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019  빙축열 시스템에 관하여 관리자 05-12-08
 

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1. 개요


(1) 여름철 낮 냉방용 전력수요는 해마다 증가하고 있으며, 이들 전력수요는 특히 오후 2시~4시 사이에 피크(peak)를 이루고, 야간이 되면 현저히 줄어들어, 주간과 야간의 전력수요 불균형이 심각하다. → 주·야간 전력수요 평준화(平準化)가 필요

(2) 빙축열은 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로, 야간의 값싼 심야전력을 이용하여 전기 에너지를 얼음(氷) 형태의 열에너지로 저장하였다가, 주간에 이를 해빙(解氷)하여 냉방용으로 사용하는 것이다.


2. 축냉원리 및 특징


(1) 빙축열 시스템은 주간 냉방에 사용할 열량(冷熱)을 야간에 얼음의 형태로 저장해 두었다가, 그것을 낮에 끄집어 내어 사용하는 방식으로, 이렇게 함으로써 냉동기의 용량을 작게 할 수 있고, 냉동기를 고효율로 운전할 수 있으며, 부하가 증가해도 냉동기의 운전시간을 늘리는 것으로 대응할 수 있는 등의 장점이 있다.

(2) 빙축열은 0℃에서 물이 얼음으로 상변화(phase change)할 때 80kcal/kg의 냉열을 저장하는 현상을 이용한 것으로,(잠열이용) 다른 축열방식(현열축열)보다 작은 체적으로도 효율적으로 냉열을 저장해 둘 수 있다는 장점이 있다.


3. 빙축열 시스템의 특징


(1) 장점

1) 전력부하 평준화(平準化) 측면

주간과 야간의 전력수요 불균형 해소(주간 전력수요 피크 컷 효과) → 신규발전소 설비 억제 및 발전 원가를 낮추는 데 기여

※ 여름과 겨울의 전력수요 불균형 해소 → 가스냉방


2) 경제적 측면

① 값싼 심야전력 이용으로 운전경비 절감 (1/3정도)

② 대기온도가 낮은 심야(深夜)에 냉동기를 연속적으로 정격용량에서 운전함으로써 효율향상

③ 냉동기 용량이 작아져서(최대 50%) 설비비 절감

④ 수전설비 용량축소 및 계약전력 감소에 따른 비용 절감

⑤ 저온급기(cold air distribution)시스템 채용시 배관 및 덕트공사 비용절감(냉수온도 2℃ 정도 공급)


3) 기술적 측면

① 냉동기 및 부속기기를 정격용량(定格容量)에서 연속운전할 수 있어 → System안정 및 효율향상

② 축열조의 완충역할로  System의 신뢰성 향상(냉동기 고장, 보수시 축열조를 비상 back-up용으로 사용)

③ 축열조에 의해 건물의 일부 또는 야간에도 냉방공급 가능


4) 환경적 측면

① 에너지 절약(화석연료 사용감소)으로 지구온난화 방지에 기여

② 적은 용량의 냉동기 사용으로 CFC 사용 감축

- CFC : 오존층 파괴,  CO2 : 지구 온난화 가스


(2) 단점

① 축열조 및 단열(保冷) 공사로 인해 추가 비용 소요

② 축열조에서 열손실 발생 (축열효율 60%~80%)

③ 개방식 축열조의 경우 수처리 필요

④ 수축열인 경우

- 대규모 용량 수로 필요(보통 건물지하에 설치)

- 펌프의 동력 증가

⑤ 야간운전에 따른 인건비 등 증가


4. 축냉방식의 종류


(1) 관외착빙형(ice-on-coil)

① 축열조 내에는 코일이 설치되어 있고, 그 주위에는 물이 채워져 있다.

② 제빙시 → 코일내로 냉동기에서 냉각된 차가운 브라인을 흐르게 하여 주위의 물이 얼게 한다.

③ 해빙시 → 코일에 얼어붙어 있는 얼음에 코일 외부로 물을 흐르게 하여 얼음을 해빙시킨다. 즉, 물을 냉각시킨다.

④ 이 물을 펌프로 열교환기에 순환시켜 부하(AHU 등)측에 공급할 냉수를 냉각한다

⑤ 이 방식의 특징은

- 착빙이 진행됨에 따라 열전달 면적이 점차 커지게 되어 COP를 높일 수 있다.

- 물이 얼 때 부피가 팽창되므로 축열조를 밀폐형으로 하기가 곤란하며, 별도의 열교환기가 필요하고 얼음 두께의 균일화를 위한 교반기가 필요하다.


(2) 캡슐형(encapsulated ice)

① 축열조 내를 물이 들어 있는 캡슐로 채우고,

② 제빙시 → 이 캡슐 주위로 냉동기에서 냉각된 브라인을 흐르게 하여 캡슐 내부의 물을 얼린다.

③ 해빙시 → 캡슐 주위로 열교환기에서 오는 브라인을 흐르게 하여 캡슐 내부의 얼음을 녹여 냉을 얻는다.

