 열회수

몇몇 전공기 열회수 유니트는 더 나은 배기 열회수를 위해서 열펌프를 추가 하기도 한다. 이러한 시스템은 안정적인 환기 시스템과 연합된 일반적인 밸런스 전공기 열회수 유니트로 이루어져 있다 히트 펌프의 증발유니트는 배기덕트에 삽입되어 있다 이는 급기덕트에 위치하고 있는 압축유니트를 통해 급기로 전달되는 열을 더 많이 회수한다. 가정용 시스템을 위한 일반적 성적계수는 3.0정도로 측정 된다.

기밀성능이 좋은 건물에 사용될 때, 이 방법은 추가적인 열획득을 제공하며, 부가적으로 난방이 필요한 공간이 즐어든다. 효율적인 사용은 충분한 난방이 열회수 유니트로부터 공급이 될 때 기존의 공간 난방을 억제하는 콘트롤에 달려 있다.

이 방식의 장점은 배기로부터 추가적인 열회수 가능하다는 것이며, 단점은 다음과 같다.

① 기밀시공이 필수적이며 운전과 관리에 비용이 많이 든다는 점에서 전공기 열회수 방식과 유사

② 추가 자본금과 유지보수의 필요성으로 자본회수 기간이 길어진다.

(다) 지중 예열회수

기계적인 급기덕트의 일부분을 지중에 매설하는 것에 의해서 열회수가 가능하다. 여름에 열을 흡수하여 겨울에 이용하며, 예열파이프가 묻힐 수 있는 건물에는 모두 적합하며, 장점과 단점은 다음과 같다.

- 장점 : 지중에서 열을 얻기 때문에 에너지 비용이 들지 않는다.

- 단점 : 설치비용이 들고 추가 팬 동력이 필요하다는 것과 관리 및 대체전략이 필요하다는 것이다

(4) 이코노마이저 (Economizer)

이코노마이저는 냉방의 요구를 줄이기 위하여 외부공기를 이용하며 water-side 와 air-side 이코노마이저가 있다. 기후에 따라서 어떤 이코노마이저를 선택해야 하는지, 어떤 방법이 이득을 줄 것인지를 결정해야한다.

(가) water-side 이코노마이저

water-side 이코노마이저는 직접팽창냉각코일의 상류에 있는 자납형유니트 안에 위치한 워터코일로 구성되어 있다. 모든 이코노마이저는 이코노마이저코일과 콘덴서 사이를 연결하는 밸브를 조절하며, 이코노마이저 조절 배선은 공장에서 설비되기도 한다.

 (그림 3.88)

water-side 이코노마이저는 유입공기를 예냉하고 기계냉방을 보조하기 위해서 혹은 냉각수의 온도가 충분히 낮다면 전체 시스템의 냉방에 이용한다. 냉각수는 2개의 벨브에 의해서 조절이 되는데 하나는 이코노마이저 코일유입구에 있는 것(A)이며, 또 하나는 콘덴서로의 바이패스 루프안에 있는 것(B)이다. 일반적인 2개의 조절 방법은 정수량 방식과 변수량 방식이 있다.

표준 모듈레이팅 제어는 유니트운전시 콘덴서에서 유량을 일정하게 한다. 2개의 제어 밸브는 상호보완적인 제어를 할 수 있도록 설정되어, 하나가 패쇄되었을 때 다른 한쪽 개방 됨으로써 유니트를 통해서 상대적으로 일정한 수량을 유지시킨다.

