축열시스템의 개요

축열시스템의 개요

○ 축열의 활용방법에는 축열조 방식, 태양열 방식, 집단에너지 같은 방법이 사용되어 지고
있다

○ 축열조란 고온수와 저온수의 밀도차를 이용하여 서로 혼합되지 않고 온도의 성층화를
유지하며, 열손실이 최소화되도록 제작 설치된 저장탱크를 말한다.

○ 축열조는 지역냉난방 공급수와 환수 사이에 상하 유동이나 와류가 발생하지 않도록 밀
도차에 의해 고온수와 저온수의 경계층이 형성되고 경계층은 물의 열전도율에 의한 두
께만큼 형성되면서 성층화 된다.

○ 이러한 축열조 내의 성층화는 밀도 차이로 주어지는 부력효과와 유입되는 유량, 축열조
의 크기와 형상에 가장 큰 영향을 받는다.

 

1. 축열조 방식

1) 개요 및 목적

○ 축열식 시스템은 심야전력을 이용하여 축열조에 냉열을 저장하였다가 주간 냉방시간에
이 냉열을 사용하는 시스템으로, 하절기 피크억제와 기저부하 증대를 통한 부하율 향상
을 목적으로 보급되고 있다. 부분축열의 경우 주간부하의 일부를 야간에 가동하여 축냉
하기 때문에 냉동기의 용량을 줄일 수 있고, 극심한 부하변동에도 축열분으로 각 부하에
대처하는 능력이 뛰어나 쾌적한 냉방이 가능하며, 연간 냉방시간이 길거나 냉방용량이
큰 건물의 경우에 더욱 유리하다. 다음과 같은 경우, 축열조 방식으로의 개조를 생각해
볼 수 있다.

⑴ 내부부하의 증가와 건물의 증축으로 인하여 열원 용량이 부족하게 되었을 경우

⑵ 냉동기의 부분부하 운전이 많아, 부분부하 운전에 따른 성적계수의 감소가 발생할
경우

⑶ 심야전력을 사용하여 전력요금을 저감시키고 싶을 경우

⑷ 계약전력을 저감하여 기본요금을 절감하고 싶을 경우

⑸ 열회수 시스템을 채용하고 싶을 경우

○ 이상과 같은 경우에 축열조방식을 채용해서 에너지 절약과 경제성 둘 또는 어느 하나라
도 얻고 싶을 때에 적용하는 것이 유리하다.

 

 

2) 설계원리 및 효과

○ 축열시스템은 수축열, 잠열축열 2가지로 크게 구분되고, 잠열축열시스템은 빙축열과 공
융염축열로 나눌 수 있다. 잠열축열 가운데 빙축열방식은 물의 상변화에 따른 잠열(약
80kcal/kg)을 이용하기 때문에 비교적 작은 체적에 효율적으로 냉열을 저장할 수 있어
현재 국내에 가장 많이 보급되어지고 있다.

가. 수축열시스템

○ 축열조에 낮은 온도로 저장되어 있는 열저장재의 현열변화를 이용하는 방식으로, 축열재
로는 체적열용량과 비열이 크고, 부식성, 수명, 가격 등 모든 면에서 우수한 물이 일반적
으로 쓰이고 있다. 수축열방식의 경우 축열온도가 0℃ 이상이므로 타 방식에 비해 높은
냉동기 COP를 갖고, 저온냉동기가 아닌 일반냉동기를 사용하므로 초기 투자비가 저렴하
다. 또 물을 90℃정도까지 높일 수 있으므로 겨울철에는 난방으로도 이용 가능하다. 그
러나 수축열방식은 빙축열방식과 비교해 수배나 큰 축열조로 인하여 설치 부피가 커지
는 단점이 있다. 수축열방식의 경우 냉동기의 COP를 높이고, 부하측 효율을 높일 수 있
도록 온도성층화를 극대화 시키는 것이 중요하다.

나. 잠열축열시스템

○ 축열물질의 상변화시 수반되는 높은 잠열량을 축열에 이용하는 방식으로, 축열조의 부피
를 줄일 수 있는 장점이 있다. 축열재료는 물, 공융염, 포접화합물 등이 쓰이는데, 잠열
용량이 크고, 열교환이 용이하고, 작은 부식성과 높은 수명을 갖는 동시에 가격경쟁력이
있는 물(얼음)이 가장 좋은 축열재로 평가받고 있다. 또한 물을 축열재로 사용하는 빙축
열시스템이 잠열축열식 냉방시스템의 거의 대부분을 차지하고 있기 때문에, 일반적으로
빙축열시스템으로 통칭하고 있다.

