반도체·디스플레이 · 통합 Utility · 전기

냉동·공조·압축공기 통합 운전데이터 분석과 에너지 절감 잠재량 도출

냉동시스템의 COP·UPI·가동대수, 공조기의 필터차압·외기댐퍼, 공기압축기의 유량·전력·토출압력·Loading/Unloading을 계절별 및 1분 단위로 분석하고 Utility 시스템별 에너지 절감 잠재량을 정량화한 사례입니다.

반도체냉동기공조기공기압축기COPUPIUtility

01 · CHALLENGE

현장에서 확인한 주요 과제

반도체 생산시설의 주요 Utility인 냉동·공조·압축공기 시스템이 상시 운전되므로 설비별 효율과 시스템 운전효율을 함께 평가할 필요
냉동시스템은 평균 실제 가동대수 약 2.1대에 비해 분석상 필요대수가 약 1.2대로 나타나 평균 약 0.9대의 운전여유가 존재
공조기는 필터차압과 외기댐퍼 개도율이 설비·계절별로 크게 달라 필터관리와 외기량 제어의 적정성 검토가 필요
공기압축기는 생산수요에 따라 가동대수·토출압력·Loading/Unloading이 변하고, 1분 단위 분석에서 순간적인 시스템 손실 증가가 확인되어 운전조합과 압력설정 최적화가 필요

02 · DATA

분석에 사용한 데이터

냉동기 냉방부하(RT/h), 소비동력(kW), UPI(kWh/RT), COP, 냉수·냉각수 입출구온도와 유량
냉동기·냉수펌프·냉각수펌프·냉각탑의 가동대수와 소비전력, By-pass 밸브 개도 및 헤더 차압
공조기별 필터 차압, 외기(OA) 댐퍼 개도율, 환기 온도·습도
공기압축기 토출유량, 소비동력, 가동대수, 토출압력, Running·Loading·Unloading 시간
2019년 압축공기 시스템 1분 단위 UPI·부하율·시스템 손실율 데이터

03 · BASELINE / MODEL

Utility 성능지표와 절감 잠재량 산정 기준

냉동시스템 UPI / COPUPI = 냉동기 소비동력(kW) / 냉방부하(RT)

방법: 계절별 냉방부하와 소비동력을 비교하고 냉동기별 UPI·COP, 가동대수와 펌프·냉각탑 운전을 함께 분석
성능·해석: 시스템 평균 UPI 약 0.84kWh/RT · 평균 COP 약 4.20 · 평균 부하율 약 55%

냉동기 가동대수 적정성운전여유 = 실제 가동대수 − 필요 가동대수

방법: 실제 냉동기 운전대수와 부하 기준 필요대수를 비교하여 과다가동 가능성을 평가
성능·해석: 평균 실제 2.1대 · 필요 1.2대 · 평균 차이 약 0.9대

공조기 운전상태AHU Diagnostic = Filter ΔP + OA Damper + Return T/RH

방법: 공조기별 필터 차압과 외기댐퍼 개도율, 환기 온·습도의 계절·설비별 편차를 비교
성능·해석: 일부 설비의 필터 차압은 약 19~22mmAQ 수준으로 다른 설비의 약 12~13mmAQ보다 높고, 외기댐퍼는 계절·설비별 큰 편차가 확인됨

압축공기 UPI / 시스템 손실UPI = 압축기 소비동력(kW) / 토출유량(m³/h)

방법: 유량·전력·가동대수·토출압력과 Loading/Unloading을 계절별 및 1분 단위로 분석
성능·해석: 2019년 추가분석 월평균 UPI 약 0.126kWh/m³ · 평균 시스템 부하율 약 81% · 평균 손실율 약 3.1%, 순간 최대 손실율 31.7%

2018년 Utility 절감 잠재량Saving Potential = Baseline Energy × 개선 잠재율

방법: 공조기·냉동기·공기압축기 및 기타 Utility의 2018년 에너지사용량에 설비·운전 개선 잠재율을 적용
성능·해석: 공정설비 제외 10,403,571kWh 대비 보고서 종합 절감잠재량 444,832kWh/년 · 약 4.3% · 49,821,132원/년

