캐스케이드 시스템
(Cascade System, 소용량 온열원의 멀티 제어 방식)
일반원고
김 영 균 / 경동 나비엔 SE부문 부문장([email protected]) 김 성 진 / 경동 나비엔 상품기획팀 차장([email protected])
소용량 보일러 또는 온수기 다수를 병렬로 연결하여 중대형 용량을 구현한 방식으로 그 특징을 소개하고자 한다.
서 론
지구 온난화로 인한 이상기후에 따라 여름철 삼복더위와 겨울철 한파 기간이 길어져 건물에 서 필요로 하는 에너지 사용량을 증가시키고 있 다. 이에 따라 우리나라의 전력 예비율은 매년 위 험 수준에 머무는 시간이 길어지고 있으며 화석 연료의 사용량도 증가하게 된다. 화석 연료의 사 용량 증가는 지구 온난화를 촉진하게 되어 악순 환이 반복되므로 이를 방지하기 위해 신재생 에 너지의 활용 등 많은 연구가 진행되고 있으나 과 도한 초기 투자비와 운전 효율성 등으로 현재로 서는 경제성을 갖췄다고 보기 어렵다.
또한, 에너지절약계획서에서의 에너지 성능 지표를 보면 난방 기기와 급탕 보일러의 배점 합 계가 건축분야의 단열 성능 다음으로 높은 것을 알 수 있다. 이는 우리나라 건물에서 난방과 급탕
이 중요하다는 것을 보여준다고 판단된다.
따라서 온열원을 중심으로 환경성뿐만 아니 라 경제성, 유지관리성, 위생성, 유연성 등을 모두 고려한 시스템 개발이 병행되어야 할 것이다.
이처럼 건물의 에너지 절약에 있어서 시장의 필요성을 충족할 수 있는 것 중에 하나가 소용량 의 콘덴싱 열원기기를 멀티로 연결한 방식(이하 Cascade System, 캐스케이드 시스템)이 아닐까 생각하면서 그 특징에 대하여 알아보고자 한다.
Cascade System의 개요
시스템에서의 멀티 제어 방식은 열원 장비뿐
만 아니라 부하 장비에도 적용되고 있는 방식이
다. 대표적으로는 냉방 방식에서 멀티 시스템 에
어컨을 비롯하여 관류형 증기 보일러의 병렬 제
어 방식, 급수용 부스터 펌프와 공기조화기의 직
결 구동형 멀티 팬 등도 여기에 해당된다고 볼 수 있다.
특히 관류형 증기보일러를 멀티로 연결하여 노통 연관 증기 또는 수관 보일러 이상의 용량을 구현하고 적용하는 방식은 온열원 시스템이라는 공통점을 갖고 있다. 이러한 방식들은 필요한 에 너지만큼만 생산하거나 이송한다는 의미에서 부 분 부하에 능동적으로 대처하므로 운전 효율을 높일 수 있다. 그리고 다수의 기기가 설치되기 때 문에 일부 고장 시에도 에너지 공급에 연속성을 유지할 수 있고 시스템 운전의 신뢰성이 높다는 공통점을 갖고 있다
소개하고자 하는 Cascade System도 부하 측 에서 요구하는 열량만큼만 생산하는 방식이다.
다시 말해서 Cascade System은 소용량의 고효율 콘덴싱 가스 온수 보일러 또는 온수기를 멀티로 연결하여 중대형 용량을 구현하고 열원의 연소 제어 기술과 시스템에서의 대수제어 기술로 시시 각각 변하는 부분 부하에 꼭 맞는 열량을 공급하 여 과잉열량으로 인한 운전 효율의 저하를 방지 할 수 있는 이상적인 시스템 중 하나이다.
그림1은 가스 온수기로 미국에서 Cascade System을 구성한 사진이다.
소형 열원 기기의 특징
우리나라에서 판매되는 주택용 소형 보일러 는 연간 약 150만대가 판매되고 있다. 이러한 소 형 보일러의 특징으로는
첫째, 공장에서 대량생산을 통해 높은 품질과 저렴한 원가 경쟁력을 갖추고 있다. 정밀한 작업 을 요하는 공정의 자동화율과 부속류의 표준화율 을 높여서 작업 공정의 최소화를 통해 동일한 제 품을 생산함으로써 높은 품질과 상대적으로 낮은 단가를 유지할 수 있다.
둘째는 설치 공간을 최소화하고 초급 기술자 가 설치할 수 있다. 누구나 운반할 수 있을 만큼 작고 가벼우며 설치 시 현장의 공정을 최소화하 여 짧은 시간에 혼자 설치할 수 있도록 설계됐다.
