집 중 기획
서 론
세계 에너지 협회(DOE, EPBD) 보고서에 따르면 전 세계 총 에너지 소비량에서 40%가 빌딩에서 소비되는 것으로 조사되었으며, 빌딩 내의 50% 이상이 공기조화 냉동시스템에서 소비되고 있음을 확인하였다(그 림 1).
빌딩에서 냉난방 수배관 시스템의 에너지 소비는 시스템 열원 설비 (냉동기, 보일러)에서 가장 많은 부분을 차지하고 빌딩 내의 각 터미널로
이문희
IMI Hydronic Engineering Hydronic 시스템 전문가, 지부장 moonhee.lee@imi-hydronic.com
냉난방 수배관 시스템(Hydronic distribution system) 의 올바른 부분 운전을 위하여 필수적으로 검토되 어야 할 제어밸브의 오소리티의 이해와 함께 냉온수 순환수 배관 설계도를 기준으로 전산화된 계산 방법 을 이용하여 최적 배관 사이징, 펌프 양정 최적화 및 냉수 유량 제어밸브 오소리티(authority)를 계산함으 로써 초기 투자비 절감 및 운전 에너지 절감을 위한 초기 설계의 중요성을 소개하고자 한다.
냉난방 수배관 시스템 전산 모델링 및 제어밸브 오소리티
[그림 1] 빌딩 내의 공기조화 냉동(HVAC) 제품과 에너지 사용량
집중기획 기획 집중
열원 전달을 위한 순환 펌프에서의 에너지 소비와 터미널(FCU, AHU) 팬 모터, 유량 조절을 위한 제 어밸브의 구동기 그리고 빌딩 관리 시스템의 전기 소비에 따른 에너지 소비가 전체를 이루게 된다.
빌딩 운영을 위해 사용되는 많은 에너지 절감 노력 은 무엇보다, 건축물 설계 계획으로 단열재와 이중 창 등 열취득 및 손실을 최소화하는 방법을 이용함 으로써 많은 양의 에너지를 절감할 수 있다. 그러 나 초기 재료 투자에 따른 오랜 시간의 투자 회수 가 필요하게 된다. 그리고, 에너지(전기, 가스 등) 의 실제 사용처인 열원 설비의 새로운 기술 적용과 수배관 시스템의 최적화 설계를 통해서 에너지 절 감을 이룰 수 있다. 수배관 시스템 최적화 설계는 열원 설비의 효율(COP) 저하를 줄이고, 순환펌프 의 운전 비용 증가를 최소화 함으로써 수배관 시스 템의 전체 운전 비용을 최대 30%까지 절감할 수 있 다(그림 2).
본 론
터미널(FCU & AHU)의 특성
예를 들어, 냉동기의 저온 냉매와 열교환한 순 환수는 수배관 시스템의 각 터미널로 분배가 되고, 터미널에서는 유입된 유량과 온도차의 함수로 터 미널에서의 열 출력을 계산할 수 있다. 일반적으로 동력은 순환 유체의 밀도와 비열 값을 포함한 아래
계산식을 따른다.
∆
× ∅
∅
(1)
∆
× ∅
∅
(2)
∅
실내
공급
환수
공급
∆
∆
∝(3)
이와 같은 계산식으로부터 터미널에서 유량이 감소하게 되면 온도차가 커지기 때문에 유량과 동 력과의 특성은 비선형적이게 된다(그림 3).
또한, 미국 냉동공조협회(ASHRAE)에서 제시하 는 유량에 따른 터미널 열교환기의 현열과 잠열의 열전달 특성에 따른 일반 순환로 특성 곡선을 쉽게 이해할 수 있다(그림 4).
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
q%
P%
[그림 3] 일반적인 터미널 열교환기 특성 곡선 [그림 2] 빌딩 내의 에너지 절감 노력
건물 구조
(단열, 이중창, …)
• 에너지 절감 최선의 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 간 섭을 피함
• 세입자와 설비 관리팀 교육
•끝이 없는 일
터미널의 가변 유량에 대한 2방향 제어밸브 터미널 특성에서처럼 유량과 터미널 동력은 비 선형 관계를 갖게 된다. 따라서 제어밸브 내부 리 프트 높이 조절에 따른 유량의 상관관계가 중요한 요소가 된다. 즉, 제어밸브 리프트 변화에 따른 유 량의 변화가 일정하게 선형적인 관계를 갖는다면, 터미널 동력은 제어밸브의 리프트 변화에 매우 민 감하게 반응할 수밖에 없어진다. 예를 들어 유량과 제어밸브 리프트의 관계가 선형적일 때, 큰 부하에 서 리프트 변화에 큰 영향을 받지 않지만 작은 부 하에서 리프트 변화에 매우 극적인 영향을 받게 되 며 이는 제어밸브가 터미널 동력 출력을 위한 정확 한 제어를 할 수 없음을 의미하게 된다. 따라서, 제 어 리프트 높이와 유량과의 관계는 등가 특성을 가 져야 한다.
