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[특별기고] 이문희 한국와츠 밸브사업부 대표

냉난방 수배관시스템 최적화 솔루션
“WATTS HYDRONIC TRIO 최적화 운전 가장 쉬운 방법”
에너지절감목표 건축물 적용, 성능 입증

HVAC 냉난방시스템 현실

HVAC(Heating, Ventilation, & Air Conditioning)은 모든 영역에서 배관 내 냉매를 무엇으로 사용하는 지에 따라 명확하게 두 가지 응용분야로 구분될 수 있다.

VRF 멀티시스템은 압축성(Compressible) 유체인 프레온가스(R22, R410a, R134a, 등)를 이용해 온도와 압력의 역학으로 냉매의 특성을 변화해 실내의 냉방과 난방을 이루는 시스템이다. 일반적으로 가정용 에어컨 또는 많은 실내의 부하를 동시에 조절하는 시스템을 말한다. VRF 멀티시스템을 이용해 냉난방을 구현하기 위해서는 압축기-응축기-팽창밸브-증발기의 구성으로 이뤄지고 증발기 내부에 설치돼 있는 팽창밸브(EEV)에 의해 냉매량을 조절한다.       

VRF 멀티시스템의 에너지성능(COP)은 전적으로 압축기 소비전력과 증발기의 열교환성능으로 이뤄지며 소비효율을 높이기 위해서는 각 증발기의 냉매 밸런싱(Balancing)이 이뤄져야 한다. 냉매 밸런싱은 열교환기 요구부하특성에 맞춰 팽창밸브의 궤도를 조절해 설계냉매를 통과하게 된다. 이때 요구부하특성에 따른 밸브 궤도가 다르게 되면 임의 증발기에는 많은 냉매가 통과해 과냉(Subcooled)이 높아지고 반대로 임의냉매가 부족해 과냉이 부족할 수 도 있다. 



이와 같은 증발기의 냉매분배 불균형(Unbalancing)이 있을 시 증발기 열교환성능 저하와 함께 압축기 소비전력 상승을 동반하게 된다. 즉 냉매 분배 불규형은 즉각적인 VRF 멀티시스템의 성능 저하라는 결과를 가져온다.

이에 따라 VRF 멀티시스템에서 설계운전성능을 유지하기 위해 팽창밸브 특성과 제어가 가장 중요한 개발자의 노력이 필요하게 된다. VRF 멀티시스템 개발자들은 시스템을 시험실에 구축해 여러 부하조건에서 안전과 성능시험을 진행하며 현장 설치 이후 성능보장의 책임감을 갖고 있다.

여기에서 중요한 사항은 VRF 멀티시스템을 제공하고 설치, 운전 그리고 성능보장은 오직 1개 제조사만이 가능하다.

냉난방 수배관시스템(Hydronic system)
냉난방 수배관시스템은 냉방과 난방을 위해 냉동기를 통한 냉수(Cold water)와 보일러를 통한 난방수(Hot water)를 이용해 각 실내의 냉방과 난방이 이뤄진다. VRF 멀티시스템과 동일한 원리로 물이 열원설비-펌프-유량제어밸브-터미널를 통과한다.

냉난방 수배관시스템은 비압축성(Incompressible) 유체인 물을 순환하기 위해 펌프가 높은 정압 즉 양정(Head)을 생성하고 열원설비인 냉동기(Chiller) 및 보일러(Boiler)에서 만들어진 냉수와 난방수가 펌프의 양정에 의해서 순환하게 된다. 순환된 물은 배관을 통해 각 터미널의 요구유량에 맞춰 유량제어밸브(Control Valve)에 의해 유량이 조절된다.



냉난방 수배관시스템의 성능은 열원설비와 펌프에서의 전력소모량이 전체 시스템의 90% 이상을 차지하기 때문에 열원설비 및 펌프 효율을 유지하는 게 매우 중요하다. 열원설비(냉동기, 보일러)의 효율은 환수온도가 중요한 성능 척도가 되며 펌프효율은 펌프양정과 설계유량분배에 따른 운전이 중요하다. 

열원설비와 펌프의 최적화 운전을 위해 부하 사용처인 터미널(AHU, FCU)에서의 설계유량 밸런싱을 정확히 해야 하며 컨트롤밸브의 터미널 특성에 따른 유량제어성능이 중요하다. 터미널에서의 유량 불균형(Unbalancing)은 터미널 환수온도 변화를 가져오고 이는 열원설비(냉동기, 보일러)의 성능 저하로 이어지며 과유량(Overflow)에 따른 펌프 운전비용이 상승하게 된다.

여기에서 냉난방 수배관시스템은 열원설비, 펌프, 터미널 그리고 컨트롤밸브의 제조사 및 제공자가 다르기 때문에 시스템적으로 최적화하기 위한 방법은 VRF 멀티시스템과 다르게 복잡한 변수들을 고려해야 한다.

열원설비는 설계조건(급수 및 환수 온도조건)에서 성능시험 결과를 이용한 제품성능을 보장하며 펌프는 유량에서의 양정변화 성능특성을 기준으로 제품성능을 보장한다. 터미널(FCU, AHU) 성능은 설계 유량과 입구-출구 온도차 조건에서 성능시험 결과를 보장한다.

그러나 냉난방 수배관시스템 실제운전에서는 비압축성 유체인 물의 특성으로 인해 터미널에서의 유량 변화에 따른 매우 복잡한 차압(Differential pressure) 변화가 발생해 모든 설비(열원설비-펌프-터미널)의 설계 조건을 왜곡시킨다.

