집 중 기획
서 론
국가의 산업화와 경제 발전을 이끌어 가기 위한 노력은 반드시 많은 에너지 사용이 동반되기 때문에 이에 따른 에너지 활용 방안을 면밀하게 계획하면서 진행되어야 한다. 미국 에너지국 보고서에 따르면 전 세계 총 에너지 소비량에서 40%가 빌딩에서 소비되는 것으로 조사되었으며, 이 중에 50%가 공기조화 냉동 시스템(HVAC)에서 소비되고 있음을 확인하 였다(그림 1).
빌딩 내부의 사무실 및 주택에 사람들이 거주하게 되며 필수적으로 요구되는 사항은 좀 더 편안하고 쾌적한 환경 유지와 이를 위한 HVAC 기술 적용이 중요한 요소가 된다. 지난 많은 시간 동안에 HVAC 기술은 본질적인 성능 향상을 위한 노력과 더불어 에너지 소비를 최소화하기 위한 최적화된 설비 구축 노력이 진행되어 왔다.
그러나 실질적으로 에너지 절감을 위한 노력이 전체 HVAC 시스템의 통합적인 관리로 출발해야 하지만, 많은 경우에 각 냉동기나 보일러의 열 원설비의 성능 자체만을 고려하여 전체 시스템의 여러 운전 조건 변화에 따른 시스템 효율 저하에 대해서는 무관심한 경우가 많이 발생하고 있다.
이문희
IMI Hydronic Engineering 시스템 전문가, 부장 [email protected]
수배관 시스템(Hydronics)의 최적 설계를 위한 방안 으로 냉온수 순환수 배관 설계도를 기준으로 전산화 된 계산 방법을 이용하여 펌프양정 최적화 및 냉수 유량 제어 밸브 Authority를 확보함으로써 에너지 효 율 목표인 LEED Platinum 인증을 취득한 에너지 절 감 사례를 소개하고자 한다.
수냉식 냉방 시스템의
냉수 유량 제어를 통한
에너지 절감 사례
집중기획 기획 집중
빌딩에서 수배관 시스템의 에너지 소비는 시스 템 열원 설비인 냉동기(냉방), 보일러(난방) 등에 서 가장 많은 부분을 차지하는데, 이는 열량 사용 처로 냉온수를 순환하기 위한 펌프에서의 에너지 소비와 FCU, AHU 팬 모터, 유량 조절을 위한 컨트 롤 밸브의 구동기 그리고 빌딩 관리 시스템(BMS) 의 전기 소비에 따른 에너지 소비가 전체를 이루게 된다(그림 2).
그림 3에서 보면, 빌딩에서의 에너지 절감은 첫 째, 빌딩 건설 계획으로 단열재와 이중창 등 열 취 득 및 손실을 최소화하는 방법 등을 이용함으로써
많은 양의 에너지 절감을 위한 최선의 방법을 가질 수 있다. 그러나 초기 재료 투자에 따른 오랜 시간 의 투자 회수가 필요하게 된다. 둘째, HVAC 설비의 새로운 기술 사용과 수배관 시스템 설계의 최적화 설계를 통해서 에너지 절감을 이룰 수 있으며, 이와 같은 노력은 짧은 시간에 투자 회수가 가능하게 된 다. 마지막으로, 인적 인자를 들 수 있는데 사람을 통해서 HVAC 시스템으로의 개입을 최소화하고, 거 주자와 관리자의 교육 등을 통해서 올바른 HVAC 시스템의 운전을 할 수 있게 하는 것이다.
이와 같은 에너지 절감 노력 중에 짧은 투자 회 수기간과 효율적인 시스템 유지를 위한 수배관 시 스템 설계 최적화를 통해서 30% 이상의 에너지 절 감 효과를 볼 수 있게 된다.
본지에서는 수배관 시스템 최적화 설계를 위한 기술적인 이해와 방법에 대해서 서술하고, 이를 통 한 에너지 절감 사례에 대해서 설명하고자 한다.
