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문제 정의
- 본 연구는 중소기업청이 주관하고 중소기업기술 정보진흥원이 지원한 출연연-중소기업공동기술개발사업 제조현장녹색화기술개발과제 “첨단전자산업을 위한 절전형 열원기술 개발”과 산업통상자원부가 주관하고 한국에너지기술평가원이 지원한 에너지기술개발사업 시장수요대응형과제 “공업용 클린룸을 위한 실내 수분무가습 시스템 개발”과 기획재정부가 주관하고 한국생산기술연구원 지원한 중소중견기업 타깃형 육성 생산기술개발사업 “기축건물 바닥 설치형 열회수 환기장치 개발”의 일환으로 수행되었으며 이에 대해 관계자들께 감사드립니다.
- 본 연구에서는 수분무 가습을 이용하여 반도체클린룸용 외기공조시스템의 에너지절약을 도모하기 위하여 반도체 클린룸용 증기가습, 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 공조프로세스 및 에너지소비량을 비교하였다. 외기도입량 1,000 m3/h급 lab-Scale 외기공조시스템 실험장치를 제작하고, 우리나라 기흥 지역의 외기조건을 이용하여 에너지소비량 측정실험을 수행하였다.
가설 설정
- 0078 kg/kgDA의 절대습도선을 따라서 클린룸 실내의 발열부하에 따라 재열의 정도를 결정하도록 수치해석을 진행하였다. 클린룸은 연간 항시 운전하는 것으로 가정하였으며, 외기공조시스템의 출구 공기(SA) 상태는 12℃, 90 %RH로 일정하게 유지되도록 하였다. 또한 수치해석에 사용된 조건 및 상수들을 선행 실험의 설정 값과 실측 값들을 최대한 반영하여 현실성 있는 수치해석이 되도록 하였다.
제안 방법
- 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템 경우, Song et al.(2010)에서 언급된 수치해석 방법 중 에어와셔에서의 지배방정식을 수정하여 수치해석을 진행하였다.
- 각 외기공조시스템들의 공조프로세스를 구하기 위해 Fig. 5에 도시된 바와 같이 실험장치의 항온항습기 하류, 예열코일 하류, 에어와셔 하류, 냉각코일 하류, 재열코일 하류, 증기가습기 하류, 총 6곳에서의 공기의 온· 습도를 각각 측정하였다.
- 각 외기공조시스템은 도입 외기의 온·습도에 따라 운전 상태를 동계 모드, 중간기 모드, 하계 모드 중 하나로 설정되며, 모드에 따라 외기공조시스템을 구성하고 있는 유틸리티(Utility)의 작동 유·무를 결정하여 외기를 급기 상태로 공조하도록 하였다.
- 4℃, 100 %RH로 만드는 것을 기본 방향으로 설정하였다. 그 다음 0.0078 kg/kgDA의 절대습도선을 따라서 클린룸 실내의 발열부하에 따라 재열의 정도를 결정하도록 수치해석을 진행하였다. 클린룸은 연간 항시 운전하는 것으로 가정하였으며, 외기공조시스템의 출구 공기(SA) 상태는 12℃, 90 %RH로 일정하게 유지되도록 하였다.
- 클린룸은 연간 항시 운전하는 것으로 가정하였으며, 외기공조시스템의 출구 공기(SA) 상태는 12℃, 90 %RH로 일정하게 유지되도록 하였다. 또한 수치해석에 사용된 조건 및 상수들을 선행 실험의 설정 값과 실측 값들을 최대한 반영하여 현실성 있는 수치해석이 되도록 하였다.
- 또한 실험결과를 기반으로 각 외기공조시스템의 연간 에너지소비량을 평가·비교하는 수치해석 연구를 수행하였다.
- 또한 실험결과를 토대로 하여 각 외기공조시스템의 연간 에너지소비량을 평가·비교하는 수치해석 연구를 수행하였다.
