[논문]반도체 클린룸용 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 에너지소비량 평가

김기철; 송근수; 김형태; 유경훈; 신대건; 박덕준

doi:10.6110/kjacr.2013.25.2.055

[국내논문] 반도체 클린룸용 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 에너지소비량 평가
An Assessment of Energy Consumption in Steam-Humidification- and Water-Spray-Humidification-Type Outdoor Air Conditioning Systems for Semiconductor Manufacturing Clean Rooms 원문보기

설비공학논문집 = Korean journal of air-conditioning and refrigeration engineering, v.25 no.2, 2013년, pp.55 - 63

김기철 (한국생산기술연구원 나노오염제어연구실) , 송근수 (한국생산기술연구원 나노오염제어연구실) , 김형태 (한국생산기술연구원 나노오염제어연구실) , 유경훈 (한국생산기술연구원 나노오염제어연구실) , 신대건 ((주) 대한피엔씨) , 박덕준 ((주) 신성이엔지)

Abstract ▼ AI-Helper

For a large-scale semiconductor manufacturing clean room, the energy consumed in an outdoor air conditioning system to heat, humidify, cool and dehumidify incoming outdoor air is very large. In particular, the energy requirement to humidify outdoor air in the winter season is generally known to be high. Recently, in order to overcome the high energy consumption nature of a steam generator in a conventional steam humidification type outdoor air conditioning system, an air washer is often introduced instead of the steam generator in the outdoor air conditioning system, which can be called a water spray humidification type outdoor air conditioning system. Therefore, the assessment and comparison of the annual energy consumed in the steam humidification type and the water spray humidification type outdoor air conditioning systems deserves to be examined in order to reduce the outdoor air conditioning load of a clean room. In the present study, a numerical analysis was conducted to obtain the annual electric power consumption of the two outdoor air conditioning systems. It was shown from the comparison of the numerical results that the water spray humidification type outdoor air conditioning system can reduce about 30% of annual electric power consumption of the steam humidification type outdoor air conditioning system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 중소기업청이 주관하고 중소기업기술정보진흥원이 지원한 제조현장녹색화기술개발사업 “클린룸 제조환경을 위한 에너지절약형 외기공조기술 개발”과 출연연-중소기업공동기술개발사업 제조현장녹색화기술개발과제 “첨단전자산업을 위한 절전형 열원기술 개발”의 일환으로 수행되었으며, 이에 대해 관계자들께 감사드립니다.
본 연구에서는 우리나라 기흥 지역의 외기 조건을 대상으로 외기량 1,000 m³/h의 반도체 클린룸용 외기공조시스템에 대해 전극봉식 증기가습기에 의한 증기가습 방식과 에어와셔에 의한 수분무가습 방식을 채용한 경우에 대한 연간 에너지소비량을 산출하여 비교분석하는 수치해석적 연구를 수행하였다.

가설 설정

여기서 EC_Zone1, EC_Zone2, EC_Zone3은 각 모드별 총 소비전력량을 나타나며, 동계(EC_Zone1)의 경우에는 EC_h1+EC_sh +EC_h2+EC_pump+EC_fan의 에너지, 중간기(EC_Zone2)의 경우에는 EC_c1+EC_sh +EC_h2+EC_pump +EC_fan의 에너지, 하계(EC_Zone3)의 경우에는 EC_c1+EC_h2+EC_pump+EC_fan의 에너지를 소비한다고 가정하여 외기공조시스템의 연간 에너지소비량을 계산하였다. EC_h1는 동계 모드에서 외기를 급기 공기의 이슬점 온도(T_DPCR)까지 가열하는데 소비되는 에너지, EC_h2는 외기를 이슬점 온도에서 급기 온도까지 가열하는데 소비되는 에너지를 나타낸다.
우리나라 기흥지역에 대한 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 연간 에너지소비량을 산출하기 위해 Table 1의 조건을 바탕으로 수치해석을 실시하였다. 클린룸은 연간 항시 운전하는 것으로 가정하였으며, 급기 조건은 12℃, 90 %RH로 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다. Table 3은 수치해석을 통해 계산된 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 연간 소비전력량을 나타낸 것이다.

