5℃·13℃ 냉수계통 부하분담 최적화를 통한
냉동기 가동대수 및 반송동력 절감

1. 모든 냉방부하에 가장 낮은 온도의 냉수가 필요한 것은 아니다

하나의 공장에 5℃와 13℃처럼 서로 다른 온도등급의 냉수계통이 존재한다면 중요한 질문이 생긴다. 각 사용처가 실제로 필요한 온도수준에 맞는 냉수를 사용하고 있는가, 아니면 상대적으로 높은 온도의 냉수로 처리할 수 있는 부하까지 5℃ 계통이 담당하고 있는가?

낮은 온도의 냉수를 만드는 것은 일반적으로 더 큰 냉동 Lift를 요구할 수 있고, 불필요하게 많은 냉동기가 가동되면 냉수·냉각수 펌프의 반송동력도 함께 증가한다.

2. 배경 — 냉수는 ‘필요한 만큼 차갑게’ 만드는 것이 중요하다

냉수시스템에서 낮은 공급온도는 제습과 저온 공정에는 필요하지만, 모든 부하가 같은 저온수를 요구하는 것은 아니다. 필요한 온도보다 더 낮은 냉수를 공급하면 냉동기의 Lift가 커질 수 있고, 반대로 공급온도를 높이면 같은 부하를 처리하기 위해 유량이 증가해 Pump Energy가 커질 수 있다.

따라서 중요한 것은 특정 온도를 일률적으로 높이거나 낮추는 것이 아니라 각 부하가 요구하는 Temperature Level과 냉동기·펌프의 System Energy 사이에서 최적점을 찾는 것이다. CASE57의 5℃/13℃ 이원 냉수계통은 이 원리를 실제 제조 Utility에 적용한 사례로 볼 수 있다.

3. 최근 기술동향 — 고정 Set Point보다 Plant 전체 최적화를 본다

최근 Central Chilled-Water Plant 최적화는 냉수 공급온도 하나만 제어하지 않는다. 냉수온도, 냉각수온도, 차압, 냉동기 Staging, Pump Speed·Sequencing, Cooling Tower 운전을 동시에 조정하여 Plant 전체 에너지를 최소화하는 방향으로 발전하고 있다.

특히 서로 다른 냉각부하와 온도요구가 존재하는 시설에서는 부하별 요구조건을 구분하고, 더 높은 온도의 냉수로 처리 가능한 부하에는 불필요하게 저온 냉수를 사용하지 않는 접근이 중요해지고 있다.

4. 실제 연간 분석에서 저부하·다가동 문제가 확인되었다

P6의 5℃/13℃ 냉동기 계통을 각 월 1주일씩 분석한 자료에서는 1월·4월·7월 평균 부하율이 약 50%로 낮은 부하에서 여러 대가 운전되고 있었고, 10월은 약 75%로 상대적으로 효율적인 운전상태였다.

또 1년 분석에서는 냉방수요 대비 최대 부하율 약 80%, 최저 60%, 평균 약 63% 수준의 저부하 운전이 확인되었다. 실제 부하보다 냉동기가 1~2대, 약 2,000~4,000 RT 상당 추가 가동되는 조건도 분석되었다.

5. 1월에는 필요부하 5,000 RT 수준에 8,000 RT 능력이 가동되었다

분석자료에서는 1월 실제 필요부하가 약 5,000 RT 수준인데 약 8,000 RT의 냉동기 공급능력이 가동된 사례가 제시되어 있다. 냉동기 한 대가 추가되면 해당 호기에 연결된 냉수펌프와 냉각수펌프도 함께 가동될 수 있으므로 냉동기 자체 전력뿐 아니라 반송동력까지 증가한다.

따라서 가동대수 최적화는 냉동기의 kW만 줄이는 활동이 아니라 Chiller + CHWP + CWP의 동시 감소 가능성을 갖는 System-level 개선이다.

6. 5℃와 13℃의 실제 부하분담도 계절에 따라 달랐다

과거 운전분석에서 5℃ 냉동기가 평균적으로 전체 부하의 약 60%, 13℃ 냉동기가 약 40%를 담당했다. 특히 겨울철에는 5℃ 냉동기가 70% 이상을 분담하는 조건도 확인되었다.

이 수치는 곧바로 ‘5℃ 비중이 너무 높다’는 결론을 의미하지 않는다. 어떤 부하가 5℃를 반드시 요구하는지, 어떤 부하는 13℃로 이동 가능한지를 OAC와 생산공정의 요구조건을 기준으로 구분해야 한다.

