설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) – 수배관의 압력
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
본론
수배관의 압력과 관련하여 가압의 방법은 일반 냉난방(HVAC) 시스템은 팽창탱크를 통한 급수압력으로 거 의 대부분을 적용한다고 해도 과언이 아닙니다. 특수한 지역난방용 플랜트 설비인 경우등에는 질소가스 가압 붐베 방식이나 , 에어 콤프레셔에 의한 가압방식 혹은 증기에 의한 가압방식등이 적용시스템상의 이 론면에서는 다양하게 적용 거론되어 있읍니다만, 일반 HVAC 시스템상에서의 그 적용은 거의 적용예를 확인지 못했습니다. 그래서 우리가 알아 두어야 할 단계를 HVAC 범위로 국한하고자 합니다. 혹 추후 필 요한 경우가 생기면 그때 더 상세하게 공부를 할 수도 있으리라 생각합니다.
1) 팽창탱크에 의한 가압 방식 – 개방형 팽창탱크 과거 개방형 팽창탱크의 가압은 정수두 가압방식이라고 할 수 있습니다. 다시 말하면 냉온수 시스 템에서의 가장 높은 개소의 냉온수 장치(공조기,팬코일유닛,방열기등)보다 더 높은 위치에 팽창탱크 를 설치하여 실제 가압의 힘이 수압자체의 압력으로 배관상의 압력을 포화 증기압이상으로 확보했 다고 볼 수 있습니다. 이 경우 그 설치높이는 최고 높은 부하기기보다 약 1M 정도 이상으로 설치 가 되었고 , 탱크 용량도 전 팽창량(배관내부 전체 유량 기준으로 계산한 부피 변화량)의 1.5~2 배 정도의 용량으로 선정이 되어 대기에 개방되어 있었습니다. 즉 팽창과 수축에 따른 수위 변동이 동 반되었으며 그 것을 기준으로 유체내에서의 팽창을 유지해 왔습니다. 하지만 이 시스템이 대기에 개방되어 있으면 공기가 수중에 녹아 들어갈수 있는 여력이 충분히 있으며, 외관상의 유지관리 차 원에서도 좀 오염등의 단점이 다분히 있었습니다. 즉 설치 장소자체가 최고 높은 장소로 한정되면 서 건축미관상의 문제등을 안고 있었습니다. 그후 팽창탱크가 밀폐식으로 국내에 도입되면서 이러 한 문제등이 거의 해소되었다고 볼 수 있습니다. 중앙 냉난방시스템에서 팽창탱크가 없는 건물은 거의 없습니다.
2) 밀폐형 팽창탱크 팽창탱크를 밀폐형으로 한다는 의미는 우선 공기로 인한 유체내에 손상을 주는 원인은 막을 수 있 다는 단어적인 의미는 보입니다. 실제 개방형에서 구식이라는 느낌, 즉 현장에서 배관연결과 탱크 설치등이 이루어지는 것과 비교해보면 밀폐형은 매우 현대적이라는 느낌을 준다는 것입니다. 공장에서 제작된 탱크내부에는 질소나 압축공기같은 쿠션 기능이 있는 압축성 유체가 수배관 시스템 측과 가변성이 있는 격막으로 서로 탱크내에서 나누어져서,압력증감에 댕으하여 그 고무기능의 격 막이 밀리고 혹은 그반대로 밀어서, 수배관의 압력을 인공적인 힘으로 유지한다는 의도에서 과거 구식인 개방형에 비해서는 진일보 한 것이라고 볼 수 있겠습니다. 수배관 시스템 자체의 누수되는 물에 대한 보급수를 공급하여야 할 필요성으로 급수관을 연결하여 주며 이는 수압을 유지하여 주는 기능과 함께 그 압력에 대한 보증을 위한 노력들이 필요합니다. 예를 든다면 탱크에 초기에 공급해야 할 압력이 있는데, 이는 고가수조 방식이든, 부스터 펌프 급 수 가압 방식의 급수 시스템이든 간에 팽창탱크에 필요한 압력만큼 공급될 필요가 있으며 , 이를 위하여 감압을 적용하여 급수라인과 연결 , 팽창탱크에 접속합니다. 여기에는 감압밸브가 들어갑니 다. 또한 요즘의 팽창탱크에는 일부 에어 콤푸레셔 소형 용량이 장착되어, 탱크내의 압력 유지를 보다 정밀하게 유동적으로 하는 경우의 제품도 있는 것으로 알고 있습니다. 즉 조금전에 말씀드린 격막 반대편의 질소나 압축공기의 압력도 수배관의 팽창,수축과 연동하여 매우 일정하게 압력을 유 지 할수 있도록 하려는 노력이 진일보 한 것입니다. 이후 배관내의 공기성분을 강제로 제거하기위 한 장치등이 내장되어 진공효과등을 강제유도하여, 수배관내에서의 공기 문제를 줄이려는 장치를 포함한 팽창탱크의 제품도 출시 되고 있습니다. 팽창탱크의 팽창라인과 수배관 시스템의 냉온수 환수 배관측, 환수 헤더측 혹은 순환펌프 흡입측에 연결되어서 고유한 팽창탱크의 기능을 수행하기 시작합니다. (이외에 팽창탱크의 설치위치가 냉온 수 순환펌프 흡입측이냐,토출측이냐에 대한 큰 차이가 있습니다 만, 특별히 배관내압에 문제가 없 다면 거의 HVAC 시장의 설치위치는 펌프 흡입측에 설치한다고 보시면 됩니다. 이 차이에 대해서 는 추후 다시 계산할 예정입니다 ).
