지역냉방

왜 배우는가: 지역냉방은 열병합발전 여열이나 심야전력을 활용해 건물군에 냉수나 온수를 공급하는 방식으로, 전력 피크 저감과 에너지 이용효율 향상을 동시에 노리는 대표적 집단에너지 냉방이다. 실무에서는 도시형 열공급 계획과 열원설비 선정에 직결되고, 시험에서는 개념 정의, 공급방식 구분, 기대효과 항목이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제118회 4교시 3번, 제103회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지역냉방은 대규모 열생산 시설에서 만든 냉수 또는 온수를 일정 구역의 여러 건물에 배관으로 공급해 냉방하는 집단 냉방 방식이다. 대규모 열원에서 만든 냉수·온수를 지역 단위로 공급해 건물을 냉방하는 집단 냉방 방식

핵심 키워드

• 지역냉방(District Cooling)
• 집단에너지(District Energy)
• 열병합발전(CHP)
• 흡수식 냉동기(Absorption Chiller)
• 냉수직공급방식
• 온수공급방식
• 빙축열(Ice Thermal Storage)
• 전력 피크 저감

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 건물마다 냉동기를 따로 두지 않고 한 곳의 큰 설비에서 냉방 에너지를 만들어 여러 건물에 나눠 보내는 것이다. 각 건물은 냉동기와 냉각탑을 설치하지 않아도 되므로 건물 설계의 자유도가 커진다.

정식 정의는 다음과 같다. 지역냉방은 열병합발전소의 여열, 심야 전력으로 만든 빙축열, 또는 기타 경제적 열원을 이용해 냉수나 온수를 만들고, 이를 지역 배관망을 통해 건물군에 공급하여 냉방하는 방식이다. 일반적으로 주거 및 건물 밀집 지역의 지역난방 대상에 냉방열을 공급하는 것을 뜻하며, 넓은 의미로는 산업단지의 공장 등에 냉방열을 공급하는 것도 포함된다.

핵심 용어는 다음과 같이 이해한다.

열병합발전(CHP)은 한 연료로 전기와 열을 함께 생산하는 방식이다. 발전 과정에서 버려지는 고온 배열을 회수해 냉방 열원으로 쓴다. 일반 발전소는 연료의 상당 부분이 배열로 버려지므로, 열을 함께 쓰면 연료 이용률이 크게 올라간다.

흡수식 냉동기는 열에너지로 구동되는 냉동기다. 지역난방 온수나 증기를 열원으로 받아 물을 냉매로 쓰고 리튬브로마이드 용액을 흡수제로 쓴다. 전기 압축기가 없어 여름철 전력 부하를 줄인다.

빙축열은 심야 잉여 전력으로 얼음을 만들어 저장했다가 낮에 냉방에 쓰는 방식이다. 전력 요금이 싼 시간대에 생산하고 피크 시간대에 사용하므로 전력 피크를 낮춘다.

3. 등장 배경과 필요성

여름철 냉방 전력 수요가 급증하면서 전력 피크가 해마다 커졌다. 개별 건물마다 전기 압축식 냉동기를 쓰면 여름 오후에 전력 부하가 집중된다. 전력 설비는 이 피크에 맞춰 건설해야 하므로 설비 투자가 커진다. 이 문제를 줄이기 위해 집단으로 열원을 모으고 열병합발전의 여열을 냉방에 쓰는 방향이 나왔다.

또 냉매 측면에서도 변화가 있었다. 과거 개별 냉방에 쓰이던 CFC 계열 냉매는 오존층을 파괴해 사용이 제한됐다. 지역냉방은 흡수식 냉동기의 물 냉매를 사용하고, 대형 열원을 집중 관리하므로 환경 부담을 줄이는 방향으로 평가된다.

마지막으로 에너지 이용효율 측면이 있다. 열병합발전은 전기와 열을 함께 쓰므로 종합 효율이 높다. 여름에는 난방 수요가 적어 열병합발전 설비의 가동률이 떨어지는데, 지역냉방은 이 여름철 열 수요를 채워 설비 이용률을 높인다. 그래서 열병합발전 이용 효율 향상이 지역냉방 도입의 큰 이유가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

지역냉방은 열원설비, 열수송설비, 냉방열교환 설비로 나뉜다. 열원설비는 열병합발전소나 열생산시설에서 온수 또는 증기를 만들고, 열수송설비는 지역 배관망으로 열매를 보낸다. 사용자 측에서는 흡수식 냉동기나 냉방열교환기가 열매를 냉수로 바꾼다.