 

 

<표 1> 잠열축열 시스템의 종류와 특성

 

 

3) 축냉시스템의 종류와 특징

○ 축열시스템은 펌프의 반송동력을 증가시키므로, 단독으로는 경제성을 확보하기는 어렵다
(특히 고층 건물의 경우). 따라서 축열시스템에 열회수시스템을 조합시켜 에너지 절약을
가능하게 한다. 한편 경제성에 관해서는,

⑴ 열원장치와 보조 기기의 용량 절감

⑵ 전부하의 높은 성적계수로 축열시킴에 따른 전력사용량의 절감

⑶ 심야전력의 사용에 따른 요금 절감
등을 최대한으로 이용하면, 상당한 에너지 절약을 얻을 수 있다.

 

 

4) 축열조의 구조

○ 축열조의 기본적인 형태는 아래 그림에 나타낸 바와 같다.

 

[그림 1] 축열조의 기본 형태

 

 

○ 건물의 특성을 고려할 때, 기존 건물에서의 적용은 아래와 같다.

 ① 공장
부지에 여유가 있을 경우 Ⅲ, Ⅳ형을 생각할 수 있다.
 ② 고층건물
부지에 여유가 있을 경우에는 Ⅲ, Ⅳ 혹은Ⅰ, 여유가 없을 경우에는 최하층의 이중바닥
을 이용하여 Ⅰ 혹은 Ⅱ를 적용할 수 있다.
 ③ 저층 건물
저층건물의 경우 이중바닥과 부지의 여유가 거의 없는 경우가 대부분이다. 이 경우 기

계실 혹은 거실의 일부를 개조해서 Ⅲ형을 적용한다.

○ Ⅰ, Ⅱ형을 사용할 때의 주의사항을 기술한다.

① 축열조의 단열·방수를 충분히 한다(특히, 윗면에 주의한다).

② 연통관은 가능한 원칙에 따라 상하좌우의 지그재그 배치로 한다.

③ 냉동기의 제어 방식을 아래그림과 같이 한다.

④ 공조기의 냉온수 제어가 3방밸브 제어일 때는, 바이패스 측을 최대한 닫아서 2방밸
브 처럼 사용한다.

⑤ 펌프의 양정을 증대시킨다. 공간에 여유가 있으면 동력회수장치를 설치한다.

⑥ 냉수온도 상승에 따른 코일 능력을 체크한다.

 

 

[그림 2] 축열식 냉동기 제어

 

 

2. 태양열 방식

1) 개요 및 목적

○ 강렬한 태양에너지를 집열기에 집열하여, 여름철에는 흡수식냉동기를 가동시켜 냉방을
하고, 겨울철에는 난방용으로, 또한 1년 내내 급탕용으로 이용하여 에너지를 절감한다.

2) 효과

○ 태양열 냉난방은 불안정한 태양열을 이용하므로, 반드시 중복설비를 원칙으로 한다. 이
점에서 기존 건물에의 응용에 따른 경제성과 에너지 절약성의 검토가 필요하다. 급탕용
은 경제성이 성립단계에 도달하였고, 냉방용은 50% 정도의 자금 보조가 있으면 경제성
이 성립하고, 난방용은 급탕과 냉방의 중간이라고 말할 수 있다. 그러나, 전력, 연료 등
의 에너지 단가를 1년당 10% 정도 이상의 상승을 가정하고, 설비의 내구년수가 20년 이
상 보증된다고 가정할 경우 자금 보조가 없어도 경제성은 충분히 성립된다. 점차적으로
태양전지의 cost down, 고온 집열기의 개발이 이루어지면, total system으로서의 효율
향상에 의해 경제성이 성립될 것이다.

3) 시스템

○ 시스템에 대해서는 아래 그림에 간략하게 나열했다. 냉방을 포함시킨 것을 전제로 하면,
흡수식, Rankine cycle engine식, 흡습식(Desicant식), 태양 전원구동 터빈펌프식 가운데
서, 흡수식이 가장 실용적이며, 기존 시스템, 혹은 증설 시스템용으로서 이용하기 쉽고
효율도 좋다.

 

 

[그림 3] 태양열 냉난방 시스템

 

 

 

[그림 4] 태양열 이용 흡수냉동기 시스템

 

 

4) 적용시 주의사항

⑴ 배관 단열을 완벽하게 한다.

⑵ 집열 운전제어를 제조사의 표준에 따라서 신중하게 계획한다.

⑶ 동결방지를 고려한다.

⑷ 불필요한 연소 방지계획이 필요하다.

⑸ 30°이하의 각도로 설치하는 경우에 주의를 요한다.

⑹ 보조열원 투입의 제어를 계획한다.

⑺ 설치 강도 특히 내풍, 내설 등에 주의한다.