ASIA SQUARE 타워
그림 4의 싱가포르의 Asia Square 타워는 복합
[그림 1] 빌딩내의 공기조화 냉동(HVAC) 제품 설치
열원
예 : 냉동기(전력)
보일러(천연가스/연료) 예 : 펌프 예 : FCU와 AHU의 팬(전력)
구동기(전력)
분배 터미널 유닛
[그림 2] 수배관 시스템 에너지 소비 영역
건물구조 (단열, 이중창,)
·에너지 절감의 최선 방법
·많은 에너지 절감
·오랜 투자 회수 기간
HVAC 설치
· 새로운 신기술 이용
· 순환수식 설계의 시스템적 접근
· 짧은 투자 회수 기간
인적 인자
· HVAC 시스템과의 간섭을 피함
· 세입자와 설비관리 팀 교육
· 끝이 없는 일
[그림 3] 빌딩내의 에너지 절감 노력
용도 개발로 계획하여 2013년 완공한 후 현재 운용 중이다. 빌딩은 총 사용면적 190,000 ㎡과 46층으로 완공되었으며 “Grade A”의 사무실과 총 305실의 웨 스턴 호텔로 사용 중이다. 건물 냉방을 위한 총 설 치 용량은 27,000 kW이다.
빌딩은 에너지 효율 관리 빌딩으로 LEED Plati - num 인증을 확보하였다. LEED 인증을 위하여 ASHRAE 90.1의 수배관 시스템 설비의 필요사항에 대해서 명확하게 준수하였으며 최소 펌핑 에너지 사용의 솔루션을 제시하였다. 열원은 싱가포르 지 역냉방공사의 열원을 사용하였고 열원 효율 유지 를 위하여 모든 부하 운전 조건에서 환수온도를 항 상 14℃ 이상을 요구하여 목표 환수온도가 유지되 지 않은 경우 SGD 100,000의 벌금을 내야하며, 매 년 T&C(Test & Commissioning)를 통해서 확인하게 된다.
ASIA SQUARE 타워 설계 지침
고객은 위와 같은 LEED PLATINUM 확보를 위 한 에너지 절감 운용 방안으로 수배관 시스템 설계
지침을 아래와 같이 제시하였다.
첫째, 냉수 유량 제어 밸브의 운전 제어성 확보 를 위하여 컨트롤 밸브 최소 Authority는 0.5 이상을 확보할 수 있어야 한다.
둘째, 냉수 유량 제어 밸브의 사이즈는 냉수 배 관보다 2DN 낮지 않아야 한다. 이는 일반적으로 유 량 제어 밸브의 Authority를 높이기 위하여 설계 유 량에서의 밸브 통과 차압을 높이기 위하여 밸브 사 이즈를 낮출 수가 있는데, 이는 결과적으로 순환로 의 유효차압을 높이기 때문에 펌프 양정 상승을 유 도한다. 따라서 제어 밸브 사이즈는 냉수 배관보다 도 2DN을 제안하였다.
셋째, 배관에서의 설계 압력 강하는 입상관/인 덱스 루트에서 150 Pa/m를 넘지 않아야 하고, 분지/
부분지관에서는 400 Pa/m를 넘지 않아야 한다.
그리고 LEED 인증의 중요한 부분인 시공 완료 후의 모든 설비에서의 시운전(T&C)과 리포트를 제 출하여야 한다.
위와 같은 수배관 시스템의 설계 지침에 따른 최 적화 설계를 위하여, 고객은 에너지 최적화를 위한 밸런싱과 유량 제어 솔루션을 제공하는 선두적인 기술 업체로서 TA HYDRONICS의 컨설팅 요청과 함 께 설계 단계에서부터의 시스템 전산화 계산을 통 한 설계 지침 사항을 충실히 따를 수 있는 여건을 확 보하였다.
프로젝트 개요
빌딩의 냉방은 2개의 입상관을 통해서 냉수가 공급이 되고, 각 입상관의 각 층의 AHU를 통해서 실내 냉방을 유지하고 있다(그림 5).
그림 6에서 냉수의 열원은 지역 냉방 설비로부 터 공급을 받으며, 열원 냉수는 각 6,691 kW 용량을 갖는 4개의 열교환기에 제공하여 빌딩 사용처로 분 배되고 있다. 냉수 분배 순환을 위해서 4개의 피크 부하용 펌프와 2개의 저부하용 펌프를 사용한다.
