부정확한 제어로 장비가동률 높아지면 전력소비 증가

DPV, 배관계통 내 차압 영향없이 정확한 제어 ‘자랑’

‘기계설비 에너지 절감’ 기계설비법 제정 취지와 부합

지구온난화에 따른 이상기후 대응을 위해 전 세계의 탄소중립 사회로의 전환이 필요하다.

건축물은 건축 행위를 통한 온실가스 배출보다 건물 운영 시 발생하는 전력 소비가 훨씬 크다. 특히 건물을 사용하면서 냉방용 전력 소비가 증가하고, 온난화로 인한 전력부하의 상승으로 이어져 전력생산 가동률을 높이게 됨에 따라 온실가스를 대량 유발하게 만든다. 건물의 냉난방시 사용되는 유량(열)은 부하변동에 따라 필요량만을 공급해야 되지만 부정확한 제어로 장비 가동률이 높아지고 전력 소비량이 더욱 증가하고 있으므로 건축물에 사용되는 열에너지와 전력 에너지 절감이 시급하다.

고효율 대(大) 온도차 시스템

건축물에서 냉방을 하는 경우 냉동기, 냉각탑, 공조기 등 열원 및 냉방 설비의 배관 계통에서 물은 냉매로 사용되고 있고, 물의 양을 제어하기 위해 유량제어밸브를 사용한다. 이러한 유량제어밸브의 역할은 부하변동에 따라 배관 계통 내에서 발생하는 차압(△P)변동에 영향을 받지 않고 설정 유량 값으로 정확하고 안정적으로 제어하는 것이다.

대부분의 냉방 시스템은 용도, 상황에 따라 다르지만 100%운전되는 경우보다 전체 용량의 20~30% 간헐·부분부하 운전되는 경우가 많다. 마치 자동차를 운행할 때 일정속도로 계속 운행하는 것이 아니라 도로 사정에 따라 가속, 감속하는 것처럼 수배관 계통에서도 간헐·부분 부하 시 펌프의 가동, 열원 장비의 대수제어 등에 따라 유량제어밸브에 형성되는 차압(△P)이 시시각각 변화한다.

유량을 일정하게 제어하기 위해서는 차압 변동에 영향을 받지 않고 안정적으로 제어하는 것이 중요하다.

열원 및 냉방 장비의 유량제어 시 오차가 크고 부정확할 경우 많은 문제점이 발생한다.

특히 사용에너지 증가에 따른 소비전력이 증가하고 이는 앞서 언급한 것처럼 전력부하 상승에 따른 온실가스를 대량 유발하게 된다.

유량 제어가 부정확하면 공급/환수 온도차(△T)가 낮아져 동일 부하를 처리할 경우 사용 유량이 증가해 기계설비장비에서 소비동력에너지가 증가한다.

이러한 현상은 특별한 경우가 아니라 기계설비를 사용하는 대다수의 현장에서 발생하고 있다.

대부분의 냉각수 제어 시스템의 냉각수 순환펌프는 유량과 양정이 크고, 정속도 방식의 대수제어로 운전된다. 냉각수의 유량제어는 2-way 밸브를 사용하거나 통합배관에서 각 냉각탑의 분기 배관에 버터플라이 밸브를 사용한다.

냉각수는 냉동기 압축기의 고온, 고압의 기체 냉매를 응축기에서 열 교환을 통해 액체로 응축시키는데 필요 부하에 따른 냉각수의 정확한 유량 제어가 이루어지지 않으므로 장비효율이 떨어지고 시스템 에너지 사용이 증가한다.

냉동기 응축기의 응축 압력과 온도가 상승하고 압축비가 증대해 COP(성적계수)와 냉동능력이 감소한다. 뿐만 아니라 냉각수 순환펌프의 가동횟수와 비율이 증가해 많은 동력에너지가 낭비된다. 소비동력은 양정과 유량에 비례하는데 순환펌프의 기동이 증가하기 때문이다.

냉각탑의 효율 또한 저하되고 장비가동 증가에 따른 추가 동력이 소모된다.

필요부하에 따른 냉각수 유량을 정확하게 제어한다면 냉각수 제어 시스템을 개선해 불필요한 과잉 에너지 사용을 방지하고 효율적인 냉각수 제어 시스템 운영이 가능하다.

공급 환수 온도차(△T)가 낮아질 경우 열교환기의 효율이 저하되고 냉수 순환량이 증가한다. 공조기의 경우 코일을 통과하는 냉수 순환량이 증가하고, 급기 온도가 부정확해져 급기량 증가로 인해 송풍기 팬의 가동이 증가한다.

냉온수 순환펌프는 전체 사용량이 증가하므로 소비동력이 증가한다. 이와 같이 부정확한 유량제어 따른 △T의 감소는 장비가동률이 증가해 소비동력이 증가하고 건축물 전체에서 사용되는 에너지가 증가하는 결과를 초래한다.

시계의 모든 톱니바퀴가 정확히 맞물려 움직일 때 시계는 정확한 시간을 나타낸다. 어느 한 부분이 어긋나거나 오차가 발생하면 정확한 시간을 맞추기가 매우 어려운 것처럼 건축물의 사용되는 냉방에너지 역시 고효율 장비를 사용하더라도 정확한 유량제어가 이루어지지 않으면 전체 시스템은 비효율적이고 과잉 에너지를 사용하게 된다.

