수배관 시스템의 이해10(정유량 변유량)

설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해 - 연재10 ? 정유량,변유량 시스템 수배관 시스템   2018. 12. 22. 13:01 https://blog.naver.com/sangolee53/221424798162 번역하기 전용뷰어 보기

설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해

(Understanding of Hydronic System) 연재10 ? 정유량,변유량 시스템        

 

By SOLLEO 이상오

주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사

본론

 

HVAC시스템의 설계시 적용하는 펌프의 운전이나(즉 정속 펌프인가? 변속 펌프인가등), 혹은 냉난방 부하의 시간적 변화에 대한 온도 콘트롤 밸브(TCV)의 적용방법(즉 2방변? 3방변?), 혹은 그 건물의 부하의 성격 즉 하루중의 부하 변화량에 대한 변동폭 등의 다양함, 혹은 설계 시점에서 HVAC시스템을 처음 건물에 알맞게 적용하기 위해서등 의 매우 다양한 이유등으로 인해 ,사전에 그 건물이 사용될 용도에 따른 냉난방 부하의 변화에 대해서 설계자는 반드시 이해하고 설계 하려 합니다. 이는 설계의 능동적인 대응이 있어야지 그 건물에 가장 적절한 시스템을 반영할 수 있으며, 가장 경제적인 운전을 할 수 있는 기초가 되기 때문입니다. 여기서 냉난방 수배관 시스템에서 부하 변화량에 대응하는 방법에는 두가지의 경우가 있는데 그것이 바로 정유량 및 변유량 시스템입니다. 정유량 아니면 변유량이고 다른 방법은 없습니다. 물론 건물 전체안에서 일부분이 혼합 되어 있는 경우는 있습니다.

 

1. 과거 설계는 거의 대부분이 정유량 시스템으로 부하 변화량에 대한 냉온수 유체 이송의 변화가 없었습니다.  즉 냉난방 부하(HEATING & COOLING LOAD)를 시시각각 변화하는 것에 대해서 3방변에 의해 바이패스로 그 부하에 대응하고 있었다는 것입니다.( 심하면 그것조차 없이 그냥 하는 경우도 있습니다. 즉 콘트롤이 없다는 경우 )그것이 뭔 문제 였겠는가 라고 인식하지 않았던 시절의 이야기 입니다. 그럼 요즘은 거의 정유량 시스템을 적용치 않고 있습니다. 일부 빙축열 시스템의 부분적 적용이나 , 반도체 공장의 일부분 시스템, 부하성격이 매우 안정적인 건물 성격을 가진 설계의 경우를 제외하고는 말입니다.

1. 정유량 시스템 : 좀전에 말씀 드린바와 같이 냉온수 유체의 양은 부하변동에 상관하여 3방변에 의한 유량변화는 있지만 결국 시스템 전체의 펌프 입,출구의 유량의 변화는 없다는 것이 정유량 시스템입니다. 즉 펌프의 흡입측의 유량과, 토출측의 유량이 압력차의 변화 없이 일정한 경우라고 볼 수 있습니다. 정유량에서는 3방변을 적용한 BYPASS 로서 온도를 콘트롤 한다는 의도입니다.

2. 변유량 시스템에서는 냉온수 유체의 양만 지속적으로 부하에 따른 변화를 수용하여 움직입니다. 즉 2방변을 적용하여 부하 값을 담당 하고 있습니다. 여기서 중요한 것이 바로 2방변의 정밀 부하 추종성이 중요하다고 생각할 수 있습니다.

