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[설비공학회 하계학술대회] Hydronic 세션

건물에너지 최적화 관련 최신정보 공유

6월19~20일까지 용평리조트에서 개최된 대한설비공학회 하계학술발표대회 Hydronic 특별세션에서는 △저엑서지 수배관시스템을 활용한 복사냉난방시스템의 에너지절약기법(이현종 에코에너다임 대표) △첨단공장에서의 열회수 냉동기 도입 및 적용에 관한 고찰(황명하 S&I코퍼레이션 팀장) △저에너지 건축물 냉난방수배관시스템에서의 건물에너지관리시스템 적용기술(박동일 하나지엔씨 대표) △급탕공급온도 불균형 해소를 위한 급탕시스템 개선방안(진정탁 우원엠앤이 실장) △건물 내 낮은 온도차 물제를 해결하는 에너지밸브(송성범 밸리모서울 이사) △감압밸브 성능에 영향을 미치는 요인들에 관한 고찰(윤병택 삼양발브종합메이커 이사) △최소외기를 이용한 저에너지 수배관 복사시스템(김충회 지원에어텍 대표) △히트펌프를 이용한 주거향 통합솔루션(임태훈 LG전자 과장) 등 주제발표가 진행됐다.

이현종 에코에너다임 대표는 ‘저엑서지 수배관시스템을 활용한 복사냉난방시스템의 에너지절약기법’을 발표했다.

세계적으로 소비되는 연간 에너지 중 건축물에서 사용되는 에너지는 45%를 차지하고 있다. 그동안 건축물에서 사용되는 에너지를 줄이기위해 수많은 연구개발이 진행돼 왔으마 주로 에너지의 양적 부분에 관한 것이 주류를 이뤘다.

건축물에서 사용되는 에너지는 항상 하나의 형태에서 다른 형태로 변환되는 과정을 거치게 되며 이러한 변환과정에서 에너지는 유용한 에너지와 무용한 에너지로 구분된다.

이 대표는 “변환과정에서의 유용한 에너지를 엑서지(Exergy)라고 하며 엑서지의 손실이 임의의 에너지전달 및 소비과정에서 효율성에 대한 척도가 된다”라며 “지열이나 태양열 등의 친환경 대체에너지를 통해 등급이 낮은 저온수를 난방에 직접 사용할 수 있다면, 즉 저엑서지의 에너지원을 폭넓게 사용할 수 있다면 건축물의 에너지효율을 크게 증가시킬 수 있다”고 밝혔다.

에너지절약주택인 패시브하우스는 바닥복사냉난방만으로 냉난방부하를 모두 감당할 수 있으며 풀무원 LOHAS숲체원이 복사냉난방시스템을 적용해 최소한의 에너지로 쾌적한 실내환경을 조성하고 있는 대표적인 사례로 꼽힌다.

이 대표는 “지금까지 건축물의 에너지절약을 위한 계획이나 평가는 대부분 에너지의 양적인 측면만 고려해 왔으나 열 등의 에너지는 양뿐만 아니라 질적인 측면을 갖고 있으며 에너지의 양과 질을 동시에 고려해 건축물의 에너지소비효율을 판단해야 한다”라며 “저온수 난방 및 고온수 냉방을 하는 복사냉난방시스템과 저엑서지 열원을 함께 사용하면 건축물의 에너지소비효율을 가장 크게 올릴 수 있다”고 강조했다. 

황명하 S&I코퍼레이션 팀장은 ‘첨단공장에서의 열회수 냉동기(Recovery Chiller) 도입 및 적용에 관한 소고’ 발표를 통해 하절기 냉수만을, 동절기 냉수 및 온수를 생산하는 장비(Heat Recovery Chiller)를 도입하고 적용한 사례를 발표했다.

