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설비 초보자를 위한
수배관 시스템의 이해 - 연재13 ? 변속 펌프와 차압 센싱
 수배관
시스템 2018. 12. 22. 13:10 |
설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) 연재13 ? 변속 펌프와 차압 센싱
By SOLLEO 이상오
주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
서언
냉난방 수배관 시스템 분야의 에너지 절약의 노력들이 최근에 매우 다양하게 실무 프로젝트에 구현되고 있습니다. 그 중의 한 예가 바로 변유량 시스템에서 사용된 변속펌프 (VARIABLE SPEED PUMP CONTROL SYSTEM)시스템 입니다. 이는 변속펌프 시스템을 적용함으로서 냉난방 시스템의 운전중에 발생되는 매우 다양한 부하의 변화(부하 크기의 변화)에 대응한 공급 펌프 유량과 양정을 조절 공급함으로서, 펌프로서의 사용 에너지 비용을 최적화(감소) 하겠다는 의지 입니다. 그 과정에서 매우 간과하기 쉬운 변유량 시스템 배관내의 차압의 변화(부하의 변화에 대응한 배관내의 압력, 공급 배관과 환수 배관 간의 차압의 변화)에 대한 정확한 추종 능력은,바로 제대로 된 변속펌프 운용의 기본이라 할 수 있습니다 만, 일반적으로 그 역사를 알 수 없는(경기도 00신도시의 경우,해당 전 도시의 신축 아파트의 난방 순환 펌프가 모두 인버터이나, 모두 변속에 의한 자동 에너지 최적화 운전이 안됨) 단순 펌프 전후단의 차압 센싱(펌프 양정 수준의 차압 설정)에 익숙한 우리 엔지니어들에겐 이러한 차압 센싱이 결과적으로 아무런 에너지 절감에 도움이 되지 않았음을 몰랐고, 또 그렇게 센싱된 차압시스템의 경우, 투자비 대비 에너지 회수 검토시, 사실 그 결과 확인이 불가능 한 것에 따른 실패 사례를 많이 만나게 되었습니다. 그래서 이와 연관하여 각 터미널 유닛(공조기,팬코일 유닛등)의 밸런싱 시스템을 구축하는 것은 어떤 상관이 있으며, 이로 인한 최적의 시스템화로 갈수 있는 가능한 방향을 제시하고자 합니다. 변속 펌프시스템의 매우 깊이 있는 검토와 이에 관한 상세한 지식의 판단은, 결국은 바로 현장에서의 에너지 직접적인 절감 효과 증명이며, 효과적인 시스템 운전을 보증해야 하는 것임을 잊지 말아야 합니다.
본론
2방 비례 밸브(2way modulating control valve)의 변유량 시스템에서 ,변속펌프(vsd)를 사용한 냉난방 수배관 시스템의 2차 분배시스템(터미널 유닛측의 분배, 즉 공조기, 팬코일 유닛등에 보내는 유량의 변화 시스템)은 종종 시스템의 특정 구역(보통 펌프 전후단의 사이)을 통한 셋팅된 압력 설정값을 가지고 변속 펌프를 운전 하여 왔습니다(예로 차압 20m 유지 등). 2개의 압력센스는(공급과 환수측) 종종 차압이 유지되어야 할 구역을 가로지르는 공급, 환수 배관사이에 설치되 곤 합니다. 차압센스의 위치는 매우 중요합니다. 차압 센스는 시스템의 시작점과 시스템의 끝을 가로 질러서도 설치되기도 하고, 시스템의 중간 혹은 복잡한 시스템의 내부 어딘가 혹은 다수의 차압 센싱의 셋팅등 다양한 위치와 선택으로 구축이 되기도 합니다. 경우에 따라서 프로그램을 활용하기도 합니다.
참고 계통.
