수배관 시스템의 이해 15(시스템 조화)

설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해

(Understanding of Hydronic System) 연재15?수배관 시스템의 조화,짝,궁합 (중앙 집중식 냉방의 펌프시스템)

By SOLLEO 이상오

주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사

중앙 집중식 냉수 시스템의 최적 펌프, 냉동기 시스템 구축

 

1. 서언

중앙 집중식 냉방용 냉수 배관 분야의 열원측인 냉동기와 해당 냉수 공급을 사용측에 송수하기 위한 펌프 시스템에서, 상호 최적의 배관 시스템 구축을 통하여, 최대 에너지 절감 방안에 대한 검토를 하고자 합니다. 향후 국내의 중앙 집중식 냉동기 시스템의 최적 운전 비용이 평균 하향화 되어, 기존 해당 분야 기술 선진국의 에너지 비용과 비교해도 충분할 수준까지 되기 위한 엔지니어링 능력을 확보하는 것이 매우 중요하다고 생각됩니다. 관련 이분야의 기술에 대응하기 위한 방안을 수배관 시스템 구축 방안을 간략히 소개하고, 해당 각 시스템간의 상호 최적 조합과 펌프와 연계된 일부 시스템의 구체적인 운전비용 검토를 통하여, 실증적으로 검토, 최적 냉수 수배관 시스템를 자유자재로 구축하기를 바라는 마음으로 정리 해 보았습니다.

 

1. 본론

 

2-1. 펌프 회전수 제어에 따른 시스템 구분.

수배관 분야 중에서 중앙 집중식 열원 시스템 (특히 냉방 분야)을 근거로, 펌프의 적용 방법은 크게 정속(CONSTANT SPEED PUMP,CSP)과 변속(VARIABLE SPEED PUMP, VSD)으로 분류 할 수 있습니다. 정속 시스템과 변속 시스템을 각각의 냉동기와 배관을 구축시 검토 하여야 할 사안들을 우선 정리 해 볼 필요가 있습니다.

1. 정속 펌프 시스템

   펌프의 유량변화가 부하측 사용 양정에 의한 변화는 펌프의 운전 특성상 있을 수 있으나, 의도적인 임펠러(IMPELLER)의 회전수 변화는 없는 시스템

2. 변속 펌프 시스템

   펌프의 유량 변화가 주파수 변화를 통한 임펠러의 회전수 변화와 연동되어 실시간으로 변화가 되며, 양정과 유량이 함께 변화 될 수 있는 시스템. 변속 제어 시스템의 인버터(INVERTOR)의 적용은 되어 있으나,실제 현장의 설치된 인버터의 운전은 고정 주파수 운전을 년중 하고 있다면, 이는 매우 부적절한 인버터 제어를 하고 있음을 의미 합니다. 최적의 인버터 제어 운전을 위해서는 부하 추종성 차압 신호(혹은 유량, 밸브 개도율, 온도 및 해당 신호의 혼합등, signal) 시그널을 실시간으로 제공 할 수 있어야 합니다.

   2-2. 정유량 시스템과 변유량 시스템의 구분.

1. 정유량 시스템: 2차측 터미널 유닛(공조기, 팬코일 유닛등)에 온도조절 밸브(TEMPERATURE CONTROL VALVE,TCV) 를 3방밸브(3WAY TEMP.CONTROL VALVE) 를 사용하는 시스템으로 부하 변화에 대응한 펌프 전,후단의 유량 변화가 없는 시스템. 즉 항상 일정한 펌프 유량을 제공하는 시스템.

2. 변유량 시스템: 2차측 터미널 유닛을 통하여 부하 대응 유량 제어를 할 경우, 2방밸브(2WAY TEMPERATURE CONTROL VALVE) 를 사용하는 시스템으로 펌프 전후의 유량 변화가 실시간 부하 변화에 대응하여 발생 하는 시스템.

