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연재기획

BIM 연계 통합수배관시스템 구축 ⑤

지열·수열 수배관 양정계산 시 오차 5% 이내 정확성·신뢰성 확보


냉난방수배관 계산 프로그램인 ‘Hyd-SAREK’을 개발한 하나지엔씨는 △융도엔지니어링 △삼양발브종합메이커 △지엔원에너지 △비이엘테크놀러지 △경희대와 함께 ‘BIM 연계 에너지절약형 통합 수배관시스템 계산프로그램’을 개발하고 있다. 이를 통해 첨단 비즈니스모델을 개발하고 선진기술 강국 도약에 앞장 설 계획이다. 이번 기획연재  ‘BIM 연계 통합수배관시스템 구축’은 참여기관들의 특별기고로 총 7회에 걸쳐 게재한다.


■ 연재기획 특별기고 순서

① 개발 필요성(경희대)

② 개발 방안(하나지엔씨)

③ 최적화 도서 개발(융도엔지니어링)

④ 실증 구현(삼양발브종합메이커)

⑤ 활용방안(지엔원에너지)

⑥ 교육 플랫폼 개발(BEL)

⑦ 유동해석 및 검증(경희대)



지열에너지와 수열에너지는 신재생에너지로서 자연에서 에너지를 얻어 건물로 공급한다. 지열은 지중온도가 연중 15℃로 일정하고 수열(광역원수, 하천수등)은 연중 3~26℃로 대기온도보다 겨울은 높고 여름은 낮아 히트펌프 열원으로 우수하다.


지열은 땅에 U형태의 열교환기를 삽입해 열을 흡수(난방) 및 방출(냉방)하는 반면 수열은 상류(취수장)에서 하류(정수장)로 흐르는 물을 유입해 열을 흡수 및 방출해 하천으로 돌려보내는 방식으로 두 시스템 모두 개방형 또는 밀폐형으로 배관 구성이 가능하다.

지열에너지를 이용하는 지열냉난방시스템의 성능은 성능계수(COP: coefficient of performance)로 나타낼 수 있다. 성능계수는 히트펌프 COP와 시스템 COP로 구분되고 아래의 식으로 계산된다. 여기서 시스템COP의 순환펌프 총 소비전력은 지열이나 수열의 열원측 순환펌프의 소비전력을 나타내며 순환펌프 소비전력이 클수록 시스템COP는 낮아진다.

일반적으로 열원측 순환펌프의 소비전력은 히트펌프 유효전력의 약 10% 수준으로 결코 작지 않다. 

지열과 수열시스템 설계 시 수배관의 구성, 열매체의 유량과 순환펌프 선정은 시스템COP에 영향을 미치는 요소로 수배관 설계를 최적화해 순환펌프의 소비전력을 줄이면 시스템성능을 향상시킬 수 있다.

순환펌프의 소비전력에 영향을 미치는 것이 양정으로 펌프 상사법칙을 적용하면 양정이 클수록 순환펌프 소요동력도 커짐을 알 수 있다. 양정계산은 아래와 같으며 설계 시 일반적으로 안전율은 10~30% 정도 가산해 산출하는 만큼 순환펌프가 과선정이 될 수 있다.

- 밀폐형인 경우 : 폄프의 전양정=(배관저항+기기저항)×여유계수
- 개방형인 경우 : 폄프의 전양정=(배관저항+기기저항+실양정+송출수두)×여유계수 



수배관의 양정계산, 순환펌프 선정 그리고 밸런싱밸브 선정은 에너지절감에 중요한 사항이다. 대부분의 수배관 설계 및 양정계산은 2D도면에서 이뤄진다. 일부 대형 공공건물설계나 민간건설사에서 BIM(Building Information Modeling)을 이용한 설계가 이뤄지나 극히 제한적이며 BIM을 연계한 수배관 설계 및 양정계산은 자체 개발한 일부 건설사에서만 수행하고 대부분은 엑셀기반으로 수계산하는 실정이다.

기존 수배관 계산방식(2D기반)은 기본설계와 실시설계단계에서 발생하는 잦은 설계변경에 대한 대응을 즉각적으로 반영하기 어렵고 문제를 해결하기 위한 정보입력과정에서 안전율을 크게 반영해 계산하게 된다.

이러한 방식은 설계변경이 반복될수록 오차가 크게 발생하며 유량부족이나 낮은 출수온도로 운전불능을 야기하거나 반대로 순환펌프의 소비전력이 증가해 에너지비용 증가의 원인이 된다. 상용프로그램을 사용하는 경우에도 기존의 2D도면을 이용해 수배관 양정을 계산하는 경우 도면상의 수치를 수동으로 계산하고 입력하다보니 작업시간이 증가하는 단점이 있다.

신규 수배관 계산방식(BIM 기반)은 이러한 문제점을 해결할 수 있을 것으로 예상된다. 3D기반의 BIM을 이용할 경우 보다 효율적인 설계와 계산이 가능하기 때문이다. 수배관계산 소프트웨어로 BIM정보를 불러와 계산하게 되면 기존 수동으로 정보를 입력하는 과정의 시간을 줄여 작업시간을 단축하고 정보입력과정의 오류를 최소화함으로써 최적설계도 가능하다.



준공된 A현장의 설계도서를 이용해 지열 열원측 양정을 엑셀과 Hyd-SAREK으로 계산한 결과 엑셀은 21.53mAq, Hyd-SAREK은 20.87mAq로 엑셀이 높게 계산되기는 했으나 큰 차이를 보이지는 않았다.

하지만 준공 후 현장에 적용된 순환펌프의 양정은 26mAq로 계산값보다 높은 사양을 적용한 사례를 확인할 수 있다. 그 이유는 기계실 공간이 협소해 다른 설비공정과의 중복을 피하면서 배관구성이 복잡해지고 배관길이가 길어질 것을 예상해 여유율을 크게 적용한 대표적인 사례다.

현재 개발이 진행중인 BIM 연계 에너지절약형 통합 수배관시스템 계산프로그램(약칭: BIM 에통수)은 상용화 및 개발된 Hyselect, PIPENET, Hyd-SAREK의 계산방식을 모델로 삼고 있으며 개발 후 오차는 5% 이내로 정확성과 신뢰성을 확보할 것으로 예상된다.

BIM 에통수가 기존 양정 계산 프로그램처럼 정확한 만큼 향후 BIM으로 설계된 지열이나 수열의 수배관의 양정계산 시 이러한 오차의 문제와 작업시간을 최소화할 수 있을 것으로 기대한다.

수배관의 양정계산, 펌프선정을 위한 상용프로그램으로 PIPENET, FlowmasterV7, Fluidflow3와 Hyselect 등이다. 언급된 소프트웨어들은 단순한 수배관 양정을 계산하기에는 너무 고가이며 엑셀로 수계산한 결과와 큰 차이를 보이지 않아 관련 전문기업이 아닌 중소기업에서는 활용의 필요성을 많이 못 느낀다.

최근 국내에서 Hyd-SAREK을 개발해 교육 및 보급에 힘쓰고 있지만 쉽지 않은 이유다. 수배관계산은 에너지절감측면에서 매우 중요한 요소다.

향후 BIM설계가 보편화돼 지열과 수열냉난방시스템의 수배관 설비도 BIM으로 설계를 하게 된다면 지금 개발하고 있는 BIM 에통수가 지열과 수열냉난방시스템의 에너지절감에 큰 역할을 할 것으로 기대한다.