제안 방법

(4)의 실험적 연구에서 고려한 전극봉식 증기가습 외기공조시스템과 수분무가습 방식을 채용한 에어와셔 외기공조시스템을 각각 채택하였다. 그 외기공조시스템들의 도입 외기의 엔탈피에 따른 분할 영역(zone) 및 공조프로세스의 개략도가 Fig.
본 연구에서는 연간 에너지소비량을 계산하기 위해 Fig. 1, Fig. 2에 도시된 증기가습 및 수분무가습 공조프로세스를 Fig. 3과 같이 세분화 하였다. 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템에서 동계, 중간기, 하계의 경우에 모두 동일한 전기히터, 냉동기, 전극봉식 증기가습기, 수분무식 가습장치를 사용한다고 가정하였기 때문에, 다음의 식과 단위부하당의 소비전력 데이터를 이용하여 연간 에너지소비량을 계산할 수 있다.
4℃, 100 %RH로 만드는 것을 기본 방향으로 설정하고 그 다음 그 절대습도선을 따라서 클린룸의 실내 발열부하에 따라 재열의 정도를 결정한다. 본 연구에서는 외기공조시스템 출구의 공기 상태를 12℃, 90 %RH의 급기 조건이 되도록 외기공조시스템을 작동하였다.
우리나라 기흥지역에 대한 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 연간 에너지소비량을 산출하기 위한 수치해석을 실시하였다. 외기(OA) 조건은 Fig.
우리나라 기흥지역에 대한 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 연간 에너지소비량을 산출하기 위해 Table 1의 조건을 바탕으로 수치해석을 실시하였다. 클린룸은 연간 항시 운전하는 것으로 가정하였으며, 급기 조건은 12℃, 90 %RH로 일정하게 유지되는 것으로 가정하였다.
0078 kg/kgDA로 고정하고, 클린룸 실내의 발열부하에 따라 급기의 건구온도를 변화시켜 급기 조건을 결정한다. 이를 수치해석에 적용하기 위해 외기공조시스템에서 외기의 상태를 0.0078 kg/kgDA의 절대습도를 가지는 이슬점인 10.4℃, 100 %RH로 만드는 것을 기본 방향으로 설정하고 그 다음 그 절대습도선을 따라서 클린룸의 실내 발열부하에 따라 재열의 정도를 결정한다. 본 연구에서는 외기공조시스템 출구의 공기 상태를 12℃, 90 %RH의 급기 조건이 되도록 외기공조시스템을 작동하였다.
전극봉식 증기가습기에 의한 증기가습 외기공조시스템과 에어와셔에 의한 수분무가습 외기공조시스템에 대한 공조프로세스 및 에너지소비량을 구하기 위하여 우리나라 기흥지역의 외기 조건을 대상으로 1,000 m³/h의 외기량에 대한 수치해석을 수행하였다. 얻어진 수치해석 결과를 비교분석하여 다음과 같은 사항들을 관찰하였다.

대상 데이터

우리나라 기흥지역에 대한 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 연간 에너지소비량을 산출하기 위한 수치해석을 실시하였다. 외기(OA) 조건은 Fig. 4에 도시된 바와 같이 우리나라에서 반도체 공장이 집중적으로 배치되어 있는 기흥지역에 대한 2010년도의 1시간 마다의 8,760개의 온습도 기상데이터를 사용하였다.

