HVAC시스템에서 에너지를 가장 많이 다루고 있는 냉난방 수(水)배관시스템 최적화는 30% 이상의 에너지절감을 실현할 수 있다. 에너지절감을 실현할 수 있는 수배관시스템 계산 프로그램이 개발될 것으로 보여 관련업계의 관심이 집중되고 있다.
빌딩 온실가스 저감 ICT 솔루션 전문기업 하나지엔씨(대표 박동일)는 최근 한국에너지기술평가원으로부터 ‘건물용 냉난방배관, 순환펌프 및 유량조절밸브 선정을 위한 수배관시스템 계산 프로그램 개발’ 과제를 최종 수주했다고 밝혔다. 개발기간은 2년이며 약8억6,000여만원이 투자된다. 경희대학교, 삼신설계, 삼양발브종합메이커, 한국건물에너지기술원 등이 이번 연구에 함께 참여한다.
건축물 전반에 걸쳐서 실내 환경의 쾌적성을 높이기 위해서 필수적으로 설치해야 할 기계설비가 냉방난방설비이다. 냉난방설비는 일반 가정용 에어컨이나 상업시설 사무실에서 많이 사용하는 시스템에어컨과 같이 작동유체로 냉매를 이용하는 시스템과 일반 대형 상업빌딩에서 사용되며 작동 유체로 물을 순환하면서 냉방과 난방을 하는 수배관시스템으로 구분된다.
이중 수배관시스템은 대형빌딩에 적용되는 특성상 냉방과 난방을 하기 위한 개별 설비들이 독자적인 제조업체 생산과 개별 성능을 갖고 있다. 다시 말해냉방과 난방 열원을 만드는 냉동기나 보일러로 작용유체인 물을 냉방수 또는 난방수로 만들게 된다. 그리고 냉방수와 난방수를 직접 사용하는 곳으로 물을 분배하기 위한 펌프가 있다.
분배된 물은 배관을 통해 사용처인 팬코일(FCU: Fan Coil Unit)이나 AHU(Air Handling Unit)로 전달되고 사용처의 필요유량은 밸런싱 밸브(Balancing valve)나 유량제어밸브(Control valve) 등으로 구성돼 운전된다.
냉난방 수배관설비들은 실내 쾌적성을 높이기 위한 기본 기능을 위해 모든 운전 조건에서도 최고의 성능을 발휘할 수 있도록 최적의 설계를 통해 각 구성 장비들을 선정하고 구성해야 하는 것은 설계자나 설비운영자들이 기본적으로 생각해야 하는 사항들이다.
그러나 각각 장비들의 다른 장비들에 대한 유기적인 영향때문에 시스템적으로 최적설비를 구성, 설계하는 것은 매우 복잡하고 쉽지 않다. 즉 설계자가 열역학 또는 유체역학적인 모든 조건을 개별적으로 계산하고 선정하는 것이 많은 시간이 요구되는 것과 동시에 계산 결과의 정확성도 낮아 질수가 있다. 이에 따라 복잡한 냉난방설비의 최적 성능을 위한 구성요소 선정을 위해 시스템에어컨과 같은 유동해석 프로그램을 통해 최적의 장비들을 선정하고 제작해야 한다.
그러나 현재 수배관시스템의 경우 시스템 구성에 필요한 유량분배펌프, 배관 사이즈 및 유량 제어 밸브등의 선정을 위해 계산 프로그램을 이용하지 못하고 있으며 국내 기술로 개발된 프로그램이 없어 해외에서 개발된 제한적인 기능을 갖는 프로그램이 소개되고 사용되고 있는 실정이다.
또한 해외 소개 프로그램은 설계사나 시공사 엔지니어들이 쉽게 배우고 익힐 수가 없어 사용 빈도가 매우 낮으며 국내 라이센스 등의 문제 등으로 사용기간도 제한적이다.
이에 따라 현재까지 수배관시스템 구성을 위한 펌프, 배관, 유량제어밸브 등의 선정을 위해 시스템적인 유동해석이 포함되지 않고 각각 장비들의 필요 성능에 안전율을 감안해 과사이징이 되고 있는 실정이다.
본질적으로 수배관시스템 배관 내에서 발생하는 압력강하의 불균형으로 유량 불균형이 발생해 정확한 유량 균형 즉 밸런싱이 필요하게 된다. 유량 불균형이 일어나게 되면 수배관시스템 전체적으로 모든 장비 성능 저하에 직접적인 영향을 주게 된다.
총괄주관을 맡은 하나지엔씨의 관계자는 “수배관시스템의 개별 장비들은 각 제조업체에서 최적운전조건의 시험결과를 기본으로하기 때문에 수배관시스템에서 개별 장비들의 상호작용으로 발생하는 영향을 고려하지 않은 조건에서는 개별 장비들의 성능이 나올 수가 없다”라며 “즉 터미널(팬코일, AHU) 의 냉난방 열전달 감소, 펌프양정과 유량 증가에 따른 운전비용 증가, 열원 설비인 냉동기와 보일러의 성능계수가 낮아진다”고 밝혔다.
이 관계자는 “이와 같은 결과는 즉각적인 에너지비용 증가로 이어진다”라며 “이에 따라 유량 균형이 중요하고 많은 터미널의 유량 균형에 필요한 정확하고 복잡한 유동 해석을 위한 계산 프로그램이 필요하게 되며 이를 통해 밸런싱 밸브와 유량 조절 밸브의 정확한 사이즈를 선정할 수 있다”고 밝혔다.
결국 유량조절밸브는 터미널에서 필요한 부하에 따라 유량을 조절하는 밸브로 배관 내의 차압 변화에 따라 유량조절밸브의 성능 특성이 변하게 된다. 수배관시스템에서는 유량조절밸브의 오소리티(Authority) 변화라고 부른다.
하나지엔씨의 관계자는 “이번 수배관 계산 프로그램 기술 및 개발은 지난 50여년 이상 국내 냉난방 수배관시스템 설비설계에서 적용하지 못하고 있는 수배관시스템 계산 프로그램”이라며 “수배관 프로그램을 통해 정확한 유동 특성을 분석해 올바른 장비 선정과 최적설계를 할 수 있다”고 밝혔다.
이 관계자는 “개발 프로그램은 수배관시스템 설비설계자가 이용하는 설계 프로그램인 CAD와의 호환성을 갖게 돼 CAD 프로그램에서 구성한 수배관 설비 설계도를 수배관 프로그램에서 볼 수가 있다”라며 “일반적인 설계도에서 구성된 수배관시스템을 계산 프로그램에서 직접 모든 변수들의 입력을 통해 배관의 압력강하, 밸런싱 밸브 사이즈, 유량제어 밸브 사이즈 및 오소리티 계산, 순환 펌프 양정 및 팽창탱크 용량을 계산할 수 있다”고 강조했다.
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