반도체 및 디스플레이 등 첨단산업 공장에서 가장 우선 시 되는 항목이 발로 에너지절감이다. 밀폐된 대공간을 초청정 클린룸으로 구축해야 하는 설계자 입장에서도 냉열원에 대한 시스템 컨셉 및 구성방안은 지극히 중요하다. 하절기뿐만 아니라 동절기에도 냉동기를 24시간 가동해야 하기 때문이다. 이에 따른 Pre-Planning단계에서의 냉열원시스템 구축 검토는 발주처와의 긴밀한 협의로 진행된다.

황 팀장은 “열회수 냉동기는 냉난방 부하가 동시에 존재하는 공장에서 냉난방 부하를 동시에 대응 및 필요한 경우 대응하기위한 시스템으로 2개의 별도 응축 열교환기를 통해 냉수와 온수를 동시에 공급해 시스템효율을 증대시켜 운전비용을 절감하는 시스템”이라며 “LG 디스플레이 파주공장의 경우 냉수 공급온도(13℃) 및 온수 공급온도(50℃)를 생산할 수 있는 장비를 LG전자와 협의해 선정했다”고 밝혔다.

LG 디스플레이 등 첨단공장은 외조기(OAC: Outside Air Controlling unit)에 동절기(간절기 포함) 외기를 처리해야 할 대량의 난방열원을 공급해야 하며 Pre-heating coil & Heating coil을 통해 열교환되도록 설계돼 있다. 

황 팀장은 “기본 터보냉동기 및 보일러 가동에 따른 온열부하 생성대비 Heat Recovery Chiller을 통한 온수공급을 검토한 바 상당량의 운전비 절감효과를 기대할 수 있었다”라며 “설계자 입장에서 기존 방식을 바꿔 신규 시스템을 도입한다는 부담도 있으나 엔지니어링 활동이 발주처의 회사발전에 기여할 뿐만 아니라 궁극적으로 산업발전에 기여한다는 자긍심을 갖고 업무에 임하는 것이 중요하다”고 밝혔다. 

박동일 하나지엔씨 대표는 ‘저에너지 건축물 냉난방수배관시스템의 건물에너지관리시스템(BEMS)적용기술’ 발표를 통해 수배관시스템의 중요성, IMI사에서 개발한 TA-Slider 복합밸브 특징을 통해 저에너지건축물을 위한 BEMS 적용방안 등을 제시했다.

에너지자원 부족으로 건축물의 사용에너지절감은 필수적으로 국토부와 설비공학회는 신재생&융복합에너지, 고효율에너지설비시스템, IoT 보급형 BEMS 기술개발을 적극 추진하고 있다. 

중규모 이상의 건축물에서 사용되는 냉난방수배관시스템은 부하 대응에 따라 합리적으로 유량을 조절하는 복합(차압유량조절)밸브시장이 최근 급성장하고 있다. 또한 4차 산업의 도래함에 따라 IoT와 접목되는 BEMS와 연동되는 복합밸브 적용 필요성이 보다 강조되고 있다.

박 대표는 “TA-Slider 복합밸브는 바이너리 입력에 의한 시스템 전환을 위한 냉각 또는 가열방식 감지, 스트로크 조정으로 균형을 조정하고 설계유량에서 자동계산, 모든 유형의 제어밸브와 호환, 사용자 스마트폰에 IMI Hydronic App이 장착된 Micro-USB가 있어 진단을 위한 통계작업 등이 가능하다”라며 “KS B2101 규정에 따른 시험결과 TA-Slider 복합밸브의 신뢰성을 입증했으며 추후 TA-Slider 복합밸브와 BEMS 적용사례를 통해 에너지절감을 검증할 예정”이라고 밝혔다.

진정탁 우원엠앤이 실장은 ‘급탕공급온도 불균형 해소를 위한 급탕시스템 개선방안’ 주제발표를 통해 동간, 세대간 급탕공급온도 불균형을 해소할 수 있는 급탕시스템 개선방안을 제시했다.

한국지역난방공사의 사용자시설의 문제점 및 개선방안 설문조사에 따르면 지역난방 만족도는 만족 12%, 보통 38%, 불만족 38%, 매우불만족 12%로 나타났다. 불만족 사유로 요금불만 32%, 품질불량 68%였으며 품질불량의 주원인은 온도 미달과 유량 부족으로 조사됐다. 