여기서 팽창탱크의 크기를 선정하는 방법이 여러가지가 있겠지만 초기 봉입 압력이라는 것과 최종 압력과의 압력차이와 배관 시스템의 팽창되는 유체의 량에 대한 상수를 적용한 계산으로 탱크의 크기를 선정합니다. 중요한 것이라면 모두다 중요하겠지만 초압의 설정은 개방형 탱크를 열부하기 기보다 더 상부에 (약 1m 위) 둔다고 말씀드린 것과 같이, 최하층 기계실에 설치하는 밀폐형 팽창 탱크에도 역시 그 수두압을 인위적으로 형성한다는 것입니다. 즉 “정수두압 + 에어벤트를 위한 봉 입압(혹은 증발방지(플래시 현상방지)를 위한 가압,약 3M수두(일반 HVAC 온도기준) 입니다만, 이는 수배관의 온도에 따라 증발 방지 압력은 달라집니다. 포화 증기압력에 대한 기준이 온도에 따라 달 라지는 것입니다)” 으로 초기압력이 설정되고 최종압력은 이 초기압력에 순환펌프 양정 및 기타 안 전율(약1m 수두정도)을 포함한 압력상승분을 합하여 최종압으로 선택합니다. 이 두 압력차이로 실 제 밀폐형 팽창탱크 내부의 유효하게 활용할 수 있을 탱크의 공간에 대한 계산을 한다는 이론입니 다. 이와 같이 계산된 과정에서의 탱크 유효 용량계수와 수배관 시스템의 팽창량을 기준으로 실 탱크 크기를 산출하게 됩니다. 장황하게 설명이 된 듯합니다 물이 팽창하든 수축되든 탱크안에서 압력을 일정하게 유지하기 위한 가압(공기측)이 수배관과 연계하여 움직여 준 다는 것입니다. 관련된 계산 공식이 있읍니다만 참고 로만 보시기 바랍니다
(초압=Pi , 종압=Pe , 유효용량계수=A.F (ACCEPTANCE FACTOR : (Pe-Pi) / Pe ) ,
탱크용량=Vt , 팽창량 = Ve , 이라고 두고 Vt={Ve / A.F} , 여기서 압력단위는 절대압 기준)
팽창량은 냉동기 용량 1RT 당 약 50 리터 정도로 배관내부의 유량으로 보면(개략 추정일뿐, 실제 유량은 건물 규모에 따라 다 다릅니다) 여기에 온도차에 따른 체적 변화값을 곱하면 개략 계산시 에는 어느정도 추정이 될 수 있습니다. 이렇게 선정된 팽창탱크는 어디에 두던 위치에 제약이 없습니다. 또한 개방형의 단점과 상반되는 장점등을 가지고 있습니다. 공기인입, 부식문제, 설치 위치 문제,수명 문제등으로 장점을 가진다고 할 수 있습니다. 그러면 밀폐형 순환시스템에서의 수배관용 팽창탱크의 개념은 어느정도는 이해가 될 수 있었다고 생각이 됩니다. 그리고 이렇게 선정된 팽창탱크는 고유의 팽창탱크의 목적인 배관 계의 온도변화에 따른 체적변화를 흡수하는 쿠션기능을 성실히 수행한다는 것입니다.
기성제품으로 생산되는 팽창탱크를 전문 제작사에 문의하면, 지금과 같은 이론을 배경으로 적절히 선정 설치 가능합니다. 단지 현장의 보급수압을 해당 건물 정수두(설치위치에서 가장 높은 냉난방 기기까지의 높이)보다 약 1~3m 높게 해서 공급해주도록 하면 됩니다.
2016년 10월 29일 토요일
설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) – 수배관의 압력
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
개요 : 물이라는 유체는 온도변화에 따른 부피(체적)변화가 있어서, 온도차에 따라 줄기도, 늘기도 합니 다. 또 얼면서는 겨울철 항아리를 깰 수도 있고,그 반대로 밀폐된 공간 내부(배관등)에서는 그 공 간내를 진공 상태로도 만들 수도 있습니다. 따뜻한 물을 시원하게 만들려고 페트병에 담아서 냉 장고에 넣어두면 시간이 지나 보면 페트병이 좀 쭈글쭈글 해지고 ,아니면 페트병이 몸살을 앓고 있는 듯한 상태의 경험을 간혹 해 보셨겠지요. 그 반대로 1 회용 생수병을 더운 여름 차안에 몇 시간 두면 탱탱하게 생수통이 배가 불러져 있기도 합니다. 그 통속의 물의 양이란게 기껏해봐야 0.5~1 리터 정도임에도 불구하고 겉으로는 표시가 확연히 나타나 보입니다. 그래서 물 관련 분 야의 압력은 건물내의 여러곳에서 이 압력변화를 수반한 팽창 및 수축에 대한 주의를 필요로 합 니다. 물 관련 분야의 압력이 시스템의 운전과 어떤 연관성이 어느정도 있을지 한번 쭉 지나가면 서 답을 찿아 보겠습니다.
본론 1. 수배관 시스템에서 압력계획이 필요한 이유
냉난방 배관 시스템에서 냉,온수등이 공조기로 , 팬코일 유니트로, 라디에터 혹은 컨벡터등으로 펌 프의 힘으로 보내지고 그 물이 가진 열을 주기도 하고 ,주위에서 열을 뺏기도 하고(냉방시) 하여 건물이 냉,난방이 되기도 합니다. 보통 냉온수를 같은 배관에서 흐르게 하는 겸용 배관일 경우도 많은데 이 경우가,배관의 초기투자비도 저렴하고, 열원도 냉,온수기로 하니까 많이들 선호합니다만, 건물 성격에 따라서는 냉,온수 배관을 반드시 분리하여 운전하여야 할 건물도 있습니다. 즉 냉방과 난방열이 동시에 필요한 건물등의 경우 그러합니다.즉 호텔 객실에 고객이 냉방이 필요한 고객이 이지만, 동시간대에 난방을 원하는 고객도 있다는 것입니다. 하여튼 난방의 경우를 보면 70C 에서 출발하여 돌아오는 온도가60C 정도라면 그 물의 양에 온 도차를 곱하면 이 물이 처리하고 오는 열량(**)이 되겠죠. 이 온도차 10C 는 물의 해당온도에 따 라 차이가 있겠지만 부피의 변화를 동반하고 다닙니다.
