설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) 연재14?차압바이패스 밸브와 시스템
By SOLLEO 이상오
주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
차압 바이패스 밸브(일반적으로 알고 인식하는 기계실의 공급 환수 헷더 간의)에 대해서
일반적으로 차압 바이패스 밸브의 설치는 펌프 전 후단의 공급과 환수 헷더 사이에서 설치, 차압 적용을 하고 있습니다. 시스템별로 달라지는 차압 밸브의 적용성에 대해 이야기 해 보겠습니다
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냉동기 4대가 설치된 현장의 부하 변화에 따른 냉동기 댓수 제어를 할 경우 ? 헷더간의 차압 바이패스 밸브의 선정 기준과 셋팅 압력은 어떻게 결정을 할까요?
냉동기 증발기의 정유량 특성(동파 방지 유량의 확보)에 맞는 차압 바이패스 밸브의 선정과 현장 압력 셋팅은, 냉동기 부하 추종성 댓수 제어와 맞물려 선정되어야 합니다.
만약 냉동기는 현재 4대가 모두 가동 중이나,건물 운전 성격상, 혹은 시스템의 급격한 부하의 변화 연출로, 그 해당 냉방 부하가 현재 약 50%의 부하 수준으로 감소되어 요구하고, 이에 해당하는 필요 냉수 유량이 20%수준이 되는 변유량 특성(2방 밸브 사용의 특성으로, 부하와 필요 사용냉수 유량과의 관계가 부하 80%에서 유량 50% 필요, 부하 50% 상태에서 유량 20%의 특성을 가진다)의 상태이라면,나머지 80%의 냉수는 차압 바이패스에서 바이패스 되어야 합니다.(아래 그림 참조) 혹은 그 지속되는 부하가 짧은 순간에, 이에 대응하는 2방 비례 온도조절 밸브라 한다면, 이의 상태에 대한 배관내의 차압 변화는 실시간으로 매우 빠르게 변화 되지만(예로 말단층의 사용측 공조기 냉수 코일 전후단의 차압이 5m가 정상 차압 상태 라면, 그 상태에서의 차압은 “약 95%이상(펌프 양정 중에서)”으로 증가 할 수 있는 것입니다). 그 상태에서 냉동기는 그렇게 즉각적으로 off 되어 댓수 제어를 할 수 없습니다. 그럼 차압 바이패스로의 유량은 적절히 냉동기 흡입구로 돌아가 줘야 합니다. 그럼 그 때의 해당 차압 바이패스 밸브의 압력 센싱은 얼마여야 합니까? 해당 헷다의 전후단에서 가져오면 되는데,그 압력 설정은 현장의 펌프의 실제 운전 압력과 냉동기의 압력 손실과 실제 부분부하의 어떤 경우의 기준을 밸브를 open 되도록 설정 할 것인가의 판단이 필요 합니다. 이는 고유의 엔지니어의 영역으로, 건물 설비 시스템에 맞는 , 해당 시스템 성격에 최적화한 압력 셋팅을 결정 하여야 합니다. 일반적으로 펌프 전체 차압을 기준으로 헷더간의 소비된 냥정 손실을 제외한 나머지로 셋팅하게 됩니다만, 정상 부하에서의 차압조건에서는 밸브는 CLOSE 되도록 결정 하여야 합니다. 열전달 대상의 열 부하와 실제 그 대상 장비의 필요 유량간의 특성곡선이, 냉동기와의 최저 증발기 확보 유량과 비교되어, 그 차이 만큼이 차압 바이패스 밸브의 유량 선정 기준이 되어야 하며, 차압 현장 설정은 그 해당 순환 펌프 시스템의 현장 TAB 를 통한 최적 압력 설정이 필요합니다.
우측 그림: 2방밸브 , 변유량 시스템에서의 냉방 부하와 냉수유량과의 관계
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지역난방 중온수 열원을 사용하는 건물내의, 열교환 기계실내에 설치된 열교환기 2차측 정속 순환펌프 전후단의 차압 바이패스 밸브의 선정과 셋팅 압력등의 지금까지의 설계와 설치는 과연 필요한 기술이었을까요?
우리는 차압 바이패스 밸브의 적용 목적을 오해를 많이 합니다. 2차측 사용측, 즉 부하측의 차압(DIFFERENTIAL PRESSURE,ΔP)을 안정화 하게 도와 줄 것이라는 식으로 말입니다. 하지만 그렇지가 않습니다. 차압 바이패스 밸브가 적용되었더라도 2차측 각 사용측 장비의 차압은 부하의 변화에 따라 계속 간섭을 받으며 변화(압력 헌팅) 하고 있습니다. 기존 설치된 차압 바이패스 밸브의 적용목적은 냉동기 보호 목적(동파방지 기술)입니다. 그러면? 지역난방 시스템의 난방 열교환장치에서는 해당 차압 바이패스 밸브는 불 필요합니다. 열교환기 2차측의 변속 펌프 시스템의 차압 바이패스의 셋팅과 설치 유량 기준은? 당연 더 이상 불필요합니다.
