터보냉동기 용량제어

왜 배우는가: 터보냉동기는 대용량 공조와 지역냉방의 핵심 열원이며, 부분부하에서 에너지 효율을 좌우하는 것이 용량제어 방식이다. 실무에서 서징 한계와 효율 저하를 막기 위한 제어 선택이 중요하고, 시험에서는 1교시 용어 문제와 4교시 비교 논술 문제로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제125회 1교시 12번, 제98회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

터보(원심식)냉동기 용량제어는 원심 압축기의 회전수 또는 흡입 유량을 바꾸어 냉동능력을 부하에 맞추는 제어이다.

• 터보냉동기
• 원심 압축기
• 용량제어
• 서징(Surge)
• 회전수 제어(VSD)
• 가변 흡입안내베인(IGV)
• 디퓨저 제어
• 바이패스 제어

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 냉방 부하가 줄었을 때 냉동기가 필요한 만큼만 냉매를 보내도록 압축기의 능력을 줄이는 기술이다. 터보냉동기는 원심 압축기를 쓰므로 냉매 유량을 줄이면 압축기가 서징 영역으로 들어갈 위험이 있다. 그래서 용량제어는 단순히 능력을 줄이는 것이 아니라 안전 운전 범위 안에서 유량을 맞추는 일이다.

정식 정의는 다음과 같다. 터보냉동기 용량제어(Capacity Control of Turbo Chiller)는 압축기의 회전속도, 흡입 가이드 베인 각도, 디퓨저 통로 면적, 바이패스 유량을 조절하여 냉매 순환량을 부하에 맞추고 서징 한계 안에서 운전하도록 하는 제어 방식이다.

• 서징(Surge): 유량이 최소 허용치 아래로 줄면 임펠러 출구 압력이 역전되어 유동이 맥동하는 현상이다. 원심식 압축기 특유의 불안정 운전이다.
• 서징 라인: 압축기 성능도에서 서징이 일어나는 경계선이다. 용량제어는 운전점이 이 선 오른쪽에 머물도록 설계한다.
• 초크(Choke): 유량이 최대가 되어 임펠러 목에서 음속에 도달하는 한계 상태이다.
• 가변 흡입안내베인(IGV): 흡입 측 베인의 각도를 바꾸어 임펠러에 들어가는 가스의 선회각(예선회)을 조절하는 장치이다.
• 인버터 제어(VVVF): 전압과 주파수를 함께 바꾸어 전동기 회전수를 조절하는 방식이다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동기의 연간 운전시간 대부분은 정격 부하가 아닌 부분부하 상태이다. 정속 운전으로 부분부하를 맞추면 압축기 효율이 떨어지고, 단순 정지·기동을 반복하면 전력 낭비와 기기 부담이 커진다. 그래서 부하 변화에 따라 냉매 유량을 연속적으로 줄일 수 있는 방식이 필요해졌다.

원심식 압축기는 용적식과 달리 흡입 유량을 줄이면 압축 특성이 급격히 바뀐다. 따라서 용적식처럼 실린더를 차단하는 방식을 그대로 쓰기 어렵고, 임펠러 속도·흡입 베인·디퓨저 같은 유동 측면의 제어가 발달했다. 최근에는 가변속 구동 기술이 보급되면서 효율 개선 효과가 커졌다. 원심식 냉동기에 가변속 구동이 처음 적용된 이후 같은 흐름이 이어지고 있다.

표에서 보듯 원심식은 유량을 줄이는 방향 자체가 제약이다. 그래서 서징 한계를 넓히는 바이패스나 디퓨저 제어가 함께 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

터보냉동기는 원심 압축기로 냉매 증기를 압축한다. 압축기의 유량과 압력 상승은 회전수와 흡입 상태에 따라 정해진다. 용량제어는 이 특성을 바꾸어 증발기가 요구하는 냉매 유량을 맞추는 일이다.

