댄포스(Danfoss)는 지난 7월21일 ‘산업용 냉동시스템, 운영비 절감의 해답을 찾다’ 세미나를 서울스퀘어에서 개최했다고 밝혔다.

산업용 냉동시장은 최근 에너지절감과 친환경냉매, 디지털제어를 중심으로 고도화되면서 개별 부품보다 시스템 전체의 효율을 끌어올리는 통합솔루션의 중요성이 커지고 있다.

이에 맞춰 이번 세미나에서는 고효율 산업용 냉동시스템을 위한 NeoCharge기반 암모니아시스템 성능 극대화 전략과 함께 에너지효율을 높이기 위한 △액면제어 △밸브·배관 설계 △펌프제어 △핫가스제상 △불응축가스 퍼징 등의 영역별 솔루션이 소개됐다.

발표는 R Yuvaraj 댄포스 아태지역 IRF Technical Sales Consultant와 김민수 댄포스 코리아 IRF 매니저가 맡았다. 냉동공조 설비업체와 유지보수업체, 설계사무소 등 다양한 분야의 실무자들이 자리를 채웠으며 세션이 진행되는 내내 질문이 이어지는 등 관심이 뜨거웠다.

NeoCharge, 냉동능력 최대 40%↑·냉매충전량 최대 50%↓

댄포스는 산업용 냉동분야에서 냉동창고와 식음료, 화학, 석유·가스, 선박 등 다양한 산업을 대상으로 냉동·제어솔루션을 공급하고 있다. 기본적인 밸브와 부품공급을 넘어 전자제어제품과 냉매 최적화솔루션 등 시스템통합분야로 사업영역을 확대하고 있다.

산업용 냉동설비는 식품생산과 저장, 저온물류 등에서 많은 전력을 소비한다. 냉동시스템의 효율을 높이면 사업장의 운영비와 전력사용량을 동시에 줄일 수 있지만 기존 설비에는 다양한 비효율적 요인이 존재한다.

기존 온·오프(On/Off) 제어방식은 부하변화에 정밀하게 대응하기 어려우며 외기유입과 제상과정에서 추가적인 에너지손실이 발생된다. 유량변동을 보상하기 위해 필요 이상의 냉매가 공급되거나 과대설계된 냉매펌프가 실제 정격용량의 일부만 활용되는 문제도 발생한다.

흡입측 서보밸브에서 발생하는 압력손실과 과소설계된 이코노마이저 배관에 따른 진동도 시스템효율을 떨어뜨리는 요인이다. 냉매계통 내부에 수분이 침투할 경우 냉동성능이 저하되고 압축기의 전력소비가 증가할 수 있다.

암모니아 펌프순환식 시스템은 증발기에 실제 증발량보다 많은 액냉매를 공급한 뒤 남은 냉매를 다시 순환시키는 방식이다. 증발기 전열면을 액냉매로 충분히 적실 수 있어 부하변동 대응과 열전달 측면에서 유리하지만 냉매충전량과 펌프동력, 배관압력 손실이 증가하는 한계가 있다.

특히 암모니아는 냉동효율이 높고 GWP(지구온난화지수)가 낮은 자연냉매지만 독성을 가지고 있어 충전량이 증가할수록 누출에 따른 안전관리 부담도 커진다. 이에 따라 산업용 냉동시장에서는 암모니아의 장점을 유지하면서 전체 시스템의 냉매충전량을 줄이는 저충전기술이 중요해지고 있다.

김 매니저는 “댄포스는 냉수칠러 등 암모니아시스템에서 플로트 방식과 전자제어방식을 활용해 냉매충전량을 줄일 수 있다”고 설명했다.

플로트 방식은 기존 리시버 대신 HFI 플로트밸브를 적용해 시스템내부의 액냉매량을 기계적으로 조절하는 방식이다. 별도의 대형리시버를 줄이거나 대체할 수 있어 시스템구성에 따라 암모니아 충전량을 줄일 수 있다.

전자제어 방식은 AKS 4100과 같은 액면측정장치로 냉매 상태를 감지하고 전기적 신호를 통해 밸브를 제어한다. 운전부하에 맞춰 냉매공급량을 보다 정밀하고 유연하게 조절할 수 있다는 점이 특징이다.

암모니아와 이산화탄소를 함께 사용하는 캐스케이드시스템도 암모니아 충전량을 줄이는 대안으로 제시됐다. 저온측에는 CO₂사이클을 적용하고 고온측 일부에만 암모니아를 사용해 전체시스템에서 필요한 암모니아량을 낮추는 구조다.