   2-3. 차압 바이 패스 밸브와 차압 컨트롤러기능의 온도조절 밸브의 이해(이하 2way control valve 를 사용

   하는 변유량 시스템을 기준으로 설명됨)

1. 보통 공급, 환수측 헷더사이에 설치되는 차압 바이패스 밸브(DIFFERENTIAL PRESSURE BYPASS VALVE)는 냉동기 1차 정속 순환 펌프 시스템에서(변속 펌프의 경우는 차압 바이패스 밸브를 사용하지 않음, 다른 선택이 필요) 냉동기의 운전 중, 저 부하, 저 환수 유량에 의한 증발기(evaporator)의 동파(freezing)를 예방하기 위하여 적용되어야 하는 안정장치이다. 동파방지 목적의 최소 유량(minium eva’ flow)을 보증함으로서 안정적인 냉동기 운전을 가능하게 하는 목적 입니다. 부하가 감소하여 해당 배관의 차압이 증가하면 열리도록 구축되는 밸브 입니다. 정확한 냉동기 댓수에 근거하여 밸브 선정이 되어야 하며, 현장에서 정확한 압력을 근거로 셋팅 되어야 할 밸브 입니다.

2. 차압 컨트롤러 기능의 온도 조절 밸브(PRESSURE INDEPENDENT CONTROL VALVE)는 설치 위치가 2차측 터미널 유닛(공조기등)의 환수배관에 일반적으로 많이 설치되며, 온도 컨트롤 밸브 자체를 말 합니다. 변유량 시스템에서 운전중, 부하 변화에 의한 배관의 변화되는 차압으로부터 해당 장비의 컨트롤 밸브의 차압을 일정하게 유지 하도록 하는 기능이 내장된 온도 조절 밸브 입니다. 부하의 변화로 인한 유량의 변화로 발생되는 시스템의 큰 차압 변화로부터, 차압을 안정되게 유지하는 밸브 입니다. 부하가 감소하여 차압이 증가하면 닫히도록 구축되는 밸브 입니다. 즉 작동 기능이 위의 1)의 차압밸브와 정반대로 작동 됩니다. 그 효과는 해당 2차측 압력이 변화하지 않음으로서 얻게 되는 많은 안정적인 컨트롤 밸브 제어능력을 보증 하게 해 주는 역할의 밸브 입니다. 만약 해당 부하 변화량이 많아 차압변화가 많을 경우 이에 대응한 안정된 차압제공이 주는 혜택은, 온도 조절 컨트롤 밸브의 영향도(AUTHORITY,오소리티)를 보증하는 기술 방법으로 최적의 컨트롤 밸브의 제어를 가능하도록 하는 시스템 방안이 됩니다. 이는 온도에 의한 신호만으로 밸브 개도율을 제어하는 컨트롤 밸브에, 또 다른 변수인 압력의 간섭으로부터 독립시켜 준다는 의미를 가지고 있으며, 그 안정된 차압하에서 단지 온도 시그널만의 제어를 가능하게 해주는 환경을 연출 한다고 이해 하면 됩니다.

    

   2-4. 냉동기의 입출구 냉수온도 조건, 공조기 컨트롤 밸브 입출구 냉수 온도조건과 에너지 절약.

   만약 설계와 다른 냉동기 입,출구 온도 운전은 무엇을 의미하는가?만약 설계와 다른 공조기 냉수 입출구 온도는 무엇을 의미하는가?

   냉동기의 입출구 냉수 온도차 5℃설계 운전과, 실제 운전온도는 어떻게 다른가? 운전중인 냉동기의 실제 운전 온도차는 2~3℃수준인 경우가 많으며, 이러한 운전이 되는 이유는 문제가 되지 않을까요? 분명 이와 같은 운전상황은 설계에서 의도한 시스템 운전은 아닙니다. 부하가 감소 할수록 공조기 컨트롤 밸브를 통한 온도차는 증가하는 것이 변유량 시스템의 정상적인 운전 상태이며, 이를 보증할 수 있는 것은 결국 에너지 절약과 직결되는 부분 입니다.

