독립 운전 기능을 갖춘 슬롯사이트 온카판 히트 펌프
(GHP) "엑셀 플러스"

개발자 인터뷰

개발자 인터뷰

지진 이후 급증하는 수요에 대응하여 단 1년 만에 개발되었습니다

독립 운전 기능을 갖춘 슬롯사이트 온카판 히트 펌프
(GHP)
"엑셀 플러스"

동일본 대지진 이후 전력 부족으로 인해 계획된 정전이 시행되었습니다 이때 병원 등 시설에서는 에어컨이나 조명을 사용할 수 없는 어려운 상황에 처하게 됐다 그 결과, 정전 중에도 병원과 사무실 건물의 공조 시스템을 작동해야 할 필요성이 급격히 증가했습니다 이에 정전 시에도 에어컨 가동이 가능하고 조명에도 전기를 보낼 수 있는 자율운전 기능을 갖춘 슬롯사이트 온카판히트펌프(GHP(제품명:엑셀플러스)) 개발에 착수해 지진 발생 1년도 채 되지 않아 상용화했다 엑셀 플러스의 빠른 개발 비결을 알아봤습니다

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에너지 부문

• 

  에너지 기술부 상업적 사용
  공조기술팀 차장
  야마시타 요시후미

정전 중에도 에어컨과 조명이 필요한 고객을 위한
용,
슬롯사이트 온카판로 무엇을 할 수 있는지 생각해 보세요

GHP는 슬롯사이트 온카판 엔진 히트펌프(Gas Engine Heat Pump)의 약자로, 슬롯사이트 온카판 엔진이 압축기를 구동하고 히트펌프가 냉난방을 수행하는 공조 시스템입니다 슬롯사이트 온카판엔진을 사용하기 때문에 전력소모가 적고, 여름철 전력수요 피크시 전력절감에 크게 기여할 수 있다 또한 겨울철 난방 시 슬롯사이트 온카판 엔진의 배기열을 활용할 수 있어 운전 효율이 매우 높습니다 이에 최근에는 열 수요가 적은 사무용 건물, 병원, 노인복지시설, 학교 등에서 구역별로 운영되는 개별 에어컨으로 널리 채택되고 있다
동일본 대지진은 2011년 3월에 발생했습니다 초기 혼란이 가라앉고 전력 부족을 완화하기 위해 연속 정전이 시행되기 시작했을 때 병원과 기타 시설에서 일어난 일에 매우 놀랐습니다 병원에 비상전원을 공급하더라도 수술실 등 매우 중요한 장비에 사용되는 경우가 대부분이었고, 심지어 공조시스템에도 전원이 공급되지 않아 큰 문제가 됐다 당시 전력난이 언제까지 지속될지 불분명해 여름에 순환정전을 실시하고 에어컨을 정지하면 입원환자들이 더위로 큰 고통을 겪을 것이라는 우려가 있었다
한편 지진 이후 연속 정전이 시작된 직후 우리는 슬롯사이트 온카판 시스템으로 어떤 기여를 할 수 있을지 생각하기 시작했습니다 지진 발생 후 한 달도 채 안 된 3월 말, 전력 소모가 매우 적고, 계획된 정전이나 장기 정전 시에도 슬롯사이트 온카판만 공급되면 작동할 수 있는 시스템을 개발하는 것이 효과적이라는 결론에 도달했습니다 GHP 제조사인 파나소닉 주식회사와 협의한 결과, 파나소닉과 슬롯사이트 온카판 3사(도쿄 슬롯사이트 온카판, 토호 슬롯사이트 온카판, 오사카 슬롯사이트 온카판) 간의 공동 프로젝트를 시작하기로 결정했습니다