④ 이 방식의 특징은 축열조 구조상의 제약조건이 없어, 시공 및 관리가 편리하다.


(3) 빙박리형(ice harvest)

① 축열조 상부에 제빙기를 설치하여 제빙판 내부에 냉매를 흐르게 하고, 외부에 물을 분사하여 얼음을 착빙시킨 후 냉매가스(hot gas)를 역순환시켜서 착빙된 얼음을 제빙판에서 분리시켜 축열조 하부에 저장한다.

② 시스템의 특성에 따라서 기기배치 및 설치 공간상의 제약이 있으나, 냉동기를 고효율로 운전할 수 있으며, 물을 부하측으로 직접 순환시킬 수 있어 브라인을 사용하지 않아도 되며 운전방법에 따라 설비의 최소화를 도모할 수 있다.


(4) 슬러리형(slurry ice)

① 증발판에 프로필렌글리콜 등의 첨가제를 첨가한 물(글리콜 수용액)을 통하게 하여 증발판위에 살얼음이 형성되게 하고, 이 얼음을 스크랩(scrape)으로 긁어 내려 슬러리 아이스를 만든다.

② 이 방식은 냉동시스템이 고효율로 운전가능하며, 또한 슬러리를 직접 반송할 수 있는 이점이 있다.


(5) 공융염(eutectic salt)

① 공융염이란 화학물질로, 액체에서 고체로 상변화가 특정한 온도에서 발생하는 물질이다.

② 물은 0℃에서 상변화하며 이때 많은 양의 냉열을 저장하지만 공융염은 0℃이상에서 상변화를 하기 때문에 냉동기의 효율측면에서 가장 우수한 시스템을 구성할 수 있는 장점이 있다.


5. 보급지원제도


(1) 심야전력 요금제도

① 심야전력(갑) : 심야 사용시간(22:00~08:00)에만 사용(23.2원/kWh)

② 심야전력(을) : 심야 사용시간 이외에도 사용(심야 : 26.2원/kWh, 기타 시간 : 76.8원/kWh, 기본요금 있음)


(2) 특별부담금(무상지원금) 제도

- 방냉시간이 6시간 이상일 때 지급(09:00~12:00 3시간, 14:00~17:00 3시간)


(3) 설치 장려금 제도

- 축냉식을 설계에 반영하는 설계 사무소에 지급


(4) 세제혜택 및 손금 산입

- 투자금액의 50% → 법인세에서 공제


(5) 시설자금 저리융자


6. 축냉설비 설치 의무화


(1) 관련법규정

건축물의 냉방설비에 설치 및 설계기준(건축법 시행령 제 87조 근거)


(2) 의무화 내용

① 설치대상 : 신축, 개축, 재축건물

- 연면적의 합계가 3천m2 이상인 업무시설, 판매시설, 연구소

- 연면적의 합계가 2천m2 이상인 숙박시설, 기숙사, 유스호스텔, 실내수영장

- 연면적의 합계가 1천m2 이상인 일반목욕탕, 특수목욕탕, 실내수영장

- 연면적의 합계가 1만m2 이상인 중앙집중식 냉난방설치를 설치하는 건물

② 설치규모

건축물에 소요되는 주간 최대냉방부하의 60%이상을 수용할 수 있는 축냉식 또는 가스식 중앙집중 냉방방식으로 설치하여야 한다.


7. 빙축열에 있어서의 금후과제


(1) 새로운 잠열 저장재 개발

- 상변화 온도가 물보다 다소 높은 PCM(Phase Change Material)개발(상변화 온도 높으면→ COP 상승)


(2) 축열 시스템의 최적화

- 냉동기-축열조-부하의 최적 설계 및 운전기술 연구


(3) 열전달 촉진기술

① 얼음은 열전도율 2.2W/m℃로 매우 낮다.

② 용기의 열전도 향상 방안(capsule)

③ 용기의 공극율에 의한 열전달 저하 해소책


(4) 저온 급기시스템의 개발

- 저온 급기를 하면 덕트 공간, 반송동력 등에 있어서 에너지 절약이 가능


(5) 장기 축열 시스템 개발

- 동굴 등을 이용하여 계절 간격으로 장기간 축열 (Seasonal Thermal Storage)


(6) 새로운 조핵제(助核劑) 개발

- 액이 과냉각 상태가 되면 결빙 온도가 내려가 이에 따라 증발기의 온도도 내려 가야하므로 COP가 저하


8. 빙축열 보급의 확대 방안


(1) 건물주나 설비 설계자에 대해, 빙축열 기술에 대한 신뢰를 갖도록 의식을 전환할 필요가 있음(운전사례 소개, 기술세미나 등을 통해)

(2) 빙축열에 추가로 소요되는 초기투자비를 빠른 기간내(3년 정도) 회수할 수 있도록 → 기자재의 국산화, 기술개발에 의한 원가절감에 노력

(3) 한국전력의 빙축열 설치자에 대한 지원 확대


 

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