- 본 실험장치는 외기공조시스템의 전단에 항온항습기(Constant temp&humid chamber)를 보유하고 있어 외기의 하계 및 동계 온·습도 조건을 발생시킬 수 있다. 또한 에어와셔부의 냉각/가열 겸용 열교환 코일로 공급되는 동계의 18℃의 반환냉수와 하계의 7℃의 냉수의 열원을 항온조(Constant temperature chamber)로 대체하였다. 동계의 18℃ 반환냉수를 만들기 위한 항온조의 가열부하의 2배가 반환냉수로부터의 열회수에 의한 에너지절감량에 해당되고, 하계의 7℃ 냉수에 대한 항온조의 냉각부하는 냉동기 냉각부하의 일부에 해당된다.
- 모든 실험결과들은 각 지점의 온·습도 상태량이 정상상태에 도달한 후 1시간 동안 측정한 데이터를 이용하여 산출되었다.
- 실제 외기공조시스템의 운전 상황을 수치해석에 반영하기 위해, 외기공조시스템에서 외기의 상태를 0.0078 kg/kgDA의 절대습도를 가지는 이슬점인 10.4℃, 100 %RH로 만드는 것을 기본 방향으로 설정하였다. 그 다음 0.
- 반면에 하계 실험의 경우, 항온항습기가 외기조건 38℃, 50 %RH를 바로 생성하기 때문에 전력량계에서 측정된 소비전력량은 외기공조시스템의 공조프로세스 전체의 소비전력량을 나타내게 된다. 에너지 절감량은 측정한 4가지 외기공조시스템의 소비전력량 차이를 통해 산출하였다.
- 외기공조시스템의 소비전력량은 Fig. 5에 도시한 전력량계(Watt Hour Meter)를 이용하여 측정하였다. 다만 동계 실험의 경우, 실험의 편의를 위하여 항온항습기 출구의 외기조건을 -18℃, 70.
- (2011)의 연구에 자세히 언급되어 있다. 외기공조시스템의 에너지소비량 측정에 있어 에너지소비량을 소비전력량으로 통합하기 위하여 모든 가열코일은 전기히터로, 증기가습기는 보일러 대신 전극봉식 증기가습기로 대체하였다.
- 본 연구에서는 수분무 가습을 이용하여 반도체클린룸용 외기공조시스템의 에너지절약을 도모하기 위하여 반도체 클린룸용 증기가습, 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 공조프로세스 및 에너지소비량을 비교하였다. 외기도입량 1,000 m3/h급 lab-Scale 외기공조시스템 실험장치를 제작하고, 우리나라 기흥 지역의 외기조건을 이용하여 에너지소비량 측정실험을 수행하였다. 또한 실험결과를 기반으로 각 외기공조시스템의 연간 에너지소비량을 평가·비교하는 수치해석 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서 수행하기 위한 외기공조시스템의 실험 조건들을 Table 1에 정리하였다. 외기도입량은 1,000 m3/h로 설정하였고, 동계 및 하계의 외기조건은 우리나라 기흥지역의 지난 30년간의 기상조건 중에서 최대치 및 최소치의 엔탈피를 가지는 경우로 설정하였다. 에어와셔수는 18℃의 수도수를 사용하였고, 48개의 노즐에서 총 8 ℓ/min의 물을 분사하여 수공기비(L/G)가 0.
- 증기가습 외기공조시스템은 Fig. 1에 도시된 바와 같이 에어필터(Air filter), 예열코일(Pre-heating coil), 냉각코일(Cooling coil), 재열코일(Reheating coil), 증기가습기(Steam humidifier), 송풍기, 급기(SA)의 온·습도 조절을 위한 건구온도 및 습구온도 측정 센서들로 구성된다.
대상 데이터
- 따라서 본 연구에서는 기존의 외기공조시스템인 증기가습 외기공조시스템에 에너지절약적인 수단인 수분무 가습을 도입한 단순 에어와셔 외기공조시스템, 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템, 반환 냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 총 4가지 클린룸용 외기공조시스템들의 공조프로세스 및 에너지소비량을 비교하는 실험을 외기도입량 1,000 m3/h에 대해 우리나라 기흥 지역의 외기조건을 대상으로 수행하였다. 또한 실험결과를 토대로 하여 각 외기공조시스템의 연간 에너지소비량을 평가·비교하는 수치해석 연구를 수행하였다.
