2-4. 공기조화 시스템을 계획하고자 한다. 에너지를 절약할 수 있는 대온도차 시스템을 검토적용하려고 한다. 다음 사항에 대하여 설명하시오.

공기조화 대온도차 시스템에 대한 설명

에너지 절약을 위한 대온도차 시스템은 공기조화 시스템의 효율을 극대화하는 중요한 기술입니다. 냉수 또는 온수와 같은 열매체의 공급-환수 온도차를 크게 하여 펌프 동력, 배관 크기, 열교환기 면적 등을 줄여 에너지 소비를 절감하는 방식입니다.

 

1. 대온도차 시스템의 정의와 목적

 

1) 정의:

대온도차 시스템(High Temperature Difference System)은 공기조화 시스템에서 냉수 또는 온수와 같은 열매체를 순환시킬 때, 공급 온도와 환수 온도 차이를 일반적인 시스템보다 크게 설계하는 방식을 의미합니다. 일반적인 공조 시스템의 냉수 온도차는 5~7℃, 온수 온도차는 10~15℃ 정도이지만, 대온도차 시스템에서는 냉수 온도차를 10℃ 이상, 온수 온도차를 20℃ 이상으로 설계합니다.

​

2) 목적:

대온도차 시스템의 주요 목적은 다음과 같습니다.

• 에너지 절감:
• 펌프 동력 감소: 동일한 냉난방 용량을 공급하기 위해 필요한 열매체 순환 유량이 감소하므로, 펌프의 크기를 줄이고 펌프 운전 동력을 절감할 수 있습니다. 펌프 동력은 유량의 세제곱에 비례하므로, 유량 감소 효과는 에너지 절감 효과로 크게 이어집니다.
• 배관 사이즈 축소: 유량 감소는 배관의 직경을 줄이는 것을 가능하게 합니다. 배관 자재비 절감, 설치 공간 감소, 열손실 감소 등의 효과를 얻을 수 있습니다.
• 열교환기 크기 축소: 열교환기의 열전달 면적을 줄여 설비 비용을 절감할 수 있습니다. 특히 공기조화기 코일, 냉각탑, 보일러 등의 크기 축소에 기여합니다.
• 냉동기 효율 향상 (냉방 시스템): 냉각수 온도 상승으로 냉동기의 증발 온도를 높일 수 있어 냉동기 COP (성능 계수) 향상을 기대할 수 있습니다.
• 보일러 효율 향상 (난방 시스템): 환수 온도가 낮아져 보일러의 응축 효율을 높일 수 있습니다 (응축형 보일러 적용 시).
• 초기 투자비 절감: 펌프, 배관, 열교환기 등 설비의 초기 투자 비용을 절감할 수 있습니다. 특히 대규모 시스템일수록 설비 비용 절감 효과가 큽니다.
• 운영 및 유지관리 비용 절감: 펌프 동력 감소, 열손실 감소, 설비 규모 축소는 장기적인 운영 비용 절감으로 이어집니다. 유지보수 점검 대상 설비 규모가 줄어 유지관리 비용도 절감될 수 있습니다.
• 환경 친화적 시스템 구축: 에너지 소비량 감소는 온실가스 배출량 감소로 이어져 환경 친화적인 건물 시스템 구축에 기여합니다.

​

3) 적용 분야:

대온도차 시스템은 다양한 건축물 및 산업 시설에 적용될 수 있습니다. 특히 냉난방 부하가 크고 배관 시스템 규모가 큰 건물에 적용 효과가 큽니다.

• 업무 시설: 사무실 건물, 공공 기관, 학교, 병원 등
• 상업 시설: 쇼핑몰, 백화점, 호텔, 데이터센터, 영화관, 전시장 등
• 산업 시설: 공장, 연구소, 클린룸 등
• 지역 냉난방 시스템: 대규모 열 생산 시설에서 넓은 지역으로 냉난방을 공급하는 시스템

​

2. 대온도차 열매체 종류와 특징

대온도차 시스템에 사용되는 열매체는 높은 온도차 조건에서도 안정적인 열전달 성능을 유지하고, 시스템 운전에 적합한 물리적, 화학적 특성을 가져야 합니다. 주로 다음과 같은 열매체가 사용됩니다.

 

1) 물 (Water):

• 특징:
• 장점: 비열이 크고 열전달 성능이 우수하며, 가격이 저렴하고 안전하며 친환경적입니다. 취급 및 관리가 용이하고, 누수 발생 시에도 피해가 적습니다.
• 단점: 동결점이 높아 겨울철 동결 방지 대책이 필요하며, 100℃ 이상 고온에서는 압력 상승 문제가 발생합니다. 부식 발생 가능성이 있어 수처리 관리가 필요합니다.
• 적용: 일반적인 냉난방 시스템의 열매체로 널리 사용됩니다. 대온도차 시스템에서도 냉수 및 온수 시스템에 적용 가능하며, 특히 냉방 시스템에 많이 사용됩니다.

