건축기계설비(축열설비)

축열(축냉) 설비의 개요와 운전방식

축열설비(Thermal energy storage system)는 야간에 심야전기를 공급받아 냉동장치를 가동하여 얼음이나 물 또는 상변화물질 등의 축냉 매체에 냉열을 저장하였다가 이를 주간시간의 냉방에 이용하는 설비이다. 축냉 매체의 종류에 따라 크게 빙축열식(얼음), 수축열식(물), 잠열축열식(상변화물 질)으로 구분할 수 있다. 예전부터 빙축열식이 가장 널리 사용되어 왔으며 근래에 들어 수축열식의 적용도 늘어나고 있는 추세이다. 잠열축열식은 여러 가지 제기되는 문제점 때문에 상용화 사례는 거의 없다. 축냉설비는 저렴한 심야전력을 이용하여 주간 냉방을 하기 때문에 운전비를 대폭 절감할 수 있고, 일정 규모의 축열량을 보유하고 있어 부하 증가의 변동에 대응하기가 용이하다. 또한 주간부하를 야간에 분담함으로써 냉방열원장비의 용량을 기존보다 적게 할 수도 있다. 국가적으로도 축냉설비는 전력부하 평준을 통해 전력 수요관리에 도움을 주는데, 발전설비의 가동률은 높이고 효율적인 이용을 가능하게 한다. 최근 관심을 모으고 있는 대용량 전력저장시설(ESS) 역시 전력부하 평준화를 목적으로 하고 있으나, 축냉설비는 기존의 기술을 이용하여 효과적으로 전력부하 평준화에 기여하는 설비라고 할 수 있다. 축냉설비는 공공건물에서는 일정 규모 이상인 경우 의무적으로 설치하도록 법제화되어 있어 그동안 설치 사례가 많았으며, 민간에서도 전력 피크부하나 수전 용량의 절감, 건물의 냉방에너지 비용 절감 등을 위하여 설치하는 사례가 많았다. 또한 그동안 한국전력공사에서는 축냉설비 설치 시 전력 절감금액에 따라 일정 금액을 무상으로 지원해 주고, 심야전력을 주간 요금보다 저렴한 단가로 지원함으로써 축냉설비의 보급을 위해 노력해 왔다. 그러나 축냉설비는 축열조 설치에 따른 건축 면적이 추가로 필요하고 초기투자비도 많이 상승해야 하는 부담이 있다.

빙축열 시스템

빙축열시스템은 야간에 저온냉동기를 가동하여 축열조에 얼음을 제빙해 놓았다가 주간에 해빙시켜 냉방에 사용하는 방식이다. 야간에 물이 냉각되어 얼음으로 상변화 할 때 얼음 1kg당 79.68kcal의 열량을 저장해 놓았다가, 주간에는 반대로 축열조의 얼음을 녹이는 과정에서 융해열을 이용해 냉수를 냉각하게 된다. 물의 비열보다 큰 잠열을 이용하기 때문에 수축열방식보다 축열조의 크기를 1/5~1/8 정도로 작게 할 수 있다. 빙축열용 저온냉동기는 축열조에서 얼음을 만들어야 하기 때문에 증발온도가 매우 낮으며, 냉동기와 축열조 사이를 순환하는 열 매 체도 영하의 온도로 순환되어야 하므로 순수한 물에 부동액을 혼합 한 특수한 냉수(브라인)가 사용되고 있다. 이 브라인과 건물 쪽 일반 공조배관 계통과는 직접적으로 연결하는 것이 곤란하기 때문에 중간에 판 형열교환기가 설치되어 분리되어 있고, 냉방부하에 따라 브라인의 순환량을 3 way제어밸브가 조절하도록 구성된다. 간혹 열교환기에 설치된 브라인의 제어밸브가 오작동될 경우 일반 공조배관 쪽의 냉수가 결빙되어 열교환기의 동파사고가 발생하기도 하므로 제어밸브는 신뢰성이 좋아야 한다. 한편 빙축열시스템은 축열조의 내부에 제빙코일이나 캡슐 등이 가득 차 있는 경우가 대부분이고 축 열조의 용량도 수축열보다는 적어서 동절기 난방용 축열조로 겸용하기는 곤란하다. 최근 빙축열시 스템으로 난방을 하기 위한 연구가 일부 진행되고는 있으나 해결해야 하는 문제가 많아 쉽지는 않을 것으로 보인다.

 

수축열 시스템

수축열 시스템은 축열조에 얼음이 아닌 물의 현열을 이용하여 축냉 및 방냉 하는 시스템이다. 축열방 식이 간단하여 운전 관리가 용이하고 냉동기의 고효율 운전이 가능해 최근 수축열 시스템을 채택하는 사례가 증가되고 있다. 축열 방법에 있어서는 온도차에 의한 부력을 이용하여 수축열조에 저장하는 열성층화 방식이 많이 사용되고 있다. 냉동기에서 생산된 저온의 냉수는 축열조의 하부에 저장되고, 공조 장비에서 사용되고 온도가 높아져 되돌아온 미지근한 냉수는 온도차에 의한 경계층을 형성하면서 축열조의 상부에 저장되도록 하는 방식이다. 이 외에도 저장조의 중간에 가요성 고무막을 수평 또는 수직으로 설치하여 물리적으로 냉수와 온수를 분리시키는 분리막 방식, 여러 개의 분리된 저장조 중 하나를 빈 채로 두고 이곳에 온수를 받는 빈 수조방식 등도 간혹 사용되고 있다. 수축열 시스템은 빙축열에 비해 시스템이 간단하고 축열 매체로 물을 사용하기 때문에 유지관리비가 저렴하다. 또한 냉동기 축냉 운전 시 냉수의 온도(증발 온도가 높아 효율(COP)이 높아져 운전비 측면에서 유리하다. 그러나 수축열조가 매우 커서 설치 공간이 많이 필요하고, 개방형 수축열조일 경우에는 열손실이 발생하며 순환펌프의 동력이 커져야 하는 단점이 있다.

축열(냉) 설비의 운용방식

축냉설비는 냉방부하 대비 축열량의 규모에 따라 전부하 축열방식과 부분 부하축 열 방식으로 나뉜다. 100% (RT) 전부하 축열방식은 심야전력이 적용되는 시간대에서만 냉동기를 가동하여 다음날 필요한 냉동 부하 전체를 야간에 축열 하였다가 주간에 해빙하여 사용하며, 주간에는 냉동기를 가동하지 않는 방식이다. 저렴한 심야전력을 최대한 이용할 수 있어 운전비가 가장 많이 절감되고 시스템도 간단하나, 축열조 음의 용량이 커져 초기 투자비와 설치공간은 늘어나야 한다. 이에 반해 부분부하 축열방식은 심야시간에 냉동기를 가동하여 주간 냉방부하의 일부만을 축열 하였다가 주간에는 냉동기와 축열조를 동시에 가동하여 냉방하는 방식이다. 전부하방식보다 축열조와 냉동기의 용량을 줄일 수 있어 초기투자비와 설치공간은 줄어드나 주간 전력의 사용이 늘어나 운전 비는 증가된다. 그러나 축냉설비가 설치되는 현실적인 여건과 시스템 운영의 효율성을 고려하여 현재 국내 대부분의 축열 시스템에서 부분부하 축열방식이 적용되고 있으며, 보통 심야시간의 축열량은 다음날 필요한 냉방부하의 40~50% 수준으로 설정된다.