7. 이 활동의 취지 — Temperature Level에 맞게 부하를 배분한다

CASE57의 목적은 5℃ 계통의 사용량을 무조건 줄이는 것이 아니다. 낮은 온도가 반드시 필요한 공정은 5℃를 유지하고, 상대적으로 높은 온도의 냉수로도 요구조건을 만족할 수 있는 부하는 13℃ 계통이 담당하도록 조정하는 것이다.

이렇게 하면 각 냉동기를 더 적정한 부하율에서 운전하고 필요 가동대수를 줄이며, 그에 따라 냉수·냉각수 Pump의 반송동력을 줄일 가능성이 생긴다. 즉 온도등급별 수요와 공급을 맞추는 Thermal Utility Load Allocation 문제다.

8. 실제 Test Plan은 OAC 13℃ 밸브에서 시작했다

프로젝트의 최적화 계획에는 “5℃/13℃ 냉동기 부하 분담율 최적화로 냉동기 운전대수 저감에 따른 반송동력 저감”이 독립 활동으로 명시되어 있다.

실행계획은 OAC의 13℃ 밸브를 1차로 조정하여 개도율을 15~50% Close하고, 이후 13℃ 냉동기 가동대수가 감소하는지 확인한 뒤 관리기준을 수립하는 순서였다. 다른 자료에는 13℃ 냉동기 1대 정지 Test와 외기 노점온도 22℃ 이하라는 Test 조건도 제시되어 있다.

9. 밸브를 조정할 때는 온도·습도와 OAC 성능이 제약조건이다

OAC 부하는 외기온도와 습도에 크게 영향을 받는다. 따라서 13℃ 밸브개도를 줄이거나 냉동기 한 대를 정지할 때 단순히 전력만 확인하면 안 된다.

OAC Coil 후단온도·노점온도, Clean Room 온습도, Valve Position과 냉수 공급·환수온도를 함께 확인하여 공조성능이 유지되는지를 검증해야 한다. 외기 노점온도 22℃ 이하라는 Test 조건이 설정된 것도 이러한 환경조건을 고려한 것으로 볼 수 있다.

10. ΔT와 Bypass Valve는 과다유량·다가동의 중요한 단서다

과거 진단에서는 5℃ 냉동기의 냉수 ΔT가 설계기준 10℃보다 낮은 시간이 많았고, 13℃ 계통도 ΔT 5℃ 미만인 시간이 많았다. 또한 Bypass Valve가 대부분의 운전시간에 열려 있었으며 평균 개도율은 약 12% 수준으로 분석되었다.

낮은 ΔT와 지속적인 Bypass는 실제 부하에 비해 냉수순환량이나 가동설비가 과다한지 확인해야 하는 신호가 될 수 있다. 따라서 부하분담 조정과 함께 Pump 대수, Flow, Differential Pressure를 같이 보는 것이 중요하다.

11. 최적 부하분담은 냉동기 대수만 줄이는 문제가 아니다

한 계통의 부하를 다른 계통으로 이동하면 냉동기 효율, Pump Flow, ΔT와 Auxiliary Power가 모두 바뀔 수 있다. 최종 판단은 개별 냉동기보다 전체 냉동 Plant의 전력을 기준으로 하는 것이 좋다.

12. 단계별 Test & Adjust 절차

① 5℃/13℃ 계통도 → ② 사용처별 요구온도 → ③ 계통별 RT·Flow·ΔT → ④ 냉동기 가동대수·부하율 → ⑤ OAC Valve Position → ⑥ 외기온습도·노점온도 → ⑦ Baseline 확보 → ⑧ 13℃ 밸브 단계조정 → ⑨ OAC·CR 환경검증 → ⑩ 5℃/13℃ 부하이동 확인 → ⑪ 냉동기 대수감소 가능성 → ⑫ Pump 대수·kW → ⑬ Chiller kW/RT → ⑭ Plant Total kW → ⑮ 최적 부하분담 및 관리기준 수립

13. 계절별로 부하분담 기준을 달리할 수 있다

외기부하가 큰 여름과 낮은 겨울은 OAC의 냉방·제습 요구가 다르다. 따라서 연중 하나의 고정된 5℃/13℃ 분담비율보다 외기 노점온도, 생산부하와 OAC 조건에 따라 계절별 관리기준을 만드는 것이 합리적이다.