각 구성요소는 독립적으로 쓰이기보다 제어 방식에 따라 조합된다. 회전수 방식은 전력 절감 효과가 크고, IGV 방식은 설비 구조가 단순하다. 바이패스는 최소 용량 구간에서 안전 운전을 확보하는 보조 수단으로 쓰인다.

원리는 압축기 특성곡선에서 출발한다. 특성곡선은 서지 라인과 초크 라인 사이에서만 안정적으로 운전된다. 유량이 서지 한계 아래로 떨어지면 냉매 흐름이 역전되어 진동과 소음이 커지고 임펠러가 손상된다. 따라서 용량을 줄일 때도 유량을 서지 한계 이상으로 유지하는 것이 제어의 전제다.

서지 한계 이하 운전을 피하는 것이 터보냉동기 용량제어의 전제 조건이다.

회전수 변화의 효과는 원심 압축기의 상사법칙으로 설명한다. 같은 흡입 조건에서 회전수를 바꾸면 다음 관계가 근사적으로 성립한다.

$\frac{Q_2}{Q_1}=\frac{N_2}{N_1},\quad \frac{H_2}{H_1}=\left(\frac{N_2}{N_1}\right)^2,\quad \frac{L_2}{L_1}=\left(\frac{N_2}{N_1}\right)^3$

여기서 Q는 체적 유량(㎥/s), H는 압력 상승(양정), L은 축동력(kW), N은 회전수(rpm)다. 회전수를 정격의 50%로 낮추면 동력은 0.5^3=0.125, 즉 정격의 12.5% 수준으로 줄어든다. 결과는 부분부하에서 동력이 크게 줄어든다는 상식과 맞다. 실제 압축기는 효율과 서지 한계가 있으므로 이 식은 설계 초기 추정에만 쓴다.

용량제어 절차는 다음과 같다.

• 냉수 출구 온도 센서로 부하를 측정한다.
• 제어기가 설정 온도와의 편차를 계산한다(PI 연산).
• 편차에 따라 인버터 주파수 또는 IGV 개도를 조정한다.
• 압축기 유량이 바뀌어 증발 용량이 변한다.
• 유량이 서지 여유보다 작아지면 바이패스 밸브를 열어 최소 유량을 확보한다.
• 센서 신호로 다시 1번으로 돌아가 반복한다.

5. 관련 법령·기준·표준

터보냉동기 용량제어는 설계 기준보다 제조사 압축기 특성과 시험 규격에 따라 정해진다. 아래 표는 확인된 기준 체계와 설계 시 적용되는 값의 성격을 정리한 것이다.

표의 값 중 서지 한계와 인버터 범위는 제조사별로 다르므로 설계 시 제조사 특성곡선으로 확정한다. 상사법칙의 세제곱 관계는 모든 설계에 공통으로 쓰는 근사식이다.

관련 법령과 기준은 다음과 같다. 「에너지이용 합리화법」은 냉동기 효율기준과 에너지소비효율 등급 표시를 규정한다. 「건축물의 에너지절약 설계기준」은 국토교통부 고시로, 냉방설비의 효율 요구를 담는다. 한국산업표준의 원심식 냉동기 시험방법은 부분부하 특성을 측정하는 데 쓰인다. 부분부하 효율은 용량제어 방식의 장점을 평가하는 핵심 지표다.

개정 연혁은 법령과 고시가 개정될 때마다 기준 값과 등급 구분이 바뀌므로, 답안에는 현행 기준 이름을 쓰고 개정 시점은 생략한다.

6. 유형과 비교

터보냉동기의 용량제어 방식은 크게 흡입안내베인(IGV) 제어, 압축기 회전속도 제어, 디퓨저(diffuser) 제어, 바이패스 제어로 나눈다. 원심식 압축기는 용량이 줄면 서징(surge) 한계에 가까워지므로, 각 방식은 유량을 줄이면서 서징과 효율 저하를 어떻게 피하는지가 차이다.