(** 굳이 공식으로 표현하면q=m*c*온도차, q=열량(kcal/hr), m=유량(ltr/hr), 물의 비열(c)은1kcal/C .kg로) 만약에 4 계절를 기준으로 배관내의 냉,온수를 1 배관으로 겸용으로 그대로 사용하고 있는 경우에 여름철은 냉수 출구온도가 7C 이고, 겨울철 온수온도가 70C 이라면온도차가 약 63도C 가 됩니다. 이는 약산으로 해 보았을 때 약2~3% 정도의 체적변화가 생긴다는 것입니다. 즉 온도에 따른 비체적의 차 이가 있다는 이야기 입니다. 그럼 배관내의 실제 유체량은 어느정도일까요? 건물 규모나 시스템 성격에 따라 달라지겠지만 개략 으로 약 30,000 리터라고 한다면 (물론 건물시스템에 따른 계산은 가능합니다. 관경 및 길이도 다 계 산하여서 말입니다,뒤에 한번 계산하기로 하겠습니다) 그 양의 2%의 부피 변화가 있다면, 약 600 리 터입니다. 엄청난 양입니다.그러면 좀 작은 건물로 5000 리터가 유량이라면 100리터가 되지요 . 예로 10층 건물 기준 냉,온수용 수직 입상관의 관경100mm 가 왕복길이로 60m 이고 , 횡주관이 약 60m 이고, 가지관(공조기,팬코일,기타등등)이 약 200m 정도로, 가지관은 50mm 배관일때 로 약산해보면 배관내의 유량은 약 1500 리터 수준입니다.(단면적에 배관길이를 곱해서 나온 값입니다).그럼 그 1500 리터의 최대 부피 변화량은 약 2%기준일때 30 리터 정도가 되는 샘입니다. 다소 극단적으로 표현했 읍니다만 (실제는 이 보다 매우 복잡하고 귀찮습니다. 그래서 견적이나 물량산출은 시간을 많이 소요 합니다)
어쨌든 과거 이 팽창,수축량에 대한 흡수 혹은 충격완화를 위한 방법으로 개방형 팽창탱크를 두었던 시절이 있었습니다. 그 이전에도 밀폐형 팽창탱크가 있었습니다만, 아직 개방형 팽창탱크를 사용하고 있는 현장이 많습니다. 신규 설계되는 요즘 건물은 거의 개방형 팽창탱크를 사용하지 않지 만, 팽창탱크에 관해서는 좀 더 나중에 얘기해 보겠습니다.
이렇듯 부피의 변화는 배관계내에서 어떤 영향을 주는데, 예를 들면 부피가 축소된다면 수배관 전체 시스템 내의 압력이 진공으로 갈 확률이 높아진다는 의미입니다.(여기서 진공이라는 의미는 단순히 대기압 이하 1mmaq 로 떨어져도 진공입니다. 단지 진공도의 차이가 있을뿐이죠) 이는 약간의 틈만있 어도 공기의 유입이 생길 수도 있고, 즉 공기의 유입은 순환 유체의 흐름에 방해가 된다는 의미가 되 고, 즉 유속이 예로 2m/sec 정도의 배관내에 공기도 같이 달린다면 실제 가야할 유체(물)의 공간이 그 만큼 줄 수도 있고, 필요한 유량 공급이 안된다는 의미가 됩니다. 또 이 공기는 배관내부를 빠른 시간내에 부식 시킬 수 있는 능력을 확보하기 시작한다는 것입니다. 이건 좋지 않습니다. 당연히 녹 슬게 된다는 것은 배관의 수명을 떨어뜨리는 원인이 됩니다. 좀 다른 모양새로 접근해 보면 우리가 잘 알고 있는 “포화증기압”이라는 용어로 표현 하여 유체의 포화 증기압이하로의 압력감소 가능성도 배제 할 수 없다는 것입니다. 이는 단순히 물의 부피축소만 으로의 문제는 아닙니다만 관련은 있습니다. 즉 물속의 해당온도에서의 압력이 형성되지 못할 때 발 생하는 플래시 현상(flash ,재증발 현상)이 있을 수 있고 ,워터해머(water hammer) 및 펌프 흡입구의 캐비테이션(양수 혹은 흡수 불능이 되는 원인, cavitation)의 원인이 제공되기도 합니다. 원인이 단적으 로 모두 부피 변화에 근거하는 것은 아니지만 서로 유기적인 연관성을 가진다는 것입니다.(더욱 온수 중에서도 고온수를 취급하는 경우, 예로서 중온수인 지역난방과 같은 경우는 이 압력에 대한 보증이 안될 경우 매우 치명적인 영향이 끼칩니다. 그래서 그 시스템 가압방법도 매우 다양하게 적용되고, 그 예비 안정장치도 매우 중요한 입장에 있습니다. 이는 추후 가압에 대한 얘기를 할 때 한번 답을 찿아 보겠습니다.) 또 그와 동반한 유수의 흐름에 소음이 더욱 쉽게 발생할 수 있기도 합니다. 또 경우에 따라서는 에어 포켓(공기 정체 구역)이 발생하기도 합니다. 그래서 에어 벤트가 필요하 듯이 요. 만약에 부피의 감소에 의한 현상이 이렇고 그걸 방지하기 위하여 약간의 가압을 해주면서 늘어나 는 유체의 경우 밀려주고, 줄어드는 부피에 맞게 밀어준다는 의도로 팽창탱크가 적절한 압력으로 적 용되기 시작한 것입니다. 또한 부피의 팽창에 의한 팽창탱크의 적용에 의한 쿠션기능이 없다면 배관내부의 압력상승의 원인이 되어 배관이 견딜 수 있는 내압한도를 넘을 수도 있고, 배관의 휨이나 불 필요한 응력(stress)이 발생할 가능성이 더욱 높아진다는 것입니다. 어찌되었건 이 부피 변화에 대응 한 방법으로 배관에서는 곡관류(앵글 혹은 루프, 혹은 벨로즈 형식등)를 형성하기도 하고 이에 동반 한 진동을 막기위한 방진 가대 혹은 행거등을 적용하기도 합니다. 총체적인 방법이 다 동원되어서 유 동적인 물의 흐름에 대한 보호방법을 적용한다는 것입니다.
결론 수배관에서의 압력계획을 단순 부피의 변화에서 시작해 보았읍니다만, 이와 관련된 압력에 대한 보증 을 위한 장치인 팽창탱크와 각종 가압방식, 펌프의 위치 , 압력 개념 정립, 설치위치등에 대해서는 지속적으로 글을 작성 할 예정입니다.
(Understanding of Hydronic System) – 수배관의 압력
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
개요 : 물이라는 유체는 온도변화에 따른 부피(체적)변화가 있어서, 온도차에 따라 줄기도, 늘기도 합니 다. 또 얼면서는 겨울철 항아리를 깰 수도 있고,그 반대로 밀폐된 공간 내부(배관등)에서는 그 공 간내를 진공 상태로도 만들 수도 있습니다. 따뜻한 물을 시원하게 만들려고 페트병에 담아서 냉 장고에 넣어두면 시간이 지나 보면 페트병이 좀 쭈글쭈글 해지고 ,아니면 페트병이 몸살을 앓고 있는 듯한 상태의 경험을 간혹 해 보셨겠지요. 그 반대로 1 회용 생수병을 더운 여름 차안에 몇 시간 두면 탱탱하게 생수통이 배가 불러져 있기도 합니다. 그 통속의 물의 양이란게 기껏해봐야 0.5~1 리터 정도임에도 불구하고 겉으로는 표시가 확연히 나타나 보입니다. 그래서 물 관련 분 야의 압력은 건물내의 여러곳에서 이 압력변화를 수반한 팽창 및 수축에 대한 주의를 필요로 합 니다. 물 관련 분야의 압력이 시스템의 운전과 어떤 연관성이 어느정도 있을지 한번 쭉 지나가면 서 답을 찿아 보겠습니다.