축적된 노하우를 활용하여 단기간 내에 개발

이 공동 GHP 개발 프로젝트에서 우리는 미래의 전력 부족에 대한 우려와 그에 따른 많은 사람들의 절전 노력 감소에 대한 우려에 최대한 신속하게 대응하기 위해 먼저 1년이라는 매우 짧은 기간에 제품을 개발하기로 결정했습니다 이러한 단기적인 발전이 가능하다고 예상한 근거에는 발전기능을 갖춘 GHP에 대한 오사카슬롯사이트 온카판의 노하우가 존재했기 때문이다 오사카슬롯사이트 온카판는 지난 10년간 슬롯사이트 온카판엔진의 남은 전력을 이용해 발전기를 가동해 전기를 생산하는 GHP 상용화를 위해 노력해 왔다 2003년에는 발전기를 장착해 발전된 전력을 기기 내부의 냉각팬과 냉각수 펌프에 보내는 '하이파워 멀티'를 출시했다 2006년에는 이를 더욱 발전시켜 파나소닉(당시 산요전기)과 공동으로 더욱 대형화된 발전기와 인버터를 탑재해 발전된 전력을 전력망에 공급하는 '하이파워 엑셀'을 상품화했으며, GHP를 많이 사용할수록 외부 실내기 및 조명에 더 많은 전력을 공급할 수 있게 됐다

이 "하이파워 엑셀"을 베이스로 배터리를 추가하고, 이 배터리를 이용해 엔진 시동을 걸고, 정전 시 전력 생산을 시작해 GHP 보조기기 및 실내기에 전원을 공급하는 시스템을 제안했습니다 제품 컨셉은 '평상시 냉방을 하면서 전력을 생산하는 고효율 GHP와 비상시 전력공급을 안정적으로 확보할 수 있는 자립형 GHP'이다

그러나 겉보기에는 배터리만 추가하면 되는 간단한 구성이었지만, 정전 시 안정적인 활성화를 보장하기 위한 회로 구성, 정전 시 발전과 안정적인 전력 전달을 우선시하도록 슬롯사이트 온카판 엔진을 제어하는 방식, 전력회사의 전기 시스템과 연결하는 방식, 배터리 전원 사용 빈도를 줄여 배터리의 장기적인 신뢰성을 확보하기 위한 회로 구성 등 극복해야 할 과제가 많았습니다 이러한 문제를 해결하고 1년 안에 개발을 완료하기 위해 우리는 돌아갈 계획이 없었습니다

다행히도 GHP 개발에 참여하기 전에는 슬롯사이트 온카판 열병합 발전 시스템의 전기 설계를 담당했으며 정전 시 독립적인 시동 시스템을 설계하기도 했습니다 이때의 경험을 살려, 배터리의 회로 구성과 내부 레이아웃을 정리한 개발 제안서 작성은 물론, 정전 시 자동으로 그리드를 전환하는 전기 패널을 제작할 수 있는 제조사를 조사하고 선정하는 등 모든 문제를 안정적으로 해결할 수 있었습니다 또한, 전력망 연결 방법에 대해서도 전력회사와 원활하게 협상하여 첫 시도에 승인을 받았습니다 지금 돌이켜보면 이것이 변장한 축복이었고, 짧은 시간 안에 발전에 기여할 수 있었다고 생각합니다

전원 독립형 GHP <Excel Plus> 시스템
이미지 다이어그램

다양한 평가 테스트 수행
고신뢰성 제조를 목표로 함

"엑셀 플러스"는 계획된 정전이나 장기적인 정전 중에도 독립적으로 작동할 수 있도록 설계된 GHP이므로 결정적인 순간에 작동하지 않으면 큰 어려움을 겪게 됩니다 이러한 이유로 우리는 다양한 설치 환경과 부하 조건에서 안정적인 작동을 보장하기 위해 수많은 평가 테스트를 수행했습니다 온도 조건은 -15℃ ~ 43℃의 매우 넓은 온도 범위에 걸쳐 작동 평가를 수행했습니다 이는 일반 GHP보다 엄격하며 여름철 고온 사용 또는 추운 지역에 설치하는 것을 가정합니다

