그런포스 지능형 펌프
냉수 시스템의 효율을 개선합니다.

상업용 건물에서 HVAC 시스템의 에너지 소비량은 평균적으로 30~50%를 차지합니다.
지능형 펌프를 도입한 효율적인 시스템으로 에너지 소비량과 CO2 배출량을 줄일 수 있습니다.

서론:

에너지 사용은 상업용 건물에서 가장 큰 단일 운영 비용으로, 일반 운영 예산의 약 1/3을 차지합니다. 일반적으로 상업용 건물에서 30-40%의 에너지는 HVAC 시스템에서 사용됩니다. HVAC의 에너지 효율을 높임으로써 상업용 건물은 운영 비용을 절감하고, 부동산 자산 가치를 높이고, 거주자 편의를 개선할 수 있습니다.

목적:

이 백서의 목적은 냉수 시스템 설계에 대해 설명하고, 효율적인 시스템을 통해 환경 오염 그리고 지구 온난화의 원인 중 하나인 CO2 배출 저감, 에너지 소비 절감 등 환경을 개선하는 데 기여하는 방법을 설명하는 것입니다.

배경:

현대 사회는 점점 더 도시화가 진행되고 있으며, 도시가 지구에 미치는 환경 영향에 대한 사람들의 자각도 높아지고 있습니다. 이 문제는 복잡하게 얽혀 있습니다.
한때 개발도상국에서는 에어컨을 사치로 여겼지만 이제는 기후 변화로 인해 필수품이 되었습니다. 사람들은 일상 생활에서 에어컨을 사용하기 시작했고 이제는 어디에 가건 실내에서 쾌적한 실내 온도를 기대합니다. 모두가 알고 있듯이 상업용 건물이건 산업 시설이건 에어컨은 일반적으로 건물에서 에너지를 가장 많이 소비하는 시스템입니다.
지구 온난화와 에너지 자원 고갈에 직면한 현재, 에너지 효율적인 에어컨 시스템을 설계하는 것이 모든 설계자에게 가장 중요합니다. 에어컨은 수명주기 내내 건물에서 운영 비용의 큰 부분을 차지하기 때문입니다. 이를 위해서는 건물 방향, 외면 유리 공사, 건설 자재, 차광, 열용량, 조명 등을 종합적으로 고려하는 것이 필요합니다. 그리고 무엇보다 에어컨 시스템과 시스템 구성 요소가 가장 중요합니다.효율적인 칠러 설비는 다음과 같은 특징을 갖고 있습니다.

  • 효율적인 설계 – 효율을 높이기 위해서는 시시각각 변화하는 운영 조건에 반응할 수 있는 적절한 설계방식을 선택하는 것이 매우 중요합니다. 그리고 부하 예상 프로파일에 맞춰 칠러의 수량, 타입, 구성을 선택하는 것도 효율적인 설계에 영향을 미치는 요소입니다.
  • 효율적인 구성 요소 – 개별적인 성능은 물론 전체 효율성에 미치는 영향을 고려하여 칠러, 펌프, 팬, 모터를 선택해야 합니다. 또한 프리미엄 고효율 모터, 지정 조건에서 효율이 높은 펌프, 모든 부하 조건에서 효율적인 칠러를 고려해야 합니다.
  • 적절한 설치, 시운전 및 운영 – 위의 두 가지 조건을 충족하는 칠러 설비라고 해도 설치가 제대로 되지 않았거나 운영되지 않으면 많은 에너지를 낭비하고 건물 거주자들에게 불편을 끼칠 수 있습니다.

시스템 효율

모든 펌프 시스템의 공통 사항은 상업용 건물의 냉방 등 HVAC 시스템의 효율이 파이프 네트워크와 다른 구성 요소의 균형에 달려 있다는 것입니다.
칠러와 냉각탑이 냉수 성능에 큰 영향을 미치는 요소이기는 하지만, 설비의 성능을 결정하는 가장 큰 요소는 냉수 분배 시스템의 효율입니다. 냉수와 연관된 다양한 유압 고려 사항이 무엇이고 이것이 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는지 파악하기 위해서는 지난 수 년 동안 발생한 기술 및 설계 문제가 오늘날의 냉수 펌프 시스템에 어떤 영향을 미쳤는지를 이해하는 것이 중요합니다.
기본적으로 에어컨 시스템의 각 배관 체계는 용도에 따라 분류됩니다. 하나는 냉수를 칠러 설비에서 냉방 공간으로 분류하기 위한 것입니다. 반면에 다른 하나는 냉각탑을 통해 칠러의 열을 식히기 위한 것입니다.
이 백서에서는 상업용 건물 HVAC 시스템에서 일반적으로 채택되는 다양한 체계에 대해 간략히 설명합니다.

