빙축열(축냉식 냉방), 열저장 시스템

빙축열(축냉식 냉방)

1. 개요

1) 축냉식 시스템의 개요

◎ 축냉식 시스템은 냉방부하로 인한 최대전력의 상승으로 야기되는 문제를 해결하기 위한
하나의 방안으로 하절기 주간 피크부하의 일부를 야간에 냉동기를 가동하여 축냉하였다
가 주간에 사용하는 방식이다. 주간에는 비교적 높은 온도의 브라인이 축열조를 순환하
여 저온이 된 후 판형 열교환기에서 냉수와 열교환하여 열을 흡열한 후 다시 축열조에
서 열을 방열하여 온도를 낮게 유지하는 설비이다.

◎ 이 때, 축열조에 저장된 부하가 부족할 경우 냉동기도 같이 가동하여 실내온도를 유지한
다. 야간에는 냉수계는 정지하고 저온 냉동기를 가동하여 브라인의 온도를 영하 이하로
유지하여 빙축열조의 열을 흡수함으로써 빙축열 조내에 냉열을 저장한다.

◎ 냉동기 운전방식에 따라 냉동기 우선방식 및 축열조 우선 운전 방식의 설계 및 운전을
할 수 있다

 

 

[그림 1] 축냉식 냉방기 용량 선정 원리(냉동기 우선 운전방식)

 

 

◎ 위의 그림은 축냉식 냉동기 용량을 선정하는 원리로 냉동기 단독운전일 경우 최대부하
만큼의 냉동기 용량을 선정하여야 하나 축냉식의 경우는 주간냉방운전시간대에 최대부
하중 필요한 열량의 일부를 심야에 냉동기를 가동하여 축열하며 주간에도 냉동기를 가
동하여 부족한 냉방부하에 대응하는 방식으로 전부하축열 방식의 용량에 1/2 정도 냉

동기 용량을 줄일 수 있다. 즉 주간기준 건물 최대부하 중에 축열냉방분과 냉동기운전
분을 고려하여 심야 축냉냉동기 용량을 결정한다. 나머지 운전 시간대에는 냉동기를 직
접 운전함으로서 주간 운전의 부하를 감당할 수 있도록 함이 필요하다.

◎ 냉동기 우선 운전 방식은 주간냉방시 냉동기를 일정한 용량으로 운전하여 일정용량의
냉방부하를 담당하고, 나머지 변동부하를 빙축열조의 냉방으로 처리하는 방식이다. 최
대부하를 안전하게 처리할 수 있으나, 일일 부하율이 작을 경우 축열량을 전부 사용하
지 못하게 됨으로 운전비가 상승될 수 있다.

 

 

[그림 2] 축냉식 냉방기 용량 선정 원리(축열조 우선 운전방식)

 

◎ 위의 그림인 축열조 우선 운전방식은 주간 냉방시 축열조의 축열량을 일정한 용량으로
방열시켜 일정용량의 냉방부하를 처리하고, 축열량을 유효하게 모두 사용할 수 있으므
로 운전비가 절감되지만 최대부하일의 경우 잘못 운전하면 최대부하시 냉방용량의 부
족현상이 발생 할 수 있다.

◎ 실제 시스템을 설계하는 경우에는 냉동기 우선이나, 축열조 우선방식에 제약을 두지않고
자동제어에서 저부하시는 축열조 우선방식으로, 고부하시는 냉동기 우선방식으로 운전하
는 것이 보통이다.

◎ 축냉식 시스템은 냉동기의 용량이 작아지고 고효율로 운전할 수 있으며, 갑작스런 부하
증가에 적절히 대응할 수 있고 실내 공기질이 양호하다는 특징이 있다. 축냉식 냉방기기
의 종류에는 빙축열, 수축열, 지열 시스템이 있다.

 

 

2) 절약원리

◎ 축냉식 냉방시스템의 원리는 물을 냉각하면 온도가 내려가 0℃가 되며 이를 더욱 더 냉
각하면 얼음이 된다. 액체에서 고체로 상변화될 때 응고열은 얼음 1kg당 335kJ을 저장
한다. 이와는 반대로 얼음이 물로 변할 때는 융해열 335kJ이 방출되며 축냉식 냉방시스
템은 이 잠열을 이용하여 냉방부하에 대응한다.

◎ 특정시간대에 집중되는 전력 수요를 분산하고, 전기사용량이 상대적으로 적은 심야시간
대의 수요를 증대시켜 전력설비를 효율적으로 이용하기 위하여 한국전력에서는 심야전
력기기에 별도의 전기요금을 적용하고 있으며, 심야시간대 (23:00~09:00)에 값싼 전력을
이용하여 얼음 혹은 물에 냉열을 저장했다가, 낮 시간에 건물 냉방에 이용하여 에너지사
용비용을 절감한다.

 

3) 구성요소

◎ 아래 그림은 빙축열 시스템 구성도를 나타낸다.