이때 특이 사항은 등가 특성을 통한 리프트-동
력 선형 관계를 갖기 위해서 제어밸브를 통하는 차 압은 항상 일정할 때만 성립된다(그림 5).
제어밸브의 유량 특성 곡선은 식 (4)를 따른다.
∅
실내
공급
환수
공급
∆
∆
∝(4)
전체 시스템 운전에서 설계 유량에 따른 완전 부하 운전율은 극히 작으며, 모든 터미널에서의 운 전은 실내 부하 조건에 따라 부분 부하 운전을 하게 되고 부분 부하 운전율이 전체 시스템에서 차지하 는 비율이 70% 이상이 된다.
터미널에서의 동력 특성이 유량과의 비선형성 을 갖게 되기 때문에, 임의 동력 특성 곡선에 따라 터미널 부하 50%에서 필요한 유량은 20% 정도인 것을 알 수 있다. 이는 터미널로 가는 배관의 유량 이 20%가 되는 것이고, 유량에 따른 배관 압력 손실 을 감안하였을 때(
∅
실내
공급
환수
공급
∆
∆
∝), 배관 압력 손실은 설계 유량에서의 배관 압력 손실 대비 4% 정도밖에 안된 다. 이때 터미널에서 필요한 유량(20%)을 흐르게 하기 위한 제어밸브의 통과 유량은 작아지고, 터미 널 유동에 필요한 유효 펌프 차압이 모두 제어밸브 로 모이게 된다. 따라서 유량이 작아질수록 제어밸 브의 차압은 크게 증가하게 된다(그림 6).제어밸브 통과 차압이 증가함으로써 식 (5)를 기준으로 한 통과 유량이 증가하여 요구 부하에 대 해서 과유량이 흐르게 된다.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10
100 80 60 40 20
0 20 40 60 80 100
TOTAL HEAT TRANSFER, %
DCSIGN FLOW, %
LATENT, %
LATENT HEAT TOTAL HEAT
SENSIBLE HEAT
Q14
[그림 4] 터미널 열전달 부하와 유량 특성 곡선
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0 20% 40% 60% 80% 100%
0% 100%
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0
20% 40% 60% 100%
0%
q(유량) h(Lift)
터미널 특성 곡선
+ =
P(동력 출력) q(Flow) = Kv P(동력 출력)
80%
h(Lift) 제어밸브 특성(EQM)
20% 40% 60% 80%
0%
[그림 5] 전반적인 시스템-제어밸브 특성 곡선
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유량 제어밸브가 갖는 등가 특성에 따라 터미 널과 밸런싱 밸브 등으로 이루어진 순환로가 구성 되며, 각 구성품에 흐르는 설계 유량에 따른 차압 의 합은 순환로의 유효 차압이 된다. 밸브 오소리 티는 제어밸브가 완전 개방일 때의 설계 유량에 대 한 차압과 밸브가 완전히 닫히게 되었을 때 증가된 제어밸브 통과 차압의 비로 나타낸다.
오소리티 ∆
컨트롤밸브 완전차단∆
설계유량에서 컨트롤밸브
마찰압력강하
(5) 부분부하 운전 시 제어밸브 개도를 줄이면 순환 로의 유량 감소와 함께 배관 압력 손실이 감소하여, 순환로의 유효 차압이 점진적으로 제어밸브로 전 달하게 된다. 또한, 순환로의 총 유효 차압 증가는 곧 제어밸브의 영향도를 감소시키기 때문에 제어 밸브의 특성은 더 왜곡될 수 있으며 이는 시스템의 정확한 유량 제어가 힘들게 됨을 의미한다.
제어밸브 유량 제어의 정확성과 부분 부하 조건 의 정밀 제어 특성은 일반적으로 미국 냉동 공조협
회(ASHRAE-Fundamentals of HVAC Con trol)에서 제시하는 특성으로 쉽게 이해할 수 있다(그림 7).
