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1. 서론 그림 1에서와 같이 전력은 최근 냉방수요의 급격한 증대로 여름철에 수요의 피크를 나타내고 있으며 이러한 여름철 전력수요 피크는 전력공급능력을 위태롭게 하고 있다. 한편, 도시가스는 전력의 경우와는 반대로 겨울철에 난방용 수요증대로 피크수요가 나타나고 여름철에는 수요가 매우 적다. 일반적으로 월별 여름철 최소수요는 겨울철 최대수요에 비해 1/5~1/6에 불과하다. 이러한 동고하저(冬高夏低)형 도시가스 수요패튼은 배관 등 공급설비의 이용효율을 저하시킬 뿐만 아니라 비수요기에 도입되는 LNG 저장을 위하여 엄청난 저장시설을 필요로 하여 이 시설을 갖추기 위한 막대한 시설자금이 소요된다.
최근에 와서는 도시가스의 이용효율을 최대한 높이기 위한 각종 코제너레이션시스템(co-generation system)이 많은 관심을 끌고 있다. 코제너레이션시스템은 토탈에너지시스템(total energy system)이라고도 하는데 이는 열의 케스케이드(cascade) 이용의 한 방법으로 가스엔진(터어빈)방식, 가스엔진히트펌프(GHP:Gas Engine Heat Pump)방식, 연료전지(fuel cell)방식 등이 있다.
흡수식냉동기는 열을 구동원으로 하기 때문에 여름철 전력수요의 피크문제를 해결할 수 있는 유력한 방법 중의 하나이며 또 가스비수기인 여름철에 가스수요를 촉진하는 효과를 거둘 수 있다. 뿐만 아니라 각종 생활배열, 공장배열, 태양열, 지열 등의 미이용에너지도 활용할 수 있어 에너지절약에도 기여할 수 있어 지구온난화 가스인 CO2의 방출을 줄이는 효과도 있다. 이는 결국 지구환경보존에도 도움이 된다.
이처럼 물이 증발하는 온도는 그림 2에서와 같이 압력에 따라 변화한다. 예를 들어 물이 증발하는 온도는 760 mmHg(대기압)에서는 100℃, 520 mmHg에서는 90℃, 6mmHg에서는 5℃이다. 그리고 물이 증발할 때에는 주위로부터 증발잠열에 해당하는 만큼의 열을 빼앗아 간다.
그리고 튜브를 통해 온도가 좀 높은 물을 통하게 하고 그 위에 물(냉매)을 뿌려주면 용기 내가 고진공 상태이기 때문에 물은 약 5℃ 근방에서 증발하게 된다. 물이 증발하여 증발기 내에 수증기(냉매증기)가 쌓이게 되면 진공도가 낮아져 물(냉매)의 증발온도가 상승하게 되고 이에 따라 만들어지는 냉수의 온도도 상승하여 목적한 냉방온도를 유지할 수 없게 된다. 그러므로 증발기에서 증발한 냉매증기를 신속히 제거하여 줄 필요가 있다. 그 역할을 하여 주는 것이 흡수기이다. 증발기에서 물(냉매)이 증발할 때에는 튜브 내를 순환하는 냉수(AHU에서 돌아오는 물)로부터 물의 증발잠열(latent heat)에 해당하는 만큼의 열을 빼앗아 간다. 즉 튜브 내의 물을 냉각시킨다. 일반적으로 튜브 내의 냉수는 흡수식냉동기(증발기)에서 약 7℃ 정도까지 냉각되어 AHU나 FCU 같은 공조기기에 공급되며, 공조기기에서 공기와 열교환하여 냉풍을 만들어 주고 냉수 자신은 온도가 높아져 약 12℃ 정도가 되어 다시 증발기로 되돌아온다. 이러한 냉각작용은 흡수기 내의 흡수용액이 포화상태가 되어 더 이상 수증기(냉매증기)를 흡수하지 못할 때까지 지속된다. 그리고 흡수기에서 냉매가 흡수용액에 흡수될 때에는 흡수열이 발생하는데 이 열을 제거하여 주지 않으면 흡수용액의 냉매증기 흡수능력이 떨어지므로 냉각수를 통하게 하여 그 열을 제거하여 준다.
