복합밸브 적용사례를 통해 냉수유량 감소 및 설비효율 증가를 확인해 에너지절감에 탁월한 효과가 있는 것으로 나타났다.
이재문 지텍이엔지 차장은 21~23일 용평리조트에서 개최된 ‘2017년 대한설비공학회 하계학술발표대회’에서
‘복합밸브 적용을 통한 대학캠퍼스 에너지절감 사례(미국 워싱턴 대학교)’를 소개했다.
건축물 냉난방에 사용되는 에너지를 절감하기 위해 많은 관심과 노력을 기울이고 있다. 2017년 한국전력전력통계속보에 따르면 국내 전력생산의 약 55%가 화력발전을 이용하고 있는데 이러한 화력발전은 온실가스 배출, 미세먼지 발생 등 심각한 환경 문제를 발생한다. 또한 탄소배출권 거래제 시행과 2015년 12월 파리협정이 채택됨에 따라 우리나라도 온실가스 감축에 대한 문제에 적극적으로 대처해야 하는 상황이다.
건축물의 냉난방 시 에너지가 낭비되는 원인 중 한 가지는 컨트롤 밸브의 부정확한 유량제어로 장비효율 저하, 펌핑동력 상승, 추가용량 증설 등 많은 문제를 나타나게 된다.
이번 연구는 외국 대형 캠퍼스 냉방시스템에 복합밸브를 적용해 개선된 효과와 절감된 에너지를 분석하고 국내 유사한 시스템에 적용가능성과 개선효과방안을 모색했다.
이번 연구의 대상이 된 워싱턴 대학교는 중앙 플랜트에서 50개 건물에 냉수를 공급하고 있다. 냉동기의 총 용량은 4만2,200kw(1만2,000ton), 배관경은 65~600mm, 총 길이는 17.7km(11mile)이며 냉방기간은 5월부터 9월까지이다.
냉수공급 시 각 건물에서 차압이 부족하거나 유입압력이 낮은 것을 확인할 수 있었다. 이로 인해 각 건물의 새로운 순환 펌프가 추가 되었고 South campus Center는 기존 중앙 플랜트에서 냉수공급이 되지 않아 새로운 냉수설비를 증설했다. 각 건물의 냉수공급 및 환수 온도차는 더욱 증가했고 냉수 배관경은 더 커졌다.
워싱턴 대학교는 2002년부터 2010년까지 5단계에 걸쳐 캠퍼스 내 각 건물에 복합밸브를 설치하고 총 222개의 복합밸브를 공기조화기(AHU)와 팬코일 유닛(FCU)에 설치했다. 최 말단지역까지 냉수공급, 중앙 플랜트에서의 에너지절감, 냉수시스템 단순화, 온도제어 향상목표를 설정하고 복합밸브를 활용해 냉수시스템을 개선했다.
복합 밸브 적용 후 냉수시스템이 단순화됐다. 기존 시스템과 비교했을 때 바이패스 되던3-way mixing valve와 Differential pressure regulating valve가 삭제됐다. 이에 따라 기존 복잡한 온도제어시스템이 훨씬 단순화되고 각 건물의 냉수 공급온도는 기존 45°F(7.2°C)에서 40~42°F(4.4~5.6°C)로 공급됐다.
또한 기존에 각 건물에 사용되던 냉수 순환펌프도 삭제됐다. 각 건물에서의 냉수 공급온도와 환수 온도차는 더욱 커졌다. T-Wing East의 경우 기존냉수 △T는 4~11.8°F(2.2~6.6°C)에서 10~17.8°F(5.6~9.9°C)로 증가됐다. Meany Hall은 기존 2~8°F(1.1~4.4°C)에서 10~23°F(5.6~12.8°C)로 증가됐다.
이 2개 건물 외의 Allen Library, Atmospheric Science, Loew Hall, Mary Gates, Sieg Hall, Suzzallo Library, NE Tunnel에서도 기존 냉수 △T를 상회하는 결과가 난 것을 확인할 수 있었다.
또한 중앙플랜트에서 공급되는 냉수유량이 약 30% 감소됐다. 2003년 2.9GPM/Ton(3.12LPM/kw)이었던 유량이 2010년에는 1.7GPM/Ton(1.83LPM/kw)으로 감소됐다. 이에 따라 기존 냉동설비의 효율이 약 37.1% 상승했다.
이러한 결과로 중앙 플랜트 기존 냉방설비에서 추가 증설 없이 1,800ton(6,330kw)의 용량을 확보했고 중앙 플랜트에서 냉수공급이 되지 않던 최 말단 지역까지 냉수 공급이 가능해졌다. 냉수공급 및 환수온도 차 증가로 온도제어 성능이 개선됐고 복잡한 시스템 역시 단순화시킬 수 있었다.
이재문 차장은 “고층 빌딩의 1,2차 펌핑시스템의 경우 각 층의 부하 시 정확한 유량을 제어한다면 2차 펌핑장비를 제거할 수도 있다”라며 “중앙 공급처에서 냉온수를 각 세대로 공급하는 지역냉난방시스템은 대학 캠퍼스와 상당히 비슷하다”고 말했다. 이어 “이러한 지역냉난방시에도 정확한 유량제어를 통해 낭비되는 에너지절감을 위해 복합밸브를 적용하는 것은 충분히 고려해 볼 만한 사항”이라고 말했다.
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