이러한 제어밸브 오소리티의 정확한 계산과 함 께 최소한의 오소리티 값을 시험적으로 정의함으 로써 수배관 시스템 설계 및 운전 최적화를 이룰 수 있을 것이다. 제어밸브의 운전 특성을 갖기 위한 최 소한의 오소리티는 0.25 이상이어야 한다(그림 8).
따라서 필요 유량이 줄어드는 부분 부하에서 제어밸브 및 터미널의 차압 변화를 최소화하거나 일정하게 유지하기 위해 차압 제어기의 필요성이 제기된다.
차압 제어기는 순환로 제어밸브의 차압 변화가 거의 없거나 일정하게 유지하기 때문에 제어밸브 의 특성 왜곡현상이 없어지며, 이에 따른 부분부하 에서 필요 유량과 필요 동력을 출력하기 위한 정확 한 제어가 이루어진다.
차압 제어기 동작원리는 순환로의 부분부하 유
% Host Transfer % Host Transfer
% Lift / Controter Output % Control Ouput
% Flow
% Flow
[그림 7]] 열교환기와 제어밸브 특성 조합
120%
100%
80%
60%
40%
20%
0%0% 50% 100% 150% 200%
동력
50%
20%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
0% 20% 40% 60% 80% 100%
배관 압력강하
유량 유량
4%
20%
[그림 6] 부분부하 조건에서의 배관 압력 강하 특성
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Lift %
Flow %
0.1 0.25 0.5 1
[그림 8] 제어밸브 오소리티 특성 곡선
량에 따른 유효 차압 증가와 제어밸브로의 차압 전 달을 보상함으로써 제어밸브의 차압은 개도 변화 에 따른 유량 변화가 있더라도 항상 일정 차압을 유지하게 되며, 제어밸브가 갖는 특성이 왜곡 되지 않도록 시스템의 정밀 제어를 할 수 있게 된다(그 림 9)
차압 제어기 적용 사례
싱가포르의 랜드마크 빌딩으로 자리 잡은 마리 나베이 호텔은 총 객실 수는 2,561개이며 모든 객 실에 냉동 열교환기(FCU)가 설치되어 있다. 에너 지 절감을 위한 목표로 모든 부하 운전에서 열원 공급수 7℃ 기준으로 환수 온도 14℃ 이상을 목표 로 하였다(그림 10).
모든 객실의 FCU에는 제어밸브가 설치되어 있 으며, 제어밸브의 최소 오소리티 0.25 이상을 확
보하기 위하여 입상관 부분에 차압 제어기를 설치 하였다.
수배관 시스템 계산 프로그램인 TA SELECT4를 이용하여 모든 배관 시스템의 배관 길이와 터미널 설계 유량 입력을 통하여 제어밸브의 오소리티 계 산과 함께 요구 펌프 양정을 구하였다.
건축물 완공 후 시운전을 통해서 운전 부하 조 건에서 14℃ 이상의 환수 온도를 확인하였다(그 림 11).
냉난방 수배관 시스템 계산 프로그램 소개 일반적으로 냉난방 순환 수배관 시스템은 냉난 방 열원(냉동기, 보일러), 순환수 분배(펌프) 그리 고 터미널 유량조절(제어밸브)의 구성으로 냉난방 사이클을 구성한다(그림 12).
열원 설비에서 생성한 물은 펌프를 통해서 터미
[그림 10] 마리나베이 샌드 호텔 냉수 유량 계통도 [그림 9] 차압 제어기 작동 원리
[그림 11] 차압 제어기 설치와 냉동기 환수 온도 측정
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널의 필요한 수력학적 저항(유효차압)에 따라 터미 널 설계 유량을 분배하게 된다. 이때 각 터미널의 올바른 설계 유량 확보를 위해서 각각의 순환로 유 효 차압 확보를 위한 밸런싱 및 제어밸브의 설계 유 량 차압 계산도 매우 중요하게 된다(그림 13). 만 약에 정확한 순환로 유효 차압을 계산하지 못한다 면 터미널의 유량 공급은 불균형을 이루게 되고, 순 환로에 따라 어느 부분은 과유량 또는 저유량이 발 생한다(그림 14).
각 사용처에서의 밸런싱에 따른 올바른 설계 유 량을 확보하게 되면 펌프에서부터 각 터미널까지 의 압력강하 값에 따른 시스템 운전점을 이루게 되
고 이는 펌프의 운전점이 되게 된다(그림 15).
수배관 시스템 설비의 압력강하 특성점과 펌프 의 특성 곡선의 교차점이 시스템 운전 부분이 되고 전체 설비 요구 유량과 요구 펌프 양정이 된다.
