Chapter 11

냉동·냉각수·열 관리

팹은 거대한 전기 난로다. 공정 장비, 팬, 펌프, 조명에 들어간 전력은 일을 마친 뒤 거의 전부 열로 바뀌고, 이 열을 꺼내 바깥 공기로 버리지 않으면 클린룸 온도는 몇 시간 안에 수십 도까지 오른다. 그래서 팹 옆에는 냉동기(칠러)와 냉각탑이 줄지어 선 유틸리티동이 있고, 그 설비가 팹 전체 전력의 15~20 %를 다시 쓴다. 이 장은 “열을 어디서 꺼내 어디로 버리는가”를 따라간다. 열 수지에서 냉동톤을 계산하고, 증기압축 사이클의 P-h 선도에서 COP가 어디서 나오는지 보고, 냉수 온도 1 °C가 왜 몇 %의 전력인지, 냉각탑이 왜 팹 물 사용량의 큰 몫을 차지하는지, 겨울의 찬 공기로 칠러를 끄는 프리쿨링과 버리던 열을 다시 쓰는 히트펌프가 얼마나 남기는지를 직접 계산한다.

팹 전력이 어떤 경로로 열이 되어 냉수·공정 냉각수·배기로 나가는지 열 수지를 세우고, MW를 냉동톤(RT)으로 환산할 수 있다.
증기압축 냉동 사이클의 네 과정을 P-h 선도에 그리고, 증발·응축 온도로부터 COP와 카르노 한계를 계산할 수 있다.
냉수 공급 온도와 냉각수 온도가 칠러 COP와 kW/RT를 어떻게 바꾸는지 정량적으로 설명할 수 있다.
냉각탑의 습구 온도·어프로치·레인지를 정의하고, 증발·블로다운·보충수 양을 농축 배수로부터 계산할 수 있다.
공정 냉각수(PCW) 루프의 유량–온도차 관계와 온도 안정도를 좌우하는 요소(열용량, 제어 이득, 지연)를 설명할 수 있다.
N+1 냉동 플랜트의 대수 제어, 프리쿨링 가능 시간, 히트펌프 폐열 회수의 에너지·탄소 효과를 계산할 수 있다.

열 수지: 전력은 결국 열이 된다

에너지 보존 법칙은 냉동 설계의 출발점이다. 팹 안에서 쓰인 전력은 플라스마를 만들고, 웨이퍼를 데우고, 펌프로 진공을 뽑고, 팬으로 공기를 밀어내지만, 그 일은 결국 마찰·저항·흡수를 거쳐 열로 바뀐다. 웨이퍼나 배출된 화학물질에 저장되어 밖으로 나가는 에너지는 무시할 만큼 작다. 그러므로 정상 상태에서 팹 안으로 들어온 전력 ≈ 팹에서 빠져나가야 할 열이다. 여기에 여름철 외기를 클린룸 조건(23 °C, 45 %RH)으로 식히고 말리는 외기 부하가 더해진다.

이 열은 세 갈래로 나간다. 첫째, 장비 내부의 발열체(척, 고주파 전원, 진공 펌프, 레이저 등)에서 나는 열은 공정 냉각수(PCW, Process Cooling Water)가 직접 가져간다. 둘째, 장비 외피·FFU 모터·조명이 클린룸 공기에 내놓은 현열은 순환 공기가 지나가는 건식 냉각 코일(DCC, Dry Cooling Coil)에서 냉수로 넘어간다(3장). 셋째, 일부는 뜨거운 공정 배기와 함께 지붕 위로 빠져나간다(8장). PCW와 DCC로 넘어간 열은 모두 냉수 루프를 거쳐 칠러가 받고, 칠러는 압축기 전력까지 더한 열을 냉각수에 실어 냉각탑으로 보내며, 냉각탑이 그것을 증발과 현열로 대기에 버린다.

그림 11-1. 팹의 열 경로. 장비 내부 발열은 PCW가, 실내 현열은 DCC가, 외기 냉각·제습 부하는 외조기(MAU) 코일이 받아 모두 냉수 루프를 거쳐 칠러로 간다. 칠러는 받은 열 $Q_c$에 압축기 전력 $W$를 더해 냉각탑으로 넘기고, 냉각탑이 대기로 버린다. 일부 열은 공정 배기를 타고 직접 빠져나간다. 수치는 FAB-E의 여름철 대략값이다.

냉동톤: 냉동 업계의 단위

냉동 용량은 관례적으로 냉동톤(RT, Refrigeration Ton)으로 적는다. 1 미국 냉동톤은 0 °C 물 1 쇼트톤(2,000 lb)을 24시간 동안 얼음으로 만드는 데 필요한 열 제거율로, 12,000 Btu/h = 3.517 kW다. 한국·일본에서 예전에 쓰던 일본 냉동톤(1 JRT ≈ 3.86 kW)과 다르므로 자료를 볼 때 어느 쪽인지 확인해야 한다. 이 책은 미국 냉동톤을 쓴다.

$$Q_c = \dot m\,c_p\,\Delta T, \qquad 1\ \text{RT} = 3.517\ \text{kW}, \qquad \text{kW/RT} = \frac{3.517}{\text{COP}}$$

$\dot m$: 냉수 질량 유량(kg/s), $c_p \approx 4.186$ kJ/(kg·K), $\Delta T$: 회수–공급 온도차. 예: 200 MW를 RT로 바꾸면 $200{,}000/3.517 \approx 56{,}900$ RT. 이 열을 $\Delta T = 5$ K로 나르려면 $200{,}000/(4.186\times5) \approx 9{,}560$ kg/s, 즉 시간당 약 34,000 m³의 물이 돌아야 한다. kW/RT는 냉동 1 RT를 만드는 데 드는 전력으로, 업계에서 효율을 말할 때 COP보다 자주 쓴다(작을수록 좋다).

SIMULATOR

팹 열 수지와 냉동 용량

계절 (외기 부하)

내부 전력 (칠러 제외) 배기로 나가는 열 비율 외기(MAU) 냉각 부하 칠러 COP 펌프·냉각탑 팬

냉수 부하 Q_c—

냉동 용량—

칠러 압축기 전력—

플랜트 kW/RT—

팹 총 전력—

냉동 플랜트 비중

냉각탑 방열—

왼쪽 막대는 들어오는 에너지(내부 전력, 외기 부하, 칠러 전력, 보조기기 전력), 가운데는 냉수가 나르는 열, 오른쪽은 대기로 나가는 열이다. 들어간 만큼 나온다. 쓰는 식: $Q_c = P(1-x) + Q_{oa}$, $W = Q_c/\text{COP}$, 보조 전력 $= \text{RT}\times$ kW/RT, 냉각탑 방열 $= Q_c + W +$ 보조 전력. 해볼 것: ① “여름”을 눌러 외기 부하를 키우면 냉동 용량이 FAB-E 설치 용량(60,000 RT)에 얼마나 다가가는지 보자. ② COP를 5.5에서 7로 올리면 팹 총 전력이 몇 MW 줄어드는가? 이것이 칠러 효율에 투자하는 이유다. ③ 배기 비율을 0으로 하면 냉동 부하가 늘어난다. 배기는 그 자체로 열을 버리는 통로이기도 하다(대신 그만큼 외기를 들여와 식혀야 하는 부하가 생긴다).

