집중기획
라태상
(주)경동나비엔 차장 [email protected]
조항남
(주)경동나비엔 대리 [email protected]
권오영
롯데건설(주) 상무 [email protected]
서 론
최근 기후 조건의 급격한 변화에 따라 건물의 에너지 소비량 증대로 상업용 시설과 주택 시장에서 에너지 절감형 시스템을 선호하고 있다.
국가 정책으로 신축 및 공공 건축물의 경우, 2010년 이후 인·허가 기준을 지속적으로 강화하여 30% 이상 에너지 성능을 향상시키고 있으 며, 기존 건축물(685만 동)의 경우 에너지소비 증명제 등 자발적 에너지 절약 유도 정책에 집중하고 있다.
이처럼 에너지 절약과 친환경 기술이 요구되는 현시점에서 고효율 장비 개발에 심혈을 기울이고 있으며 그 방법으로는 대용량 에너지기기 를 소용량으로 분할하여 운전대수를 제어하는 방법, 온오프 제어, 스텝 또는 비례제어방법, 이용 가능한 배기열을 회수하여 재활용하는 방법, 고효율 열교환 기술 등이 연구 개발되고 있다.
쾌적한 생활환경을 위한 난방 및 급탕 시스템에도 이러한 방법을 적 용하여 소형 콘덴싱 보일러, 온수기를 병렬 제어하는 장비가 바로 “캐스 케이드 시스템”이다.
따라서 난방 및 급탕 캐스케이드 시스템의 특징과 국내 설치 사례를 소형보일러와 온수기를 병렬로 연결하여 용량을 증 대한 캐스케이드 시스템의 국내 설치사례를 소개하 고자 한다.
캐스케이드 시스템 특징과 국내 설치 사례
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소개하고자 한다.
캐스케이드 시스템의 특징 난방 캐스케이드 운전 특징
1. 열원과 부하 측의 유량 및 온도차를 극복할 수 있는 L.L.H(Low Loss Header)1)를 적용한다.
2. 사용되는 부하 열량을 계산하여 보일러 대수 운 전 여부를 판단하고 제어한다.
3. 보일러의 운전대수 제어에 의한 순환펌프(유량) 분할 대수제어를 한다.
4. 부하 측에 중앙난방 순환 펌프방식과 존별 제어 순환펌프 방식을 선택한다.
사용자가 원하는 온도 설정을 하고 열원장비를 운전하면, 실내 부하변동에 따라 소형의 보일러가 순차적으로 적정 용량에 맞도록 운전대수를 자동 으로 조절하는 난방 캐스케이드 시스템은 표 1과 같다.
급탕 캐스케이드 운전 특징
1. 낮은 급수 온도에 따른 콘덴싱 효과로 운전 효율 이 높아 에너지가 절약된다.
2. 순간급탕방식일 경우 저탕탱크를 적용하지 않아 위생성이 향상되며, 부하에 따른 맞춤 용량(운전 대수) 제어로 에너지가 절감된다.
1 L.L.H(Low Loss Header) : 열원측과 부하 측의 중간에 위치하 여 부하 측에 열량이 필요치 않을 경우, 열원측 급격한 온도 변화에 대한 유연한 온도 대응 및 유량 밸런싱을 통해 시스템이 안정되게 운전되도록 역할을 하며, 상부에 설치된 A.A.V(Auto Air Vent)를 통해 운전 중 발생된 배관내의 에어 제거 및 하부로 스케일을 원활 하게 포집하여 제거할 수 있다(시스템 터치패널 GUI 참조).
3. 환탕용 순환 펌프를 온수기 외부에 적용하여 원 거리 순환이 가능하다.
4. 순간급탕 부하 적용으로 열원장비(온수기)의 열 용량 합계가 높아질 수 있다.
사용자가 원하는 온도 설정을 하고 온수 사용 시, 온수사용량에 따른 온수온도를 일정하게 하기 위해 소형의 온수기가 순차적으로 적정 용량에 맞 도록 운전대수를 자동으로 조절하는 급탕 캐스케 이드 시스템은 표 2와 같다.
캐스케이드 시스템 제어
캐스케이드 시스템 설명
1. 중앙관제시스템 연동 시 캐스케이드 제어 표준 프로토콜(Modbus TCP/IP)을 제공한다.
2. 원격케어 기능으로 무인화 운전이 가능하다.
3. 터치 스크린 기반의 열원제어 시스템이다.
4. 난방 2차 순환펌프 제어(A/B 교번 스위치 기능) 를 한다.
5. 단상/삼상 순환펌프제어 기반의 자동제어를 한다.
6. 부하량을 측정하여 필요한 열량만큼 열원을 생 산하는 알고리즘을 적용한다.
