1.서 론

세계적인 경제성장과 개인의 경제수준 향상으로 인하여 크루즈 여행에 대한 관심이 높아지고 있다. 현재 크루즈선 의 이용객수는 계속 증가추세에 있으며, 2020년에는 2,700만 명으로 증가가 예상됨에 따라 신조 크루즈선이 계속적으로 필요할 것으로 판단된다(Hong, 2011).

최근 국내 조선관련 업계에서도 크루선에 대한 관심이 높 아지고 있으며 이와 관련된 연구가 진행되어 지고 있으나 미흡한 실정이며, 이에 따라 선박용 HVAC에 대한 관심이 상당히 높아지고 있다. 다른 어느 선박보다 크루즈선의 경 우 공기조화장치가 중요시되고 있으며, 선박의 공기조화장 치는 승객과 승무원의 편의시설로써 생활수준의 향상과 더 불어 쾌적함에 대한 요구가 강해지고 있다. 선박의 경우 파 도에 의한 롤링 및 피칭, 해수에 의한 부식, 급변하는 기상 조건, 유지보수의 용이성, 부품의 콤팩트화 등 육상용과 달 리 고려하여야 할 특성 들이 많이 있다(Yoon et al., 2008).

따라서 승조원들의 근무환경을 개선하여 생산성을 향상 시키고, 크루즈선 승객들에게 쾌적한 환경을 제공하기 위해 서는 현재 운항중인 선박의 공조기기 운항실태와 관련 기술 의 개발이 시급하다(Shin et al., 2008).

선박용 공기조화장치의 설계는 풍부한 경험을 통한 종합 적인 판단이 필요하다. 선박 기관실의 전열, 생활 공간의 방 열, 선박의 장비 및 기타 장비 등을 유기적으로 결합시켜 적 절한 설계가 필요하다. 하지만 선박용 공기조화 장치의 설 계 및 계획은 조선소 밖에서 행해지는 경우가 대부분이며 조선소에 따라서는 실제로 계획하고 계산하려 하여도 어려 울 때가 많다고 한다.

따라서 본 연구는 향후 선박용 공기조화기 설계 시 경제 적이고 최적화된 냉·난방 시스템의 설계를 위한 경험적 기 초 참고자료로 활용하고자 하는 목적이다.

2.선행 연구의 고찰

현재 선박의 공기조화장치는 AHU(Air Handling Unit)로 실 내로 공급되는 공기를 사용목적에 적합하도록 만들기 위하 여 여러 가지 장치로 이루어졌는데 난방 시에는 공기의 가 열 가습, 냉방 시 냉각 감습 등과 같이 온 습도를 조정하여 열교환 된 공기를 송풍기(fan)와 덕트(duct)를 통해 거주구역 으로 보내 냉·난방을 실시하고 있다.

Kim and Han(2013)의 연구에서 공랭식 에어컨을 이용한 공 기조화장치는 기존 중앙집중 방식 공기조화장치의 냉방 능 력 향상 뿐만아니라 에너지 효율을 향상시킬 수 있도록 한 공기조화시스템을 말한다. 장치의 구성은 공랭식 에어컨 (Air-cooled Air conditioner)을 공기조화장치에 직접 설치하고, 덕트를 송풍기(Fan section)와 내·외기 공기 라인에 신설하여 구성하였다. 기존의 중앙집중 방식에 비해 열원의 전달과정 에 따른 손실이 거의 없으며 공랭식 에어컨의 컨트롤러를 이용하여 쉽게 조작 및 제어가 가능해져 각 선실별 온도편 차가 적어졌다. 공랭식 에어컨의 냉방 시 사용냉매는 R-22, 냉방능력은 24 kw 소비전력 8.85 kW, 난방 시 난방능력은 24 kw 소비전력 24.5 kW였으며, 신설된 덕트(Duct)의 크기는 500(W) × 200(H) mm이며 두께는 2 mm이고 재질은 알루미늄이다.

Fig. 1은 공랭식 에어컨을 이용한 개선된 공기조화장치의 개요를 나타낸 것이며, Table 1은 NO.1~4 AHU의 외관을 나 타내고 있다.

3.실험 방법

3.1.실험선박

본 연구의 측정선박은 해기전문인력 양성을 위해 2003년 4월에 건조된 목포해양대학교 운항 실습선 새누리호를 이용 하여 실험하였다. 측정선박은 Navigation and Bridge, Capt. deck, F'cle deck, Upper deck, Main deck, 2nd deck 등 총 6개의 deck로 구성되어 있으며, Fig. 2와 Table 2는 선박의 외관과 개 요를 나타낸다. 거주구역별 공기조화장치 AHU(Air Handling Unit) 4대 설치되어 공기량의 조절, 선내의 냉 ․ 난방 및 습 도, 환기 등을 조절하고 있다.

