수축열조 방식

왜 배우는가: 수축열조 방식은 심야 저렴한 전력을 활용해 열원을 야간에 운전하고 주간 부하에 공급하는 대표적 축열 시스템으로, 열원 용량 절감과 전력요금 절감을 동시에 얻을 수 있어 실무 설계에서 자주 채택된다. 축열재 구비조건, 장단점, 용량 산정이 기술사 시험에서 반복해서 출제되므로 개념을 체계적으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제114회 4교시 2번, 제111회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수축열 방식은 물의 현열을 이용해 야간에 냉수 또는 온수를 축열조에 저장했다가 주간 냉난방 부하에 공급하는 방식이다.

• 수축열 방식
• 현열 축열
• 온도성층
• 축열조 용량
• 심야전력
• 열원기기 용량 절감
• 디퓨저

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 밤에 싼 전기로 물을 차갑게(또는 뜨겁게) 만들어 큰 물통에 모아 두고, 낮에 그 물을 꺼내 쓰는 방식이다. 물의 온도가 올라가거나 내려가는 열량, 즉 현열을 저장 수단으로 쓰기 때문에 '수(水)축열'이라고 부른다.

정식으로는 열용량이 큰 물을 축열재로 사용하여, 열원장치의 운전 시간과 부하 사용 시간을 분리하는 축열 시스템이다. 축열재의 온도 변화에 따른 현열을 이용하며, 상변화를 이용하는 빙축열과 구분된다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 현열(Sensible heat): 온도 변화로 저장되는 열이다. 수축열은 0℃ 이상 온도 범위의 현열을 쓴다.
• 온도성층(Thermal stratification): 축열조 내부에서 고온수는 상부, 저온수는 하부에 층을 이루어 머무는 현상이다. 축열 효율을 결정하는 핵심 조건이다.
• 축열 이용률: 축열조 전체 용량 중 실제로 사용 가능한 열량의 비율이다. 온도성층이 잘 유지될수록 높아진다.
• 디퓨저(Diffuser): 축열조 입출구에 설치하여 유입수의 속도를 줄이고 온도 경계층을 안정시키는 장치다.

수축열 방식에는 축열조 내 물이 균일한 온도로 섞이는 혼합형과, 수직 방향으로 온도 층을 유지하는 온도성층형이 있다. 최근에는 축열 성능이 우수한 온도성층형을 대부분 사용한다. 냉동기를 열펌프로 운전하면 온수를 저장해 난방과 급탕에도 쓸 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

전력 수요는 낮 시간에 집중되고 심야에는 남는다. 전력회사는 심야 요금을 낮추어 야간 부하를 끌어들이려 하고, 수요자는 이 요금 차이를 활용해 운전비를 줄이려 한다. 축열 시스템은 이 두 요구를 연결하는 수단이다.

건물 냉방 부하는 주간에 최대가 되므로, 열원기기를 최대 부하에 맞추면 설비 용량이 커지고 대부분의 시간 부분부하로 운전된다. 축열조를 두면 열원기기를 평균 부하에 맞추어 작게 설계할 수 있고, 야간 축열 운전으로 부분부하 손실을 줄일 수 있다.

수축열 방식이 빙축열 방식보다 먼저 보급된 이유도 있다. 축열 온도가 0℃ 이상이므로 일반 냉동기를 사용할 수 있고, 저온냉동기가 필요 없어 초기 투자비가 낮다. 또한 물은 부식성이 낮고, 수명이 길며, 가격이 저렴해 축열재로 적합하다.

반면 물의 체적 열용량은 빙축열의 잠열보다 작아, 같은 열량을 저장하려면 축열조가 수배 커진다. 따라서 수축열 방식은 축열조 공간을 확보할 수 있는 건물에서 주로 적용된다. 이 점이 수축열 방식 설계의 출발점이다.

축열 온도 범위 4~14℃ 수준의 냉수 축열으로 설계하는 경우가 일반적이며, 온열 축열 시 최대 90℃ 정도까지 올릴 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

수축열조 방식은 심야 시간대에 냉동기 또는 열펌프를 운전해 물을 냉각하거나 가열하고, 그 열을 축열조에 저장했다가 주간 부하에 공급하는 방식이다. 열원설비의 용량을 줄이고 심야전력 요금을 활용하는 것이 핵심이다. 구성요소와 원리를 나누어 이해해야 답안에서 흐름을 설명할 수 있다.

수축열조의 원리는 물의 밀도차에 있다. 4℃ 부근의 차가운 물은 아래에 머물고 고온의 물은 위로 올라간다. 디퓨저는 유입수의 운동량을 줄여 경계층 교란을 막는다. 그 결과 부하측 환수와 축열 냉수가 섞이지 않도록 하는 것이 수축열시스템의 핵심 기술이다.

축열 과정은 다음과 같다.

• 심야에 냉동기를 운전하여 축열조 하부에 저온수를 저장한다.
• 축열조 상부에는 상대적으로 따뜻한 물이 남아 경계층을 이룬다.
• 주간에 축열조 하부의 냉수를 공조기측 펌프로 보내 냉방에 사용한다.
• 부하에서 돌아온 온수는 축열조 상부로 되돌아가 다음 축열 준비를 한다.
• 난방 시에는 열펌프로 온수를 상부에 저장하여 난방과 급탕에 공급한다.

축열조의 이용율은 경계층의 두께에 따라 결정된다. 경계층이 두꺼우면 유효 축열량이 줄어든다. 이 때문에 디퓨저 설계가 중요하다.

에너지 관점에서 축열량은 다음 식으로 계산한다.

$Q = m \cdot c \cdot \Delta t$

여기서 Q는 축열량(kJ), m은 축열된 물의 질량(kg), c는 물의 비열(4.186kJ/(kg·K)), \Delta t는 축열조 상부와 하부의 온도차(K)이다. 예를 들어 축열수량 m=100{,}000kg, 온도차 \Delta t=9K이면 Q = 100{,}000 \times 4.186 \times 9 \approx 3.77 \times 10^6kJ이다. 결과는 약 3,770MJ로, 수백 kW급 설비의 일일 축열량 규모와 상식적으로 맞는다.

5. 관련 법령·기준·표준

수축열 방식은 법령으로 직접 규정되지 않는 경우가 많다. 다만 설계와 운전에서 다음 기준값을 자주 쓴다.

위 값은 수축열 방식의 일반적인 설계 범위다. 빙축열 방식은 0℃ 이하의 얼음을 사용하므로 축열 온도와 단열 조건이 다르다. 두 방식의 기준은 혼동하지 않아야 한다.

개정 연혁과 관련 법령은 다음과 같다. 에너지 절약을 위한 심야전력 요금 제도는 전력 요금 정책에 따라 변경될 수 있으며, 설계 시 최신 요금 체계를 반영해야 한다. 건축물 설비 기준은 「건축물의 에너지절약설계기준」과 관련되며, 설계 기준의 세부 조항은 해당 고시의 최신 개정을 따른다.

6. 유형과 비교

수축열조 방식은 축열조 안에서 온수와 냉수를 어떻게 나누어 두느냐에 따라 나뉜다. 온도를 나누는 원리가 다르면 설비 크기, 효율, 초기 투자비가 달라진다. 기술사 답안에서는 세 가지 유형을 명칭과 원리로 구분하고, 특징을 비교표로 정리한다.

수축열조 방식은 온도 성층화 방식, 다중탱크 방식, 멤브레인 방식으로 구분한다. 세 방식 모두 축열재는 물이며, 차이는 찬물과 더운물이 섞이지 않게 하는 수단에 있다.