대온도차 시스템

왜 배우는가: 대온도차 시스템은 냉수 공급온도차를 크게 하여 펌프·배관·냉동기 용량을 줄이는 에너지 절약 방식이며, 공조 설계 문제에서 에너지 절약 방안으로 반복해서 출제된다. 설계 정의와 배경을 정확히 알아야 장단점과 적용 조건을 답안에 쓸 수 있다.

출제 이력: 제135회 2교시 4번, 제128회 2교시 1번, 제124회 2교시 2번, 제121회 2교시 1번, 제99회 2교시 3번, 제95회 3교시 4번, 제89회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

대온도차 시스템은 냉수의 공급·환수 온도차를 일반 방식보다 크게(통상 설계 온도차 기준 대폭 확대) 하여 열매체 유량과 반송 동력, 설비 용량을 줄이는 공조 방식이다.

• 대온도차(large temperature difference, 대△T)
• 저온 냉수 공급(low temperature chilled water supply)
• 반송 동력(pumping power)
• 축열(thermal storage)
• 빙축열(ice thermal storage)
• 냉수 유량(chilled water flow rate)
• 열매체(heat transfer medium)
• 펌프 동력 절감(pump energy saving)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 냉수를 적게 보내고 많이 데워서 돌려받는 방식이다. 같은 냉방 열량을 옮길 때 물의 온도차가 크면 필요한 유량이 줄어든다. 유량이 줄면 배관 지름과 펌프 용량이 작아진다.

정식으로는 대온도차 시스템을 공조 냉수의 공급 온도를 낮추고 환수 온도를 높여 온도차를 크게 한 냉수 순환 방식으로 정의한다. 냉수 공급 온도는 저온이며, 이를 저온 냉수 공급 방식이라고도 한다.

핵심 원리는 현열 전달식이다. 공조기에서 옮기는 열량 Q는 유량 G, 비열 c, 온도차 ΔT의 곱이다.

$Q = G \cdot c \cdot \Delta T$

• Q: 열량(kW)
• G: 냉수 유량(kg/s)
• c: 물의 비열(4.19kJ/(kg·K))
• ΔT: 공급·환수 온도차(K)

같은 Q에서 ΔT를 두 배로 키우면 G는 절반이 된다. 이 때문에 펌프 동력과 배관 크기가 줄어든다.

축열조는 심야 전력 등으로 냉열을 저장하는 탱크다. 대온도차 시스템은 축열조와 함께 쓰일 때 효과가 크다. 냉수를 저온으로 저장하면 축열 용량이 커지므로 저장 체적을 줄일 수 있다.

성층화는 탱크 안에서 온도가 높은 물은 위에, 낮은 물은 아래에 층을 이루어 머무는 현상이다. 대온도차 운전에서 성층을 유지하면 저온수와 고온수의 혼합을 막아 온도차를 지킬 수 있다.

디퓨저는 탱크 입출구에서 물의 흐름을 완만하게 만들어 성층을 깨뜨리지 않는 장치다.

3. 등장 배경과 필요성

여름철 냉방 전력이 집중되어 주간 최대 전력 부하가 커졌다. 이를 줄이기 위해 전력 부하를 평준화하는 방안이 요구되었다. 건물의 공조 에너지 비중도 커지면서 반송 동력과 열원 설비를 줄이는 방향으로 기술이 발전했다.

기존 정유량·저온차 방식은 냉수 유량이 많아 펌프와 배관 설비가 커졌다. 고층 건물에서는 펌프 양정 부담이 특히 컸다. 대온도차 방식은 이 문제를 온도차 확대로 해결하려는 시도다.

대온도차 시스템의 목적은 반송 에너지와 설비 용량의 절감이다.