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저온 저장고의 설비 및 운전원가 절감대책

오 후 규
(공학박사, 부경대학교 냉동공학과 교수)

Ⅰ. 서론
냉동산업은 전력을 다량으로 소비하는 업종이기 때문에 옛날부터 설계나 사용상의 합리화를 이룩함으로 해서 에너지를 절약하려는 노력은 하였다고 본다. 그러나 날로 변천하는 국내외 에너지 사정을 생각하면 냉동공장의 설계감각도 달리하여야 하는 것도 많다고 본다. 예를 들면, 실용온도에 의한 설계, 예를 들면, -30℃로 설계하여 두고도 -20∼-25℃ 로 온도를 올려서 운전하는 것은 불합리하며, 이를 바에야 처음부터 -25℃정도의 실용 온도조건에서 설계함으로 해서 초기비용은 물론 운전비를 줄이는 것이라든지, 그리고 방열층 두께 선정도, 방열층의 열손실 허용 값을 종래의 10 ㎉/㎡h에서 대폭 줄여 5 ㎉/㎡h 정도까지로 하는 것 등을 생각할 수 있다. 또한 냉각기의 팬 동력은 그대로 고내에서의 열 부하로 되기 때문에 1000톤 정도의 방이라도 2.2 ㎾×4기 정도까지 할 수도 있을 것이다. 뿐만 아니라 효율 높은 운전을 위한 기기의 조합이라든지 기기의 시간 제어 운전이나 최신 기술을 이용한 자동관리제어 시스템의 도입 등도 있을 것이다. 이 중에서도 운전방법의 합리화는 필요한 것이나, 설비 그 자체의 개선에 의하여 동력의 효율화를 시도하는 것이 보다 효과적이며, 이를 위해서는 새로운 기술이 요망되는 것은 당연한 이치이다. 이하, 여기에 관련된 여러 가지 항목들에 관해 저온용 냉동공장을 중심으로 이야기 하고자 하나, 농산물 저온저장고에도 같이 적용될 것으로 생각하여 농산물을 대상으로 하는 저온저장고에 대해서는 보다 실무적인 접근을 위해 일본의 저온저장고 설비 및 운전요령개선방안 례를 중심으로 설명한 뒤, 이들 방법을 우리 나라 저온저장고에 적용하는 방안을 알아보고자 하였다. 이러한 내용들은 농수산물 저온저장고의 경영자는 물론 시설 설비설계자와 장치운전자에게도 실질적 도움이 될 것으로 생각한다.

Ⅱ. 냉동공장의 에너지 절감 대책
1. 냉동공장의 근대화와 에너지 절감
미국, 유럽, 일본 등 선진 외국에 비해 우리 나라는 비록 오랜 냉동의 역사(현존하는 석빙고 등 고대 냉동사)는 있지만 소위 현대 기계냉동기술의 발전은 선진국에 비해 극히 저조하였다. 그러나 오늘날에는 고속 다기통 압축기가 이미 오래 전부터 국산화되었고, 스크류, 스크롤 압축기도 국산화되는 등 선진국과 거의 차이 없이 근대화되고 있다. 우리 나라의 근대화 발전 단계를 개략적으로 보면, 저용량 저속압축기에서 대용량 고속 압축기 → 고층 건물에 의한 대형 냉장고로의 규모의 확대 → C급에서 F급으로의 저온화 경향 → 암모니아에서 후레온계 냉매로 이행하는 안전성 경향 → 에너지 절약 및 공기단축을 위한 장치제작의 자동화 및 콤팩트화 경향이다. 그리고 최근에는 지구환경 보존이라는 측면에서 프레온계 냉매의 대체냉매의 사용이 권장되고 있으며, 냉동설비 면에서는 화물의 수동 및 반 수동 작업에서 기계하역으로의 전환이 이루어지고 있고, 이와 동시에 작업 기기나 자동관리 시스템을 이용하는 부대시설의 보강 등으로 볼 수 있을 것이다.
이중에서 에너지 절약과 가장 관계 있는 항목은 시설의 대형화라고 할 수 있을 것이고, 나머지 항목들에 대해서는 생산 원가 절감에 역행할 수도 있다. 즉, 에너지 절약이나 안전성을 위한 장치의 근대화는 어쩔 수 없는 것이나, 어디까지나 이윤의 추구라는 기업적인 측면에서 생각해 볼 때는 근대화가 원가절감이라는 등식은 성립하지 않을 수 있다. 사실, 에너지 절약적 관점보다 시설의 근대화란 큰 물결에 휘말려 에너지 절약에 대해서는 등한시 한 점도 있다고 본다.