댄포스가 제시한 ‘NeoCharge’는 기존 펌프순환식과 직팽식(DX)시스템의 단점을 보완하기 위한 정밀 냉매제어솔루션이다.

직팽식은 증발기에 필요한 양의 냉매만 공급하고 출구에서 냉매를 완전히 증발시키는 방식이다. 냉매충전량과 시스템 구축비를 줄일 수 있지만 액냉매가 압축기로 유입되는 것을 막기 위해 일정 수준의 과열도를 확보해야 한다. 이 과정에서 증발기후단에 열전달 성능이 상대적으로 낮은 과열구간이 형성되며 증발기 전체를 충분히 활용하기 어려울 수 있다.

펌프순환식은 증발량보다 많은 액냉매를 증발기에 공급해 전열면의 습윤상태를 안정적으로 유지할 수 있다. 다만 높은 순환비로 인해 냉매충전량과 펌프용량, 배관크기 및 압력손실이 증가한다.

NeoCharge는 운전조건과 관계없이 각 증발기에 필요한 만큼의 냉매를 정확하게 공급하는 솔루션이다. 정밀한 유량제어를 통해 에너지효율은 향상시키고 암모니아 충전량은 감소되는 것이 핵심이다.

김 매니저는 “NeoCharge는 펌프순환식시스템에서 일반적으로 높게 설정되는 냉매순환비를 약 1.5 수준으로 낮추는 것을 목표로 한다”라며 “증발기 성능은 유지하면서 냉매공급량과 압력손실을 동시에 줄일 수 있다”고 강조했다.

댄포스에 따르면 기존 펌프순환식 시스템에서 냉매순환비를 4로 운전할 경우 부분부하에서 압력손실이 오히려 증가할 수 있다고 설명했다. 반면 NeoCharge 적용 후 순환비를 1.5 수준으로 낮추면 냉매공급량이 기존대비 약 1/3 수준으로 감소하고 압력손실도 줄어드는 것으로 나타났다.

부분부하에서는 전자밸브가 실제 냉동부하에 맞춰 냉매유량을 낮추기 때문에 불필요한 펌프순환을 방지할 수 있다. 발표에서는 NeoCharge 적용 후 증발기출구의 온도 변화가 안정되며 약 9%의 에너지절감 효과가 확인된 사례도 소개됐다.

NeoCharge는 기존 설비의 운전효율뿐만 아니라 신규냉동시스템의 초기구축비 절감에 장점이 있다. 신규 시스템을 냉매순환비 1.5에 맞춰 설계하면 기존 고순환비 시스템보다 액펌프와 냉매배관, 리시버, 액분리기 등의 크기를 줄일 수 있다. 냉매충전량과 설비용량이 감소하면서 장비비와 배관공사비, 설치공간도 함께 줄일 수 있다.

NeoCharge센서는 히팅엘리먼트와 온도센서, 알루미늄 포켓 등으로 구성된다. 히팅엘리먼트에 열을 가한 뒤 센서에서 나타나는 온도변화를 측정해 배관 내부에 액냉매가 존재하는지를 판단하는 원리다. 액냉매가 충분하면 가해진 열이 빠르게 전달되고 냉매가 부족하면 센서의 온도가 상대적으로 크게 상승한다.

센서는 증발기에서 열부하를 가장 크게 받는 튜브에 설치되며 에어쿨러의 경우 공기유입 방향 앞쪽이 높은 부하를 받으며 풍량이 집중되는 중앙부에 센서가 부착된다. 클램프 방식으로 배관에 설치할 수 있어 기존 증발기에도 비교적 간단하게 적용할 수 있다.

정밀전자제어로 생산량 3배 증가

NeoCharge의 해외 적용사례도 발표됐다.

중국 Yinli 콜드체인 물류창고는 암모니아 냉매충전량을 10톤 이하로 낮추는 것을 목표로 NeoCharge를 도입했다. 복잡한 배관과 여러 냉각설비로 인해 기존 시스템의 냉매충전량은 약 13톤에 달했지만 적용 후 전체 충전량을 7톤 이하로 줄이면서도 액냉매를 안정적으로 공급한 것으로 나타났다.