본론 1. 수배관 시스템에서 압력계획이 필요한 이유
냉난방 배관 시스템에서 냉,온수등이 공조기로 , 팬코일 유니트로, 라디에터 혹은 컨벡터등으로 펌 프의 힘으로 보내지고 그 물이 가진 열을 주기도 하고 ,주위에서 열을 뺏기도 하고(냉방시) 하여 건물이 냉,난방이 되기도 합니다. 보통 냉온수를 같은 배관에서 흐르게 하는 겸용 배관일 경우도 많은데 이 경우가,배관의 초기투자비도 저렴하고, 열원도 냉,온수기로 하니까 많이들 선호합니다만, 건물 성격에 따라서는 냉,온수 배관을 반드시 분리하여 운전하여야 할 건물도 있습니다. 즉 냉방과 난방열이 동시에 필요한 건물등의 경우 그러합니다.즉 호텔 객실에 고객이 냉방이 필요한 고객이 이지만, 동시간대에 난방을 원하는 고객도 있다는 것입니다. 하여튼 난방의 경우를 보면 70C 에서 출발하여 돌아오는 온도가60C 정도라면 그 물의 양에 온 도차를 곱하면 이 물이 처리하고 오는 열량(**)이 되겠죠. 이 온도차 10C 는 물의 해당온도에 따 라 차이가 있겠지만 부피의 변화를 동반하고 다닙니다.
(** 굳이 공식으로 표현하면q=m*c*온도차, q=열량(kcal/hr), m=유량(ltr/hr), 물의 비열(c)은1kcal/C .kg로) 만약에 4 계절를 기준으로 배관내의 냉,온수를 1 배관으로 겸용으로 그대로 사용하고 있는 경우에 여름철은 냉수 출구온도가 7C 이고, 겨울철 온수온도가 70C 이라면온도차가 약 63도C 가 됩니다. 이는 약산으로 해 보았을 때 약2~3% 정도의 체적변화가 생긴다는 것입니다. 즉 온도에 따른 비체적의 차 이가 있다는 이야기 입니다. 그럼 배관내의 실제 유체량은 어느정도일까요? 건물 규모나 시스템 성격에 따라 달라지겠지만 개략 으로 약 30,000 리터라고 한다면 (물론 건물시스템에 따른 계산은 가능합니다. 관경 및 길이도 다 계 산하여서 말입니다,뒤에 한번 계산하기로 하겠습니다) 그 양의 2%의 부피 변화가 있다면, 약 600 리 터입니다. 엄청난 양입니다.그러면 좀 작은 건물로 5000 리터가 유량이라면 100리터가 되지요 . 예로 10층 건물 기준 냉,온수용 수직 입상관의 관경100mm 가 왕복길이로 60m 이고 , 횡주관이 약 60m 이고, 가지관(공조기,팬코일,기타등등)이 약 200m 정도로, 가지관은 50mm 배관일때 로 약산해보면 배관내의 유량은 약 1500 리터 수준입니다.(단면적에 배관길이를 곱해서 나온 값입니다).그럼 그 1500 리터의 최대 부피 변화량은 약 2%기준일때 30 리터 정도가 되는 샘입니다. 다소 극단적으로 표현했 읍니다만 (실제는 이 보다 매우 복잡하고 귀찮습니다. 그래서 견적이나 물량산출은 시간을 많이 소요 합니다)
어쨌든 과거 이 팽창,수축량에 대한 흡수 혹은 충격완화를 위한 방법으로 개방형 팽창탱크를 두었던 시절이 있었습니다. 그 이전에도 밀폐형 팽창탱크가 있었습니다만, 아직 개방형 팽창탱크를 사용하고 있는 현장이 많습니다. 신규 설계되는 요즘 건물은 거의 개방형 팽창탱크를 사용하지 않지 만, 팽창탱크에 관해서는 좀 더 나중에 얘기해 보겠습니다.
이렇듯 부피의 변화는 배관계내에서 어떤 영향을 주는데, 예를 들면 부피가 축소된다면 수배관 전체 시스템 내의 압력이 진공으로 갈 확률이 높아진다는 의미입니다.(여기서 진공이라는 의미는 단순히 대기압 이하 1mmaq 로 떨어져도 진공입니다. 단지 진공도의 차이가 있을뿐이죠) 이는 약간의 틈만있 어도 공기의 유입이 생길 수도 있고, 즉 공기의 유입은 순환 유체의 흐름에 방해가 된다는 의미가 되 고, 즉 유속이 예로 2m/sec 정도의 배관내에 공기도 같이 달린다면 실제 가야할 유체(물)의 공간이 그 만큼 줄 수도 있고, 필요한 유량 공급이 안된다는 의미가 됩니다. 또 이 공기는 배관내부를 빠른 시간내에 부식 시킬 수 있는 능력을 확보하기 시작한다는 것입니다. 이건 좋지 않습니다. 당연히 녹 슬게 된다는 것은 배관의 수명을 떨어뜨리는 원인이 됩니다. 좀 다른 모양새로 접근해 보면 우리가 잘 알고 있는 “포화증기압”이라는 용어로 표현 하여 유체의 포화 증기압이하로의 압력감소 가능성도 배제 할 수 없다는 것입니다. 이는 단순히 물의 부피축소만 으로의 문제는 아닙니다만 관련은 있습니다. 즉 물속의 해당온도에서의 압력이 형성되지 못할 때 발 생하는 플래시 현상(flash ,재증발 현상)이 있을 수 있고 ,워터해머(water hammer) 및 펌프 흡입구의 캐비테이션(양수 혹은 흡수 불능이 되는 원인, cavitation)의 원인이 제공되기도 합니다. 원인이 단적으 로 모두 부피 변화에 근거하는 것은 아니지만 서로 유기적인 연관성을 가진다는 것입니다.(더욱 온수 중에서도 고온수를 취급하는 경우, 예로서 중온수인 지역난방과 같은 경우는 이 압력에 대한 보증이 안될 경우 매우 치명적인 영향이 끼칩니다. 그래서 그 시스템 가압방법도 매우 다양하게 적용되고, 그 예비 안정장치도 매우 중요한 입장에 있습니다. 이는 추후 가압에 대한 얘기를 할 때 한번 답을 찿아 보겠습니다.) 또 그와 동반한 유수의 흐름에 소음이 더욱 쉽게 발생할 수 있기도 합니다. 또 경우에 따라서는 에어 포켓(공기 정체 구역)이 발생하기도 합니다. 그래서 에어 벤트가 필요하 듯이 요. 만약에 부피의 감소에 의한 현상이 이렇고 그걸 방지하기 위하여 약간의 가압을 해주면서 늘어나 는 유체의 경우 밀려주고, 줄어드는 부피에 맞게 밀어준다는 의도로 팽창탱크가 적절한 압력으로 적 용되기 시작한 것입니다. 또한 부피의 팽창에 의한 팽창탱크의 적용에 의한 쿠션기능이 없다면 배관내부의 압력상승의 원인이 되어 배관이 견딜 수 있는 내압한도를 넘을 수도 있고, 배관의 휨이나 불 필요한 응력(stress)이 발생할 가능성이 더욱 높아진다는 것입니다. 어찌되었건 이 부피 변화에 대응 한 방법으로 배관에서는 곡관류(앵글 혹은 루프, 혹은 벨로즈 형식등)를 형성하기도 하고 이에 동반 한 진동을 막기위한 방진 가대 혹은 행거등을 적용하기도 합니다. 총체적인 방법이 다 동원되어서 유 동적인 물의 흐름에 대한 보호방법을 적용한다는 것입니다.