   우측 그림 에서 X축은 부하율,Y 축은 냉수 환수온도 관계도.

    공조기등의 컨트롤 밸브에서 발생되는 환수온도는 바로 냉동기 환수측 으로 들어가는 온도가 될 경우가 많으며, 이 온도 차의 감소(공급과 환수 온도차)는 냉동기 증발기 열 교환 효율을 떨어뜨리는 효과를 만들게 된다. 즉 냉동기 증발기 열교환 대수 평균 온도차(LMTD값,LOG MEAN TEMPERATURE DIFFERENCE,℃) 을 낮게 만들어 전체적인 냉동기 효율(COP,성적계수) 저하의 원인이 됩니다. 변유량 시스템에서의 2차측 사용 부하측 온도차를 설계기준 온도차 보다 증가시키는 것은 냉동기 에너지 최적화와 직결되는 시스템 에너지 절감 방법이 됩니다. 이를 위한 방법은 무엇 인가요? 바로 온도조절 2방밸브(2 WAY TEMP.CONTROL VALVE) 의 제어 능력(RANGEABILITY, AUTHORITY)과 직결 됩니다. 이 온도차를 2℃증가시키는 것은 15%의 냉동기 에너지를 절감하는 결과를 만들어 냅니다.

   최적의 차압 독립 제어에 의한 컨트롤 밸브 영향도(AUTHORITY) 안정 및 KVs( 유량계수) 값 조정 능력에 의한 융통성(FLEXIBILITY, 4” 밸브로 2” 현장 설정 값의 밸브로 전환하여 사용 가능하다는 의미) 을 가진 온도조절 밸브(TCV,TEMPERATURE COBTROL VALVE) 를 사용 함으로서 냉동기와 공조기의 온도차를 항상 설계 온도 값 이상으로 유지 가능하다면, 에너지는 약 15%~20% 이상으로 절감이 가능 합니다.

   PICV 기능은 기본적으로 TCV(온도조절밸브)기능 + 배관의 다양한 차압변화로 부터의 독립성 + 유량 밸런싱 + Kvs조절(PRESETTING)기능을 가진 복합 적인 기능의 밸브를 적용함을 의미 합니다.

    

   2-5. 1차 펌프 시스템과 1-2차 펌프 시스템의 성격. (primary pump system & primary-secondary pump system)

1. 1차 펌프(단 1SET 의 펌핑)만으로 전 배관 경로에 냉수를 이송하는 시스템 입니.아래 그림 참조.

   그림. 1차 정속 펌프 시스템,차압 바이 패스 밸브 적용이 필요

2. 1-2차 펌프 시스템은 냉동기 측 순환 펌프 1셋트와 2차측 부하측 순환 펌프를 양정 구분하여 시스템을 적용하는 시스템 입니다. 아래 그림 참조

   그림. 1,2차 펌프 시스템(2차 변속 적용),공통 바이패스 배관적용(COMMON LEG,DECOUPLING)

    

   2-6. 1차 펌프 정속 운전과 1-2차(변속) 펌프 시스템과의 운전 에너지 비용 검토.

   표. 1차 펌프 정속 운전과 1-2차(변속) 펌프 시스템과의 운전 에너지 비용

   상기 검토의 변수 :

• 1일중 운전 부하의 변화 혹은 년 중 운전 부하의 변화가 클수록 이 값의 차이는 커짐.

• 운전비 비교 (1600RT 기준- 운전 시간은 추정 값) 약 70% 수준으로 절감되는 사례.

• 회전수 변화에 의한 효율 감소를 감안하더라도 충분한 적용 이유는 있다고 볼 수 있음.

   

1. 운전중인 시스템의 2차측 사용 부하 특성에서 부분 부하 운전 특성이 많을 경우 변속제어 특성의 에너지 절감효과는 상승함.

