서 론
국제 에너지 기구(IEA)의 자료에 따르면, 산업 부문은 2022년에 9.0 Gt의 CO2를 배출하여 전 세계 탄소 배출량의 4분의 1을 차지했다(IEA, 2023). 에너지 절약과 탄소 감축을 위한 중요한 역할을 위해 에너지 효율성을 높이고 전기 수요로 인한 탄소 배출을 줄일 수 있는 새로운 공장 기술을 도입의 필요성이 높아지고 있다(Lee and Lin, 2024). 또한 지구 온난화와 화석 연료 고갈은 제조 산업에 에너지 효율적인 개발을 추구하도록 상당한 압력을 가하고 있다(Zhao et al., 2017). 제조업은 산업 부문의 중요한 부분이며 세계 경제에서 중요한 역할을 한다(Duflou et al., 2012; Balogun and Mativenga, 2013). 최근 많은 기업들은 탄소중립을 위한 ESG (Environment. Social, Governance) 경영을 실현하여 제조 활동에서 탄소배출을 줄이는 노력하고 있고, 특히 에너지 사용량이 많은 제조업 공장의 에너지 소비 최적관리를 위해 에너지 관리 시스템(BEMS; Building Energy Management System)을 도입하려고 노력 중에 있다(Kim et al., 2020; Yin and Muhieldeen, 2024). 기업의 제품 제조 과정에는 에너지가 소비되고, 필연적으로 탄소가 배출되기 때문에 이는 ESG 관점에서 기업의 전반적인 성과와 사회에 미치는 영향이 크다(Alnafrah, 2024). 또한 제조 공장의 에너지 소비와 관련된 산업부문의 탄소배출량 절감은 국가온실가스감축목표(NDC, Nationally Determined Contributions) 상에서 가장 큰 부분을 차지한다. 따라서 제조 공장에서 사용되는 에너지를 절감할 수 있는 기술 개발은 국가 차원에서의 탄소 중립에 크게 도움이 될 수 있다.
본 연구는 공장 설비에 대한 에너지 관리 시스템 구축을 위한 단계적인 요소 기술 개발을 위한 첫번째로 내부 설비 시스템의 모니터링이다. 이를 통해 최종적으로 공장 설비의 에너지 소비 절감 실현을 위한 시스템 제안을 목표로 하고 있다. BEMS에 축적되는 건물 운용에 관한 빅데이터의 유효 활용을 위한 실용적 연구는 세계적으로도 사례가 많지 않고, 일부 사례 또한 사무소 혹은 주택에 대한 사례에 집중되고 있다. 에너지 사용량이 매우 많은 공장에 대한 에너지 최적관리 기술 개발은 신규성이 높고 이는 국가레벨에서 중요하게 다루고 있는 산업부문의 탄소배출량 절감에 직접 기여하는 기술개발이 될 수 있다. 따라서 중장비 하부 부품을 제작하는 공장의 가열로를 모니터링하고 단열재를 설치해서 열의 이동과 온도변화를 통해 에너지 삭감 가능성을 확인한다. 탄소배출권 거래제의 확대에 따른 기업성과에 미치는 영향을 에너지 관리를 이용해 분석한다면 기업뿐만 아니라 나아가 국가적인 에너지와 탄소 관리에도 큰 도움될 것으로 판단된다.
측정개요
가열로 표면 단열효과 측정 개요
중장비 하부부품을 제작하는 공장에서의 베어링 부분의 부품 성형을 담당하는 가열로를 측정대상으로 선정했다. Figure 1은 대상 가열로의 전경과 측정 지점, 그리고 제품의 진행방향을 나타낸다. 측정점은 가열로 위치별 열성능 변화를 확인하기 위하여, 제품이 유입되는 입구 부분(Point 1), 출구 부분(Point 2)으로 설정하여 열 손실을 줄이기 위해서 가열로에 단열재를 설치한 후, 각 부위별 단열재 유, 무에 따른 온도 및 열류량 변화를 검토한다. 각 측정점에서는 주변 공기온도, 벽체표면 온도, 벽체표면 열류량, 바닥표면 온도, 바닥표면 열류량을 10초 간격으로 열전대와 열류계를 통해 측정하고 데이터 로거를 통해서 결과를 축척했다. 이때, 단열재는 화재에 안전한 불연성능 인증을 받은 복사열 차단 단열재(REFLEXTHERM 40 mm)를 사용했다.
결과 및 토의
가열로 표면 열화상 측정 결과
Figure 2는 단열재 설치 전후의 가열로의 모습과 열화상 카메라로 촬영된 결과를 보여준다. 단열재 설치로 인하여 가열로 작동 중에도 표면 온도가 30℃ 이하로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 하지만 단열재의 설치가 어려운 연결 부위 및 바닥, 천정에 대한 대책이 필요함을 알 수 있었다. Figure 3에서 보이는 것과 같이 가열로의 연결 부위의 강도에 따라 틈이 발생하고 이를 통해 열 손실의 차이가 크게 나타나는 것이 보였고 특히 이 가열로의 연결 부분에 대한 설비 유지 보수가 중요함을 확인했다.