냉수 체계

냉수 펌프 시스템은 냉수가 건물 전체를 순환하거나 공기 처리 장치(AHU)의 냉각 코일을 통해 순환하면서 공간을 냉방하는 것입니다.
기본적으로 생산 루프와 분배 루프로 구성됩니다. 생산 루프는 설비에서 냉수를 생산하는 역할을 하며 칠러, 1차 냉수 펌프, 제어 밸브, 액세서리로 구성됩니다. 분배 루프는 파이프, 밸브, 냉각 코일의 네트워크를 통해 공간의 변화하는 요구량에 맞춰 물을 이송시키는 역할을 합니다.

1차 펌프 시스템

1차 펌프 시스템의 주 목표는 생산 루프 내에서 냉수를 순환시키는 것입니다. 이 펌프는 일반적으로 어디에나(칠러의 업스트림 또는 다운스트림에) 위치할 수 있습니다. 단, 펌프가 다음의 조건을 충족시켜야 합니다.

  • 칠러에 있는 열 교환기(증발기 코일)에서 최소한의 동적 압력 낙차(흡입 압력)를 유지해야 합니다. 이러한 시스템에서 권장 흡입압이 충분히 높지 않을 경우, 해당 부품을 통과하는 유량을 설정하는 것은 불가능하기 때문입니다.
  • 칠러의 증발기, 밸브 등과 같은 시스템 구성 요소에서 총 압력(정적 낙차 + 동적 낙차)을 수용할 수 있어야 합니다.
  • 최소 NPSH(Net Positive Suction Head) 요구 사항을 충족해야 합니다. 즉, 펌프에서 시스템 흡입 압력이 충분하고 펌프가 제대로 작동할 수 있을 만큼 충분히 높아야 합니다.

2차 펌프 시스템

2차 펌프 시스템의 주 목표는 다양한 냉각 코일에 냉수를 분배하여 전체 네트워크에서 파이프, 밸브, 굴곡에 의해 발생하는 마찰 저항을 보완하는 것입니다. 분배 시스템에는 확장 탱크, 제어 밸브, 균형 밸브, 검사 밸브, 공기 분리기 등의 다른 구성 요소도 포함될 수 있습니다.
이 펌프는 안정적인 시스템 운영을 위해 주로 헤더 방식으로 구성됩니다.

중앙 냉수 시스템(상단)은 일반적으로 다음의 다섯 하위 시스템으로 구성되어 있으며, 각 시스템은 순환수의 열 전달 루프로 구성되어 있습니다.

  • 냉동 루프 – 다양한 단계에서 냉매가 상태를 바꿔가며 증발기와 콘덴서에서 각각 열을 흡수하거나 방출할 수 있는 칠러로 구성되어 있습니다.
  • 방열 루프 – 냉각탑, 복수펌프(콘덴서 워터 펌프), 수처리 시스템으로 구성되어 있습니다. 이 루프는 뜨거운 냉매의 열을 공기로 방출하는 데 사용되는데, 라디에이터를 통하거나(공랭 시스템의 경우) 물로 콘덴서 코일에서 열을 식히고 공기로 내보내는 냉각탑을 통해서 열을 방출합니다.
  • 냉수 루프 – 칠러의 냉수를 FCU(Fan Coil Unit), CSU(Ceiling Suspended Unit), AHU(Air Handling Unit), RCP(Radiant Cooling Panel) 등의 다양한 분배 시스템으로 운반하는 순환 펌프로 구성되어 있습니다.
  • 공기측 루프 – FCU(Fan Coil Unit), CSU(Ceiling Suspended Unit), AHU(Air Handling Unit) 등 하단(공기측) 분배 네트워크로 구성되어 있습니다. 냉방 공간의 온도 요구 사항에 따라 VFD(Variable Frequency Drive)를 사용하는 AHU에서는 원심 팬이 사용됩니다.
  • 컨트롤 루프 – 설정한 대로 작동하도록 전체 시스템을 통합합니다. 모든 하위 시스템: 손쉬운 모니터링과 제어를 위해 칠러, 펌프, 냉각탑, 팬 코일 장치, 냉각탑 팬 및 수처리 시스템이 모두 단일 시스템에 통합되어 있습니다.