표는 사업자 관리 범위와 사용자 관리 범위를 나눈 것이다. 같은 열원이라도 사업자가 설비를 소유하는 범위가 다르므로 설계 경계를 먼저 정한다.

원리는 다음과 같다. 열병합발전에서 전기를 만들고 남은 배열을 온수로 회수한다. 이 온수가 흡수식 냉동기의 재생기를 가열하면 냉매가 증발하여 냉수가 만들어진다. 열매 온도는 공급 95~98℃(온수 공급 최고 온도)이고 회수는 최고 55~80℃이다. 냉수 공급은 관련 기준이 정한 저온, 회수는 그보다 높은 온도로 관리한다.

공급방식은 두 가지다.

• 냉수직공급방식: 심야전기 빙축열, 여열 등으로 만든 냉수를 배관으로 건물에 직접 보낸다.
• 온수공급방식: 열병합 여열 온수를 건물에 보내고, 건물 내 흡수식 냉동기가 냉수를 만든다.

지역냉방의 핵심 원리는 여열을 냉열원으로 바꾸는 것이다.

흡수식 냉동기의 재생기에서는 증기 또는 온수가 열원으로 쓰이고, 응축기는 냉각수로 열을 버린다. 증발기에서는 냉수가 생산되고, 흡수기에서는 리튬브로마이드(LiBr) 용액이 냉매 증기를 흡수한다. 흡수식은 압축기 대신 열을 쓰므로 전기 소비가 작다.

열효율은 흡수식 냉동기의 성적계수(COP)로 나타낸다.

$\mathrm{COP}=\frac{Q_e}{Q_g}$

여기서 Q_e는 증발기 냉동능력(kW), Q_g는 재생기 입열량(kW)이다. 여열을 쓰면 Q_g의 실질 비용이 낮아 경제성이 높아진다.

냉방 시 열매 온도차 \Delta t는 공급과 회수 온도 차이다. 온도차를 크게 하면 같은 열량을 적은 유량으로 보낼 수 있다.

$Q=\dot m\,c_p\,\Delta t$

Q는 열량(kW), \dot m는 질량유량(kg/s), c_p는 물의 비열 4.19kJ/(kg·K), \Delta t는 온도차(K)이다.

절차는 다음과 같다.

• 열원 선정: 열병합발전 여열 또는 열생산시설을 확보한다.
• 공급방식 결정: 냉수직공급 또는 온수공급을 선택한다.
• 배관망 설계: 열수송 손실과 펌프 동력을 계산한다.
• 사용자 설비 연결: 흡수식 냉동기 또는 냉방열교환기를 설치한다.
• 운전·관리: 공급·회수 온도와 유량을 감시하여 효율을 유지한다.

5. 관련 법령·기준·표준

지역냉방은 집단에너지사업의 일부로 운영된다. 집단에너지사업은 「집단에너지사업법」에 따라 허가·운영된다. 지역냉난방 배관망과 열사용 설비는 해당 법의 공급규정과 열공급 기준을 따른다. 설계 세부 기준은 건축설비 설계기준과 집단에너지 공급 기준을 함께 본다.

기준 수치는 다음 표로 정리한다.

지역냉방의 기본 틀은 집단에ননের 열공급 체계와 같다.

원시 근거에서 보듯 지역냉방은 열병합발전 여열을 쓰므로 하절기 전력 피크를 낮춘다. 이 효과는 설계 원리에서 나온 결과이므로 본문 원리와 함께 답안에 쓴다.

6. 유형과 비교

지역냉방은 열원을 어디서 얻고 냉수를 어떤 경로로 전달하느냐에 따라 나뉜다. 열원 측면에서는 온수공급방식과 냉수직공급방식이 대표적이고, 열원 규모에 따라서는 대규모 집중형과 소집단 방식으로 구분된다.