유니트쿨러는 주로 저온저장고 내부를 냉장 또는 냉동조건으로 만들고 유지하기 위한 냉동시스템의 실내기에 해당되는 제품으로 실외의 냉동기와 연결돼 특정 공간을 냉각시키는 역할을 한다.
유니트쿨러는 사용되는 저온저장고의 규모, 온도조건에 따라 외장 구조와 내부 열교환기의 핀간격(Fin Pitch)이 달라지며 저온저장고 규모에 따라 다양한 제상방식이 사용되고 있다.
최근 제상방식과 제상진입 방식 등의 개선에 의한 보관품질 향상과 유지비용 감소를 위해 많은 연구가 진행되고 있으며 비대면시장의 급속한 확대에 따른 중대형 저온창고 확대와 대형화에 따라 제품 품질의 고급화 및 대형화도 진행되고 있다.
특히 최근 세계적인 원자재난과 인플레이션 충격파로 고급 외국산을 주로 사용하던 대형 냉동창고의 유니트쿨러에 외국산과 대등한 품질의 고급화된 유니트쿨러 수요가 급증하고 있다.
물류창고 크기 따라 요구조건 다양
저온저장고는 크게 세 종류로 분류되며 주로 농가용으로 사용되는 소형 저온저장고(2~50평), 중·대형 물류창고용 중형 저온저장고(50~5,000평)와 대형 저온저장고(5,000평 이상)로 나뉜다. 이중 소형 및 중형 저온저장고에는 국내산 유니트쿨러가 주로 사용되고 있으며 대형 저온저장고에는 주로 외국산 유니트쿨러가 적용되고 있다.
용도 및 형태에 따라 저온 작업장용, 냉장용, 냉동용으로 구분되며 냉동용은 주로 -25~-20℃의 일반 냉동용과 -25℃ 이하의 동결용으로 구분된다.
저온 작업장용은 20℃ 이상에서 사용되는 일반 공조용과 다른 5~20℃의 육가공 작업장, 냉동·냉장창고의 하역장 등에 사용되는 유니트쿨러로 구분되며 육가공 작업장은 중앙에서 흡입해 측면으로 토출하는 공조용 천장카세트와 유사한 형태가 주로 사용된다.
저온 다습한 조건에서 사용되는 공조용 실내기로 외부 케이싱은 알루미늄엠보싱, 갈바륨, 또는 아연도강판을 분체도장해 사용하며 착상의 우려가 없어 열교환기의 핀간격은 좁아도 된다.
하지만 냉장·냉동용 열교환기 생산설비에서 제작되므로 3~6mm 간격이 주로 사용된다. 냉장기기가 아닌 공조기기이지만 시장 규모가 작아 공조기제조사가 아닌 냉동기제조사가 냉장 및 냉동제품과 함께 생산 및 시공한다.
수량이 가장 많은 농가형 저온저장고용 유니트쿨러는 가격경쟁이 치열한 분야로 가벼운 알루미늄소재 케이싱을 사용한 2~3마력급의 저가형 제품이 주류를 이루고 있다. 저장고내 온도가 -10 ~10℃의 냉장조건으로 열교환기의 핀간격이 6~6.5mm를 사용하고 간단한 전기제상용 히터가 열교환기와 드레인판에 삽입돼 있다.
중소규모의 저온창고는 농가형 저온창고에 사용되는 저가형 쿨러 2~20마력급 유니트쿨러가 널리 사용되고 있다.
편의점 숫자가 늘어나면서 일반 오픈 및 클로즈 형태의 쇼케이스 진열대 외에 토탈 쿨러에 사용되는 1~1.5마력급 박형 쿨러도 널리 사용되고 있다. 냉장용으로 핀간격, 제상히터 등의 구조는 소형 저가형 쿨러와 유사하다.
중형 규모의 저온창고는 주로 물류창고로 활용되며 최근 코로나19가 촉발한 비대면 배달시장의 급성장과 함께 큰 규모의 성장을 이룬 시장으로 국내 대형 냉동기제조사의 고급화된 유니트쿨러가 주로 사용되고 있다.
중저가의 알루미늄 엠보싱 재질보다는 평판 알루미늄에 분체 도장을 하거나 아연도강판에 분체도장을 해 외관을 고급화하고 일체형 Fan 숫자를 늘려 라인업하고 있으며 대개 10~50마력급까지 사용이 된다. 냉장용은 열교환기 핀간격이 6~6.5mm, 냉동용은 8mm가 주로 사용되고 있으며 냉장용 제상은 히터제상, 냉동용은 히터제상 또는 살수제상이 사용되나 살수제상은 비교적 규모가 큰 저장고에 널리 사용된다.