실제 자료에서도 1월·4월·7월과 10월의 평균 냉동기 부하율이 달랐다는 점은 운전기준을 계절과 부하조건에 맞게 조정할 필요성을 보여준다.

14. 확대응용 — 여러 온도등급의 Thermal Utility를 수요에 맞게 배분한다

이 방법은 5℃/13℃ 냉수뿐 아니라 공정별로 서로 다른 온도등급을 사용하는 제조공장, 데이터센터와 대형 건물에도 응용할 수 있다. 핵심은 가장 낮은 온도의 Utility를 모든 부하에 공급하는 대신 각 사용처가 실제 요구하는 Temperature Level에 맞춰 에너지를 공급하는 것이다.

냉수 외에도 서로 다른 압력의 Steam, CDA Pressure Level, Hot Water Temperature Level 등에서도 유사한 사고방식을 적용할 수 있다. 다만 실제 적용은 각 공정의 품질·안전·환경조건을 우선 제약조건으로 둔다.

15. ASHRAE의 최근 최적화 관점과도 연결된다

ASHRAE의 Central Plant 제어 가이드에서는 최적 냉수온도를 냉동기 전력 하나가 아니라 Chiller Power와 Pumping Power의 Trade-off로 설명한다. 냉수온도를 높이면 냉동기 Lift가 줄어 Chiller Power가 감소할 수 있지만, 필요한 유량이 증가하면 Pump Power가 증가할 수 있어 Total Power가 최소가 되는 운전점이 존재한다.

또 ASHRAE의 최근 고층건물 냉수설계 연구에서도 냉수 공급온도와 ΔT가 냉동기효율·펌프에너지·제습성능에 동시에 영향을 준다고 설명한다. 이는 CASE57에서 OAC 노점조건을 제약으로 두면서 5℃/13℃ 부하분담과 반송동력을 함께 보는 이유와 같은 System-level 사고방식이다.

16. 데이터센터의 고온수 냉각은 Temperature Level 활용의 확대사례다

Temperature Level에 맞춰 냉각에너지를 공급한다는 개념은 최근 데이터센터에서도 더 중요해지고 있다. ASHRAE는 Liquid Cooling의 Facility Water Temperature Class를 W17, W27, W32, W40, W45 등으로 구분하고 있으며, 고온수 운전이 가능한 IT 장비에서는 높은 수온을 활용해 기계식 냉동의 의존도를 줄이거나 Dry Cooler와 Heat Reuse를 확대하는 방향을 제시하고 있다.

제조공장의 5℃/13℃ 계통과 데이터센터의 고온수 Liquid Cooling은 설비와 목적이 동일하지는 않지만 공통된 원리는 분명하다. 모든 열부하에 가장 낮은 온도의 냉각원을 공급하지 않고, 부하가 허용하는 온도수준에 맞춰 냉각 Utility를 구성한다는 점이다.

17. Heat Recovery와도 연결할 수 있다

높은 온도에서 회수되는 열은 낮은 온도의 열보다 재사용하기 쉽다. 따라서 향후 냉각시스템을 설계할 때는 단순히 냉동전력을 줄이는 것을 넘어, 높은 온도계통에서 회수되는 열을 급탕·난방·공정예열 또는 Heat Pump의 열원으로 활용할 수 있는지도 검토할 수 있다.

이렇게 보면 Temperature Level Optimization은 냉동에너지 절감 → Pump/Chiller 최적화 → Free Cooling 확대 → Waste Heat Recovery로 발전할 수 있는 설계개념이 된다.

18. AI 기반 부하분담 최적화로 확장

생산부하, 외기온습도, OAC 부하, 밸브개도율, 5℃/13℃ Flow·공급환수온도, 냉동기별 RT·kW와 Pump kW를 축적하면 두 계통의 미래 냉동부하를 예측할 수 있다.

최종적으로 OAC Valve와 Chiller Priority를 현재 외기·생산조건에 따라 동적으로 조정하는 방식으로 발전시킬 수 있다.

19. Evidence & Measurement Boundary

과거 진단의 평균 부하율, 부하분담률, ΔT, Bypass 개도율과 과다가동 분석은 본 활동의 문제정의와 Test 설계에 활용할 수 있는 Field Analysis다. 다만 이 부하분담 활동만의 독립적인 최종 절감금액은 별도로 귀속하지 않는다.

20. Review 상태

Status: APPROVED / FINAL-LOCK