가열로 측정 결과
제품이 유입되는 Point 1은 제품 유입 시의 입구 개폐 및 가열 히터의 영향이 상대적으로 낮아 표면 온도 변화가 다른 측정점에 비해 크지 않을 것으로 판단된다. Figure 4, 5, 6는 Point 1의 표면 온도, 열류량, 주변 공기온도와 열류량의 상관관계를 보여준다. 단열재 설치 전의 최대 표면온도는 56.0℃에서 단열재 설치 후 42.7℃로 약 13.3℃ 낮아짐을 확인할 수 있었다. 표면온도 변화로 인하여 표면에서 외부로의 열 이동량은 단열재 설치 전 최대 336.6 W/m2에서 단열재 설치 후 최대 157.0 W/m2으로 최대 열류량이 약 53.4% 감소했다. 또한 하루 평균 표면에서의 열 이동량은 단열재 설치 전 34.7 kWh/m2에서 단열재 설치 후 19.5 kW/m2으로 일평균 약 43.7%의 표면 열 손실이 감소하는 것으로 나타났다. 단열재 설치후의 주변공기 온도의 변화에도 열의 이동이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
Figure 7, 8, 9에 나타나는 것과 같이, 제품의 출구 부분에 해당하는 Point 2에서는 제품 출구 방향에서의 주변 공기 유입으로 가열로 중심부에 비해 다소 낮은 온도가 측정 되었다. 단열재 설치 전 표면에서의 최대 온도는 77.5℃에서 단열재 설치 후 표면 온도는 최대 46.5℃로 약 31.0℃의 표면 온도 저하 효과를 확인했다. 표면 온도 변화로 인하여, 표면에서의 열류량은 단열재 설치 전 최대 634.9 W/m2에서 단열재 설치 후 184.6 W/m2으로 순간 최대 열 손실량이 약 70.9% 감소하는 것으로 나타났다. 열 손실량의 기간 합산에서는 단열재 설치 전 하루 평균 30.8 kWh/m2에서 단열재 설치 후 11.6 kWh/m2으로 일평균 열 손실량이 약 62.5% 감소되었다. Point 1-2의 기간 합산 열류량의 결과에서 단열재 설치 전 일평균 61.5 kWh/m2에서 단열재 설치 후 일평균 33.5kWh/m2으로 단열재 설치로 인하여 일평균 열 손실량이 45.6% 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 평균온도가 높은 제품 출구 방향 Point 2에서의 단열효과가 크게 나타났으나, 가열로 전체의 열 손실을 줄이기 위해서는 가열로 전체에 대한 균등한 단열 설치가 필요할 것으로 판단된다. 가열로 단열재 추가 및 해당 효과 분석을 통해 측정지점별 차이를 보이지만 최소 40% 이상의 열 손실량 감소를 보였다. Point 2에서도 단열재 설치후의 주변공기 온도의 변화에 따른 열의 이동이 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 실험기간에 겨울이 포함되지 않아 년간 분석이 되지 않고 있으나, 열 손실량 측정데이터를 기반으로 기존 대비 초과 에너지 효율 향상을 달성할 수 있음을 확인했다.
결 론
본 연구는 공장 설비의 에너지 관리 시스템 구축을 위한 첫 단계로 내부 설비 시스템의 모니터링을 통해 공장 설비의 에너지 소비 절감을 목표로 진행되었다. 중장비 부품 제조 공장의 가열로를 대상으로 단열재 설치 전, 후의 온도 및 열류량 변화를 분석했다. 연구 결과, 단열재 설치 후 표면 온도는 최대 31.0℃, 열류량은 최대 70.9% 감소했다. 일 평균 열 손실량은 45.6% 감소하였으며, 특히 제품 출구 부위에서 단열 효과가 컸다. 가열로 전체의 균등한 단열 설치가 필요함을 확인했다. 가열로 단열재 추가 및 효과 분석을 통해 최소 40% 이상의 열 손실량 감소를 확인했으며, 기존 대비 초과 에너지 효율 향상을 달성할 수 있음을 밝혔다. 이러한 기술 개발은 국가 차원에서 탄소 중립에 기여할 수 있다.
본 결과는 공장 설비의 에너지 관리 시스템을 개발 하기위한 초기 단계의 기계 설비 모니터링 및 측정 결과이다. 따라서 이번 결과를 통해 전체의 공장이나 국가 단위의 산업분야로의 확대 해석은 한계를 가지고 있다. 하지만 이러한 기술 개발이 다음 단계로 진행되어 공장설비의 에너지 관리 시스템을 구축할 수 있다면 국가 차원의 탄소중립에 크게 기여할 수 있다.
