쾌적하고 에너지절약적인 실내환경조성이 목표

냉동기 구성요소·운전방법 이해도 향상 필요
이상현상 발생 시 올바른 대처능력 배양해야

문정환 대림대학교 교수.

기계설비법에서 정의하고 있는 열원설비란 건축물 등에서 에너지를 이용해 열 매체를 가열 또는 냉각하기 위해 설치된 기계나 기구, 배관, 그 밖에 성능을 유지하기 위한 설비로 규정하고 있다. 건축물 내 재실자에게 쾌적하고 에너지 절약적인 실내환경을 조성하는데 중요한 역할을 담당하고 있다. 열원설비는 냉방을 위해 냉수를 생산하기 위한 냉열원과 난방을 위해 온수 또는 증기를 생산하기 위한 온열원 장치로 구분된다. 냉방과 난방을 동시에 겸하는 장치로서 히트펌프가 대표적이다. 건물단위보다 확대된 지역단위의 열공급은 지역난방이나 지역냉방으로 구분되며, 지역냉방은 흡수식냉동기를 이용하거나 냉수를 직접 공급하는 방식도 있다. 최근에는 지열, 태양열, 연료전지 등 신재생에너지 열원 적용이 확대되고 있으며, 공공 건축물 대상의 신재생에너지 공급의무 비율은 에너지사용량을 기준으로 2020년 이미 30%를 초과하였다.

터보냉동기.
터보냉동기.

냉열원의 대표적인 설비는 냉동기이다. 전통적인 증기압축식과 흡수식으로 구분할 수 있으며, 증기압축식에는 왕복동식, 스크롤, 스크류, 터보식 등의 종류가 있다. 건축물의 대형화 추세에 따라 중앙공조방식인 경우 터보냉동기를 많이 적용하고 있다. 터보냉동기는 원심식(터보) 냉동기라고도 하며, 임펠러의 고속회전으로 발생한 원심력을 이용하여 기체상태의 냉매를 압축시키는 증기압축식 냉동기이다. 임펠러 크기 변화로 냉동용량 증대가 용이하며, 주로 중대형 건물에 적용하고 있다. 반면 소음과 진동이 큰 편이고, 수변전 용량이 크며, 냉매 회수 장치가 필요하고 저부하에서 서징현상이 발생할 수 있다.

터보냉동기의 주요 구성요소로는 압축기, 응축기, 팽창밸브, 증발기이며, 부속기기로는 유분리기, 수액기, 건조기, 열교환기, 액분리기 등이 있다. 터보냉동기의 핵심요소는 압축기로 최근에는 윤활유를 사용하지 않는 베어링을 적용한 무급유 터보냉동기가 개발되어 보급이 확대되고 있는 추세이다.

기계설비법이 발효된 이후 기계설비성능점검이나 기계설비유지관리자의 관련 업무 중 열원설비 특히 냉동기에 대한 성능 점검과 유지관리가 대단히 중요하게 인식되고 있으며, 터보냉동기의 주요 운전관리 및 점검사항에 대해 살펴보고자 한다.

터보냉동기의 기본적인 운전 순서는 기동 시 중앙관제장치 또는 장비 본체 제어판넬에서 운전 명령을 입력하게 되면 냉각수 순환펌프와 냉수 순환펌프가 가동하고 이후 냉각탑 팬이 가동된다. 이후 냉동기 오일펌프가 가동되고 급유가 시작되면서 냉수 및 냉각수의 정상 흐름을 확인한다.

이 때 냉동기의 각종 안전장치 이상유무를 확인하고 압축기에 전원을 공급하여 본격적으로 압축기가 가동되면 냉방운전을 시작하게 된다.

터보냉동기가 정상 운전 시 냉동기는 항상 일정한 온도로 냉수를 공급하고 환수되도록 설정되어 자동운전된다. 만약 부하 변동에 따라 차압밸브를 통해 바이패스함으로써 냉동기가 항상 일정한 유량 이상으로 냉수를 공급하도록 자동운전되며, 냉방부하 감소 시에는 압축기 흡입측 가이드 베인 및 전동기 인버터 회전수를 제어하여 냉매 순환량을 줄여 감소된 냉방부하에 대응하여 압축기를 운전하게 된다. 만약 계속된 냉방부하 감소로 냉수의 온도가 설정온도 이하로 저하되면 압축기 운전이 정지된다.