[그림 4] ASIA SQUARE 타워, 싱가포르
집중기획 기획 집중
각 AHU의 제품 시방서의 설계 유량에 따른 코 일 압력 강하는 7~48 kPa이다. 초기 설계회사의 유 량 분배 제어를 위한 설계는 2-way 컨트롤 밸브와 밸런싱 밸브로 구성되어 있다. 열교환기의 설계 유 량 압력강하는 78 kPa이며, 설계사의 초기 펌프 양 정은 300 kPa을 선정하였다. 이에 따른 터미널 분배 양정은 222 kPa로 설계되었다.
본 론
냉동기 효율 개선
냉동기 효율을 구하는 척도는 성능 계수(Coeffi - cient of Performance)인 COP의 결과로 나오며 이는 냉동기 시스템의 압축기 소비전력과 증발기 열전 달 능력의 비로 나타낸다(그림 7).
이때 냉동기는 압축기를 통해 고온 고압의 냉 매가 토출이 되고 응축기를 통해서 액냉매로 응축
된다. 응축된 냉매는 교축 팽창을 통한 팽창 밸브 를 통해 저온 저압 상태의 기체 상태로 증발기에 유입되고, 저온의 증발기는 수배관 순환 시스템의 공급수와 열전달을 이루게 된다. 냉각된 냉매와 공 급수의 열전달 크기가 증발기의 열전달 능력이 된 다. 냉동기 순환으로 냉매의 증발기 내부 온도는 거의 일정 온도를 유지하고, 열전달 이후의 수배관 시스템으로 가게 되는 공급 온도(
T
s)도 일정하기 때문에, 열교환 능력을 키우기 위해서는 수배관 순 환을 끝내고 돌아온 환수(T
r) 온도가 높아야 한다.이를 위한 두 냉매 매개체의 온도차를 대수 온 도차라고 하며, 대수 온도차가 크게 유지할수록 열 전달 능력이 커서 증발기의 성능이 커지고 이는 냉 동기의 성능 계수를 높이는 결과를 갖게 된다. 특 히, 수배관 시스템의 부분 부하에서 높은 환수 온 도 유지는 더욱 높은 성능계수를 갖게 된다.
그림 8에서처럼 본사에서 진행한 냉동기 시스
[그림 5] ASIA SQUARE 냉수 공급 흐름
≈
증발기 냉동수
응축기
Tr Tr
[그림 7] 냉동기 성능 계수 [그림 6] ASIA SQUARE 냉수 열원 흐름
템의 환수 온도 저감에 따른 냉동기 성능계수 변 화를 실제 설치 제품을 통한 시험을 통해서 구하였 다. 설치 조건은 703 kW의 냉동기가 설치되어 있 고 공급 온도(Ts)는 7도를 유지하였다. 환수 온도 12.5도 일 때 냉동기 성능계수는 5.0이 나왔고, 환 수 온도가 10.5도 일 때 성능 계수는 4.2를 갖게 되 었다. 즉, 환수 온도가 2도가 저하되었을 때 성능 계수는 15%의 효율 저하가 생겼다. 이를 통하여, 냉동기의 에너지 절감을 위한 성능 계수 향상의 필 수적인 요소는 높은 환수 온도 유지가 필요하게 되 고, 수배관 각 분배 시스템에서의 높은 환수 온도 를 갖기 위한 정확한 제어가 필요함을 알 수 있게 된다.
컨트롤 밸브 Authority
컨트롤 밸브 Authority는 컨트롤 밸브가 완전 개방일 때의 설계 유량에 대한 차압과 밸브가 완전히 닫히게 되 었을 때 증가된 컨트롤 밸브의 차압의 비로 나타낸다.
∆컨트롤밸브 완전차단
∆설계유량에서 컨트롤밸브
컨트롤 밸브 개도가 줄어들게 되면, 컨트롤 밸 브 유량계수(kV)도 줄어들고, 이는 순환로에서 유량 감소를 이끌게 된다. 순환로의 유량 감소는 순환로 배관 압력 손실을 감소시키고, 순환로의 설계 유량 에서 필요한 차압에서 감소 유량에서 발생한 차압 의 차이는 점진적으로 컨트롤 밸브의 차압으로 전 달하게 되며, 이는 일정한 차압에서 갖는 컨트롤 밸 브 자체에서 유량 특성이 왜곡됨으로써 유량 변화 가 유량 계수 변화만큼 줄어들지 않게 된다.
