소식

에너지 낭비의 원천은 ‘제상’... 해결 위해 ADS 시스템 개발
영하 60℃에서도 수증기 착상 모니터링 가능
에너지, 탄소, 전기 요금 혁신, 절감률 70% 상회
콜드체인 관리 솔루션 쿨리닉을 운영하는 프리즈는 최근 인공지능으로 제상시점을 파악해 제상 작업을 수행하는 ADS를 공개했다.

프리즈가 공개한 발표자료에 따르면 ADS(A.I. Defrost System)란 저온 저장고 내부 증발기 후면에 장착되어, 상(얼음)의 여부를 모니터링하고, 이를 인공지능으로 판단하여 제상 작업을 수행하는 스마트 시스템이다.  현재 낮은 온도로 제품을 보관하는 저온 저장고는 대한민국에 약 150만 대 정도로 추산된다. 작게는 2~3평형부터 크게는 수천 평대로, 보관 품목에 따라 동결, 냉동, 냉장 등 온도 조건도 다양하다. 식자재부터 화훼류, 약품, 혈액 등 보관 품목도 다양하다.


저온저장고 이미지. 사진=프리즈
저온 저장고 내부에는 증발기(쿨러)가 장착되고 이 증발기는 바람을 순환시키기 위한 팬(FAN)과 열 교환을 위한 코일이 합쳐진 형태이다. 코일에는 차가운 냉매가 흐르고, 팬이 가동되어 공기를 순환 시킨다. 코일에는 공기 마찰을 높여줄 알루미늄판이 6~10미리 간격으로 촘촘하게 자리 잡고, 사이 사이를 공기가 통과하며 내부의 온도가 떨어지는 원리이다.


제상이 필요한 이유는 차가운 금속에 수증기가 달라붙기 때문이다. 겨울철 혀가 차가운 철봉에 달라붙어 떨어지지 않는 상황처럼 수증기는 차가운 금속에 잘 달라붙는다. 금속으로 제작된 증발기의 코일과, 알루미늄판의 온도는 냉동 용도의 저장고의 경우 -30℃ 또는 그 이하에 달한다. 수증기가 언제든 달라붙을 수 있는 환경이다.

습도가 높은 여름의 경우에는 더욱 심하다. 달라붙은 수증기는 낮은 온도로 인해 얼어붙고, 누적되어 상(얼음)이 된다. 상은 누적되어 온도 순환에 장애를 발생시키고 저온 저장고의 온도를 상승 및 냉동기의 문제를 일으킨다. 때문에 제상(상을 제거하는 일) 작업은 필수적인 요소다. 제상 방법은 ▲전열(히터) 제상 ▲살수 제상 ▲핫 가스 제상을 들 수 있다.

전열 제상은 증발기 코일에 봉 형태의 히터가 삽입되어 직접적인 전기 히팅 방식으로 상을 녹여 제거하는 방식이다. 가장 일반적이고 많이 사용한다. 장점으로는 가장 저렴하고, 보편화되어 있어 유지 관리가 쉽다는 것이고, 단점으로는 낭비하는 에너지가 크고, 온도 상승 폭이 커 제품 보관 품질에 영향을 준다.

살수 제상은 물을 뿌려 상을 제거하는 방식으로 중대형 저온저장고에 많이 사용한다. 장점으로는 동력 낭비가 덜하고 단점으로는 물탱크 등을 위한 높은 초기 비용, 수분과 상극인 냉동기 사이클에 유입 위험성과 같은 문제가 있다

핫 가스 제상은 상을 녹이는 가장 효율적인 방식이나, 초기 비용이 높고, 기술력의 난이도로 인해 대중적이지 못하다. 동일 배관에서 고압과 저압을 사용하는 데에 따르는 압력과 온도차의 갭으로 인해 따르는 문제, 또는 제상 시에도 냉동기가 가동해야 하므로 냉동기 가동시간은 늘어나는 단점도 있다

제상이 시작되어야 할 시점은 상이 달라붙어 얼음을 만들고, 증발기의 열 교환의 영향을 주기 시작할 때라고 정의할 수 있다. 제상이 종료되어야 할 시점은, 상이 모두 제거되었을 때이다.


상이 없는 상태에서의 제상 작업 시 증발기 예시 이미지. 사진=프리즈
현재 제상을 수행하는 시점을 판단하는 장치로는 크게 타이머 방식과 센서 방식, 크게 두 가지로 나뉜다.

타이머 방식은 정해진 주기에 의해 정해진 시간 동안 제상을 한다. 제상의 시작 시점과, 종료 시점을 철저하게 시간으로 계산한다. 예를 들어 주기를 240분, 제상 작업시간을 30분으로 두었다면, 4시간마다 30분씩 제상 작업이 진행된다. 물론 30분의 제상 작업은 선택한 제상 방법에 따라 전열(히터) 제상일수도, 살수 제상일 수도 있다.