    

   보통 정유량일 경우 펌프 흡입측에 돌아오는 유량이 동일하다고 보면 되고, 변유량의 경우는 그 값이 변화된다고 보면 됩니다. 크게 구분의 개념은 그렇고, 실제 부하 기기에서 3방변을 거쳐서 바이패스 유량과 냉난방 기기를 거쳐 열전달 처리되어 나오는 유량의 합한 값이 일정하다는 의도로 정유량으로 이해 하시기 바랍니다.  상기 2개의 시스템을 적용하는데 있어서는  펌프의 운전은 변유량에는 변속 펌프 시스템을 적용하는 것이 가장 궁합,짝이 어울리는 시스템이고 , 정유량에서는 정속 펌프를 사용하는 것이 어울리는 시스템 입니다. 하지만 변유량에서도 변속펌프를 사용치 않고 정속 펌프 댓수 제어 운전하는 경우도 많으며, 일부분은 변유량의 성격에 부합되어 있다고 하겠습니다. 지난번 말씀을 드린 적인 있긴 한데 변속 펌프의 경우는 잘 아시는 것과 같이, 펌프의 회전수 변화에 따른 펌프의 상사법칙에 따른 동력 절감이 매우 탁월하다는 의도 때문에 적용되는 시스템이죠. 여기서 변유량과 변속펌프 시스템은 서로 궁합이 잘 맞다고 말을 할 수 있겠습니다. (변속 시스템은 인버터 콘트롤 이라고, 주파수 변화에 따른 회전수 변화원리를 얘기한 적이 있었습니다)

    

   2. 변유량 대비 정유량 시스템의 차이

1. 변유량에 비해 정유량 시스템은 배관류의 사이징시 동시에 100%로 모두 배관 사이징이 있어야 한다는 것입니다. 즉 변유량은 부하의 최대값은 매우 빈도가 적은 것, 즉 일시적인 값을 감안하며 , 부하성격상 총 건물의 부하 중 동시 필요성 혹은 각 기기의 최대값의 합은 전체 건물의 부하보다 크다는 이론에서 출발하여, 그 관경이 축소할 수 있는 여지가 정유량보다 많다는 것입니다. 의미는 조금 다르지만 “동시 사용율” 개념이라고 이해하면 다소 쉬울 듯 합니다. 즉 배관경이 변유량에서 정유량보다 작게 선정이 될 수 있다는 의미입니다.(DIVERSITY FACTOR(부등율) 적용 정도의 개념이라고 보면 됩니다) 공기 조화 부분에서도 이 값이 건물 종류별로 미국 ASHRAE기준이 제시되어 있기도 합니다. 또한 배관의 가닥수 측면으로 본다면 3방변을 적용한 바이패스 라인의 추가가 있기에 배관이 더 많다고 볼수 있습니다. 변유량은 보통 헷다간의 차압 밸브용 바이패스 라인이 필요합니다. 당연히 배관물량에 초기 투자비를 감안한다면 변유량이 유리할 수 밖에 없지요.

2.  냉온수를 냉동기에서 생산을 하기 위한 에너지 비용이 들어가는 것은 잘 아실 것입니다. 정유량 시스템의 경우 3방변에 의한 혼합손실이 발생할 수 있습니다. 이는 에너지를 부하처리 차원에서만 사용하지 못하고 있다는 것입니다. 즉 바이패스 된 냉수가 아깝다는 것입니다. 하지만 바이패스 안 할 경우 공조기측의 공기출구온도 조정이 부하에 알맞게 되질 못한다는 원인이 됩니다. 이는 에너지 낭비를 말하고 있는 것입니다. 하지만 변유량에서는 최소한 필요한 유량만 흘려 보낸다는 의도에서 혼합손실은 적습니다. 물론 차압 바이패스 밸브에서 압력을 조정(냉동기 최소 유량  확보를 하기위하여 차압으로 바이패스를 유지하는 것입니다)하기 위한 일부 바이패스의 유량에 의한 손실은 있읍니다만 이는 정유량 보다는 매우 작다고 볼 수 있습니다. 전체적인 냉동기 운전 부하율 면에서 본다면 당연히 변유량 시스템에서 냉동기의 부분부하 운전 및 냉동기 댓수제어 운전(펌프처럼 냉동기도 댓수제어함) 이 더욱 가능성이 높으면서, 에너지 절감이 가능하다는 면이 있습니다. 