중대규모의 저온창고에 널리 쓰이는 유니트쿨러는 일체형 Fan을 사용하거나 Duct를 부착한 엑셀Fan을 주로 사용해 냉풍의 도달거리를 증대시키고 있다.
하지만 최근 대형화되는 창고의 규모를 감안해 보다 도달거리를 증대시키기 위해 토출공기를 중심부로 모아주는 스트리머(Streamer)를 장착하는 추세가 늘어나고 있다. 종류는 냉장, 냉동, 동결용으로 구성되며 열교환기 Fin Pitch가 냉장용은 6~6.5mm, 냉동용은 8mm가 주로 사용되고 동결용은 8·10mm 2단 열교환기가 널리 사용된다. 제상방식은 전기히터방식과 살수제상이 많이 사용된다.
대규모 저온창고는 대형 암모니아 냉동기 등 주로 수입산 냉동기에 유니트쿨러 역시 군트너 등 고급형 외국산이 주류를 이루고 있다. 그동안 품질우선정책에 따라 값비싼 외국산을 대체할 공간이 적었으나 최근 급등한 원자재가격과 각종 물가 상승에 따른 공사비 상승이 기존 예산으로 감당하기 벅찬 수준이 돼 높은 품질과 고급시방을 갖춘 국내산 쿨러에 대한 수요가 증가하기 시작했다.
이에 따라 국내 대형 냉동기제조사를 중심으로 국산화 작업이 한창 진행되고 있다.대형창고의 구조상 면적이 넓고 천장고가 높아서 용량이 큰 유니트쿨러가 매우 높은 위치에 설치됨에 따라 품질문제 발생 시 서비스가 매우 어렵고 보관품질 저하 등에 매우 민감해 일반적으로 품질문제가 자주 발생하는 열교환기 냉매누설과 Fan Motor 고장을 거의 제로수준으로 관리하도록 요구하고 있다.
이를 위해 소위 Floating Coil이라는 열교환기의 냉매가 흐르는 동관을 고정구조인 중간 및 양 측판에서 분리시키는 구조와 세계 최고 품질수준을 보장하는 Ziehl Abegg이나 ebm-papst사의 Fan Motor를 장착한 외국산 제품을 선호하고 있다. 불가피한 서비스나 설치 시 편리성을 위한 제품 양측면과 바닥 드레인판을 도어 구조로 제작한 제품도 개발, 설치되고 있다.
대형창고에 사용되는 유니트쿨러의 제상은 전기제상, 살수제상 외에 핫가스제상도 널리 사용되고 있으며 냉동방식도 일반적으로 사용되는 방식과는 다른 액펌프 방식(증발기에 100% 액체냉매만 공급되도록 별도의 액냉매 탱크와 액냉매를 공급하는 펌프가 설치됨)도 널리 사용되고 있다.
최적 제상방법은
냉동·냉장저장고의 냉각을 수행하는 열교환기(증발기)는 공간 내 습공기를 냉각하면서 이슬점 이하로 냉각 시 응축수가 발생하며 증발기 온도가 영하(-)로 떨어지면 응축수가 결빙(성에로 증발기 핀 표면에 착상)되고 성에가 두꺼워지면 열교환 성능이 떨어져 주기적으로 제상해야 한다.냉동·냉장에서의 제상방식은 크게 △히터제상 △살수제상 △핫가스제상 등이 사용된다.
이중 중·소형 저온저장고에는 히터제상이 주로 사용되고 있으며 살수제상과 핫가스제상은 중·대형 저온저장고에 설치되는 유니트쿨러에 사용된다.히터제상은 열교환기의 냉매가 흐르는 동관의 일부 또는 별도의 구멍을 뚫어 전기히터봉을 삽입한 구조로, 착상이 된 저온의 열교환기에 히터전열을 통한 가열로 성에를 녹이는 방식이다.
비교적 간단한 구조와 저렴한 비용으로 장착이 가능하나 저온상태에서 히터의 온도상승과 전열에 의한 열교환기 온도 상승에 상당한 시간이 소요돼 제상시간이 길다. 착상이 심한 경우 최소 20분에서 30분정도 소요되기도 한다. 제상기간 동안 저장고의 온도상승이 크고 제상 완료 후 정상 저장온도까지 도달하는데 또한 시간이 많이 걸려 전력소모가 크고 보관 품질이 저하되는 문제점이 발생할 수 있다.