​

2) 부동액 (Antifreeze):

• 특징:
• 장점: 동결 방지 성능이 우수하여 겨울철 동결 위험을 줄일 수 있습니다. 물보다 낮은 온도에서도 액체 상태를 유지하며, 일부 제품은 방청 효과도 제공합니다.
• 단점: 물보다 비열이 작고 점도가 높아 펌프 동력이 증가할 수 있으며, 가격이 비싸고 독성이 있을 수 있습니다 (에틸렌글리콜 기반 부동액). 누수 발생 시 환경 오염 및 인체에 유해할 수 있습니다.
• 종류: 에틸렌글리콜 (Ethylene Glycol), 프로필렌글리콜 (Propylene Glycol), 글리세린 (Glycerin) 기반 부동액 등이 있습니다. 프로필렌글리콜은 독성이 적어 식품 및 의약품 관련 시설에 사용됩니다.
• 적용: 외기 온도 변화에 민감한 시스템, 동결 위험이 있는 시스템 (옥외 배관, 냉각탑 등), 저온 냉난방 시스템 등에 사용됩니다. 대온도차 시스템에서도 동결 방지 및 저온 운전이 필요한 경우에 적용될 수 있습니다.

​

3) 냉매 (Refrigerant):

• 특징:
• 장점: 상변화 (증발, 응축)를 이용하여 높은 열전달 효율을 얻을 수 있습니다. 매우 낮은 온도 (극저온) 또는 높은 온도 (고온) 에서도 사용 가능한 다양한 종류의 냉매가 있습니다.
• 단점: 물이나 부동액보다 가격이 비싸고, 누설 시 환경 오염 및 지구 온난화에 기여할 수 있습니다 (일부 냉매). 압축기, 응축기, 증발기 등 냉매 순환 시스템 구성이 복잡합니다.
• 종류: R-134a, R-410A, R-1234ze, R-290 (프로판), R-717 (암모니아), R-744 (이산화탄소) 등 다양한 냉매가 사용됩니다. 최근에는 지구 온난화 지수 (GWP) 가 낮은 친환경 냉매 개발 및 적용이 확대되고 있습니다.
• 적용: 냉동기, 히트펌프 등 냉매를 사용하는 시스템에 적용됩니다. 대온도차 시스템에서는 냉매를 사용하는 냉동기 자체의 성능 향상 및 시스템 효율 증대를 위해 고려될 수 있습니다.

​

4) 기타 열매체:

• 오일 (Oil): 고온 열매체 시스템 (산업 공정 열, 폐열 회수 등) 에 사용될 수 있습니다. 끓는점이 높고 열 안정성이 우수하지만, 점도가 높고 화재 위험이 있습니다.
• 소금물 (Brine): 저온 열매체 시스템 (냉동 창고, 아이스 링크 등) 에 사용될 수 있습니다. 어는점을 낮추고 열전달 성능을 향상시키지만, 부식성이 강하고 점도가 높습니다.
• 공기 (Air): 공기 열원 히트펌프 시스템, 전공기 방식 공조 시스템 등에 사용됩니다. 열용량이 작고 열전달 성능이 낮지만, 무한정으로 사용 가능하고 안전하며 친환경적입니다.

열매체 선정 시에는 시스템의 운전 조건 (온도 범위, 압력, 유량 등), 에너지 효율 목표, 경제성, 안전성, 환경 영향 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 대온도차 시스템에서는 높은 온도차 조건에서의 열매체 성능 및 안정성을 특별히 검토해야 합니다.

​

3. 대온도차 시스템 종류와 특징

대온도차 시스템은 적용 방식 및 시스템 구성에 따라 다양하게 분류될 수 있습니다. 주요 시스템 종류와 특징은 다음과 같습니다.

 

1) 냉수 대온도차 시스템:

• 특징:
• 냉방 시스템의 냉수 공급 및 환수 온도차를 크게 설계하는 방식입니다. 일반적인 냉방 시스템의 냉수 공급 온도는 7℃, 환수 온도는 12℃ 정도이지만, 대온도차 시스템에서는 냉수 공급 온도를 5~7℃ 정도로 유지하면서 환수 온도를 15~20℃ 까지 높입니다.
• 냉수 온도차 증가로 냉수 순환 유량이 감소하여 펌프 동력 절감 효과가 큽니다.
• 냉수 배관 및 펌프 사이즈 축소, 열교환기 (공기조화기 코일, 냉각탑) 크기 축소 효과를 얻을 수 있습니다.
• 냉동기 증발 온도 상승으로 냉동기 COP 향상을 기대할 수 있습니다.
• 제습 능력 저하 가능성이 있으므로, 외기 도입량 제어, 재열 운전 등 제습 성능 확보 대책이 필요할 수 있습니다.
• 공기조화기 코일 배열 및 유량 분배 최적화를 통해 균일한 실내 온도 분포를 유지하는 것이 중요합니다.
• 적용: 대규모 업무 시설, 상업 시설, 데이터센터 등 냉방 부하가 큰 건물에 적용 효과가 큽니다. 기존 시스템의 에너지 효율 개선을 위한 Retrofit (개조) 에도 적용될 수 있습니다.