우원엠앤이는 급탕시스템 개선방안으로 정유량밸브 설치를 제시했다. 기존안은 일반적으로 동지하 배관구성에 사용되고 있는 리버스리턴 배관이며 개선방안은 급탕환수배관에 동별 정유량밸브 설치, 입상관별 정유량밸브 설치, 리버스리턴 배관과 동별 정유량밸브를 설치하는 3가지 안을 제시했다.

진 실장은 “정유량밸브를 설치해 유량밸런싱을 하면 기계실과 세대간 거리와 상관없이 각 세대에 급탕공급온도가 같아 온도불균형이 해소돼 급탕 사용자의 만족도가 높아진다”라며 “입상관별 설치 개선방안과 리버스리턴배관에 동별 정유량밸브를 설치방안은 동 내에서 유량밸런싱을 하기 때문에 급탕이 필요한 세대에 균일한 온도의 급탕공급이 가능하다”고 밝혔다.

진 시장은 이어 “정유량밸브를 사용해 배관 열손실 만큼 급탕순환유량을 환수시키면 급탕환수배관 축소 및 급탕순환량 감소에 따른 급탕순환펌프 운전비용 절감이 가능하다”고 강조했다.   

송성범 밸리모서울 이사는 ‘건물 내 낮은 온도 차 문제를 해결하는 에너지밸브’ 발표를 통해 건축물에서 공조기 효율저하 및 에너지낭비를 분석하고 대안을 제시했다.

오늘날 전 세계에서 사용되는 에너지의 40%는 빌딩 내에서 소비되고 있으며 LEED에 따르면 33~39%의 에너지가 HVAC에 사용되고 있다.

상당한 에너지가 실내온도 유지에 사용되고 있어 에너지절약을 위해서는 각 공조 장비가 최적의 효율을 발휘할 수 있도록 각별히 유의해야 한다. 하지만 많은 건물에서 Low delta T syndrome이라 불리는 문제가 발생하고 있다. 

Low delta T syndrome은 △코일의 오염 △과설계 △수배관시스템 내부의 차압변화 △낮은 온도차로 인한 공조기 효율저하 등이 원인이 되고 있다.

이를 해결하기 위해서는 공조기에서 사용되는 열량을 분석할 수 있어야 한다. 즉 급수온도, 환수온도 그리고 유량을 측정해 실제 사용열량을 확인해야 하며 측정된 열량을 바탕으로 공조기 효율이 급격하게 떨어지는 구간을 분석해야 불필요한 유량사용을 절감할 수 있다. 

또한 한여름과 같이 부하가 최대일 때와 환절기와 같이 부하가 적을 때를 구분해 사용유량을 유동적으로 제어하면 에너지를 크게 절감할 수 있다. 온도차(Delta T)가 낮아지는 현상이 발생했을 때 즉각적으로 이를 인지해 밸브의 유량을 줄여 낭비되는 유량을 절감할 수 있는 기능으로 에너지가 낭비되는 문제를 해결할 수 있다.

송성범 이사는 “건물 내 효과적인 에너지사용량 절감을 위해서는 실제 열원을 사용하는 부하 측에서 에너지가 낭비되는 부분에 대한 해결책이 필요하다”라며 “이를 위해 코일의 성능을 분석한 최적 에너지제어가 요구되는데 이를 해결할 수 있는 다양한 방식의 수배관시스템 검토가 필요하다”고 설명했다. 

이어 “정확한 유량제어를 위한 복합밸브(PICV)와 코일의 성능분석을 위한 별도의 에너지미터가 설치돼야 하며 이를 효과적으로 분석하기 위한 전용 프로그램도 요구된다”라며 “다양한 건물의 용도와 운전조건에 따른 많은 현장검증을 통해 최적의 방법을 모색할 필요가 있다”고 강조했다.