 

3. 집단에너지

1) 개요 및 목적

○ 주거, 상업지역 또는 공업지역과 같이 다수의 열수용가에 개별적인 난방용 열원시설을
갖추지 않고 1개소 또는 수 개소의 집중된 열원설비로부터 에너지를 일괄 공급하는 시
스템을 말한다. 대규모의 열원생산시설에서 경제적으로 생산된 열원을 일정 지역 전체에
일괄 공급하는 도시 기반시설로, 에너지 절감 효과와 공해감소 효과가 있다. 열생산은
열병합 발전방식이나 소각로, 상업폐열, Heat pump 등을 이용하는데 주 방식은 열병합
발전방식으로 우리나라의 목동이나 서울화력발전소도 이에 해당된다. 집단에너지 공급사

업은 크게 나누어 공단지역의 열병합 발전사업과 주거지역에 대한 지역냉난방사업, 소집
단 지역난방 및 자가 열병합발전 등을 들 수 있다.

가. 지역냉난방

○ 지역난방은 한 개의 도시 또는 일정지역 내에 있는 주택, 상가, 사무실, 학교, 병원, 공장
등 각종 건물이 개별적으로 난방설비를 갖추지 않고 1개소 또는 수개소의 집중된 열원
플랜트를 건설하여 난방 및 급탕에 필요한 중온수(80~120℃)를 생산, 열수송관을 통해
각 수용가에 공급하는 방식이다. 지역냉방은 일반적으로 주거 및 건물밀집지역인 지역난
방대상에 냉방열을 공급하는 것을 뜻하나 넓은 의미에서 산업단지 집단에너지공급대상
인 공장 등에 냉방열을 공급하는 것도 지역냉방으로 해석할 수 있다.

나. 소집단 지역난방

○ 일반적으로 주열원설비로 열병합발전설비(디젤엔진식, 가스엔진식, 가스터빈식)에 의한
전력생산과정에서 발생되는 고온의 배기가스열을 폐열회수장치를 이용하여 증기 또는
온수형태로 생산, 주로 도심지내의 2-5개의 빌딩에 냉난방을 하는 방식으로서 서구유럽
과 일본등지에서 보급이 활성화되고 있는 열공급방식이다. 통상 엔진 발전기 및 가스터
빈 발전기는 액체 또는 기체연료를 사용하는 것으로서 발전효율이 30∼40%이므로 고온
의 배기가스열(엔진인 경우에는 냉각열 포함)의 손실이 필연적으로 수반된다. 이와 같은
손실에너지는 폐열회수장치를 부착하여 증기 또는 온수형태로 회수해 사업주가 다른 인
근 건물이나 산업체에 공급한다.

다. 자가 열병합발전

○ 산업체의 자가 사용 및 빌딩, 호텔, 종합병원, 센터 등 대형 건물에 설치되는 동일건물용
열병합발전 설비를 말한다. 최근 정유공장 등 산업체 열병합 발전사업 중 생산공정에서
부수적으로 발생되는 에너지(부생가스를 이용한 가스터빈을 설치하여 자가발전함으로써
공정에 소요되는 전기를 충당하고 가스터빈 발전기에서 배출되는 고온의 폐가스(연소 배
기가스)를 열분해로에 공급하거나 혹은 폐열 보일러를 이용하여 증기형태로 회수, 공정
에 활용하는 방식이 많이 도입되고 있다.

2) 집단에너지의 효과

⑴ 에너지의 대량생산 시스템으로 생산원가가 타방식에 비해 낮아짐

⑵ 기계 교체비용, 수선유지비, 전력비, 인건비 등의 부대비용 감소

⑶ 열병합발전 도입 및 폐자원 활용에 따른 에너지 이용효율 향상에 의한 대규모의 에
너지절감

⑷ 연료 사용감소 및 단일 플랜트의 공해방지시설 집중관리로 대기 환경개선

⑸ 수용가의 개별보일러의 미설치로 폭발, 화재 위험 방지

⑹ 집단에너지공급에 의한 산업 및 주거부문에 편의제공

⑺ 연료다원화에 의한 석유의존도 감소 및 폐자원 활용 증대

⑻ 에너지사용량에 따른 요금부과로 소비자의 자율적인 에너지 절약 유도

⑼ 열병합발전에 의한 하절기 첨두부하 및 발전소 부지난 완화에 기여

⑽ 열과 전기를 각각 별도의 설비에서 생산하는 방식에 비해 설비투자액 감소

 

 

참고문헌
1. 한국에너지공단, 건물에너지절약기술, Web
2. 한국전력공사, 축냉시스템(병축열)실태조사 및 성능최적화 운영방안 연구, 2008
3. 중대형 성층축열조 최적설계 및 제작기술 개발 (산업자원부, 2003)

 

 

축열시스템의 개요

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