FAB-E의 냉동 용량은 왜 60,000 RT인가

FAB-E의 평균 전력 200 MW 가운데 칠러·펌프·냉각탑이 약 35 MW를 쓴다고 하면, 나머지 약 165 MW가 내부 발열이다. 약 10 %가 배기로 나가고 여름 외기 부하가 40 MW 안팎 더해지면 냉수 부하는 약 190 MW, 즉 약 54,000 RT다. 여기에 피크 전력(약 250 MW) 시의 발열, 칠러 1~2대 고장(N+1), 증설 여유를 더하면 설치 용량 약 60,000 RT가 나온다. 반대로 겨울에는 외기 부하가 거의 0이고 일부는 프리쿨링으로 처리하므로 칠러 상당수가 쉰다. 냉동 플랜트는 “최대 부하에 맞춰 짓고, 대부분의 시간은 부분 부하로 운전하는” 설비다.

증기압축 냉동 사이클

열은 저절로 뜨거운 곳에서 차가운 곳으로만 흐른다(열역학 제2법칙). 클린룸의 23 °C 열을 여름의 32 °C 바깥으로 버리려면 열을 “언덕 위로” 퍼 올리는 장치가 필요하고, 그 대가로 일을 넣어야 한다. 팹에서 쓰는 거의 모든 칠러는 증기압축 냉동 사이클(vapor-compression refrigeration cycle)로 이 일을 한다. 원리는 간단하다. 액체는 끓을 때 많은 열(증발 잠열)을 흡수하고, 끓는점은 압력으로 정해진다. 그러니 냉매를 낮은 압력에서 끓여 차가운 쪽의 열을 빼앗고, 압축해서 높은 압력에서 응축시켜 뜨거운 쪽에 열을 내놓으면 된다.

그림 11-2. 증기압축 냉동 사이클. ①→② 압축기가 저압 증기를 압축해 고온·고압으로 만든다(일 $W$ 투입). ②→③ 응축기에서 냉각수에 열 $Q_h$를 주고 액체가 된다. ③→④ 팽창 밸브를 지나며 압력이 떨어지고 일부가 순간 증발해 온도가 떨어진다. ④→① 증발기에서 냉수의 열 $Q_c$를 받아 다시 증기가 된다. 에너지 보존으로 $Q_h = Q_c + W$.

성능은 성적 계수(COP, Coefficient of Performance)로 나타낸다. 냉동기의 COP는 빼낸 열을 넣은 일로 나눈 값이다. 열을 낮은 온도 $T_L$에서 받아 높은 온도 $T_H$로 버리는 가역 사이클(카르노 냉동기)의 COP가 이론적 상한이다.

$$\text{COP} = \frac{Q_c}{W} = \frac{h_1 - h_4}{h_2 - h_1}, \qquad \text{COP}_{\text{Carnot}} = \frac{T_L}{T_H - T_L}$$

$h$: 냉매의 비엔탈피(kJ/kg), 아래첨자는 그림 11-2의 상태점. $T_L, T_H$: 증발·응축 온도(절대온도, K). $T_H - T_L$을 온도 리프트(lift)라 부른다. 예: 증발 5 °C(278.15 K), 응축 38 °C이면 리프트 33 K, $\text{COP}_{\text{Carnot}} = 278.15/33 \approx 8.4$. 실제 칠러는 팽창 과정의 비가역성, 압축기 효율, 열교환기 온도차 때문에 이 값의 60~75 % 정도를 낸다.

카르노 식에서 가장 중요한 교훈은 COP가 리프트에 반비례한다는 것이다. 분자 $T_L$은 절대온도라 몇 도 바뀌어도 거의 그대로지만, 분모 리프트는 30 K 남짓이어서 1 K만 줄여도 COP가 약 3 % 오른다. 칠러 효율의 대부분은 압축기 기술보다 “얼마나 차가운 물을 만들고, 얼마나 차가운 물로 식히는가”에서 결정된다.

냉매의 상태를 한눈에 보는 도구가 P-h 선도(pressure–enthalpy diagram)다. 가로축은 비엔탈피, 세로축은 압력(로그)이고, 종 모양의 포화 곡선 안쪽이 액체와 증기가 섞인 2상 영역이다. 증발(④→①)과 응축(②→③)은 수평선, 팽창(③→④)은 엔탈피가 변하지 않는 수직선, 압축(①→②)은 오른쪽 위로 비스듬한 선이 된다. 수평 길이가 곧 열량이므로, 증발선의 길이가 냉동 효과 $q_e$, 압축선의 수평 길이가 압축 일 $w$다.

SIMULATOR

P-h 선도 위의 냉동 사이클 (R-134a 근사)

예시

증발 온도 T_e 응축 온도 T_c 압축기 등엔트로피 효율 과냉각

증발/응축 압력—

압축비—

냉동 효과 q_e—

압축 일 w—

COP (실제)—

COP 카르노—

토출 온도—

1,000 RT당 냉매 유량—

물성은 R-134a의 포화 압력·엔탈피를 간단한 식으로 근사한 교육용 모델이다(포화 압력: 클라우지우스–클라페이롱형 맞춤, 오차 수 % 이내). 등엔트로피 압축 일은 $w_s = q_{e,0}/(f\cdot\text{COP}_{\text{Carnot}})$, $f = 0.90 - 0.004(\text{리프트}-20)$로 근사해 리프트가 클수록 팽창 손실이 커지는 경향을 반영했고, 실제 압축 일은 $w = w_s/\eta_s$다. 해볼 것: ① 증발 온도를 4 °C에서 11 °C로 올리면 COP가 몇 % 오르는가? 냉수를 중온으로 따로 만드는 이유다. ② 응축 온도를 38 °C에서 45 °C로 올려(한여름, 냉각탑 성능 저하) 압축비와 토출 온도를 보자. ③ 과냉각을 0에서 8 K로 올리면 같은 압축 일로 냉동 효과가 늘어난다. 이코노마이저·과냉각기의 원리다.

왜 압축기 하나에 “여러 단”이 있는가

대형 원심 칠러는 임펠러 2~3단 사이에서 중간 압력의 플래시 가스를 빼내 다음 단으로 보내는 이코노마이저(economizer)를 둔다. 팽창을 두 번에 나눠 하면 ③→④ 수직선의 “쓸모없이 증발한 몫”이 줄어 냉동 효과가 커지고, 중간에서 빠진 증기는 낮은 압력부터 다시 압축할 필요가 없어 압축 일이 준다. 리프트가 큰 조건일수록 효과가 크며, 대략 COP를 5~10 % 높인다. 시뮬레이터의 과냉각 슬라이더가 비슷한 효과를 보여 준다.

칠러 COP와 냉수·냉각수 온도

칠러의 증발 온도는 냉수 공급 온도보다 1~3 K 낮고, 응축 온도는 냉각수 출구 온도보다 1~3 K 높다. 열교환기를 지나는 열에는 온도차가 필요하기 때문이다. 그래서 실제 리프트는 “냉각수 온도 − 냉수 온도 + 레인지 + 두 열교환기의 접근 온도차”가 된다. 아래 그림은 여름철 팹 냉동 플랜트의 온도 사다리다.