2. 건물 특성상 2차 펌프를 적용할 만한 규모와 운전 댓수 제어 특성이 냉동기 측에서의 부하 대응 운전이 함께 고려되어 운전될 경우 최적 에너지 절약 운전을 가능 하게 할 것임. 냉동기 자동 순차 기동 제어등의 시스템적인 검토도 자동제어 개념에서 사용 부하, 운전 에너지, 입출구 온도차, 사용 유량등을 근거로 한 댓수 제어(SEQUENCE OPERATING) 역시 중요함.

3. 1,2차 펌프 시스템의 헷더간의 공통배관 (DECOUPLING,COMMON LEG) 은 양방향 유체 흐름이 가능하여야 하며, 전체 DECOUPLING PIPE 구간의 배관 마찰 손실은 약 1M 이내로 가능한 마찰 손실을 줄이는 설계가 필요. 하지만, 1차 생산된 냉수가 2차측 사용측으로 공급이 되지 못하고 바로 1차측으로 되돌아오는 경우는 없도록 하는 배관 설계와 1,2차 펌프 운전 기술이 필요 합니다.

4. 2차 변속펌프의 경우 부하 추종성 제어를 할 수 있는 변속 펌프를 유도하는 것이 중요하며, 해당 부하 변화를 실시간으로 확인이 가능한 방안으로 펌프 회전수 제어를 유도하는 것은 바로 에너지 절감과 직결 됩니다. 보통 배관의 차압을 기준으로 많이 제어 하게 되며, 해당 차압의 변화 값을 가장 잘 보여주는 위치가 배관 경로상의 어디인지를 찾아서, 그 위치를 근거로 회전수 제어할 필요가 있다. 보통은 정확한 위치 추적이 어려운 경우 관말(공급, 환수 경로상 최 원거리, FURTHEST)을 적용하는 경우가 가장 일반적인 위치 입니다. 최상의 위치는 배관 경로상의 압력 분포에 대한 위치 별 값 중에서 가장 양정이 멀리 존재하는 위치를 찾는 것을 권합니다.

    

   2-7. 1차 정속 펌프 시스템(기존)과 1차 변속 펌프(변경) 시스템과의 운전 에너지 비용검토.

   냉동기에 대응한 1차 펌프 시스템을 정속과 변속을 근거로 시스템 비교하여 에너지 비용측면의 차이를 확인하고자 합니다.

   결론을 우선 이야기 한다면, 실제 변속을 운전하는 과정의 에너지 절감은,아래 비교표에서 보는 바와 같이 훌륭한 에너지 절감 결과값을 가지는 것이 확인 되었읍니다. 그러나,문제는

• 냉동기간의 유량 간섭 효과에 대응하지 않으면, 운전중 냉동기 정지 현상 발생하며,

• 냉동기 출구측 차단용 자동 제어밸브의 제어속도가 매우 빠르게 작동되어야 하며

• 변속펌프의 최적 부하 추종성 제어 시스템을 구축하여야 하며,

• 주 헷다간의 냉동기 보호용 바이패스 밸브는 더 이상 차압으로 제어는 불가능하여 유량계 연동 온오프 시스템의 구축이 필요 합니다.

• 이와 관련된 최적 운전을 위한 시스템을 구축해주어야 만이 최적 에너지 절약이 가능 합니다.

  표.1차 정속 펌프 시스템(기존)과 1차 변속 펌프(변경) 시스템과의 운전 에너지 비용

1. 1900RT 냉동기 기준, 1차 정속 펌프 시스템 의 경우 보다, 1차 변속 펌프의 변경시스템의 경우 에너지의 절약이 더 유리 합니다. 약 50% 수준으로 검토 되었습니다. 이는 해당 부분 부하 운전 특성에 따라 당연 달라지는 과정으로 결과가 나올 것이나, 개략적인 에너지 절약의 개념 이해로는 충분히 증명이 돨 것이라 판단 됩니다.