성능/효과

(1) 본 연구에서 개발된 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 소비전력량 계산을 위한 수치해석 방법은 기존의 실험 결과와 매우 일치하는 계산 결과를 보여주었다.
(11) 계산에 사용된 2010년 기흥지역의 연간 총 외기량은 본 연구의 1,000 m³/h의 외기공조시스템에 대해 8,760,000 m³이므로, 이를 이용하여 단위 외기량당 소비전력량을 계산하면 에너지 환산계수의 산출이 가능하다. 증기가습 외기공조시스템의 에너지 환산계수는 108,826.
(2) 도입 외기량 1,000 CMH급 클린룸을 대상으로 수치해석을 실시한 결과, 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 연간 소비전력량은 각각 108,826.4 kWh, 76,333.3 kWh인 것으로 나타났다. 이로부터 수분무가습 외기공조시스템은 증기가습 외기공조시스템에 비해 연간 소비전력량의 약 30%를 절감할 수 있는 에너지 절약적인 시스템임을 확인할 수 있었다.
(3) 각 외기공조시스템의 에너지환산계수를 계산한 결과, 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 에너지환산계수는 각각 0.012423 kWh/m³, 0.008714 kWh/m³임을 알 수 있었다.
(4) 기흥지역에서 가동되고 있는 메이저 급 반도체 클린룸의 도입 외기량을 적용하여 수치해석을 실시한 결과, 수분무가습 외기공조시스템이 증기가습 외기공조시스템에 비해 536.10 GWh/년의 에너지를 절감할 수 있음을 알 수 있었다.
(5) 본 연구의 수치해석을 통하여 수분무가습 외기공조시스템이 기흥지역의 증가가습 외기공조시스템을 모두 대체할 경우, 절감되는 에너지소비량 및 이산화탄소 감축량은 경제적으로 매우 유효하다는 것을 알 수 있었다.
10 GWh/년의 에너지를 절감할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한 연간 전력절감량에 우리나라의 발전용 연료의 구성에 따른 전력량당 탄소배출계수인 0.4836 kgCO₂/kWh를 곱하면, 연간 이산화탄소 감축량은 259,257,960 kgCO₂/년이 되어 약 260,000 톤의 온실가스 배출권을 확보할 수 있게 되어, 경제적으로도 유효함을 알 수 있다.
⁽⁴⁾의 실험결과와 비교하여 보았다. 비교에 사용된 실험결과는 증기가습 외기공조시스템의 하계 및 동계 실험결과이며, 하계 실험 시 38℃, 50 %RH, 동계 실험 시 5℃, 10.1 %RH 조건의 외기를 급기 상태인 12℃, 90 %RH로 만들기까지의 공조프로세스와 소비전력량을 수치해석 결과와 비교하여 수치해석의 타당성을 검토하였다. 수치해석에 사용된 설정 값들은 실험 조건들과 최대한 근접하게 하여, 실험과 수치해석의 정확한 비교가 될 수 있게 하였다.
1 %RH 조건의 외기를 급기 상태인 12℃, 90 %RH로 만들기까지의 공조프로세스와 소비전력량을 수치해석 결과와 비교하여 수치해석의 타당성을 검토하였다. 수치해석에 사용된 설정 값들은 실험 조건들과 최대한 근접하게 하여, 실험과 수치해석의 정확한 비교가 될 수 있게 하였다.
3 kWh 임을 알 수 있다. 이는 수분무가습 외기공조시스템이 증기가습 외기공조시스템에 비해 약 30%의 에너지를 절감한 것으로, 수분무가습 외기공조시스템이 증기가습 외기공조시스템에 비해 에너지 절약적인 시스템임을 확인할 수 있다.
3 kWh인 것으로 나타났다. 이로부터 수분무가습 외기공조시스템은 증기가습 외기공조시스템에 비해 연간 소비전력량의 약 30%를 절감할 수 있는 에너지 절약적인 시스템임을 확인할 수 있었다.
008714 kWh/m³임을 알 수 있다. 이를 통해 수분무가습 외기공조시스템이 증기가습 외기공조시스템에 비해 동일한 1 m³의 외기를 공조하더라도 0.003709 kWh의 에너지를 절감하여 약 30% 만큼 에너지 절약적임을 알 수 있다.
