건물 내 냉난방 수배관시스템에서 냉난방열원 유량를 제어할 목적으로 사용되는 복합밸브의 경우 밸브 전ᆞ후단의 차압변동에 상관없이 설정된 유량이 일정하게 공급될 수 있도록 제어한다. 또한 계절 변화에 따른 냉방과 난방 전환 시 필요로 하는 열원 유량을 쉽게 변경할 수 있는 기능을 포함하고 있어 냉ᆞ난방 수배관시스템에 열원 유량을 제어할 목적으로 많이 사용되고 있다.

복합밸브를 수배관시스템에 적용하기 위해서는 냉방 및 난방에 필요한 열원 유량, 공급관과 환수관의 차압범위, 밸브의 제어방법(on/off, 비례제어), 배관의 크기 등을 고려해야 하며 순환펌프의 경우 열원의 유량, 공급관과 환수관의 차압, 유체통과 시 밸브에 의해 발생되는 밸브 및 배관손실 등을 감안해 선정한다.

또한 복합밸브는 공급관과 환수관의 차압범위 내에서 필요한 유량(설정유량)의 범위 내에서 유량제어가 가능해야 하는데 이는 사용처의 다양한 수배관시스템 조건에 복합밸브가 능동적으로 대처해 열원의 유량을 효율적으로 제어해야 하기 때문이다.

이처럼 수배관시스템에 최적의 복합밸브를 선정해 적용하기 위해서는 고려해야 할 사항들이 많고 복잡해 수계산으로 설계하기에는 한계가 있다. 또한 사용할 수 있는 프로그램도 제한적이며 비용 또한 비싸 범용적으로 사용되기에는 많은 어려움이 있다.

국내 설계자들이 보다 저렴한 비용으로 쉽고 편하게 사용할 수 있도록 개발되고 있는 BIM 연계 통합 수배관 계산 프로그램의 신뢰도 향상을 위해 다양한 시도를 진행하고 있다. 그 중 하나로 BIM 프로그램에 의해 실시설계된 수배관시스템을 실제로 제작한 후 실유량테스트를 시행해 설계유량과 실제유량을 비교하는 실증구현을 하고자 한다.

실증구현의 목적은 BIM 프로그램에 의해 복합밸브가 적용돼 설계된 수배관 시스템과 동일하게 수배관시스템 Mock-up을 제작, 공급관과 환수관의 차압변동에 따른 복합밸브의 유량제어시험을 통해 BIM 프로그램에 의해 설계된 유량 Data와 TEST에 의해 도출된 실제 밸브의 유량값의 차이를 비교, 검증할 계획이다.

실증구현 수배관시스템 Mock-up 구성

BIM 프로그램의 실증구현을 위해 제작된 수배관시스템 Mock-up에는 부스터펌프, 전자식압력계, 유량계, 에어벤트, 복합밸브, 볼밸브, 배관부속품 및 제어용 BOX로 구성됐다.

순환펌프는 전양정 32m, 최대양수량 1만2,000L/h, 전자식압력계는 측정압력범위 0~10kgf/cm², 유량계는 터빈 유량계로 유량범위 8~80LPM이 측정 가능한 유량계, 에어벤트는 적용압력 0.4MPa에서 최대배출량이 2.5~3m³/h인 제품을 적용했다.

전자식압력계는 공급관과 환수관에 각각 설치돼 배관 내 압력을 측정토록 했으며 터빈 유량계는 공급관에 설치돼 유량을 측정토록 했다. 에어벤트는 공급관측 수직배관의 최상부에 설치해 유체 내 공기배출이 용이토록 했다.

복합밸브는 Manual로 유량을 조절할 수 On/Off 밸브와 밸브에 조립된 구동기에 전달되는 신호에 의해 유량이 조절되는 비례제어용밸브가 적용됐다. 밸브크기는 일반적으로 많이 사용되는 밸브크기인 15, 20, 25A의 밸브를 적용했다.