에너지 절약 모듈레이팅 제어는 유니트 운전시 콘덴서에서 수량을 변화될 수 있게 한다. 바이패스 루프안에 있는 밸브(B)는 on-off 밸브이며 이코노마이저가 작동할 때 폐쇄된다. 이코노마이저 코일을 통한 유량은 밸브 A에 의해서 변화되며 따라서 냉각수량의 변동을 가능하게 한다. 냉방부하가 증가할 때 밸브 A를 개방하고 이에 따라 이코노마이저 코일을 통한 유량은 증가한다. 만약 이코노마이저가 냉각 요구를 만족시키지 못하면 이코노마이저와 압축기 운전을 통합시키는 제어모드가 작동하는데, 이러한 운전모드에서, 밸브A는 완전히 개방된다.

water-side 이코노마이저의 장점과 단점은 다음과 같다.

장점; ·유입공기를 예냉하므로써 압축기 에너지를 줄인다.

·13℃ 이하의 유입 콘덴서 수온을 가지고·건물의 부하를 완벽하게 만족시키기도 한다.

· 만약 리턴 에어가 동계에 필요한 만큼의 충분히 습하다면 건물의 가습이 필요 없다.

· 기계실이 건물의 중앙에 위치할 수 있다.

· 패키지화된 유니트안에서 제어가 이루어지므로 rur-side 이코노마이 저보다 복잡하지 않다.

· 외벽을 통한 배기덕트와 급기덕트가 필요치 않다. 사용가능한 바닥 면적 이 증가한다.

단점: ·냉각수에 대한 관리비용의 증가

· air-slde 압력 강하가 증가한다.

· 냉각탑은 동계운전을 위해서 디자인되어야 한다.

(나) air-side 이코노마이저

air-side 이코노마이저는 기계적 냉방을 보조하거나 만약 외기온도가 충분히 낮을 경우 전체 시스템에 냉방을 제공하기 위하여 차가운 외기를 이용한다. 자납형 유니트는 리턴 에어팬을 포함하지 않는다. air-side 이코노마이저가 채용 될 때 변풍량 릴리프 팬을 포함하는 것이 필요하다. 릴리프 팬 부피는 일반적으로는 건물공간의 압력에 대응하여 배출 댐퍼를 가지고 조절된다. 릴리프 팬이 꺼지면 방출 댐퍼는 air-side 이코노마이저가 작동하지 않을 경우 폐쇄된다. air-side 이코노마이저의 장점과 단점은 다음과 같다.

장점: ·질적으로 압축기, 법각탑 그리고 콘덴서 에너지 요구를 감소시킨다.

* ·water-side 이코노마이저보다 낮은 air-side 압력 강하를 가진다.

· 냉각탑의 메이크업 물 그리고, 관련된 물에 대한 관리필요를 줄인 다.

단점: * 동계에 가습이 필요하다.

* 기계실이 일반적으로 건물의 외벽을 따라서 설치된다.

* 배기 시스템의 필요에 의해서 water-side 이코노마이저보다 많은 비용이 든다.

바. 에너지수급 시스템

(1) 토탈 에너지 방식(Total energy system)

토탈 에너지 방식이란 전력의 자체조달 목적으로 자기 건물 안에 내연기관 등을 설치하여 그것으로 자가 발전기 또는 냉동기 등을 구동하고 에너지를 처음에서 마지막 단계에 이르는 중간단계에서 다목적이고 단계적으로 이용함으로써 총체적인 에너지 효율을 높이고자 하는 방식을 말한다. 그림 3.89에 각종 에너지방식의 흐름도를 나타내고 있다. 이 중에서 발전기를 동반하는 방식을 코제너레이션 시스템CQgeneration system)이라고 한다.

코제너레이션 시스템은 발전설비가 주체이고 부수적으로 열회수설비를 갖추는 것인데 반하여 토탈 에너지 방식은 열회수를 위주로하고 부수적으로 발전하는방식이라고 구분할 수 있으며, 「토탈 에너지 방식은 발전의 유무와 상관없이 열의 다단계적 이용을 목적으로 하는 방식을 포함한다.

