반도체 클린룸용 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 에너지소비량 비교연구 Comparative Study on Energy Consumption in Steam-Humidification- and Water-Spray-Humidification-Type Outdoor Air-Conditioning Systems for Semiconductor Manufacturing Clean Rooms원문보기
최근의 반도체 제조용 대규모 클린룸에서는 도입 외기를 가열가습 및 냉각감습하는 외기공조시스템의 에너지소비량이 클린룸 환경을 유지하기 위해 필요한 전체 공조에너지의 약 45 %를 차지하고 있다. 특히 동기(겨울철)의 경우 외기를 가습하기 위한 에너지소비량은 매우 높다. 따라서 에너지절감을 통한 제조비용 절감 및 온실가스 감축을 위해 외기부하와 관계되는 공조에너지의 사용효율 증대 및 철저한 사용합리화가 요구되고 있다. 따라서 반도체 클린룸용 외기공조시스템의 핵심 가습방식인 증기가습과 수분무가습 방식에 대한 소비전력량을 분석하는 것은 에너지절약적 측면에서 상당히 가치가 있다고 판단된다. 본 연구에서는 전극봉식 가습기에 의한 증기가습방식 및 에어와셔에 의한 수분무가습방식 외기공조시스템들의 공조프로세스 및 소비전력량을 외기량 1000 $m^3$/h의 경우 기흥지역의 동기 및 하기의 피크부하에 대해 비교하는 실험을 수행하였다. 실험결과들로부터 에어와셔 수분무가습 외기공조시스템이 전극봉식 증기가습 외기공조시스템보다 연간 소비전력량이 적어서 에너지절약적임을 보여주었다.
최근의 반도체 제조용 대규모 클린룸에서는 도입 외기를 가열가습 및 냉각감습하는 외기공조시스템의 에너지소비량이 클린룸 환경을 유지하기 위해 필요한 전체 공조에너지의 약 45 %를 차지하고 있다. 특히 동기(겨울철)의 경우 외기를 가습하기 위한 에너지소비량은 매우 높다. 따라서 에너지절감을 통한 제조비용 절감 및 온실가스 감축을 위해 외기부하와 관계되는 공조에너지의 사용효율 증대 및 철저한 사용합리화가 요구되고 있다. 따라서 반도체 클린룸용 외기공조시스템의 핵심 가습방식인 증기가습과 수분무가습 방식에 대한 소비전력량을 분석하는 것은 에너지절약적 측면에서 상당히 가치가 있다고 판단된다. 본 연구에서는 전극봉식 가습기에 의한 증기가습방식 및 에어와셔에 의한 수분무가습방식 외기공조시스템들의 공조프로세스 및 소비전력량을 외기량 1000 $m^3$/h의 경우 기흥지역의 동기 및 하기의 피크부하에 대해 비교하는 실험을 수행하였다. 실험결과들로부터 에어와셔 수분무가습 외기공조시스템이 전극봉식 증기가습 외기공조시스템보다 연간 소비전력량이 적어서 에너지절약적임을 보여주었다.
In modern large-scale semiconductor manufacturing clean rooms, the energy consumed by the outdoor air-conditioning system during heating, humidification, cooling, and dehumidification of the incoming outdoor air represents about 45% of the total air-conditioning load required to maintain a clean-roo...
In modern large-scale semiconductor manufacturing clean rooms, the energy consumed by the outdoor air-conditioning system during heating, humidification, cooling, and dehumidification of the incoming outdoor air represents about 45% of the total air-conditioning load required to maintain a clean-room environment. In particular, the energy required for humidification of the outdoor air in winter is very high. Therefore, evaluation and comparison of the energy consumption in key humidification systems, viz., steam-humidification and water-spray-humidification systems, used in outdoor air-conditioning systems would be useful to reduce the outdoor air-conditioning load in clean rooms. In the present study, an experiment with an outdoor air flow of 1000 $m^3$/h was conducted to compare the air-conditioning process and energy consumption in outdoor air-conditioning systems with electrodeboiler steam humidifiers and air-washer water spray humidification systems. The experimental results showed that the water-spray-humidification-type outdoor air-conditioning system consumed less electrical power than did the steam-humidification-type system and was more energy efficient during winter.