셋째는 일반인이 관리하며 거주 영역에 설치 하는 만큼 제어의 용이성과 안전성이 강화됐다.
설치 환경에 적합한 최적의 운전조건을 찾아 스 스로 제어할 수 있으며 세대 내에 설치되기 때문 에 2중 3중의 안전장치를 갖추고 있다.
뿐만 아니라 열원 기기에 이상이 발생될 때에
는 전국에 분포되어 있는 A/S 네트워크와 24시간
이용할 수 있는 콜센터를 통해 언제나 전문가의
도움을 받을 수 있다.
넷째, Cascade System에 적용되는 소용량의 온수 보일러와 온수기는 콘덴싱 기술이 있어서 고효율 운전을 한다. 콘덴싱 보일러의 총발열량 (고위 발열량) 98.1%는 이론적인 연소 효율에 있 어서 정점에 도달했다고 볼 수 있으며 연소 공식 에서 확인할 수 있는 것처럼 총 발열량의 약 10%
에 해당되는 증발열을 이용하는 기술이다.
“CH
4(메탄)+2O
2(산소)
→ 2H2O(수증기)+CO
2(이산화탄소)+열”
도시가스 1 Nm
2= 9,420 kcal + 1,010 kcal = 10,430 kcal (진발열량)(증발열 = 응축열)(총발열량)
다섯째, 기기 내에 관수량이 거의 없어 장비 내의 예열 부하에 따른 손실 열량이 매우 작다. 건 물은 대부분 간헐 냉난방을 하므로 시스템의 규 모 즉, 관수량에 따라 예열부하량이 정해진다. 소 용량의 온수 보일러와 온수기의 관수량은 진공 온수 보일러 대비 약 5% 수준이다. 이는 기기의 내부 관수량에 의한 예열 부하가 존재하지 않아 서 온수의 생산 시간이 짧아 부하 대응이 쉽고 운 전 효율의 저하를 방지할 수 있음을 말한다.
그리고 정밀한 가스양 제어를 통해 TDR(Turn down ratio) 10%를 구현하는 등 많은 첨단 장치 와 편의 제원이 작은 체적 안에 집약되어 있는 것 을 그림 2를 통해 확인할 수 있다. 이러한 요소들 은 운전 효율 향상, 사용자의 안전성뿐만 아니라 위생성을 높이기 위해 스테인리스 열교환기 등 내식성 자재를 적용하고 제어 패널을 내장하고 있으며 이외에도 각종 기능이 추가되어 앞선 기 술을 집약하고 있는 것이다. 이러한 많은 장점에 도 불구하고 작은 열용량 때문에 그동안 일반 건 물에는 적용하지 못하고 주거용에 국한되어왔다.
에너지 절약
난방 시스템에서 운전 효율을 높이는 것은 열 원 장비만의 몫은 아니다. 열원 장비는 물론이거 니와 부하장비와 이를 제어할 수 있는 시스템이 무엇보다 중요하다고 볼 수 있다.
에너지를 절약할 수 있는 첫 번째 요인은 부하 에서 필요한 열량만큼만 생산하는 기술에 있다.
열원 장비 10대를 적용할 경우 열원의 TDR 10%
를 고려할 때 시스템에서의 TDR은 1%로 능동적 이고 지능적인 열원 제어가 가능하다.
그림 3은 건물의 부하 패턴을 보여주고 있다.
최대 부하량을 기준으로 선정된 열원 장비가 부 분 부하에 최적의 조건으로 대응할 수 있는 설비 가 바로 Cascade System이다.
둘째는 열원 장비를 연속 운전함으로써 잦은 기동·정지로 인한 가스 낭비와 예열량을 줄이는 데 있다. 화석 연료를 사용하는 가스보일러와 기름 보일러는 과열과 가스 팽창 등으로 인한 안전 사 고를 방지하기 위해 잔류 가스 또는 연소실내 연 소 공기를 제거하는 기능을 내장하고 있다. 연소
[그림2] 소형 가스 온수기 내부
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전후에 잔류 가스를 배출시키는 프리퍼지(Pre- Purge)와 포스트 퍼지(Post-Purge)를 할 때 연소 실의 체적이 작아 중대형 보일러 대비 배출량을 줄임으로써 에너지 낭비를 최소화하게 된다.