그림 11-3. 냉동 플랜트의 온도 사다리(여름 설계 조건, 대략값). 외조기의 제습에는 이슬점보다 낮은 7 °C 안팎의 저온 냉수가 필요하지만, 클린룸 현열(DCC)과 PCW는 14 °C 이상의 중온 냉수로도 충분하다. 두 온도를 한 칠러로 만들면 모두 저온 리프트를 치르게 되므로, 대형 팹은 저온·중온 냉수 계통을 나눈다.

이 구조에서 효율을 높이는 길은 세 가지다. (1) 냉수 온도를 올린다. 제습이 필요 없는 부하는 중온 냉수로 돌린다. (2) 냉각수 온도를 내린다. 냉각탑을 크게 해 어프로치를 줄이거나, 바깥 습구 온도가 낮은 계절에 냉각수 설정값을 낮춘다(이를 위해 칠러가 낮은 냉각수 온도를 견뎌야 한다). (3) 열교환기 접근 온도차를 줄인다. 칠러의 증발기·응축기 전열 면적을 키운다. 아래 시뮬레이터에서 $\text{COP} = \eta_{II}\cdot \text{COP}_{\text{Carnot}}$로 각 효과를 비교한다. 여기서 $\eta_{II}$는 카르노 대비 실제 효율(제2법칙 효율)이다.

SIMULATOR

냉수·냉각수 온도와 칠러 COP

조건

냉수 공급 온도 냉각수 입구 온도 열교환기 접근 온도차 (각) 제2법칙 효율 η_II 평균 냉동 부하

리프트—

COP 카르노—

COP (칠러)—

kW/RT—

냉수 +1 °C 효과—

연간 칠러 전력량—

쓰는 식: $T_e = T_{chw} - a$, $T_c = T_{cw,in} + 5 + a$ (냉각수 레인지 5 K), $\text{COP} = \eta_{II}\,T_e/(T_c - T_e)$ (리프트는 최소 5 K로 제한). 연간 전력량은 평균 부하가 1년 내내 같다고 둔 단순 계산이다. 해볼 것: ① “MAU 저온”과 “중온”을 번갈아 눌러 kW/RT 차이를 보자. 같은 30,000 RT라면 연간 몇 GWh 차이인가? ② “겨울 중온”에서 COP가 10을 넘는다. 이 정도면 칠러를 아예 끄고 냉각탑 물로 직접 식히는 프리쿨링(뒤의 절)이 가능한 구간에 가깝다. ③ 접근 온도차를 2 K에서 1 K로 줄이면(열교환기를 키우면) 얼마나 좋아지는가? 그래프의 점선은 현재 냉각수 온도에서의 카르노 한계다.

칠러의 종류

형식	원리 · 용량대 (대략)	COP (전부하, 대략)	팹에서의 쓰임
원심식 (터보)	임펠러로 냉매 증기를 가속·압축. 수백~수천 RT/대	6~7 이상 (수랭식)	주력 냉동기. 대용량, 인버터(VSD)로 부분 부하 효율 개선
스크루식	두 나사 로터로 용적 압축. 수십~1,000여 RT	5~6	중소 용량, 공정 전용 칠러, 높은 리프트
흡수식	LiBr 수용액이 수증기를 흡수, 열로 재생. 압축기 없음	단효용 ~0.7, 이중효용 ~1.2~1.4 (열 기준)	폐열·증기가 남을 때, 전력 피크 저감
공랭식 / 장비 내장 칠러	공기로 응축, 소형	3~4	장비별 정밀 온도 제어(척 냉각기, TCU), 비상용

COP 범위는 제조사 카탈로그와 설계 지침서에 흔히 나오는 대략값이다. 칠러 성능 시험 조건은 AHRI 550/590 표준(냉수 출구 44 °F ≈ 6.7 °C, 냉각수 입구 85 °F ≈ 29.4 °C)이 널리 쓰이고, 부분 부하 효율은 IPLV로 비교한다.

냉매와 지구온난화지수

냉매는 칠러가 수명 동안 조금씩 새어 나가는 물질이기도 하다. 오존층을 파괴하던 CFC·HCFC(R-11, R-123 등)는 몬트리올 의정서로 퇴출되었고, 그 자리를 채운 HFC(R-134a 등)는 오존은 파괴하지 않지만 지구온난화지수(GWP)가 높아 2016년 키갈리 개정서로 단계적 감축 대상이 되었다. 신규 대형 칠러는 GWP가 아주 낮은 HFO 계열이나 혼합 냉매로 옮겨 가고 있다. 누설된 냉매는 16장에서 다루는 Scope 1 배출로 집계된다(16장).

냉매	종류	GWP100 (대략)	비고
R-123	HCFC	~80	저압 원심식, 오존층 파괴로 신규 퇴출
R-134a	HFC	~1,300~1,430	지난 20여 년의 주력, 키갈리 감축 대상
R-513A	HFO/HFC 혼합	~600	R-134a 대체(유사 압력)
R-1234ze(E)	HFO	< 1	약간의 가연성(A2L), 용량이 R-134a보다 작음
R-1233zd(E), R-514A	HFO 계열	~1~2	저압 원심식
R-717 (암모니아)	자연 냉매	0	독성·가연성, 산업용 대형 플랜트

GWP는 IPCC 보고서 판(AR4/AR5/AR6)과 혼합비에 따라 값이 다르다. 규제 문서마다 기준 판이 다르므로 수치는 대략적 범위로 적었다.

냉각탑: 습구 온도로 열을 버린다

칠러가 퍼 올린 열은 결국 대기로 가야 한다. 공기로 직접 식히는 공랭식은 바깥 건구 온도(여름 33~35 °C)보다 낮은 물을 만들 수 없다. 반면 냉각탑(cooling tower)은 물을 공기 중에 흩뿌려 일부를 증발시키고, 증발 잠열(약 2,400 kJ/kg)로 나머지 물을 식힌다. 이론상 물은 공기의 습구 온도(wet-bulb temperature)까지 내려갈 수 있다. 한국 중부의 여름 설계 습구 온도는 약 26~27 °C로 건구 온도보다 7~8 K 낮으므로, 냉각탑을 쓰면 응축 온도를 그만큼 낮출 수 있고 칠러 COP가 크게 오른다. 대형 팹이 예외 없이 수랭식 칠러와 냉각탑을 쓰는 이유다.

그림 11-4. 대향류 유인 통풍식 냉각탑 단면. 뜨거운 냉각수(37 °C)를 충전재 위에 뿌리면 얇은 물막이 되어 흘러내리고, 팬이 아래 루버로 빨아들인 외기가 거꾸로 올라가며 물 일부를 증발시킨다. 수조에 모인 물(32 °C)은 칠러 응축기로 돌아간다. 증발(E)과 비산(D)으로 잃은 물, 그리고 농축을 막기 위해 일부러 버리는 블로다운(B)을 보충수(M)로 채운다.

