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지역난방시스템 효율화 ‘복합제어밸브’ 해답

열배관 압력안정화로 46% 반송동력 절감 예상

지역난방 열배관에 복합제어밸브 적용으로 에너지효율의 높은 향상, 유량 안정화로 인한 발전효율 향상 등 효과가 예상돼 적용 검토가 시급한 것으로 보인다.

지역난방은 열공급시설에서 사용자시설로 열배관을 연결해 높은 압력과 유량으로 중온수를 보내고 있다. 수 백개 사용자시설에 난방온수를 공급하기 위해서는 긴 배관 매설이 필수적이고 공급배관과 회수배관의 압력차이가 높아 펌프동력으로 많은 에너지량이 소모된다.

만약 열공급·회수 배관의 압력과 유량을 안정적으로 유지시킬 수 있다면 열공급 동력이 그만큼 줄어들 수 있고 더 낮은 온도로 열을 보내도 펌핑(열)스테이션 멀리 떨어진 사용처에서 원활한 사용이 가능해 열병합발전 효율을 향상시킬 수 있다.

현재 지역난방 사용자시설에는 일반적으로 차압유량조절밸브(PDCV: Differential Pressure Control Valve)와 자동온도조절밸브(Temperature Control Valve)가 설치, 운영되고 있다.

PDCV는 자력식으로 보조동력원이 필요하지 않은 수동조작제품이 일반적이며 변유량 적용 시에도 최대, 최저 압력변화에 관계없이 설정된 유량과 차압을 유지시킨다. TCV는 난방용·급탕용 온수의 온도를 설정값으로 조절하고 안정적인 열 공급이 가능하도록 제어한다.

하지만 PDCV는 스프링장력을 이용해 미리 설정한 압력차만 유지하기 때문에 지역난방시설 전체 열배관의 압력·유량 안정화에는 도움을 주지 못한다. 

특히 부분부하 시에는 압력조건 변동으로 당초 PDCV의 차압으로 설정한 압력을 초과해서 나타났다. 이는 PDCV가 정상적으로 작동하더라도 부분 열부하 운전기간에는 상대적으로 열스테이션으로부터 근접한 지역에 위치한 사용자시설에서 설계유량이 증가, 전체 지역난방 유량의 소비가 증가된다는 것이다. 또한 TCV를 빈번하게 작동시킴으로써 지역난방 1차측 배관계통의 압력을 더 증가시키는 요인이 된다.

지역난방 계통 에너지최적화 가능
이러한 문제해결을 위해서는 결국 열배관 압력변동을 안정화시킬 수 있는 방법이 필요한데 복합제어밸브가 해답이 될 것으로 보인다. 복합밸브는 하나의 밸브가 배관계통의 압력과 유량을 설정된 값으로 유지시키는 기능을 가져 기존 PDCV와 TCV의 제어기능을 동시에 수행할 수 있다. 또한 1차측 열교환기의 정격 유량제어가 없이 사용되는 상황에서도 밸런싱 밸브기능의 역할을 수행할 수 있다.

‘지역난방 수요처 제어방법 개선에 따른 효과분석 연구’(2017년, 이태원 한국건설기술연구원 박사)에 따르면 복합밸브는 부분부하 시 상류측에 위치한 사용자시설에서의 제어에 탁월한 성능을 보였다. PDCV에 의한 제어에 비해 제어량 또는 압력강하가 상대적으로 적은 것으로 나타났고 1차측 배관계통 내 사용자시설에서의 차압과 유량을 설정값으로 유지시켜 배관계통 전체 압력손실도 감소시켰다.



결과적으로 열원스테이션에서 가까운 사용자시설에서의 제어 안정성 향상을 통해 지역난방 1차측 배관계통에서의 마찰저항 감소와 순환펌프에 의한 반송동력 절감이 가능할 것으로 판단된다. 국내 지역난방 공급지역을 대상으로 한 수치실험에서는 약 17%의 유량감소에 따라 46%의 반송동력이 절감될 것으로 예상된다. 

또한 상류측 사용자시설의 유량소비를 줄임으로써 말단지역의 압력환경 개선, 지역난방 1차측 배관계통 시설용량 축소도 가능하다.

이는 열매체의 순환유량은 물론 열공급 능력부족에 대한 우려를 감소시킴으로써 공급온도도 현재보다 낮추는 기회가 될 수 있다. 이를 통해 열공급 매체 가열에 사용되는 증기터빈 추기량 감소에 따른 발전효율 증가 등 추가적인 효과도 뒤따를 것으로 보인다.