결론 수배관에서의 압력계획을 단순 부피의 변화에서 시작해 보았읍니다만, 이와 관련된 압력에 대한 보증 을 위한 장치인 팽창탱크와 각종 가압방식, 펌프의 위치 , 압력 개념 정립, 설치위치등에 대해서는 지속적으로 글을 작성 할 예정입니다.
설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) – 관경
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
개요 : 수배관 관련 배관의 크기(관경)는 매우 중요한 역할입니다. 인체에서의 동맥 경화 혹은 저혈압, 고 혈압, 혹은 심장에 무리가 가는지 등이 혈관의 문제이고, 이와 비슷한 설비의 역할이 배관이라고 보면 될 듯 합니다. 에너지가 많이 사용될지, 조금 사용되어도 가능한지등의 중요한 결정 사항이 될 수 있습니다.이 배관에는 항상 밸브라는 장치가 있어, 물의 흐름을 밸브를 통해서 통하게 하거나, 차단하거나, 그 흐르는 물의 양을, 줄이거나, 늘리거나, 혹은 역류를 막거나, 혹은 압력을 해소해 주거나, 압 력을 줄여 주든지등의 다양한 역할을 하는 밸브들이 여기 배관에 각각의 필요한 위치에 설치 됩 니다. 이와 관련 조금 상위 기술분야인 수배관 시스템에 대해서는 향후 지속적으로 말씀을 드리겠습니 다만, 수배관 시스템의 경우 해당 시스템에 따른 배관경을 어떤식으로 정하느냐에 대한 기본적 인 방법에 대해서 언급이 필요할 듯 합니다.
본론 : 우선 냉난방을 할 냉,온수 관경 선정 기준은 , 유속의 설정 기준은 , 배관 마찰 손실 기준은 ? 왜 그 유속이 적용되는지? 왜 그 정도의 마찰 손실로만 계산해야 하는지? 무엇이 문제가 되는 지 ? 배관경과 연관된 해석이 가능한 시스템 판단 자료는 무엇이 있는지 ? 접근해 보면 어느정 도는 명쾌한 답이 있습니다.
1. 관내 유속 및 마찰손실, 펌프 동력등에 따른 장,단점 비교 유속이 배관내에서 빠를수록 초기 투자비면에서는 배관 사이즈축소로 저렴하겠지만 그 반대로 배 관내의 마찰손실은 증가하여 펌프 동력은 증가 합니다. 또한 운전경비면으로 본다면 동일한 효과 즉 펌프 반송동력 경비는 증가할 것입니다. 즉 유속이 빠르다는 얘기는 그만큼 배관의 마찰 손실 값이 증가 한다는 의미가 될 수 있습니다. 그 외에 배관의 소음,진동면에서도 불리한 입장에 서게 됩니다. 또 다른 측면으로는 유속의 증가는 관내 부식을 증가시키는 역할을 합니다. 이는 배관의 수명과 연관이 될 수 있다는 이야기 입니다. 그러면 지금까지의 내요으로 판단 해 보면, 유속이 빠른 것은 , 유지관리자의 입장에서는 불만스러 울 수 있는 사항이 매우 많다는 이야기 이지만, 초기 설계시점에서의 입장으로 보면 배관경의 축소가 가능하게 됩니다. 즉 작은 배관을 통하여 짜른 유속으로 더 많은 통수가 가능하니, 초기 투자 비가 줄게 됩니다. 또 배관경이 작다면, 배관의 실제 크기가 건물내에 설치시,작은 공간에 설치가 가능하니, 이에 대한 축소로 시공성 및 공간측면에서 유리 하다고 말하겠습니다.
이와 정반대로 관내 유속이 느릴 경우는 상기 언급한 내용과는 상반되는 장점 및 단점을 가질 수 있습니다.