<표 1> 난방 캐스케이드 시스템 제어 개념
난방 부하 부하측 L.L.H 열원측
- 온도설정 - 전원 ON/OFF
- 순환펌프 운전 - 제어밸브 열림
- 4개소 온도 측정 - 열량 계산 - 보일러 운전제어
- 순환펌프 운전 - 보일러 운전 - 공급온도 제어
<표 2> 급탕 캐스케이드 시스템 제어 개념
급탕 사용 서브 온수기 메인 온수기 - 온도설정
- 전원 ON/OFF
- 급수 공급 - 공급 열량 계산 - 유량조절밸브 제어
- 부하에 따른 대수 제어
- 운전시간에 따른 교번제어
7. 인터넷을 이용한 원격 관리 시스템을 구축한다.
터치패널의 GUI를 통해 보일러의 운전대수, 각 부분의 온도 현황, 공급온도의 설정, 운전 상태, 에 러정보 등 시스템 정보를 손쉽게 파악 및 운전할 수 있다(그림 1).
캐스케이드 시스템에서 에러가 발생하면 자동 으로 A/S 기사에게 접수되어 현장의 관리자보다 빠
르게 문제를 해결 할 수 있는 장점이 있다(그림 2).
국내 캐스케이드 시스템의 시공 사례
호텔
서울 중구 명동에 위치한 호텔 스카이파크 센 트럴점은 기존의 오피스 업무시설을 외국인 전용 호텔로 리모델링한 현장으로 지하 7층, 지상 15층
[그림 3] 호텔 전경
[그림 5] 장비 설치 사진
[그림 4] 장비 설치 사진
[그림 6] 장비 설치 사진
에러 발생
고장 수리
에러 상황 발송
수리 내역 전산 입력 고객 및에러정보발송
고장 수리 완료 수리 내역 전송 및 해피콜 통화 본 사
고객
캐스케이드 현장 A/S 기사
[그림 2] 원격케어 시스템 [그림 1] 캐스케이드 시스템 터치판넬 GUI
(Graphical User Interface)
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(312객실) 규모이다.
숙박업소의 특성상 부하 변동이 많을뿐만 아니 라 기존의 오피스 건물을 용도 변경하면서 급탕 사 용량이 증가하여 별도의 신규 온수보일러의 증설이 요구되었다. 그러나 기존의 기계실 설치 공간 및 배 기연도 추가 등의 설치 제약으로 인해 건물 옥상층 여유 공간에 에너지 절감, 환경문제, 설치 편의성 등 을 고려하여 급탕 캐스케이드 시스템을 설치하였다.
현재 해당 호텔의 체인 4호점에 순간급탕 공급 방식으로 가스온수기 35대를 연결한 급탕 시스템 이 2014년 4월부터 운용 중이며, 명동 및 주변에 위 치한 1호점에 25대, 2호점에 33대, 3호점에 33대가 운용 중이다(그림 3~그림 6).
체육시설
서울 송파구 잠실에 위치한 잠실운동장 제1수 영장은 전체면적 8,073 ㎡, 필드 : 4,710 ㎡, 경영 풀 : 1,250 ㎡(25 m×50 m), 다이빙 풀 : 625 ㎡(25 m×
25 m), 유아 풀 : 108 ㎡(6.5 m×16.6 m), 수용 인원 :
8,000명을 수용할 수 있는 시설로 ‘86아시안 게임’과
‘88올림픽 경기’가 열렸던 곳으로 유명하다.
그러나 이후 시설 관리 유지비용의 한계 등으 로 안전성 검사에서 D등급 판정을 받아 개보수를 진행했다. 이때 이용자 편의시설인 샤워시설을 증 설하면서 한정된 기계실과 신규 보일러의 배기 연 도 설치문제로 고민하던 중 설계사무소와 제조사 의 제안을 통해 2013년 10월, 가스온수기 28대를 벽 면에 2단으로 설치하여 공간 활용을 통한 콤펙트한 설치를 하여 운용 중이다.
하루 평균 수용 인원이 약 200여 명으로 샤워 용수 등 많은 에너지를 사용하는 만큼 연료소비량 도 비례하여 소요되는 반면 장비 교체 후 약 30%의 에너지 절감, 다양한 설치 공간 활용, 운전 소음 감 소, 일부 장비 고장 시에도 나머지 장비의 계속 운 전 가능 등, 시설 관리 운용자에게 만족감을 주었 다. 그리고 2015년 2월에 가스온수기 28대를 추가 증설하여 현재 가스온수기 56대를 순간급탕 공급 방식으로 운용 중에 있다(그림 7~그림 11).
[그림 7] 잠실운동장 제1수영장 전경 [그림 8] 사용 중인 장비 사진 [그림 9] 사용 중인 장비 사진
[그림 10] 추가 장비 설치 사진 [그림 11] 추가 장비 설치 사진
경동나비엔 서탄공장
경기도 평택시 서탄면에 위치한 경동나비엔 서 탄공장은 쾌적한 생활 환경을 위한 난방, 환기 제 품 생산 공장으로 연면적 94,875 ㎡(약 28,694평) 규모이다.
제조사의 신제품 장비를 신규 공장 사무복지동 의 난방 및 급탕 시설에 설계 적용하고, 직접 감리 및 기술지원을 통해 설치 사용함으로써 직원의 복 지증진에 일익을 담당하고 있으며, 공장 방문객 또
는 직원에게 교육 및 홍보용으로도 활용하고 있다.