브릿지(Bridge)에는 전기․전자 운항기기들의 과열로 인한 보호와 학생들의 학습을 위해 공랭식에어컨(Air-cooled Air Conditioner) 2대가 설치되어 있다. 또한 식당 및 학생 강의, 각종 행사 식장으로 사용되는 제1강의실(NO.1 Lecture RM)과 제2강의실(NO.2 Lecture RM)은 우현, 좌현으로 각 2대, 사관 식당(Office Mess RM), 선원식당(Crew Mess RM), 운항부 사무 실(General Office) 각 1대, 기관조종실(E.C.R) 각 2대로 총 9개 의 패키지에어컨(Package Air-Conditioner)이 별도로 설치되어 실내의 냉․난방 부하를 담당하도록 설계되어있다.

3.2.측정선실의 특성

Fig. 3은 NO.1~4 AHU별로 담당하는 선실의 개요를 나타낸 것이다. 각 AHU별로 선실 구역을 나누어서 브릿지, 세미나 실, 학생선실(Cadet NO.21), 제2강의실 총 4구역을 선정하였 다. 각 AHU별 측정선실은 Fig. 2에 표시하였고, 각 AHU별 성능 및 선실의 개요는 Table 3, Table 4에 나타내었다.

3.3.측정 항목과 방법

실험은 동일한 외기조건에서 기존의 중앙 집중 방식 공조 시스템으로 총 냉각 부하(Total cooling load)를 각 50 %씩 부 담하는 NO.1 & 2 Chilled Water Pants를 두 대 운전하는 경우 와 NO.2 Chilled Water Plants 한 대와 AHU에 공랭식 에어컨 을 직접 설치하여 운전하였을 경우, 즉 기존의 중앙집중 방 식 공기조화장치에 공랭식 에어컨을 설치하여 개선된 공기 조화시스템으로 운전하였을 경우로 나누어 실시하였다. NO.1 & 2 Chilled Water Pants와 공랭식 에어컨(Air-Cooled Air Conditioner)의 기술적인 자료는 Table 5에 나타내었다.

본 연구에서 선실의 온·습도 환경을 측정하기 위하여 브릿지, 세미나실, 학생선실(C adet N O .21), 제2강의실의 중앙 지점 온도와 습도를 한 시간 간격으로 측정 하였다. 또한 NO.1~4 AHU의 출구 온도를 한 시간 간격으로 측정하 였으며, 발전기의 부하를 측정하기 위하여 기관실 알람 모 니터링 장치인 Alarm & Monitoring System의 P.M.S(Power Manegement System)에서 부하를 실시간으로 자동측정 기록 하였다. Fig. 4는 Kongsberg의 Alarm & Monitoring System를 나 타낸다.

4.실험결과 및 분석

4.1.측정기간 및 외기조건

본 실험을 위해 측정기간은 2013학년도 전반기 국제항해 기간인 2013년 4월 16일부터 6월 3일에 실시하였다. 1차 측 정은 싱가폴에서 미얀마 양곤으로 운항한 2013년 5월 2일 오 전 0900시부터 5월 4일 오전 0900시까지 총 48시간동안 실시 하였고, 2차 측정은 2013년 5월 22일 오전 0900시부터 5월 24 일 오전 0900시까지 베트남 하이퐁 정박 중에 실시하였다. Fig. 5는 1차 측정기간 항해 중의 외기 조건을 나타낸 것으로 온도는 28~34℃, 습도는 60~90 %를 나타냈다.

Fig. 6는 베트남 하이퐁 정박 중에 2차 측정시 외기 조건 을 나타낸 것으로 온도는 24~39℃, 습도는 65~90 %를 나타 냈다. 23일은 동남아의 스콜(Squall)현상이 자주 발생하여 기 온이 높게 나타나지 않았으며, 습도가 높음을 알 수 있었다.