2. 수배관 분야의 관경 결정에 관한 기준 및 유의 사항. 보통 많은 경우, 관경의 결정은 등압법(등마찰법, 배관내에서 흐르는 물의 양에따라 관경을 달리하 지만, 각 배관들의 동일한 길이당 압력 손실을 같도록 설계하는 방법)으로 선정하고 있는데, 이때 에도 유속에 대한 사항은 소음 및 부식방지에 대한 감안이 되어져야 합니다. 예로 소음 방지 차원 의 유속 한계는 2”(50mm)이하의 경우 1.2M/SEC 이하로 적용하고 ,2” 이상의 배관의 경우 40mmAq/M(마찰 손실, 1m 거리를 배관내에 물이 흐를 때 소비되는 압력손실로, 100m 거리를 배 관이 이 마찰 손실로 가게되면, 약 4m 의 압력손실이 발생한다는 의미) 이하로 하여야 합니다. 소음이 “왜 발생하느냐” 를 검토해보면 유수중에 포함된 기포, 국부 곡선부등의 큰 저항의 와류 , 급격한 압력 변화에 의한 캐비테이션(포화 증기압 이하로 떨어져 기체가 발생하는 현상), 큰 압력 강하등에 의해서 발생하며 이에 대한 방지책이 강구 되어져야 합니다. 사실 유속이 빠르다면 유체 속의 기포나 스케일 등이 배관을 더욱 침식 강화시켜 관 부식의 진행 에 한층 능동적이 된다는 이야기가 됩니다. 하지만 너무 느린 유속은 유체가 가진 온도에 성층현 상을 만들 염려도 있고, 열전달을 하는데 너무 많은 시간을 필요로 하게 됩니다. 이와 관련하여 배관의 관경 결정에 있어서는 초기 배관 설치비 및 추후 시설 운전 경비등의 경제 적 최적 검토를 요구하고 있으며, 이 결과 에너지를 절감할 수 있는 방안을 마련하여야 합니다. 건 물의 성격상 배관의 길이가 길고 운전시간이 길다면 관내 유속과 마찰 손실 값을 작게 가져갈 필 필요 있는 것 입니다. 또 상기의 공기, 기포를 배제하기 위한 기준은 2” 이하의 관의 경우 유속이 0.6M/SEC 이상으로 하며, 2” 이상에서는 8 ~40mmAq/M 로 제한 할 필요가 있습니다. 저자의 입장에서 권장 한다면, 20~30mmAq/m 로 적용 및 유속 1.5m/sec 기준으로 배관경을 적 용 합니다. 건물의 배관 용도와 특성, 펌프 입장의 양정 및 주배관, 층별 가지 배관등의 유용 가능 한 차압력등을 고려하여 선정합니다만, 기존 활용할 수 있는 배관 경 선정표들을 이용하면 됩니다.
관련 해당 배관의 물의 양을 근거로 유속을 적용하면, 개략적인 배관경을 계산 할수 있습니다. Q=A*V 로Q는 물의 시간당 흐르는 양이며(m3/HR), A 는 관의 단면적(ΠD2/4)을 적용하고,해당 V 값은 유속으로 1.5m/sec 기준으로 적용하면, 결국 얻게 되는 A 값속의 “D” 가 우리가 얻고자 하 는 배관경이 됩니다. 배관경은 기성제품이 생산 됨으로, 해당 검토시 기성 제품 (15,20,25,32,40,50,65,80,100,125,150- 200,250,300 등) 으로 근사치 값을 활용 하게 됩니다.
3. 냉각수,냉수,온수 배관의 관경 결정 냉,온수 시스템상의 배관경 선정 기준은 보통 30~100mmAq/M 로 마찰 손실값이 적용되고 , 최대 유속측면에서 보면 냉각수의 경우 2.3M/SEC 이하 , 냉온수 배관의 경우 3.0M/SEC 이하 , 냉각수 용 헤더를 설치했다면 1M/SEC 이하(분지관의 경우 2M/SEC 이하)로 적용합니다. 유속과 유량과 배 관경,배관마찰 손실값은 서로 유기적으로 변화가 발생하므로 실제 관경 선정시 유량기준으로 시작 하여 유속 및 배관 마찰 손실이 어느 정도인지를 확인할 필요가 있습니다. 이들에 대한 값들은 일반 설비교재에는 배관의 종류에 따라서 대부분 그림,표로 자세히 찾아 볼 수 있는 자료가 있으니 찾아 보시기 바랍니다.
결론 : 대부분의 관경 결정시 상기의 운전경비, 건물의 운전시간, 초기 투자경비 ,배관의 소음, 배관의 부 식문제 , 배관의 수충격등에 대한 사항등이 검토되기 힘든 상태로 진행이 되곤 합니다. 중요한 것 은 설계 이후의 최종 검토 단계든 시공전 검토단계든 기술적인 검토는 항시 필요하다는 인식을 가 져야 한다는 것입니다. 이외에 대체로 보편 타당한 값을, 쉽게 관경을 선정할 필요가 있을 경우 20~30 mmAq/M 의 마찰손실 값 및 유속은 1.5M/SEC ~ 2.5M/SEC 정도로 하라고 추천 하고 싶 습니다. 하지만 항상 이 관경이 최선은 아닌 경우는 있을 수있습니다. 그 해당 건물의, 설비의 특 성에 따른 최적이 기술자의 능력이라고 판단 됩니다. 어떤 하나의 건물을 두고 동일한 시스템임에도 불구하고, 1 명의 엔지니어를 통한 배관경은 200mm 가 적용되나, 다른 1명의 엔지니어는 100m로 배관경이 2배가 차이나는 설계가 있습니다. 그 설계 배경엔, 운전비를 고려한 설계가 있고, 초기 투자비를 고려한 설계가 있을 수 있습니다. 그 배경을 이해하려는 노력과 해당 엔지니어의 설계 의지를 이해하는 것이 더 나은 엔지니어로서 의 역할 입니다.
(Understanding of Hydronic System) – 관경
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
개요 : 수배관 관련 배관의 크기(관경)는 매우 중요한 역할입니다. 인체에서의 동맥 경화 혹은 저혈압, 고 혈압, 혹은 심장에 무리가 가는지 등이 혈관의 문제이고, 이와 비슷한 설비의 역할이 배관이라고 보면 될 듯 합니다. 에너지가 많이 사용될지, 조금 사용되어도 가능한지등의 중요한 결정 사항이 될 수 있습니다.이 배관에는 항상 밸브라는 장치가 있어, 물의 흐름을 밸브를 통해서 통하게 하거나, 차단하거나, 그 흐르는 물의 양을, 줄이거나, 늘리거나, 혹은 역류를 막거나, 혹은 압력을 해소해 주거나, 압 력을 줄여 주든지등의 다양한 역할을 하는 밸브들이 여기 배관에 각각의 필요한 위치에 설치 됩 니다. 이와 관련 조금 상위 기술분야인 수배관 시스템에 대해서는 향후 지속적으로 말씀을 드리겠습니 다만, 수배관 시스템의 경우 해당 시스템에 따른 배관경을 어떤식으로 정하느냐에 대한 기본적 인 방법에 대해서 언급이 필요할 듯 합니다.