셋째는 Tankless 순간 급탕 중앙 방식은 탱크 표면의 손실 부하를 줄일 수 있다. 난방과 달리 급 탕은 연중 부하가 발생되며 급탕을 사용하는 시 간보다 사용하지 않는 시간이 절대적으로 많은데 60℃의 높은 온도의 온수를 아무리 단열이 우수 한 탱크에 저장한다 해도 표면 부하 손실의 발생 은 피할 수는 없다. 특히 탱크를 설치한 장소에 환 기할 수밖에 없다면 표면 열손실 부하는 그렇지 않은 환경보다 훨씬 많이 증가하게 될 것이다.
가열량이 적고 저탕 계수가 큰 용도일수록 탱 크 부하는 높을 것이다. 그러나 Tankless 순간 급 탕 Cascade System에서는 저탕탱크로 인한 손실
부하가 발생되지 않아 에너지 절약적인 방식임에 틀림없다.
물론 Tankless 순간 급탕 중앙 방식이라 하여 모두 에너지 절약적인가는 확인할 필요가 있다.
증기를 열원으로 하는 증기 순간 급탕 가열기를 적용하면 설치 면적과 반송 동력비 면에서 유리 하나 두 번의 열교환 즉 증기 보일러와 순간 급탕 가열기에서의 효율 저하 및 응축수 탱크에서의 재증발로 열 손실은 증가한다. 그리고 스케일 방 지를 위한 블로우 다운, 관내 증기를 냉각하여 응 축하기 위한 냉각 레그, 증기의 높은 온도에 따른 손실열량 등으로 열 손실은 온수 방식보다 훨씬 높을 것으로 추정된다.
이러한 사항들을 뒷받침할 수 있는 자료가 있어 소개한다. 표 1은 연중 상수도 사용량이 2 만 5천 톤 이상인 에너지 다소비형 사우나 용도
<건물의 일중 급탕 부하 패턴>
[그림3] 용도별 연간 및 종류별 일중 부하 패턴
<건물의 일중 난방 부하 패턴>
를 Cascade System 변경 전후로 비교한 자료이 다. 이는 2009년 12월부터 2011년 11월까지 변 경 전 1년과 변경 후 1년의 실측 자료로 Cascade System의 우수성을 입증할 수 있는 객관적인 내 용이다. 변경 전과 변경 후를 비교했을 때 물 사용 량은 대동소이하나 가스 사용량은 30%가 절감된 약 45,000 Nm³/year로 변경전 62,500 Nm³/year 의 70% 수준임을 확인할 수 있다. 물론 온수기의 콘덴싱 기능과 더불어 Tankless Cascade System 이기 때문에 에너지 절약이 가능한 사항이다.
초기 투자비 절감
초기 투자비 절감의 가장 큰 요인은 첫째로 열 원 장비의 단가가 낮은 것이다.
소형 열원 기기의 특징에서 언급됐지만, 제조 과정에서의 높은 자동화율과 부속류의 모듈화 및 표준화를 통해 공정을 단축시켰고 무엇보다 대량 생산으로 진공 온수보일러 대비 약 25~50% 저
렴하게 공급되고 있다.
둘째는 보일러 설치 시 부대시설이 불필요하 거나 단순화할 수 있다.
연도는 배기가스 온도가 67℃ 이하로 고온의 위험성이 없어 저가의 PVC 재질을 적용할 수 있 고 중량이 작아 벽에 부착하여 설치하므로 장비 의 콘크리트 패드와 방진 장치 등이 불필요하다.
운전 효율을 높이기 위해 콘덴싱 열교환기 등 이 내장되어 있으므로 공기 예열기와 이코노마이 저등의 부착이 불필요하다.
또한, Cascade System은 대수 제어, 순환 펌 프 운전 제어를 위한 제어 프로그램이 제공되므 로 별도의 자동 제어 설비가 요구되지 않는다.