시스템의 시작점을 통과한 차압의 유지(1)
만약에 펌프의 변속 운전을 위한 차압 압력 센스가 시스템의 시작점, 즉 펌프 전후단에 설치되었다면, 차압 셋팅 포인트는 최대부하조건에서의 총 시스템 요구 양정으로 됩니다.
예를 들면 주배관의 14M, 지관의 6M 의 배관 마찰 손실을 극복하는 최대 유량 조건하에서 충분한 압력을 보증할 수 있는 펌프 센싱 차압을 20M 로 결정 하였다면, 이는 회로에서 요구되는 최대 유량을 공급하는데 충분한 압력이 된다고 가정 하겠습니다.
펌프에 가장 가까운 회로(죤, 구역,예로 건물이 A,B 동이 있을 경우, B 동은 완전OFF 될 경우에)만이 유량이 공급되는 조건(다른 회로,죤, 구역,예의 B 구역의 OFF,즉 무 부하 상태) 하에서,비록 배관 손실이 주관과 지관에서 무시할 정도의 값으로 떨어지고(왜냐하면 배관에 물이 A.B 동 전체에 필요한 경우가 아니므로, 전체적으로 유량,유수의 양이 줄어, 물이 흐르지 않으면 마찰손실도 안 생기니, 이 말이 의미하는 것은 펌프의 양정이 사용될 곳이 없다는 이야기가 됩니다) 펌프 속도는 자동적으로 변속 인버터에 의해 줄어야 될 것입니다. 하지만 기 차압 센스의 시작점은 여전히 배관의 넘치는 양정을 인지 못하는 위치에서 센싱하고 있습니다. 즉 펌프 가장 근처 가까이의 압력은 여전히 20M 가 될 것 입니다.
펌프 속도를 줄일 목적의 차압 센싱값이, 현재 펌프 최대 운전 상태인 20M기준으로 설정된 경우와 동일하다는 의미 입니다.
사용측 펌프 도달 압력에 따라서, 온도제어 컨트롤 밸브(TCV)의 오소리티(AUTHORITY, 영향도,제어능력의 의미, 0.25이상을 권장)가 변화 될 것 이고, 여전히 최대 설계 유량의 펌프 능력이 공급 되어 지게 될 것입니다.여기서 오소리티는 콘트롤 밸브의 특성을 말하는 것으로 , 밸브가 압력의 영향을 많이 받았을 때에, 개도율 변화등에 연관되어 변화하는 특성을 나타낸 값인데, 이 압력 변화에 이 오소리티값이 25%이하(권장 최소값)로 감소되면, 밸브는 본연의 기능에 매우 안 좋은 영향을 끼치게 됩니다.즉 제어능력이 상실된다는 의미입니다.그러한 경우를 쉽게 주변 환경에서 추측 해보면, 수도 꼭지를 어떤 개도율로 열어두고 그 물의 양을 보고 있는데, 갑자기 그 압력이 변화하면, 그 물의 양도 줄거나, 늘거나 합니다. 이는 압력의 영향을 받는 것으로,상기의 컨트롤 밸브(TCV)는 공기의 온도 신호를 받아 밸브를 열고 닫고 있으나, 밸브 전후단의 존재하는 압력이 다르다면, 그경우의 밸브를 통하여 흐르는 물의 양도 달라지게 됩니다. 즉 변속으로 제어되지 않는 펌프의 양정과 에너지 절감이 안되는 인버터 시스템과 압력의 변화로 인한 불안정한 온도 조절 밸브의 문제가 겹친 3박자의 트러블이 시작 되는 것입니다. 근데 운전자는 뭐가 잘 못 되었는지를 잘 알지 못합니다. 과유량 , 낮은 운전 냉수 온도차, 과에너지 사용, 비효율 운전, 실내 온도 헌팅문제, 인버터 불 필요 상태등이 실제 문제인데 그게 잘 안 보입니다.