2. 냉장고의 열부하
근본적으로는 냉동작용을 해야하는 것은 고내 혹은 고내로의 열부하이므로 에너지를 절감하기 위해서는 열부하를 분석해야 한다. 즉, 각 기기에 대응하는 소비전력을 상정하여 년간 소비추세를 분석하면 절전대책을 세우기 쉬울 뿐만 아니라 시설개선의 순위 결정에도 참고가 될 것이다.
그리고 방열 수단은 가장 기본이 되는 에너지 절약 수단이라는 것을 인식하여야 한다. 방열성능을 나타내는 척도로는 방열층 1㎡당 1시간에 고내로 침입하는 열량으로 나타낸다. 종래의 표준은 방열층의 표면 1㎡당 1시간의 열 손실을 10 ㎉/㎡h 정도이나 에너지 절약을 위해서 신설 냉동실의 경우는 10 ㎉/㎡h 보다 훨씬 낮은 값인 4∼6 ㎉/㎡h 정도까지 생각할 수 있다고 본다.
신설의 공장의 방열계획은 쉬운 일이나 기설공장의 방열성능을 보강하고자 할 경우는 우선 그 경제성에 대해서 고려해 보아야 한다. 기설 공장의 경우는 전술한 1㎡당 년간 소비전력료와 단열재 증설비용과 금리나 감가상각, 그리고 장래성 등을 비교하여 결정하여야 한다. 만약 전체적인 개선이 어려우면 부분적인 방열 보완도 좋은 방법이 될 것이다. 에너지 절약의 최종적인 목표는 결국 기계의 운전을 정지시키는 것이므로 어떻게 방열을 하여 기계를 장시간 정지시킬까 하는 것이다. 기설의 경우 개략적인 표준은 출입작업이 없는 시간대에서 기계를 하루에 10시간 정도는 운전정지가 되면 좋을 것이다. 이 경우의 표면 열 손실은 대략 6㎉/㎡h정도라 생각되므로, 이것으로부터도 방열 두께를 산정할 수 있을 것이다. 만약 운전정지시간이 7∼8시간이 안되면 방열의 보강이 필요하다고 할 것이다. 장시간의 운전정지는 단순히 그사이의 전력소비에 해당하는 것만이 이익이 아니고 운전을 재개했을 때 냉각효율이 향상하게 된다.
그런데, 방열벽의 외 표면 온도로부터 방열 성능을 진단할 경우 방열벽의 외 표면 온도는 그것에 접하는 외기온도 보다 1℃정도 낮게 되는 것이 보통이므로 이것을 기준으로 할 수가 있다.