난방 시스템으로는 가스보일러 8대가 설치되어 식당 주방급기 공조기와 탈의실(남, 여)의 바닥 난방 을 담당하고 있으며, 공장 근로자를 위한 복지시설 인 탈의실 샤워 시설에 급탕 시스템 가스온수기 12 대(급탕)가 순간급탕 공급방식으로 설치되어 운용되 고 있다.
국내 최초로 한국가스안전공사 코드 개정에 따 른 PVC 재질의 배기연도를 적용하였으며, 복합배기
[그림 15] 서초 리슈빌 S글로벌 건물 전경
[그림 17] 난방 설계 계통도
[그림 16] 기계실 장비 설치 사진
[그림 18] 급탕 설계 계통도
[그림 12] 경동나비엔 서탄공장 전경 [그림 13] 난방 캐스케이드 시스템 [그림 14] 급탕 캐스케이드 시스템
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통(하나의 배기통에 6대까지 연결)을 건물 옥탑(40 m)까지 연결하여 설치하였다(그림 12~그림 14).
도시형 생활주택(서초리슈빌S글로벌) 서울시 서초구 우면동에 위치한 지하 4층, 지상 10층 규모의 도시형 생활주택(오피스텔 시설)이다.
설계 당시 에너지 절약 제품의 설계 반영(에너 지 효율 1등급 제품 또는 고효율 보일러 적용)과 실 내 전용면적 증대, 소음 감소, 설치비용(저압가스 사용제품) 절감, 설치 편의성을 고려한 장비 거치 대와 하부 연결배관 부속이 일체화된 모듈방식을 적용하였고 강제 배기(FE)방식으로 지하 기계실에 장비를 설치하였다.
난방 시스템으로 가스보일러 14대와 급탕 시스 템으로 가스온수기 21대를 급탕탱크(12 Ton)에 연 결하여 저탕식 급탕 공급방식으로 캐스케이드 시 스템을 구성하였다.
자동제어의 경우, 기계실 내 N.C.S(Navien Cas
cade System)가 설치되어 방제실에서 장비의 운전 상태와 온도 설정, 장비에러 확인, 온오프가 가능하 도록 상위 중앙관제 시스템과 연동할 수 있다. 그리 고 올헤 4월부터 시범 운영되는 경동나비엔 원격케 어 서비스(서비스 센터 상황실 서버와 인터넷으로
연결되면 사용자가 인지하지 못하더라도, 서비스센 터 상황실에서 장비 운용상태를 확인 및 관리하는 서비스)가 적용될 예정이다(그림 15~그림 18).
캐스케이드 시스템 적용 시 장점은 표 3과 같다.
결 론
캐스케이드 시스템은 고효율의 소형 콘덴싱 가 스보일러 또는 가스온수기를 이용하여 사용처의 부하에 맞추어 최적의 대수 운전이 가능하도록 제 어 알고리즘을 적용한 시스템이다.
인류의 공통 과제인 에너지의 효율적 이용과 지구온난화 등 환경 문제로 인한 국내외 환경물질 규제제도와 고효율 기기의 판매 장려 지원제도, 에 너지 절감 설계기준 강화 등을 고려하면, 향후 다 양한 분야에서 고효율의 에너지 장비 사용은 피할 수 없는 흐름이 될 전망이다. 따라서 난방 및 급탕 시스템에서도 에너지 소비효율 1등급인 소형 콘덴 싱 장비를 기반으로 하는 캐스케이드 시스템 등은 고효율 친환경 장비의 새로운 표준으로서 향후 활 발하게 확대 보급될 것으로 기대된다.
참고 문헌
1. 경동나비엔 CM팀 캐스케이드 시스템 설치 사례 자료.
2. 한국가스안전공사, 2013, KGS FU551(도시가스 사용시설의 시설·기술·검사 기준).
3. 한국가스안전공사, 2013, KGS AB131(강제배기 식 및 강제급배기식 가스온수보 일러 제조의 시 설·기술·검사 기준).
4. 한국가스안전공사, 2013, KGS AB135(가스온수 기 제조의 시설·기술·검사 기준).
5. 경동나비엔 캐스케이드 홈페이지(http://www.
cascade.co.kr).
<표 3> 캐스케이드 시스템 적용 시 장점
1 현장 사용 조건에 따라 20~40%까지 가스 사용량을 절 감할수 있다.
2 물의 설계부하에 따른 적정 용량의 장비 선정 가능 3 초기투자비 절감, 설치공간의 감소
4 선진 유럽의 EN규격 부합화에 따른 열원장비 운전의 신 뢰성 향상
5 용도 변경에 따른 열원용량 증설 용이
6
복합배기통 STS 연도, PVC 재질 연도 설치 가능(한국 가스안전공사로부터 설계 단계에서부터 인증을 받은 제 품에 한함)
7 터치판넬 콘트롤 패넬 적용 또는 상위 중앙관제 시스템 (Modbus 방식)과 연동
8 원격 케어 시스템 제공