또한, 유량이 줄어들기 때문에 배관의 마찰 압 력 손실이 줄어들게 되고 이는 순환로에서의 총 유 효 차압 증가를 가져오게 된다. 총 유효 차압 증가 는 곧 컨트롤 밸브의 영향도를 감소시키기 때문에
12,5 11,5
4,2
4,4
4,6
5
10.5 5,2
5 4,8 4,6 4,4 4,2 4
11 12 13
환수온도 Tr(℃)
COP
[그림 8] 환수 온도 변화에 따른 성능 계수
[그림 9] 컨트롤 밸브 authority에 따른 특성 곡선 변화
집중기획 기획 집중
컨트롤 밸브 특성이 더 왜곡될 수가 있게 되고, 시 스템의 정확한 유량제어가 힘들게 됨을 의미한다.
그림 9는 컨트롤 밸브 authority 변화에 따른 특성 곡선 변화를 보여준다.
따라서 필요 유량이 줄어드는 부분 부하에서 컨트롤 밸브 및 터미널의 차압 변화를 최소화하거 나 일정하게 유지하기 위해 차압 제어기(Dp Con- troller)의 필요성이 제기 된다.
차압 제어기
차압 제어기는 순환로에 속한 컨트롤 밸브, 터 미널과 함께 측정 밸브와 통합으로 시스템 배관에 설치하게 된다. 그림 10에서처럼 차압 제어기는 유량 변화에 따른 유효 차압의 변화를 갖게 되는 컨 트롤 밸브와 터미널의 차압 변화를 보상하기 때문 에 항상 컨트롤 밸브 후단 또는 터미널 출구에 설치 하게 된다.
차압 제어기를 설치하면 순환로 컨트롤 밸브의 차압 변화가 거의 없거나 일정하게 유지하기 때문 에 컨트롤 밸브의 특성 왜곡 현상이 없어지며, 이 에 따른 부분부하에서 필요 유량과 필요 열량의 정 확한 제어가 된다.
차압 제어기 동작원리는 순환로 공급수 배관에 연결된 고압 유동이 있는 측정 밸브와 터미널 출구 쪽에 설치된 저압 유동이 있는 차압 제어기를 모세 관 연결을 하게 된다(그림 11).
컨트롤 밸브가 완전 개방일 때 설계 유량에 초 기 설정된 차압제어기는 작동을 하지 않으며, 유량 이 줄어들게 되는 부분부하에서 컨트롤 밸브의 개 방이 줄어들게 된다. 차압이 컨트롤 밸브로 전달되
기 전에 차압 제어기는 순환로 차압의 변화를 감지 하고, 차압 제어기 내부의 스프링 압력을 증가하여 순환로에 걸리는 유효차압을 흡수하게 된다. 이렇 게 됨으로써 컨트롤 밸브의 차압은 개도 변화에 따 른 유량변화가 있더라도 항상 일정 차압을 유지하 게 되며 컨트롤 밸브가 갖는 특성이 왜곡되지 않도 록 시스템의 정밀 제어를 할 수 있게 된다.
수배관 시스템 해석 프로그램
범용적인 전산 프로그램인 TA SELECT 4는 수 배관 시스템의 모든 분배 배관을 포함한 펌프 양 정, 배관 사이징, 배관 압력강하, 그리고 밸브류 사 이징 및 컨트롤 밸브 Authority를 계산하는 프로그 램이다. 또한, 전체 체적 유량 계산과 펌프 양정 계 산에 따른 냉난방 운전 온도 범위에서의 수배관 시 스템 회로 내의 일정 정압을 유지하기 위한 팽창 탱크 크기 계산과 수처리 설비의 제안도 가능하다 (그림 12).
수배관 시스템 계산 프로그램인 TA SELECT 4 계산을 위한 변수는 단지 배관 길이, 터미널(AHU/
ΔPstab
ΔPstab
[그림 10] 차압 제어기 설치 [그림 12] 수배관 시스템 계산 S/W
측정 밸브
차압 제어기
차압 +
-
DH
+유량 측정
안정화차압
[그림 11] 차압 제어기 작동 원리
FCU 등)의 설계 유량(또는 동력) 그리고 터미널 열 교환기의 설계 유량 압력 강하 값만 필요하게 된다.