최악의 조건 가정 하에서 , 펌프에서 가장 먼 회로만이 열려 있는 상태라고 가정하고, 주 메인 배관의 배관 손실은 14M 에서 8M 로 줄어들고, 지관은 6M 에서 4M 로 줄었다고 가정 하면, 이때 펌프에 가장 먼 죤, 회로의 차압은 6M 에서 16M 로 증가한다면, (현재는 변속이 되지 않은 상태,즉 센싱이 펌프 입,출구에 있으니, 변속이 될 수 없다는 이야기). 온도 조절 2방 밸브의 오소리티(AUTHORITY)는 이경우, 불안정한 성질을 가지게 됩니다. 과거 약 50%(3M/6M)에서 18%(3M/16M)로 감소될 것입니다. 콘트롤 밸브의 오소리티(AUTHORITY )는 불량스럽고, 밸브 헌팅(열리고,닫히는 작동의 순간적인 반복으로 제어가 잘 안되는 문제, HUNTING)역시 발생할 가능성이 크게 됩니다. 만약에 비례 제어 밸브(MODULATING CONTROL VALVE)를 사용 중이라면, 밸브의 오소리티는 결정적인 장소에서는 치명적일 수 있게 됩니다. 즉 이 말은 제어능력이 현저하게 떨어져 제어유량은, 예로 20%로 신호를 보내나, 실제 통수 유량은 80%가 들어 갈수도 있다는 의미입니다. 지난 자료에서 설명한, 차압 안정 장치를 가진 , 차압으로부터 자유로운 컨트롤 밸브를 사용하여야 만 하는 현상이 연출되게 됩니다. 이러한 변화하는 콘트롤 밸브의 오소리티를 변화하지 않게 하는 시스템이 바로 차압 독립 제어 온도 조절 밸브(PICV,PRESSURE INDEPENDENT CONTROL VALVE,PICV) 기술입니다.다. 시스템에 적용된 밸브가 만약, 단순 온오프 밸브(ON-OFF CONTROL VALVE)라면, 이 같은 콘트롤 밸브의 경우는, 오소리티(AUTHORITY) 논의 대상의 내용이 되지 않습니다. 즉 온,오프 밸브 자체는 이미 오소리티를 논하기 이전의 수준의 밸브란 말입니다. 컨트롤 밸브의 오소리티는 비례제어 2방밸브에서 적용 논의되는 대상입니다.
결론적으로 , 시스템의 시작점에서의 안정된 차압을 유지하는 것으로 ,변속 펌프 차압센스가 설계되었다면 2방밸브의 비례 제어로 설계된 시스템에서, 건물의 모든 위치에서 항상 냉난방 유량의 100%를 얻을 수는 있습니다만, 이는 사용측의 변유량에 맞는 유량제어 특성을 펌프가 발휘할 수 없음을 이야기 합니다.즉 모든 극한 상황에서 조차도 펌프의 양정은 충분하나, 펌프의 가장 끝단 시스템으로 갈수록 2방밸브의 오소리티가 감소할 수 있다는 의미입니다. 비록 이것이 차압 콘트롤 밸브(PICV)를 사용함으로서 해결될 것이지만, 인버터라는 변속을 채택하였음에도, 에너지 절감에의 변속 펌프 적용 노력에 비해 그 절감 효과는 거의 없는 결론을 얻게 됩니다. 즉 변속도에 대한 의지를 구현할 만한 유속의 변화를 인지할 만한 차압의 센싱을 이루어 낼 수 없음을 말하고, 그 결과 변속도 차압 센싱의 의미와 펌프 변속도 콘트롤러의 투자에 대한 효과를 만나기 힘들다는 의미입니다. 한마디로 이야기 해서 인버터 설치 투자 실패라는 의미입니다.
펌프의 에너지절감은 시스템의 중간 혹은 끝단에 위치해 있는 센스의 경우 보다 더 많은 에너지 절감이 결코 되지 않을 것입니다.
