냉각수 입구온도 단계별 Test를 통한
냉동기 최적 운전온도 탐색

1. 냉각수는 낮을수록 무조건 좋은가?

냉각수 입구온도가 낮아지면 냉동기의 응축온도와 압축기 Lift가 낮아져 Chiller 효율이 좋아질 가능성이 있다. 하지만 더 낮은 냉각수를 만들기 위해 Cooling Tower Fan을 더 운전해야 한다면 보조전력은 증가한다.

2. 배경 — 응축온도를 낮추면 압축기의 Lift를 줄일 수 있다

수냉식 냉동기에서 냉각수는 응축기의 열을 Cooling Tower로 운반한다. 냉각수 입구온도가 낮아지면 냉매의 응축온도를 낮출 여지가 생기고, 증발측과 응축측 사이의 압력차인 Compressor Lift가 감소하여 냉동기 전력이 줄어들 수 있다.

그러나 낮은 냉각수온도를 만들기 위해 Cooling Tower Fan을 더 빠르게 운전하면 Fan Power가 증가한다. 따라서 이 문제는 단순한 온도설정이 아니라 Chiller Efficiency와 Heat-Rejection Energy의 Trade-off를 푸는 문제다.

3. 최근 기술동향 — 고정온도에서 Wet-bulb·부하 기반 Reset으로

최근 Central Chiller Plant 제어는 냉각수 공급온도를 연중 하나의 값으로 유지하기보다 외기 습구온도와 Plant Load에 따라 Set Point를 Reset하는 방향으로 발전하고 있다. Cooling Tower가 실제로 만들 수 있는 냉각수온도는 습구온도의 영향을 크게 받기 때문이다.

또 Chiller와 Cooling Tower를 별도로 최적화하지 않고 두 설비의 합산전력 또는 Plant 전체전력을 최소화하는 Supervisory Control이 중요해지고 있다.

4. 실제 프로젝트는 ‘냉동기 효율 최대 냉각수 입구온도 판단’을 별도 활동으로 두었다

Master Schedule에는 특정 5℃ 냉동기군을 대상으로 실제 Test를 수행하고 분석결과를 공유하는 활동이 별도로 계획되어 있었다. 즉 Catalog 조건을 그대로 적용하기보다 현장 데이터를 이용해 적정 냉각수 입구온도를 찾는 접근이었다.

5. 실제 단계별 데이터에서 20.5℃ 부근의 최소 kW/RT가 관찰되었다

이 실측표에서는 20.5℃에서 0.567 kW/RT로 가장 낮은 값이 나타났고, 22.5℃에서는 0.629 kW/RT까지 상승했다. 이 결과는 냉각수온도 변화가 냉동기 효율에 실제로 연결되어 있음을 보여준다.

6. 하지만 20.5℃를 모든 계절의 고정 Set Point로 쓰지는 않았다

완료자료에서는 계절별 운전조건을 구분했다. 동절기는 기존 26℃에서 20/17℃ 운전으로 변경하고, 춘·추절기도 20/17℃ 조건을 적용하며, 하절기는 외기 습구온도에 따라 변경 설정하도록 정리되어 있다.

즉 Test에서 얻은 한 점을 연중 고정값으로 복사한 것이 아니라, 계절과 Cooling Tower의 열방출 능력을 고려해 운전기준으로 발전시켰다.

7. 왜 습구온도가 중요한가?

Cooling Tower는 증발냉각을 이용하므로 성능은 외기 건구온도보다 습구온도와 더 직접적으로 연결된다. 같은 냉동부하에서도 습구온도가 낮은 계절에는 더 낮은 냉각수온도를 비교적 적은 Fan Energy로 얻을 수 있지만, 고온다습한 여름에는 같은 Set Point를 유지하기 어려울 수 있다.

따라서 하절기 운전기준을 외기 습구온도에 따라 조정하도록 한 것은 냉각탑의 물리적 한계를 운전제어에 반영한 것이다.

8. Test 전에는 냉동부하와 냉각수조건을 함께 준비한다

냉각수 입구온도만 바꾸고 kW를 비교하면 부하차이가 결과에 섞일 수 있다. 따라서 냉동기 RT, 냉수 공급·환수온도, 냉각수 유량, 냉각수 입·출구온도, Chiller kW, Cooling Tower Fan kW와 외기 습구온도를 같은 시간축으로 수집하는 것이 좋다.