In modern large-scale semiconductor manufacturing clean rooms, the energy consumed by the outdoor air-conditioning system during heating, humidification, cooling, and dehumidification of the incoming outdoor air represents about 45% of the total air-conditioning load required to maintain a clean-room environment. In particular, the energy required for humidification of the outdoor air in winter is very high. Therefore, evaluation and comparison of the energy consumption in key humidification systems, viz., steam-humidification and water-spray-humidification systems, used in outdoor air-conditioning systems would be useful to reduce the outdoor air-conditioning load in clean rooms. In the present study, an experiment with an outdoor air flow of 1000 $m^3$/h was conducted to compare the air-conditioning process and energy consumption in outdoor air-conditioning systems with electrodeboiler steam humidifiers and air-washer water spray humidification systems. The experimental results showed that the water-spray-humidification-type outdoor air-conditioning system consumed less electrical power than did the steam-humidification-type system and was more energy efficient during winter.
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문제 정의
본 연구는 경기도가 주관하고 경기과학기술진흥원이 지원한 경기도기술개발사업 전략산업과제 “첨단전자산업을 위한 에너지절약형 초청정클린룸 개발”과 중소기업청이 주관하고 중소기업기술정보진흥원이 지원한 제조현장녹색화기술개발사업 “클린룸 제조환경을 위한 에너지절약형 외기공조기술 개발”의 일환으로 수행되었으며 이에 대해 관계자들께 감사드립니다.
본 연구에서는 우리나라 기흥지역의 외기조건을 대상으로 외기량 1,000 m3/h 의 반도체 클린룸용 외기공조시스템에 대해 전극봉식 가습기에 의한 증기가습 방식과 에어와셔에 의한 수분무가습 방식을 채용한 경우에 대한 공조프로세스 및 소비전력량의 비교 연구를 실험적으로 수행하였다.
에 의해 수행되었다. 이러한 연구들은 최근 반도체 클린룸용 외기공조시스템에 일부 채택되고 있는 에어와셔(air washer) 를 직간접적으로 이용하여 클린룸 배기로부터 폐열을 회수하는 기술을 보고하고 있다. 그러나 에너지 절약적 관점에서 반도체 클린룸용 외기공조시스템의 가장 기본이 되는 가습 방식인 증기가습 및 수분무가습에 대한 외기공조시스템들의 에너지 소비량에 대한 연구가 전무한 실정에 있다.
제안 방법
1 의 증기가습 외기공조시스템에서 예열 히터와 냉각코일 사이에 추가로 에어와셔(Air washer) 및 엘리미네이터(Eliminator)가 편성되고 증기가습의 일부를 수분무가습으로 대체한 것이다. 먼저 수분무가습 외기공조시스템의 에너지소비량을 평가하기 위한 본 연구의 실험장치는 Fig. 3과 같이 청정덕트, 고성능 에어필터(HEPA filter), 항온항습기(Constant temperature and humidity chamber), 예열히터, 에어와셔, 엘리미네이터, 냉각 코일, 재열코일, 증기가습기, 송풍기, 온습도센서 및 계측기, 전력량계(Watt hour meter)로 구성되었다. 증기가습 외기공조시스템의 실험장치는 전술한 Fig.
8 ℃, 89 %RH 의 급기(SA) 상태에 도달된 후 클린룸으로 공급되고 있음을 알 수 있다. 명심할 것은 본 연구의 수분무가습 외기 공조시스템은 증기가습의 일부분을 수분무가습으로 대체하는 공조프로세스로 설계되었다. 여기서 클린룸 실내에서는 반도체 및 제조공정에 최적인 0.
반도체 클린룸을 위한 전극봉식 증기가습 및 에어와셔 수분무가습 외기공조시스템들에 대한 공조 프로세스 및 소비전력량을 구하기 위하여 우리나라 기흥지역의 외기조건을 대상으로 1,000 m3/h 의외기량에 대한 비교실험을 수행하였다. 본 실험에서 얻어진 소비전력량 실험결과와 이를 통해 산출한 단위부하당 소비전력을 비교분석하여 다음과 같은 사항들을 관찰할 수 있었다.
/h 의외기량에 대한 비교실험을 수행하였다. 본 실험에서 얻어진 소비전력량 실험결과와 이를 통해 산출한 단위부하당 소비전력을 비교분석하여 다음과 같은 사항들을 관찰할 수 있었다.
3 에 도시한 바와 같이 항온항습기 하류, 예열히터 하류, 에어와셔 하류, 냉각코일 하류, 재열코일 하류, 가습기 하류에서 공기의 온습도를 각각 측정하였다. 본 연구의 모든 실험 결과는 정상상태에 도달한 후에 1 시간동안 측정한 데이터를 이용하여 산출하였다. 외기공조시스템의 에너지소비량은 Fig.
