제가 회사에서 맡은 업무중 냉난방수배관 최적화 설계 지원이라는 업무가 있습니다. 한국에서는 FCU (Fan coil Unit) 또는 AHU (Air Handling Unit)을 통한 건물내 냉난방을 운영하는 경우 2way valve에 정유량 밸브를 구성하여 많이 사용해 왔습니다. 이 경우 냉난방 밸런싱을 달성하겠다는 목표하에 환수관을 리버스 리턴방식으로 하는경우도 많이 있죠.
하지만 이런 리버스리턴방식은 유럽 선진국에서는 1800년대에 개발된 방식이며, 현재는 이 방식은 냉난방수배관의 밸런싱 달성에 아무런 효과가 없다는게 정설입니다. 리버스리턴방식은 전부하상태( 모든 냉난방열원장비가 100%가동되는 경우)에만 밸런싱이 되기때문에 실제 건물을 운영할때 전부하상태로 운전되는 경우는 시운전기간에 한번 있을까..? 하는 경우 입니다.
그럼각 FCU와 AHU에 설계유량 만큼 정확한 유량이 공급해줄수 있는 방법은 무엇일까요? 또한 냉난방용수를 공급하는 펌프의 양정도 설계값 수준을 유지하면 동력비를 절감할수 있는 방법은 무었일까요? 이런 고객의 애로사항을 해결해주는 일이 수수한블로ger의 주중 업무이지 일상입니다.
자 그럼 위의 문제를 해결하기 위해 하나씩 정보를 공유해보겠습니다.
오늘은 압력독립기능이란 무엇인가? 복합밸브에서 오소리티가 무엇인가? 이 기능이 왜 수배관 밸런싱에 중요한 부분인가? 에 대해 알아보겠습니다.
1.압력독립기능이란 무엇인가?
냉난방 수배관의 경우 중력을 이용한 구배배관이 아니기 때문에 배관내 유체는 공급펌프의 양정에 의해 순환하게 됩니다. 그래서 설계단계 펌프양정을 선정할때 각 장비의 소요차압(얼만큼의 저항이 발생하여 공급압을 떨어뜨리는지)합과 각종 배관, 피팅류(부속품)의 관마찰손실을 감안하고 이에 안전율을 곱해 펌프의 양정을 선정하죠. 그럼 냉난방용수를 사용하는 각 FCU에 공급되야하는 유량의 값도 나오게 됩니다. 이는 각 실의 열부하계산을 통해 "이정도 유량이 통과하면 냉방이 가능하겠다." 하면서 냉방 또는 난방설계유량을 선정하게 됩니다. 실의 크기, 창의 갯수, 창의 방향, 벽체의 두께 등등 많은 요소에 의해 냉난방 설계유량 선정됩니다. 이렇게 설계유량이 선정되면, 각 실에 설계유량만큼 통과해야 펌프도 설계조건과 같이 운전되며, 불필요한 펌프동력 낭비를 막을수 있습니다.
하지만 각 실에 설계유량과 다르게 유량이 통과하는 경우, 어떤 실은 #과유량이 흐르게 되고, 어떤실은 저유량이 흐르게 될수 있습니다. 이런 부분이 수배관 밸런싱이 달성되지 않은 경우에 해당합니다. 이런 경우 #저유량에 발생에 따라 펌프입장에서는 더 많은 양정을 공급하기 위해 펌프에 부담을 주면서 펌프 동력비가 상승하게 되고, 과유량이 발생하는 경우는 냉방코일내 충분한 열교환을 하지 못하고 차가운 물이 냉동기로 다시 들어오기 때문에 냉동기 효율 저하에 원인이 됩니다.
간단하게 생각하면 10LPM이 통과하기로 한 곳은 10LPM 만 통과하는게 제일 좋죠. 하지만 수배관 밸런싱이 되지 않으면 이런 단순한 목표를 달성할 수 없습니다.
수배관 설계시 차압조절기능이 없이 수배관 시스템을 구성하게되어 펌프에서 가장 먼 지점에 저유량이 25%가 발생하는 경우를 예를 들면 그 위치에서 설계유량 값을 얻기위해 펌프 토출 유량을 25%증가시켜야하고, 유량을 25% 증가시키려면 차압(펌프양정)을 56% 증가시켜야 합니다. 결과적으로는 펌핑코스트가 95% 증가하게 됩니다.(상사법칙)
하지만 이런 문제를 보고 가만히 있을순 없죠.
각 열원장비의 냉난방유량을 제어하는 컨트롤밸브에 압력독립형기능(Pressure indepent function)이 있다면, 높은 차압이 영향을 미치는 펌프와 가까운 지점의 열원장비도 설계유량만 통과하게 되고 가장 먼지점도 설계유량이 통과할수 있게 해줄수 있습니다. 수배관 시스템의 밸런싱이 가능한 경우 과유량 발생이 억제되어 소음 및 진동이 억제되며, 저유량 발생시 건물 전체의 펌핑코스트 증가도 방지할수 있습니다.
또한 건설사 입장에서는 리버스리턴방식이 아닌 다이렉트 리턴방식을 차용할수 있기 때문에 배관물량 및 공사비 절감 효과도 있습니다.
컨트롤 밸브가 차압변동에 얼마나 무관하게 제어신호에 맞는 유량을 통과시켜줄수 있는가? 바로 컨트롤밸브의 오소리티_Authority 입니다.
즉, 밸브가 차압변동에 간섭 받지 않고 유량조절하는 능력을 보여주는 값이 오소리티 이며, 그 수치가 "1"에 가까울수록 양호한, 완벽한 차압능력을 가졌다고 할 수 있습니다. 일단 1이라는 수치는 이론상에 해당하기 때문에 ASHRAE HANDBOOK에서는 최소 0.25이상이 되야지 제어밸브로서의 오소리티를 갖었다고 판단하고 있습니다.
많은 복합밸브 업체에서 해당 공급하는 제품의 차압기능이 있으며 이 기능이 우수하다고 광고하는 이유도 여기에 있지요. 하지만 오늘 저 수수한은 제가 취급하고 있는 제품에 대해 간략하게 설명드리겠습니다.
IMI- TA社의 TA- Modulator 복합밸브는 압력독립형 기능이 우수한 복합밸브 입니다.
차압변동에 대한 유량편차가 5% 이내 입니다. 부분부하 운전시에도 안정적인 유량 밸런싱을 보여줍니다.
관련하여 테스트한 시험결과는 아래와 같습니다.
이처럼 복합밸브 선정에 있어서 중요한 요소중에 하나인 압력독립형 기능에 대해 알아봤습니다.
물론 과유량이 흐르는곳에 소음과 진동을 무시할수 있으며, 저유량에 대한 에너지낭비에 대해 용인할수 있다면 고민할 문제는 아닙니다.
하지만 건물전체의 에너지 소비량에 있어서 절반이상을 차지하는 냉난방서비스 분야에서 하나씩 하나씩 검토하고 수정해 나간다면, 지구도 그만큼 덜 더워지지 않을까요?
이상 복합밸브의 압력독립형기능 / 밸브의 오소리티에 대해 알아봤습니다.