​

2) 온수 대온도차 시스템:

• 특징:
• 난방 시스템의 온수 공급 및 환수 온도차를 크게 설계하는 방식입니다. 일반적인 난방 시스템의 온수 공급 온도는 60~80℃, 환수 온도는 50~70℃ 정도이지만, 대온도차 시스템에서는 온수 공급 온도를 70~90℃ 정도로 유지하면서 환수 온도를 40~50℃ 까지 낮춥니다.
• 온수 온도차 증가로 온수 순환 유량이 감소하여 펌프 동력 절감 효과가 큽니다.
• 온수 배관 및 펌프 사이즈 축소, 열교환기 (방열기, 온수 코일) 크기 축소 효과를 얻을 수 있습니다.
• 응축형 보일러 적용 시 환수 온도 저감으로 응축 효율을 극대화하여 연료비를 절감할 수 있습니다.
• 방열기 표면 온도 상승으로 안전 문제 (화상 위험) 발생 가능성이 있으므로, 저온 방열기 적용, 표면 온도 제한 등 안전 대책이 필요할 수 있습니다.
• 실내 난방 부하 변화에 따른 온도 제어 성능 확보가 중요합니다.
• 적용: 주거 시설, 업무 시설, 산업 시설 등 다양한 건물에 적용 가능합니다. 특히 응축형 보일러와 연계하여 시스템 효율을 극대화할 수 있습니다.

​

3) 복사 냉난방 대온도차 시스템:

• 특징:
• 복사 냉난방 시스템 (복사 패널, 바닥 복사 난방 등) 과 대온도차 시스템을 결합한 방식입니다. 복사 냉난방은 일반적인 강제 대류 방식 (공기조화기) 에 비해 낮은 온도차로도 쾌적한 냉난방 효과를 얻을 수 있습니다.
• 냉방 시 복사 패널에 공급되는 냉수 온도차를 크게 (10℃ 이상) 설계하여 펌프 동력을 절감합니다. 일반적인 복사 냉방 시스템의 냉수 온도차는 2~5℃ 정도입니다.
• 난방 시 바닥 복사 난방에 공급되는 온수 온도차를 크게 (20℃ 이상) 설계하여 펌프 동력을 절감합니다. 일반적인 바닥 복사 난방 시스템의 온수 온도차는 5~10℃ 정도입니다.
• 복사 냉난방 시스템 자체의 에너지 효율성이 높고, 대온도차 시스템을 적용하여 펌프 동력까지 절감하므로, 매우 높은 에너지 절감 효과를 기대할 수 있습니다.
• 복사 냉난방 시스템의 초기 투자비가 높고, 시공 및 설계 난이도가 높을 수 있습니다.
• 적용: 고급 주거 시설, 업무 시설, 호텔, 병원 등 쾌적성과 에너지 효율을 동시에 추구하는 건물에 적용이 적합합니다.

​

4) 기타 대온도차 시스템:

• 2차 펌프 대온도차 시스템: 주 펌프와 2차 펌프를 이용하여 각 존(Zone) 별로 필요한 유량만 공급하는 시스템입니다. 부분 부하 운전 시 펌프 동력을 크게 절감할 수 있습니다.
• 가변 유량 시스템 (VAV, Variable Air Volume) 연동 대온도차 시스템: VAV 시스템과 연동하여 냉수 또는 온수 유량을 부하 변동에 따라 가변적으로 제어하는 시스템입니다. 부분 부하 운전 효율을 극대화할 수 있습니다.
• 축열 시스템 연동 대온도차 시스템: 야간 전력을 이용하여 축열조에 냉열 또는 온열을 축적하고, 주간 피크 시간대에 사용하는 축열 시스템과 대온도차 시스템을 연동하여 에너지 비용을 절감할 수 있습니다.

대온도차 시스템 종류 선정 시에는 건물의 용도, 규모, 부하 특성, 에너지 절감 목표, 초기 투자비, 운영비, 쾌적성, 유지관리 등을 종합적으로 고려해야 합니다. 전문가와 충분히 협의하여 최적의 시스템을 설계하는 것이 중요합니다.

​

결론적으로, 대온도차 시스템은 에너지 절약형 공기조화 시스템 구축에 효과적인 기술입니다. 시스템 설계 시 에너지 절감 효과를 극대화하고, 쾌적성을 유지하며, 초기 투자비 및 운영비를 고려하여 최적의 시스템을 구축하는 것이 중요합니다. 최신 기술 동향 및 관련 기준을 숙지하고, 전문적인 설계 및 시공 역량을 확보하는 것이 성공적인 대온도차 시스템 구축의 핵심입니다.