열교환 포화지점 분석으로 에너지 낭비 최소화

열원 공급 펌프·공조기에서 에너지 낭비 많아

Delta T 제어시스템, 설비 노후화 데이터화 자점

 

벨리모서울 이수하 부장

과학자들에 따르면 온실가스로 지구 기온이 상승하여 만년설이 녹고 해수면의 상승으로 인한 토지 손실과 이상기후로 인한 홍수, 가뭄 등으로 인해 수억 명의 사람들이 영향을 받을 것이라고 합니다. 이러한 재해는 먼 미래의 일이 아니고 우리 삶에 영향을 끼치게 될 것입니다. 건물내 냉난방설비측면에서는 고효율의 장비로 사용하고 에너지효율을 높일 수 있는 방안을 검토해볼 수 있습니다. 


냉동기, 냉각탑, 펌프, 공조기등등 많은 냉난방설비가 있는데 단순하게 생각해보면 냉난방 열원을 만들어 주는 장비와 열원을 원하는 구역으로 보내주는 장비가 있습니다. 이중 열원을 보내주는 펌프나 공조기에서 생각보다 많은 에너지 낭비가 이루어 지고 있습니다. 국내에서는 아직까지도 많은 건물에서 정유량펌프를 사용하고 있습니다.

정유량펌프의 경우 켜고 끄는 기능만 수행하기 때문에 실제 사용되지 않는 유량이 필연적으로 발생할 수 밖에 없고 이는 단순히 에너지만 낭비하게 됩니다. 그리고 많은 공조기에서 실제 필요한 유량보다 많은 유량이 공급되는 과유량현상이 발생하고 있고 이 또한 열원손실 및 펌프의 동력사용량을 증가시켜 에너지낭비를 증가시키고 있습니다. 

Delta T 제어 시스템 구성도
Delta T 제어 시스템 구성도

 

공조기에서의 과유량공급의 발생 원인은 여러가지 요인이 있습니다. 첫번째 요인은 설계사무소에서 실내 부하계산시 정확한 실내부하를 알 수 없기 때문에 현실적으로는 추정치를 계산하고 변수들을 추가하여 실내부하를 도출하게 됩니다.

하지만 대부분의 경우 시공이 이루어진 후에 많은 변수들에 의하여 설계된 부하에 비하여 실제 필요한 부하는 작은 것이 일반적입니다. 만약 실제부하보다 설계부하가 작은 경우 냉방 또는 난방이 원활이 이루어지지 않고 이는 건물관리에 심각한 문제로 인식되기 때문에 대부분의 경우 설계 부하의 계산값은 실제 부하의 값보다 크게 됩니다.

두번째 요인은 공조기에서 사용되는 유량의 제어는 실내온도를 기준으로 정하는 방식이 대부분입니다. 이는 공조기에서 실제 필요한 유량이 아닌 설계사무소에서 계산한 설계유량에 비례하여 유량을 제어함을 의미합니다.

이로 인하여 공조기의 냉방 또는 난방 운전시 필요 유량보다 많은 유량이 공조기로 공급되어 급수의 온도와 환수의 온도차(Delta T)가 작아지는 “Low Delta T Syndrome”이 발생하게 됩니다. 이는 수배관 시스템에서 전형적인 문제로 인식되고 있으며 실제로 많은 운영자들은 이를 해결하고자 고민하고 있습니다.

이 증후군은 일반적으로 냉각수 펌프의 에너지 소비를 증가시키고 시스템 전체의 운영 효율을 감소시키며 건물의 냉•난방 운영비용을 증가시키게 됩니다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 공조기 코일의 열교환특성을 분석하여 열교환특성을 고려한 Delta T 제어 솔루션이 필요합니다. 

 Delta T 제어 솔루션 소개
Delta T 제어 솔루션에는 열량계, 제어밸브 그리고 제어프로그램이  필요합니다. Delta T 제어를 위하여 우선적으로 정확한 유량제어가 가능해야 합니다. 이를 위하여 유량데이터를 실시간 모니터링하고 제어프로그램은 목표유량과 현재유량을 비교하여 밸브를 정밀제어하여 정확한 유량을 제어해야 합니다.

만약 차압변화로 유량변동이 발생하면 제어프로그램은 가감된 유량을 확인하여 제어밸브를 닫거나 열어주어 현재유량이 목표유량을 일정하게 유지되도록 보정해 주어야 합니다. 시스템 구성도를 보면 열량계 내부와 열교환코일의 공급 파이프에 각 1개씩 총 2개의 온도센서에서 온도를 측정하여 Delta T를 계산할 수 있습니다.