냉각탑 성능은 세 온도로 말한다. 레인지(range)는 탑에 들어오는 물과 나가는 물의 온도차로, 버리는 열량과 유량이 정한다. 어프로치(approach)는 나가는 물 온도와 외기 습구 온도의 차이로, 탑의 크기(충전재 체적, 공기량)가 정한다. 어프로치를 0으로 만들려면 탑이 무한히 커야 하므로, 실무에서는 3~5 K로 설계한다. 어프로치를 5 K에서 3 K로 줄이려면 탑 크기가 대략 1.5배 이상 커진다.

그림 11-5. 냉각탑의 어프로치와 레인지. 탑 출구 수온 = 습구 온도 + 어프로치. 습구 온도가 높은 한여름 오후에는 같은 탑이라도 냉각수가 따뜻해져 칠러 응축 온도가 오르고 COP가 떨어진다.

증발·블로다운·보충수

냉각탑은 열을 버리는 대가로 물을 버린다. 증발량은 버린 열 가운데 잠열로 나간 몫을 증발 잠열로 나누면 된다. 여름에는 방열의 85~90 %가 증발로, 겨울에는 공기가 차가워 현열 비중이 커져 70 % 안팎이 증발로 나간다. 증발한 물은 순수한 수증기이므로 남은 물의 칼슘·실리카·염분이 점점 진해진다. 이 농도가 보충수의 몇 배인지를 농축 배수(CoC, Cycles of Concentration)라 하며, 스케일이 끼지 않을 한도(보통 3~7배)를 넘지 않도록 일부 물을 계속 빼서 버린다. 이것이 블로다운(blowdown)이다.

$$E \approx \frac{f_{lat}\,Q_{rej}}{h_{fg}}, \qquad B = \frac{E}{\text{CoC} - 1} - D, \qquad M = E + B + D = E\,\frac{\text{CoC}}{\text{CoC}-1}$$

$E$: 증발량(kg/s), $f_{lat}$: 방열 중 잠열 비율(0.7~0.9), $Q_{rej}$: 냉각탑 방열(kW), $h_{fg} \approx 2{,}430$ kJ/kg. $B$: 블로다운, $D$: 비산(순환수량의 0.001~0.005 % 수준, 비산 방지기 성능에 따라), $M$: 보충수. 실무 경험식으로 “레인지 5.5 K마다 순환수량의 약 1 %가 증발”한다. 예: 200 MW, $f_{lat}=0.89$이면 $E \approx 73$ kg/s ≈ 하루 6,300 m³. CoC 5에서 $M \approx 1.25E \approx$ 하루 7,900 m³.

SIMULATOR

냉각탑: 온도와 물 수요

외기

냉각탑 방열 Q_rej 외기 습구 온도 어프로치 레인지 농축 배수 CoC 비산율 (순환수 대비)

순환 수량—

탑 출구 / 입구—

증발 E—

블로다운 B—

보충수 M—

FAB-E 원수 대비—

잠열 비율은 $f_{lat} = 0.65 + 0.009\,T_{wb}$ (0.6~0.92로 제한)로 근사했다. 왼쪽은 온도 사다리, 오른쪽은 하루 물 수요(m³/일)를 FAB-E 원수 사용량(약 40,000 m³/일)과 비교한다. 해볼 것: ① CoC를 2에서 8로 올려 보자. 증발량은 그대로인데 보충수가 크게 준다. 대신 수처리(스케일 억제제, 연수화, 측류 여과)가 어려워진다. ② 겨울 프리셋에서 같은 방열이어도 증발량이 줄어드는 이유는? ③ 어프로치를 4 K에서 2 K로 줄이면 탑 출구 온도가 2 K 내려가 칠러 COP가 약 6 % 오른다(앞 시뮬레이터). 탑을 키우는 투자와 전력 절감을 맞바꾸는 문제다.

냉각탑은 팹 물 수요의 큰 몫이다

FAB-E가 여름에 약 200 MW를 냉각탑으로 버리면 보충수가 하루 약 8,000 m³, 원수(약 40,000 m³/일)의 약 20 %다. 연평균으로는 방열과 증발 비율이 줄어 약 15 % 안팎이 된다. 그래서 물 부족 지역의 팹은 블로다운을 UPW 농축수·재이용수로 보충하거나(9장), 겨울 프리쿨링·히트펌프 폐열 회수로 냉각탑 방열 자체를 줄이는 방안을 함께 검토한다. 블로다운은 수처리 약품을 포함하므로 폐수 처리 계통으로 보낸다.

레지오넬라

냉각탑 수조는 25~45 °C의 물이 고여 있고 비산 물방울이 바람을 타고 퍼지므로, 레지오넬라균이 번식하면 주변으로 퍼질 수 있다. 살균제 관리, 정기 청소, 비산 방지기 점검, 수질 측정이 운영 절차의 기본이다. 각국은 냉각탑 레지오넬라 관리 지침을 두고 있다.

공정 냉각수(PCW) 루프

장비 안의 열원(정전 척, RF 발생기, 터보 펌프, 레이저, 이온 주입기 빔라인 등)은 공기로 식히기엔 발열 밀도가 너무 높아 물로 직접 식힌다. 이 물이 공정 냉각수(PCW)다. PCW는 장비 내부의 좁은 유로와 전기 부품 근처를 지나므로 일반 냉각수와 다르게 관리한다. 부식과 막힘을 막기 위해 탈이온수에 가까운 깨끗한 물을 닫힌 루프로 돌리고, 전도도·pH·용존 산소·입자를 관리하며, 1~5 µm급 필터를 둔다. 공급 온도는 장비 사양에 따라 대개 17~20 °C, 온도 변동은 ±0.5~1 °C 이내, 공급–회수 차압은 수 bar 수준으로 관리한다(장비 공급사 요구 사양에 따라 다르다).

그림 11-6. PCW 루프의 기본 구성. 회수된 물은 버퍼 탱크를 거쳐 N+1 펌프로 가압되고, 판형 열교환기에서 중온 냉수에 열을 넘긴 뒤 필터를 지나 공급 헤더로 간다. 공급 온도 센서(TT)가 냉수 측 제어 밸브를 조절하고, 장비가 밸브를 닫아 유량이 줄면 차압 바이패스가 열려 펌프 압력을 일정하게 유지한다.

PCW 설계의 첫 계산은 유량이다. 장비 한 대의 발열 $Q$를 온도 상승 $\Delta T$로 가져가려면 $\dot m = Q/(c_p\Delta T)$가 필요하다. 예를 들어 30 kW를 내는 식각 장비에서 $\Delta T = 5$ K이면 약 1.4 kg/s(분당 약 86 L)다. $\Delta T$를 키우면 유량과 펌프 동력이 줄지만, 장비 안의 온도 기울기가 커지고 회수 온도가 높아진다. 루프 전체로는 장비 수백 대의 합이므로 PCW 열부하가 수십 MW, 유량이 시간당 수천 m³에 이른다.

