지하역사실내형냉각탑성능개선연구 A study on an improvement of indoor cooling tower efficiency 배성준 * 황선호 ** 신창헌 *** 표수철 **** Bae, Sung Joon Hwang, Sun Ho Shin, Chang Hun Pyo, Soo Chul ------------------------------------------------------------------------------------ ABSTRACT Seoulmetro has operated the air cooling equipment for 57 stations to improve services focused on our customers who use Seoulmetro during the summer season and has established every year. However, a new set of problems has arisen with the cooling tower to support a heat exchange of cooling water. The most important matter is loss of efficiency in the cooling tower. The leading cause of this problem is that we use an indoor type. As the cooling tower room is located in the underground of the city because of the residents near the station. Therefore It is difficult to establish the cooling tower on the ground. But it is unsuitable for the location requirements of the underground type because it has a limited space to set up the air cooling equipment, for example, the cooling tower and a ventilating opening. As a result of such an unfavorable condition, the cooling tower doesn't work efficiently and the warmth of cooling water because of insufficiency of a heat exchange and a refrigerator's technical obstacle such as a high-temperature and a high-pressure has arisen. To prevent this situation, the operator tend to reduce refrigerant. Accordingly, the efficiency of the air conditioning is getting lower and lower. Study wishes to analyze the matter to improve indoor cooling tower efficiency and recommend a best practice for a person who manage the establishment. ------------------------------------------------------------------------------------ 1. 서론 1.1 연구의배경및서론서울메트로는하절기이용시민에대한고객만족도향상을위해총 57개역에대하여냉방설비를설치하여운용중이며, 지속적으로냉방역사를늘려가는추세이다. 그러나지하철특성상냉각수열교환을위한냉각탑의설치위치가지상부에설치되어야냉각효율이향상됨에도지상부부지확보가어려워지하에실내형냉각탑을설치하는경우가대부분이다. 따라서냉각탑설치공간의협소및환기구면적협소등실내형냉각탑의설치조건이부적합하여효과적인성능을발휘할수없어, 냉각수의열교환부족에따른수온상승과이로인한응축온도및압력상승으로냉방효율이저하되고있다. 또한설치공간여건상설계능력을발휘하지못하는냉각탑의응축기고온, 고압을방지하기위해정격냉방능력이하로운용하는경우도있다. 본연구에서는현재설치되어있는실내형압입송풍식냉각탑의문제점을개선하여냉각성능을향상시키고, 앞으로추진될지하역사냉방공사의방향을제시하고자한다. 책임저자 : 비회원, 서울메트로, 기술연구소, 주임 E-mail : nice@seoulmetro.co.kr TEL : (02)6110-5037 FAX : (02)6110-5338 ** 비회원, 서울메트로, 기술연구소, 선임 *** 비회원, 서울메트로, 기술연구소, 차장 **** 비회원, 서울메트로, 기술연구소, 선임
