산업화와 경제발전은 반드시 많은 에너지사용이 동반되기 때문에 에너지활용 방안을 면밀하게 계획하면서 진행돼야 한다.
특히 건설분야에서는 빌딩 내 거주하는 사람들의 편안하고 쾌적한 환경유지를 위해 HVAC기술 적용이 중요한 요소가 된다. HVAC기술은 본질적인 성능향상과 더불어 에너지소비를 최소화하기 위한 설비구축 최적화 노력이 필수적이다.
실질적인 에너지절감은 전체 HVAC시스템의 통합적인 관리에서 출발해야 하지만 많은 경우 냉동기나 보일러 등 열원설비 자체성능만을 고려해 전체 시스템의 여러 운전조건 변화에 따른 시스템효율 저하는 간과되고 있다.
미국에너지국(US Department of Energy) 보고서에 따르면 전 세계 총 에너지소비량의 40%가 빌딩에서 소비되는 것으로 조사됐으며 이중 50%가 HVAC시스템에서 소비되고 있다.
빌딩에서 HVAC시스템의 에너지소비는 열원설비인 냉동기, 보일러, 히트펌프가 가장 큰 부분을 차지하고 있다. 또한 각 실로 냉매(물)를 순환하기 위한 분배펌프 동력소비 및 FCU, AHU 팬모터, 유량조절을 위한 컨트롤밸브 구동기, 빌딩관리시스템(BMS)의 전기소비에 따른 에너지소비가 전체를 이룬다.
빌딩 에너지절감은 단열재와 이중창 등 열 취득 및 손실을 최소화하는 방법이 많은 양의 에너지절감을 위한 최선의 방법이 될 수 있다. 그러나 초기 투자에 따른 투자회수가 길어진다는 단점이 있다.
그 다음으로 HVAC 열원설비의 새로운 기술사용과 수배관설계의 시스템 접근을 통한 에너지절감이다. 짧은 투자 회수기간과 효율적인 시스템 유지를 위한 HVAC 설치 최적화를 통해 30%의 에너지절감 효과를 볼 수 있다.
세계적인 냉난방 수배관 밸브전문기업인 IMI-Hydronic은 싱가포르 마리나베이(Marina Bay Sand) 호텔에 가변유량시스템의 TA차압제어기를 통한 제어향상으로 높은 에너지절감을 실현했다.
동남아시아에 위치한 싱가포르는 적도 근방의 연중 높은 외기온도 유지에 따라 많은 냉방에너지가 소비되고 있다.
싱가포르 정부는 2009년 4월 발표한 ‘지속 가능한 개발을 위한 청사진’을 통해 2020년까지 에너지원단위(energy intensity)를 2005년 수준에서 20% 감축시키고 ‘2차 녹색건물 종합계획’을 통해 2030년까지 싱가포르 내 건물 80%가 BCA의 그린마크 등급을 획득하는 목표를 세웠다.
또한 냉방이 되는 바닥면적 5,000m² 이상인 모든 신규 공공건물들은 그린마크 플래티넘 등급을, 1만m²를 넘는 기존 공공건물들은 2020년까지 그린마크 골드플러스 등급 획득을 의무화하는 등 강력한 빌딩 냉방에너지절감 의지를 내보이고 있다.
차압변화 최소화, 정확한 유량조절
싱가포르의 랜드마크 빌딩으로 자리잡은 마리나베이는 싱가포르에서 가장 넓은 면적의 빌딩이다. 건물 전체면적은 15.5ha(15만5,000m²)이며 총 객실수는 2,561개, 모든 객실에 냉동열교환기(FCU)가 설치돼 있다.
마리나베이측은 모든 객실에 냉방이 균형있게 분배되고 프로젝트 시작에서부터 완료까지 모든 스케줄이 정확히 준수될 것을 요구했다.
싱가포르 정부의 개발정책으로 이뤄진 마리나베이는 에너지절감 의무화정책으로 시행되는 BCA 그린마크에서 골드플러스 등급을 목표로 최적화된 건축구조 및 HVAC시스템 설계를 진행했다.
마리나베이 호텔의 가장 큰 관심사는 싱가포르 냉방기준에 따른 벌금을 피하기 위한 탁월한 공급-환수 온도차 유지제어와 냉동기 성능향상이었으며 건설기간의 최소화 및 설치완료 후 정확한 시운전을 통한 유량측정, 온도차, 펌프양정이었다.
이를 달성하기 위한 기술적 접근으로 IMI-TA Hydornics의 수배관시스템 전문가들은 ICT기술을 활용한 설계프로그램으로 냉난방수배관 최적설계를 제시했다. AHU, FCU의 최고효율을 위해 IoT Smart기술이 접목된 인공지능형 터미널 분배유량 밸런싱 및 가변유량의 비례 제어밸브(2-way) 적용, 임의 터미널을 모듈(Module)로 구성해 주 입출구 배관에 차압제어기를 설치했다.
또한 많은 설계유량이 필요한 AHU의 유량조절 컨트롤밸브의 차압변화를 최소화해 컨트롤밸브의 권한을 높이고 정확한 요구부하에 따른 유량조절을 위해 차압제어기를 적용했다. 이를 검증하기 위해 엄격한 측정 SCOPE를 활용해 T&C를 통한 자료를 제시하고 준공 후 설계와 비교해 결과값을 확인했다.
일정 차압유지, 에너지절감 핵심
마리나베이는 공급-환수 온도차 최소값을 싱가포르 에너지정책에 따른 건물 내 운전조건 벌금제도의 최소 기준값인 5℃ 이상으로 요구했다.
TA-SELECT 분석을 통해 유효 펌프양정은 220kPa로 설정했으며 인버터 펌프적용에 따라 유효 펌프양정을 위해 37Hz로 설정했다. 이와 같은 펌프설정을 통해 각 터미널의 설계유량 확인은 설치된 컨트롤-밸런싱밸브의 유량측정 포트를 통해 정확하게 측정했으며 열전달 이후 환수된 물의 냉동기 환수온도를 측정해 공급-환수 온도차를 확인했다.
냉동기의 공급온도는 7℃로 고정돼 있다. 냉동기 열원의 공급은 저층부(1~22F)와 고층부(23~53F)로 구분되며 환수된 물의 온도는 저층부는 14.5℃, 고층부는 15℃이며 이때 온도차는 7.5℃와 8℃가 됐다.
또한 2-way 컨트롤-밸런싱 밸브 적용에 따라 부분부하 운전 시 저유량에서의 온도차 증가가 이뤄지고 펌프운전 또한 유량감소와 인버터 펌프의 주파수 조정으로 펌프양정이 감소하기 때문에 펌프 운전비용이 감소했다.
이번 마리나베이 사례를 통해 IMI-TA Hydornics는 수배관시스템의 최적 에너지사용 및 절감방안을 제시했다.
IMI-TA의 국내 대리점인 하나지엔씨의 관계자는 “냉동기 성능계수 향상을 위한 공급-환수 온도차 증가와 이를 위한 2-way 컨트롤밸브 적용이 필요하다”라며 “또한 2-way 컨트롤밸브의 등가 특성(EQM)을 부분부하에 따른 차압변화로 인한 왜곡을 막기 위해 차압제어기를 통해 항상 일정차압을 유지함으로써 냉동기 전기에너지 및 펌프에너지 절감을 이룰 수 있음을 인지해야 한다”고 설명했다.
마리나베이는 공급-환수 온도차 최소값을 싱가포르 에너지정책에 따른 건물 내 운전조건 벌금제도의 최소 기준값인 5℃ 이상으로 요구했다.
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