TA SELECT 4는 변유량 펌프를 사용하는 경우에 있어서 최적의 에너지 절감을 위한 인덱스(Index) 순환로의 위치를 제공하여 준다. 인덱스 순환로에 대한 차압 센서 설치를 통해서 펌프의 에너지 절감 효과를 높일 수가 있다.
본 프로그램은 국내 엔지니어들에게 범용적으 로 사용할 수 있도록 대한설비공학회(www.sarek.
or.kr)에 등록되어 있다.
결 과
Asia Square 타워의 초기 설계는 냉수 유량 제 어를 위하여 각 AHU 순환로에 2-way 컨트롤 밸 브와 밸런싱 밸브로 구성되어 있다. 초기 설계 기 준으로 모든 배관 사이즈를 설계값과 동일하게 하 여 TA SELECT 4를 이용하여 시스템을 계산하였다.
그림 13의 계산 결과 컨트롤 밸브의 Authority는 0.05~0.17이며 이는 목표값 0.5와 큰 차이를 갖는 다. Authority가 0.25 이하일 경우 컨트롤 밸브의 운 전 특성이 즉각 개방 또는 온오프 제어의 특성과 같 이 왜곡되어 터미널의 부하 운전에 대한 요구 유량 제어를 할 수 없게 된다. 즉, 많은 경우에 부분 부하 에서 과유량이 흐르게 되고 열원 환수 온도 저하로
바로 이어지게 된다. 또한, 비례 제어 밸브 특성의 밸브 구입 후 온오프 제어 밸브와 같은 특성으로 운 전하게 된다면 비싼 비례 제어 밸브의 투자 낭비의 결과를 갖는다.
그림 14에서처럼 초기 설계 기준에 따른 분배 펌프 양정 계산 값은 126 kPa 이 나왔다. 이는 설계 사에서 선정한 분배 펌프 양정(222 kPa)보다 낮게 나오고 있다. 이유는 컨트롤 밸브의 authority 값이 낮게 나오는 이유로서 배관과 컨트롤 밸브의 사이 즈가 과대설계 되어 있기 때문이며 배관 압력 강하 및 컨트롤 밸브 통과 차압이 낮기 때문이다. 표 1 처럼 배관과 컨트롤 밸브 과대설계은 과투자비의 원인이다.
비례 제어 컨트롤 밸브의 낮은 Authority로 인 한 온오프 밸브와 같은 작동은 밸브 비용 낭비는 표 1과 같다.
온오프 제어는 부분 부하에서 각 AHU에서 과유 량의 흐르게 되고 이는 터미널 환수 온도의 저하와 함께 펌프 유량 증가를 갖게 된다. 펌프의 유량 증가 는 높은 펌핑 비용을 유발하게 된다. 그림 15의 결 과는 본사에서 진행 100개의 동일한 설계유량을 갖 는 터미널에서 온오프 제어를 하였을 때 유량 변화 결과값을 보여준다. 50% 부하에서, 시스템의 총유 량은 총 설계 유량의 77%에 도달하게 된다. 이것은 50% 부하에서 요구 유량에 대하여 54% 증가이다.
따라서 50% 부하 운전에서 온오프 제어 시스 템의 과유량에 따른 연간 펌핑 운전 비용 증가는
[그림 13] 초기 설계 기준 수배관 시스템 계산 결과 [그림 14] 초기 설계 기준 수배관 시스템 펌프 양정 계산 결과
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54%의 유량 증가에 비례적으로 증가하게 되며 총 SGD 43,880의 불필요한 펌핑 비용을 갖는다(표 2, 표 3).
불안정한 제어(온오프)는 AHU의 과유량과 함 께 환수 온도 저하를 갖게 되고 이는 지역난방공사 의 목표 환수 온도인 14℃를 도달하기 힘들다. 이는 지역난방공사의 벌금 비용 증가와 함께 지속적인 에너지 낭비의 원인이 된다.
표 4에서 보듯이, 만약 지역 냉방 열원이 아니 고 일반적인 냉동기 열원을 사용하였을 경우 냉동 기의 환수 온도 변화에 따른 냉동 성능 계수(COP) 저하와 함께 연간 부분 부하 에너지 효율(IPLV)을 감안한 연간 에너지 소모량은 다음 표와 같으며, 낮 은 COP로 인한 운전 비용 증가가 SGD 446,265가 된다.
