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문제 정의
- 본 연구는 지식경제부가 주관하고 에너지관리공단이 지원한 에너지자원기술개발사업 반도체/LCD 클린룸 에너지절약기술 개발의 세부과제 ‘열회수식 에어와셔 시스템 개발’과 경기도 기술 개발사업 전략산업과제 “첨단전자산업을 위한 에너지절약형 초청정클린룸 개발”의 일환으로 수행되었으며 이에 대해 관계자들께 감사드립니다.
제안 방법
- 온습도 센서 및 계측기는 Song et al.(7)의 연구와 동일하게 AHLBORN사의 ALMEMO-MA 5990-2 데이터로거를 사용하여 Table 1 에 수록된 ALMEMO 센서를 사용하였고 전력량계 역시 LS산전 3상 유도형 전력량계를 전력을 사용하는 모든 부분에 연결하여 전력소모량을 측정하였다. Fig.
- 본 연구의 수치시뮬레이션에 있어서 외기의 온도와 습도는 매우 중요한 요소이다. 따라서 본 연구에서는 실기실험지역인 당진지역의 1, 2월 온습도 데이터를 입력하여 에너지 소비량을 계산하였다. Fig.
- 반도체 클린룸에서 사용되는 에너지소비량을 분석하기 위하여 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템 수치시뮬레이션을 개발하였다. 이 개발된 수치시뮬레이션을 평가하기 위하여 10평형 FFU타입 모델 클린룸과 5,000 CMH급 열회수식에어와셔 외기공조시스템을 당진 지역에 설치하여 2009년도 1～2월에 실기실험을 수행하였다.
- 세정집진기와 중간열교환기를 통해 배기로부터 회수된 열을 이 겸용코일을 통하여 외기를 냉각 혹은 가열하는데 사용함으로써 외기부하를 절감하게 된다. 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템들의 전력소비량을 측정하기 위해 Fig. 1에 도시된 바와 같이 LS산전 3상 유도형 전력량계를 전력을 사용하는 모든 부분에 연결하였다.
- 본 연구에서는 반도체 클린룸의 필수 배기처리 장치인 세정집진기(wet scrubber)를 이용하여 클린룸 배기의 폐열을 회수한 뒤 회수한 열을 도입 외기의 가열 및 냉각에 이용할 수 있는 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 에너지 소비 성능을 평가하는 외기량 5,000 m3/h의 실기 실험을 당진지역에 설치된 10평형 FFU 타입 클린룸에서 수행하였고 이 실험결과와 시뮬레이션에 의해 도출된 에너지 소비량을 비교 분석하였다. 참고로 본문중의 변수 및 상수, 물성치들은 모두 SI 시스템의 MKS 단위계로 계산되고 표시되었고 본문 중에 설명되지 않은 변수 및 기호는 “기호설명“ 부분에 나타내었다.
- 3에서 항온항습기 하류, 에어와셔 하류, 냉각코일 하류, 재열코일 하류, 가습기 하류에서 공기의 온습도를 각각 측정하였다. 본 연구의 모든 실험결과는 정상상태에 도달한 후에 1시간동안 측정한 데이터를 이용하여 산정하였다. 이외의 실험 장치 및 방법에 대한 내용은 Song et al.
- 표에서 동기 및 하기의 외기조건은 우리나라 기흥지역의 지난 30년간의 기상조건 중에서 제일 극한의 엔탈피를 가지는 경우를 선정하였고 중간기의 외기조건은 봄철과 가을철의 중간 정도로 선정하였다. 본 연구의 에어와셔 외기공조시스템들의 공기선도상의 공조프로세스를 구하기 위하여 Fig. 3에서 항온항습기 하류, 에어와셔 하류, 냉각코일 하류, 재열코일 하류, 가습기 하류에서 공기의 온습도를 각각 측정하였다. 본 연구의 모든 실험결과는 정상상태에 도달한 후에 1시간동안 측정한 데이터를 이용하여 산정하였다.