04 · SAVING OPPORTUNITY

1차 절감 잠재량 시나리오

개선 시나리오	Baseline	목표	1차 잠재량
공조기 · 필터차압·외기댐퍼 운전 최적화보고서 추정 절감금액 약 1,438,412원/년	1,284,297 kWh/년	필터 상태관리와 계절·부하에 따른 외기댐퍼 운전조건 최적화	12,843 kWh/년 · 1.0%
냉동시스템 · 가동대수·COP·보조기기 최적화보고서 추정 절감금액 약 35,872,106원/년으로 Utility 항목 중 가장 큰 잠재량	4,575,524 kWh/년	필요대수 중심 운전, 고효율 냉동기 우선가동, 펌프·냉각탑 운전조건 개선	320,287 kWh/년 · 7.0%
공기압축기 · UPI·가동대수·압력 최적화보고서 추정 절감금액 약 11,132,421원/년	3,313,220 kWh/년	수요에 맞는 압축기 조합, 토출압력과 Loading/Unloading 및 시스템 손실 관리	99,397 kWh/년 · 3.0%
기타 Utility · 운전개선보고서 추정 절감금액 약 1,378,193원/년	1,230,530 kWh/년	보조 Utility 설비의 운전조건 및 불필요 소비 점검	12,305 kWh/년 · 1.0%
공정설비 제외 Utility 종합보고서 종합 절감금액 약 49,821,132원/년. 공정설비는 절감 잠재량 산정에서 별도 구분	10,403,571 kWh/년	냉동·공조·압축공기·기타 Utility 개선안 종합 적용	444,832 kWh/년 · 4.3%
공정설비 포함 사업장 전체 기준공정설비의 별도 절감 잠재량을 0%로 둔 원 보고서 집계 기준	31,370,955 kWh/년	동일 Utility 개선량을 사업장 전체 전력사용량 기준으로 환산	444,832 kWh/년 · 1.4%

검증 조건

본 사례의 절감량·절감률은 개선 후 확정 실적이 아니라 2018년 운전데이터를 기준으로 산정한 에너지 절감 잠재량입니다. 실제 적용 시 냉동부하(RT), 생산조건, 외기조건, 압축공기 수요와 운전시간을 보정한 Baseline을 구축하고 개선 전·후 M&V로 확정해야 합니다. 원 보고서의 세부 절감량 표시값을 단순 합산하면 종합계와 약 1kWh의 차이가 있으므로, 홈페이지에는 원 보고서에 기재된 종합계 444,832kWh/년을 그대로 사용했습니다.

자료 기준: 반도체 제조시설 냉동기·공조기·공기압축기 운전데이터 분석 및 2018년 에너지절감 잠재량 산출자료 기반 · 고객사명·사업장명·내부 설비번호·제작사 정보 비식별 처리

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전문가 해설과 확장 적용

배경·기술적 맥락

압축공기 시스템은 개별 압축기 효율뿐 아니라 누설, 압력, 제어, 부하/무부하 운전과 시스템 전체의 수요-공급 균형을 함께 보는 것이 중요하다.

Engineering Interpretation

이 사례의 실무적 핵심은 압축기 한 대의 효율만 보는 것이 아니라 생산·수요 변화와 가동대수, 압력, 부하/무부하 상태를 함께 보아 시스템 원단위의 변화를 해석하는 데 있다.

응용 가능 분야

자동차·전자·화학·비철금속·섬유 등 압축공기를 공정 유틸리티로 사용하는 제조시설에 같은 분석 프레임을 적용할 수 있다.

M&V 실무 고려사항

향후 성과검증에서는 냉방부하와 냉동기 운전대수뿐 아니라 외기조건, 냉수·냉각수 온도 및 보조설비 운전상태를 함께 기록하는 것이 적절하다. 부하조건이 다른 기간을 단순 전력량으로 비교하지 않고 동일한 부하조건에서 시스템 효율을 비교하는 구조가 유리하다. 이는 일반적인 후속 M&V 설계 제안이다.

Consultant's Point

냉동기 성능은 정격효율만으로 판단하기 어렵다. 실제 부하와 운전대수, 냉수·냉각수 조건을 함께 보아야 설비효율과 운전최적화 효과를 구분할 수 있다.

AI·데이터 활용 확장

시계열 계측데이터가 충분히 축적되는 경우 부하예측, 이상운전 탐지 또는 운전조건 추천을 후속 적용으로 검토할 수 있다. 이는 향후 확장 가능성에 대한 제안이며 원래 CASE에서 AI를 적용했다는 의미는 아니다.

International / External Reference

U.S. Department of Energy의 「Compressed Air Systems / Improving Compressed Air System Performance」는 이 CASE와 관련된 시스템 효율화의 일반적 기술 배경을 제공한다. 이 자료는 원래 CASE의 현장 실적이나 Evidence가 아니라 외부 참고자료이다. Reference