4.2.공간별 계측 결과

1)브릿지(Bridge)

학생들의 운항실습과 수업을 하기위한 공간으로 실제 선 박을 운항하는 브릿지와 실습 브릿지(Training Bridge)로 나 누어져 있다. 브릿지는 한 공간으로 되어있으나 운항 중에 는 커튼을 이용하여 공간을 나누어 사용한다. 모든 면이 외 부와 접해있으므로, 외기 요건에 가장 큰 영향을 받으며 브 릿지의 중요 항해 장비의 보호를 위하여 공랭식 에어컨이 별도로 2대 설치되어 있다. Fig. 7과 Fig. 8은 1차 측정 실 험으로 5월 2일 0900시부터 5월 4일 오전 0900시까지 온도 와 습도를 나타낸다. 5월 2일 0900시부터 5월 3일 0900시 까지는 기존의 중앙집중방식 공조시스템으로 운전하였을 경우이고, 5월 3일 0900시부터 5월 4일 0900시까지는 공랭 식 에어컨을 이용한 공조시스템의 성능 개선 후를 나타낸 다. NO.1 AHU의 출구온도는 13~15℃, 브릿지의 온도는 25~28℃, 습도는 55~75 %로 적절한 온습도 환경을 유지하 고 있음을 알 수 있다.

Fig. 9과 Fig. 10은 2차 측정 실험으로 5월 22일 0900시부터 5월 24일 오전 0900시까지 온도와 습도를 나타낸다. 5월 22 일 0900시부터 5월 23일 0900시까지는 기존의 중앙집중방식 공조시스템으로 운전하였을 경우이고, 5월 24일 0900시부터 5월 25일 0900시까지는 공랭식 에어컨을 이용한 공조시스템 의 성능 개선 후를 나타낸다. 브릿지의 실내 온도는 23~28℃, NO.1 AHU의 출구온도는 13~17℃, 습도는 60~80 %를 나 타내었다. AHU의 출구온도 13~17℃ 로 낮음에도 불구하고 브릿지의 온도가 높은 이유는 외기와 직접 접하고 있으며, 강한 햇볕과 복사열 때문으로 판단된다.

2)회의실(Seminar Room)

회의실은 각종 세미나 및 모임을 위해 사용하는 공간으로 F'cle deck 정 중앙에 위치해 있는 공간으로 양 옆으로 교수 실 및 지도관실 복도와 접하고 있다. AHU의 취출구가 4개로 구성되어 있고, 천장형 공랭식 에어컨이 별도로 부착되어있 으나 실험 시에는 작동하지 않은 상태로 측정하였다.

Fig. 11과 Fig. 12는 1차 측정 실험으로 5월 2일 0900시부터 5월 4일 오전 0900시까지 온도와 습도를 나타낸다. Fig. 10은 세미나실과 NO.2 AHU의 출구 온도를 나타낸 것으로 세미나 실의 온도는 26~28℃, AHU의 출구 온도는 18~19℃ 로 다른 구역에 비해 다소 높게 나타났는데, NO.2 AHU ROOM이 기 관실 및 외부 DECK와 직접 맞닿아 있어서 구조상의 문제로 온도가 높게 나타나는 것으로 판단된다.

Fig. 12은 세미나실의 습도를 나타낸 것으로 평균습도는 60~70 %로 측정되었으나 다른 구역에 비해 습도 또한 높게 나타남을 알 수 있다.

Fig. 13와 Fig. 14는 2차 측정 실험으로 5월 22일 0900시 부터 5월 24일 오전 0900시까지 온도와 습도를 나타낸다. 세미나실의 실내 온도는 26~28℃, NO.2 AHU의 출구 온도 는 15~18℃ 로 측정되었고, 습도는 60~80 %를 나타내었다.

3)학생 선실(Cadet No.21)

학생선실은 4인이 거주 할 수 있는 공간으로 Main deck 뒤 쪽에 위치한 한 공간이다. 좌측은 기관실 출입문 복도와 접 하여 있으며 우측은 외기와 접하고 있는 공간이다.

Fig. 15과 Fig. 16은 1차 측정 실험으로 5월 2일 0900시부터 5월 4일 오전 0900시까지 온도와 습도를 나타낸다. 학생 선 실의 실내 온도는 NO.3 AHU의 출구 온도는 14~16℃ 로 낮음 에도 불구하고 28~29℃ 로 높게 나타났고, 습도는 55~65 %를 나타냈다. 이러한 이유는 기관실 출입문이 위치한 곳에 선 실에 위치하고 있어, 학생들의 잦은 출입과 기관실의 발생 한 열로 인하여 온도가 높게 나타난 것으로 판단되며, 운항 실습선 신조 공기조화 설계 시 취출구 개수 및 전열부하를 고려하여야 했으나 그러지 못한 결과로 판단된다. 반면 2ND deck의 선실의 경우 발전기실과 바로 맞닿아 있어 취 출구 개수를 2개로 증가시켰는데, 적절한 설계였다고 판단 된다.