두 번째 문제는 온도 안정도다. 장비가 동시에 플라스마를 켜면 열부하가 몇 분 사이에 수십 % 바뀐다. 공급 온도는 루프 물의 열용량이 버티는 동안 천천히 오르고, 제어 밸브가 냉수를 더 넣어야 비로소 돌아온다. 열 수지로 쓰면 다음과 같다.

$$\rho V c_p\,\frac{dT_s}{dt} = Q_{load}(t) - Q_{hx}(t), \qquad \tau_v\frac{dQ_{hx}}{dt} = Q_{cmd} - Q_{hx}, \qquad Q_{cmd} = Q_0 + K_p\,e + \frac{K_p}{T_i}\int e\,dt$$

$V$: 탱크와 배관의 물 체적, $T_s$: 공급 온도, $Q_{hx}$: 열교환기가 실제로 빼는 열, $\tau_v$: 밸브·열교환기·냉수 계통의 응답 지연, $e = T_s - T_{set}$, $K_p$: 비례 이득(MW/K), $T_i$: 적분 시간(s). 흥미롭게도 공급 온도의 변화 속도는 유량과 무관하고 열 불균형 ÷ 열용량으로만 정해진다. 탱크가 크면 천천히 흔들리고, 지연이 길면 제어가 늦게 따라가 진동한다.

SIMULATOR

PCW 공급 온도 제어: 부하 계단 응답

허용 편차

튜닝 예

기준 열부하 Q₀ 부하 계단 (t = 60 s) 설계 ΔT 탱크+배관 체적 비례 이득 K_p 적분 시간 T_i 밸브·HX 지연 τ_v

루프 유량—

회수 온도 (정상)—

열용량 ρVc_p—

최대 편차—

허용 범위 복귀—

위 그래프는 공급 온도 편차(°C), 아래는 장비 열부하(점선)와 열교환기가 빼는 열(실선). 900초를 0.5초 간격으로 적분한다. 제어 출력은 0~3$Q_0$로 제한하고, 포화 중에는 적분을 멈춘다(anti-windup). 해볼 것: ① “적정”에서 체적을 120 m³에서 40 m³로 줄이면 최대 편차가 얼마나 커지는가? 버퍼 탱크가 하는 일이다. ② 지연 τ_v를 30초에서 90초로 늘리면 같은 이득에서 진동이 생긴다. 이때 K_p를 낮춰 안정시키되 편차가 얼마나 커지는지 보자. ③ 부하를 −30 %로 바꾸면(장비 다수 정지) 온도가 아래로 흔들린다. 과냉각도 공정에는 똑같이 나쁘다.

정밀 온도는 장비 가까이에서

노광 장비의 렌즈·웨이퍼 스테이지처럼 ±0.01~0.1 °C가 필요한 곳은 중앙 PCW만으로는 맞출 수 없다. 장비마다 온도 제어 장치(TCU, Temperature Control Unit)나 장비 내장 칠러가 PCW를 열원·열침으로 삼아 2차 루프를 정밀하게 조절한다. 식각 장비의 정전 척처럼 −20 °C 이하나 80 °C 이상이 필요한 경우에도 별도의 칠러·히터 유닛(칠러 앤 히터)을 쓴다. 중앙 PCW의 역할은 이 장치들에 “충분히 안정된 열침”을 대 주는 것이다. 웨이퍼 온도와 오버레이의 관계는 3장(공조)과 LithoBook(lithobook.euiyun.com)을 참고한다.

FAB-E의 PCW

공급 18 °C, 설계 ΔT 약 5 K, 회수 약 23 °C로 가정한다. 장비 발열 가운데 절반 남짓을 PCW가 받는다고 하면 PCW 열부하는 수십 MW이고, 구역별로 여러 루프로 나눈다. 루프 하나(약 20 MW)는 시간당 약 3,400 m³의 물이 돌고, 중온 냉수(약 14 °C)와 판형 열교환기로 열을 주고받는다. 겨울에는 이 중온 냉수 자체를 냉각탑 물로 만드는 프리쿨링이 가능하다.

냉동 플랜트 구성과 N+1

팹의 냉동 플랜트(CUP, Central Utility Plant의 일부)는 칠러 수십 대, 냉각탑 셀 수십 개, 펌프 수백 대가 얽힌 시스템이다. 핵심 설계 원칙은 세 가지다. 첫째, 온도별로 계통을 나눈다(저온·중온 냉수, PCW). 둘째, 한 대가 멈춰도 부하를 감당한다(N+1 이상의 여유). 칠러가 멈춰 PCW 온도가 몇 도만 올라도 수백 대의 장비가 알람으로 멈추기 때문이다. 셋째, 대부분의 시간을 차지하는 부분 부하에서 효율이 좋아야 한다.

그림 11-7. 냉동 플랜트 개략도. 냉각탑 셀이 냉각수 헤더로 모든 칠러의 응축기를 받치고, 저온 뱅크는 외조기 제습용, 중온 뱅크는 DCC·PCW용 냉수를 만든다. 겨울에는 중온 냉수를 냉각탑 물과 판형 열교환기로 직접 만드는 프리쿨링 경로(녹색 테두리)가 칠러를 대신한다. 각 뱅크와 냉각탑은 예비 1대 이상을 둔다.

대수 제어(staging)는 부하에 맞춰 몇 대를 돌릴지 정하는 일이다. 정속 원심 칠러는 정격의 70~100 % 근처에서 효율이 가장 좋고, 40 % 아래로 내려가면 kW/RT가 급격히 나빠진다. 그래서 “가능한 한 적은 대수를 꽉 채워” 돌린다. 반면 인버터(VSD, Variable Speed Drive) 칠러는 임펠러 속도를 줄여 부분 부하에서 오히려 효율이 좋아지므로(특히 냉각수가 차가워 리프트가 작을 때), 여러 대를 나눠 가볍게 돌리는 편이 낫다. 하지만 칠러마다 붙은 펌프와 냉각탑 팬도 함께 돌아야 하므로, 대수를 늘리면 보조 동력이 늘어난다. 최적점은 둘 사이의 균형이다.

$$P_{ch} = n\,U\,(\text{kW/RT})_{full}\,\text{EIR}(p), \qquad p = \frac{L}{n\,U}, \qquad \text{N+1 조건: } (n_{inst}-1)\,U \ge L_{peak}$$

$n$: 운전 대수, $U$: 한 대 용량(RT), $L$: 부하(RT), $p$: 부분 부하율, $\text{EIR}(p)$: 정격 대비 전력 비율(부분 부하 곡선). 정속형 $\text{EIR} = 0.17 + 0.42p + 0.41p^2$, 인버터형 $\text{EIR} = 0.05 + 0.40p + 0.55p^2$로 둔다(건물 에너지 시뮬레이션에서 쓰는 이차식 형태를 본뜬 교육용 계수).