본론 : 우선 냉난방을 할 냉,온수 관경 선정 기준은 , 유속의 설정 기준은 , 배관 마찰 손실 기준은 ? 왜 그 유속이 적용되는지? 왜 그 정도의 마찰 손실로만 계산해야 하는지? 무엇이 문제가 되는 지 ? 배관경과 연관된 해석이 가능한 시스템 판단 자료는 무엇이 있는지 ? 접근해 보면 어느정 도는 명쾌한 답이 있습니다.
1. 관내 유속 및 마찰손실, 펌프 동력등에 따른 장,단점 비교 유속이 배관내에서 빠를수록 초기 투자비면에서는 배관 사이즈축소로 저렴하겠지만 그 반대로 배 관내의 마찰손실은 증가하여 펌프 동력은 증가 합니다. 또한 운전경비면으로 본다면 동일한 효과 즉 펌프 반송동력 경비는 증가할 것입니다. 즉 유속이 빠르다는 얘기는 그만큼 배관의 마찰 손실 값이 증가 한다는 의미가 될 수 있습니다. 그 외에 배관의 소음,진동면에서도 불리한 입장에 서게 됩니다. 또 다른 측면으로는 유속의 증가는 관내 부식을 증가시키는 역할을 합니다. 이는 배관의 수명과 연관이 될 수 있다는 이야기 입니다. 그러면 지금까지의 내요으로 판단 해 보면, 유속이 빠른 것은 , 유지관리자의 입장에서는 불만스러 울 수 있는 사항이 매우 많다는 이야기 이지만, 초기 설계시점에서의 입장으로 보면 배관경의 축소가 가능하게 됩니다. 즉 작은 배관을 통하여 짜른 유속으로 더 많은 통수가 가능하니, 초기 투자 비가 줄게 됩니다. 또 배관경이 작다면, 배관의 실제 크기가 건물내에 설치시,작은 공간에 설치가 가능하니, 이에 대한 축소로 시공성 및 공간측면에서 유리 하다고 말하겠습니다.
이와 정반대로 관내 유속이 느릴 경우는 상기 언급한 내용과는 상반되는 장점 및 단점을 가질 수 있습니다.
2. 수배관 분야의 관경 결정에 관한 기준 및 유의 사항. 보통 많은 경우, 관경의 결정은 등압법(등마찰법, 배관내에서 흐르는 물의 양에따라 관경을 달리하 지만, 각 배관들의 동일한 길이당 압력 손실을 같도록 설계하는 방법)으로 선정하고 있는데, 이때 에도 유속에 대한 사항은 소음 및 부식방지에 대한 감안이 되어져야 합니다. 예로 소음 방지 차원 의 유속 한계는 2”(50mm)이하의 경우 1.2M/SEC 이하로 적용하고 ,2” 이상의 배관의 경우 40mmAq/M(마찰 손실, 1m 거리를 배관내에 물이 흐를 때 소비되는 압력손실로, 100m 거리를 배 관이 이 마찰 손실로 가게되면, 약 4m 의 압력손실이 발생한다는 의미) 이하로 하여야 합니다. 소음이 “왜 발생하느냐” 를 검토해보면 유수중에 포함된 기포, 국부 곡선부등의 큰 저항의 와류 , 급격한 압력 변화에 의한 캐비테이션(포화 증기압 이하로 떨어져 기체가 발생하는 현상), 큰 압력 강하등에 의해서 발생하며 이에 대한 방지책이 강구 되어져야 합니다. 사실 유속이 빠르다면 유체 속의 기포나 스케일 등이 배관을 더욱 침식 강화시켜 관 부식의 진행 에 한층 능동적이 된다는 이야기가 됩니다. 하지만 너무 느린 유속은 유체가 가진 온도에 성층현 상을 만들 염려도 있고, 열전달을 하는데 너무 많은 시간을 필요로 하게 됩니다. 이와 관련하여 배관의 관경 결정에 있어서는 초기 배관 설치비 및 추후 시설 운전 경비등의 경제 적 최적 검토를 요구하고 있으며, 이 결과 에너지를 절감할 수 있는 방안을 마련하여야 합니다. 건 물의 성격상 배관의 길이가 길고 운전시간이 길다면 관내 유속과 마찰 손실 값을 작게 가져갈 필 필요 있는 것 입니다. 또 상기의 공기, 기포를 배제하기 위한 기준은 2” 이하의 관의 경우 유속이 0.6M/SEC 이상으로 하며, 2” 이상에서는 8 ~40mmAq/M 로 제한 할 필요가 있습니다. 저자의 입장에서 권장 한다면, 20~30mmAq/m 로 적용 및 유속 1.5m/sec 기준으로 배관경을 적 용 합니다. 건물의 배관 용도와 특성, 펌프 입장의 양정 및 주배관, 층별 가지 배관등의 유용 가능 한 차압력등을 고려하여 선정합니다만, 기존 활용할 수 있는 배관 경 선정표들을 이용하면 됩니다.
관련 해당 배관의 물의 양을 근거로 유속을 적용하면, 개략적인 배관경을 계산 할수 있습니다. Q=A*V 로Q는 물의 시간당 흐르는 양이며(m3/HR), A 는 관의 단면적(ΠD2/4)을 적용하고,해당 V 값은 유속으로 1.5m/sec 기준으로 적용하면, 결국 얻게 되는 A 값속의 “D” 가 우리가 얻고자 하 는 배관경이 됩니다. 배관경은 기성제품이 생산 됨으로, 해당 검토시 기성 제품 (15,20,25,32,40,50,65,80,100,125,150- 200,250,300 등) 으로 근사치 값을 활용 하게 됩니다.
3. 냉각수,냉수,온수 배관의 관경 결정 냉,온수 시스템상의 배관경 선정 기준은 보통 30~100mmAq/M 로 마찰 손실값이 적용되고 , 최대 유속측면에서 보면 냉각수의 경우 2.3M/SEC 이하 , 냉온수 배관의 경우 3.0M/SEC 이하 , 냉각수 용 헤더를 설치했다면 1M/SEC 이하(분지관의 경우 2M/SEC 이하)로 적용합니다. 유속과 유량과 배 관경,배관마찰 손실값은 서로 유기적으로 변화가 발생하므로 실제 관경 선정시 유량기준으로 시작 하여 유속 및 배관 마찰 손실이 어느 정도인지를 확인할 필요가 있습니다. 이들에 대한 값들은 일반 설비교재에는 배관의 종류에 따라서 대부분 그림,표로 자세히 찾아 볼 수 있는 자료가 있으니 찾아 보시기 바랍니다.