(1) 고내로의 열반입 경감
고내로의 열반입이라고 하는 것은 화물의 반입(화물의 온도는 대개 고내온도보다 약간 높다)에 수반되는 열부하라는 의미이다. 입고화물의 열부하는 어쩔 수 없는 것이지만 이것과 동시에 고내에 들어오는 pallet와 forklift 차체를 냉각하기 위한 열손실에 대해서는 고찰을 할 필요가 있다. 먼저, pallet를 냉각하기 위한 열 부하는 pallet에 적재하는 화물의 냉각열부하의 20%에 해당한다는 보고도 있다. 따라서, 사용하지 않는 pallet를 고외 (혹은 옥외)에 방치하면, 온도가 올라가기 때문에, 다음 입고시의 냉각 열부하가 크게 될 뿐만 아니라 빙결과 해동이 반복됨에 따라 pallet의 손상도 촉진된다. 다소 귀찮기는 하지만, 사용하지 않는 pallet를 고내의 빈 장소에 저온인 상태로 보관해 두는 것도 한가지 방법이라 하겠다. Forklift 차체의 냉각 열손실을 계산한 예는 없으나 차체의 노출표면과 그 표면의 열전달을 계산해서 열부하를 구하고, 또 1대 1년간의 전력소비량으로 환산한다면, 약 7000∼10000㎾h라고 하는 보고도 있다. 전항의 pallet의 냉각 열손실에 비교하면, forklift 차체의 냉각 열 손실은 약간 적지만, 두 가지를 합하면 결코 무시할 수 없게 된다.

(2) 외기의 침입
문의 개폐에 의한 외기 침입부하는, 냉장고 전체 열부하의 10%에 가까운 값이라고도 하는데, 그 방지는 주로 에어 카텐에 의하는 실정이나 완전한 방법이라고는 볼 수 없고, 좀 더 개량된 방법이 요망된다. 다음은 pallet의 용량도 고려하여야 할 사항이다. pallet의 적재량이 많게 되면 화물의 입출고 회수가 감소하기 때문에 당연히 문의 개폐회수가 적게 된다. 따라서 pallet의 대형화는 에너지 절약효과와 동등한 역할을 한다고 할 수 있다.

(3) 고내 폐열의 경감
고내 발열의 원인이 되는 것으로서는, 냉각기 강제통풍의 송풍기 동력, 조명, forklift의 동력, 바닥 heater 등이지만, 또한 작업원도 발열의 원인이 된다. 그 가운데서도 송풍기 동력이 대부분을 차지한다. 고내에서 사용되어지는 동력과 조명은 그 대부분이 열에너지로 되어 고내 온도를 높게 하는 역할을 한다. 발열량의 환산율은 1㎾당 860㎉/h이다. 급속동결에 있어서 강제통풍용 팬이나, 제빙에 있어서는 brine pump, agitator 등도 이와 같은 종류이다. 이러한 고내 발열원의 기기를 사용하는 경우에는, 압축기 능력을 발열부하에 대치할 수 있도록 보다 크게 설치해야만 한다. 따라서, 송풍기 동력의 감소는, 동시에 압축기 동력의 감소(혹은 운전시간의 단축)를 가져오며, 절전의 효과를 가져온다. 송풍기 동력의 감소는 냉장고의 절전대책 가운데 매우 중요한 역할을 하고 있다 해도 과언이 아니다.
강제통풍 냉각기의 경우, 통상 사용되고 있는 냉각기의 냉각능력(1시간에 몇 ㎉ 의 열교환을 하는가?)은 3가지 요소로서 나타낼 수가 있다.