살수제상은 별도의 물 공급관을 통해 20~30℃의 물을 열교환기 상단에 살포하는 방식으로 신속한 제상이 이뤄지며 고른 제상과 바닥의 잔설 등이 남지 않는 장점이 있다. 그러나 주변의 저온상태에서의 살수는 물방울이 주변으로 튀거나 안개형태로 주변으로 퍼져 동결되는 문제를 해결하기 위해 다양한 구조물이 추가되고 물을 공급하는 시스템을 추가해야 하는 비용문제 등이 발생한다.
핫가스제상은 냉동사이클 중 응축열을 이용하는 방식으로 기존 냉동용 배관과 별도로 압축기의 토출가스를 유니트쿨러로 보내는 배관을 추가하는 방식과 히트펌프의 역사이클 제상방식을 이용하는 방식으로 크게 나뉜다. 별도 배관을 추가하는 방식은 제상 중 응축된 액냉매를 다시 증발시켜 압축기로 복귀시키기 위한 방법으로 별도의 액분리기를 추가하는 방식, 축열조를 이용하는 방식, 멀티 유니트쿨러를 활용해 증발시키는 방식 등이 있다.
업계의 한 관계자는 “히트펌프의 역사이클 제상방식은 공조기와 사용환경이 다른 냉동에서의 제상 시 발생하는 문제점들에 대한 깊은 연구가 덜돼 냉동에는 보편화되지 못했으나 비교적 간단하고 저렴하면서도 매우 빠른 제상이 가능한 장점을 활용하기 위해 활발히 연구가 이뤄지고 있다”고 지적했다.
별도 핫가스배관을 사용하는 방식은 신속한 제상이 이뤄지고 살수제상의 온수 살포에 따른 문제가 없는 반면 복잡한 구조와 비용이 높은 단점이 있어 주로 대형 냉동시스템에 사용되고 있다.냉동·냉장에서의 제상은 과도한 착상에 의한 냉동능력저하를 방지하고 불필요한 제상을 방지해 효율적인 냉동운전을 유지하기 위해 적상에 따른 냉동능력 저하가 심각해지기 직전, 최적의 시점에 진입해야 한다.
하지만 사용환경에 따라 급격히 착상되기도 하고 때론 24시간내내 착상이 안되기도 하므로 일반적인 방식으로는 최적의 제상진입시점을 결정하기가 쉽지 않다.제상진입방식으로는 착상여부에 관계없이 정해진 시간에 제상운전을 행하는 시간제상방식, 광센서, 압력센서, 정전기방식 등 물리적 장치를 이용하는 방식, 고내온도와 열교환기의 증발온도를 측정해 특정시점에 제상을 진입하는 온도방식 등이 주로 사용되고 있다.
시간 제상방식은 정해진 시간에 반복적으로 제상운전을 행하는 방식을 사용해 증발기의 착상여부에 관계없이 대개 하루 4번(6시간 주기) 제상운전을 행하고 제상기간도 20분 또는 30분 고정해 제상하는 방식으로 제어가 간단하고 별도 센서 등이 필요없다.
그러나 불필요한 제상을 장시간 운전하면서 전력낭비와 고내 온도 상승에 따른 저장품의 품질을 떨어뜨리는 문제 등이 있다.
제상진입 방식을 개선하기 위해 착상량을 광학적으로 측정하거나(광센서, LED센서등활용) 착상량의 증가에 따른 풍속감소를 측정하는 방식 등을 활용한 여러가지 시도가 진행 중이며 착상량 증가에 따른 Fin 사이의 정전용량 변화를 측정해 제상진입시점을 결정하는 방법도 소개되고 있다. 그러나 민감한 센서들이 대부분 장기간 사용 시 오염과 저온특성저하 등으로 문제점들이 노출돼 보급이 부진한 실정이다.
히트펌프에 널리 쓰이는 증발기 입구온도와 증발온도의 차이를 측정해 제상에 진입하는 방식은 착상이 진행되면서 어느 시점에 증발기 입구온도와 증발온도의 차이가 급격히 커지는 물리적 현상을 기준으로 착상여부를 판단하는 방식이다.
많은 시험을 통해 증발기 입구온도와 증발온도의 차이와 착상의 상관관계를 특정하고 제상에 소요되는 시간을 기준으로 보정하는 방식을 적용해 비교적 간단한 구조로 최적의 제상을 진행하는 방식이나 많은 시험과 경험치를 적용해야 하므로 아직 냉동제품에는 보편화되지 못하고 있다.