미국 Perry's Ice Cream의 스파이럴프리저에도 NeoCharge가 적용됐다. 기존설비는 증발온도가 약 -48℃까지 낮아졌음에도 프리저 내부 공기온도가 -37℃ 이하로 충분히 내려가지 않아 아이스크림바 생산량을 높이는 데 한계가 있었다. NeoCharge 적용 후에는 공기온도가 약 -41℃까지 낮아졌으며 증발온도는 상승해 압축기의 운전부담이 감소했다. 냉동효율과 생산성이 함께 개선되면서 생산량도 기존대비 약 3배 증가한 것으로 소개됐다.

NeoCharge는 다양한 온도대의 냉동창고와 냉각터널, 펌프순환식 및 직팽식 증발기에 적용할 수 있다. 냉매 공급방향도 하부와 상부, 측면 등으로 구성할 수 있으며 스테인리스강과 탄소강, 알루미늄코일에도 설치할 수 있다.

다만 적용 전에는 P&ID와 증발기 데이터시트, 헤더사진, 코일과 밸브스테이션 및 제어패널 사이의 거리 등을 확인해야 한다. 냉매 내 수분농도가 높거나 시스템클리너가 설치되지 않은 오래된 저온설비는 사전점검이 필요하다.

하나의 밸브로 여러 대의 에어쿨러를 동시에 제어하는 시스템에는 적용이 제한될 수 있다. 증발기마다 냉동부하와 냉매상태가 다르기 때문에 기본적으로 증발기 한 대당 NeoCharge 한 세트와 개별 전자밸브가 필요하다.

중력순환식 시스템도 적용이 어렵다. NeoCharge는 전자밸브를 통해 냉매공급량을 능동적으로 조절하는 기술이기 때문에 자연순환만으로 운전되는 구조에서는 제어효과를 확보하기 어렵다.

댄포스는 NeoCharge를 적용하면 운전조건에 따라 시스템 냉동능력을 최대 40% 높이고 냉매 충전량은 최대 50%, 에너지비용은 최대 20% 줄일 수 있다고 설명했다.

김 매니저는 “산업용 냉동시스템의 효율향상을 위해서는 냉매충전량과 순환비, 압력손실, 부분부하운전까지 통합적으로 살펴야 한다”라며 “정밀전자제어를 통해 기존 시스템의 성능을 개선하고 환경·안전리스크를 줄이는 것이 중요하다”고 강조했다.

온·오프에서 비례제어⋯ 정밀 액 레벨 제어

액면제어방식의 한계도 다뤄졌다. 냉수 2℃ 공급을 목표로 하는 칠러시스템에 온·오프 제어를 적용하면 냉수온도 변동폭이 커지면서 증발온도가 함께 흔들려 실제로는 목표치인 2℃가 아닌 3~4℃ 수준에서만 부하온도가 형성되며 열교환기 결빙과 생산량 저하로 이어질 수 있다. 같은 시스템에 비례제어를 적용하면 액 레벨이 일정하게 유지되면서 0.5℃ 수준의 정밀온도제어가 가능하며 투자회수기간도 1년 안팎이다.

이를 구현하는 댄포스 전자식 액추에이터는 기존 모델보다 여러부분이 개선됐다. 디스플레이와 상태표시등을 갖춰 현장에서 밸브상태를 바로 확인할 수 있으며 스마트폰 앱과 RS485통신으로 상위 제어시스템과도 연동된다. 볼트 2개만으로 설치가 끝나는 마운팅구조와 완전 밀폐구조로 수분침투를 막았고, 자가진단기능과 2단(2-step)제어기능도 새로 추가됐다. 액면측정장치인 AKS 4100은 서리나 기포 등 주변 조건에 영향을 받지 않고 대상만 정확히 감지해 설정과 시운전이 간편하다. 펌프제어용 컨트롤러 EKC 347은 최대 3대의 펌프를 하나로 통합 운전하면서 지속적으로 상태를 모니터링해 고장을 예방하고 펌프수명도 늘린다.

전자식 밸브·배관 설계, 압력손실 최소화

밸브·배관설계 개선효과도 실측수치로 제시됐다. 냉각용량 200kW·증발온도 -3℃ 조건에서 기계식밸브를 전자식(IC)으로 바꾸면 압력손실이 1.5bar에서 0.5bar로 낮아지며 압축기효율 개선을 통해 2년 안팎에서 투자비를 회수할 수 있다. 냉각용량 150kW·증발온도 -40℃ 조건에서 기계식밸브대비 전자식(ICM)밸브를 적용했을 때는 압력손실이 4bar에서 1bar로 줄어 10~12%의 에너지절감으로 이어졌다.