Q : 냉각기의 열교환량 (냉각능력)
k : 열 통 과 율
A : 냉각기 열교환 부분의 표면적
t1-t2 : 실내온도와 증발온도와의 차

위의 식에서 알 수 있는 바와 같이 냉각능력을 크게 하기 위해서는, A, (t1-t2), k의 3가지 요소를 크게 한다면 그 목적이 달성된다. 그런데, A를 크게 하는 것은 냉각기 자체가 크게되기 때문에 자체의 한계가 있다. (t1-t2)를 크게 하는 것은, 실온이 일정하기 때문에 냉매의 증발온도가 저하되는 운전이 된다. 그리고, 증발온도가 내려가면 증발압력도 내려가기 때문에 에너지 절약에 역행된다. k를 크게 하기 위해서는 냉각기를 통과하는 공기의 속도를 증가시킬 필요가 있어, 송풍기 동력을 크게 하지 않으면 안 된다. 이 요소도 에너지 절약적인 면에 바람직하지 않다.
이상의 3가지 요소를 종합하면, 냉각기의 열교환 표면을 가능한 크게 해서 증발압력의 저하와 송풍기 동력의 증대를 방지하는 것이 중요하다. 송풍동력의 경감이라고 하는 것은 절전대책에 확실히 효과가 크지만, 기존 냉각기에 대해서는 그 표면적을 새삼스레 크게 할 수 없기 때문에 증발온도가 저하되는 것을 알아두는 것이 중요하다. 그건 그렇다 하더라도 많은 경우에 송풍능력이 경감하는 것에 의해서 대폭적인 절전효과를 얻을 수 있다는 것은 확실하다.
Unit cooler의 강제통풍 동력의 경감에 대해서 생각해 볼 필요가 있다. Unit 형의 냉각기는 가장 일반적으로 사용되고 있는데, 대부분의 경우 필요 이상으로 큰 송풍기를 부착하는 경우가 많기 때문에 이것의 개선은 에너지 절약 효과가 매우 크고, 개선공사가 용이하다. 송풍기 동력은 압축기 동력의 20∼30%로 되는 것이 있지만, 냉각기의 열교환 면적이 어느 정도 확보 된 경우에는 1/2정도로 줄일 수 있다.
고내의 방열층 표면에 있어서 풍속이 크면, 표면 열전달율이 증가하고 방열손실이 축진된다. 이 의미에서 본다면, 강제통풍은 최소한으로 하는 것이 좋다. 또한 고내통풍의 합리화 방안으로 냉각기에서 나오는 바람의 방향은 냉풍 순환에 중요한 요소가 되기 때문에 duct를 사용하는 것은 좋은 방법이 되기도 한다. 송풍거리가 긴 경우와 건물의 구조 혹은 물건에 따라서는 부분적으로 냉기의 순환이 방해될 경우에는 냉각기용의 fan을 설치해서 바람의 순환을 연결시킴으로서 국부적으로 보충하는 방법도 좋다고 생각한다. 뿐만 아니라 조명 도 과다 설치를 피하고 실정에 맞도록 조정하는 것도 필요하다.


3. 냉장장치의 개선
장치의 근대화에 의하여 새로운 장치로 교환한 기기의 동력설비를 중심으로 과대한 것을 삭감하여 적정화함과 동시에 기기의 선택의 잘못을 시정하는 것 등이 주 대책이다.

(1) 냉각기 송풍동력의 경감
가장 중요한 개선대책이나, 앞에서 이야기하였으므로 생략한다.

(2) 증발식 응축기의 송풍동력 경감
신설의 경우는 먼저 시로코팬과 유압환기선풍기 중에 어느 것을 사용할 것인가를 생각할 필요가 있다. 증발식 응축기의 송풍기에는 대부분의 경우 시로코형의 것이 적합하다고 볼 수 있는데, 2∼3대의 송풍기가 붙어있는 것이 보통이므로, 겨울에는 송풍기의 대수제어에 의하여 절전을 하는 공장도 있다.
증발식 응추기와 비슷한 역할을 하는 것으로 냉각탑이 있으나, 이 경우의 송풍기는 시로코형이 아니고, 환기식 송풍기를 사용하는 것이 보통이다. 환기식은 같은 동력표시의 시로코형팬의 송풍량보다 3∼4배 정도 큰 것이 보통이므로, 같은 능력의 압축기에 대응하는 송풍기 동력은 3 : 1 혹은 4 : 1 이라는 큰 차이가 있다. 실험에 의하면, 에바콘에 필요한 정압은 6㎜(물)이기 때문에 이 정도의 정압이라면, 유압환풍형으로도 충분히 대응할 수 있다고 한다. 시로코형은 약 20㎜(물) 이상의 높은 정압에서 작동할 경우에 좋은 효과가 발휘되기 때문에 6㎜(물) 정도의 경우에는, 그 장점이 나타나지 않고, 소비되는 동력에 비해 효율이 나쁘다. 여기서도 송풍기 동력경감 방법에 대해 고려할 필요가 있다