9. 단계별 Test & Adjust로 온도를 움직인다

기존 Set Point에서 Baseline을 확보한 뒤 냉각수온도를 단계적으로 조정하고 시스템이 안정화된 후 kW/RT와 CT Fan Power를 측정한다. 급격한 Set Point 변경보다 작은 단계로 움직이며 냉동기 운전안정성과 냉각탑 상태를 확인한다.

10. 냉동기만 보면 더 낮은 온도가 좋아 보일 수 있다

실측표의 kW/RT는 냉동기 효율을 보여주는 중요한 지표지만 Plant 전체 최적점은 Cooling Tower Fan 전력까지 포함해 판단하는 것이 더 정확하다.

11. Test 결과는 ‘온도 하나’보다 운전 Map으로 만드는 것이 좋다

RT와 Wet-bulb가 달라지면 같은 냉각수 입구온도에서도 필요한 Fan Power와 Chiller Power가 달라질 수 있다. 따라서 장기간에는 RT × Wet-bulb × Cooling Water Temperature → System kW/RT 형태의 운전 Map을 만드는 것이 좋다.

이 Map은 계절별 Set Point Reset과 Cooling Tower Fan 제어기준의 근거가 된다.

12. 냉각탑 Approach도 함께 관리한다

냉각수 공급온도와 외기 습구온도의 차이를 Cooling Tower Approach로 보면 냉각탑이 현재 외기조건에서 얼마나 적극적으로 냉각하고 있는지 이해하기 쉽다.

Approach를 지나치게 작게 만들기 위해 Fan을 과도하게 운전하면 Fan Energy가 커질 수 있으므로, 냉동기 효율 개선과 Cooling Tower Energy 사이의 균형을 찾는다.

13. 실제 운전기준 변경까지 연결되었다

완료자료에는 가동 냉동기의 냉각탑 Fan 제어설정을 변경한 내용과 함께 계절별 냉각탑 운전온도 기준이 제시되어 있다. 또한 이 개선항목의 Cost Reduction이 약 0.6억원/년 규모로 정리된 자료가 있다.

14. CASE58과 연결하면 온도와 유량을 함께 볼 수 있다

CASE58은 냉각수 유량을 바꾸면서 CWP와 Chiller의 Trade-off를 찾고, CASE62는 냉각수 온도를 바꾸면서 Chiller와 Cooling Tower의 Trade-off를 찾는다.

두 사례를 결합하면 Cooling Water Temperature × Flow × Wet-bulb × RT를 함께 최적화하는 Condenser-Water System Optimization으로 발전한다.

15. 18단계 Test & Adjust Process

① 냉각수계통도 → ② 기존 Set Point → ③ 냉동기 RT → ④ Chiller kW → ⑤ 냉각수 Flow → ⑥ 입·출구온도 → ⑦ CT Fan kW → ⑧ Wet-bulb → ⑨ Approach → ⑩ Baseline → ⑪ 온도 단계조정 → ⑫ 안정화 → ⑬ kW/RT → ⑭ Fan Power → ⑮ System kW/RT → ⑯ 부하·습구별 Map → ⑰ 계절별 Set Point → ⑱ 지속 Monitoring

16. Chiller와 Cooling Tower의 합산전력을 기준으로 최적점을 찾는다

최근 Chiller Plant 제어에서는 Cooling Tower Fan Speed를 높여 냉각수온도를 낮추면 Chiller Power는 줄어들 수 있지만, 지나치게 낮추면 Tower Fan 증가분이 Chiller 절감분보다 커질 수 있다는 Trade-off를 함께 평가한다. 따라서 Condenser-Water Set Point는 Wet-bulb, Heat Rejection 또는 Plant 상태에 따라 Reset하고 냉동기 제조사의 최소 Lift 조건도 함께 지키는 접근이 중요하다.

장기적으로는 Chiller kW + Tower Fan kW를 실제 Plant Output으로 정규화한 통합효율을 이용해 냉각수 Set Point를 단계적으로 조정하는 방식으로 발전시킬 수 있다.