압축기 정지 후에 냉수의 온도가 설정온도 이상으로 상승하면 압축기가 재가동 되며, 잦은 기동/정지로 인한 압축기 수명단축 및 효율저하를 예방하기 위해 지연시간을 설정할 수 있다.

만약 안전장치에 이상이 있을 시 경보를 발생시키며, 중요한 이상일 경우에는 냉동기는 자동 정지된다.

터보냉동기의 주요 점검사항에 대해 살펴보면, 일상적인 점검 사항으로 증발기 액면계를 통해 냉매 액면의 적정성, 오일탱크 유면의 적정성, 오일의 온도, 오일의 수분 함유 여부, 냉동기 내 압력, 냉동기 기동 전 압축기의 가이드베인이 완전히 닫혀 있는지 등을 확인하고, 제어반의 표시부에 각종 안전장치의 경보가 없는지, 그리고 냉각수, 냉수 순환펌프의 인터록 회로 등을 확인한다.

터보냉동기가 정상적으로 가동되고 있을 때 주요 점검사항으로는 냉수 입구/출구 온도, 냉각수 입구/출구 온도, 냉수/냉각수 순환펌프 작동상태 및 운전압력, 공조배관의 차압밸브 작동상태, 오일 온도와 압력, 증발기/응축기 운전압력, 압축기 가동횟수, 냉동기 공급 전원, 냉동기 각 부분에서 소음 및 진동발생 유무 등이 있다.

터보냉동기의 수명을 연장하고 에너지절약적인 운전을 위해서는 점검 양식을 작성하여 냉동기 구성요소별로 일일, 주간, 월간, 분기, 연간 등의 정기적 점검 항목을 구분하고, 체크리스트를 제작하여 활용하는 것이 바람직하다.

다만 점검내용에 따른 점검주기는 점검대상 기계설비의 특성 및 여건에 맞게 자율적으로 설정하고, 제조사의 점검 항목을 확인하여 이에 대한 세부 점검표를 자체적으로 구비하여 유지관리를 실시한다. 점검결과에는 적합, 부적합을 표기하고 비고에는 부적합 사유를 기록한다.

냉동기의 성능 유지를 위해 통상 연간 단위로 실시하는 것이 세관이다. 세관은 증발기와 응축기 내 전열관이 장시간 운전되어 스케일이나 부식이 발생하여 열교환 능력이 저하되기 때문에 실시하게 된다.

심한 경우에는 압축기 가동 시 소음과 진동을 유발하는 서징현상까지 발생할 수 있으므로 정기적인 점검이 필요하다. 일반적인 경우 1년에 1회 실시하며, 연중 사용하거나 수질이 좋지 않은 경우 수개월에 1회 실시하기도 한다.

세관 방법으로는 기계적인 세관과 화학적인 세관으로 나뉠 수 있다. 기계적인 세관은 금속제 브러시를 이용하여 전열 튜브 내의 스케일 제거하는 방법이다.

화학적인 세관은 화학약품을 이용하는 방법으로 전용 탱크 및 순환펌프를 설치하고 약품을 냉동기에 투입하여 세정하는 방식이다.

터보냉동기의 에너지 절약적인 운전과 효과적인 유지보수를 위해서는 냉동기의 구성요소에 대한 기본적인 이해뿐만 아니라 올바른 운전 방법 그리고 정기적인 유지보수 점검사항을 확인하여 효과적으로 관리하는 것이다. 이를 위해서는 열원설비를 공조설비나 반송설비와 통합된 시스템 개념으로 이해하는 것이 필요하며, 현장에서는 냉동기 운전에 따른 이상 현상 발생 시 원인을 제대로 파악하여 올바르게 대처할 수 있는 능력도 배양해야 할 것이다.

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