냉동기는 빌딩, 학교, 병원 등 다양한 시설에서 냉방 시스템의 필수적인 역할을 수행하는 핵심 설비입니다. 현재 다양한 종류의 냉동기가 생산되는 중인데 종류에 따라 원리, 특성, 성능이 다르기 때문에 건물의 냉방 목적과 현실적 조건에 맞는 적절한 냉동기 종류가 중요합니다. 왜냐하면 냉동기는 고가의 장비로서 최고의 효율을 내기 위한 선택을 해야하기 때문입니다. 이번에는 압축식 냉동기, 흡수식 냉동기, 터보 냉동기의 작동원리, 특징, 장단점 및 실제 적용 방안을 자세히 살펴보겠습니다.
1. 압축식 냉동기 (Vapor Compression Chiller)
압축식 냉동기는 가장 일반적으로 사용되는 냉동기 형태로, 전기에너지를 이용하여 냉매를 압축하고 증발시키는 사이클을 통해 냉방을 제공합니다. 이 방식은 구조가 단순하며 다양한 용량(소형부터 대형까지)에 대응이 가능하여 건물 및 산업 전반에 걸쳐 널리 채택되고 있습니다.
- 주 에너지원: 전기
- 작동원리:
- 냉매를 압축기에서 압축하여 고압의 가스를 생성합니다.
- 응축기에서 냉매는 열을 방출하며 냉매로 응축됩니다.
- 팽창밸브를 통하여 냉매의 압력을 강하합니다.
- 증발기에서 열을 흡수하며 다시 기체 상태로 증발
- 특징:
- 구조가 단순하고 유지보수가 용이
- 초기 투자비가 상대적으로 경제적
- 성적계수: 약 3.0 ~ 6.5
- 적용 사례: 상업용 빌딩, 호텔, 데이터센터, 병원 등
2. 터보 냉동기 (Centrifugal Chiller, 원심식 냉동기)
터보 냉동기는 원심력을 이용하여 냉매를 압축하는 방식의 냉동기입니다. 주로 대형 빌딩, 공항, 병원 등 대용량 냉방이 필요한 시설에 적용됩니다.
- 주 에너지원: 전기
- 작동원리:
- 증발기에서 냉수가 흐르는 튜브를 통해 주변 열을 흡수하여 냉매가 증발합니다.
- 증발된 냉매 가스는 엘리미네이터(액적 제거기)를 통과하여 압축기로 흡입됩니다.
- 임펠러의 고속 회전으로 발생한 원심력에 의해 냉매 가스가 고압으로 압축됩니다.
- 압축된 냉매는 토출관을 통해 응축기로 이동합니다.
- 응축기에서 냉각수에 열을 방출하여 냉매는 액체로 응축됩니다.
- 응축된 냉매는 감압장치를 통해 압력이 강하된 후, 증발기로 유입되어 다시 냉각 사이클을 반복합니다.
- 특징:
- 수명이 길고, 초기 투자비가 상대적으로 낮음
- 유지보수 용이
- 높은 압축효율
- 비례제어가 가능하여 부분부하 운전 시 에너지 절감 가능
- 성적계수(COP): 약 5.5 ~ 7.0
- 적용 사례: 초대형 빌딩, 복합상업시설, 병원, 공항 등
3. 흡수식 냉동기 (Absorption Chiller)
흡수식 냉동기는 전기에너지가 아닌 스팀을 이용하여 냉매를 순환시키는 방식입니다.
- 주 에너지원: 스팀 및 약간의 전기
- 구성요소:
- 증발기: 냉매(물)를 증발시켜 열을 흡수
- 흡수기: 증발된 냉매를 브롬화리튬(BrLi)이 흡수
- 재생기(또는 발생기): 열에너지(주로 스팀)를 가하여 냉매와 용액을 분리
- 응축기: 분리된 냉매가 응축
- 냉매 및 흡수제:
- 일반적으로 물을 냉매로, 브롬화리튬을 흡수제로 사용
- 간혹 암모니아를 냉매로 사용하는 경우도 있으나 일반적으로는 사용하지 않음
- 특징:
- 내부가 진공상태여서 폭발 위험이 없음
- 소음 및 진동이 거의 없음
- 흡수식 냉온수기의 경우 냉방뿐만 아니라 난방 기능까지 가능 - 주로 소형 빌딩에서 채택
- 단점:
- 설치면적과 중량이 큼
- 예냉시간이 길어 즉시 냉방이 어려움
- 성적계수(COP):
- 단효용: 약 0.6 ~ 0.8
- 이중효용: 약 1.0 ~ 1.3
- 적용 사례: 대형 공장, 병원, 복합건물, 폐열 회수형 시스템
4. 냉동기 운용 전략: 터보 냉동기 + 흡수식 냉동기 병행 운전
최근 다양한 건물에서는 터보 냉동기와 흡수식 냉동기를 병행하여 운용하는 사례가 증가하고 있습니다. 이는 전력 요금 체계와 운전 효율을 최적화하기 위한 전략입니다.
- 운용 방식:
- 오전 시간대(전기요금이 상대적으로 저렴한 시간): 터보 냉동기를 중심으로 냉방 운영
- 점심시간대(전기요금이 최고조에 달하는 피크 시간대): 사전에 예냉한 흡수식 냉동기를 운전하여 전력부하를 경감
- 장점:
- 피크전력 부담 완화
- 에너지 비용 절감
- 냉방의 안정성과 경제성 모두 확보
이러한 하이브리드 운용 방식은 특히 대형 복합시설, 상업 빌딩, 병원 등 연중 냉방 부하가 높은 시설에 효과적입니다.
📌 결론
냉동기 선택 및 운용은 단순히 장비 성능만 고려하는 것이 아닌 시설의 규모, 설치 장소 등의 여건을 파악하여 선택하는 것이 중요합니다.
압축식 냉동기는 범용성과 유지관리 편의성이 뛰어나며 터보 냉동기는 성적계수가 높아 고효율의 에너지를 제공합니다. 흡수식 냉동기는 열원에너지를 사용해 피크 시간 대에 전력 사용을 최소화할 수 있다는 점에서 전기세 절감 측면에서 강점을 가지고 있습니다.
또한 두 가지 냉동기(흡수식, 터보)를 병행 운영하여 전기요금 절감과 운전 효율성을 동시에 확보하는 방식도 고려할 수 있습니다. 적절한 냉동기 선택과 운영 전략 수립은 장기적인 에너지 비용 절감과 설비 신뢰성 향상에 핵심적인 역할을 합니다.