17. 최적점 주변에서는 작은 온도차보다 안정적인 운전이 더 중요할 수 있다

실제 최적화에서는 최저점 하나만 찾는 것보다 그 주변의 에너지 차이가 얼마나 큰지도 중요하다. System Power 곡선이 최적점 주변에서 완만하다면 0.5℃의 미세한 Set Point 차이를 계속 추종하기보다 냉동기 안정성, Cooling Tower 제어안정성과 Sensor 불확도를 고려해 Near-optimal Operating Band를 설정하는 편이 실무적으로 유리할 수 있다.

따라서 20.5℃에서 가장 낮은 kW/RT가 관찰됐다는 사실과, 실제 관리기준을 20.5℃ 단일값으로 고정해야 한다는 주장은 구분한다.

18. 확대응용 — 데이터센터와 대형건물에서는 Free Cooling 판단까지 연결된다

외기 습구온도가 충분히 낮아 Cooling Tower에서 낮은 온도의 물을 만들 수 있는 계절에는 Waterside Economizer를 이용해 Chiller 부하를 줄이거나 일부 시간에는 기계식 냉동을 대체할 수 있다. 따라서 Wet-bulb 기반 Condenser-Water 운전데이터는 향후 Free Cooling 가능시간을 판단하는 기초자료가 될 수 있다.

제조공장뿐 아니라 데이터센터, 병원, 연구시설과 대형 오피스의 Central Plant에서도 냉각수 Reset → Tower Fan 최적화 → Waterside Economizer → Plant Supervisory Control로 단계적으로 확대할 수 있다.

19. 냉각수 최적화는 기후조건에 따라 효과가 달라진다

같은 냉동기와 Cooling Tower라도 지역의 습구온도 분포가 다르면 낮은 냉각수온도를 만들 수 있는 시간과 필요한 Fan Energy가 달라진다. 따라서 다른 지역이나 국가에 CASE62의 온도값을 그대로 적용하는 것은 적절하지 않다.

대신 해당 지역의 연간 Wet-bulb Bin과 냉동부하 분포를 함께 분석하면 계절별 Set Point, Cooling Tower Cell 수, Fan Speed와 Free Cooling 가능시간을 보다 합리적으로 정할 수 있다.

20. Commissioning과 M&V에서는 Sensor 품질이 중요하다

냉각수 입구온도를 0.5℃ 단위로 비교하려면 Temperature Sensor의 정확도와 설치위치가 Test 결과에 직접 영향을 준다. Chiller kW, RT, Wet-bulb와 CT Fan kW도 같은 시간축으로 취득해야 한다.

따라서 자동 Reset으로 확대하기 전에 Sensor Calibration, Sampling Interval, 안정화시간과 데이터 품질을 확인하고, Set Point 변경 전·후에 충분한 안정화기간을 둔 뒤 효율을 비교하는 것이 좋다.

21. 확대응용 — 공장·데이터센터·대형건물의 Cooling Plant에 적용한다

Water-cooled Chiller를 사용하는 제조공장, 데이터센터, 병원과 대형 상업건물에 적용할 수 있다. 특히 외기조건의 계절변화가 큰 지역에서는 고정 냉각수 Set Point보다 Wet-bulb 기반 Reset이 유용할 수 있다.

다만 냉동기 제조사의 최소 Condenser Water Temperature, Surge 위험, Cooling Tower 동결·수질조건 등 설비별 허용범위를 먼저 확인해야 한다.

22. AI 기반 동적 Set Point 최적화로 확장

RT, Wet-bulb, 냉각수온도·유량, Chiller kW, CT Fan kW와 CWP kW를 축적하면 가능한 Set Point별 Plant Power를 예측할 수 있다.

고정 계절표에서 한 단계 더 나아가 현재 부하와 외기조건에 맞춰 냉각수 Set Point를 지속적으로 Reset하는 구조로 발전할 수 있다.

23. Evidence & Measurement Boundary

20.5℃의 0.567 kW/RT는 해당 실측표에서 가장 낮은 값이지만 이를 모든 냉동기·계절의 보편적 최적온도로 일반화하지 않는다. 최적점은 냉동기 형식, RT, Wet-bulb, Cooling Tower와 Pump Power에 따라 달라질 수 있다.

24. Review 상태

Status: APPROVED / FINAL-LOCK