207-212.pdf3.67MB

1. 서 론

 1970년대 이전에는 대부분의 공기조화장치는 그 당시에 연료가 풍부하고 연료비가 저렴한 관계로 시스템을 설계할 때에는 에너지 절약에는 전혀 관심을 기울이지 않았다. 그러나 두 차례의 석유파동을 겪으면서 연료의 비용이 상승하고 화석연료의 지나친 사용으로 지구온난화의 우려가 증대되면서 에너지 절약형 시스템에 관심을 갖게 되었다. 또한 공기조화장치는 단순히 여름철의 냉방과 겨울철의 난방을 실시하는 시대에서 에너지를 효과적으로 이용하면서 쾌적한 환경을 요구하는 시대로 바뀌고 있다. 이러한 시대적인 흐름에 따라 공기조화장치에 사용되는 보일러, 냉각기(Chilled water plants), 열교환기 등의 성능을 향상시키고 시스템제어 기술을 개발 하고 있으며, 현재는 거의 한계에 이른 실정이라서 새로운 개념의 공기조화장치 개발이 필요하다(Ashrae Handbook, 1996; Ashrae Handbook, 1997; Ashrae Handbook, 1999).

 수십 년에 걸친 변화 속에서 수많은 공조방식이 생겨났지만 그 중에서도 대표적으로 중앙집중방식과 패키지유니트방식을 들 수 있다. 중앙집중방식은 열원기기를 한곳에 모았으므로 규모의 장점과 열회수장치와 축열조 이용에 의한 에너지 절약에 의해 중 대형 공간에 이용되었다. 한편 패키지유니트 방식은 단순함, 용이한 조작, 개별제어 등을 이유로 소형, 중형 공간에 이용되었는데, 최근 제어기술과 성능 등의 진보된 기술을 적용함으로써 온도, 풍량, 풍속, 운전시간 등에 대해 개별제어가 가능하게 되어 이것을 개별공조방식이라 부르게 되었다(Tae, 1994).

 현재 선박의 공기조화장치는 AHU(Air Handling Unit)로 공기의 가열 가습 또는 냉각 감습 등과 같이 온 습도를 조정하여 열교환 된 공기를 송풍기(Fan)와 덕트(Duct)를 통해 거주구역으로 보내 냉 난방을 실시하고 있다. 하지만 중앙집중방식 공조시스템으로 이루어져 있어 공조기를 가열 혹은 냉각하기위한 열원을 만드는데 성능 및 에너지 효율상 많은 개선이 필요한 실정이다. 즉, 냉수(Chilled water) 또는 증기(Steam)를 이용해 열교환 공기를 보내야하므로 에너지 효율상 문제점과 열원의 전달과정에서 손실 등을 무시할 수 없는 실정이며, 이에 따른 거주구역별 냉 난방 편차가 커져, 쾌적한 온 습도 환경을 만들어내지 못하는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 기존의 중앙집중방식 공조시스템의 열원에 따른 성능개선과 열전달 손실을 최소화하며, 거주구역별 독립 냉 난방이 가능하게 함으로써 쾌적한 온 습도 환경을 조성하는 공랭식 에어컨을 이용한 개별분산 공조시스템에 관한 연구를 하고자 하였다.

2. 공기조화장치의 설비 이론

2.1 기존의 중앙집중방식 공조시스템

 공기조화(Air conditioning)란 주어진 공기조화공간의 냉 난방에 있어서 공기량의 조절, 기류 및 청정한 공기, 환기, 온도, 습도 조절 등을 함께 조절하여 사용 목적에 맞게 쾌적한 환경을 유지시키는 것을 말한다. 따라서 공기조화는 사용목적에 따라 공기의 상태를 조정하여 인간이 거주하기 위한 쾌적한 생활환경을 만들고, 기계에 대해서는 최적의 공기상태를 제공하여 기계의 효율을 높이는 것을 말한다.

 Fig. 1은 중앙집중방식 공기조화장치 AHU의 구성도를 나타낸다. 중앙집중 공조시스템은 공기를 냉각 또는 가열하는 열원장치인 보일러, 냉각기를 이용해 공기조화기의 부하에 알맞은 만큼 열량을 공급하여 각 거주구역별 공기조화장치로 일괄적으로 보내어지게 되는데, 이에 따른 에너지 손실과 효율적인 측면에서 거주구역별 성능상의 편차가 심하며,특히 열원을 제어하고 감시하는데에는 많은 불편함과 애로사항이 발생한다. 또한 열원에서 생산된 냉수 또는 증기를 공급하기 위한 배관과 이송 펌프, 온 습도제어장치 등 기타 부가적인 장치들이 많이 요구되어진다.

Fig. 1. Schematic diagram of the current Air Handling Unit.

