클린룸 에너지 절약 항목

왜 배우는가: 클린룸은 일반 건물보다 훨씬 많은 에너지를 쓰므로 에너지 절약 항목은 설계·운전 현장에서 항상 검토된다. 시험에서는 반송동력과 열원 측면으로 나누어 항목을 열거하고 설명하는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제138회 4교시 5번, 제133회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

클린룸 에너지 절약은 청정도를 유지하면서 대량의 외기·순환풍량을 줄이고, 반송동력과 열원의 효율을 높여 에너지 소비를 낮추는 설계·운전 기술의 총칭이다.

핵심 키워드

• 청정도 유지
• 풍량 최소화
• 반송동력
• 열원효율
• 외기부하
• FFU
• 변풍량(VAV)
• 폐열회수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 클린룸은 공기 속 입자를 계속 걸러 내야 하므로 많은 공기를 계속 돌려야 한다. 그래서 같은 청정도를 더 적은 공기와 더 적은 동력으로 얻는 것이 에너지 절약의 핵심이다.

정식 정의는 다음과 같다. 클린룸은 HEPA 또는 ULPA 필터로 공기 중 미립자를 제거하고, 실내 입자 농도를 정해진 청정도 등급 이하로 유지하는 공간이다. 에너지 절약 항목은 이 청정도를 해치지 않으면서 공기 이동에 드는 동력과 공기를 냉각·가열·제습하는 열에너지를 줄이는 방법을 가리킨다.

청정도 등급은 단위 체적당 입자 수로 정한다. 국내에서 통용되는 Class 기준은 미국 FED STD 209E에서 왔으며, 1 ft³ 당 0.5µm 이상 입자 수를 기준으로 한다. 국제 기준은 ISO 14644-1이다. 등급이 높을수록 필요한 풍량이 커지므로 청정도 목표를 필요 이상으로 높게 잡지 않는 것이 첫 번째 절약 항목이 된다.

층류(일방향 흐름)와 난류(비일방향 흐름)가 기본 구분이다. 층류는 천장 전체에서 급기하고 바닥 전체에서 배기하므로 풍량이 크다. 난류는 풍량이 적고 설치·유지 비용이 낮지만 청정도 확보 능력은 층류보다 떨어진다. 그래서 필요한 구역만 층류로 하고 나머지는 난류로 하는 혼합 흐름 방식이 에너지 측면에서 유리하다.

FFU(Fan Filter Unit)는 팬과 필터를 한 몸으로 만든 장치로 천장에 배치해 필요한 구역에만 층류를 만든다. 공조기 한 대가 전체 풍량을 보내는 방식보다 필요 구역만 가동하므로 반송동력을 줄일 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

반도체·디스플레이·바이오·제약 산업이 커지면서 클린룸 면적이 늘었다. 클린룸은 일반 사무실보다 공기 교환 횟수가 훨씬 많고, 외기 처리와 재열에 드는 열량도 크다. 그래서 같은 면적의 일반 건물보다 단위면적당 에너지 소비가 몇 배에 이르는 경우가 많다.

공정 장비에서 나오는 열 부하도 크다. 장비 발열이 실내 냉방 부하가 되고, 이를 처리하기 위해 다시 공기를 냉각해야 하므로 반송과 열원 양쪽에서 에너지가 동시에 늘어난다. 이 때문에 에너지 절약은 공정 요구 청정도를 지키는 범위 안에서 풍량과 열원 부하를 함께 낮추는 문제로 정리된다.

또한 청정도 기준이 높아지면 필터 저항도 커진다. 필터를 통과하는 공기 저항이 늘면 송풍기 소요동력이 증가하므로, 필터 교체 시기 관리와 저저항 필터 선택도 절약의 배경이 된다.

4. 구성요소·원리·절차

클린룸은 입자 발생을 억제하고 발생한 입자를 희석·배출하기 위해 많은 풍량을 순환시킨다. 그래서 에너지 소비는 반송동력과 열원 부하의 두 축으로 나뉜다. 절약 기술은 이 두 축을 각각 낮추는 방향으로 구성한다.

구성요소별 역할과 에너지 관점은 다음과 같다.

표의 구성요소는 모두 풍량과 정압에 연결된다. 풍량을 줄이면 반송동력과 열원 부하가 함께 줄어든다.

팬 법칙은 원리의 핵심이다. 풍량은 회전수에 비례하고, 정압은 회전수의 제곱, 동력은 회전수의 세제곱에 비례한다. 동력은 회전수의 3제곱에 비례하므로 속도를 조금 낮춰도 동력은 크게 줄어든다. 속도 63%에서 동력은 약 25%에 그친다.

축동력은 다음 식으로 구한다.

$L=\frac{Q\,\Delta P}{6120\,\eta}$

여기서 L은 축동력(kW), Q는 풍량(m³/min), \Delta P는 전압 상승(mmAq), \eta는 팬 효율(무차원)이다.

계산 예제 풍량 600m³/min, 전압 50mmAq, 효율 0.6인 팬의 동력은 다음과 같다. L=\frac{600\times50}{6120\times0.6}=\frac{30000}{3672}\approx8.2\,\text{kW}. 풍량을 80%로 줄이면 동력은 0.8^3=0.512배로 줄어 약 4.2kW가 된다. 결과는 팬 용량 범위의 상식적인 값이다.

클린룸 에너지 절약 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 청정도 등급을 정하고 등급별 필요 환기량을 산정한다.
• 발생 입자 조건을 반영해 풍량을 최적화한다.
• 필터 압력손실과 덕트 정압 손실을 줄여 팬 동력을 낮춘다.
• 인버터로 풍량을 부하에 맞춰 제어한다.
• 외기 도입량을 줄이고 이코노마이저와 폐열회수로 외기 부하를 낮춘다.
• 열원은 대수분할 또는 비례제어로 부분부하 효율을 확보한다.

흐름의 마지막 단계는 다시 풍량 산정으로 돌아간다. 부하가 바뀌면 풍량과 열원 운전을 함께 재조정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

클린룸의 청정도 등급은 ISO 14644-1 체계를 국제 기준으로 쓴다. 미국 FED STD 209E의 Class 표기는 국내에서 관행으로 함께 쓰인다. 에너지 절약 설계의 법적 기준은 「건축물의 에너지절약설계기준」이다. 이 기준은 열원, 반송, 공조, 환기 설비의 설계 조건과 의무·권장 사항을 정한다. 클린룸 공장도 해당 설비에 이 기준을 적용한다. 다만 공정 특수성이 인정되면 지방건축위원회 심의를 거쳐 일부 규정을 적용하지 않을 수 있다.

기준 수치를 정리하면 다음과 같다.

표의 설계 조건은 모두 용량과 운전 방식을 정하는 값이다. 외기 위험률과 실내온도를 과도하게 잡으면 설비 용량이 커져 부분부하 효율이 떨어진다.

열원·공조 설비에는 다음 권장 사항도 함께 적용한다. 폐열회수 설비에는 중간기에 대비한 바이패스를 설치한다. 냉동기, 송풍기, 펌프는 대수분할 또는 비례제어로 운전한다. 이 두 항목은 클린룸의 연중 부분부하 운전에서 에너지 절감 효과가 크다.