◎ 그림에서 보면 축냉식 시스템은 냉열을 생산하는 실외기와, 냉열을 저장하는 축냉(열)조,
그리고 냉열을 사용하는 공조기와 실내기 및 물을 순환하는 펌프 등으로 구성되어 있으
며, 심야시간에는 냉동기를 가동하여 축냉조에 냉열을 저장하고, 주간에는 냉동기를 정
지하고 축냉조의 냉열을 공조기나 팬코일에 순환시켜 냉방에 이용한다. 주간에 축열이
부족시에는 냉동기가 보충 축열을 저장하여 냉방을 하는 시스템이다.

 

 

[그림 3] 빙축열 시스템 구성도

 

 

2. 축냉식(빙축열) 시스템의 종류

1) 캡슐형(Encapsulated Type)

◎ 아래 그림은 캡슐형 빙축열 시스템을 나타낸다.

◎ 빙축열조 내에 탈이온화된 물이 들어있는 캡슐을 채우고 그 캡슐의 주위로 라인(부동액)
을 흐르게 하여 캡슐 내부의 물을 제빙 및 해빙시키는 방식
 - 캡슐의 대량생산이 가능하므로 대용량 시스템에 적용이 쉬움
 - 구조적으로 시공 및 관리가 매우 편리
 - 효율이 높아 운전비가 절약

 

 

[그림 4] 캡슐형 빙축열 시스템

 

 

 

2) 관외 착빙형(Ice-On-Coil Type)

◎ 아래 그림은 관외 착빙형 빙축열 시스템을 나타낸다.

◎ 빙축열조 내에 코일이 들어있으며 코일내로 차가운 브라인이 흐르면서 코일주위의 물을
얼리는 방식

 - 빙축열조의 모듈화가 용이하여 소형건물에는 유리
 - 대형건물일 경우에는 빙축열조 설치면적을 너무 많이 차지하는 단점

 

 

 

 

 

3) 슬러리형(Slurry Type)

◎ 아래 그림은 슬러리형 빙축열 시스템을 나타낸다.

◎ 프로필렌글리콜 등의 첨가제를 사용한 후 얼음을 긁어내는 스크래퍼형과 영하 1∼2℃ 의
과냉각수를 이용하는 과냉각수형이 있음

 - 제빙은 높은 효율로 운전 가능
 - 축열조의 설치면적이 캡슐형보다 30%이상 더 소요됨
 - Slurry Maker는 다수가 설치되어야 하고, 기계적 동작부위로 보수유지 복잡
 - 얼음입자가 서로 달라붙어 해빙효율 저하
 - 첨가제 농도관리에 세심한 주의 필요

 

 

[그림 6] 슬러리형 빙축열 시스템

 

 

 

3. 축열 방식 및 운전 방식

1) 축열 방식

가. 전 축열 방식

◎ 아래 그림은 전 축열 방식을 나타낸다.

◎ 주간 및 저녁시간대에 필요한 냉방에너지 전부를 심야시간대에 생산, 저장하였다가 저장
된 에너지만으로 냉방하는 방식

 - 냉동기는 심야시간에만 가동되므로 대부분 심야전력(갑)을 사용
 - 시스템 운전 간단
 - 축열조와 냉동기 용량이 커져 초기 투자비 및 설치공간이 늘어남
 - 제빙시 COP가 떨어지므로 제빙과 방열시간이 동일할 경우 일반시스템에 비해서는 냉
동기 용량이 커질수도 있음

 

 

[그림 7] 전축열 방식

 

 

나. 부분 축열 방식

◎ 아래 그림은 부분 축열 방식을 나타낸다.

◎ 주간 및 저녁시간대에 필요한 냉방에너지의 일부(40% 이상)만 심야시간에 생산, 저장되
고 필요할 때에는 축열조와 냉동기를 동시에 운전하는 방식

- 주간에도 냉동기가 운전되어야 하므로 심야전력(을) 사용
- 전 축열과 비교하여 초기투자비와 설치공간이 절약되나 운전비 증가
- 현재의 지원체계 및 전력요금 체제에서는 가장 경제적인 방식으로 대부분 부분 축열로
공급되고 있음

 

 

[그림 8] 부분축열 방식

 

 

2) 운전 방식

가. 축열조 우선 방식

◎ 아래 그림은 축열조 운전 방식을 나타낸다.

◎ 주간 냉방시 축열조의 축열량을 일정한 용량으로 방열시켜 일정 용량의 냉방 부하를 처
리하고, 나머지 변동부하는 냉동기를 가동시켜 처리하는 방식

-축열량을 유효하게 모두 사용할 수 있으므로 운전비가 절감
-최대부하일 경우 잘못 운전하면 최대부하시 냉방용량의 부족현상이 발생될 수 있음

 

 

[그림 9] 축열조 우선방식

 

 

나. 냉동기 우선 방식(Chiller Priority)

◎ 아래 그림은 냉동기 우선 방식을 나타낸다.