그러나 흡수기를 직접 가열하면 거기서 증발한 수증기가 다시 증발기로 되돌아가므로 별도의 용기를 만들어 그 용기에 펌프로 용액을 이송한 후 가열하여 수분을 분리해 내는 방법을 택하는 것이 좋다. 이 때 사용되는 용기는 흡수용액을 다시 사용할 수 있도록 하는 역할을 한다고 해서 재생기 또는 발생기(generator)라 부른다. 재생기에서 분리되어 나온 수증기는 응축기로 들어가서 냉각탑(cooling tower)에서 오는 냉각수에 의해 냉각, 응축되어 물(냉매액)이 되어 다시 증발기로 공급된다.
그러나 이중효용 방식을 적용하기 위해서는 170℃ 근방의 가열원이 필요한데 증기의 경우 압력이 약 8kg/㎠ 정도이면 이 온도대가 된다. 그리고 주위 여건상 저압증기나 100℃ 근방의 중온수밖에 가열원을 얻을 수 없을 때에는 단효용 흡수식냉동기를 사용한다. 그러나 단효용은 앞에서 설명한 것과 같이 효율이 이중효용보다는 낮다는 단점이 있다.
재 흡수식냉온수기의 주류를 이루고 있는 기종은 연료(주로 도시가스)를 직접 연소시켜 운전되는 가스직화식 흡수식냉온수기이다. 가스직화식 흡수식냉온수기는 1986년 우리나라에 천연가스가 도입되면서부터 한국가스공사나 도시가스사들이 여름철 도시가스 수요개발을 위하여 보급에 관심을 갖게 되었다. 그리고 1988년 서울올림픽을 계기로 우리나라 여름철 전력수요가 급격히 증가하여 전력 예비율이 현격하게 낮아지자 정부에서 전력의 여름철 피크-컷(peak-cut)을 위한 수단으로 채택을 권장하면서부터 보급이 급격히 증가하게 되어 지금은 경쟁기종인 원심식냉동기의 수요를 크게 앞지르고 있다.
또 한 대의 기기로 냉방과 난방을 겸할 수 있어 설치면적이 적고 운전압력이 대기압 이하이므로 법정안전관리자의 채용이 필요 없다는 장점이 있다. 그러나 흡수용액의 부식성이 강하여 기밀유지에 주의를 요하며 초기기동시 정격성능까지 도달하는 시간이 원심식냉동기나 왕복동냉동기에 비해 길다는 단점이 있다. 이후 1960년대 중반까지는 미국이 흡수식냉동기에 대한 기술을 주도하였으며 Servel, Carrier, York, McQuay, Trane, Dunham-Bush 등의 공조기기 제조사가 다양한 기종을 개발 보급하였다. 그러다가 1968년 일본의 Kawasaki중공업에서 이중효용 흡수식냉동기를 개발함으로서 흡수식 기술의 주도권이 미국에서 일본으로 바뀌게 되었다. 이후 Ebara, Sanyo, Daikin, Mitsubishi, Hitachi, Takuma, Yazaki에서 7.5~2,000RT에 이르는 매우 다양한 기종을 생산하고 있고, 특히 동경가스, 오사카가스, 동방가스 등 가스회사들이 흡수식 보급에 가세함으로서 신제품 개발과 가스냉방기 보급이 매우 활발하게 되었다.
이후 1986년 LNG 도입과 국내의 전력사정 악화로 정부에서 가스냉방의 채택을 권장하면서부터 흡수식 시장은 비약적으로 성장하였으며, 만도기계, 현대중공업, 삼성중공업, 삼원기계, 경동보일러, 대우캐리어, 범양냉방 등이 흡수식 시장에 가세하였다. 형흡수식냉동기는 주로 한국가스공사가 개발을 주도하고 있으며 금년 초 1.5RT와 3RT 2기종의 수냉식 냉난방 겸용 흡수식냉온수기를 개발 완료하여 (주)센츄리에 상업화를 위해 기술 이전하였으며, 2002년 초반쯤에 상용기가 출시될 예정이었으나 Maker 사정상 출시가 다소 지연되고 있다. 소형흡수식냉온수기를 주택이나 공동주택에서 편리하게 사용할 수 있게 하려면 수냉식이 아닌 공냉식으로 개발할 필요가 있다. 수냉식은 냉각수 배관이 수반되어야 하므로 설치공간에 제약이 따르며 시공이 번거롭다. 일본의 경우 오사카가스, 동경가스, 동방가스 및 Yazaki에서 공동으로 공냉식 흡수식냉온수기를 개발하여 1996년 9월부터 시판되고 있다. |
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