셋째는 규격과 중량이 작아 이동과 장비 반 입이 쉽기 때문에 운송비용이 적고 장비 반입에 중장비의 동원이 불필요하다는 점이다. 이외에 도 중대형 보일러의 주문 생산 시 공장 검수 과 정이 필요하지만 이를 생략할 수 있고 제작 검 사와 설치 검사가 불필요하며 운전 하중을 고려
<표1> Tankless Cascade System 변경 전후 상수 및 가스 사용량
변경전 (2009 ~ 10년) 변경후 (2010 ~ 2011년)
기 간
물사용량 가스 사용량 요 금
기 간
물사용량 가스 사용량 요 금
m³ Nm³ Nm³/m
(물1m³당) 원/월 m³ Nm³ Nm³/m
(물1m³당) 원/월
2009년 12월 2,408 5,754 2.39 4,573,630 2010년 12월 2,391 3,991 1.67 3,160,980 2010년 01월 2,286 8,888 3.89 7,055,830 2011년 01월 2,040 5,436 2.66 4,298,550 2010년 02월 3,191 8,186 2.57 6,499,310 2011년 02월 3,480 4,562 1.31 3,785,730 2010년 03월 2,740 6,453 2.36 5,126,980 2011년 03월 2,761 6,169 2.23 5,113,110 2010년 04월 2,185 8,286 3.79 6,578,500 2011년 04월 2,544 4,817 1.89 3,996,360 2010년 05월 2,465 5,690 2.31 4,523,370 2011년 05월 2,653 5,874 2.21 4,869,550 2010년 06월 2,069 4,424 2.14 3,520,320 2011년 06월 1,566 1,641 1.05 1,435,220 2010년 07월 2,268 3,524 1.55 2,808,140 2011년 07월 2,110 2,757 1.31 2,399,600 2010년 08월 766 2,166 2.83 1,732,360 2011년 08월 1,027 2,166 2.11 1,888,950 2010년 09월 1,518 2,243 1.48 1,790,460 2011년 09월 1,564 1,567 1.00 1,371,390 2010년 10월 1,859 2,993 1.61 2,493,730 2011년 10월 2,019 2,422 1.20 2,109,730 2010년 11월 1,689 3,895 2.31 3,240,260 2011년 11월 1,795 3,522 1.97 3,178,580 합 계 25,443 62,502 2.46 49,942,890 합 계 25,947 44,924 1.73 37,607,750
증가율 (%) 100 % 100 % 100 % 100 % 증가율 (%) 102 % 72 % 70 % 75 %
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라 정도의 차이는 발생하겠지만 이러한 요인들을 고려하면 중대형 보일러 대비 초기 투자비는 약 60~80% 수준이다.
설치 공간 감소
열원 용량 10,000 Kcal/hr기준 중대형 진공 온수 보일러의 체적은 0.21 m³이고 질량은 38 kg 이다. 이는 소형 벽걸이 보일러의 체적이 0.024 m³로 중대형 보일러 대비 약 10%에 해당되며 중 량은 7.1 kg으로 약 18%에 해당된다. 이는 설치 공간을 결정하는 데 결정적인 요인으로 작용할 수 있으며 이외에도 장비 설치와 교체 공사를 고 려한 반입구와 반입로가 불필요하고 유지 관리를 위한 점검 공간 역시 점검자의 이동 통로만으로 충분하므로 점검용 공간 구획의 필요성은 줄어든 다. 이러한 사항들을 종합하여 판단하면 Cascade System의 설치 면적은 중대형 보일러 대비 37%,
축 공사비와 직결되는 요인으로 작용할 수 있으 며 장비 교체 공사 시에는 여유 공간의 확보가 가 능하다는 결과를 가져온다. 그림 4를 통해 이러한 사례를 확인할 수 있다.
Cascade System의 해외 사례
소형 열원 기기에서 오랜 역사를 갖고 있는 유 럽, 북미와 일본에서는 이미 오래전부터 명칭은 다를지라도 Cascade System을 적용해오고 있다.
유럽과 북미에서는 난방 시스템이 발달하여 이를 열원으로 난방 문화에 따른 각종 부하 장비를 연 결하여 적용하고 있다. 또한, Flat Station (작은 판 형 열교환기를 내장한 장비)를 이용하여 급탕하 고 북미지역에서는 저탕탱크를 설치하거나 별도 의 급탕 Cascade System을 구성하고 있다.
또한, 일본의 경우에는 기후의 특성상 대부분 국부난방이기 때문에 난방 Cascade System보다
[그림4] 진공온수 보일러와 Cascade System 설치 공간 비교
는 온수기를 적용한 급탕 Cascade System이 적 용되고 있다. 이는 저탕 탱크를 사용하지 않아 면 적 활용성과 위생성 및 경제성이 높다.
난방 Cascade System
중대형 보일러의 2회로식과는 다르게 난방과 급탕으로 구별해서 별도의 시스템을 구성해야 하 며 난방은 그림 6과 같이 구성하게 된다.
특이한 사항은 열원과 부하 측 경계에 Low Loss Header(이하L.L.H)라는 수분배 장비를 적 용한다는 것이다. L.L.H는 부하 측의 제어성을 높
이기 위한 낮은 온도차와 열원 측에서는 고효율 운전을 위한 높은 온도차를 형성하고 있다.