성능/효과
- (1) 증기가습, 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 공조프로세스는 각 시스템의 특성에 의해 서로 다른 공조프로세스를 보인다. 따라서 외기 및 급기조건의 엔탈피 차이에 의한 외기부하는 서로 동일하지만, 공조프로세스의 경로 차이에 따른 소비전력량의 차이가 발생하는 것을 확인하였다.
- (2) 하계실험의 경우, 단순 에어와셔 및 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템은 증기가습 외기공조시스템보다 소비전력량이 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 에어와셔 외기공조시스템들에 추가로 투입된 에어와셔부의 차압 증가로 인한 송풍기부하 및 펌프동력의 증가에 기인한 것으로 판단된다.
- (3) 동계실험의 경우, 증가가습 외기공조시스템이 33.24 kW의 전력을 소비해 가장 많은 소비전력량을 나타냈다. 단순 에어와셔 외기공조시스템의 소비전력량은 증기가습 외기공조시스템에 비해 5.
- (4) 각 외기공조시스템에 대한 연간 소비전력량을 살펴본 결과 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템들은 모두 증기가습 외기공조시스템에 비해 에너지소비량을 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 특히 반환냉수 열회수식 외기공조시스템은 외기공조시스템 중 가장 큰 에너지절감량을 나타냄으로써 가장 에너지 효율적인 시스템임을 확인할 수 있었다.
- (5) 각 외기공조시스템에 따른 가습부하당 소비전력량을 계산해 본 결과, 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템은 증기가습 외기공조시스템에 비해 43.8 %, 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템은 39.6 %, 단순 에어와셔 외기공조시스템은 26.0%의 가습 에너지를 절감할 수 있는 것으로 나타났다.
- (6) 수치해석 결과, 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 등 에어와셔를 채용한 외기공조시스템들은 증기가습 외기공조시스템에 비해 순서대로 약 29.9%, 46.3%, 49.4%의 에너지 절감율을 나타났으며, 실험의 결과와 동일하게 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템이 가장 에너지 절약적인 시스템임을 확인할 수 있다. 또한 배기 열회수식이나 반환냉수 열회수식 등 폐열 회수를 통한 에너지절감 방법 역시 상당히 효과적인 방법이라는 것을 확인할 수 있다.
- 007864 kg/kgDA 선상의 12℃, 90 %RH 근처에 도달한 후 클린룸으로 공급되고 있다. 각각의 외기공조시스템의 공조프로세스를 비교해 보면 외기와 급기의 상태는 동일하지만, 외기를 급기 상태로 만들어주는 공조프로세스가 서로 상이하다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 외기와 급기의 엔탈피 차이에 의한 가열·가습에 필요한 열량, 즉 외기부하는 동일하지만 공조프로세스 상의 경로 차이에 의한 에너지소비량, 즉 소비전력량의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
- 또한 열회수 기능이 없는 단순 에어와셔의 경우에 비해 배기 열회수식 에어와셔나 반환냉수 열회수식 에어와셔 등 폐열회수를 결합한 경우도 상당히 효과적인 방법이라는 것을 알 수 있다. 다만 에너지 절감율을 살펴보면, 수분무가습 시스템과 폐열회수 시스템의 적용을 통해 발생하는 에너지 절감량이 실험에 비해 수치해석에서 다소 과다평가 되었다는 것을 확인할 수 있다. 이는 외기공조시스템의 실제 운전조건에서 발생하는 에너지 손실을 수치해석 과정에 충분히 반영하지 못한 결과로 판단되며, 이 부분을 추후 연구를 통해 보완·수정한다면 좀 더 현실적인 수치해석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- 24 kW의 전력을 소비해 가장 많은 소비전력량을 나타냈다. 단순 에어와셔 외기공조시스템의 소비전력량은 증기가습 외기공조시스템에 비해 5.39 kW만큼 감소되었고, 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 경우 8.21 kW, 반환냉수 열회수식 외기공조시스템의 경우 9.08 kW만큼 소비전력량이 감소되었음을 확인하였다.