Fig. 17와 Fig. 18은 2차 측정 실험으로 5월 22일 0900시부 터 5월 24일 오전 0900시까지 온도와 습도를 나타낸다. 실 내온도는 26~27℃ 로 거의일정하고, 습도는 50~70 %를 나타 냈다.

4)제 2강의실(NO.2 LECTURE ROOM)

제 2강의실은 학생 교육 및 각종 행사장으로 이용되는 공 간으로 Main deck 중앙에 위치에 있고, 우현과 좌현의 창측 이 외기와 접해있고, 선수와 선미로는 학생들 선실이 위치 해있다.

Fig. 19와 Fig. 20은 1차 측정 실험으로 5월 2일 0900시부터 5 월 4일 오전 0900시까지 온도와 습도를 나타낸다. 제 2강의실 의 실내 온도는 26~27℃ 로 일정하였고, NO.4 AHU의 출구 온 도는 13~18℃ 로 측정되었고, 습도는 55~70 %를 나타내었다.

Fig. 21와 Fig. 22는 2차 측정 실험으로 5월 22일 0900시부 터 5월 24일 오전 0900시까지 온도와 습도를 나타낸다. 제 2 강의실의 실내 온도는 24~25℃ 로 일정하였고, NO.4 AHU의 출구 온도는 14~18℃ 로 측정되었고, 습도는 65~75 %를 나타 내었다.

4.3.발전기 부하 및 기름소모량

Fig. 23은 항해(Voyage) 및 정박(Berth) 중 시간에 따른 발전 기 부하량을 나타낸 그래프이다. 실험을 위하여 선박의 모 든 기기들은 동일한 운전 조건으로 하여서 1차 측정은 항해 중에 NO.3 발전기(G/E)를 가동한 상태에서 측정하였고, 2차 측정은 정박 중에 NO.1 발전기(G/E)를 가동한 상태에서 실시 하였다.

항해 중에 NO.3 발전기 부하(Load) 측정결과 기존의 공기 시스템의 경우 평균 부하(Average load)는 약 396 KW, 전부하 (Full load)시 부하율은 66 % 정도였고, 공기조화시스템의 성 능 개선 후에는 평균 부하는 약 348 KW, 전부하시 부하율은 58 %로 나타났다. 정박 중에 NO.1 발전기의 평균 부하는 약 324 KW, 전부하시 부하율은 54 %였고, 공기조화시스템의 성 능개선 후에는 평균 부하는 약 276 KW, 전부하시 부하율은 46 %로 나타났다. 계측 결과 공기조화시스템의 성능 개선에 따라 평균 부하는 48 KW, 전부하시 부하율은 약 8 % 정도 적게 나타남을 알 수 있었다.

Table 6는 NO.1 & 3 발전기 시운전 결과 보고서(Engine test Result)를 나타낸 것이다.

연료 소비량을 계산 하려면 일정기간 동안의 엔진마력과 소모된 연료유의 총량(kg)을 측정해야한다. 즉 연료소비율을 라 하면 1일 연료 소모량 FOC(Fuel Oil Consumption)은 다 음과 같이 구할 수 있다(Kim et al., 2013).

따라서 Table 6의 시운전 결과보고서를 참조하고 식(1)을 이용하여 공기조화시스템의 성능개선 후에 1일 연료소모량 FOC를 구하면 하루 평균 약 222[L/day]의 기름이 절약됨을 알 수 있었다.

5.결 론

동일한 외기조건에서 선박의 기존 중앙집중방식 공기조 화장치를 이용하는 방법과 공랭식 에어컨을 AHU에 직접 설 치하여 개선시킨 공기조화시스템으로 운전하였을 경우 냉 방 성능을 비교하였고, 선내 온열환경에 대한 실측조사를 통해서 향후 선박용 공기조화 설계 및 계획에 경험적 기초 참고자료로 활용하고자 한다.

본 연구에서 2003년 4월에 건조된 운항 실습선 새누리호 를 이용하여 실험하였고, 2013년 전반기 국제항해 기간인 2013년 4월 16일부터 6월 3일에 실시하였다. 각 AHU별 선실 을 구분하여 온·습도를 측정하였고, 발전기 부하에 따른 연 료소비량을 구하였다. 본 연구의 결과는 다음과 같다.

추후에는 동계절 선내온열환경을 평가하고 유류절감에 관한 연구를 추진하고자한다.