그렇다면, 실제 또다른 기술로 제안 하는 , 말단(시스템의 끝) 차압 센싱에 대한 변속의 펌프 운전은 방금
우리가 협의해 보았던 펌프 전후단의 운전 방법과는 다른 내용이며, 말단 차압 센싱의 효과에 대해서 이
제부터 논하고자 합니다.
시스템 끝을 가로지는 안정된 차압 유지.(2)
만약 센스가 시스템 끝에 설치가 된다면, 시스템의 차압 셋팅은 설계 유량에서 요구하는 마지막 회로의 경우, 최저 6M 이라면, 최대 유량 상태에서 펌프가 20M 를 만들어 내고 있을 때, 배관의 압력손실은 주배관 위치에서 14M 이고, 회로의 지관 말단에서는 6M 이라고 하겠습니다. 펌프에서 가장 근접한 죤(구역,A,B 죤이 있다면 A죤이라 하면, 그 A죤의 경우는 거의14M 라고 하겠습니다).
가장 최악의 경우 펌프에서 가장 가까운 회로에서만 유량이 흐르면 문제가 발생할 수도 있습니다만, 즉 (A죤 펌프 근처 에서만 운전중이고, 나머지 죤은 OFF 일때) 그때의 주배관과 지관을 통한 압력손실은 거의 0 에 가까워질 것이고(왜냐면 물이 흐르지 않으니까, 차압 손실이 없음), 일시적으로 말단 센스 근처의 시스템 끝단의 차압은 일시적으로 증가 하기 시작하나, 변속펌프 콘트롤러는 펌프 양정을 시스템의 끝단에서, 셋팅된 6M 수준에 맞추어 주 펌프 전후단의 압력도 거의 6M 수준으로 줄이려 할 것이며, 펌프 가장 근처의 회로는, 그 시스템이 설계유량에서 필요로 하는14M 최소 요구임에도 불과하고 6M 보다 수준으로 차압 양정을 얻게 됩니다. 이 6M에서, 이는 약6/14 수준의 저 양정 공급으로 인한,저유량의 불충분한 냉난방 유량 상태가 될 수도 있습니다. 이를 보면 무슨 문제가 있는 것처럼 보이나,실제로 같은 펌프 죤으로 구성되어 있는 시스템의 각각의 터미널 유닛의 부하특성 죤,구역이 많이 차이가 있다면, 그땐 펌프 죤을 분리해 두는 것이 더 바람직하며, 우선 공통 펌프 죤을 대상으로 우선하여 검토 하는 경우는, 동일 죤 내에서의 큰 부하 차별화가 공존 하지 않을 경우 충분히 권장 할 만 한 사례라고 판단 합니다. 즉 말단 차압 센싱으로 변속 운전하는 경우를 에너지 절감 차원에서는 가장 바람직한 효과를 볼 수 있다고 판단 합니다.
그러면, 상기의 경우와 같은 펌프 근처의 저유량 문제를 개선하기 위하여, 펌프에 인접한 회로에서 설계 유량을 확보하고, 시스템의 끝단에서 일정한 차압 셋팅을 위한 시스템을 설계하는 유일한 방법은, 시스템의 끝단의 회로의 압력 저하와 동일한 값에 근거하여 펌프 근처에 있는 2방밸브를 사이징하는 것입니다. 각각의 밸브의 마찰손실 기준값(예로 약 3M수준)이 밸브의 선정 기준값이었던 과거와 달리, 차압이 높은 죤의 밸브선정은 더 작은 사이즈(압손이 큰 것으로 선정)로 제작 하는 것입니다. 예로 펌프 근처에 있는 회로의 콘트롤 밸브는 3M에서 7M차압 손실을 가지고 선정 하게 될 것입니다. 또한 회로 말단은 설계 유량을 얻기 위해서는기존 3M 수준으로 요구 됩니다. 최대 부하 상태 시스템 유량조건에서 적용된 회로 차압은 20M 이고, 펌프 근처의 경우, 그때의 콘트롤 밸브 오소리티는 7/20 로 약 35% 수준이 됩니다. 이는 권장된 25% 보다 더 높은 수준입니다. 실제 콘트롤 밸브의 선정시 오소리티를 근거로 설계한다면, 실제 각 컨트롤 밸브의 전후단 펌프 차압에 근거하여 그 밸브의 크기를 고려한다는 의미가 됩니다.
