냉동기 성능시험

왜 배우는가: 냉동기는 설치 후 운전 시간이 지나면 열교환기 오염, 냉매 부족, 압축기 마모로 성능이 떨어지고, 이 저하는 전력 낭비로 이어진다. 성능시험은 이 상태를 숫자로 확인하는 수단이므로 현장 실무의 기본 업무다. 시험 결과 계산(COP, 에너지평형)과 시험 종류 설명은 시험 문제에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제114회 2교시 6번, 제110회 3교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

냉동기 성능시험은 정상운전 상태에서 냉동능력과 소비동력을 측정하여 성적계수(COP)를 구하고, 설계값과 비교하는 시험이다.

핵심 키워드: 냉동능력, 성적계수(COP), 정상운전, 냉수 유량, 냉수 입출구 온도차, 소비동력, 에너지평형, 측정 불확도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 냉동기가 설계 성능만큼 냉수를 만들고 있는지 현장에서 숫자로 확인하는 시험이다. 시험 결과는 설비 인수, 성능 보증, 정기 점검, 에너지 진단의 근거로 쓰인다.

정식으로는 정상운전 상태에서 유량, 온도, 압력, 동력을 계측하여 냉동능력과 성적계수를 산출하고, 그 값을 설계값이나 시험 기준값과 비교하는 절차다. 계측 항목은 냉수와 냉각수의 입출구 온도, 두 유량, 압축기 동력, 펌프와 냉각탑 팬 같은 보조기기 동력이다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 냉동능력: 증발기에서 단위 시간에 냉매가 흡수하는 열량이다. 냉수 측에서는 냉수 유량과 입출구 온도차로 구하며, 단위는 kW 또는 RT를 쓴다. 1 RT = 3.516 kW
• 성적계수(COP): 냉동능력을 냉동기 소비동력으로 나눈 무차원 값이다. 값이 클수록 같은 냉동능력을 적은 동력으로 낸다는 뜻이다.
• 정상운전: 온도, 압력, 유량이 일정 시간 거의 변하지 않는 상태다. 시험 전에 안정화 시간을 두고, 측정은 일정 간격으로 반복하여 평균값을 쓴다.
• 에너지평형: 냉수 측 흡수열량과 냉각수 측 방출열량(압축기 동력 포함)이 같은지 보는 검증이다. 두 값의 차이를 기준 열량에 대한 백분율로 나타낸다.
• 측정 불확도: 계측값이 얼마나 흩어질 수 있는지를 나타내는 값이다. 온도차가 작을수록 온도계 오차의 비율이 커지므로 결과 해석 때 함께 본다.

냉수 측 냉동능력은 다음 식으로 구한다.

$Q_w = \rho \cdot \dot V \cdot c_{pw} \cdot (t_{in} - t_{out})$

여기서 \rho는 물의 밀도(kg/m³), \dot V는 냉수 체적유량(m³/s), c_{pw}는 물의 비열(kJ/(kg·℃)), t_{in}과 t_{out}은 냉수 입구와 출구 온도(℃)다. 유량은 보통 lpm(L/min)으로 주어지므로 m³/s로 바꾸려면 60과 1000으로 나눈다. 같은 방법으로 냉각수 측 열량을 구하고, 두 값을 비교하여 에너지평형을 판단한다.

계산 결과의 단위는 kW로 맞춘다. 냉수 측 열량과 압축기 동력의 합이 냉각수 측 열량과 비슷하면 측정이 정상이라고 본다. 차이가 크면 유량계나 온도계 중 하나의 오차를 먼저 의심한다.

3. 등장 배경과 필요성

냉동기는 설치 직후에는 설계 성능을 내지만, 운전 시간이 지나면 응축기 스케일, 냉매 부족, 압축기 마모, 열교환기 오염으로 COP가 낮아진다. 이 저하를 확인하지 않으면 전력 낭비가 누적된다. 그래서 성능시험은 설비의 상태를 진단하는 도구로 쓰인다.

현장에서 성능시험이 필요한 이유는 세 가지다. 첫째, 설치 후 인수 시험으로 설계 성능을 확인한다. 둘째, 운전 중 에너지 진단과 개선 근거를 마련한다. 셋째, 제작사나 시공사의 성능 보증을 검증한다. 에너지관리기준 제45조 ④항은 수랭식 냉동기의 냉수 및 냉각수 온도, 유량, 전력을 1일 1회 이상 계측하고 KS B 6366 등에 따라 성능분석을 하여 결과를 기록하도록 한다.

흡수식 냉동기는 열원과 진공 상태에서 작동하므로 구조가 다르다. 에너지관리기준 제45조 ②항은 흡수식 냉동기에 대해 KS B 6271에 따라 성능분석을 하고, 진공도와 가열원 사용량을 함께 기록하도록 한다. 이처럼 냉동기 형식별로 시험 방법이 나뉘어 있다.