SIMULATOR

칠러 대수 제어와 N+1

칠러 형식

운전 전략

냉동 부하 칠러 1대 용량 설치 대수 정격 kW/RT (칠러) 대당 펌프 동력

운전 / 설치—

부분 부하율—

칠러 kW/RT—

플랜트 kW/RT—

플랜트 전력—

1대 고장 시 여유—

플랜트 전력 = 칠러 전력 + 운전 대수 × 1대 용량 × 대당 펌프 동력(1·2차 냉수 펌프와 냉각수 펌프를 칠러별로 묶은 값) + 부하 × 0.04 kW/RT(냉각탑 팬). “전력 최소” 전략은 예비 1대를 남기는 범위에서 플랜트 전력이 가장 작은 대수를 찾는다. 해볼 것: ① 정속형에서 “최소 대수”와 “전력 최소”가 거의 같다는 것을 확인하자. 정속형은 꽉 채워 돌리는 게 답이다. ② 인버터형으로 바꾸면 전력 최소 대수가 크게 늘고 kW/RT가 내려간다. 펌프 동력을 0.2로 키우면 그 이점이 얼마나 줄어드는가? ③ 부하를 57,500 RT로 올려 1대 고장 시 여유가 음수가 되는 순간을 찾자. 이것이 설치 용량을 피크보다 크게 잡는 이유다.

대수 제어 전략의 실제

실제 플랜트는 칠러별 성능 곡선, 냉각수 온도 재설정, 1·2차 펌프의 가변 유량, 냉각탑 팬 속도를 함께 최적화한다. 냉각탑 팬을 더 돌려 냉각수를 1 K 낮추면 칠러 전력은 약 2~3 % 줄지만 팬 전력은 늘어난다. 이런 상호작용 때문에 플랜트 전체의 kW/RT를 실시간으로 계산하는 최적화 제어가 쓰이며, 15장(유틸리티 운영과 신뢰성)의 디지털 트윈이 바로 이 문제를 다룬다. 이중화의 신뢰도 계산(N+1, 2N과 가용도)도 15장에서 자세히 본다.

프리쿨링: 겨울에는 칠러를 끈다

중온 냉수의 공급 온도가 14 °C라면, 바깥 습구 온도가 8 °C 아래로 내려가는 날에는 냉각탑만으로 10 °C 안팎의 물을 만들 수 있다. 이 물로 판형 열교환기를 거쳐 냉수를 직접 식히면 칠러 압축기를 돌릴 필요가 없다. 이것이 프리쿨링(free cooling, 수측 이코노마이저)이다. 이름과 달리 공짜는 아니다(냉각탑 팬과 펌프는 돈다). 하지만 압축기 전력이 사라지므로 해당 시간의 냉동 에너지가 70~80 % 이상 줄어든다.

프리쿨링에는 세 모드가 있다. 완전 프리쿨링: 열교환기 출구 온도가 냉수 공급 설정값보다 낮아 칠러 없이 충분하다. 부분 프리쿨링: 냉각탑 물이 냉수 회수 온도보다는 차가워 회수수를 먼저 일부 식혀(예냉) 칠러 부하를 줄인다. 칠러 전용: 바깥이 너무 따뜻하다. 판정 기준은 다음과 같다.

$$T_{fc} = T_{wb} + a_{ct} + a_{hx}, \qquad \text{프리쿨링 분담률 } = \text{clamp}\!\left(\frac{T_{ret} - T_{fc}}{T_{ret} - T_{sup}},\ 0,\ 1\right)$$

$T_{fc}$: 프리쿨링으로 만들 수 있는 냉수 온도, $a_{ct}$: 냉각탑 어프로치, $a_{hx}$: 판형 열교환기 접근 온도차, $T_{sup}, T_{ret}$: 냉수 공급·회수 온도. 분담률이 1이면 완전 프리쿨링, 0과 1 사이면 부분 프리쿨링. 냉수 공급 온도를 1 °C 올리면 프리쿨링 가능 시간이 수백 시간 늘어난다. 냉수 온도를 올리는 것이 칠러 COP와 프리쿨링 둘 다에 이롭다.

SIMULATOR

프리쿨링 연간 시간 분포와 연간 냉동 에너지

기후 (합성)

중온 냉수 공급 온도 냉수 ΔT 냉각탑 어프로치 판형 HX 접근 온도차 중온 냉수 부하 부분 프리쿨링(예냉) 허용

완전 프리쿨링—

부분 프리쿨링—

칠러 전용—

칠러 전력량 (프리쿨링 없음)—

칠러 전력량 (프리쿨링)—

절감—

기후는 실제 기상 자료가 아니라 연평균·계절 진폭·일교차·날씨 변동(자기회귀 잡음)으로 만든 합성 습구 온도 8,760시간이다(온대 몬순 ≈ 한국 중부, 아열대 해양 ≈ 대만 북부, 건조 사막 ≈ 미국 남서부 내륙, 한랭 ≈ 북유럽의 대략적 경향을 흉내 냄). 위 띠는 하루(세로 24시간) × 1년(가로 365일)의 운전 모드, 아래는 습구 온도 1 °C 구간별 시간 수다. 칠러 COP는 시간마다 $\eta_{II}=0.62$, 증발 $T_{sup}-2.5$, 응축 $\max(T_{wb}+a_{ct}, 15)+6.5$ °C로 계산한다(냉각수 최저 15 °C). 펌프·냉각탑 팬 전력은 두 경우 모두 돈다고 보아 제외했다. 해볼 것: ① 공급 온도를 14 °C에서 18 °C로 올리면 완전 프리쿨링 시간이 몇 시간 늘어나는가? ② 아열대 기후에서는 프리쿨링이 거의 없다. 같은 팹을 어디에 짓느냐가 에너지에 주는 영향을 보자. ③ 부분 프리쿨링을 끄면 절감이 얼마나 줄어드는가?

공기 쪽 이코노마이저와의 차이

데이터센터는 바깥 공기를 직접 들여와 서버를 식히는 공기측 이코노마이저를 많이 쓴다. 팹은 그럴 수 없다. 클린룸 공기는 입자·AMC·습도가 엄격히 관리되므로 외기는 반드시 외조기(MAU)에서 걸러지고 조화된 만큼만 들어온다(3장, 4장). 그래서 팹의 프리쿨링은 물 쪽(냉각탑 → 판형 열교환기 → 냉수)으로만 한다. 다만 겨울에 외기를 데우는 MAU 예열 부하는 다음 절의 폐열 회수와 맞물린다.

폐열 회수: 버리던 열로 데운다

팹은 냉방과 난방이 동시에 필요한 이상한 건물이다. 장비는 1년 내내 열을 내지만, 외조기는 겨울에 영하의 외기를 20 °C 가까이 예열해야 하고, 여름에는 제습을 위해 이슬점 아래로 차갑게 식힌 공기를 다시 재열해야 한다(3장의 습공기선도). 기존 방식은 냉각탑으로 수백 MW를 버리면서, 한편으로는 LNG 보일러로 온수나 증기를 만들어 데웠다. 같은 건물에서 열을 버리고 다시 사는 셈이다.

히트펌프(heat pump)는 칠러와 같은 증기압축 사이클을 “뜨거운 쪽”을 쓰기 위해 돌린다. 30 °C 남짓한 냉각수나 PCW 회수수에서 열을 받아 45 °C 안팎의 온수를 만들면, 리프트가 작아 난방 COP가 5~7에 이른다. 1 kWh의 전기로 5 kWh 이상의 열을 내는 것이다. 보일러가 연료 1 kWh로 0.9 kWh의 열을 내는 것과 비교하면 에너지와 탄소 모두 크게 준다. 덤으로 냉각수에서 빼낸 열만큼 냉각탑 방열과 증발 손실도 준다.