최적의 유량제어 시스템

DeltaP Valve는 배관 계통 내에서 발생하는 차압(△P)변동에 영향을 받지 않고 설정 값으로 정확히 유량 값을 제어하기 위해 세계 최초 개발됐으며, 흔히 PICV(Pressure Independent Control Valve)로 통칭되는 압력 독립식 유량제어 밸브이다.

DPV는 크게 유량을 제어하는 Cv제어부와 차압을 제어하는 차압제어부로 구성된다.

일반적인 제어 밸브들은 상하 운동을 통해 밸브의 개도를 조절하는 방식인데 반해 DPV는 90° 회전운동을 통해 제어한다. 일반적으로 상하 운전 시 저 개도에서 유로면적 감소에 의한 급격한 압력 강하로 물이 증기압 이하로 떨어져 기포가 발생해 소음과 진동을 수반하는데 회전 제어 방식은 밸브가 저 개도 운전 시 발생하는 캐비테이션과 같은 수 충격 현상이 발생하지 않는다.

또 내부 재질은 고무가 아닌 모두 금속(Metal)으로 돼 있어 내구성이 뛰어나고 사용수명은 10년 이상이다.

유량제어밸브는 구동기가 장착돼 운전되므로 구동기가 장착된 상태에서 제어 능력이 매우 중요하다.

DPV는 구동기를 장착해 100:1의 유량 제어 성능을 나타내는데 이것은 정유량 밸브 100개를 사용한 것과 같은 제어 성능을 나타낸다.

선형 제어 특성(Linear)을 가지고 있으며, 출고되는 모든 제품은 공장에서 테스트돼 유량 Tag가 부착돼 출시된다.

0~100% 전 구간의 제어범위를 가지고 있어 제어가능한 최소유량이 0(Zero)이다. 이는 제어 능력에 있어 매우 중요한 부분 중에 하나인데 예를 들어 자동차가 시속 100km에서 110km로 가속할 때 10km에 해당만큼만 에너지를 더 써야 한다.

밸브 역시 20%운전에서 25%증가될 때 5%의 만큼 제어가 돼야 하지만 대부분의 밸브들은 최소 유량범위가 제한되고 유량제어의 오차범위가 크기 때문에 과잉으로 유량을 공급한다.

즉 자동차가 10km의 증가분의 연료를 사용하는 것이 아니고 20~30km의 연료량을 사용해 10km만큼 가속하는 것과 같은 이치이다.

DPV는 유량제어 정확성의 오차가 불과 ± 1.0~2.0% 이내의 제어성능으로 차압 변동에 영향 받지 않는 정확한 유량제어를 통해 설계된 공급·환수의 온도차(△T)를 보증(Guarantee)한다.

기계설비 기술기준 충족

건축물 냉난방에 사용되는 냉동기, 냉각탑, 공조기, 팬코일 유닛 등의 장비는 많은 연구 개발이 이루어지고 기술적인 발전을 거듭해오고 있다. 성능 및 효율 향상에 따라 에너지 절감 측면에서 많은 심혈을 기울인 노력의 결과물이라고 할 수 있다.

아쉬운 점은 이러한 건축물의 사용 에너지 절감을 위한 노력이 부정확한 제어기기의 적용으로 그 효과가 떨어지는 점이다. 건축물 냉난방에 사용되는 에너지는 전력을 주로 사용하고 있고 소비전력이 늘어날수록 이를 공급하기 위한 대량의 탄소배출 역시 증가하고 있다.

2020년 6월 시행된 ‘기계설비법’은 기계설비분야에서 에너지 절감을 위한 최소한의 제도적 장치를 마련한 점에서 의미가 있다.

또한 2021년 6월 7일 국토부에서 고시한 ‘기계설비 기술기준’은 ‘기계설비법’에 따라 기계설비의 안전 및 성능을 확보하기 위해 기술기준의 세부내용을 정함으로써 건축물의 사용되는 기계설비의 에너지절감을 위한 설계, 시공, 관리의 기준을 제시하고 있다.

DPV의 적용을 통해 ‘기계설비 기술기준‘ 제8조(기계설비의 설계 및 시공 기준)의 열원설비 및 냉난방설비, 공기조화설비, 급수·급탕 설비에서 제시하는 △T의 기준 요건을 충족할 수 있으며, ‘기계설비법’ 입법 취지에 따른 기계설비 에너지 절감에도 기여할 것으로 판단된다.

용어해설

◇캐비테이션(Cavitation)

펌프, 컨트롤 밸브에서 주로 나타나는 수 충격의 하나로 급격한 압력강하로 물의 해당온도 포화증기압 이하로 떨어질 경우 기포가 발생하는 현상, 공동 현상이라고 하며 소음과 진동을 수반하고 침식으로 인한 손상을 일으킨다.

◇펌프 상사법칙

펌프의 회전수, 유량, 양정, 동력의 관계를 나타낸 것으로 회전수와 유량은 비례하고, 양정은 제곱근에 비례하며, 동력은 세제곱의 비례하는 관계를 가지고 있다.