업계의 한 관계자는 “유니트쿨러에 널리 사용하는 제상 중 가장 효과적인 제상방식은 역사이클 운전에 의한 핫가스제상”이라며 “히트펌프에 널리 사용하는 역사이클제상을 저온냉동시스템에 적용하기 위해서는 다양한 외기조건에서의 신뢰성 확보와 급속제상에 따른 드레인판 내부 잔설제거 등을 해결하기 위한 기술이 필요하다”고 지적했다. 이 관계자는 “제상진입방식은 시간제상, 광학기기 등을 사용한 물리적 제상, 쿨러 입구온도와 증발온도차이를 활용한 온도제상 등이 있다”라며 “이중 온도제상과 시간보정을 결합한 방식이 가장 경제적이며 신뢰성이 높은 방식으로 다양한 시험을 통한 정확한 진입시점과 적절한 보정방식을 개발하는 것이 관건”이라고 강조했다.
고급형 유니트쿨러 국산화
물류창고 대형화에 따라 유니트쿨러의 용량과 풍량 도달거리가 길어지고 있다. 또한 불량이 거의 없는 완벽한 제품품질을 요구함에 따라 값비싼 외국산이 주류를 이루고 있는 실정이다.
한정된 수요로 인해 고품질의 Fan Motor 국산화가 어려워 Ziehl Abegg이나 ebm-papst Fan Motor를 장착하고 열교환기 누설을 최소화한 Floating Coil과 제품 좌우 측면 도어구조, 드레인판을 이중으로 해 단열특성을 높인 도어구조로가 주로 설치돼 서비스성을 향상시킨 고급형 유니트쿨러를 개발하고 있다. 하지만 수요처에서 국산보다 2~3배 비싼 외국산을 선호하고 있다.
최근 국제 원자재값 폭등과 세계적인 인플레이션 영향으로 대형 물류창고의 건축비가 상승해 고가의 외국산 유니트쿨러 가격을 감당할 수 없게 됨에 따라 국산 고급형 유니트쿨러의 수요가 늘어나고 있는 상황이다.
유니트쿨러 시험방법 표준화 가능할까
유니트쿨러의 성능은 저온에서의 증발능력이 열교환기의 구조적 특성보다는 냉동기에서 공급되는 냉매유량과 유속에 주로 기인함에 따라 유니트쿨러 단독으로 평가가 난해하며 차별화가 쉽지 않다. 냉장, 냉동, 동결조건에서 유니트쿨러의 핀간격은 업계에서 표준으로 정리돼 사용되고 있으나 냉동회로당 동관의 길이는 업체마다 제각각으로 동일 용량에 회로수와 회로당 길이가 최적화돼야 하며 이에 대한 평가와 표준이 필요한 상황이다.
특히 냉동 및 동결조건에서는 증발압력이 0.5bar 이하로 운전되므로 회로길이가 길어지면 냉매의 마찰저항에 의해 유속이 줄어든다. 이는 냉동능력 저하와 압축기 토출온도 상승에 따른 압축기 과열 등의 문제가 발생하고 냉동오일 회수가 어려워 장기운전 시 압축기 고장의 원인이 되기도 한다.
냉매 유로상의 마찰저항을 줄이기 위해서는 동관 직경을 키워야 하며 대략 20마력 이하에서는 9.52mm, 50마력 이하에서는 12.7mm, 60마력 이상에서는 15.88mm 동관을 사용하나 관경이 커지면 동관사이 간격도 넓어지면서 오히려 동일 전열면적당 냉동능력이 떨어져 용량이 커질수록 관경뿐만 아니라 전열면적도 넓어져서 제품크기가 훨씬 더 커지는 문제가 생긴다.
업계의 한 관계자는 “냉동 및 동결 제품에 Gas Injection을 사용하면 증발기의 질량유량이 증가하면서 냉동능력이 향상된다고 하나 유니트쿨러 자체에 어떤 영향을 주는지 정확한 시험자료가 없어서 알 수가 없다”라며 “다만 기존의 용량별 관경한계보다 더 큰 용량이 가능할 것으로 보인다”고 밝혔다.
이 관계자는 “이에 따라 유니트쿨러를 평가하기 위한 시험 및 표준화는 저온상태에서의 열교환기 단체성능시험을 통해 냉매회로당 동관길이의 적정성을 평가하고 표준화하는 것이 필요해 보인다”고 지적했다.