수치해석을 통해 얻은 소비전력량의 정확성을 평가하기 위해 각 공조프로세스를 겪는 동안 소비된 에너지의 실험 결과 값과 수치해석 값을 Table 2에 함께 수록하였다. 총 소비전력량을 살펴보면, 동계의 경우 실험 결과는 23.67 kW, 수치해석 결과는 25.87 kW로 9.29%의 오차로 과대 예측하였고, 하계의 경우 실험 결과는 10.8 kW, 계산 결과는 10.66 kW으로 1.3% 과소 예측을 하였다. 표에서 확인할 수 있듯이 동계와 하계 모두 10%의 오차 내에서 소비전력량 값을 정확하게 예측하고 있음을 알 수 있다.
3% 과소 예측을 하였다. 표에서 확인할 수 있듯이 동계와 하계 모두 10%의 오차 내에서 소비전력량 값을 정확하게 예측하고 있음을 알 수 있다. 오차의 원인을 분석하기 위해 부분별로 살펴보면, 동계의 경우 증기가습을 위해 소모된 에너지의 차이가 오차의 주요 원인이라는 것을 확인할 수 있다.
이 에너지 소비량의 차이는 수분무가습을 사용함으로써 필연적으로 증가하는 에너지로, 수분무가습 과정을 겪는 동안 감소하는 외기의 현열을 보충하기 위해 소비된 에너지이다. 하지만 가습을 위해 사용된 에너지를 살펴보면, 증기가습의 경우 67,538.1 kWh, 수분무가습의 경우 12,877.2 kWh로 수분무가습 시스템이 증가기습 시스템에 비해 가습을 위해 소비한 에너지가 매우 적은 것으로 나타났다. 이 값의 차이는 앞에서 명시한 예열 에너지의 증가분을 압도하여 전체적으로 외기공조시스템의 소비전력량이 감소하게 된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 클린룸용 수분무가습 외기공조시스템은 에너지소비량 절감을 목적으로 하기에 어떤 것이 요구되는가?	반도체 클린룸용 수분무가습 외기공조시스템의 개발은 증기가습 외기공조시스템의 에너지소비량의 절감을 목적으로 하기 때문에, 외기공조시스템의 연간 에너지소비량의 산출이 필수적으로 요구된다. 또한 클린룸 입지 조건이 상이한 경우에 대해서도 동일한 에너지소비량 산출방법의 확립이 필요하다. 그러나 반도체 클린룸의 실제 운전을 통한 연간 에너지소비량의 실측은 많은 비용과 시간이 소모되므로, 수치해석을 통한 증기가습 및 수분무가습 외기공조시스템의 연간 에너지소비량 평가방법의 개발은 경제적인 관점에서 매우 가치가 있다고 판단된다.
	수분무가습 방식의 장점은?	따라서 에너지 소비가 높은 증기가습 방식을 에어와셔(air washer)를 이용한 수분무가습 방식(water spray humidification)으로 대체하려는 다양한 연구들이 수행되었다.(5-10) 수분무가습은 분무된 물이 공기로부터 증발잠열을 흡수하여 기화되는 방식이기 때문에, 물을 100～120℃의 증기로 만들기 위한 가열 에너지가 불필요하여 증기가습에 비해 에너지 소비가 적다는 장점을 가지고 있다.
	외기공조시스템은 도입 외기의 엔탈피에 따른 분할 영역별로 어떻게 작동하는가?	Fig. 1에서 Zone 1은 동계 모드로서, 외기를 10.4℃까지 예열한 후, 증기가습기를 이용해 외기의 절대습도를 0.0078 kg/kgDA가 되도록 가습, 마지막으로 재열하여 외기가 급기 조건(12℃, 90 %RH)를 만족하게 된다. Zone 2는 중간기 모드로, 외기를 10.4℃까지 냉각한 후, 증기가습기로 가습, 다시 재열하여 급기 조건에 도달하게 된다. Zone 3은 하계 모드로서, 외기를 절대습도가 0.0078 kg/kgDA가 될 때까지 냉각한 후, 재열하여 급기 조건 상태로 만들게 된다. 수분무가습 외기공조시스템의 공조프로세스가 Fig.

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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