1.2 연구내용및과정 1) 연구내용본연구에서는냉방시설물의배관, 덕트등구조를파악하여냉동기와냉각탑의이상적인조합방법을검토하였으며, 현재설치된냉각탑의설치조건상의문제점을파악하고자하였고, 실내형냉각탑이설치된역사의냉방 Dat a 비교및실외형냉각탑과의효율비교를통해개선방안을도출하고, 앞으로추진될냉방공사의방향을제시하고자하였다. 2) 연구과정 냉동기및냉각탑등의규격확인및압력, 각부온도등운전조건파악 외부기온및역사냉방온도실측을통한냉방기능확인 냉방시설물의설치구조및운전조건상의문제점파악 문제해결방안검토및효과측정 개선효과검토및최적의운용방안도출 2. 냉방역사현황 2.1 냉방설비운용현황서울메트로 117 개역중냉방설비는 57 역에냉동기 113 대, 냉각탑 114 대가설치되어운용중에있으며, 실내형압입송풍식냉각탑은 35 개역 72 대가설치되어있으며 6 월 ~9 월까지 4 개월간운용하고있다. 그림 2-1 서울메트로실내형압입송풍식냉각탑운용현황 (2008 년 9 월기준 ) 도표 2-1 서울메트로실내형압입송풍식냉각탑설치현황 (2008 년 9 월기준 ) 호선별 역사 수 대수총용량 (RT) 냉동기냉각탑냉수펌프냉각수펌프 압축기모터총부하량 (KW) 대수 용량 (RT) 대수총부하량 (KW) 대수총부하량 (KW) 1 7 역 14 4180 2906 14 4180 21 642 19 683 2 12 역 23 5720 4236 25 6414 39 933 39 1074 3 9 역 19 5370 4226 19 6134 35 1002 33 1020 4 7 역 14 3810 2720 14 4152 25 708 25 533
2.2 냉수공급관연결배관설치현황서울메트로에서는일부소 / 대규모역사를제외하고는냉동기 2기, 냉각탑 2기씩설치하여운용중에있으며, 대부분냉동기 1, 2호기의냉수공급관을연결하여냉방부하가적을경우 1기의냉동기가동으로전체역사를냉방하고있지만일부역사는연결배관이없어 1기만가동할경우역사전역에균일냉방에어려움이있다. 도표 2-2 서울메트로냉방설비및연결배관설치현황 (2008 년 9 월기준 ) 호 선 냉동기설치역수 냉동기냉각탑공조기 냉수배관연결역수 냉각수 펌프 냉수 합계 57 역 113 114 253 43 18 8 194 1 호선 10 역 20 20 4 1 10 28 32 2호선 24 역 47 49 111 17 79 79 3 호선 11 역 23 23 4 9 10 40 42 4 호선 12 역 23 22 5 2 6 41 41 3. 현실태분석서울메트로는 1990년시청역부터시작하여매년냉방공사를통해냉방역사수를늘려가고있으나, 2008년현재까지총 57개역만이냉방공사가완료되었다. 따라서최장18 년이경과한설비가있어장비의노후로인해설계냉방능력를발휘하지못하는경우가있으며, 냉방설비가오래된역일수록냉방용량, 설치구조등에더많은문제점이나타나는경향이있다. 이외에도설계, 구조, 운용상의문제로냉각탑이제기능을수행하지못함에따라냉각수온이상승하고, 이에응축온도, 압력이상승하여사이클의고온고압에의한압축기의안전스위치동작으로냉동기가정지되는현상이발생한다. 과부하에의한냉동기의정지가자주발생할수록기기의수명은짧아질수밖에없으며, 이를방지하기위해압축기로유입되는냉매유량을줄여서운전하고있으나, 이로인해냉동기가설계능력을발휘하지못하여냉동기를가동함에도냉방효과를느끼지못하는결과가발생하게된다. 3.1 냉각탑배기의재순환실내형냉각탑에서발생하는고온다습한공기는전량외부로배출되고, 신선한외기가송풍기를통해유입되어야만정상적인냉각성능을유지할수있다. 그러나지하역구조물여건상배기가원활하지못하고고온다습한공기가재순환됨으로써냉각탑의효율이감소하는결과를초래하고있다. 특히, 습도가높은공기의유입은냉각탑용량의 60~80% 를차지하는잠열에의한냉각을저해함으로써냉방설비의운용에치명적인악영향을준다. 3.1.1 냉각탑배기덕트구조에의한재순환냉각탑 1, 2호기가같은실에설치되어있는경우, 2기의배기덕트는하나로합쳐져배기되는구조를가지고있는경우가대부분이다. 2기의냉각탑의용량이같다면 2기모두운전할경우에는배기에저항이발생하며냉방부하가적은계절에는 1기만가동함으로써, 1호기의배기가 2호기의배기덕트를통해유입되어재순환되는상황이발생한다.
그림 3-1 냉각탑배기덕트구조에의한재순환그림 3-2 냉각탑실구조에의한재순환 3.2 냉각탑실구조에의한용량부족지하철특성상도심지역지하에위치하고있어지상부지확보가어려워대부분의냉각탑이지하공간에설치되어있다. 설치장소또한공간의제약으로인해냉각탑실및환기구가매우협소하며, 배기덕트의크기가작고직각부분이많아원활한급 / 배기가어려우므로냉각탑이최적의설계능력을발휘하기어려운상황이다. 3.3 제품의노후에의한냉각탑용량부족냉각탑용량설계시통상냉동기용량의 120% 로설계하는것이관례이나, 지하공간여건상대부분이 100% 로설계되어있으며비교적최근에준공된역만이냉동기대비냉각탑의용량을크게설계하였다. 냉동기와냉각탑의용량을동일하게설치함에따라초기에는문제가거의없으나, 제품의노후가진행되면서냉각수노즐의탈락, 충진물파손및스케일흡착등으로냉각탑의효율이떨어져냉각탑용량부족및전력비가상승하는현상이발생하게된다. 특히, 1호선의경우그정도가심하며, 지하철특성상냉각탑설치공간및환기구면적협소등의문제도가지고있으므로여러가지악조건을충분히검토하여냉각탑의용량을설계하여야한다. 3.4 냉각수오염에의한냉각효율저하냉각수에는광물질및금속이온, 미생물이서식하고있어스케일침착, 슬라임장해로인한냉각효율저하의원인이되고있으나, 현재냉각수의레지오넬라균에대한수질검사만이시행되고있을뿐, 냉각효율과직접적인연관이있는스케일침착및슬라임장해에대한관리대책이미흡한실정이다. 3.4.1 스케일침착 냉각수가 가열 또는 증발되는과정에서 생성되는 불용해성물질이 배관이나 장비표면에 보호막을 형성 하거나 침착되면, 응축기의 열교환 효율 저하와 관내 냉각수 유동저항을 증가시켜 단열에 의한 냉동기의 능력감소와 소비동력 증가를 유발한다. 스케일은 온도가 높을수록 Ca이온 농도가 진할수록 생성이 촉진 된다.
