전 세계에너지 소비의 약 40%가 빌딩에서 사용되며 그중 약 50%가 건물 냉난방 공조(HVAC)에서 사용되고 있다. 최근에 국내 최대 이슈는 제로에너지 빌딩을 구현하기 위한 노력을 다각도로 연구 개발 중에 있다. 제로에너지 빌딩에서 냉난방의 중요성이 인식되면서 에너지 발생부인 열원기기에 대해서는 시스템 최적화(Optimization)를 해야 효율을 극대화할 수 있으며 고효율 기자재의 본래 목적을 달성할 수 있다. 현재 국내의 경우 냉난방 수배관에 대한 인식이나 이론적 배경은 단순히 배관과 피팅 정도로 이루어진 계통이라 인식되며 전문적으로 운영되지 않고 있는 것이 현실이다. 냉난방 수배관 설계 시 최적화(Optimization) 설계가 가장 중요한 요소로 대두되고 종래 방식으로는 설계 후 검증을 할 수가 없으므로 냉난방 설계 전문 프로그램(Hyd-SAREK)을 사용하여 설계를 하거나 임의 설계방식으로 설계 후 해석 프로그램을 활용한 검증이 이뤄져야 한다. 설계의 최적화, ASHRAE 권장사항을 준수하는 기계 및 전기적 특성의 스마트 제로에너지 복합컨트롤밸브의 사용, 냉난방수배관 내 원활한 열교환 및 배관 및 장비의 수명연장을 위한 수질개선 장치 및 에어제거 장치를 배치, 그리고 폐회로인 냉난방수배관의 열팽창을 조절하는 팽창조절장치 등을 시스템으로 검토한다. 시공 후 냉난방수배관 시스템의 정확한 검증을 위한 Test and Commissioning Tool의 활용, ICT기술을 보유한 기자재를 통한 BEMS와 연동으로 제로에너지빌딩 구현을 위한 방법을 알아본다.
1) 냉난방 최적화 설계 및 검증을 위한 전문 프로그램 활용 [ Hyd-SAREK , Hyd-One ]
냉난방수배관 계산 프로그램을 이용한 시스템의 최적화는 배관 설비 투자비를 줄일 수가 있으며, 필요한 펌프 양정을 계산하기 때문에 펌프의 과사이징을 피하고 이에 따른 연간 펌프 운전비용을 줄일 수 있다. 냉난방 수배관 최적화 프로그램인 Hyd-SAREK 및 Hyd-One을 이용하면 순환 펌프의 양정을 직접 계산하기 때문에 기존 설계의 과다한 순환 펌프 선정을 줄여주는 결과로 연간 순환 펌프 운전비용을 절감할 수 있다. 또한, 최적화된 배관경을 선정하여 초기 투자비를 절감할 수 있고, 밸런싱 및 유량제어밸브의 최적화는 열원설비의 열출력 향상과 펌프의 유량 및 양정 안정화 그리고 열원 설비의 성능계수 향상을 직접적으로 가져오기 때문에 전체 냉난방수배관시스템 에너지 비용을 절감할 수 있다.
2)BEMS 용 유량계일체형 복합밸브의 사용
ASHRAE에서는 냉난방 수배관 설계에 있어서 선정되어야 하는 밸브는 요구되는 설계유량에 맞게 kv 값을 조정 가능해야 하며(Balancing), 밸브의 특성은 열원설비와 결합하여 신뢰성 있는 선형제어를 확보하기 위해 등비율(EQM- Equal percentage modulating)이어야 한다. 이러한 밸브특성은 밸브 제어성에 영향을 줄 수 있으며, 실내온도제어에 있어 가장 중요한 요소가 된다. [그림 3] 또한 제어밸브는 연결된 열원설비의 효율적인 운영을 위해 BEMS와 연동하여 유량, 온도, 온도차, 밸브개도율과 같은 다양한 운전요소를 송수신 가능해야 한다.
BEMS용 스마트 밸브의 경우 고성능 초음파유량계를 통해 밸브를 통과하는 냉난방순환수의 유량을 실시간을 측정 가능(±2% 이내)하여 부분부하 운전 시에도 열원설비의 효율적인 유량, 열량제어가 가능하다. 또한 PT1000 AA등급의 고정확도 온도센서가 장착되어, dT 측정이 가능하다. 높은 레인지어빌리티(150 이상) 및 저유량제어기술(최소유량의 0.5%까지 제어가능)로 냉난방겸용으로 사용가능하다. 또한 손으로 조작 가능한 상단의 핸드휠 또는 블루투스를 통한 애플리케이션을 통해 밸브의 설계유량에 맞게 세팅하여 최대유량제어가 가능하다. 독특한 Plug와 Seat의 형상을 통해 밸브의 성능곡선이 EQM 특성을 구현하고 있어 열원설비와 결합하여 신뢰성 있는 선형제어가 가능하다. 유량/입력신호/차압변화에 빠른 응답이 가능하고, 유량, 온도, 열량에 대한 데이터 판독 및 BEMS와 통신이 가능하여 밸브와 물리적 접촉 없이 트러블슈팅이 가능하다. 이런 모든 데이터를 기록, 분석하여 향후 냉난방설비의 최적화가 수행이 가능하다. 공조기와 팬코일유닛을 통한 냉난방서비스를 운영하는 일반 건축물은 물론이며, 연료전지발전소현장, 온도, 습도 유지가 필수인 IDC에서도 해당 밸브는 정확한 유량제어를 통해 건물의 최적화 운영이 가능하다.