현재 유니트쿨러 관련 표준은 △KS B 6718 : 2004(냉동용 유니트쿨러의 냉동 능력 시험방법) △KS B 6274 : 2002(냉동용 유니트쿨러의 냉동능력 계산방법) △KS B ISO 916 : 2005(냉동시스템의 시험) 등이 KS상 유니트쿨러의 능력 등을 측정하는 방법이 규정돼 있다. 그러나 이를 측정하고 판단하는 공인시험 기관이 없어 각 사 제품에 대해 카탈로그상 능력치 검증이 되지 않는 것이 가장 큰 문제점으로 지적되고 있다.
이에 따라 공인시험기관 등을 통해 제품의 냉동능력을 인증하는 제도 마련이 시급하다. 규제 개선 시급코로나19로 인한 비대면 생활패턴 확산 및 1인 가구 증가 등으로 냉동·냉장창고는 지속적으로 증가하고 있다.
2000년대까지 생산지(자) 중심 냉동·냉장창고 형태가 2010년대 3PL(제3자 물류) 중심으로 전환되면서 수도권 중심으로 대형 냉동·냉장창고가 크게 증가했다. 이는 어느 정도 포화상태를 이룰 것으로 예상됐으나 코로나19로 인한 비대면 비접촉 구매가 급증함에 따라 4PL(제4자 물류)에 의해 대형 물류센터는 더욱 증가할 것으로 예상된다.
냉동·냉장 물류센터를 건립하는 데 있어 본연의 목적인 보관품 신선도 유지를 위한 정온관리는 물론 에너지를 절감하며 작업환경의 안전을 보장할 수 있는 시스템을 구축하는 것이 과제로 남아있다.
이에 대한 해결책으로 에너지절약시스템의 개발 및 도입을 위해 냉동기를 에너지효율관리 품목으로 지정 및 관리해 국가적 에너지절감에 힘써야 하며 온실가스 감축을 위한 Low GWP 자연냉매 도입이 확대될 수 있도록 제도적 기반을 마련해야 할 시기다.
하지만 업계에서는 국내의 냉동공조산업은 규제가 심하다고 말한다. 고압가스법은 세계가 모두 엄격하지만 냉동공조산업의 선진국이라고 할 수 있는 독일, 일본을 비교해도 유독 규제가 심하다고 생각한다. 이에 따라 냉동공조산업의 발전을 위해 규제완화가 시급하다고 지적한다. 대표적인 규제는 ‘냉매’다.
가장 친환경적이며 에너지효율 측면에서 우수한 냉매 및 냉동시스템을 선정하기 어려운 것이 현실이다. 아직도 HFC·HCFC계열 냉매와 이에 따른 개별식 냉동시스템을 주로 사용하고 있다. 환경적인 측면이나 에너지적인 측면에서 바람직하지 못한 현상으로 정부 및 관련 전문기관이 적극적으로 나서야 할 문제다.
업계의 한 관계자는 “독일 등 유럽의 경우 냉동·냉장분야에서 기존 냉매대비 효율이 월등히 높은 CO₂를 냉매로 활용한 제품을 활발하게 보급하고 있지만 국내는 고압가스법 등으로 인해 보급 자체가 막혀 있다고 해도 과언이 아니다”라며 “고압가스법상 관리대상도 일본은 50RT 이상으로 확대된 지 오래됐지만 우리나라는 여전히 20RT 이상으로 규정하고 있다”고 지적했다.
업계의 다른 관계자는 “신냉매 적용과 관련 현재 사용되고 있는 R507A, R404A 냉매의 GWP가 높고 관련규제가 다가오는 만큼 대안이 필요한 상황”이라며 “암모니아, CO₂ 등 친환경 냉매 적용을 확대하고 관련 규제도 완화해야 한다”고 강조했다.
전 세계적으로 고효율, 콤팩트한 제품이 대세를 이루고 있는 만큼 우리나라도 냉동·냉장제품을 고효율기자재로 편입시켜 관리하거나 소비효율등급제 등을 도입해야 한다는 지적도 끊임없이 제기된다.
업계의 한 관계자는 “단가경쟁에 몰입하는 국내 시장은 결국 소비자가 손해이며 궁극적으로는 국가 손해”라며 “냉동산업이 발전하기 위해서는 꾸준한 신규인력이 유입돼야 하는데 현재 대학에서는 냉동분야보다는 공조 혹은 범용화된 분야가 인기가 높다”고 지적했다.
결국 학교와 산업계는 냉동분야의 인재양성 방안을 고심하고 활성화시켜야 미래 냉동·냉장산업이 발전할 수 있는 기반을 탄탄히 다질 수 있을 것으로 기대된다. 기존 공조기술자들도 산·학·연 합동으로 꾸준한 교육과 노력이 이뤄진다면 콜드체인산업의 혁신적인 발전이 가능할 것으로 기대된다.