3.4.2 미생물서식미생물에의해생성된오염물질이먼지등의이물질과혼합하여슬라임과같은오염물질을형성함으로써배관계통의국부부식, 유로저항증가및열교환효율을저하시킨다. 3.4.3 분진물 공기 중으로부터 유입되는 먼지 등의 분진물이 축적되어 충진재 효율저하 및 수명을 단축시킨다. 도표.3-1 냉각수의 수질기준 ( 한국산업규격 M 0077-1998) 구 분 항 목 기 준 수질영향부식스케일생성 ph [25 ] 6.5 ~ 8.0 기 전기전도율 [25 ] (μs/cm) 800 이하 준 염화물이온 (mg Cl - /l) 200 이하 항 황산이온 (mg SO 2-4 /l) 200 이하 목 산소비량 [ph 4.8] (mg CaCO 3/l) 100 이하 칼슘경도 (mg CaCO 3 /l) 150 이하 참고항목 탁도 ( 도 ) 20 이하 철 (mg Fe/l) 1.0 이하 암모늄이온 (mg NH + 4 /l) 1.0 이하 이온상실리카 (mg SiO₂/l) 50 이하 포화지수 (Saturation Index) 0.0 ~ 1.0 3.5 역사별냉각수입 / 출구온도현황 45 40 35 온도 30 25 20 입구출구 15 10 5 0 시청 (1) 종각 종로 5 가 동대문 (1) 신설동 제기동 청량리 시청 (2) 을지 3 가 (2) 합정 신당 선릉 역삼 신정네거리 신림 교대 (2) 서울대입구 불광 을지 3 가 (3) 종로 3 가 (3) 고속터미널 교대 (3) 수유 미아삼거리 명동 회현 삼각지 총신대입구 그림 3-3 2008 년 8 월 6 일냉각수입 / 출구온도
4. 개선방안및효과 4.1 냉각탑급배기구조개선 냉방신설공사시냉각탑 2기의배기덕트를개별덕트로시공하여간섭없이배기되도록하고, 외부와의거리최소화및덕트등구조물의마찰저항을줄임으로써원활한배기시스템을구축한다. 구조개선 : 종각역, 을지로 3가 (3) 역과같이 2기의배기덕트가하나로합쳐져배기되는구조는모듈댐퍼 (M odule Damper) 를설치하여냉각탑과연동하도록함으로써, 운전시에만개방토록하여 1기가동시정지된냉각탑을통해재순환되는문제를해결할수있다. 냉각탑상부및배기덕트의냉각탑실구간에단열재를부착하여실내에서의방열을최소화한다. 공간의제약으로인해충분한면적확보는어렵지만, 원활한급 / 배기가가능하도록냉각탑실구조를개선하여냉각탑의압력손실을최소화함으로써설계풍량을확보할수있다. 외기도입이용이한냉각탑실위치선정 외기도입을위한충분한급기구확보 배기공기가외기취입구로들어가지않도록이격거리확보 흡입공기의확보가어려울경우송풍기를이용한외기도입 배기덕트의충분한면적확보 그림 4-1 댐퍼설치에의한재순환방지개선안그림 4-2 개별덕트에의한재순환 / 부압방지개선안 도표 4-1 댐퍼설치에의한재순환개선효과 항목 댐퍼설치 전 댐퍼설치 후 개선효과 유입공기 DB 31.9 28.1-3.8 습도 96.9% 48.1% 48.8% 냉각수온도 입구 40.6 38.0-2.6 출구 39.3 36.9-2.4
4.2 냉각수 H EAD ER 설치를통한효율개선하절기냉방부하가상승함에따라 2기의냉동기와 2기의냉각탑을운전하고있으나냉각수온도상승에의한냉동기TRIP을방지하기위해부하를줄이거나 1기씩만가동하고있는실정이다. 이는곧냉방능력부족으로이어지며 1기만가동하더라도냉각탑의노후등악조건으로인해 100% 냉방능력을발휘하기어려운여건이다. 근본원인은냉각탑의노후및설치조건에의한용량부족이므로냉동기 1기에냉각탑 2기를연결하여냉각탑의적정용량을확보함으로써냉방효율을개선하고전력소모를절반수준으로줄일수있다. 단순배관연결 : HEADER 추가없이단순배관연결및냉각탑간수위균형을위한균수관연결하여 1냉동기 +2냉각탑운전가능하며나머지냉동기는예비로활용또는교번운전 그림 4-3 단순배관연결도 ( 주 : CR-Cooling Water Return, CS-Cooling Water Supply) H EADER 설치 : H EADER 를설치하여냉각수급 / 환수분배 그림 4-4 HEADER 설치도 ( 주 : CR-Cooling Water Return, CS-Cooling Water Supply)