초기 설계 기준으로 한 결과는 컨트롤 밸브의 낮은 Authority로 인해서 수배관 시스템의 불안정한
0% 20%
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0% 40% 80% 100%
System load
Total system flow
60%
[그림 15] 온오프 제어의 부하 운전에 따른 유량
<표 1> 온오프 제어 결과에 따른 유량 제어 밸브 투자비 비교 사이즈
(DN) 수량 비례제어
(SGD) On-off 제어
(SGD) 총 차이 (SGD)
15 2 135 55 160
20 11 142 62 880
25 6 153 68 510
50 47 295 270 940
65 31 493 422 2201
80 1 514 472 42
100 7 836 812 168
총 비용 차이(SGD) 4901
<표 2> 온오프 제어의 부분 부하 과유량에 따른 펌핑 비용 펌프양정
(m) 유량@50%
(l/s) 전력소비
(kW) 펌프 수 총 운전 (hr/yr) 1 kWh
(SGD) 연간비용
(SGD)
30 154 36.51 4 2,570 0.2 75,065
30 64.45 20.15 2 6,190 0.2 48,898
@50% 부하 총 펌핑 비용 124,963
<표 3> 안정한 비례 제어의 부분 부하 과유량에 따른 펌핑 비용 펌프양정(m) 유량@50%
(l/s) 전력소비
(kW) 펌프 수 총 운전 (hr/yr) 1 kWh
(SGD) 연간비용
(SGD)
30 100 23.71 4 2,570 0.2 48,743
30 42.5 13.09 2 6,190 0.2 32,340
@50% 부하 총 펌핑 비용 81,083
<표 4> 냉동기의 연간 에너지 소모량 비용 냉동기 용량
(톤) COP 냉동기수 소비전력
(kW) 총 운전
(hr/yr) 1 kWh
(SGD) 연간 운전
(SGD)
1270 5 6 893 8760 0.2 4,870,000
1270 4.2 6 1064 8760 0.2 5,316,265
* Calculations based on ASHRAE recommendations published in ASHRAE Transactions 2012, Vol. 118, Part 1, article by Stephen W. Duda, PE “Easy-to-Use Methods for Multi-Chiller Plant Energy and Cost Evaluation”.
제어를 하게 됨을 제시하였다. 이에 따라 IHE는 컨 트롤 밸브의 부분부하 운전 차압 변화를 최소화하 기 위하여 각 AHU의 컨트롤 밸브에 차압 제어기를 적용하였다(그림 16).
그림 17, 그림 18에서 보면 차압 제어기 적용 TA SELECT 4 모델링 결과 모든 AHU 컨트롤 밸브 의 Authority는 최소 0.48을 갖게 되었다. 또한, 분배 요구 펌프 양정은 143 kPa이 나왔으며 초기 설계 펌 프 양정(222 kPa)에서 36% 감소 효과를 보았다.
차압 제어기 적용 결과의 Authority 0.48은 컨 트롤 밸브의 안정적인 비례 제어 결과를 가져오며, 양정 감소에 따른 연간 펌핑 비용의 SGD 58,960 절 감 효과를 갖는다(표 5, 표 6).
TA SELECT 4를 이용한 수배관 시스템 모델링 은 변유량 시스템에서의 인덱스 순환로를 계산하 여 표시하여 준다. 이는 인덱스 순환로에 변속 펌 프의 차압 센서를 설치함으로써 부분 부하에서의 펌프 양정 절감 효과를 가져 올 수 있으며, 반 부하 에서 거의 50% 이상의 펌프 양정 감소를 가져 오 게 된다.
그림 19를 보면, 모델링 결과 인덱스 순환로 위 치 제시와 함께 50% 부하 운전에서의 설계 유량 기 준으로 펌프 양정은 105 kPa이다.
표 7의 비교처럼, 인덱스 순환로의 차압 센서 설치와 함께 운전하는 변속 펌프의 반부하 운전에 서의 연간 펌핑 비용 절감 효과는 SGD 145,402이다.