효율성 향상

중앙 에어컨 설비의 에너지 소비를 최적화할 수 있는지 여부는 주로 칠러, 팬, 펌프에 달려 있습니다. 각각이 차지하는 비중만큼 영향력도 비례합니다. 유명 칠러 제조업체의 최근 칠러 제품들은 수년 간 계속 진화했으며 정교한 설계를 통해 과거보다 더 뛰어난 에너지 성능을 제공합니다.
가변 속도 칠러는 압축기 속도가 설비 부하에 따라 바뀌는 칠러를 사용해 더 효율적으로 작동합니다. 예를 들어 1998년에는 1800kW 원심 칠러의 최대 부하 효율(COP) 최소값이 약 4.7이었던 반면, 오늘날의 건물 소유주들은 전체 설비(펌프, 팬, 보조 장치 포함)의 COP 목표를 6.4로 잡고 있습니다.
효율적인 칠러 설비를 설계하기 위해서는 여러 가지 세부적인 면에 신경을 써야 합니다. 그 중에서 가장 중요한 것 몇 가지가 아래에 정리되어 있습니다.

  • 칠러의 부분 부하 효율에 집중: 대부분의 상업용 건물에서는 피크 부하가 발생하는 경우가 드물기 때문에 최상의 부분 부하 효율을 제공하는 칠러를 찾는 것이 중요합니다.
  • 효율적인 펌프 시스템 설계: 펌프에서 가변 속도 드라이브를 통합하는 방식으로 가변 용량 펌프 시스템을 설계하면 설비의 운영 비용을 대폭 절감할 수 있습니다. 다양한 유량을 허용하는 칠러 설비는 기존의 일정 유량 칠러보다 공간을 덜 차지하고, 더 적은 수의 구성 요소를 사용하며, 펌프 에너지를 40% 가까이 줄입니다.
  • 적합한 냉각탑 선정: 효율적인 칠러 운영을 위해서는 냉각탑의 적합한 사이징과 제어가 필요합니다. 냉각탑은 주변 습구온도(wet-bulb temperature)가 26°C일 때 800m3/h의 물을 35°C에서 30°C로 냉각시킬 수 있어야 합니다. 습구 조건을 추정할 때 냉각탑을 잘못 사이징하는 경우가 발생할 수 있다는 점을 유의해야 합니다.
  • 통합된 칠러 컨트롤: 최근의 칠러 제품들은 나머지 시스템의 운영 방법 결정에 유용한 다수의 세부 운영 데이터를 제공합니다.
  • 시스템 시운전: 성능을 측정하고 시스템 효율 및 신뢰성이 어느 정도 개선되었는지 파악하기 위한 기초 정보를 얻기 위해 HVAC 시스템을 시운전하는 것(즉, 시스템이 의도대로 작동하는지를 확인하기 위해 모든 예상 운영 조건을 맞춘 상태에서 기능을 테스트하는 것)도 매우 중요합니다.

기존 솔루션

기존에는 간단한 직접 1차, 일정 유량 펌프 체계를 통해 냉수가 공급되었습니다. 이 방식에서는 냉각 부하와 관계없이 냉수가 일정한 유량으로 펌핑됩니다. 전체의 대부분을 차지하는 부분 부하 상태에서는 냉각 코일에 있는 3방향 제어 밸브를 사용하여 냉수를 환수 라인으로 다시 우회합니다. 이때, 냉수가 냉각 코일의 환수와 섞이면서 설비에서 냉수 환수 온도가 더 낮아집니다. 이렇게 낮아진 환수 온도가 칠러 간 온도 차이(ΔT)를 줄입니다.
이러한 방식의 냉수 펌핑은 에너지가 크게 낭비되며 낮은 ΔT로 인해 주 칠러 설비의 성능이 떨어집니다.
칠러는 증발키 코일에 남은 온도만 제어하는 반면, 설비실로 반환되는 냉수의 온도에 영향을 미치는 것은 냉각 코일의 성능입니다.
그리고 이것이 설비의 ΔT에서 큰 비중을 차지합니다.