계측에 기반한 시험이므로 측정 오차가 결과를 좌우한다. 같은 냉동기라도 온도계 위치, 유량계 종류, 정상운전 판정 시점에 따라 값이 달라진다. 그래서 에너지평형 검증과 측정 불확도 검토를 함께 수행해야 결과를 신뢰할 수 있다.

시험은 목적에 따라 인수 시험, 정기 성능 점검, 에너지 진단 시험으로 나뉜다. 인수 시험은 설계 조건과 기준값 비교가 중심이고, 정기 점검은 시간에 따른 성능 변화 추적이 중심이다. 답안에서는 시험 목적을 먼저 쓰고 측정 방법을 뒤에 쓰면 구성이 명확해진다.

성능시험의 목적은 설계 성능 확인, 에너지 낭비 진단, 성능 보증 검증의 세 가지다.

4. 구성요소·원리·절차

냉동기 성능시험은 냉동능력과 소요동력을 측정해 그 비인 성적계수(COP)를 구하는 절차다. 측정 대상은 냉수 회로, 냉각수 회로, 구동 장치, 운전 상태의 네 가지다.

냉수 회로 측정값이 냉동능력을 정한다. 냉수가 증발기에서 잃은 열이 곧 냉동효과이므로 유량과 온도차로 구한다. 질량유량은 체적유량에 밀도를 곱해 얻는다. 체적유량은 분당 리터(L/min) 값을 ㎥/min 으로 환산해 쓴다. 냉동능력의 식은 다음과 같다.

$Q_e = \frac{\rho \cdot Q \cdot c_{pw} \cdot \Delta t}{60}$

Q_e는 냉동능력(kW), \rho는 물의 밀도(kg/㎥), Q는 냉수 체적유량(㎥/min), c_{pw}는 물의 비열(kJ/(kg·℃)), \Delta t는 냉수 입구·출구 온도차(℃)다. 분모 60은 분을 초로 바꾸는 값이다.

성적계수는 냉동능력을 소요동력으로 나눈 값이다. 냉동기만의 성적계수는 압축기 동력만 쓰고, 냉동기 시스템의 성적계수는 펌프와 팬 동력을 모두 더해 쓴다.

$COP_{ref} = \frac{Q_e}{W_{comp}}, \qquad COP_{sys} = \frac{Q_e}{W_{comp}+W_{pump}+W_{fan}}$

냉동기만의 COP는 압축기 동력만, 시스템 COP는 부속 펌프·팬 동력을 모두 포함

에너지평형은 냉각수 측 방열량이 냉수 측 냉동능력과 압축기 동력의 합과 같은지 확인하는 것이다. 응축열량 Q_c는 냉각수 유량과 온도차로 구하고, 평형 오차는 두 값의 차이를 Q_c에 대한 백분율로 나타낸다. 오차가 작을수록 측정값이 신뢰할 만하다.

절차는 다음과 같다.

• 정상운전 상태를 확인한다. 가동시간과 진공도(흡수식)가 안정됐는지 본다.
• 냉수·냉각수의 유량, 온도, 압력을 같은 시각에 측정한다.
• 전력계로 압축기, 펌프, 팬의 소요동력을 측정한다.
• 냉수 측 식으로 냉동능력을 구한다.
• 냉동기 COP, 시스템 COP, 에너지평형 오차를 차례로 계산한다.

5. 관련 법령·기준·표준

냉동기 성능시험의 방법은 KS B 6366(냉동 장치의 성능 시험 방법)과 기기 종류별 시험 규격이 정한다. 에너지관리 측면에서는 「에너지관리기준」 건물 편 기계설비부문이 계측 주기와 시험 규격을 함께 정한다. 이 기준은 기록과 성능분석을 의무로 하며, 수랭식과 공랭식 냉동기에 KS B 6366을 적용한다. 흡수식 냉동기와 냉각탑은 각각 전용 시험 규격을 따른다.

표의 값은 에너지관리기준 제45조 원문에 있는 계측 주기와 항목이다. 냉동능력과 COP의 계산식은 열역학의 기본 식이므로 기준 원문과 함께 쓴다.

6. 유형과 비교

냉동기 성능시험은 측정 범위와 목적에 따라 여러 방식으로 나뉜다. 가장 기본이 되는 구분은 시험 대상이 냉동기 단체인지, 냉동기와 부속 보조기기를 포함한 시스템인지에 따른 것이다. 다음 표는 이 구분과 측정 방식을 정리한 것이다.

표의 구분은 시험 범위에 따라 성적계수의 분모가 달라진다는 점이 핵심이다. 냉동기 단체 시험은 압축기 동력만 쓰고, 시스템 시험은 보조 동력을 더한다.