배관설계에서는 흡입측 수직배관을 이중배관으로 구성해 부분부하 시 더 작은 배관을 쓰도록 하면 부하에 맞는 냉매유속을 확보해 오일회수도 원활해진다는 점이 소개됐다. 밸브형태에 따른 차이도 다뤄졌는데 스트레이트타입 스톱밸브는 앵글타입보다 압력손실이 더 크게 나타나 제어밸브를 고를 때 형태별 압력손실까지 함께 따져야 한다. 배관시공측면에서는 ICF밸브 스테이션이 소개됐다. 개별밸브를 하나하나 용접해 연결하던 기존 방식과 달리 용접포인트를 단 2곳으로 줄이고 배관길이도 단축해 시공시간과 비용, 용접불량에 따른 누설리스크를 함께 줄인다.

고정속도로만 운전되는 기존 냉매순환펌프는 부분부하조건에서도 불필요하게 고속으로 돌아가며 에너지를 과도하게 소모한다. 김 매니저는 컨트롤러와 가변속드라이브(VSD), 컨트롤패널로 구성된 솔루션을 적용하면 부하에 맞춰 펌프속도를 자동 조절해 배관계의 소음·진동까지 함께 줄일 수 있으며 최대 58%의 에너지를 절감할 수 있다고 밝혔다. 이 절감량은 55㎡ 규모 태양광패널의 발전량과 맞먹는다고 설명했다.

핫가스제상, 액 배출방식 전환 시 연 304MWh 절감

핫가스제상 방식 개선도 소개됐다. 기존 압력제어 방식은 증발기 압력이 설정값(제상압력)에 도달할 때까지 핫가스를 계속 공급하는 구조로 제상이 실제로 끝난 뒤에도 기체와 액체 구분 없이 냉매가 압축기로 유입돼 불필요한 압축 일량이 발생한다. 반면 플로트식 액 배출 제어(ICFD)는 증발기에서 응축된 액냉매만 감지해 수액기로 돌려보내고 응축액이 더 이상 넘어오지 않으면 그 시점에 제상을 종료한다.

김 매니저는 “압력제어 방식에서 우회되는 핫가스는 전체 에너지의 60~70%까지 낭비될 수 있다”라며 “400TR 규모 에어쿨러가 하루 3회, 회당 30분씩 제상하는 조건을 기준으로 ICFD 적용 시 연간 약 304MWh의 전력 소비를 줄일 수 있고 이는 전체 냉동플랜트 에너지소비의 약 15%에 해당한다”고 설명했다.

불응축가스(NCG) 퍼징도 소개됐다. 응축기 온도가 1℃ 오를 때마다 약 3%의 에너지가 추가로 소모되며 증발기 밀도 저하는 냉각능력과 COP에 직접 영향을 미치는 만큼 불응축가스를 최대한 제거해야 한다. 다만 퍼저 용량이 클수록 처리속도는 빠르지만 분리온도가 상대적으로 높아 암모니아와 불응축가스가 충분히 분리되지 않아 손실률이 커지고 반대로 용량이 지나치게 작으면 퍼징에 최대 35일까지 걸릴 수 있어 무조건 큰 용량이 답은 아니다.

이에 대한 솔루션으로 소개된 지능형 에어퍼저 ‘IPS 8’은 독립된 냉동사이클을 갖추고 냉매로 프로판(R290) 150g 미만을 사용해 폭발위험 없이 -40℃ 수준까지 냉각하면서 암모니아와 불응축가스를 효과적으로 분리한다. 이를 통해 암모니아 손실률은 약 7.5% 수준으로 낮아진다. 여러 퍼지 포인트를 순차로 점검해 불응축가스가 없다고 판단되면 다음 포인트로 넘어가는 방식이어서 불필요한 퍼징 자체를 줄이는 것도 특징이다.

세미나가 끝난 뒤에는 발표에서 다룬 솔루션들을 직접 눈으로 확인할 수 있는 시간도 마련됐다. △IPS 8(Intelligent Purging Solution 8) △NeoCharge △STL 포트폴리오 △가스감지기(Gas Detector) 등의 제품이 전시돼 참석자들은 발표에서 다뤄진 원리를 실제 부품과 함께 확인할 수 있었다.

이번 세미나는 냉매충전량 저감부터 액면·펌프제어, 배관설계, 제상, 퍼징에 이르기까지 산업용 냉동시스템 전반의 에너지 손실 구간을 짚고 실측데이터에 기반한 개선방안을 제시했다는 점에서 국내 냉동공조업계가 운영비절감 전략을 구체화하는 데 실질적인 참고가 될 것으로 보인다.