제어프로그램은 Delta T와 유량데이터를 저장하는 기능을 포함해야 하며, 저장된 데이터를 분석하여 유량증가에도 더이상 유의미한 열교환이 되지 않는 열교환 포화지점을 분석하는 기능을 포함해여 열교환포화가 일어나지 않도록 유량을 제어 해야 합니다. 열교환포화지점을 분석하는 것이 Delta T 솔루션의 핵심기능이라 할 수 있습니다. 열교환포하지점부터 열교환 증가량이 현격하게 줄어드는 것을 나타냅니다. 그림-3과 같이 Delta T 제어 솔루션은 열교환포하지점이 넘어가지 않도록 유량을 제한 함으로써 에너지 낭비를 방지하고 효율을 높일 수 있습니다. 

 Delta T 제어 솔루션 활용
그림-4는 실제 평택에 위치한 00연구시설에 설치된 공조기의 열교환특성을 분석한 데이터 입니다. 이는 일반적인 공조코일의 특성을 보여주고 있습니다. 설계유량은 1,850 LPM 입니다. 공조코일은 처음 400LPM의 유량이 공급될 때는 310kw의 열량을 소비합니다. 하지만 유량이 2배인 800LPM으로 증가하여도 열량은 2배인 620kw이 아닌 470kw의 열량을 소비하고 있습니다.

그리고 처음 400LPM의 4배인 1,600LPM의 유량이 공급될 때는 600kw의 열량만 소비되는 것을 확인할 수 있습니다. 즉, 공급유량이 늘어남에 따라 Delta T 가 점점 낮아지고 있고 이는 열교환효율이 떨어지고 있음을 나타냅니다.

이는 공급유량이 늘어나도 코일의 열교환성능은 동일하기 때문에 증가하는 유량 만큼 효율적으로 열교환이 되지 않기 때문입니다. 코일의 능력을 초과한 과유량이 흐르게 되면 충분한 열교환이 이루어지지 않고 에너지만 낭비되는 결과가 나타남을 알 수 있습니다.

이러한 현상은 계절적인 요인과 실내 유동인구에 따라 실내 부하가 계속 변화하기 때문에 실내온도만 고려하여 공급유량을 제어하는 방식이 아닌 Delta T 제어 솔루션이 필요함을 알 수 있습니다. 

설계사무소에서 많이 사용하는 급수온도는 7ºC이고 환수온도는 14ºC 따라서 Delta T는 7ºC입니다. 설계 Delta T는 건물의 용도에 따라 다를 수 있습니다. 중요한 것은 냉동기 공급사는 설계 Delta T 값을 고려하여 장비선정이 이루어지기 때문에 과유량으로 인하여 환수온도가 낮아지게 되면 냉동기의 효율이 떨어지고 고장의 원인이 될 수 있다는 점입니다.

정유량 펌프를 사용하면 공조기에서 사용되는 유량이 줄어들어도 해더(Header)에 설치된 차압밸브를 통하여 물의 순환이 계속되기 때문에 펌프에서의 에너지사용량 감소는 크지 않을 수 있습니다.

그러나 펌프에 인버터가 설치되어 있다면 펌프에서 사용되는 동력사용량을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있습니다. 인버터가 설치되어 있지 않아도 Delta T 제어로 사용유량이 줄어 펌프의 가동대수를 줄일 수 있다면 추가적인 에너지 절감이 가능합니다. 

마지막으로 Delta T 제어 시스템의 장점은 공조기의 노후화 정도를 데이터화 할 수 있다는 점입니다. 공조기는 운영시간이 지남에 따라 코일의 오염, 배관내 스케일 등 여러 원인에 의하여 열교환 성능이 저하되게 되는데 설치된 연도가 동일하여도 노후화가 다르기 때문에 저장된 데이터를 분석하면 공조장비의 교체계획을 세우는 근거로 활용할 수 있습니다. 

용어 해설

 Low Delta T Syndrome : 공급온도와 환수온도의 차이가 설계값보다 작아져 공조기, 냉동기, 펌프등수배관시스템의 효율이 떨어지는 현상.

 열교환포하지점 : 공조기의 급수 유량이 증가하여도 열교환량이 더이상 증가하지 않는 지점으로 이론상 유량이 증가하여도 Delta T 또한 낮아져 총 사용 열량이 동일하게 된다. 

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