개선효과 시청 (1) 역실내형냉각탑병렬운전변경전시청 (1) 역실내형냉각탑병렬운전변경후 * 냉방기간 1 개월평균기준 - 1 개역냉동기 2 대, 냉각탑 2 대가동 - 실내형냉각탑역사냉동부하총량 : 700 RT * 냉방기간 1개월평균기준 - 1개역냉동기 1대, 냉각탑 2대가동 - 실내형냉각탑역사냉동부하총량 : 3 50R T 1. 냉동기 2대냉각탑 2대가동시전력량 642Kw - 냉동기 : 470Kw (235Kw 2대 ) - 냉각탑 : 22Kw ( 11Kw 2대 ) - 냉수펌프 : 60Kw ( 30Kw 2대 ) - 냉각수펌프 : 90Kw ( 45Kw 2대 ) 1. 냉동기 1대냉각탑 2대가동시전력량 377Kw - 냉동기 : 235Kw (235Kw 1대 ) - 냉각탑 : 22Kw ( 11Kw 2대 ) - 냉수펌프 : 30Kw ( 37Kw 1대 ) - 냉각수펌프 : 90Kw ( 30Kw 2대 ) 2. 전력사용비 (2008 년 8 월기준 ) 642Kw 15Hr 30일 84.35원 = 24,368,715원 2. 전력사용비 (2008 년 8 월기준 ) 377Kw 15Hr 30일 84.35원 = 14,309,978원 3. 지하철냉방기간 6 월 ~9 월간 4 개월전력사용량 24,368,715 원 4 = 9 7, 4 7 4, 8 6 0 원 3. 지하철냉방기간 6 월 ~ 9 월간 4 개월전력사용량 14,309,978 원 4 = 5 7, 23 9, 9 12 원 시청 (1) 역 4 개월 / 변경전 - 변경후 = 예상절감액 4 0, 23 4, 9 4 8 원 4.3 냉수연결배관 / H EAD ER 설치소 / 대규모역사를제외하고는냉동기 2기, 냉각탑 2기씩설치, 운용중에있으며냉방부하가적을경우 1 기의냉동기만가동하여냉방하고있지만일부역사는냉수연결배관 / HEADER 가없어역사의 50% 구역만냉방을하고있는실정이다.( 강남역외 11개역 ) 실제로신림역의경우승강장중앙을기준으로시점측승강장승차위치 1-1~5-4까지만냉방이되고종점측승강장 6-1~10-4 까지는냉방이되지않아, 승강장의실내온도가최고 10 까지차이가나는것으로측정되었다. 따라서시민고객의온도차에의한불쾌감을해소하고앞서제시한 1냉동기 + 2냉각탑운전의선행과제로써, 반드시전역사에냉수연결배관또는 HEADER 를설치하여냉동기를 1대만운전하더라도역사전구역에균일냉방되어야한다. 4.4 스크린도어설치스크린도어를설치하여선로측에서발생하는부하를차단하고, 냉기의방출을억제시킴으로써냉방효과를상승시키는효과가발생한다. 냉방부하의감소는냉동기의소비전력을낮추고냉각탑에서냉각하여야할열량이그만큼줄어든다는것을의미한다. 4.4.1 냉방부하감소 ( 왕십리 (2) 역기준, 2009년냉방화개량공사완료예정 ) 선로부발생열량 QT = Qtrs+Qax+Qac = 411,848 kcal /h 열차제동에의한발열량 : Qtrs = 42,105 + 73,906 = 116,011 kcal /h 열차보조기기발열량 : Qax = 8,892 + 8,892 = 17,785 kcal /h 열차냉방에의한발열량 : Qac = 139,026 + 139,026 = 278,052 kcal /h