윤병택 삼양발브 이사는 ‘감압밸브 성능에 영향을 미치는 요인들에 관한 고찰’을 발표했다.

우리나라는 한정된 국토를 효율적으로 이용하기 위해 많은 건축물을 고층화시킬 수밖에 없는 실정이다. 건물내부의 각종 설비를 어떻게 고층에 적합하게 하느냐가 중요하며 특히 배관시스템 구성은 매우 중요한 문제다.

고층건물 설계자는 수배관 계통의 구성과 적정압력 유지방법을 정밀하게 검토해야 한다. 특히 사용자측 적정압력을 유지하기 위한 장치로써 감압밸브가 사용되고 있는데 이러한 감압밸브 성능에 영향을 미치는 요인과 이로 인해 발생할 수 있는 문제점 및 해결방안에 대한 고민이 필요하다.

감압밸브 성능에 영향을 미치는 요인들로는 △고층건물에 대한 급수방식 △시스템의 급수압력(1차측 압력) △캐비테이션 지수(Cavitation Index) △수충격(Water hammer) 현상 △용존 공기(Dissolved air) 등이 있다.

감압밸브 민원을 크게 분류해 보면 소음, 감압성능 불량 및 저유량이 대부분이다. 특히 소음 민원이 가장 많은데 온도가 높은 급탕라인과 펌프에 가까운 압력이 낮은 곳에서 문제가 발생하는 경우가 많다. 

용존공기를 생각해 본다면 온도가 상대적으로 높은 급탕쪽과 압력이 낮은 곳에서 발생하는 공기에 의한 소음으로 판단할 수 있다. 고층화 건물에서 적절한 조닝을 하지 않으면 압력이 낮은 고층부에서 공기가 많이 발생해 문제가 될 가능성이 있다. 

또한 압력이 높은 저층부에서는 1차측 압력이 높게 되고 감압밸브 전후단의 압력차이가 크게 될 가능성이 높다. 압력차이가 클 경우 캐비테이션이 발생하게 되는데 가능하면 K≤0.5가 되도록 1차 압력의 공급을 조절해야 한다. 만약 이를 만족하지 못할 경우 감압밸브를 2개 이상 사용하는 2단 감압시스템을 고려해야 한다. 이때 2개의 감압밸브 사이의 압력은 양측의 캐비테이션 지수가 같다는 조건을 이용한다면 구할 수 있다. 

감압밸브는 수전을 사용하지 않을 경우 완전히 차단돼야 한다. 그러나 감압밸브 디스크의 재질은 고압, 고온 및 수충격에 크게 영향을 받는다. 초기에 소음이 발생하지 않는다고 해서 이러한 것들의 영향이 없는 것이 아니라 계속 축척되고 있다가 그 한계를 벗어나게 되면 문제가 발생하는 것이다.

윤병택 이사는 “배관계통의 문제점을 해결하기 위해서는 설계기준에 따른 적절한 조닝이 선행돼야 하고 이에 맞는 감압밸브를 선정해야 한다”라며 “선정된 감압밸브의 캐비테이션 지수를 검토해 0.5 이상이 될 경우 2단 감압시스템을 고려하는 것도 하나의 대안이 될 수 있다”고 설명했다.

김충회 지원에어텍 대표는 ‘최소외기를 이용한 저에너지 수배관 복사시스템’을 발표했다.

근래에는 유럽을 중심으로 아시아지역까지 저에너지사용 건축물구축을 위해 설비적으로 쾌적공조 성능구축과 동시에 에너지사용이 최소화될 수 있는 수배관 복사냉난방시스템을 채택하고 있다.

이는 재실자가 숨쉴 만큼의 최소한의 신선외기만 실내에 공급하고 메인부하 처리는 열전달 밀도가 공기보다 높고 체적은 1/65로 낮출 수 있는 물을 사용해 실내 부하의 70~85%를 해결 할 수 있다.