그림 11-8. 폐열 회수의 원리. (a) 기존 방식은 칠러가 퍼 올린 열을 냉각탑으로 버리고, 외조기 예열·재열용 온수는 보일러로 따로 만든다. (b) 히트펌프는 냉각수의 열을 받아 온수 온도로 끌어올리므로, 연료 대신 적은 전력으로 같은 열을 내고 냉각탑이 버릴 열도 줄인다. 히트펌프용 온수는 45 °C 안팎으로 기존(60~80 °C)보다 낮으므로 코일 면적을 키우는 설계 변경이 함께 필요하다.

$$\text{COP}_h = \eta_{II}\,\frac{T_{cond}}{T_{cond} - T_{evap}}, \qquad W = \frac{Q_h}{\text{COP}_h}, \qquad Q_{\text{회수}} = Q_h - W$$

$T_{cond} \approx T_{hot} + 3$ K, $T_{evap} \approx T_{source} - 3$ K(절대온도). 보일러의 연료 사용량은 $Q_h/\eta_b$, 탄소는 연료량 × 0.202 kgCO₂/kWh(천연가스, 저위발열량 기준 대략값), 히트펌프의 탄소는 전력량 × 전력 배출계수(16장). 두 탄소가 같아지는 손익분기 배출계수는 $0.202\,\text{COP}_h/\eta_b$다.

SIMULATOR

히트펌프 폐열 회수 vs LNG 보일러

평균 난방(예열·재열) 수요 연간 운전 시간 온수 공급 온도 열원 온도 (냉각수) 히트펌프 η_II 보일러 효율 전력 배출계수

COP_h—

연간 열 수요—

보일러 연료—

히트펌프 전력—

CO₂ 보일러 / HP—

CO₂ 절감—

냉각탑 증발 절감—

손익분기 배출계수—

그래프 가로축은 전력 배출계수(kgCO₂/kWh)다. 보일러의 배출은 전력과 무관한 수평선, 히트펌프의 배출은 배출계수에 비례하는 직선이며, 점이 현재 설정이다. 냉각탑 증발 절감은 회수한 열의 85 %가 원래 증발로 버려졌을 것으로 보고 $h_{fg} = 2{,}430$ kJ/kg로 환산했다. 배출계수 0.45는 한국 전력망의 2020년대 대략값이며(16장에서 국가별 값과 연도를 다룬다), 천연가스 0.202 kgCO₂/kWh도 대략값이다. 해볼 것: ① 온수 온도를 45 °C에서 70 °C로 올리면(기존 보일러용 코일을 그대로 쓰는 경우) COP_h가 얼마나 떨어지는가? ② 배출계수를 끝까지 올려도 히트펌프가 유리한가? 손익분기 값을 보자. ③ 열원을 PCW 회수수(23 °C)로 바꾸면(열원 23 °C) 어떻게 되는가?

FAB-E의 폐열 회수 가정

FAB-E는 연평균 약 30 MW의 MAU 예열·재열 수요가 있다고 가정한다(겨울 예열이 크고, 여름에는 재열). 이를 모두 보일러로 만들면 연간 약 200 GWh의 LNG를 태워 약 4만 tCO₂를 낸다. 히트펌프로 바꾸면 전력이 약 30 GWh 늘지만 탄소는 수만 톤 줄고, 냉각탑 보충수도 연간 수십만 m³ 준다. 실제 적용은 온수 온도를 낮추는 코일 설계, 히트펌프 고장 시 백업 보일러, 계절별 열 수요와 냉각수 온도의 시간 불일치(축열조) 같은 문제를 함께 풀어야 한다.

연간 냉동 에너지와 개선의 우선순위

지금까지의 계산을 모으면 냉동 플랜트의 연간 에너지를 대략 추정할 수 있다. FAB-E의 연평균 냉동 부하를 약 45,000 RT(약 160 MW), 플랜트 평균 kW/RT를 약 0.75로 두면 플랜트 전력은 평균 약 34 MW, 연간 약 0.3 TWh로 팹 전력(약 1.8 TWh)의 15~20 %다. 아래 그림은 kW/RT가 어디서 생기는지를 나눈 것이다. 압축기가 대부분이지만 펌프와 팬이 4분의 1 가까이 된다.

그림 11-9. 냉동 플랜트의 kW/RT 구성(대략값). 기존 설계(저온 냉수 단일 계통, 정속 칠러·펌프)와 개선 설계(저온·중온 분리, 인버터 칠러, 큰 냉각탑으로 낮은 냉각수 온도, 가변 유량 펌프)를 비교했다. 연평균 0.2 kW/RT 차이는 FAB-E 규모(평균 약 45,000 RT)에서 약 9 MW, 연간 약 80 GWh다.

무엇부터 손대는가

수단	원리	효과 (대략)	제약
냉수 온도 상향 · 온도별 분리	리프트 축소	냉수 1 °C당 칠러 전력 약 2~4 %↓, 프리쿨링 시간↑	코일 면적 증가, 제습 부하는 저온 필요
냉각수 온도 하향	리프트 축소	1 °C당 약 2~3 %↓	냉각탑 팬 전력↑, 칠러 최저 냉각수 온도
인버터 칠러 · 최적 대수 제어	부분 부하 효율	연간 10~20 %↓ (부하 변동이 클수록)	투자비, 제어 복잡도
가변 유량 펌프 · 큰 ΔT	펌프 법칙 $P \propto Q^3$	펌프 전력 수십 %↓	최소 유량, 장비 쪽 ΔT 허용치
프리쿨링	압축기 정지	온대 기후에서 중온 계통 연간 30~60 %↓	기후 의존, 동결 방지
히트펌프 폐열 회수	버리던 열 재사용	보일러 연료 대부분 대체, 냉각탑 물↓	온수 온도, 수요–공급 시간 불일치
장비 쪽 발열 저감	부하 자체 감소	절감 1 kW당 냉동 전력 약 0.2 kW 추가 절감	장비 공급사 협력 필요

마지막 줄이 중요하다. 냉동 부하는 팹 전력의 결과이므로, 장비 대기 전력이나 FFU 전력을 1 kW 줄이면 그 열을 빼는 데 쓰던 약 0.2 kW(= 1/COP + 보조)도 함께 준다. 에너지 효율은 결국 “열을 덜 만드는 것”과 “만든 열을 덜 비싸게 버리는 것” 두 갈래다. 탄소와 물까지 포함한 팹 전체의 감축 우선순위는 16장(에너지·탄소·물)에서 한계 감축 비용 곡선으로 비교한다.

효율보다 먼저 신뢰성

냉동 플랜트의 최우선 목표는 효율이 아니라 멈추지 않는 것이다. 칠러 한 대가 트립되는 순간 남은 칠러가 부하를 넘겨받지 못하면 PCW 온도가 수 분 안에 오르고, 수백 대 장비가 연쇄 정지한다. 그래서 효율 개선안은 언제나 “고장 시에도 N+1이 유지되는가”, “정전 후 재기동 시간(원심 칠러는 수 분)이 버퍼 탱크와 축냉으로 버텨지는가”를 함께 검토한다. 순간 정전과 UPS는 10장(전력), 이중화 계산은 15장(운영과 신뢰성)을 본다.