승강장 발생 열량 ( 현열 ) = 310,396kcal /h 인체발열 : Qp = 83,189 kcal /h 조명발열 : QEL = 54,950 kcal /h 기기발열 : QM = 43,000 kcal /h 구조체 열전달 : Qst = 57,749 kcal /h PSD를 통한 전도열 : QSD = 13,432 kcal /h PSD열림으로 인한 침입열량 : QIS = 22,801 kcal /h PSD 틈새 침입열량 : QSIS = 7,057 kcal /h 기타 취득열 : QF = 28,218 kcal /h 스크린도어가없을시발생열량 = QT + Qp +QEL +QM +Qst +QF(PSD제외한기타취득열 ) = 411,848 + 83,189 + 54,950 + 43,000 + 57,749 + 23,889 = 674,625 kcal /h 이므로스크린도어를설치함으로써승강장에서의냉방부하를 674,625 kcal /h 310,396kcal /h 약 46% 수준으로줄일수있다. 도표.4-2 스크린도어설치현황 (2008.08.01 기준 ) 구분계설치완료설치중 2008 년 2009 년 2010 년 총계 117 개역 35 4 3 22 17 완료 설치계획 민자 26 24-2 - - 자체 91 11 4 3 20 17 완료 4.5 최대효율을위한냉각수배관부식 ( r u s t ), 스케일 ( s c a l e ), 슬라임 ( s l i m e ) 장해에관한대책 KS M 0101에의해수질검사전체항목을시험, 종합관리 농축된냉각수를배수하고깨끗한보급수로교환 (Blow down) 부유고형물 (85~95% 가 10 μm미만의미세입자 ) 을순환여과 (Side-streem filtration) 처리 냉각수수처리제적기사용 (Chemical dosing), 레지오넬라균등박테리아번식방지 ( 용해고형물처리 ) 5. 요약 및 결론 냉각탑은 냉방설비에 있어서 냉동기와 더불어 가장 중요한 부분을 차지하는 장비지만 설치, 운용 및 유지보수에 있어서 기능만큼의 인식이 부족한 것이 현실이다. 냉각탑 설치 및 효율적인 유지 관리을 통한 냉방능력 향상 및 소비전력절감, 냉동기 수명연장 등 다양한 효과를 볼 수 있음에도, 냉각탑의 중요성에 대한 인식 부족으로 냉방효율 상승의 기회를 잃고 있다. 앞서 제시한 바와 같이 적정용량의 냉각탑을 설계하고, 급 / 배기가 원활하도록 설치하는 것이 시공 상 가장 중요한 사항이며, 적절한 유지관리로 성능 저하요소를 제거하는 것이 관건이다. 현재 설치되어 가동 중인 역사 중에는 동대문, 종각 등과 같은 경우 4.2 에서 제시한 냉각수 배관 /HEADER 설치를 통한 1냉동기 : 2냉각탑 운전으로 효율향상이 기대되며, 배기덕트 등에 나타난 재순환현상을 해결하고, 흡입공기 유입이 원활하도록 정비하는 방안에 대한 검토가 필요할 것으로 보인다. 더불어 냉각수오염에 의한 부식, 스케일, 슬라임 예방 및 제거, 냉각탑 성능의 주요인자인 충진재, 분사노즐 등에 대한 세심한 유지관리를 통해 냉각탑의 효율을 향상시킴으로써 냉방 성능개선에 의한 고객서비스 개선 및 전력효율 향상에 의한 전력비 절감 등의 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌 1. 냉각탑 제품규격 KARSE B-0003 2. 냉각탑 시험방법 KARSE B-0004 3. 냉동 공조용 냉각수 수질기준 KS M 0077 4. 냉동공조설비 (2006)-서울메트로 교육원교재 5. http://cti.org(cooling Technology Institute) 6. 냉각탑세미나자료 ( 경인기계 ) 7. 용량계산서 ( 기계분야 : 왕십리 (2) 역 )