낮은 ΔT의 영향:
냉수 시스템은 6°C의 설계 ΔT에서 1.5MW의 성능을 구현하도록 설계되었습니다.
그러나 시스템에서 낮은 ΔT 증상이 발생할 경우 냉각 용량이 크게 줄어듭니다.

실제 ΔT가 2C에 그치면 시스템 냉각 용량이 2/3 줄어듭니다.
그러면 시스템 성능이 0.5MW에 그칩니다.

1차-2차

1차-2차 펌프 체계는 냉수 시스템을 두 개의 개별 회로로 나누는데, 디커플러(중립 브리지)를 사용해 수압으로 두 개로 분리합니다. 1차/2차 시스템에서 냉수는 칠러의 1차 루프를 일정한 유량으로 관통합니다. 반면에 2차 루프에서는 부하에 따라 유량이 바뀝니다. 각 루프의 유압은 2차 루프의 가변 유량이 1차 루프의 일정 유량에 영향을 미치지 않도록 합니다.

2차 펌프의 속도는 차압(DP)을 측정하는 컨트롤러에 따라 달라지는데, 이 차압은 냉수 루프의 공급 및 환수 본관 전반 또는 파이프 네트워크의 가장 중요한 부하에서 결정됩니다.
분배 루프에서 불필요한 펌핑이 일어나는 것을 막아 에너지 효율을 높이기 때문에 1차-2차 가변 유량 시스템은 일정 유량 시스템에 비해 더 효율적입니다.
부분 부하 상태일 때는 양방향 밸브가 닫히기 시작하므로 DP(차압) 센서에서 감지되는 시스템 차압이 커지게 됩니다. 그러면 2차 펌프 제어판이 2차 펌프의 펌프 속도와 유량을 부하 요구 사항에 맞게 줄입니다.

2차 루프의 유량 감소는 칠러에서 일정한 용량을 유지하기 위해 냉수가 공급측에서 환수측으로 흐른다는 것을 의미합니다. 이러한 현상이 발생하는 이유는 생산 루프(1차측) 유량이 분배 루프(2차측) 유량보다 크기 때문입니다.
마찬가지로, 부하가 증가하면 구역 온도가 상승하므로 양방향 밸브가 더 열리게 됩니다. 따라서 냉각 부하 간 차압이 줄어들고, 이로 인해 2차 냉수 펌프의 속도는 증가합니다.

이처럼 부하 바뀌는 패턴에서는 2차 및 1차 펌프의 흡입 헤더 사이에 위치한 유압 디커플러가 냉수를 한쪽 방향으로(공급에서 환수로 그리고 그 반대로) 흐르게 하여 균형을 맞추는 역할을 합니다. 이 디커플러 라인이 없으면 1차 및 2차 펌프가 연속적으로 연결되어 시스템이 불균형해지고 운영 문제가 일어나게 됩니다.

1차-2차-3차

서비스를 받아야 하는 건물들이 대학 캠퍼스처럼 넓은 공간에 분산된 경우에는 일명 “1차-2차-3차” 체계가 시스템에서 펌프 압력을 줄이는 데 도움을 줄 수 있습니다. 2차 및 3차 펌프 간에 시스템 낙차를 구분함으로써 높은 압력이 필요하지 않은 구역의 과도한 가압을 줄입니다.

이러한 시스템의 모든 냉각 코일 및 건물 루프는 3차 펌프라는 제3의 펌프 세트를 통해 처리됩니다.

이러한 분산형 펌핑 시스템은 여러 개의 구역이 있는 큰 건물 또는 중앙 에너지 설비를 사용하는 복수 건물 시스템에 적합합니다. 이 시스템은 실제로는 독립적으로 운영되는 작은 시스템들을 모은 것이지만, 모두가 같은 분배 배관 및 중앙 칠러 설비를 사용합니다.

3차 펌프의 크기는 특정 냉각 코일의 요구 사항에 따라 결정됩니다. 펌프 낙차도 3차 루프에서 마찰 손실을 극복하기 위한 목적으로만 계산됩니다.