- 에너지 절약적인 클린룸용 외기공조시스템 개발의 주목적은 외기공조시스템이 외기를 임의의 온·습도 조건으로 공조하기 위해 소비하고 있는 에너지를 절감하는데 있다. 따라서 연구된 외기공조시스템이 실제 외기 조건에서 월 단위 이상으로 장기간 운용되었을 때 절감할 수 있는 에너지 값의 산출은 외기공조시스템의 운용 전략을 세우는데 많은 도움이 된다. 또한 클린룸 입지 조건(외기 조건)이 상이한 경우에 대해서도, 일관성 있는 방법으로 에너지소비량을 산출할 수 있는 평가방법의 확립이 필요하다.
- (1) 증기가습, 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 공조프로세스는 각 시스템의 특성에 의해 서로 다른 공조프로세스를 보인다. 따라서 외기 및 급기조건의 엔탈피 차이에 의한 외기부하는 서로 동일하지만, 공조프로세스의 경로 차이에 따른 소비전력량의 차이가 발생하는 것을 확인하였다.
- 따라서 외기와 급기의 엔탈피 차이에 의한 가열·가습에 필요한 열량, 즉 외기부하는 동일하지만 공조프로세스 상의 경로 차이에 의한 에너지소비량, 즉 소비전력량의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
- 96 kW라는 사실을 감안하면, 에어와셔부의 냉각/가열 겸용 열교환 코일에 7℃의 냉수를 공급하는 항온조의 COP가 에어와셔 하류의 냉각코일에 냉수를 공급하는 냉동기의 COP보다 높아서 발생한 결과로, 본 연구의 실험장치에서만 발생하는 특정된 현상으로 일반적인 사실은 아닌 것으로 판단된다. 따라서 하계실험의 경우 에어와셔 외기공조시스템들은 모두 증기가습 외기공조시스템에 비해 에너지 절감효과는 거의 없는 것으로 결론지을 수 있다.
- 05 kW만큼 감소된 거의 동일한 총 소비전력량을 보여주고 있다. 또한 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템이 동계의 경우와는 달리 열회수를 할 수 없는 조건임에도 불구하고, 총 소비전력량이 동일한 구조의 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템보다도 0.53 kW만큼, 단순 에어와셔 외기공조시스템보다도 1.93 kW만큼 총 소비전력량이 감소한 것을 확인할 수 있다. 이는 Table 2의 부분별 소비전력량으로부터 항온조의 4.
- 4%의 에너지 절감율을 나타났으며, 실험의 결과와 동일하게 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템이 가장 에너지 절약적인 시스템임을 확인할 수 있다. 또한 배기 열회수식이나 반환냉수 열회수식 등 폐열 회수를 통한 에너지절감 방법 역시 상당히 효과적인 방법이라는 것을 확인할 수 있다.
- 4%의 에너지 절감율을 보였으며, 피크부하 실험의 경우와 동일하게 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템이 가장 에너지 절약적인 시스템임을 나타내고 있다. 또한 열회수 기능이 없는 단순 에어와셔의 경우에 비해 배기 열회수식 에어와셔나 반환냉수 열회수식 에어와셔 등 폐열회수를 결합한 경우도 상당히 효과적인 방법이라는 것을 알 수 있다. 다만 에너지 절감율을 살펴보면, 수분무가습 시스템과 폐열회수 시스템의 적용을 통해 발생하는 에너지 절감량이 실험에 비해 수치해석에서 다소 과다평가 되었다는 것을 확인할 수 있다.
- 반면에 배기 열회수식 및 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템은 단순 에어와셔 외기공조시스템의 등엔탈피 프로세스와는 달리 38℃, 50 %RH(절대습도 0.02105 kg/kgDA) 상태의 외기가 에어와셔부를 통과하면서 공기의 건구온도와 절대습도가 모두 감소하여 냉각·제습되는 것을 확인할 수 있다.