3) 냉난방수배관내 원활한 열교환 및 기자재의 수명연장을 위한 수질관리 및 에어제거 장치
HVAC 시스템을 사용함에 있어 앞에서 강조한 최적의 압력을 유지하는 조건 중 하나는 시스템 내의 미세기포, 이물질, 슬러지 및 금속성 잔유물이 없는 상태를 유지하는 것이다. 배관 내의 이물질 및 미세기포는 배관 및 장비의 손상을 가져올 수 있으며 최적의 압력을 유지할 수 없어 수배관의 효율 저하를 초래하게 된다. 성능이 우수한 가스제거 및 이물질, 슬러지 및 금속 잔유물 분리 설루션을 사용하면 펌프 및 기타 시스템의 구성요소의 수명주기가 증가하고 수질의 청정도에 따라 구성요소의 효율성이 증가한다. 배관 내의 먼지, 슬러지 및 금속성 잔유물은 설치 후 초기 펌핑 비용을 최대 35%까지 증가시킬 수 있다. 1mm 규모의 스케일은 보일러 에너지소비량을 최대 9%까지 증가시킬 수 있으며 방열기의 공기는 열출력을 최대 80%까지 손실시킬 수 있으며 중앙 공급시스템의 경우 냉난방수 순환 장애로 민원의 문제가 많이 발생한다. 사이클로 방식의 기수 이물질 분리기를 설치하여 수배관 시스템 내의 미세기포, 이물질, 슬리지을 제거 할 수 있으며, 설비에 설치되어 있는 강력한 자석으로 금속성 잔유물을 효과적으로 제거할 수 있다.
4) 냉난방수배관의 열팽창을 조절하는 적절한 가압식 팽창조절장치의 선정
냉난방 수배관 시스템에서는 폐회로의 물의 온도에 따른 팽창량을 컨트롤이 필요하다. 가황처리 된 부틸 라이닝 용기를 사용하여 탄력성을 더한 팽창탱크를 이용하여 시스템의 안정성을 유지한다. 또한 높은 천공, 소형 설계 및 정밀도가 요구되는 경우에는 팽창탱크와 연결된 제어시스템을 BEMS 시스템과 연동하여 실시간통신이 가능하며 가압 시스템을 원격으로 제어할 수 있다. 가압식 팽창탱크의 경우 종래의 일반 팽창탱크에 비해 컴팩트(1/10)하다. 가압식 팽창탱크의 경우 서두에 언급한 수배관전문프로그램 Hyd-SAREK을 통해 최적화 설계 및 클라우드 기반의 실시간 모니터링 유지 관리가 가능하고 설계 시 프로그램 설계로 과설계에 대한 위험성도 적다.
5) 시공 후 냉난방수배관 시스템의 정확한 검증을 위한 T&C(Test and Commissioning) Tool의 활용
현장에서의 시운전시 스마트 기술을 이용한 측정기기로 유량, 차압, 온도, 동력, 유효 순환로 양정 직접 측정하고 문제 진단이 가능해야 한다. 이는 현장에서 수배관 시스템이 올바른 성능으로 운전하고 있는지에 대한 사항으로 매우 중요한 요소가 된다. 모든 측정 정보를 갖게 되면 최적 펌프양정을 맞출 수 있다. 또한, ICT 기술을 보유한 수배관 기자재는 펌프의 영향이 최소 미치는 지점(인덱스 Circuit, DP Circuit)을 수배관 해석 프로그램을 통해 확인하고 그 지점에서의 차압, 유량 등 공학적인 정보를 받아 다시 펌프로 신호를 전달해 원활한 인버터 운전을 가능하게 해야 한다. 정확한 인덱스 Circuit, DP Circuit에서의 신호를 검토하여 운전되는 인버터 펌프는 더 많은 에너지 절감을 가능하게 한다. 수배관해석프로그램(Hyd-SAREK)을 통한 정확한 Index Circuit 확인 및 그 지점에서의 차압, 유량정보를 통해 펌프로 피드백하여 원활한 인버터운전이 가능하다. 각 스마트 제로에너지 복합밸브의 운전정보를 ICT 기술을 활용하여 건물전체의 에너지사용량 및 수배관 밸런싱 운전 관리가 가능하다.
서구 미국, 유럽이나 가까운 싱가포르의 경우만 보더라도 하이드로닉 엔지니어링(Hydronic engineering) 굳이 번역한다면 수분배 공학이라는 학문 자체를 전문적으로 가르치고 알고 있어 이에 중요성과 필요성에 대한 인식이 되어 설계 단계부터 엄청나게 복잡해지고 과거의 수작업으로는 해석할 수 없는 수배관과 반송설비에 대한 이론 적 사항을 전문 냉난방 수배관 해석 프로그램(Hyd-SAREK)을 이용하여 손쉽고 정확하게 설계하고 이를 검증할 수 있어야 냉난방 수배관 시스템을 최적화(Optimization)를 할 수 있다.
따라서, 제로에너지빌딩에서의 수배관 시스템은 HVAC 설계, 시공, T&C을 통한 검증 기술을 냉난방수배관 해석 프로그램 Hyd-SAREK을 활용하여 설계단계부터 시뮬레이션을 통한 시스템 검증과 초정밀 미세유량 조절 기능이 있는 스마트 에너지 절감 PI+B+CV 복합밸브 사용하고 진단, 측정, 기술을 동시에 구현하는 Hydronic Engineering 기술을 적용해야 제로에너지 빌딩을 성공적으로 완성할 수가 있다. 시공 후 냉난방수배관 시스템의 정확한 검증을 위한 Test and Commissioning Tool을 활용하여 검증하고 ICT기술을 탑재한 기자재를 BEMS와 연동하여 정확한 DATA 관리를 통해 제로에너지빌딩을 구현할 수 있다.