WATTS HYDRONIC TRIO
냉난방 수배관시스템에서 터미널(FCU, AHU) 유량 밸런싱과 제어를 위해 반드시 부분부하조건에서 차압변화가 발생하고 급격한 유량변화(Q=ΔP2)가 발생하는 물리적인 사실을 이해해야 한다. 

터미널에서의 유량변화는 즉시 출구온도 변화와 함께 입구-출구 온도차를 변화시키며 터미널의 열교환성능 변화, 환수온도 변화에 따른 열원설비(냉동기, 보일러) 성능변화 그리고 유량 및 차압 증가로 인한 펌프효율 변화가 발생하게 된다. 

물역학분야 전문기업으로 급수·위생·소방뿐만 아니라 냉난방 수배관시스템의 최적화 운전을 위한 진보적이고 획기적인 제품을 개발, 생산하는 WATTS의 HYDRONIC TRIO가 해결방안으로 주목받고 있다. 

HYDRONIC TRIO 1: 복합밸브(PICV)
WATTS 복합밸브는 설계유량을 설정하는 밸런싱기능과 부하에 따른 유량 제어기능, 터미널의 차압변화를 제어하는 차압제어기기능을 1개의 밸브에서 모두 구현할 수 있다. 부분부하에서 발생하는 차압변화에서도 유량제어를 정밀하게 할 수 있으며 유량 정밀도(±5%)에 따른 차압 정밀도(±5%)를 갖고 있어 밸브 Authority가 0.8 이상을 갖게 된다. 터미널 특성에 대한 밸브특성은 등가특성을 갖고 있기 때문에 입력 전기신호에 따른 정확한 궤도 변화와 유량을 갖게 된다.

부분부하에서 터미널의 설계유량 변화가 없어 열교환기 입구-출구 온도차의 변화는 오직 부분부하 필요유량에 따라 온도차가 상승하게 된다. 출구온도의 상승은 냉동기 환수온도가 높아지기 때문에 COP가 상승하고 보일러에 환수온도가 낮아지기 때문에 효율이 상승한다. 

건축물에서 전체 전력에너지의 50% 이상을 HVAC설비에서 소비하기 때문에 냉난방설비의 최적효율과 운전비용을 절감할 수 있는 방법을 찾아야 한다. 

WATTS의 복합밸브는 부분부하 운전에서의 정확한 유량제어를 통해 열원설비 성능, 펌프효율, 터미널 열교환 성능 등 유지함으로써 최대 30% 이상 전력에너지를 절감할 수 있다. 

HYDRONIC TRIO 2: 에너지밸브(Intelligent Control Valve)
WATTS의 에너지밸브는 건축물의 에너지 사용처에 대한 모니터링을 통해 에너지사용계획과 실행을 목적으로 하는 BEMS(Building Energy Monitoring System)에 최적화된 제품이다. 에너지밸브는 부하변화에 따른 터미널의 열교환성능을 유지하기 위해 지능적으로 터미널 입구와 출구 온도를 측정하고 유량계를 통한 실시간 유량측정으로 설계 온도차를 확보한다. 이를 위해 밸브 구동기와 상호 응답 과정을 통해 유량을 제어하게 된다.

또한 유량과 온도차를 실시간으로 측정하고 에너지 사용량(E=QΔt/0.86)을 실시간으로 모니터링하게 된다. 에너지밸브는 부가기능으로 터미널의 입구와 출구 차압도 측정 가능한 것이 특징이다.



온도차 설정에 대한 정확하고 신속한 응답 속도를 갖추고 있으며 차압변화에 대한 터미널의 유량변화와 열교환성능 변화를 최소화하기 때문에 에너지절감과 터미널 에너지사용량 모니터링을 위한 최적의 제품으로 평가받고 있다.

HYDRONIC TRIO 3: TAB 밸런싱 밸브
WATTS TAB 밸런싱 밸브는 획기적인 기술을 이용해 배관과 터미널에서의 유량 측정기를 이용한 유량측정이 필요없이 실시간으로 유량을 계측하고 설계유량을 설정할 수 있는 수동밸런싱 밸브다.

유량측정기를 통해 여러 지점의 유량측정을 하는 기존 방법은 많은 시간이 필요하고 복잡한 과정을 통해 이뤄지기 때문에 실제 유량값 확보가 어렵다.
특히 한국에서는 오는 4월18일 기계설비의 안전하고 효율적인 유지관리를 위한 기계설비법의 시행령, 시행규칙이 실행된다. 이를 위한 기계설비 유지 관리자를 의무화하는 법령이 있으며 기계설비의 ‘착공 전 확인’과 ‘사용 전 검사’를 위해 유량측정이 의무화된다.

TAB 밸런싱 밸브는 모든 지점(배관, 터미널, 기계실 등)에서 실시간 유량 계측과 유량설정이 가능하기 때문에 기계설비 유지를 위한 최적의 제품이 될 수 있다.

또한 제품 사이즈별로 유량계수(Kv) 범위가 크기 때문에 기존의 수동밸런싱 밸브가 갖고 있는 사이즈별 유량 범위보다 높다. 이처럼 WATTS HYDRONIC TRIO는 냉난방 수배관시스템의 최적화 운전과 시운전을 위한 가장 쉽고 정확한 방법이다. 특히 에너지절감을 목표로 하는 건축물 HVAC시스템에 속속 설치돼 성능을 입증하고 있다.