열병합 발전설비의 구성기기는 구동시스템, 발전시스템, 열회수시스템, 보조열원시스템, 제어시스템으로 구분한다. 열병합 발전설비는 이들 각 구성기기를 적절히 조합하므로써 여러 가지 형식의 시스템을 구성할 수 있으며, 기본적으로는 구동시스템에 의하여 다음과 같이 분류한다.

(가) 가스엔진 방식

가스엔진의 효율은 엔진용량, 압축비, 과급기의 유무에 따라서 다르지만 100kw이상에서 30~35% 정도이고 보조기기를 필요로 하지 않으므로 상당히 높은 효율을 발전할 수가 있다. 또한, 엔진 자켓 및 오일 냉각수 등의 냉각수 온도도 85℃ 정도이므로 급탕 난방용은 물론 온수가열 충수식 냉도기의 열원으로 사용하며, 냉방에 이용할 수도 있다.

한편, 배기가스는 온도가 500℃ 이상이므로 배기가스로 가열하는 이중효용냉온수 발생기의 열원으로 이용할 수 있으므로 열교환기에 의하여 온수로 만들어서 자켓 냉각수와 함께 이용할 수 있다. 따라서, 이 방식을 이용하면 전체적으로 80% 이상의 열이용률을 나타낼 수 있다.

(나) 가스터빈 방식

일반적으로 출력 500 ~l,00㎾의 것은 발전효율이 20% 정도이다. 또한 배기 온도가 500℃ 정도의 고온이므로 폐열 보일러를 사용하여 고온수 또는 증기를 발생시킬 수가 있으며, 엔진에 비하여 발전효율은 낮지만 배기 중에 상당량의 과잉공기를 함유하고 있으므로 배기량이 많아서 배기를 직접 열교환하더라도 50% 정도의 예열을 회수할 수가 있다. 아울러 이 배기를 연소용 예열공기로 사용하여 보일러에서 연소시키고 증기를 발생시켜서 이 증기로 증기터빈을 구동시키는 조합사이클을 실용화할 수가 있다. 이 때 증기터빈에서 얻어지는 동력(발전기의 경우는 전력)은 가스터빈에서 얻어진 양보다 훨씬 커지고 가스터빈은 일종의 공기예열기로서의 기능을 가진다.

(다) 연료전지 방식

LNG 등의 분해에서 얻어지는 수소와 공기 중의 산소를 전기분해와 역반응을 시켜서 전기를 발생시키는 것으로 예열을 이용할 수가 있다.

전해질의 종류에 따라서 인산형, 용융탄산염형, 고체형 등으로 구분하는데 전지부분의 동작온도가 200℃′ 전후, 600℃, 1,000℃ 전후의 순으로 높아지므로 재료의 부식성, 내열성 때문에 개발에 제한을 받는다. 그러나 기대할 수 있는 효을(전력교환 효율)과 배열의 온도가 차례로 높아지므로 코제네레이션의 열원기기로서의 적응성이 증가하고 있다. 인산형은 미국 UTC사가 기술적으로 앞서고 있으며 40%의 발전효율, 40%의 배열을 이용한다.

(라) 엔진열펌프 방식

가스엔진, 가스 터빈 발전기 대신 종래의 증기압축식 열펌프를 설치한 것으로 전술한 바의 가스 엔진, 가스 터빈 방식이 갖는 특징 이외에 엔진의 회전수 제어 기능을 이용하여 열펌프를 고효율로 부분부하 제어를 할 수 있다는 장점이 있다.

(2) 태양열이용 방식

장래 대체에너지로 주목받고 있는 태양에너지는 청정에너지로 대폭적인 열원설비로의 도입이 기대되고 있으며, 이용설비로는 태양열 발전, 태양열의 다목적 이용 태양광 발전(태양,전지)의 에너지 변환 이용 등을 들 수 있다. 그러나 우리나라에서의 태양열 이용은 아직 연구소 등에서의 연구단계에 머물고 있으며, 일부 급탕 및 난방용으로 실용화가 이루어져 보급되고 있는 실정이다.

