냉장부하 계산

왜 배우는가: 냉장부하는 냉장·냉동창고 설계와 냉동기 용량 선정의 출발점이다. 부하를 낮게 잡으면 저장 온도가 유지되지 않고 제품이 손상되며, 높게 잡으면 설비비와 운전 손실이 커진다. 그래서 시험에서는 열의 종류별 계산식과 설계 시 고려 항목을 함께 묻는 문제가 반복해서 나온다.

출제 이력: 제132회 4교시 5번, 제120회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

냉장부하는 저온저장고 안으로 들어오거나 그 안에서 발생하여 냉동장치가 시간당 제거해야 하는 열량의 합이다.

핵심 키워드

• 외부 침입열: 벽체·천장·바닥을 통해 전도와 일사로 들어오는 열이다.
• 극간풍 부하: 출입문 개폐와 틈새로 들어오는 외기가 가져오는 열이다.
• 제품 부하: 식품을 저장 온도까지 냉각하거나 동결하는 데 필요한 현열과 잠열이다.
• 호흡열: 청과물이 저장 중 호흡하면서 내는 열이다.
• 내부 발열: 조명, 작업자, 장비, 팬 모터에서 나오는 열이다.
• 제상 부하: 증발기에 생긴 착상을 녹이는 데 드는 열이다.
• 냉동능력: 계산된 부하를 감당하도록 정한 냉동장치의 제거 능력이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 냉장부하는 창고 안으로 들어오는 열을 종류별로 모두 세는 일이다. 냉동기는 이 열을 밖으로 버려야 저장 온도를 유지할 수 있으므로, 이 합계가 냉동기 용량의 기준이 된다.

정식으로는 냉장부하를 단위 시간당 저온공간에서 제거해야 할 열량으로 정의한다. 단위는 kW 또는 kcal/h를 쓰고, 필요하면 냉동톤(RT)으로 환산한다. 열의 성질에 따라 전체 부하는 현열 부하와 잠열 부하로 나뉜다. 현열은 온도만 변하게 하는 열이고, 잠열은 상태만 변하게 하는 열이다. 식품의 수분이 얼 때 나오는 열은 잠열에 해당한다.

벽체를 통한 전도열은 열관류율과 온도차로 구한다.

$Q=U\,A\,\Delta t$

여기서 Q는 전달열량(W), U는 열관류율(W/(m²·K)), A는 벽체 면적(m²), Δt는 벽체 바깥과 저장실 내부의 온도차(K)이다. 열관류율은 벽체 재료와 단열 두께로 정해지므로 단열을 두껍게 하면 U가 작아지고 전도열이 줄어든다.

제품이 온도만 내려가는 구간의 현열은 다음과 같이 구한다.

$Q_s=m\,c\,(t_1-t_2)$

여기서 m은 제품 질량(kg), c는 제품 비열(kJ/(kg·K)), t1은 입고 온도, t2는 저장 온도이다. 동결 구간에서는 얼기 전 현열, 동결 잠열, 언 후 현열을 더해야 한다.

$Q=m\,c_1(t_1-t_f)+m\,r+m\,c_2(t_f-t_2)$

여기서 c1과 c2는 동결 전후 비열, tf는 동결점, r은 동결 잠열이다. 물의 융해잠열은 약 334kJ/kg이며, 식품의 동결 잠열은 함수율로 보정한다.

3. 등장 배경과 필요성

사람은 오래전부터 식품을 소금이나 건조로 보존하고, 동굴이나 지하 저장고를 이용했다. 저장 온도를 자연 조건에 기대는 방법에는 한계가 있었다. 19세기에는 얼음 무역을 이용한 저온 유통이 시작되었고, 19세기 후반부터 20세기 중반까지 기계 냉장이 개발되어 저장 범위가 크게 넓어졌다.

기계 냉장이 확산되면서 냉장창고와 냉동창고를 설계할 때 필요한 열량을 미리 예측하는 방법이 중요해졌다. 설계 부하가 실제 발생 열량보다 작으면 실내 온도가 기준보다 올라가고, 식품의 품질이 떨어진다. 반대로 과대하게 잡으면 압축기와 응축기 용량이 커지고, 부분부하 운전에서 효율이 떨어진다.

또 냉장부하는 열을 받은 순간 바로 냉동기가 제거하는 열과 같지 않다. 건물 구조체가 열을 저장했다가 나중에 방출하므로, 발생한 열과 실제로 제거되는 열이 시간차를 두고 다르게 나타난다. 그래서 설계에서는 순간 열취득과 냉동기 제거 열을 구분해서 본다.