각각의 3차 펌프에는 수요 변동에 따라 변화하는 루프 압력에 빠르게 반응하는 자체 펌프 컨트롤러가 있습니다. 이러한 펌프는 주로 속도로

제어되며, 건물 연결 전략의 일부로 사용될 경우 속도 제어 중앙 설비 분배(2차) 펌프와 연동될 수 있습니다.

가변 1차 유량 시스템

앞서 언급했듯이 1차 루프는 칠러를 통해 일정한 유량을 유지합니다. 이것은 에너지 절약의 필요성에 신경을 쓰는 엔지니어들에게는 고민거리입니다. 이들에게는 다음과 같은 이점을 제공할 수 있는 가변 주파수 드라이브(VFD)를 갖춘 최신 펌프를 채택하는 것이 합리적입니다.

  • 가변 유량으로 인해 에너지 비용이 낮고(냉수가 부하에서 요구되는 만큼만 펌핑됨).
  • 운영 비용이 절감되기 때문입니다.
  • 설계 기준 이하의 냉수 온도 차이를 더 잘 수용할 수 있습니다.
  • 2차 펌프 및 해당 액세서리가 전부 필요 없어지기 때문에 자본 비용이 절감됩니다.

지난 수십 년간 제어 시스템이 정교화되고 칠러 기술이 개선됨에 따라 가변 1차 유량(VPF) 시스템이 에어컨 업계에서 널리 사용되고 있습니다. 이 덕분에 2차 분배 펌프, 관련 파이프 및 액세서리가 필요 없어져 즉각적인 비용 절감이 가능합니다.

이 시스템의 1차 펌프의 크기는 칠러 증발기 코인을 통해 냉수를 순환하는 데에 따라 달라지며, 이외에도 냉각 코일 부하도 고려합니다.

VPF 시스템 설계

가변 1차 유량 시스템을 설계할 때 몇 가지 제한이 있습니다.

  • 동결 위험을 줄이기 위해 칠러 제조업체는 최소 안전 증발기 유량을 권장합니다. 즉, 유량을 일정 수준 이상으로 유지해야 합니다.
  • 일반적으로 증발기를 통과하는 유량의 속도는 1~3m/s 사이로 유지되어야 하며 관의 부식도 고려해야 합니다.
  • 칠러를 통과하는 유량의 속도 변화는 해당 칠러 제조업체에서 규정한 대로 지켜져야 합니다.
  • 병렬 구성의 칠러는 용량이 동일해야 합니다.
  • 시스템이 온도의 편차를 감당할 수 있어야 합니다.

증발기 유량 및 속도 제한

모든 칠러 제조업체는 증발기 코일을 통해 펌핑될 수 있는 최소 유량 범위를 권장합니다. 턴다운 비율은 칠러 타입의 영향도 받습니다. 통상적으로 최소 증발기 코일 유량은 설계 유량의 40~60%입니다.
최소 안전 유량 미만으로 칠러를 작동하는 경우 증발기에서 결빙이 발생하여 장비가 손상될 가능성이 있습니다.

최소 유량 바이패스 밸브

VPF 시스템에서는 공통 라인에 바이패스 밸브를 장착할 수 있습니다. 워터 루프의 유량계에 연결된 컨트롤러를 통해 장착이 가능합니다. 냉수 유량이 증발기의 최소 안전유량 이상인 경우에는 밸브가 일반적으로 닫혀 있습니다. 유량이 증발기의 최소 안전 유량을 못 미칠 정도로 냉각 부하 요구 사항이 줄어들 경우에는 칠러 설비에서 과도한 펌핑이 발생합니다.
이러한 경우에는 냉각 부하 요구 사항을 초과하는 유량이 칠러 설비로 다시 우회해야 합니다. 이러한 경우에만 바이패스 밸브가 칠러 설비로 다시 우회할 냉수의 양에 비례하여 열립니다.
예를 들어 냉각 코일은 12m3/h만 필요한데 활성 칠러 자체의 권장 최소 안전 증발기 코일 유량은 20m3/h일 경우, 초과하는 8m3/h는 바이패스 라인을 통해 우회합니다.

바이패스 밸브 선택

바이패스 기능이 제대로 작동하도록 하려면 적절한 밸브 작동기를 선택하는 것이 매우 중요합니다. 밸브 위치와 유량 간에 선형적 관계를 유지하는 밸브 작동기가 적합합니다.