핵심 정리

팹에 들어간 전력은 거의 전부 열이 된다. 이 열은 PCW(장비 내부), DCC(실내 현열), 배기로 나가며, 외기 부하와 함께 냉수 루프를 거쳐 칠러로 간다. 1 RT = 3.517 kW이므로 FAB-E의 200 MW는 약 57,000 RT에 해당한다.
증기압축 사이클은 저압에서 냉매를 증발시켜 열을 받고, 압축해 고압에서 응축시켜 열을 버린다. $Q_h = Q_c + W$이며, COP는 카르노 한계 $T_L/(T_H-T_L)$의 60~75 % 수준이다.
COP는 온도 리프트에 반비례한다. 냉수 온도를 1 °C 올리거나 냉각수 온도를 1 °C 내리면 칠러 전력이 약 2~4 % 준다. 그래서 대형 팹은 저온(제습용)과 중온(DCC·PCW용) 냉수 계통을 나눈다.
냉각탑은 물을 증발시켜 습구 온도 근처까지 냉각수를 식힌다. 출구 수온 = 습구 온도 + 어프로치, 레인지는 열량과 유량이 정한다. 보충수 $M = E\cdot\text{CoC}/(\text{CoC}-1)$이며, FAB-E 여름에는 원수의 약 20 %에 해당한다.
PCW 공급 온도의 변화 속도는 열 불균형 ÷ 루프 열용량이다. 버퍼 탱크(열용량), 제어 이득, 밸브·열교환기 지연이 온도 안정도를 결정하고, 정밀 온도는 장비별 TCU가 맡는다.
냉동 플랜트는 N+1 이상으로 설계하고 대부분의 시간을 부분 부하로 돈다. 정속 칠러는 적은 대수를 꽉 채워, 인버터 칠러는 여러 대를 가볍게 돌리는 편이 효율적이며, 펌프·팬 동력과의 균형이 최적점을 정한다.
습구 온도가 충분히 낮으면 냉각탑 물로 냉수를 직접 만드는 프리쿨링으로 칠러를 끌 수 있다. 가능 시간은 기후와 냉수 공급 온도에 크게 좌우된다.
히트펌프는 냉각수의 폐열을 45 °C 안팎의 온수로 끌어올려 외조기 예열·재열에 쓴다. COP_h 5~7이면 웬만한 전력 배출계수에서도 보일러보다 탄소가 적고, 냉각탑 물도 줄인다.

확인 퀴즈

1. 팹 내부 발열이 140 MW이고 그중 10 %가 배기로 나가며, 외기 부하가 14 MW다. 칠러가 처리해야 할 냉동 용량은 약 몇 RT인가?

$Q_c = 140\times0.9 + 14 = 140$ MW. $140{,}000/3.517 \approx 39{,}800$ RT. 배기를 빼지 않으면 $154/3.517\times1000 \approx 43{,}800$ RT, 외기 부하를 빼먹으면 약 35,800 RT가 나온다. MW를 그대로 RT로 착각하면 안 된다.

2. 증발 온도 5 °C, 응축 온도 38 °C인 냉동기의 카르노 COP와, 제2법칙 효율 0.65일 때의 실제 COP로 가장 가까운 것은?

$T_L = 278.15$ K, 리프트 33 K이므로 $\text{COP}_{\text{Carnot}} = 278.15/33 \approx 8.4$. 실제 COP는 $0.65\times8.4 \approx 5.5$. 섭씨 온도를 그대로 넣으면 $5/33 \approx 0.15$ 같은 엉뚱한 값이 나온다. 카르노 식에는 반드시 절대온도를 쓴다.

3. 칠러의 냉수 공급 온도를 7 °C에서 12 °C로 올릴 수 있다면 기대할 수 있는 효과로 옳지 않은 것은?

제습은 공기를 이슬점 아래로 식혀 수분을 응축시키는 과정이므로 냉수가 차가워야 한다. 냉수 온도를 올리면 제습 능력은 오히려 떨어진다. 그래서 제습용 저온 냉수와 현열용 중온 냉수를 분리한다.

4. 습구 온도 25 °C, 어프로치 4 K, 레인지 6 K인 냉각탑에서 칠러로 돌아가는 냉각수와 칠러에서 오는 냉각수 온도는?

탑 출구(칠러로 가는 물) = 습구 + 어프로치 = 29 °C, 탑 입구(칠러에서 오는 물) = 출구 + 레인지 = 35 °C. 습구 온도는 물이 도달할 수 있는 이론적 하한이며, 어프로치는 탑이 그 하한에 얼마나 가까이 가는지를 나타낸다.

5. 냉각탑의 증발량이 하루 6,000 m³이고 농축 배수(CoC)가 4라면, 비산을 무시할 때 보충수는?

블로다운 $B = E/(\text{CoC}-1) = 6000/3 = 2{,}000$ m³/일, 보충수 $M = E + B = 8{,}000$ m³/일. 같은 식으로 $M = E\cdot\text{CoC}/(\text{CoC}-1) = 6000\times4/3$. CoC를 높이면 보충수가 $E$에 가까워지지만 수처리가 어려워진다.

6. PCW 루프(물 체적 100 m³)에서 장비 부하가 갑자기 4 MW 늘었는데 열교환기 출력이 아직 그대로다. 공급 온도는 처음에 대략 어떤 속도로 오르는가?

$dT/dt = \Delta Q/(\rho V c_p) = 4\times10^6 / (10^5\ \text{kg}\times4186) \approx 0.0096$ K/s. 열 불균형이 열용량을 데우는 속도이므로 유량과 무관하다. 1분이면 약 0.6 K, ±0.5 °C 사양을 넘는다. 그래서 제어 지연이 짧아야 하고 버퍼 체적이 중요하다.

7. COP_h = 5인 히트펌프가 효율 0.9의 LNG 보일러(0.202 kgCO₂/kWh 연료)를 대체한다. 히트펌프가 탄소 면에서 불리해지는 전력 배출계수는?

열 1 kWh당 보일러 배출은 $0.202/0.9 \approx 0.224$ kg, 히트펌프 배출은 $\text{EF}/5$. 같아지는 점은 $\text{EF} = 0.224\times5 \approx 1.12$ kgCO₂/kWh로, 석탄 발전 비중이 매우 높은 계통보다도 높다. 대부분의 국가 전력망에서 히트펌프가 유리하다.

8. 인버터(VSD) 칠러 플랜트에서 부하가 정격 합계의 50 %일 때, 운전 대수를 늘려 각 칠러를 가볍게 돌리는 전략의 한계를 만드는 주된 요인은?

인버터 칠러는 부분 부하에서 kW/RT가 좋아지지만, 운전 대수를 늘리면 칠러별 정속 펌프와 팬이 함께 돌아 보조 동력이 커진다. 최적 대수는 두 효과의 균형점이며, 가변 유량 펌프를 쓰면 최적점이 더 많은 대수 쪽으로 이동한다.