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[특별기고] 안준성 지텍이엔지 대표

FCU비례제어, 에너지절감 핵심
소유량 제어시스템 구축 필요
건축기계설비업계, 여전히 ON·OFF 방식 고수

포스트코로나 시대에 정부는 선도국가로 도약하기 위한 새로운 국가발전전략인 한국판뉴딜정책을 발표했다. 한국판뉴딜의 3가지 분야는 디지털뉴딜, 그린뉴딜, 안전망 강화이며 이중 그린뉴딜은 탄소의존경제에서 저탄소, 그린경제로 전환이 주요내용이다.

탄소 과다배출로 인한 2050년 전 세계 기후대위기까지 남은 시간은 단 30년뿐이다. 기후위기로 인한 앞으로의 재해는 더 이상 천재지변이 아닌 인재(人災)다.

이에 따라 건축기계설비분야 역시 건축물에 사용되는 에너지절감이 시급하며 이에 팬코일유니트(FCU)를 활용해 냉난방부하를 개별제어하는 방식이 주목받고 있다.

FCU비례제어 통한 반송동력 절감
국내 건축물의 냉난방시스템에는 공기조화기를 이용한 전공조방식과 업무용건물 등에서 각 개별실의 FCU장비를 사용해 대부분의 냉난방부하를 처리하는 개별냉난방방식이 있다. 이 경우 각 실의 FCU는 역환수배관(reverse return)으로 구성돼 하나의 실(zone)개념으로 제어하거나 각 FCU마다 컨트롤밸브를 설치해 직환수배관방식으로 개별제어할 수 있다.

이때 각 실 또는 개별 FCU에 통과되는 유량을 부하변동에 따라 비례제어해야 냉난방에 사용되는 순환펌프 및 열원장비 등 반송동력 절감이 가능하다.

펌프의 회전수를 변화시켰을 때 회전수에 따른 유량, 양정, 동력을 계산하는 펌프상사법칙에 따르면 유량감소비율의 세제곱으로 동력이 감소되므로 50%의 유량이 감소하면 동력이 87.5% 감소한다. 이에 따라 각 실 혹은 개별유량의 비례제어와 인버터펌프의 회전수제어가 정확히 이뤄질때 반송동력 절감이 이뤄진다.



실별 부하에 따른 FCU 유량은 전공조방식에 비해 매우 적어 부하변동에 따른 유량을 제어하는 것이 까다롭다. 이에 따라 현재 사용되는 FCU제어시스템은 비례제어시스템에 대한 필요성과 중요성에 대한 인식이 부족해 구성되지 않는 것이 대부분이다.

현재 운영되고 있는 대부분의 FCU제어시스템은 ON·OFF방식으로 적용되므로 부하변동에 따른 대처가 비효율적이어서 건축물의 에너지가 낭비된다.

소유량구간 비례제어 필요성
FCU제어시스템에 사용되는 기존의 컨트롤밸브는 대부분 유체흐름을 직선운동으로 제어하는 글로브(globe)타입이며 일반적으로 30~80%의 제어구간을 가진다.

하지만 건물에 사용되는 대부분의 부하량은 설계부하의 유량을 정확히 제어해야 한다. 문제는 각 FCU의 설계유량 자체가 적기 때문에 설계부하의 10%, 20%, 30% 구간에서 제어가 정확하게 이뤄지지 않는다.



글로브밸브타입의 특성상 소유량 제어구간에서 밸브의 개도가 낮을 경우 소음, 진동이 발생하고 제어량이 초과나 미달을 오가며 유량이 안정되지 못하는 헌팅(Hunting)이 발생하는데 실내거주 사용자에게 스트레스와 불편을 초래한다.

심한 경우 유체 속에 기포가 발생하는 공동화현상(Cavitation)이 나타나 이로 인해 밸브 및 배관, 장비 등이 손상되고 수배관시스템 전체에 악영향을 미치게 된다. 결국 공급환수 온도차(△T)를 떨어뜨리고 사용유량이 증가해 더 많은 에너지를 소비하게 된다.

결국 필요부하에 따른 부정확한 제어가 전체 시스템의 에너지낭비로 이어지게 된다. 예를 들어 건물용도상 FCU 설치로 냉난방을 제어하는 유량의 비율이 50%, 60%, 70%, 80%이고 AHU가 제어하는 정도가 10%, 20%, 30%, 40%, 50%일 경우 현재 모든 장비는 비례제어방식에 따라 시스템을 운영하고 있으나 유독 FCU제어만 ON·OFF제어를 적용해 에너지낭비를 초래하고 있다.

에너지절감을 위한 FCU 비례제어시스템은 부하의 10%, 20%, 30% 이하 구간에서 정확한 유량제어가 이뤄져야 하고 소음, 진동, 공동화현상이 발생하지 않아야 한다.

또한 컨트롤밸브가 비례제어돼 부하변동에 따라 정확하게 유량제어가 이뤄져야 한다. 개별FCU의 유량은 적기 때문에 이를 비례제어하는 것에 대한 의구심을 가질 수 있지만 건축물을 냉난방하는 FCU장비 수량은 수백, 수천대임을 인식할 필요가 있다.



건축기계설비분야, 에너지절감 인식 부족
정확한 유량제어를 통한 FCU비례제어시스템은 기존 시스템대비 최소 20~30%의 펌핑동력 절감효과를 가져온다. 초기 비용이 증가하더라도 건물에서 사용하는 에너지절감을 통해 부하처리 유량비율에 따라 2~4년 내 비용회수가 가능하다.

이에 따라 설계유량의 0~20% 구간을 정확하게 제어할 수 있는 시스템을 구축해야한다. 이처럼 유량의 정확한 제어를 통해 에너지절감을 추구하고 있는 사업으로 물사업을 들 수 있다. 

환경부지침에 따라 한국환경공단, 한국수자원공사에서 생산하는 음용수의 공급·생산지표를 유수율로 나타내는데 유수율이 높다는 것은 물의 손실이 적다는 의미다.

일반적으로 80~85%의 유수율을 목표로 설계 및 시공이 이뤄지는데 환경공단과 수자원공사는 단 1% 유수율 향상을 위해 정확한 제어시스템을 적용한다.

산업분야는 다르지만 에너지절감을 위한 제어시스템의 방향성은 건축기계설비와 크게 다르지 않다. 그러나 건축기계설비분야는 이러한 에너지절감에 대한 인식이 아직 부족한 상황이다.

물사용금액과 에너지사용금액의 차이가 큰 것이 현실이며 물 아끼기운동은 공기업이 선도해 전국적으로 실천되고 있으나 에너지 아끼기운동은 그에 미치지 못한다. 국내 에너지사용량의 절대다수를 차지하고 있는 산업분야에서 선도적으로 에너지사용량을 줄여야만 한다.

건축기계설비의 에너지절감은 이제 선택이 아닌 필수로 이미 국제사회에서는 탄소배출권 거래제도를 추진해 왔으며 2015년 유엔 기후변화회의를 통해 파리협정을 채택해 온실가스 배출량을 줄이기 위한 노력을 해왔다.

이러한 국제적 흐름을 고려해 국내에서 지난 4월 시행된 기계설비법은 건축물에너지와 관련해 그동안 기준과 틀이 마련되지 않았던 건축기계설비분야에서 최소한의 제도적 장치가 마련됐다는 점에서 큰 의미를 가지고 있다.

FCU의 비례제어시스템으로 인한 에너지절감의 필요성을 인식하고 새로운 시대흐름에 맞춰 효과적이고 효율적인 시스템 적용이 필요하다.