◎ 냉방시 축열조의 축열량을 일정한 용량으로 방열시켜 일정 용량의 냉방 부하를 처리하
고, 나머지 변동부하는 냉동기를 가동시켜 처리하는 방식

-최대부하를 안전하게 처리할 수 있음

-1일 부하율이 작은 경우 축열량을 전부 사용하지 못하게 되므로 운전비가 상승될 수
있음

 

 

[그림 10] 냉동기 우선방식

 

 

다. System 운전방법

a. 제빙 운전

◎ 아래 그림은 제빙 운전을 나타낸다.

◎ 축열조 내에 Ice-Bon을 열리는 운전으로서 냉동기는 저온 냉동 상태로 설정되어 냉각탑,
Brine Pump와 함께 가동된다. 이때 열교환기 측으로 Brine이 흐르지 않으며 심야시간에
얼음을 생산, 저장하는 경우에 운전

 

 

[그림 11] 제빙 운전

 

 

b. 동시 운전

◎ 아래 그림은 동시 운전을 나타낸다.

◎ 축열조와 냉동기를 동시에 가동하여 냉방하는 형태로 냉동기, 냉각탑, Brine Pump 등
모든 기기가 작동된다. 냉방 부하가 큰 하절기 한낮에 가동

 

 

[그림 12] 동시 운전

 

 

c. 축열조 단독 운전

◎ 아래 그림은 축열조 단독 운전을 나타낸다.

◎ 심야 전력으로 얼린 Ice-Bon을 녹여 냉방하는 형태로 Brine Pump 및 Chiller Pump가동
되며 냉동기는 가동되지 않는다. 냉방 부하량이 적거나 외기온도가 비교적 낮은 경우 등
으로만 냉방이 가능한 경우의 운전 형태로 주로 초여름 및 초가을에 운전

 

 

[그림 13] 축열조 단독 운전

 

 

d. 냉동기 단독 운전

◎ 아래 그림은 냉동기 단독 운전을 나타낸다.

◎ 축열조의 해빙을 지연 보류시킬 때와 축열조의 해빙이 완료 되었을 때 가동되며 축열조
에는 브라인이 순환되지 않는다. 여름철 오전 이른 시간대 및 오후 늦은 시간대에 주로
이용

 

[그림 14] 냉동기 단독 운전

 

 

 

e. 구성 방식

◎ 냉동기의 구성방식에는 아래 그림들에서와 같이 냉동기 선단 방식과 냉동기 후단 방식
이 있다.

◎ ① 냉동기 선단 방식(Chiller Upstream) : 냉동기를 축열조 상류측에 배치하는 방식

-열교환기를 통과한 브라인이 바로 냉동기에 유입되므로 냉동기 입구 브라인 온도가 높
아 냉동기의 운전효율은 높아짐

-축열조에 유입되는 브라인 온도가 낮아 축열조 방열 효율이 떨어져 축열조 용량이 커
지고 공사비도 증가

 

 

[그림 15] 냉동기 선단 방식

 

 

◎ ② 냉동기 후단 방식(Chiller Downstream) : 냉동기를 축열조 하류 측에 배치하는 방식

-열교환기를 통과하여 온도가 높아진 브라인이 바로 축열조로 유입되므로 축열조의 방
열효율이 높아져 축열조 용량이 줄어듬

-냉동기 입구수온이 낮아져 냉동기 운전효율은 나빠짐

 

[그림 16] 냉동기 후단 방식

 

 

4. 빙축열(축냉식) 시스템의 특징

◎ 심야전력시간에 주간 냉방부하의 일부를 축열하여 냉방에 사용하므로 열원 설비용량을
약 50% 정도로 축소시킬 수 있으며, 얼음을 직접 냉방에 이용하므로 냉방효과가 우수하
며 제습 및 저온급기 효과가 있다.

◎ 냉방부하가 적을 때에는 열원설비를 가동하지 않고 축열조에 저장된 에너지만으로 부하
에 대응할 수 있고, 냉방부하가 증대되면 냉동기 운전을 병행하여 부하에 대응할 수 있
어 건물의 냉방부하 증가시 냉동기의 교체 및 증설없이 축열 및 방열시간의 조정만으로
대응이 가능하다.

◎ 단위체적당 축열 밀도가 높은 물을 사용하기 때문에 탱크 용량이 작아진다. 따라서 축열

조 설치장소 선정이 자유롭고 시공에 유리하다. 하지만 제빙시 냉동기는 저온으로 운전
되므로 효율이 저하되는 단점이 있다.

 

 

<표 1> 축냉방식에 따른 냉방기기 특징

 

 

 

참고문헌
1. 한국에너지공단, 에너지 절약 시설편람, 2016
2. 한국전력공사, 축냉시스템(병축열)실태조사 및 성능최적화 운영방얀 연구, 2008

 

 

 

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