2. 부분 부하 성격등이 실제 시스템별로의 절감 차이를 보여 줄 것이나, 분명하게 확인 하여야 할 것은 해당 냉동기의 최소 증발기 냉수 공급 유량이 변속 펌프를 적용하여도 문제가 없는 유량임을 확인 하는 것과 , 각 냉동기간의 유량 간섭을 막기위한 밸런싱이 매우 중요하며, 해당 냉동기 출구측 차단밸브 제어속도가 빨라야 합니다, 이는 냉동기를 운전중에  정지(TRIP) 되게 하는 문제를 해소하는데 중요한 역할을 하게 됩니다.

   2-8. 시스템의 최적화 (해당 수배관 사이의 짝?궁합?하모니? ? 솔레오의 의견)

   냉동기의 에너지 운전 최적화는 냉동기만의 최선으로 이루어지는 문제가 아니며, 이와 연동되어 운전되는 펌프와 매우 관련이 높습니다. 펌프의 운전 비용은 실제 전체 냉동부분 전력 사용 비중에 약 15% 이하를 차지 하고 있습니다. 펌프는 변속으로 적용이 되었으나, 냉동기가 그 변속의 유량 변화를 대응하지 못한다든가, 즉 증발기 최소 유량이 변속 펌프의 장점을 이룩하기엔 그 양이 너무 많다든가, 변유량 시스템을 적용하고는 1,2차 펌프 시스템의 2차 펌프를 정속 펌프를 사용하는 것은 뭔가 부족한 시스템의 조합이며, 즉 2차 펌프는 변속을 적용하는 것이 더 최적 시스템이며, 1,2차 펌프 시스템으로 구축하여 놓고서 헷다간의 차압 바이패스 밸브를 설치하는 것은, 매우 이상한 시스템이 되며, 1차 변속 펌프 시스템을 구축하여 두고, 냉동기의 최소 증발기 유량이 약 70% 필요한 냉동기를 사용하게 되면, 이 또한 어울리지 않는 시스템이 됩니다. 모든 시스템에는 서로 어울리는, 맞는 조합이 필요 합니다. 즉 각 공조기에 모두 3방 밸브를 사용한 온도 조절 시스템에서 , 즉 정유량 시스템에서 , 실제 헷다간의 차압 바이패스 밸브를 둔다면? 그것이 어울리지 않는 시스템이란 것을 엔지니어는 반드시 알아야 한다는 의미 입니다. 또한 변속 펌프를 사용하는 시스템에서 유량과 차압이 실시간으로 부하 대응 변화하는 장치안에 헷더간의 바이패스 밸브를 차압으로만 운전되는 차압 바이패스 밸브를 설치한다면? 이는 작동이 불가능 시스템이 된다. 만약 변속 펌프가 압력이 안 변한다면, 가능한 시스템이나, 압력이 안 변하는 냉수 순환 펌프 인버터 운전은 무슨 의미가 있을까요? 아무런 의미가 없는 시스템이 될 경우가 많습니다.

   즉 각 시스템을 적용하게 된 배경을 이해하고, 그 건축물의 운전 특성에 맞는 시스템 최적안을 선정, 도출, 창조 하여야 합니다. 설비가 창조로 울 수 있다는 발칙한 발상을 한번 해 봅니다. 그와 관련된 상호 시스템 적인 조합(짝, 궁합)을 하는 것이 매우 중요 합니다.

    

   3. 맺음말

   냉동기, 순환 펌프, 2차측 사용 터미널 유닛, 팽창탱크, 컨트롤 밸브 시스템, 차압 제어등이 모두 유기적으로 연관이 되어 있습니다. 무엇 하나 사소한 것이 없으며, 모두가 서로 조화롭게 시스템이 구축될 때 최적의 운전 에너지 비용을 보증 하게 되며, 향후 이와 관련, 많은 시스템 개선이 해당 분야 기술 선진국 수준으로 발전할 수 있기를 기대합니다. 이와 관련 선진 기술의 국내로의 기술 전도자가 많이 지속적으로 필요하다고 생각 합니다.