즉, 모든 부분(배관, 밸브, 터미널 열교환기 등) 혹은 특이점(곡관, 스트레이너 등)들의 통과 유량 에 따른 정확한 압력강하 값을 계산하여야 시스템 의 정확한 요구 펌프 양정을 계산할 수 있다(그림 16).
“부족한 것보다 많은 게 좋지 않은가”라는 접 근은 높은 펌프 양정을 설계하게 되며 높은 에너지 낭비의 요소가 됨은 자연스러운 현실이다.
STAD 5
6 5 5 39 7
2 kPa
[그림 13] 냉난방 수배관 시스템 순환로 유효 차압 [그림 14] 냉난방 수배관 시스템 순환로 유량 불균형 [그림 12] 일반적인 냉난방 수배관 시스템 순환로
▶
Pump head H
Flow q H
H
Δp
Δp
[그림 15] 냉난방 수배관 시스템 펌프 운전과 설비 압력 강하
특성 곡선 [그림 16] 냉난방 수배관 시스템 순환로 구성
냉난방 수배관 시스템의 순환수의 속도는 일반 적으로 1.0 m/s 이상이고 대부분의 경우 난류 흐름을 갖게 되며 유체역학적 에너지 보존 법칙인 베르누이 방정식의 확장식으로 고려된다. 베르누이 확장 방정 식은 정압, 동압 그리고 배관 내의 압력차를 고려하 며 이는 비압축성 유체를 사용하는 수배관 시스템에 서 중요한 이론식이라 할 수 있다(그림 17).
배관의 마찰 압력 강하는 배관 내의 마찰 계수 와의 상관식으로 유체 유동 속도에 영향을 받게 된다. 배관 내의 마찰계수 값은 난류 영역에 대한 Colebrook의 계산식을 이용한 차트를 이용하게 된 다(그림 18).
Colebrook 마찰계수 계산식
(6) 배관 압력 강하 계산식
(7)
또한, 배관 압력강하는 속도와의 상관식으로부 터 유량의 제곱에 비례하게 된다(그림 19).
이와 같은 배관 내의 유량에 따른 배관 압력 강 하의 이론적인 계산식으로부터 수배관 시스템 설 계도의 배관 사이즈에 따른 압력 강하 값의 정확한 계산을 통해서 전체 순환로의 유효차압을 계산할
수 있어야 최적화된 펌프 양정을 구할수가 있다.
따라서 많은 터미널이 구성되고 서로 다른 배 관 지름과 길이에 따른 정확한 배관 압력 강하 계 산을 위하여 전산 계산 프로그램을 이용한 계산과 수배관 시스템의 해석이 필요하게 된다.
HVAC 냉난방 시스템을 구성하는 범주는 크게 두 가지로 나뉘게 된다. 프레온 가스(R22, R410a, R134a, etc)를 사용하는 EHP 멀티 시스템과 물을 사 용하는 수배관 시스템으로 구분이 된다.
EHP 멀티 시스템은 전체 시스템의 개발을 생산 업체에서 모든 구성품을 개발하고 시스템의 최적 화를 위한 시험과 각 구성 요소를 사이징한다(그림 20).
EHP 멀티 시스템에서는 크게 압축기, 응축기, 증발기, 팽창밸브, 냉매 배관으로 구성되고 설비 용 량에 따른 사이징 또한 매우 중요한 척도가 된다.
이러한 EHP 멀티 시스템의 구성 요소에 대한 사이
Δp
Flow q
[그림 19] 배관 압력 강하와 유량 관계 [그림 17] 베르누이 확장 방정식
오소리티 ∆
컨트롤밸브 완전차단∆
설계유량에서 컨트롤밸브
마찰압력강하
[그림 18] 배관 마찰 계수 챠트
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징을 위해서 EHP 멀티 시스템은 전산 프로그램을 이용해서 시스템의 최적 설계 사이징을 진행하게 된다(그림 21).
수배관 시스템은 EHP 멀티 시스템과 달리 크게 3가지 영역으로 구분이 되어 전체 시스템 사이클을 구성하게 된다(그림 22).
수배관 시스템은 EHP 멀티 시스템의 냉매인 프
레온 가스보다 높은 밀도를 갖는 물을 냉매로 사 용하기 때문에 배관의 압력 강하 계산과 이에 따른 전체 시스템 분배를 위한 펌프 양정 계산이 매우 중요하게 되고 이러한 계산을 위해 수배관 시스템 에서도 사이클 해석을 위한 전산 프로그램 적용이 매우 중요하다.