- 8의 부분별 소비전력량 분포에서 알 수 있듯이 에어와셔 외기공조시스템들이 모두 채용하고 있는 에어와셔에 의한 수분무가습이 증기가습 외기공조시스템의 증기가습의 상당부분을 대체하였고, 이로부터 발생한 소비전력량 감소분이 에어와셔부의 냉각/가열 겸용 열교환 코일의 추가로 인한 송풍기 동력 및 에어와셔 펌프동력, 예열에너지의 추가분을 압도하였기 때문인 것으로 판단된다. 실제로 Fig. 8에서 에어와셔 외기공조시스템들의 부분별 소비전력량 분포를 확인해보면 예열코일, 송풍기, 에어와셔 펌프의 소비전력량은 소폭 상승하였지만, 증기가습을 위한 소비전력량이 상당부분 감소되었다는 것을 확인할 수 있다.
- 본 연구의 각 외기공조시스템에 대해 상기의 방식으로 산출한 가습부하당 소비전력들을 Table 3에 수록하였다. 예상한 바와 같이 증기가습 외기공조시스템이 가장 많은 가습부하당 소비전력을 나타내고 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템 순으로 큰 가습부하당 소비전력을 나타내고 있음을 알 수 있다. 괄호 내에 표시한 증기가습부하당 소비전력 대비 가습부하당 소비전력 절감율을 살펴보면 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템이 가장 높은 절감율인 43.
- 표로부터 증기가습, 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 연간 소비전력량은 각각 109,163 kWh, 76,479 kWh, 58,614 kWh, 55,251 kWh임을 알 수 있다. 이로부터 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 등 에어와셔를 채용한 외기공조시스템들은 증기가습 외기공조시스템에 비해 각각 29.9%, 46.3%, 49.4%의 에너지 절감율을 보였으며, 피크부하 실험의 경우와 동일하게 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템이 가장 에너지 절약적인 시스템임을 나타내고 있다. 또한 열회수 기능이 없는 단순 에어와셔의 경우에 비해 배기 열회수식 에어와셔나 반환냉수 열회수식 에어와셔 등 폐열회수를 결합한 경우도 상당히 효과적인 방법이라는 것을 알 수 있다.
- (4) 각 외기공조시스템에 대한 연간 소비전력량을 살펴본 결과 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템들은 모두 증기가습 외기공조시스템에 비해 에너지소비량을 절감할 수 있는 것으로 나타났다. 특히 반환냉수 열회수식 외기공조시스템은 외기공조시스템 중 가장 큰 에너지절감량을 나타냄으로써 가장 에너지 효율적인 시스템임을 확인할 수 있었다.
- 수치해석을 통해 계산된 우리나라 기흥지역의 외기조건에 대한 각 외기공조시스템의 연간 에너지소비량을 Table 4에 나타내었다. 표로부터 증기가습, 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 연간 소비전력량은 각각 109,163 kWh, 76,479 kWh, 58,614 kWh, 55,251 kWh임을 알 수 있다. 이로부터 단순 에어와셔, 배기 열회수식 에어와셔, 반환냉수 열회수식 에어와셔 등 에어와셔를 채용한 외기공조시스템들은 증기가습 외기공조시스템에 비해 각각 29.
- 외기공조시스템들의 총 소비전력량을 연간으로 살펴보면, 동계 조건에 대한 외기공조시스템들의 총 소비전력량은 모두 하계 조건의 경우에 비해 2배 이상이고, 특히 증기가습 외기공조시스템의 경우 약 3배임을 알 수 있다. 한편 3가지 에어와셔 외기공조시스템들은 모두 동계 조건에서는 증기가습 외기공조시스템보다 큰 폭의 에너지절감량을 나타내지만, 하계 조건에서는 거의 에너지절감량이 없음을 알 수 있다. 그리고 3가지 에어와셔 외기공조시스템들은 모두 증기가습 외기공조시스템에 비해 연간으로 평가한다면 에너지절약적이라고 볼 수 있다.
후속연구
- 이는 외기공조시스템의 실제 운전조건에서 발생하는 에너지 손실을 수치해석 과정에 충분히 반영하지 못한 결과로 판단되며, 이 부분을 추후 연구를 통해 보완·수정한다면 좀 더 현실적인 수치해석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
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