가변 속도 드라이브: 산업 냉동 분야에서 식품·의약품 등을 시원하게 유지

Andy Pye가 VSD가 산업 냉동 응용 분야에서 식품, 의약품 등을 시원하게 유지하는 데 어떻게 도움이 되는지 살펴봅니다.

약 200년 동안 냉동 기술은 다음과 같은 필수 재화와 서비스 제공을 점진적으로 지원해 왔습니다:

• 식품 보존
• 의료 공정
• 지역 난방 및 냉방

유해 냉매가 오존층을 파괴하고 지구 온난화와 연관되어 잘 문서화된 부정적 환경 영향으로 산업은 상처를 입었습니다. 몬트리올 및 교토 의정서 서명 이후 1988~2005년 사이 CFC, HCFC, HFC 생산이 90% 감소하는 중요한 진전이 있었습니다.

그러나 2050년까지 세계 인구가 90억으로 증가하고 수명 연장이 예상됨에 따라 냉동 관련 공정과 관련된 모든 자원 소비는 엄청나게 증가할 것입니다.

에너지 소비의 환경 영향

에너지 사용은 보통 모든 냉동 플랜트에서 가장 큰 비용 센터입니다. 이미 냉동 장비 에너지 소비가 전 세계 전력 사용의 15%(선진국에서는 종종 20% 초과)를 차지합니다. 대부분의 국가가 여전히 화석 연료로 전력을 생산하므로 이는 냉동 장비 사용으로 인한 지구 온난화에 추가적인 막대한 영향을 강조합니다.

따라서 다음이 시급합니다:

• 냉동 장비의 성능 계수(COP) 개선(즉, 단위당 전력 소비 감소).
• 건물 전체의 에너지 소비를 더 통합되고 고도로 제어된 시스템으로 구축.
• 오존층을 파괴하거나 CO2를 배출하지 않는 새 냉매로 전환.
• 모범 사례를 수용하는 고효율 냉동 솔루션의 전 세계적 보급 확대.

많은 냉동 및 공조 시스템은 더 효율적이고 콤팩트하며 환경 친화적이고 설치/유지보수가 쉬운 신뢰할 수 있는 공정을 요구합니다. 냉각 요구사항은 주변 조건, 점유율 및 사용, 조명 등으로 인해 하루 중 및 연중 광범위하게 변합니다.

병원, IT 및 통신 분야 같은 영역에서는 안정적이고 정확한 온도 및 습도 제어가 필요할 수도 있습니다. 학교, 레스토랑, 오피스 빌딩 같은 애플리케이션에서는 냉각 시스템이 일일 부하 변동에 적응할 수 있는 것이 중요합니다.

발효, 재배 터널, 산업 공정 같은 공정 냉각 애플리케이션에서는 생산 품질 확보를 위해 정확한 온도 설정이 필요합니다.

냉동 또는 공조 및 난방 시스템에서 냉각 용량을 조절하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 공조에서 가장 흔한 것은: 단순 온오프 사이클링, 핫 가스 바이패스, 액체 주입 사용(또는 미사용), 다중 컴프레서 구성, 인버터 기술입니다.

용량 조절은 냉각 용량을 냉각 수요 및 애플리케이션 요구사항에 맞추는 방법입니다. 컴프레서는 다른 모터 속도에서 운전하도록 특별히 설계되어 냉각 출력을 조절합니다. 인버터가 컴프레서 모터 속도를 제어해 냉각 용량을 조절합니다.

가변 속도 기술은 HVACR, 정밀 제어, 공정 냉각 응용 분야와 패키지/분리형 에어컨 유닛, 루프탑, 칠러, 정밀 냉각, VRF, 응축 유닛에 구현될 수 있습니다.

고성능 드라이브와 영구 자석 모터 사용으로 산업 냉동 제품의 에너지 효율을 극대화합니다. 일반적인 설치에서 성능 계수(COP)가 약 15% 크게 증가하여 막대한 에너지 절감과 낮은 수명 주기 비용을 가져오며, 투자 회수 기간이 종종 12개월 미만입니다.

컴프레서와 드라이브는 전용 애플리케이션을 위해 함께 작동하도록 검증되어야 합니다. 드라이브는 컴프레서 속도를 조절하고 컴프레서 작동 한계를 벗어나지 않게 방지합니다. 인버터 주파수 드라이브는 난방, 환기, 공조(HVAC) 또는 냉동 전용으로 개발된 알고리즘을 사용하여 시스템이 애플리케이션 제약 내에서 작동하도록 보장해야 합니다.