비례 콘트롤 밸브가 온오프 밸브로 변경된다면, 콘트롤 밸브의 오소리티는 물론 논의거리가 아니며, 시스템은 기대한대로 동작할 것입니다. 이와 같은 설계는 사전에 모든 수배관 경로의 배관 마찰 손실을 분명하게 판단하여야 가능한 경우로, 쉽지 않습니다.
펌프 근처의 불충분한 냉난방과 저 유량으로 불충분한 차압 상태가 될 수 있는 것을 허용하지 않는다면, 각각의 코일에 최대 유량이 바르게 흐르고, 양호한 밸브 오소리티(영향도)를 위한 펌프 근처의 2방향 비례조절 밸브를 사이징 하여야 합니다. 즉 밸브의 적용 설계 기준 차압을 해당 위치의 차압에 근거하여야 한다는 의미입니다. 이러한 방법은 모든 위치의 콘트롤 밸브에 동일한 개념으로 사이징 되는 것이 바람직하며, 어떤 기준을 정하여, 예로 오소리티 25%이상을 유지하는 해당 위치의 차압을 근거로 하는 것을 말합니다
콘트롤 밸브는 일반적인, 한국 설비의 관례적인 사이징 기준인 2~3m 차압손실은 펌프가 최대 속도로 동작 할 경우는, 그 차압이 오히려 밸브로서는 작은 차압손실(오소리티 계산시 분모값에 대응한 분자값이 작다는 의미)의 발생으로 인하여 큰 밸브(작은 밸브 사이즈는 차압손실이 증가)로서의 규격이 되며, 심각한 과유량의 펌프 근처의 터미널 유닛으로의 흐름이나, 이로 인한 심각한 온도 헌팅 문제와 시스템을 통한 충분한 최적 냉난방을 얻는 것이 불가능한 경우 등이 예상됩니다. 물론 최대 유량 밸런싱(automatic limit flow,자동 정유량 밸브)으로 불가능 하지는 않지만, 대부분의 운전시기인 , 일반 저 부하에서는 과유량, 즉 에너지 손실을 경험 하게 됩니다.
결론을 이야기 한다면, 시스템의 끝단에 위치한 변속펌프의 센스위치로 설계를 하고,
2방 비례제어 시스템으로 설계가 되었다면,
펌프 동력절감은, 펌프 근처의 콘트롤 밸브가 좋은 영향도로 선정되었다면, 빌딩의 모든 영역에서 충분한 냉난방이라는 기본적인 목표는 충족될 가능성이 높습니다.또한 에너지 절감은 최대화가 될 것이라는 것입니다. 즉 펌프 근처의 최대 부하시 부분적인 저 유량의 발생에 대해서 댕으하는 사이징으로 개선할때, 에너지 절감은 최적화가 됩니다. 이는 해당 건물의 동일 죤내의 부하성격이 비슷한 경우라면 거의 문제가 될 일은 사실 없다고 판단 할 수 있습니다.