3. 동력면에서도 검토 해본다면,  정유량의 경우 수배관 시스템의 유체의 내부의 압력변화는 없다고 봅니다.즉 부하가 많든, 적든 간에 냉동기로의 회수되는 유체의 량은 항상 일정하다는 의미입니다. 또 달리 표현하면 냉수 순환 펌프의 흡입측과 출구측의 압력차이가 일정하다는 것입니다. 정유량의 정속펌프 운전이 되고 있는 것이죠. 근데 변유량은 배관내의 압력이 계속 콘트롤 밸브(2방변)의 개도에 따라 유량 변화와 함께 변화가 있습니다. 이 압력 변화에 대응하여 펌프는 댓수 제어나 회전수 제어로 동력을 감소 운전 할 수 있게 됩니다.  이 결과 시스템 전체의 동력비는 절감된다는 것입니다. 즉 동력 절감 면에서도 변유량이 유리 하다고 하겠습니다.

    

   3. 차압 바이패스 밸브와 정유량 밸브에 대하여

      차압 바이패스 밸브의 경우 처음 사용 목적은, 변유량 시스템에서 펌프 토출/흡입측간의 압력차이가 콘트롤 밸브의 작동으로 인해 계속 변화하는 압력차를 막아서 일정한 압력차를 유지하기 위한 의도로 생각 하던 기술적인 시기가 있었습니다. 그러나 사실은 사용중인 냉동기의 최소 유량 확보 목적이 우선입니다, 실제로 설치 위치의 차압이 증가하거나 높아지면, 냉수 환수측으로의 바이패스가 유도 되어야 한다는 것입니다. 배관의 공급과 환수간의 압력차가 변화할 경우, 각각의 냉난방 기기로의 공급압력이 변동되고 이는 처음 의도했던 밸브의 Cv 값 및 유량 및 압력차의 셋팅에 따른 유량확보면에서 불리할 수 있다는 결론이 있습니다만, 이의 해결은 헷더간의 차압 바이패스 밸브가 할 수는 없습니다.

   그러한 이유로 냉난방 각 기기별 부하량이 변하여 실제로 다른 기기에 압력 변동에 따른 유량 공급량의 변화영향을 막을 수 있다는 의지로는 각 개별 배관의 변화하는 차압으로부터 독립적이며, 자유로워야 합니다. 여기서 정유량의 시스템의 경우는 , 이 개념이 1차 안정적으로 압력변화없이 확보된다는 것입니다 즉 확보 하려는 의지가 있다고 볼수 있습니다. 어떻든 이는 다양한 부하측 압력 변화 차이(변유량 시스템에서)에서도 일정한 필요 유량을 제어하겠다는 의지로 진행하는 것이 차압제어 독립형 온도조절 밸브의 개념입니다.(PRESSURE INDEPENDENT CONTROL VALVE:PICV) 그러나 기존 3방밸브 사용의 정유량 시스템과는 좀 다른 차원의 장점이 있기 때문에 변유량을 고집하는 것입니다.

    

   결언

   정유량/변유량 시스템의 판단은 외관상 2방변 혹은 3방변의 적용인가 ? 차압밸브의 적용여부 , 변속 펌프 적용 여부 등으로 일단 도면에서는 판단 가능 합니다만 중요한 것은 시스템에 대한 전체적인 이해 차원에서 한 부분을 점유했으면 합니다. 또한 그 차이점만 이해할 수 있다면,이의 이해로부터 대부분의 수배관 시스템에 대한 판단에 큰 비중을 차지 하리라 생각 됩니다. 또한 왜 차압변을 , 왜 정유량 밸브를 적용하는지의 이해와 수배관의 다양한 시스템에 대한 선별안이 차츰 생긴다고 우선 말씀드리겠습니다..