실내기 시동 테스트

또한 Excel Plus는 에어컨 기능을 수행할 뿐만 아니라 전기를 생성하기도 하기 때문에 발전 부하와 에어컨 부하를 모두 결합한 다양한 작동 조건에서 안정적으로 작동할 수 있는지 확인해야 했습니다 또한, 정전 발생 시 안정적인 발전을 위해 엔진 속도를 평소보다 높게 설정하는 전혀 다른 작동 모드를 사용하고, 이러한 조건에서의 평가 테스트도 진행해야 했다 또한, 정전 발생 시 GHP에서 실내기에 전원을 공급하므로 실내기 모델이나 대수에 관계없이 운전이 가능한 것을 확인하였습니다 이러한 다양한 테스트를 통해 비상시 신뢰성을 높입니다

조명 시작 테스트

또한 배터리에 관해서도 다양한 노력을 기울였습니다 엑셀 플러스 배터리에 요구되는 특성은 장시간 완충하여도 열화를 최소화하고 필요할 때 안정적으로 전기를 전달할 수 있는 것이었기 때문에 신뢰성이 높고 유사한 용도로 사용된 실적이 좋은 납축전지를 선택했습니다 평가에서는 배터리의 노후화와 저온 방전 특성 저하 등을 세심하게 고려하고, -15℃에서도 4년 후에도 만족스럽게 작동할 수 있는 내구성이 뛰어난 배터리를 선정 평가하여 엑셀플러스의 신뢰성을 높였습니다

에너지 절약 및 전력 보안
개선에도 기여할 수 있는 에어컨의 탄생

이제 정전시 "엑셀 플러스"의 동작을 설명하겠습니다 정전이 발생하면 많은 전기 장치와 마찬가지로 Excel Plus도 작동을 멈춥니다 이 정지상태에서 고객이 자율운전 버튼을 누르면 배터리에서 제어보드 등에 전기가 공급되어 엔진이 시동되어 발전이 시작된다 이에 대응하여 전력회사의 전력계통을 GHP 계통의 독립회로로 전환하고, 생성된 전기를 실내 에어컨 유닛과 조명에 공급하기 시작하여 조명이 켜진다 또한, 에어컨 내부의 리모컨 스위치를 켜면 에어컨이 작동하기 시작합니다 이 경우 20마력 상당의 공조부하를 지원하면서 07kW의 전력을 공급할 수 있다 이는 500m2 규모의 방에 에어컨과 조명 17개를 갖춘 것과 같습니다 더욱이 에어컨을 켜지 않아도 에어컨을 켜지 않고도 계속해서 전기를 생산할 수 있어 2kW의 전력을 안정적으로 공급할 수 있다

GHP는 개별 에어컨 시스템이므로 전층 모든 에어컨에 "엑셀 플러스"를 설치할 필요는 없으며, 물론 중요한 부분만 "엑셀 플러스"로 전환 가능합니다 예를 들어 병원이나 간호사실, 학교에서는 체육관에만 엑셀 플러스가 설치되어 있는데 정전이 되네요! 그러한 경우에는 피난 장소에 사람들을 모으는 것이 좋습니다 이로써 동일본 대지진으로 인해 증가한 정전 시 냉난방 및 조명 수요 증가에 대응하기 위해 일본 최초로 GHP를 상용화하는 데 성공했습니다

이러한 노력 덕분에 우리는 2012년 2월 8일 언론 발표를 했고, 2012년 4월 1일부터 주문을 받기 시작하여 목표 날짜를 달성할 수 있었습니다 이는 다른 슬롯사이트 온카판회사들과 파나소닉 주식회사가 '엑셀 플러스'라는 개념에 동의하고 즉각 결정을 내렸고, 무엇보다 파나소닉의 엔지니어들이 빡빡한 일정을 수용할 수 있었기 때문에 가능했다고 강하게 느낀다
EHP(전기 히트펌프)와 달리 GHP는 슬롯사이트 온카판 엔진을 사용하여 압축기를 구동하므로 전력 절감 효과가 높을 뿐만 아니라 발전기 설치 및 엔진 배기열 이용도 가능합니다 우리는 이러한 기능을 계속 활용하여 고객이 좋다고 느낄 수 있는 제품을 개발하고 싶습니다

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