- (7)가 제안한 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 개략도를 나타내고 있다. 이 제안된 외기공조시스템들을 평가하기 위하여 본 연구의 외기공조시스템 실험장치는 청정덕트, 고성능 에어필터(HEPA filter), 항온항습기, 에어와셔(Air washer), 엘리미네이터 (Eliminator), 냉각코일(Cooling coil), 재열용 히터(Reheating coil), 전극봉식 증기가습기(Steam humidifier), 송풍기, 세정집진기(Wet scrubber), 중간열교환기(Heat exchanger), 중간열교환기 순환수용 1차 및 2차 펌프, 냉각/가열 겸용코일(C/H coil), 온습도센서 및 계측기로 구성되었다. 열회수식 에어와셔 외기공조시스템 실기실험장치는 Fig.
- 본 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 실기실험을 위하여 10평형 FFU타입 모델 클린룸과 5,000 CMH급 열회수식 에어와셔 외기공조시스템을 당진 지역에 설치하여 2009년도 1～2월에 실기실험을 수행하였다. 일반적인 클린룸과는 달리 클린룸 내부의 열부하가 없기 때문에 반환 공기(RA)의 온습도 조건(23 ℃, 45 %RH)을 맞춰주기 위하여 RA 하단부에 가열코일을 설치하였다. 온습도 센서 및 계측기는 Song et al.
- 2에 도시된 바와 같이 외기공조시스템의 실험장치에 추가로 당진지역에 10평형 FFU타입 클린룸이 편성되어 클린룸 배기로부터 외기측으로 열회수가 실시된다. 클린룸은 바닥면적 33 m2, 높이 2.7 m의 제원을 가지며 클린룸 자체의 열부 하가 없으므로 클린룸의 배기 조건(23 ℃, 45%RH)을 맞추기 위하여 클린룸 배기부분에 가열 코일을 설치하였다. 배기는 가열코일을 지나 세정집진기로 보내진다.
대상 데이터
- 본 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템의 실기실험을 위하여 10평형 FFU타입 모델 클린룸과 5,000 CMH급 열회수식 에어와셔 외기공조시스템을 당진 지역에 설치하여 2009년도 1～2월에 실기실험을 수행하였다. 일반적인 클린룸과는 달리 클린룸 내부의 열부하가 없기 때문에 반환 공기(RA)의 온습도 조건(23 ℃, 45 %RH)을 맞춰주기 위하여 RA 하단부에 가열코일을 설치하였다.
- 반도체 클린룸에서 사용되는 에너지소비량을 분석하기 위하여 배기 열회수식 에어와셔 외기공조시스템 수치시뮬레이션을 개발하였다. 이 개발된 수치시뮬레이션을 평가하기 위하여 10평형 FFU타입 모델 클린룸과 5,000 CMH급 열회수식에어와셔 외기공조시스템을 당진 지역에 설치하여 2009년도 1～2월에 실기실험을 수행하였다. 실험 및 수치해석 결과로 얻어진 에너지소비량을 통하여 다음과 같은 사항들이 관찰되었다.
- 1, 2에 도시된 바와 같이 에어와셔 모듈의 중간에 냉각/가열 겸용코일을 삽입하였다. 이 겸용코일은 열교환 능력이 높은 냉각코일을 사용하였다. 세정집진기와 중간열교환기를 통해 배기로부터 회수된 열을 이 겸용코일을 통하여 외기를 냉각 혹은 가열하는데 사용함으로써 외기부하를 절감하게 된다.
- 본 연구의 열회수식 외기공조시스템에 대한 실험조건을 Table 2에 수록하였다. 표에서 동기 및 하기의 외기조건은 우리나라 기흥지역의 지난 30년간의 기상조건 중에서 제일 극한의 엔탈피를 가지는 경우를 선정하였고 중간기의 외기조건은 봄철과 가을철의 중간 정도로 선정하였다. 본 연구의 에어와셔 외기공조시스템들의 공기선도상의 공조프로세스를 구하기 위하여 Fig.
성능/효과
- (2) 당진지역에 설치된 5,000 CMH급 외기공조시스템과 수치해석 결과가 비교적 잘 맞지만 열손실을 고려하지 않아 과소하게 나오는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 실기 실험에서는 외기공조시스템이 작동되는 동안에 냉/온수가 흐르는 배관등에서 열손실이 발생하게 되고 이 열손실을 보상하기 위하여 추가적인 에너지가 소비되기 마련이다. 따라서 차후에는 이를 고려하여 열 손실로 인해 추가적으로 발생하는 에너지 소비량을 계산하여야 할 것으로 생각된다.
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