외기공조시스템의 출구 온습도 조건인 급기(SA) 조건은 12 ℃, 90 %RH 로 하였다. 본 연구의 외기 공조시스템들의 공기선도상의 공조프로세스를 구하기 위하여 Fig. 3 에 도시한 바와 같이 항온항습기 하류, 예열히터 하류, 에어와셔 하류, 냉각코일 하류, 재열코일 하류, 가습기 하류에서 공기의 온습도를 각각 측정하였다. 본 연구의 모든 실험 결과는 정상상태에 도달한 후에 1 시간동안 측정한 데이터를 이용하여 산출하였다.
3 에서 에어와셔 및 엘리미네이터가 없는 경우이다. 본 연구의 외기공조시스템의 에너지소비량 측정에 있어 에너지소비량을 전력량으로 통합하기 위하여 모든 가열코일을 전기히터로, 증기가습기를 보일러 대신에 전극봉식 증기가습기로 대체하였다. 항온항습기는 외기의 4 계절 조건을 생성하기 위하여 예열코일의 전단부에 설치하였다.
2 는 각각 본 연구에서 고려하는 반도체 클린룸용 증기가습 외기공조시스템과 Song 등(10)이 제안한 에어와셔 수분무가습 외기공조시스템의 개략도를 나타내고 있다. 본 연구의 증기가습 외기공조시스템은 Fig. 1 에 도시된 바와 같이 에어필터(Air filter), 예열히터(Pre-heater), 냉각 코일(Cooling coil), 재열코일(Reheating coil), 증기가습기(Steam humidifier), 송풍기, 온습도 조절용 건구온도 및 노점온도 센서로 구성된다. 수분무가습 외기공조시스템은 Fig.
이는 일반적으로 혹한기에 외기공조시스템 최상류 예열히터의 동파방지 출구온도인 5 ℃ 를 기점으로 하기 위함이며 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템들의 공조프로세서가 서로 동일한 부분이기 때문에 에너지절감량의 산출에 아무런 문제가 발생하지 않는다. 본 연구의 항온항습기는 가열을 위한 3 kW 용량의 전기히터, 냉각을 위한 3.2 RT 의 냉동기 2 대, 가습을 위한 용량 10 kg/h 의 전기가열식 증기가습기로 구성되었고 항온항습기의 제어방식은 on-off 제어를 사용하였다.
전술한 공조프로세스 및 소비전력량의 실험결과를 바탕으로 본 연구의 반도체 클린룸용 외기공조시스템들의 에너지소비량의 원단위인 단위부하당 소비전력을 산출할 수 있다. 먼저 증기가습의 단위부하당 소비전력을 구하기 위하여 Fig.
5 m/s 로 유지시키기 위해 송풍기는 인버터가 장착된 터보팬을 사용하였다. 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템들의 소비전력량을 측정하기 위해 Fig. 3 에 도시된 바와 같이 LS 산전 3 상 유도형 전력량계를 Fig. 1 과 Fig. 2 의전기를 사용하는 모든 부분에 연결하였다. 청정덕트 내의 공기의 온습도 측정은 독일 AHLBORN 사의 ALMEMO-MA5990-2 데이터로거를 사용하였고 ALMEMO 센서와 전력량계의 상세는 Table 1 에 수록하였다.
한편, 비교를 위하여 동일한 가습조건에 대해 본 연구의 전극봉식 증기가습기에 의한 증기가습과 에어와셔에 의한 수분무가습의 소비전력을 구 하였다. 에어와셔의 수분무가습에 의한 소비전력을 구하기 위하여 Fig.
대상 데이터
본 연구의 에어와셔의 경우 단면적 0.33 m×0.33 m 의 청정덕트에 분사노즐이 각각 3 개씩 장착된 원관 4 개가 일렬로 배치되어 1 개의 뱅크(bank)를 이루고 총 4개의 뱅크, 총 48 개의 노즐로 구성되었다.
2 의전기를 사용하는 모든 부분에 연결하였다. 청정덕트 내의 공기의 온습도 측정은 독일 AHLBORN 사의 ALMEMO-MA5990-2 데이터로거를 사용하였고 ALMEMO 센서와 전력량계의 상세는 Table 1 에 수록하였다.
본 연구의 외기공조시스템에 대한 실험조건을 Table 2 에 수록하였다. 표에서 동기(겨울철) 및 하기(여름철)의 외기조건은 우리나라 기흥지역의 지난 30 년간의 기상조건 중에서 제일 극한의 엔탈피를 가지는 경우를 선정하였다. 다만, 동기 실험의 경우 Fig.