변속펌프가 적절히 말단 차압 운전을 하면서 작동(즉 말단 인덱스 혹은 최적의 부하 추종성을 가지는 위치에서 센싱) 하고 있다면 , 지금까지의 헷더간의 설치된 기존 차압 바이패스 밸브의 셋팅 압력에 맞도록 운전되는 것이 불가능 합니다. 즉 이 시스템의 경우 부하의 변화에 대응한 변속이 이미 이루어져 펌프 보호를 위한 최저 유량의 바이패스 유량 확보를 위한 압력 셋팅 역시도 불가하게 됩니다. 최소 유량 보호용 바이패스가 만약 필요하다면, 약 15MM 밸브 수준이면 충분 합니다.하지만 이 역시 인버터의 제어 한계까지 갈 정도록 변속이 되어 저유량이 되는 운전의 경우는 거의 없다고 판단됩니다.
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냉동기의 냉수 순환용 펌프의 변속펌프의 적용시 차압 바이패스 밸브의 적용은 잘못된 기술!
: 일부 1차 냉동기 냉수 순환용 시스템의 변속펌프를 적용하는 사례가 있는데, 이는 냉동기의 증발기 정유량 특성에 의한 변속펌프의 적용 타당성을 찾을 수 없는 경우가 많습니다. 바람 직 하지 않은 방법입니다.변속펌프로 인한 냉동기 저유량 상태의 증발기 동파되는 문제가 해결된다면, 즉 변유량 특성에 대한 콘트롤이 적용된 냉동기(압축기 인버터 시스템) 시스템의 구축이 가능하다면, 이경우에만 가능 한 방법이며, 이러한 류의 냉동기와 펌프 댓수 제어가 적절히 조화되지 않으면, 매우 비 경제적인 설계이며, 그 효율 또한 얻기 어렵게 됩니다. 결론적으로 권장하기 어려운 시스템입니다만, 조심스럽게 냉동기의 특성 및 최저 유량 확보 노력을 통하여 , 시스템안에서 최소의 냉동기 유량을 확보하도록 할 수 있도록 구축하여야 합니다.
해당 시스템의 최적 적용 기술짝은 냉동기 정유량(최소 유량 확보) 확보 와 환수측 유량계+ 바이패스 콘트롤 시스템으로 차압밸브가 아닌 환수유량에 근거 냉동기 정유량 특성을 보상 하게 하여야 합니다.
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냉동기와 2차 사용측의 1,2차 펌프 시스템의 차압바이패스 필요성은?
: 2차측 사용자측에 설치된 펌프를 별도로 구축하는, 1,2차 펌프 시스템의 경우, 2차측과의 유량 밸런싱 목적에서는 차압 바이패스 밸브는 불 필요하며, 단지 BYPASS 배관 만으로 시스템 구성이 가능 하며, 이의 적절한 사이징이 주요한 사안이 됩니다. 그러나 이 바이패스 배관을 통하는 유체의 압력 손실값은 거의 없도록 설정하며, 배관길이도 실제 주 관경의 3배를 넘지 않도록 함으로서 시스템의 1,2차측의 유량 사용특성에 맞도록 냉동기로의 바이패스 혹은 무흐름 상태로의 유지를 구축함이 중요 합니다. 1,2차측, 즉 1차측 냉동기 생산유량과 2차측 사용측의 유량과의 특성이 동일하지 않을 경우 2가지의 경우( 생산측 〉 사용측 유량,혹은 생산측 =사용측 유량) 에 모두 안정적인 유량 흐름의 구축이 되도록 바이패스 배관(decoupling, COMMON LEG,공통 배관 구성)의 설치를 고려하여야 합니다. 즉 항상 냉동기의 생산 유량은 사용측, 부하측 보다 많아야 한다는 의미입니다.
냉동기 순환 1차 펌프 + 2차 순환 펌프 시스템의 바이패스 배관을 디커프링으로 구축하여 적용되어야 합니다.
상기의 건이 모두다 차압 바이패스 밸브의 설치 유량과 설치목적과 설치 개소가 달라지는 이유를 가지고 있습니다. 이러한 다양한 시스템의 특성에 대응할 수 있는 시스템의 구축이 안되고는 건강한 수배관 시스템내의 압력 및 유량 제어는 힘들다 하겠습니다.