타이머 제상 방식의 문제는 온도나 습도, 상이 붙어있는 정도 등 모든 것들이 무시된 채 주기적으로 제상이 가동된다는 데에 있다. 만약 상이 없는 상태에서 제상 주기가 도달했고, 제상 방법이 전열(히터) 제상이라면, 저온저장고의 온도는 상승할 수밖에 없다. 상이 경미한 상태에서도 설정된 제상 시간은 변하지 않기 때문에 온도가 상승하는 부분은 마찬가지다.

물론 과열을 막는 과열 방지 온도조절기가 부착되어 있으나, 저온저장고의 온도 상승, 낭비되는 에너지를 막기에는 역부족이다.

△센서 방식은 상의 두께를 적외선으로 판단하는 적외선 센서 방식, 공기의 흐름을 센싱 하는 풍량센서 방식, 압력을 센싱 하여 제상하는 압력 센서 방식 등 다양한 방식이 존재하나, 명확한 솔루션이 되지 못하는 것이 현실이다. 센서의 방식이 이물질이나 노후에 취약하거나, 시작 시점과 종료 시점의 이중 센서가 필요하다거나, 그 외 센싱에 결괏값에 무수히 많은 변수들과 제약이 있을 수 있다. 때문에 이런 센싱 방식에 문제가 생겼을 때 결국 가장 대중적인 타이머 방식으로 회귀되는 경우가 많다.

제상 작업으로 인한 문제점은 제상의 방식과 방법에 따라 다르지만, 공통 문제도 있다. 제상이 필요하지 않은 순간에 제상 작업이 이루어지거나, 제상이 꼭 필요한 순간에 제상 작업이 이루어지지 않는 시스템에서 비롯된다.

필요하지 않은 시기에 이루어지는 제상 작업은 ▲에너지를 낭비하고, 이로 인해 저온저장고의 ▲온도는 상승하며 ▲보관 제품의 품질은 저하된다. 상승된 온도를 정상적인 온도로 복귀시키기 위해 ▲냉동기는 더 많은 시간을 가동하고 이 역시 에너지의 낭비로 귀결된다.

필요한 시기에 이루어지지 않는 제상 작업은 흡입 압력 저하라든지 토출 가스 온도의 상승이라든지 다양한 기술적 문제점을 일으키고 누적되어 ▲냉동기의 고장으로 연결된다. 때문에 엔지니어에게도 사용자에게도 제상 주기와 제상 작업의 시간은 모자랄 바엔 과함이 낫다.


타이머 제상(히터제상) 과 ADS 제상 비교. 사진=프리즈
잦은 제상 작업으로 인한 에너지와 비용의 낭비가, 냉동기의 고장보다 손해의 크기가 작다. 결과적으로 제상을 시작해야 할 최적의 시점에 상을 제거하고, 모두 제거 된 최적의 시점에 제상을 종료하는 것이 최고의 제상 시스템이다. 통상적으로 저온 저장고의 제상은 4시간(240분)의 주기로 20분의 제상 시간을 설정한다. 일 120분의 제상 작업을 수행한다는 뜻이다. 3평의 저온저장고 가정 시 약 3.3kwh의 히터가 하루에 120분(20분×6회) 가동되며 일반 요금으로 계산하면 전기 요금은 월 2만원 수준이다.

국내시장에는 약 150만 대 정도의 저온저장고가 가동되는 것으로 추정된다. 모두 3평의 저온저장고 가정 시 매년 36억 kw의 에너지를 소모하고, 전기 요금은 약 3600억에 달한다 적절한 제상 시점을 찾아 필요한 제상 작업을 수행한다면, 온도 상승폭으로 인해 냉동기의 가동시간은 줄어들고, 제품의 가치는 더욱 높아진다. 연 약 19.8억 kw의 에너지를 절감할 수 있고, 1045톤의 탄소를 절감한다. 8420만 그루의 나무를 심는 효과이며, 전기 요금은 매년 1980억 원을 절감할 수 있다.

쿨리닉의 ADS는 저온저장고 내부의 쿨러를 직접 모니터링한다. 이를 위해 -60도에서도 구동 가능한 카메라를 개발했다. 상이 부착된 정도를 카메라를 통해 직접 모니터링하고, 그 영상 정보와 습도와 온도 등의 데이터를 기반으로 연산하여 퍼센트(%)로 수치화하여 이를 ADS 수치라 명한다.

ADS 수치가 쌓이면 인공지능(A.I.)이 판단하여 제상 작업을 시작하며, 상이 제거되어 수치가 떨어지면 제상을 종료한다.

프리즈는 “ADS는 하드웨어, 인공지능, IOT가 융합한 형태의 솔루션으로, 기존 제상으로 인한 에너지 낭비와 기업들의 냉동기 관리 비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것으로 기대하고 있다”고 밝혔다.

출처 : 시장경제(https://www.meconomynews.com)