가변 냉매 유량(VRF) 유닛은 난방 및 냉방용으로 매우 인기 있는 냉각 또는 가역 시스템입니다. 빌딩 소유자와 점유자 모두에게 유연성을 제공하면서 에너지 효율, 높은 쾌적성, 쉬운 설치, 신뢰성 저하 없음을 결합합니다. VRF 시스템은 인버터 기술을 광범위하게 사용합니다.

가변 속도 드라이브를 사용한 에너지 절감 사례

북아일랜드 포타다운의 식품 제조업체 Henry Denny의 칠드 룸에 Unidrive SP 시리즈 대형 프리스탠딩 가변 속도 AC 드라이브 설치로 온도 제어가 개선되었으며, 연간 전기 요금 약 23,400파운드 절감으로 플랜트 총 전력 사용량의 50% 삭감!을 향해 가고 있습니다.

이 회사는 다양한 파이, 소시지 롤, 파스티, 코티지 파이를 제조하며, 20개 칠드 룸 단지는 자사 생산 출력뿐만 아니라 지역 유통 창고 역할을 하여 Kerry 그룹의 다른 회사 제품인 수천 개의 치즈, 버터, 햄, 베이컨도 보관합니다.

캐나다 캘거리에서는 식료품 사업장에서 냉동 플랜트 에너지 35% 절감을 달성했습니다. 여기서는 두 개의 새 컴프레서와 응축 쿨러로 구성된 새 냉각 시스템이 필요했으며 운영 비용 최소화가 필요했습니다. 쿨러당 하나의 가변 속도 Commander SK AC 드라이브가 모든 팬을 동시에 제어합니다. 드라이브는 맞춤 설계 패널에 통합되었습니다.

연중 대부분 응축기는 최대 용량의 일부분만으로 운전됩니다. 기존 시스템에서는 컨택터로 고정 속도 팬을 쌍으로 온오프하여 응축기 냉각을 제어했습니다. 이로 인해 팬이 끊임없이 사이클링하며 필요한 정밀 온도 제어를 제공하지 못했습니다.

압력 설정값이 끊임없이 초과되어 냉매의 과도한 팽창과 수축이 발생해 배관 기계적 피로가 누적되었습니다. 시간이 지나면 배관이나 커넥터 고장으로 이어질 수 있습니다.

반 속도로 도는 4개 모터가 전속력 2개 모터보다 훨씬 적은 에너지를 사용합니다. 또한 팬 속도의 부드러운 변화가 반복 시동보다 에너지를 덜 사용합니다. 이 VFD 제어 시스템에서는 상당한 에너지 절감뿐만 아니라 압력과 온도가 매우 정밀하게 조절되어 전체 시스템 스트레스가 줄어듭니다.

적용 법규

적용되는 표준과 법규는 ISO 50001(에너지 관리 표준)과 계절 성능 부분 부하 효율 법규(SEER)입니다.

ISO 50001:2011은 에너지 관리 시스템 수립, 구현, 유지, 개선 요구사항을 명시합니다. 목적은 조직이 에너지 성과(에너지 효율, 에너지 사용 및 소비)의 지속적 개선을 위한 체계적 접근을 따르도록 하는 것입니다. ISO 50001:2011은 조직이 모니터링하고 영향을 줄 수 있는 에너지 성과에 영향을 주는 모든 변수에 적용됩니다. 측정, 문서화, 보고, 장비/시스템/공정/인력에 대한 설계 및 조달 관행 요구사항을 명시합니다.

유럽에서는 냉동 장비, 칠러, 에어컨의 계절 효율이 종종 Eurovent 인증 회사가 정의한 유럽 계절 에너지 효율 비율(ESEER)로 평가됩니다. 영국에서는 냉동 및 공조 제품의 계절 에너지 효율 비율(SEER)이 ESEER과 유사하지만 부하 프로파일 가중치가 다른 것으로, 건물 규정 Part L 계산의 일부인 간소화 건물 에너지 모델(SBEM) 소프트웨어에서 사용되며, 영국과 EU 내 신축 건물 에너지 성능 인증서(EPC) 제작에 사용됩니다. 둘 다 건물 에너지 성능 유럽 지침(EPBD)의 일부입니다.

SEER 공식은 다음과 같습니다:
SEER = a (EER@25% 부하) + b (EER@50% 부하) + c (EER@75% 부하) + d (EER@100% 부하)
여기서 a,b,c,d는 제안된 애플리케이션에 관련된 부하 프로파일 가중치입니다.

미국에서 ESEER과 유사한 표준은 통합 에너지 효율 비율(IEER)입니다.

ESEER은 다양한 계절 공기/수온에 대한 전부하 및 부분 부하 운전 에너지 효율 비율(EER)을 적절한 가중치로 결합하여 계산됩니다.