단열재를 두껍게 하면 외부 침입열은 줄어들지만, 시공비와 설비 투자의 균형을 함께 고려해야 한다. 출입문이 자주 열리거나 에어커튼이 제 기능을 하지 못하면 극간풍 부하가 커지므로, 이런 조건도 부하 계산에서 빠뜨리지 않아야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

냉장부하는 저온저장고 안으로 들어오는 열을 시간당 열량(kW 또는 kcal/h)으로 합산한 값이다. 열이 들어오는 경로는 벽체·천장·바닥을 통한 전도 열, 문 개폐와 틈새 침입 열, 적재 식품의 현열과 호흡열, 조명·동력·작업자 같은 내부 발열이다. 설계에서는 이 항목을 나눠 계산한 뒤 합산하고, 여기에 여유율을 더해 압축기 용량을 정한다.

표는 열의 근원을 기준으로 항목을 나눈 것이다. 식품 항목은 냉각 대상과 동결 대상에서 계산식이 달라지므로 따로 본다. 침입 열은 면적이 아니라 출입 빈도가 결정하므로 현장 조건을 함께 기록해야 한다.

원리는 열이 고온 측에서 저온 측으로 흐르는 것을 막기 위해 열을 저온 측에서 빼내는 것이다. 따라서 부하는 저장고 내부로 들어오는 열의 합이고, 압축기는 이 열과 장치 내 열원을 함께 처리해야 한다. 벽체 열은 정상 상태 전도로 본다. 식품 열은 입고 직후 최대가 되고 시간이 지나며 줄어든다.

냉장부하는 벽체 전도, 식품 열, 침입 열, 내부 발열의 합으로 구한다. 계산 절차는 다음과 같다.

• 저장고 규모, 설정 온도, 외기 조건을 정한다.
• 벽체·천장·바닥의 열관류율과 면적으로 전도 열을 구한다.
• 입고 식품의 질량, 비열, 입고 온도와 저장 온도로 식품 열을 구한다.
• 출입 빈도, 문의 면적, 에어커튼 유무로 침입 열을 구한다.
• 조명·동력·작업자의 발열을 더한다.
• 합계에 여유율을 곱하여 설계 부하를 정한다.

식품 열의 기본식은 다음과 같다.

$Q_p = \frac{G \cdot C_1 (t_1 - t_2) + G \cdot u \cdot q + G \cdot C_2 (t_2 - t_3)}{T}$

여기서 G는 식품 질량(kg), C_1은 동결 전 비열(kJ/kg·K), t_1은 입고 온도(℃), t_2는 동결 개시 온도(℃), u는 동결률, q는 동결잠열(kJ/kg), C_2는 동결 후 비열(kJ/kg·K), t_3는 저장 온도(℃), T는 냉각 시간(h)이다. 결과는 kW 단위이며, 열량을 3,600으로 나누어 환산한다. 식품이 동결점 위에서 냉각만 되는 경우에는 잠열 항이 0이 된다.

벽체 전도 열은 다음과 같이 구한다.

$Q_w = K \cdot A \cdot \Delta t$

여기서 K는 열관류율(W/m²·K), A는 벽체 면적(m²), \Delta t는 외기와 저장 온도의 차(K)이다. 전도 열은 지중 접촉 바닥과 외기 접촉 천장이 크게 차지한다.

계산 예로, 저장 온도 -20℃, 외기 35℃인 벽체 면적 100m², 열관류율 0.3W/m²·K면 \Delta t=55K이고, Q_w=0.3×100×55=1,650W이다. 1.65kW 규모로, 벽체 한 면으로는 상식 범위 안의 값이다.

5. 관련 법령·기준·표준

냉장부하 계산은 법령으로 정해진 방법이 없고, 설계 관행과 공조·냉동 분야의 설계 기준을 따른다. 냉동냉장창고의 열관리와 에너지 효율은 에너지 관련 법령과 설계 기준에 따른다. 실무에서 쓰는 기준 수치는 다음과 같다. 다만 현행 기준의 세부 조문과 최신 개정 내용은 이 절에서 확인된 범위만 쓴다.

표의 수치는 공조 설계 참고값과 저장고 설계 관행에서 널리 쓰인 값이다. 기타 부하의 비율은 덕트 조건에 따라 달라지므로 덕트 길이와 정압을 함께 기록한다. 법정 기준은 주로 에너지 효율과 안전에 관한 것이며, 부하 계산식 자체를 규정하지 않는다.

개정 연혁으로는 저장고 단열과 에너지 효율 기준이 강화되는 추세이며, 구체적인 개정 시기와 조문은 확인되지 않아 여기서는 쓰지 않는다.

6. 유형과 비교

냉장부하는 열이 들어오는 경로와 성질에 따라 나눈다. 저온 창고의 기본 구성은 관류열, 침입외기열, 제품열, 기타 발열이다. 같은 창고라도 저장 온도에 따라 주된 항목이 달라진다.