2.2 공랭식 에어컨을 이용한 개별분산 공조시스템

 공랭식 에어컨을 이용한 공기조화장치는 기존 중앙집중방식 공기조화장치의 문제점을 해결함과 동시에 장치의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 공조시스템을 말한다. 즉, 열원을 이용하는데 있어서의 에너지 효율적인 측면과 제어와 감시시스템, 성능 등을 개선 보완한 개별분산 공조시스템을 말한다. 장치의 구성과 작동원리는 기존 장치와 큰 차이가 없으나, 공랭식 에어컨(전기히터 내장형)을 거주구역별 공기조화장치에 직접 설치하고, 덕트를 송풍기 부분과 내기 공기흡입라인에 신설하여 Fig. 2와 같이 구성하였다. 공랭식 에어컨을 공기조화장치에 직접 설치하였으므로 기존의 열원의 전달방식에 따른 열손실이 전혀 없으며 공랭식 에어컨의 콘트롤러를 이용하여 쉽게 조작 및 제어가 가능하고, 온 습도를 감시할 수 있다. 또한 각 거주구역별 독립 냉 난방 시스템이 가능함으로써 에너지 효율이 향상되어지고, 공조운전시간을 자유롭게 이용가능하다.

Fig. 2. Schematic diagram of the Air Handling Unit by using Air-cooled Air conditioner.

 본 실험에 사용된 공기조화장치의 기술적인 자료는 Table 1과 같다.

Table 1. Technical data of system Air Handling Unit

3. 실험장치 및 방법

3.1 실험장치

 본 연구는 목포해양대학교 실습선 새누리호를 이용하여 실험하였다. 사용된 공기조화장치는 Fig. 1에서와 같이 열원이 분리된 기존의 중앙집중방식 공기조화장치와 공기조화장치에 직접 공랭식 에어컨과 덕트를 설치하여 구성한 공랭식 에어컨을 이용한 공기조화장치를 제작하였다. 공랭식 에어컨의 냉방능력은 24 kw, 소비전력 8.85 kW, 사용냉매는 R-22, 난방능력은 24 kw, 소비전력 24.5 kW였으며, 공랭식 에어컨에 덕트를 설치하고 댐퍼를 이용하여 풍동을 조절하였다. 덕트의 단면크기는 500(W) × 200(H) mm이며 두께는 2 mm이고 재질은 알루미늄이다. 냉방능력에 따라 댐퍼 레버를 설치하여 풍동을 제어하기 쉽도록 하였다.

 Fig. 3은 본 연구에 사용된 공랭식 에어컨을 이용한 공기조화장치를 나타낸다.

Fig. 3. Photo of experimental apparatus.

3.2 실험방법

 실험은 동일한 외기조건인 대기온도 34℃, 습도 80 %에서 공기조화장치의 Fan section 출구 온도를 18℃로 설정한 상태에서 기존의 방식으로 운전하는 경우와 공랭식 에어컨을 이용하여 덕트를 설치하여 운전하였을 경우, 크게 두 가지경우를 나누어 실시하였다. 이와 같은 실험조건에서 냉방시에는 Chilled water plants의 압축기 흡입압력 및 토출압력, 부하(Load) 등을 평가하였으며, Chilled water plants의 기술적인 자료는 Table 2에 나타내었다.

Table 2. Technical data of system Chilled Water Plants

 냉방 시 압축기가 소비한 동력(AW)은 부하에 따라 측정하였으며, 냉동능력(Q)은 식 (1)과 같이 계산하였고, 성능계수(COP)는 식 (2)와 같이 계산하였다.

 위의 식에서 M 은 증발기 취출 공기량(Kg), Tina과 Touta는 증발기 입 출구 공기온도(℃)를, c_p는 공기의 정압비열(kcal/kg℃)을 나타낸다(Kim, 2012).

 난방 시에는 보일러의 연료소모량을 제외한 보일러 운전시소비동력과 공랭식 에어컨을 이용한 전기히터 사용 시 소비동력을 평가하였다. 실험 시 장치의 온도 및 압력은 온도센서를 부착하여 계측하였으며, 데이터의 신뢰성을 확보하기 위해 평균하여 처리하였다. 또한 소비동력은 Running hour meter를 설치하여 측정하였다.

4. 실험결과

4.1 냉방 성능 실험

 Fig. 4는 대기온도 34℃, 습도 80 % 조건에서 실내온도 25℃ 정도로 동일하게 유지한 상태에서 기존의 방식으로 운전하는 경우와 공랭식 에어컨과 덕트를 설치하여 운전하였을 경우, Chilled water plants의 압축기 흡입압력(Suction press)과 토출압력(Discharge press)을 나타낸 결과이다. 그림에서와 같이 압축기 Auto mode시 흡입압력의 경우, 공랭식 에어컨을 이용한 경우에 흡입압력은 4.5~4.7 bar 정도를 나타냈고, 토출압력은 14.2~14.8을 나타냈다. 기존의 경우보다 흡입압력은 약 0.5 bar 정도 높아졌고, 토출압력은 약 1 bar 정도 낮아짐을 알 수 있었다.

 이와 같은 결과는 상기 Fig. 4의 결과와 같이 공랭식 에어컨을 이용할 경우, Chilled water plants의 압축기 부하(Load)감소와 열교환에 의한 냉매의 냉동능력이 증가됨을 알 수 있었다.