범용적인 전산 프로그램인 HySelect는 수배관 시스템적으로 모든 분배 배관을 포함하여 펌프 양 정, 배관 사이징, 배관 압력강하, 그리고 밸브류 사 이징 및 제어밸브 오소리티를 계산하는 프로그램 이다(그림 23).
수배관 시스템 계산 프로그램인 HySelect 계산을 위해 요구되는 변수는 단지 배관 길이, 터미널(AHU/
FCU 등)의 설계 유량(또는 동력) 그리고 터미널 열교 환기의 설계 유량 압력 강하 값이다(그림 24).
HySelect는 변속 펌프를 사용하는 경우에 있어 서 최적의 에너지 절감을 위한 인덱스(index) 순환 로의 위치를 제공하여 준다. 인덱스 순환로에 대한 차압 센서 설치를 통해서 펌프 에너지 절감 효과를
[그림 20] EHP 멀티 시스템
[그림 21] EHP 멀티 시스템 전산 프로그램 계산 예
[그림 22] 냉난방 수배관 시스템
HySelect
(수배관 시스템 계산 S/W)
HySelect
[그림 23] 냉난방 수배관 시스템 계산 S/W
[그림 24] 수배관 시스템 해석을 위한 요구 변수
높일 수가 있다.
프로그램은 물 또는 부동 첨가물의 유체 특성 을 감안하여 밀도, 비열, 동점성 계수 등을 첨가물 의 정도에 따라 자동으로 조정하여 시스템 사이클 을 계산하게 된다(그림 25, 그림 26).
수배관 시스템의 설계도에 따른 결과로서 TA SELECT4는 펌프 양정, 분배 배관 사이즈, 압력강하, 밸브 압력강하, 제어밸브 오소리티 등의 모든 값을 계산한다(그림 27, 그림 28, 그림 29).
수배관 시스템의 최적화를 위한 전산 프로그램 을 이용한 정확한 변수 계산으로 불필요한 구성품 (펌프, 배관, 밸브류 등)의 과사이징을 피하고, 시스 템의 제어성 확보를 위한 오소리티를 직접 계산함 으로써 시스템 운전 에너지 비용 절감을 할 수 있 는 기회가 될 것이다.
수배관 시스템 해석 프로그램인 HySelect는 대 한설비공학회 홈페이지 주소를 방문하여 설치 프로 그램 다운로드 및 설치할 수 있다. 프로그램 down
load : www.sarek.or.kr.
[그림 25] 20℃ 물 특성 값 적용 예
[그림 27] 펌프 양정 계산 예
[그림 28] 제어밸브 오소리티, 배관 사이징, 압력 강하 계산 예
[그림 29] 순환로 구성 요소(밸런싱, 제어밸브, 순환로 배관 사이즈, 압력강하) 계산 결과 예
[그림 26] 20℃ 30% 프로필렌 글리콜 적용 특성 값 적용 예
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결 론
냉난방 수배관 시스템 부분 부하 운전에서의 정확한 유량 제어와 함께 시스템의 최적 에너지 사 용 및 절감을 위해서는 제어밸브의 오소리티가 모 든 부하 운전 조건에서도 0.25 이상을 유지할 수 있 도록 설계되어야 한다. 냉난방 수배관 시스템의 운 전은 거의 모든 경우에 부분 부하 운전을 하게되고, 부분 부하 운전을 할 경우 모든 제어밸브의 차압에 영향을 갖게 되므로 초기 설계 조건에서의 특성이 결코 나올 수가 없다.
설계자와 모든 냉난방 수배관 시스템 엔지니어 는 무엇보다 유량 제어밸브의 오소리티 이해가 필수 적이어야 한다. 또한, 오소리티 확보를 위한 계산은 결코 쉬운 일이 아니므로 정확한 계산을 위해서는 전
산화 프로그램을 이용하여 설계 단계에서부터 최적 설계여야 한다. 이를 통한 적정 오소리티 확보와 함 께 배관 사이징과 펌프 양정 최적화는 초기 설계 투 자비 저감과 함께 냉난방 수배관 시스템 운전 비용을 최소화(펌프 양정 및 유량 최소화, 열원 설비 효율 저 하 방지) 함으로써 에너지를 절감할 수 있게 된다.
참고문헌
1. Robert Petitjean, 2009, Total Hydronic Balancing, IMI Hydronic Engineer ing.
2. Jean-Christope Carette, 2011, Energy Insight, IMI Hydronic Engine ering.
3. Jean-Cristope Carret, 2010, Mastering Variable Flow Distribution, Tour & Andersson.