바이패스 밸브를 사용하지 않을 수 있습니까?

다음과 같은 경우에 VPF 시스템에서 바이패스 밸브를 사용하지 않을 수 있습니다.

  • 건물 부하가 일정할 경우
  • 건물 부하가 절대로 증발기 최소 안전 유량(일반적으로 공칭 부하의 40~60%) 아래로 떨어지지 않는 경우
  • 바이패스 펌프가 바이패스 밸브를 대체하는 경우

그런포스 TPE2 펌프를 바이패스 펌프로 사용하는 솔루션:

그런포스 TPE2 펌프는 최소 유량을 유지하는 데 사용될 수 있습니다. 펌프를 일정 ΔP 모드로 제어하면 일정한 압력을 확보할 수 있으며, 이에 따라 칠러 증발기에서 일정한 유량이 유지됩니다.
칠러를 통과하는 유량이 최소 유량을 충분히 상회하면 펌프가 멈춥니다.
가변 1차 유량 시스템에서 바이패스 펌프는 바이패스 밸브, 컨트롤러 및 유량계를 대체할 수 있습니다. 펌프는 자체적으로 제어되며 추가적인 컨트롤러나 유량계를 필요로 하지 않습니다. 따라서 이렇게 설치하면 대부분의 경우 초기 비용을 절약하고 시운전 및 유지보수를 최소화할 수 있습니다.
이 시스템에 맞게 TPE2 펌프를 설정하는 방법은 1페이지짜리 “냉수. 바이패스 펌프 제어” 및 관련 시운전 문서에 자세히 나와 있습니다.

바이패스 밸브가 있는 VPF

효율적이지만 복잡함

VPF 냉수 시스템은 냉각 성능을 실제 부하에 맞춰 최고의 운전 효율과 성능에 도달합니다. 하지만 유량을 급격한 속도로 혹은 많은 량을 감소할 경우, 증발기에서 결빙이 발생할 위험이 있습니다. 대개의 경우 이에 대한 솔루션은 바이패스 밸브를 라인에 장착하는 것인데, 이로 인해 냉각 코일의 요구량이 최소 유량에 미치지 못할 때 칠러로 과도하게 역류하는 현상이 발생합니다. 따라서 시스템 내에서 가변 용량 압축기, 냉각탑 팬, 펌프, 바이패스 라인을 정교하게 제어해야 모든 구성 요소가 제대로 연동하게 됩니다.

바이패스 펌프가 있는 VPF

칠러 안에서 최적의 유량을 유지하는 비용 효율적인 방법

그런포스 바이패스 펌프 솔루션의 일정 온도 제어 모드는 기본 펌프 성능이 칠러의 최소 유량 제한에 전혀 영향을 받지 않도록 해줍니다. 따라서 시스템에서 과도한 유량이 발생하지 않아, 운영 비용이 최소로 유지됩니다. 또한 이 솔루션은 TPE3 펌프와 차압 센서만으로 운전하여 전체 시스템을 간소화해줍니다.

TPE3

장점

  • 세계에서 가장 높은 에너지 효율 등급인 IE5의 MGE 모터
  • 적정 수온 유지
  • 그런포스 GO를 통해 온도 확인
  • 수온을 기준으로 하기 때문에 설계와 스펙이 간단함
  • 스로틀 밸브가 필요 없음
  • 운영 비용이 절감됨

결론 :

냉수 시스템은 상업용 건물의 HVAC 솔루션에서 핵심적인 부분이며, 이를 설치하고 지속적으로 운영하기 위해서는 상당한 운영 경비가 요구됩니다. 각각 특정 건물 레이아웃 및 부하 요구 사항에 맞춰 시스템 설계를 조정하면, 최대한 낮은 비용으로 효율적이고 편리한 환경을 조성할 수 있습니다.
가변 1차 유량 시스템은 가장 간단한 배관 체계 중 하나이지만, 과도한 펌핑 가능성을 최소화하기 때문에 매우 효율적이기도 합니다. 바이패스 펌프 또는 밸브를 설치해 이 시스템을 구축할 수 있습니다. 하지만 바이패스 펌프를 설치할 경우, 대부분 시스템 수명주기 비용이 더 낮습니다.