다시 말하면 열원과 부하 측의 유량 불균형을 해소하고 온도차로 발생되는 열량의 차이를 극복 하기 위한 장비이다. 다소 생소할 수 있으나 국내 공조 방식에서 공급 헤더와 환수 헤더 사이에 차 압밸브를 생략하고 적용하는 통헤더의 개념으로 보면 낯설지만은 않다. 물론 시스템 내 운전 압력 을 고려하여 순환 펌프의 위치를 정하고 열원과 부하 측에 각각의 순환펌프를 적용해야 하는 번 거로움이 있지만 차압밸브 또는 통헤더 역할 외 에도 열원 측은 높은 온도차를 유지하여 고효율
[그림5] 유럽의 Cascade System
[그림 6] 난방 Cascade System
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운전이 가능할 수 있는 환경을 제공하고 부하 측 장비 특성에 따라 요구되는 온도차와 유량공급이 가능하므로 효율적인 방식으로 구성하게 된다.
급탕 Cascade System
펌프 기술의 발달로 급수 시스템이 고가수조 방식에서 Tankless Booster Pump 방식을 적용 하여 고가수조가 불필요하고, 건축 미관 향상 및 급수의 위생성이 강화된 것처럼 급탕 Cascade System은 저탕 탱크를 배제한 Tankless 순간 급 탕 중앙 방식이다.
기존과 같은 저탕 탱크 방식도 가능하지만 시 스템의 대수와 열원 장비의 연소로 비례 제어 구
수 있다.
물론 탱크와 열원 장비가 분담했던 시간 최대 급탕 부하 를 열원 장비가 모두 담당해야 하기 때문에 열용량이 증가되 는 특성을 갖고 있지만 많은 공 간을 차지했던 탱크를 설치하 지 않아도 될 뿐만 아니라 탱크 의 표면 열 손실이 없어서 경제성이 향상되었다.
무엇보다 저탕 탱크에서의 오염 우려가 없어서 좀 더 위생성이 높아진 온수를 공급받을 수 있는 특 징이 있다.
복합 연도의 적용
이러한 장점에도 불구하고 개별 연도를 적용 함으로써 설치 수량이 증가할 경우 시공성이 떨 어지고 배출위치 선정에 제약 조건이 많았다. 이 러한 문제점을 해소하기 위해 복합 배기통과 복 합 공동 배기구 적용으로 이를 극복할 수 있게 되었다. 복합배기통이란 70 kW 이하 즉 60,000 kcal/hr 이하의 열원기기는 6대까지 연도를 연결
[그림 8] 급탕 Cascade System [그림 7] Low Loss Header
HWS(보일러에서)
HWR(보일러로)
HWS(난방 장비로)
HWR(난방장비에서)
하여 연소가스를 배출할 수 있는 연도를 말하고 복합 공동 배기구는 다수의 복합배기통을 연결할 수 있는 연도를 뜻한다.
열원기기에는 역풍 방지 장치 등을 적용하여 복합 배기통 연결이 가능한 구조임을 검사 받아 야 하며 이는 2012년 1월 5일 도시가스 사용시설 의 시설·기술 검사 기준이 개정됨으로써 가능하 게 되었다.
시공성 향상을 위한 Modular
여러 대의 장비를 설치하면 공정이 증가하여 시공 기간이 길어질 뿐만 아니라 시공성이 저하 될 우려가 높다. 이를 보완하기 위해 표준화된 설 치 Modular를 벽에 설치할 수 있는 In-line과 2열 로 설치하는 Back to back 형태가 있다. 이를 기 본으로 하여 대수에 맞게 설치할 수 있다. 표준화 된 설치 Modular는 필요한 부속류를 포함하고 있 다. 공급과 환수(급탕과 환탕)는 기본이고 제어 를 위한 컨트롤 패널, 동력선이나 제어선의 시공 성을 고려한 공간 확보, 가스관과 배수관의 설치 를 고려한 공간과 L.L.H 등을 적용하여 초급 기술 자가 용이하게 설치할 수 있다.
에너지 이용 합리화 자금 신규 융자지원 대 상 설비
에너지 관리 공단에서 주관하고 있는 에너지 이용 합리화 자금을 이용할 수 있다. 1등급 고효 율 콘덴싱 가스온수기는 멀티제어를 이용한 순간 식 맞춤 온수 공급 설비에 해당되므로 에너지 이 용 합리화 자금 지원 지침 대상 조건 중 “절약시 설 설치 사업”으로 승인되어 2,000만 원 이상의 공사 금액이 소요되는 설비에 대하여 저금리로 3 년 거치 5년 분할 상환 조건으로 지원받을 수 있
[그림 9] 복합 연도를 적용한 Cascade System
[그림10] Modular를 적용한 Cascade System