태양열 이용은 그림 3.90에서 나타난 것과 같이 태양열 집열기, 축열조, 열교환기, 보조열원기기(보일러 또는 냉동기), 냉온수 순환펌프 및 배관 자동제어장치 등의 조합으로 되어있다. 또, 태양열 집열기는 급탕· 냉난방용의 평판형 집열기, 진공유리관형 집열기와 태양열 발전용의 집광형 집열기 등으로 분류되며, 이 중 평판형 집열기는 일반적으로 집열판이 방사전열에 의하여 냉각되는 것을 방지하기 위하여 유리 또는 투명 플라스틱 등의 투명판으로 덮는다

집열판은 액체 또는 기체의 열매체가 통하는 통로에서의 열교환을 위하여 높은 열전도율을 필요로 하므로 주로 금속계의 재료로 제작하고, 표면은 열흡수를 좋게 하기 위하여 흑색도료 또는 특별한 화학피막을 입혀서 흡수율을 높이고 방사손실을 억제라는 선택적인 성능을 갖도록 한다. 친공유리관 속에 집열판을 수납한 집열기는 대류 및 전도에 의한 열손실이 감소하므로 일반 평판형보다 집열효율이 높다. 축열조는 소형의 것은 금속, 플라스틱재이고, 대형은 콘크리트 금속재이다. 축열물질은 물, 자갈, 흙, 콘크리트, 화학물질 등이 있다.

 (표 3.51 참조)

태양열이용 냉방에 사용하는 냉동기는 흡수식 냉동기와 랭킨 사이클기관(증기기관) 구동 냉동기 등이 이용된다. 랭킨 사이클기관 구동 냉동기는 프레온 등의 작동 열매체를 증기기관을 이용하여 냉동기를 회전함으로써 냉수를 만들어내는 것으로 작동매체의 증발가열에는 태양열 고온수를 사용한다.

(3) 지역냉난방 방식

지역냉난방이란 많은 건물이 개별적으로 냉난방용 열원설비를 설치하지 않고 냉수, 온수, 증기등의 열매를 집중열원 플랜트로부터 배관을 통하여 공급하는 시설을 말하여, 다음과 같은 이점이 있다.

① 에너지의 유효이용: 화력발전 플랜트와 병용하는 열병합발전 플랜트, 도시 쓰레기 소각 및 도시 변전소등의 각종 폐열의 유효 이용이 가능하다.

② 도시내 환경개선: 양질의 연료 사용 및 연료 폐기물 처리 등에 의한 대기 오염방지, 열원기기의 총체적인 효율을 향상시킨다.

③ 방재대책: 보일러 또는 연료 저장고의 집중화로 재해의 발생을 방지할 수 있다.

지역냉난방의 성립조건으로는 건물이 집중화하여 연간 에너지 소비량이 많고 적극적으로 대기오염 방지를 추진하고자 하는 지역으로서 폐열 이용에 대하여 관심이 많은 지역 등을 들 수 있다

표 3.59는 열원 플랜트의 각종 방식을 나타낸 것이며, 여기서는 냉수 공급만이 나타나 있으나 온열매인 온수, 증기도 공급된다. 건축물에서 받는 열매는 계측 기기를 설치하여 열량 또는 유량을 계측하여 에너지 소비를 정산한다. 고온 수에서는 건물측에 열교환기를 설치하여 온수 또는 증기를 발생시키는 경우도 있으며, 2차측 온수, 증기, 냉수는 직접 공조기에 공급한다. 초고층 건물에서의 1차 냉수는 여러 대의 열교환기를 통하여 2차 냉수를 만들어 각 공조기 코일에 보내는 경우와 가압펌프를 설치하여 냉수를 가압시켜 공급하고 환수측에 압력 조절 밸브(감압밸브)를 설치하여 환수압력을 조정하는 방법 등이 있다

 

 

포월(ddojobb)