복합밸브의 최대 유량은 각각 40, 30, 22LPM, 적용차압범위는 0.03~0.4MPa의 차압에서도 유량제어가 가능한 밸브를 각각 적용했다.

실증구현을 위한 Mock-up용 수배관시스템의 배관은 건물 내 냉ᆞ난방 수배관시스템 설치조건과 유사하게 수직배관으로 2개의 Zone으로 설계했으며 시스템배관의 넓이는 2.4m, 높이는 2.7m로 구성했다. 순환펌프의 제어 및 전자식압력계의 각 배관 내 측정 압력값과 터빈 유량계의 측정유량값이 표시될 수 있는 디지털 인디게이터를 포함한 제어 Box로 구성했다.

또한 실증구현용 Mock-up 시스템배관과 동일하게 배관, 복합밸브를 3D모델링을 한 후 유동해석 프로그램을 사용해 유량값을 산출하고 실제 테스트를 통해 측정된 유량값과 이를 비교해 그 편차를 확인하게 된다.

이는 실제 유량측정값과의 비교를 통해 최적의 유동해석 Data를 확보하고 이를 BIM프로그램의 복합밸브 선정, 배관 선정 및 순환펌프 선정에 활용해 프로그램을 사용해 실시된 수배관시스템의 설계와 실증간 오류를 최소화할 수 있다.

실증구현을 위한 Mock-up 수배관시스템의 복합밸브 유량제어 시험은 한국설비기술협회에서 제정 중인 단체표준 SPSKARESEB 0064-0000 압력독립형 유량제어밸브 8.2항 유량제어 시험의 시험방법에 따라 실시한다. 시험을 위한 유량설정은 복합밸브의 최대 유량을 기준으로 각각 50, 75%의 유량을 밸브별로 각각 설정한 후 밸브의 적용차압범위 중 공급 배관과 환수 배관의 차압이 0.06, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4MPa가 각각 유지되도록 한 상태에서 유량을 측정한다. 공급 배관과 환수 배관의 차압 유지는 제어용 BOX를 사용해 순환펌프를 제어하는 방법으로 각 배관 내 차압을 유지한다.

유량제어 시험을 통해 측정된 복합밸브의 각 차압별 유량값의 유량편차는 복합밸브의 차압범위 내에서 설정유량 ±5%의 유량편차 범위 내에서 유량제어가 가능한지 검증한다. 검증된 유량 Data를 유동해석 프로그램을 사용해 계산된 유량값과의 편차와 실제 측정된 유량값의 편차가 ±5% 이내에서 유량제어 성능을 유지하는지 검증한다.

각각 실제 유량제어 테스트를 거쳐 도출된 실유량 Data와 BIM프로그램에서 설계된 설계유량 Data와의 검증과정을 통해 BIM프로그램을 사용해 설계된 수배관시스템의 실증구현이 가능하다는 것을 검증하게 된다. 이번 실증구현을 통해 도출된 검증 결과를 BIM프로그램 개발에 반영함으로써 설계와 실증의 오류를 줄일 수 있을 것으로 보인다.

실증구현의 검증과정을 통해 BIM프로그램이 개발됨에 따라 설계와 실증의 오류를 줄인 BIM프로그램 보급이 가능할 것이다. 이는 건물 내 냉ᆞ난방 수배관시스템을 설계하는 설계자들이 최적의 펌프, 최적의 배관, 최적의 밸브를 선정할 수 있도록 도울 것이며 건물 내 냉ᆞ난방을 위해 사용되는 열원유체의 유량을 최적으로 제어할 수 있어 사용자들의 비용 절감은 물론 건물 내 에너지낭비를 최소화할 수 있다.

3D기반의 BIM프로그램은 기존 냉난방 수배관시스템 설계 시 수작업으로 진행됨에 따라 발생되는 작업시간의 지연, 사용자의 불편성을 보완할 수 있어 숙련자는 물론 미숙련자들도 수배관시스템 설계를 보다 편리하고 빠르며 적합하게 수행할 수 있을 것이다.