성능/효과
(1) 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 공조프로세스들은 외기 및 급기의 엔탈피 차이에 의한 열적인 외기부하는 서로 동일하지만 서로 다른 가습장치에 의한 공조프로세스의 경로 차이에 따른 소비전력량은 서로 다르다는 것을 확인하였다.
(2) 에어와셔 수분무가습 외기공조시스템은 하기의 경우 소비전력량이 전극봉식 증기가습의 경우에 비해 증가하였다. 이는 전극봉식 증기가습의 경우에 비해 추가로 투입된 에어와셔에 의한 차압 증가 및 에어와셔 펌프동력에 기인한 것이었다.
(3) 에어와셔 수분무가습 외기공조시스템은 동기의 경우 총소비전력량이 전극봉식 증기가습의 경우에 비해 감소되었다. 이는 에어와셔 수분무가습이 전극봉식 증기가습의 상당 부분을 대체함으로 인해 소비전력량이 크게 감소하였기 때문이었다.
(4) 연간으로 볼 때, 에어와셔 수분무가습 외기 공조시스템은 전극봉식 증기가습의 경우에 비해 동기의 소비전력량 감소가 하기의 소비전력량 증가를 압도하므로 전체적으로 에너지가 절감될 것으로 판단된다.
(5) 가습부하당의 소비전력은 전극봉식 증기가습만의 경우가 에어와셔 수분무가습만의 경우보다약 2 배 이상이었고 이로부터 에어와셔 수분무가습이 전극봉식 증기가습의 경우보다 더 에너지절약적임을 알 수 있었다.
증기가습과 수분무가습 외기공조시스템의 공조 프로세서들은 각각의 경로상의 중첩 부분이 없기 때문에 외기 및 급기의 엔탈피 차이에 의한 가열 가습에 필요한 열량, 즉 외기부하는 동일하지만 공조프로세스상의 경로 차이에 의한 에너지소비량, 즉 소비전력량이 다르게 될 것임을 짐작할 수 있다. 또한, 수분무가습 외기공조시스템은 비교적 일정한 포화효율을 나타내는 에어와셔의 수분무 가습능력에 의해 증기가습의 상당한 부분을 대체할 수 있고 보일러 운전에 의한 증기제조 비용을 크게 줄일 수 있다는 것을 보여주고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
에어와셔는 무슨 방식을 이용하는가?
특히 암모니아, SOx, NOx 가스성분은 외기에 많이 포함되어 있어 외기로부터 침입하는 것을 방지하기 위하여 도입 외기를 물로 세정하여 청정화시키는 에어와셔(air washer)를 실용화하여 외기공조시스템에 편입하는 연구들이 보고되고 있다.(1~3) 에어와셔는 수분무가습(water spray humidification) 방식을 채용하고 있다. 수분무가습은 분무된 물이 공기로부터 증발 잠열을 흡수하여 기화하는 방식이기 때문에 물을 100~120 ℃ 의 증기로 만들기 위한 가열에너지가 필요한 증기가습에 비해 가습에 필요한 에너지는 감소할 것으로 판단된다.
반도체, 디스플레이 등의 첨단 전자디바이스 제조용 대규모 클린룸에서 겨울철의 도입 외기를 위한 가습 방법으로 사용하는 방식은?
우리나라의 수출주력품목인 반도체, 디스플레이 등의 첨단 전자디바이스 제조용 대규모 클린룸에서는 정밀한 습도 제어가 요구되기 때문에 겨울철의 도입 외기를 위한 가습 방법으로 보일러를 이용한 증기가습(steam humidification) 방식이 일반적으로 채용되고 있다. 그러나 이 증기가습은 화석 연료에 의한 방대한 가열에너지를 소비하고 있고 이것에 기인하는 이산화탄소의 배출량도 매우 높다.
보일러를 이용한 증기가습 방식의 단점은?
우리나라의 수출주력품목인 반도체, 디스플레이 등의 첨단 전자디바이스 제조용 대규모 클린룸에서는 정밀한 습도 제어가 요구되기 때문에 겨울철의 도입 외기를 위한 가습 방법으로 보일러를 이용한 증기가습(steam humidification) 방식이 일반적으로 채용되고 있다. 그러나 이 증기가습은 화석 연료에 의한 방대한 가열에너지를 소비하고 있고 이것에 기인하는 이산화탄소의 배출량도 매우 높다. 우리나라 기흥지역의 경우 2009 년도의 온습도 기상자료로부터 계산한 결과 클린룸 외기량 1,000 m3/h 에 대해 연간 약 23.
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