건축물 열원 방식 종류 및 구성 장치

건물을 따뜻하거나 시원하게 하는 등 사람에게 쾌적한 환경을 유지하고 제공하기 위해서는 공조기를 이용해야 합니다. 이번에는 이러한 공조기에 온수와 냉수, 냉매와 증기를 공급하는 열원 방식의 종류와 구성 장치에 대해 알아보겠습니다.

 

 

열원 방식 종류

냉동기(흡수식) + 보일러 방식 : 보일러의 증기를 이용하여 냉매를 흡수하고 증발시켜 냉수를 만드는 흡수식 냉동기와 증기를 발생시키는 증기보일러 방식을 조합시킨 것입니다.

냉동기(전동식) + 보일러 방식 : 전동식 냉동기를 냉열원으로 사용하고, 가스나 기름보일러를 온열원으로 사용하는 방식입니다. 터보식 냉동기를 이용해 냉수를 만들고 보일러를 이용해 증기나 온수를 만듭니다.

히트펌프 방식 : 냉방과 난방을 히트펌프(Heat Pump)로만 하는 방식입니다. 냉동사이클의 원리를 기본적으로 적용하기 때문에 원리는 냉동기와 비슷하지만, 난방을 응축기의 방열 작용을 이용해 할 수 있고 냉방을 증발기의 흡열 작용을 이용하여 할 수 있습니다.

흡수식 냉온수 발생기 방식 : 흡수식 냉동기와 보일러를 일체화시켜 한 대로 냉·난방 모두 가능하게 만든 장치입니다. 기름이나 도시가스를 열원으로 사용하며 프레온계 냉매를 사용하지 않아 환경오염 이슈로부터 비교적 자유롭습니다. 지구 보호 움직임이 커짐에 따라 수요가 점점 증가하고 있습니다.

수축열 방식 : 우선 고온 측의 냉수를 1차 냉수 펌프로 끌어올린 후 냉동기로 냉각합니다. 이후 저온 측 축열조를 거쳐 공조기로 옮기고 열 교환한 후 다시 고온 측으로 보내는 방법입니다. 보통 건물 지하에서 이중 슬래브를 이용하는 경우가 많습니다.

 

 

빙축열 방식 : 물의 온도 차이를 이용한 수축열 방식과 달리 빙축열 방식은 물이 얼음으로 변할 때 발생하는 잠열을 이용합니다. 얼음 상태로 열을 축적하기 때문에 수축열 방식에 비해 축열조의 용량이 작아도 된다는 장점이 있습니다. 빙축열 방식은 제빙하는 방법에 따라 다이내믹(Dynamic) 형과 스태틱(Static) 형으로 나뉩니다. 다이내믹 형은 샤벳 모양이나 작은 얼음 조각 모양으로 얼음을 생성하고, 스태틱 형은 제빙 코일 바깥에 얼음을 만듭니다.

지역냉난방 : 일반적인 건물에서는 열원설비를 건물별로 설치합니다. 하지만 열원 플랜트를 몇몇 곳에 집중적으로 설치해서 하나의 지역 내에 있는 많은 건물에 배관을 통해 냉수나 온수, 증기 등을 공급해 냉방이나 급탕하는 방식입니다. 공해를 방지하고 에너지를 절감시킬 수 있다는 점에서 도시를 구축하는 데 장점이 있습니다. 구성에 있어서는 냉동기 등의 열원을 포함한 열원 플랜트, 보일러, 공동구 등의 지역 배관, 열원 플랜트와 각 건물을 연결하는 열매 수송 배관으로 지역냉난방을 구성합니다.

코제네레이션(Cogeneration) 시스템 : 냉각수나 배열로부터 열을 회수해 급탕이나 공조, 전기기기의 전기동력 등에 이용하는 방식입니다. 일반적으로는 가스나 석유 등을 1차 에너지로 사용해 가스터빈이나 엔진 등 원동기를 구동시켜 발전기를 돌리고 전기를 만드는데, 이러한 방식은 전기에너지 효율이 40%밖에 안 되는 반면, 코제네레이션 시스템은 70~80%까지 활용할 수 있습니다.

 

열원 장치

열원 장치에는 보일러, 냉동기, 그리고 히트펌프가 있습니다.

우선 보일러의 경우 로(爐) 내부에서 연료를 연소시킴으로써 온수나 증기를 만드는 장치입니다. 일반적으로 보일러 본체, 가열장치, 급수장치, 통풍 장치, 제어장치와 그 외 부속품으로 구성되어있습니다. 본체를 구성하는 재료에 따라 강제 보일러, 주철제 보일러로 분류되며, 사용하는 압력에 따라 저압 보일러와 고압 보일러로, 열매 종류에 따라 온수보일러와 증기 보일러로 구분됩니다. 보일러는 고온과 고압의 증기를 사용하기 때문에 아무나 다루면 안 되며, '보일러 및 압력용기 안전 규칙'에 의한 자격을 지닌 사람이 다뤄야 합니다. 주로 공조용에 사용되는 것은 진공식 온수보일러, 노통 연관 보일러, 주철제 보일러 등이 있습니다.

냉동기는 압축식과 흡수식으로 구분할 수 있습니다. 압축식 냉동기는 압축기와 응축기, 증발기, 팽창밸브, 배관으로 구성이 됩니다. 압축-응축-팽창-증발의 과정을 거쳐 사용하는 냉동기입니다. 흡수식 냉동기는 냉동 사이클 중 가스 압축에 해당하는 과정에서 기계적인 에너지를 사용하지 않고, 재생기 가열 과정에서 재생기와재생기와 흡수기를 이용하여 보일러에서 나오는 증기나 연소가스 같은 열에너지를 사용하는 냉동기입니다.

증발기에서는 공기나 물로부터 열을 빼앗아 냉방으로 하고, 응축기에서는 공기나 냉각수로 열을 방출하는데 응축기에서 발생한 방열을 난방용으로 사용하는 것을 히트펌프라고 합니다. 여름에는 냉매액의 기화열을 이용해 냉방하고, 겨울에는 냉매 회로를 교체해 응축기의 방열은 난방으로 이용합니다. 보통 가정용 에어컨은 외기로부터 열을 빼앗아 난방을 하기 때문에 추운 겨울철에는 외기온이 낮아져 비효율적입니다. 이런 효율을 COP(Coefficient of Performance)이라고 합니다. COP는 난방할 때는 압축일에 대한 냉매의 난방열량 비(난방열량), 냉방 시에는 압축일에 대한 냉매의 냉방 열량(증발 잠열량) 비를 의미합니다. COP가 높다는 것은 적은 전력으로도 냉열을 많이 얻을 수 있다는 의미인데, 히트펌프의 경우 일반적으로 COP가 3에서 4 정도 됩니다. 최근 기술의 개발로 더 효율이 좋은 것도 개발되었습니다.