변유량 시스템에서의 배관내 필요 압력의 변화를 검토 해 보면, 부하의 변화에 따른 실제 소요될 펌프의 양정은 변화하고 있으며, 이의 추종성을 확실히 보여주는 변속펌프 센싱은 말단에서 기본 차압을 확보하는 것이 매우 중요함을 보여주고 있습니다.(미국 ASHRAE 권장 사항)
항상 고민하여야 할 것은 전체 펌프 양정중에 부하변하에 따른 배관 양정 변화가 어느정도의 규모로 변화 하는가가 중요한 이슈 사항입니다. 만일 전체 펌프 양정에 비해 부하 변화 배관 마찰 손실 변화 비중이 작다면, 지금껏 우리가 이야기 하는 부분의 저유량 상태나, 콘트롤 밸브의 열악한 오소리티의 효과는 그만큼 줄어든다는 것 입니다. 또 달리 이야기 해보면, 시스템의 배관 길이가 길면 길수록, 콘트롤 밸브 혹은 해당 터미널 유닛의 코일 압력 손실이 크면 클수록,실제로 이 압력 변화폭은 클 수 밖에 없는 것입니다. 전체 펌프 양정중에 2차 분배 사용측에서의 양정 비율이 크진다는 의미이다. 이는 건물의 형상과의 문제이고, 배관의 길이와의 문제이고, 에너지 비용에 대한 열교환기 선정의 문제이고, 콘트롤 밸브의 초기 투자비의 문제입니다. 콘트롤 밸브를 작게 하면 할수록 밸브로 인한 압력 손실은 커져 실질 펌프 양정 상승으로의 역할은 분명 한 것이고, 그러면 최근의 가장 유력한 친환경 분야 에너지 절감으로 권장되는 방법은 해당 최대 펌프 양정을 필요로 하는 위치(INDEX LINE) 에 설치한 차압 센싱이며, MULTI SENSING (건물 성격에 대한 정확한 필요에 따라서)에 의한 프로그램밍이 되도록 구축하는 것으로 권장되고 있습니다.
유량흐름과 함께 변화하는 차압.
추가적인 에너지 절감을 위해서 총유량이 감소되어서 흐를 때 변속펌프의 양정은 줄 것이고 이는 가능한 일 입니다.예로, 건물의 설계 유량의 50%가 총 유량으로 필요하다면 이에는 두가지 가능성이 있습니다.
시스템이 2방 밸브로 설계되었고, 건물안의 모든 터미널 유닛은, 예로 외기 온도로 인해 단지 설계 최대 유량의 50%만 필요하다면, 그때, 부가적인 에너지 절감을 위하여 시스템 총 유량에 따라 시스템 양정을 줄이는 것은 가능할 수도 있습니다. 실제로 변속에 의해 감소된 유량이 동일한 배관경을 통해서 흐를 때 배관을 통한 압력손실은 이의 2배인 1/4로 감소 합니다. 이 말은 바로 일반 변속도 펌프의 상사칙에 해당하는 이론이 됩니다.
만약 시스템이 온오프 2방 밸브(솔레노이드 밸브)로 설계되었다면, 예로 건물의 반이 유량 흐름이 없고, 나머지 반이 최대 유량이 필요하여 건물 총 유량이 50%이라면, 예로 호텔에 객실 점유율이 50%이라면, 펌프 압력을 줄이는 것은 어떤 장치에는 최대 유량을 얻거나, 충분한 냉난방을 얻는데 불가능 하게 되는 문제가 될 수 있습니다.해당 전체로의 판단은 분명 50%부하이지만, 실제 위치적인 터미널 유닛의 분포는 이 문제를 해결할 수 없는 것입니다.
지금까지의 운전 경험은 이를 보여주고 있습니다. 실제로 변속펌프의 콘트롤의 한계가 있다는 것입니다. 그런 시스템은 종종 매우 많은 문제가 되기도 하고, 그러한 콘트롤 시스템은 일반적으로 최대한 회피하게 됩니다. 그러면 호텔의 경우 부하 대표성을 가질 부분이 어디에서 만들 것 인가가 엔지니어의 건물에 대한 이해와 판단의 노력이 따라야 한다는 것입니다.
이러한
변화되는 차압하에서도 해당 죤별로의 안정되고 독립적인 차압 독립 장치인 차압 제어기능의 컨트롤 밸브의 (PICV)의 적용은 부분부하의 에너지 절감과 시스템의 안정된 유량 밸런싱,
2방향 밸브의 훌륭한 오소리티를 얻는데 큰 역할 을 할 수 있습니다.SOLLEO