이에 따라 최소외기 급기시스템과 수배관 냉난방시스템이 결합된 AVACS(아박스)는 덕트웤의 소형화로 건축물 공간절약과 냉·온수 사용 저에너지 공조시스템 구축이 가능하다. 

AVACS는 친환경 고급건축물에 적합하며 급기시스템이 일체화돼 천장활용도가 뛰어나고 인테리어 표현이 매우 우수하다. AVACS 천장복사냉난방 방식은 냉수가 천정에서 복사패널로 공급되므로 결로발생, 누수 등으로 적용을 기피하는 경향이 있었으나 복사패널방식에서 기술향상된 복사세일과 급기기능이 융복합된 멀티형AVACS시스템은 제습공조된 최소외기를 이용하기 때문에 기존 복사패널보다 결로제어가 용이하고 기능이 다양하다.

멀티복사세일(AVACS) 시스템은 최소외기로 급기스시템이 조합돼 건물 노출천장에서 덕트웍을 획기적으로 줄일 수 있고 수배관 복사판넬로 실내 현열을 효과적으로 제거 할 수 있다. 

김충회 대표는 “현열부하 기준으로 전 공기 방식에 비해 60~70% 풍량감소가 가능하므로 에너지절약 및 공조기, 덕트설치에 필요한 공간을 효과적으로 활용할 수 있다”라며 “향후 실내쾌적성, 정숙성, 에너지 절약, 메인터넌스 간소화로 저에너지 사용 빌딩구축이 가능하며 한국 기후환경에 최적화돼 보급성이 뛰어나다”고 설명했다.

임태훈 LG전자 과장은 ‘히트펌프를 이용한 주거향 통합솔루션’을 발표했다. 

우리나라뿐 아니라 세계적인 추세인 에너지 저소비형 건축물 보급 및 친환경 정책에 따라 고효율 냉난방설비인 히트펌프시스템은 단시간 내 널리 보급되고 있다.

온실가스 및 에너지절감 대책으로써의 장점뿐 아니라 공조설비로서 다양성을 제공한다. 바닥난방 같은 복사시스템 구성시에는 기류에 의한 정속성 및 실내 온열환경 조성에 이점이 있고 최근 ESS(Energy storage system) 및 태양광시스템과 연계로 신재생에너지의 적극적인 활용이 가능하다. 

또한 인터넷 기반으로한 스마트폰 제어 및 실시간 에너지모니터링 등을 통해 설치자에게는 유지보수 용이성을 사용자에게는 간편조작 및 사용량확인을 가능케한다.

최근 제품기술 동향으로는 그동안 수배관설비 설치부분인 순환펌프, 팽창탱크, 압력계, 스트레이너 등 부품들이 제품에 탑재돼 설비공사 부분의 비중을 최소화해 설치간소화 및 비용절감의 이점을 제공하고 있다.

냉난방시스템은 빌딩 및 주거향 건축물에너지 효율화의 핵심이며 이는 히트펌프 사용으로 달성될 수 있다. 과거의 냉난방 중심의 설비에서 최근에는 급탕 및 환기 연동시스템으로 활용이 확대되고 있으며 통합제어기를 통해 주거에서 사용비중이 큰 공조시스템의 에너질절약을 목적으로 설계 및 시공되고 있다.

건축물 설비부문에서 저탄소 녹색성장을 위한 방안으로 히트펌프의 응용, 확대의 의미는 크다.

임태훈 과장은 “일반건물에서의 냉난방 및 급탕뿐 아니라 국가, 지방자치단체 등 공공기관에서는 공공기관에너지이용 합리화 추진에 관한 규정 및 신재생에너지 개발·이용·보급 촉진법 시행규칙에 의해 설계, 시공사례가 증가하고 있다”라며 “이에 따라 에너지절약 및 환경 보호, 투자비 경제성 등을 해결할 수 있는 시스템 엔지니어링 관점에서 설비를 이해하는 노력과 안목을 키우고 제품개발 및 설비 선진화에 대한 노력이 필요하다”고 말했다.