외기냉수냉방시스템

왜 배우는가: 외기냉수냉방은 중간기처럼 외기 엔탈피가 낮은 시기에 냉동기 가동을 줄여 냉방 에너지를 크게 절감하는 대표 방식이라, 실무 설계와 에너지 절약 문제에서 자주 묻는다. 직접식과 간접식의 구분, 운전 조건을 이해해야 계통도와 운전방법을 함께 답할 수 있다.

출제 이력: 제109회 2교시 4번, 제100회 4교시 3번, 제96회 2교시 6번, 제90회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

외기냉수냉방시스템은 외기의 낮은 온도·습도를 이용해 냉수를 만들고, 그 냉수로 냉방 부하를 처리하여 냉동기 운전을 줄이는 냉방 방식이다.

핵심 키워드

• 외기냉수냉방(Free Cooling System)
• 중간기 운전
• 직접 외기냉수냉방
• 간접 외기냉수냉방
• 냉각탑 냉수
• 판형 열교환기
• 냉동기 부하 저감
• 외기 엔탈피 조건

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 바깥 공기가 충분히 선선할 때 냉동기를 돌리지 않고 바깥 공기의 냉기를 빌려 쓰는 방식이다. 냉동기는 전기로 압축기를 돌려 열을 옮기므로 에너지가 많이 든다. 외기가 차가우면 냉각탑이나 외기 측 열교환기에서 물을 충분히 식힐 수 있고, 이 물이 냉방 부하를 감당하면 냉동기는 쉬어도 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 외기냉수냉방은 외기 온습도가 냉수 목표 온도 이하일 때 냉각탑 등 외기 접촉 설비로 냉수를 생산하고, 이를 공조기 코일에 직접 또는 열교환기를 통해 공급하여 냉동기 가동 없이 냉방을 수행하는 방식이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

직접 외기냉수냉방은 냉각탑에서 만든 냉각수가 중간 열교환기 없이 냉수 회로에 바로 연결되는 방식이다. 설비가 단순하지만 냉각탑 수질이 냉수 배관과 코일에 그대로 들어간다.

간접 외기냉수냉방은 냉각탑 측 물과 냉수 측 물을 판형 열교환기 등으로 분리하는 방식이다. 수질 오염과 배관 부식을 막을 수 있지만, 열교환 손실만큼 냉수 온도가 올라가고 펌프 동력이 추가된다.

냉동기 부하 저감은 외기냉수 운전으로 냉동기가 담당하는 열량이 줄어드는 효과를 뜻한다. 냉동기 가동 시간이 줄면 압축기 전력이 감소한다.

3. 등장 배경과 필요성

중간기(봄·가을)에는 외기 온도가 실내 설정 온도보다 낮지만 냉방이 필요한 내부 발열이 남아 있다. 사무용 빌딩의 내부 발열, 사람·조명·OA기기가 이 시기에도 냉방 부하를 만든다. 이때 냉동기를 계속 돌리면 외기의 냉열을 버리는 셈이 되므로 에너지 낭비가 크다.

에너지 절약 요구가 커지면서 외기 냉열을 직접 쓰는 방식이 확산되었다. 건축물 에너지 성능 기준과 공공건물 에너지 관리 요구도 이런 방식의 도입을 뒷받침한다. 중앙식 냉난방 방식은 열원 설비가 집중되어 있어 외기냉수 회로를 추가하기 좋은 구조다.

냉수 방식은 중앙 공급이 쉽고 대규모 건물에 적합하며 외기 도입과 소음 처리가 쉽다는 장점이 있다. 반면 수송 동력비가 많이 들고 개별 제어성은 떨어진다. 외기냉수냉방은 이 냉수 방식의 장점을 살리면서 냉수를 만드는 에너지원을 냉동기에서 외기로 바꾸는 발상이다.

외기 조건이 맞아야 효과가 난다. 외기 습구온도가 낮아야 냉각탑 출구 냉수 온도를 목표치까지 내릴 수 있다. 따라서 외기 건구·습구 온도와 냉수 설정 온도의 관계를 먼저 확인하고 운전 구간을 정해야 한다.