[그림 16] 차압 제어기 적용
∆
∆
<표 5> 초기 설계 기준 펌핑 비용 펌프양정
(m)
설계유량 (l/s)
전력소비
(kW) 펌프 수 운전시간(hr/yr) 1 kWh
(SGD)
연간비용 (SGD)
30 154 64.66 4 2,570 0.2 132.834
30 83 35.7 2 6,190 0.2 88.265
총 펌핑 비용 221,099
<표 6> 차압 제어기 적용 펌핑 비용 펌프양정
(m)
설계유량 (l/s)
전력소비
(kW) 펌프 수 운전시간(hr/yr) 1 kWh
(SGD)
연간비용 (SGD)
22 154 47.42 4 2,570 0.2 97,411
2 83 26.17 2 6,190 0.2 64.728
총 펌핑 비용 162,139
집중기획 기획 집중
IHE의 모델링 결과를 기준으로 AHU의 차압 제 어기 및 변속 펌프의 차압 센서를 인덱스 순환로에 설치하여 건설이 진행되었으며, 2013년 6월 완공 후 최종적인 T&C를 3개월 운전 기준으로 진행하였다.
T&C는 LEED PLATINUM 과제인 부분 부하에서 의 펌핑 비용 절감과 모든 컨트롤 밸브의 Authority 값과 열교환기 환수 온도 측정을 하였다.
그림 20은 컨트롤 밸브의 완전 개방과 밀폐에
서의 차압 측정 결과이며, Authority 값이 0.5의 결 과를 갖는다. 그림 21은 열교환기 환수 온도 측정 결과이며 모든 부하 운전 조건에서 14℃ 이상을 갖
[그림 17] 차압 제어기 적용 계산 결과 [그림 18] 차압 제어기 적용 계산 결과
[그림 19] 인덱스 순환로 위치와 반부하 펌프 양정
[그림 20] T&C : 컨트롤 밸브 authority : 0.5
<표 7> 인덱스 순환로 차압 센서 적용 펌핑 비용 비교 펌프양정
(m) 설계유량
(l/s) 전력소비
(kW) 펌프 수 운전시간(hr/yr) 1 kWh
(SGD) 연간 비용
(SGD)
22 154 47.42 4 2,570 0.2 97,411
2 83 26.17 2 6,190 0.2 64.728
완전 부하 총 펌핑 비용 162,139
11.3 31 10.78 4 2,570 0.2 10,080
11.3 17 6.93 2 6,190 0.2 6,657
반 부하 총 펌핑 비용 16,737
[그림 21] T&C : 열교환기 환수 온도 : 14도 이상
는다. 그림 22에서 부분 부하 펌프 양정이 111 kPa 운전 결과를 보여 준다.
결 론
정확한 밸런싱 및 컨트롤 솔루션과 T&C 과정이 없다면 많은 에너지 낭비와 함께 투자/운전 비용이 발생한다. 차압 제어기를 이용하여 컨트롤 밸브의 차압을 일정하게 유지 하여 높은 Authority를 확보 함으로써 부분 부하 운전에서 요구 유량 제어의 안
정성을 갖을 수 있다.
또한, 가변 펌프 차압 센서의 인덱스 순환로 설 치를 위한 TA SELECT 4를 이용한 전산 모델링의 결과와 이에 따른 시험 결과는 매우 정확한 결과를 가져오며, 충분한 에너지 절감 효과를 기대할 수 있었다.
TA SELECT 4 계산을 통해서 IHE는 최적의 밸런 싱과 제어 솔루션을 선택하여 최적의 배관 사이즈 선정을 돕고, 최적의 유효 펌프 선정을 통해서 컨트 롤 밸브의 Authority 보장, 펌프 양정 최소화와 함께 지역 냉방회사의 벌금을 피하는 환수 온도 향상을 가져와 고객의 요구와 기대를 만족할 수 있었다.
참고문헌
1. TOTAL HYDRONIC BALANCING, TOUR&AND- ER SSON, Robert Petitjean, 2009.
2. ENERGY INSIGHT, TOUR&ANDERSSON, Jean- Christope Carette, 2011.
3. Mastering Variable Flow Distribution, TOUR&
AND ERSSON, Jean-Cristope Carret, 2010.
[그림 22] T&C : 변속 펌프 부분부하 펌프 양정 : 111 kPa