Fig. 4. Comparison of compressor suction and discharge pressure.

 Fig. 5는 상기와 동일한 조건과 방법으로 Chilled water plants의 압축기 부하(Load)를 나타낸 결과이다. 그림에서와 같이 기존의 방식으로 운전하는 경우와 공랭식 에어컨을 이용하여 덕트를 설치한 경우에 약 10 % 정도 압축기 부하가 낮게 나타났다.

Fig. 5. Comparison of compressor load.

 Fig. 6은 Chilled water plants의 압축기 소비동력을 측정한 결과이다. 그림에서와 같이 기존의 방식으로 운전하는 경우와 공랭식 에어컨을 이용한 경우 약 12 % 정도 압축기 소비동력을 적게 소비하는 것으로 나타났다.

Fig. 6. Comparison of the Compressor power.

 Fig. 7은 동일한 조건하에서 상기 식(1)을 이용하여 두가지 방식으로 운전한 경우, 냉동능력을 측정한 결과이다. 그림에서와 같이 공랭식 에어컨을 이용한 경우와 기존의 방식으로 운전하는 경우 약 3 % 정도 냉동능력이 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 7. Comparison of the cooling capacity.

 Fig. 8은 상기의 압축기가 소비한 동력과 냉동능력을 식(2)을 이용하여 계산한 장치의 성능계수를 나타낸 결과이다. 그림에서와 같이 기존방식은 약 3.1 정도를 나타내었고, 공랭식 에어컨을 이용한 경우에는 약 4.2 정도를 나타내었다. 이와 같은 결과는 공랭식 에어컨을 이용할 경우에는 Chilled water plants의 압축기 부하감소와 열교환에 의한 냉매의 냉각도가 증대됨에 따라 냉동능력이 증가됨을 알 수 있었다. 두 가지 방식의 경우 성능계수의 차이는 약 23~26 % 정도로 소비동력이 적게 소비될 뿐만 아니라 장치의 성능향상에 크게 기여하는 결과를 얻을 수 있었다.

Fig. 8. Comparison of the COP.

4.2 난방 성능 실험

 Fig. 9는 대기온도 -8℃, 습도 60 % 조건에서 실내 온도를 20℃정도로 동일하게 유지한 상태에서 기존의 방식으로 보일러의 증기를 이용하여 운전하는 경우와 공랭식 에어컨의 전기히터 24.5 kW 이용하여 운전하였을 경우, 소비 동력을 나타낸 결과이다. 단, 보일러 운전시 소모되는 기름소모량은 제외하였다. 보일러 운전시 소비되는 동력은 Burner Fan 3 kW, F.o Heater 10 kW, F.o pump 0.45 kW, F.w Feed pump 3.45 kW, Aux.c.s.w.pump 21 kW 이였고, 하루 운전시간을 계산하여 소비동력을 측정하였다. 보일러를 이용하여 운전하는 경우와 전기 히터를 이용하여 운전하였을 경우, 그림에서와 같이 전기히터를 공기조화장치에 설치하였을 경우가 소비동력이 약 33.5 % 적게 소비하는 것으로 나타났다.

Fig. 9. Comparison of Steam & Elec.Heater power.

5. 결 론

 동일한 외기조건 및 실내 온도를 설정하여 선박의 기존중앙집중방식 공기조화장치에 공랭식 에어컨을 설치하여 냉 난방 성능에 미치는 영향을 실험하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

 1. 동일한 조건에서 두 가지 방식으로 냉방 운전하였을 경우, 공랭식 에어컨을 설치한 경우가 평균 3 % 정도 냉동능력이 증가하였으며, Chilled water plants의 부하(Load)가 약 10 %정도 낮아져서, 압축기 소비동력은 약 12 % 정도 적게 소비하는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과를 바탕으로 장치의 성능계수를 파악한 결과 23~26 % 정도 장치의 성능향상에 크게 기여하는 결과를 얻을 수 있었다.

 2. 동일한 조건에서 두 가지 방식으로 난방 운전하였을 경우, 전기 히터를 이용하여 운전하였을 경우가 보일러의 기름소모량을 제외한 보일러를 이용하여 운전하는 경우보다 소비동력이 약 33.5 % 적게 소비하는 것으로 나타났다.

 3. 공랭식 에어컨을 이용한 개별분산 공조시스템이 열원제어와 열효율상의 문제점을 보완함과 동시에 장치의 효율성을 향상시켜, 각 거주구역별 독립 냉 난방이 가능하게 되었고, 습도는 외기 덕트를 연결하여 적절히 조절하여 24시간 쾌적한 온·습도 환경 조성에 크게 기여하는 결과를 얻었다.

 추후에는 선내 전 구역 및 여객선 등 다른 선박에 적용시켜 실험하고, 상호 비교하여 냉 난방 성능 및 소비동력에 미치는 영향에 관한 신뢰성을 더욱 향상시켜야 할 것이다.