결론 : 대부분의 관경 결정시 상기의 운전경비, 건물의 운전시간, 초기 투자경비 ,배관의 소음, 배관의 부 식문제 , 배관의 수충격등에 대한 사항등이 검토되기 힘든 상태로 진행이 되곤 합니다. 중요한 것 은 설계 이후의 최종 검토 단계든 시공전 검토단계든 기술적인 검토는 항시 필요하다는 인식을 가 져야 한다는 것입니다. 이외에 대체로 보편 타당한 값을, 쉽게 관경을 선정할 필요가 있을 경우 20~30 mmAq/M 의 마찰손실 값 및 유속은 1.5M/SEC ~ 2.5M/SEC 정도로 하라고 추천 하고 싶 습니다. 하지만 항상 이 관경이 최선은 아닌 경우는 있을 수있습니다. 그 해당 건물의, 설비의 특 성에 따른 최적이 기술자의 능력이라고 판단 됩니다. 어떤 하나의 건물을 두고 동일한 시스템임에도 불구하고, 1 명의 엔지니어를 통한 배관경은 200mm 가 적용되나, 다른 1명의 엔지니어는 100m로 배관경이 2배가 차이나는 설계가 있습니다. 그 설계 배경엔, 운전비를 고려한 설계가 있고, 초기 투자비를 고려한 설계가 있을 수 있습니다. 그 배경을 이해하려는 노력과 해당 엔지니어의 설계 의지를 이해하는 것이 더 나은 엔지니어로서 의 역할 입니다.
설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) – 펌프3
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
의문 : 펌프의 선정시 병렬로 혹은 직렬로 하는 경우는 어떤 목적이 있는지 ? 단순히 유량대비 댓수로 병 렬 분할해도 별 문제가 없는것인가? 직렬로 하면 양정이 곱하기 2 배인가? 그럴 것이다라고 쉽게 생각할수도 있지 않을까?
- 펌프2대를 유량기준으로 나누기 2 해서 선정할 경우 설계자들도 보통은 별 신경을 쓰지 않는 걍 우가 많습니다. 이는 분명 시스템 상의 최대 부하 또는 최대용량이 필요한 시점에서는 그 용량이 처음 계산할 때와는 달리 부족하게 됩니다. 이는 1 대로 가능한 유량이 100 일때 2 대일때는 200 이 되질 않는다는 이야기 입니다. 왜냐하면 1 대일때 보다 2 대로 병렬 운전할때의 양정에 대한 배관 손실 저항이 증가하여 유량이 2 배에 못 미치게 된다는 것입니다. 그래서 유량 부족이 발생 할수 있다는 것을 반드시 인식하고 있어야 하며, 펌프 선정을 의뢰시 총유량이 얼만데 , 2 대로 병렬 운전을 하고자 한다는 의사를 펌프 선정 의뢰회사에 분명히 밝혀야 할 필요가 있다. 만약에 직접 선정 코자 한다면 해당 제작사 펌프의 성능곡선에 대한 이해가 우선 필요하고 , 이런 일이 불편하다면 다소 여유있게 해 둘 필요가 있다. 물론 부하를 100% 다 사용하여 병렬 운전되는 경 우의 수가 시스템 설계 당시부터 작기 때문에 , 또는 달리 표현하면 늘 안전율이 적용된 설계가 되고 있기 때문에 별 무리없어 보일뿐이지, 실제 최대값의 부하발생의 경우라면 부하처리가 100% 안 된다는 이야기 입니다. 어찌보면 펌프를 병렬로 할 때 다소 큰 유량을 선정하는 것이 바람직 한지 , 설계 초기부터의 안전율 적용으로 부하계산한 것이 바람직한 것인지는 의문 스럽지만 중 요한 것은 가장 경제적인 설계 원칙을 찾아야 한다는 것입니다.
- 또 직렬도 마찬가지로 양정이 2 배로 증가하지 않는 다는 점을 인지할 필요가 있습니다. 1 대의 양정특성 곡선과 2대의 양정 특성곡선이 서로 배관 손실 저항의 영향이 있어 양정이 2배보다 줄 어든 점입니다. 결론적으로 말한다면 병렬이든 직렬이든 2 대일때의 유량과 양정은 그 시스템에 서 1대를 기준으로 가능한 유량,양정만큼의 유량,양정처럼 2배로 확보되지 않는다는 것입니다.병 렬유량이 1 대기준이 100 이라면 두대로 가동하면 시스템 특성에 따라서 70~80 정도(1대기준)밖 에 안 나오며 2 대를 합한 유량은 140~160 정도밖에 안된다는 것이며, 직렬인 경우 양정이 1 대 가 50이더라도 두대를 동시에 가동할 경우 35~40 정도(1대기준)밖에 안된다. 2대를 합치면 100 이 되어야 하겠지만 70~80 정도 밖에 안나온다는 이야기 입니다. 물론 상기 수치들은 시스템상의 운전 특성에 따라 그 정도는 달라지는 것입니다.즉 이는 일정한 증가율이 있지는 않고 배관 양정 특성에 따라 다 다르다는 의미입니다.
- 어찌되었던 병렬은 유량을 증가시킬 필요가 있을 때 적용하고 직렬은 양정을 증가시키고자 할 때 적용하는 시스템입니. 병렬운전은 냉온수 시스템의 댓수제어나 비상시 대유량의 펌핑이 필요 한경우(예로 배수용 펌프등의 경우) 적용하면 나름대로 적절하며 , 직렬은 소유량이지만 양정이 많이 높을 경우나 부스터 펌프를 두어야 할 경우등에서는 장점을 가진다고 볼 수 있습니다 . 직 렬배관에서는 2차측의 펌프의 경우 내압허용한도도 검토해 볼 필요가 있다. 즉 1 차 펌프의 압력 이 그대로 2차 펌프에 영향을 주고 있으니까 말입니다. 직렬로 하면 유량은 동일하고, 병렬로 하 면 양정은 동일하다고 보면 일반적으로 무리가 없습니다.
의문 : 펌프의 유효흡입수두라는 용어는 어떤 의미인가? 흡입이 필요한 펌프의 흡입불능이 왜 생기는가? 빨아들이지 못하면 뱉어 낼 수도 없지 않은가?
- 음료수를 스트로로 빨아 들일 때 빨대끝이 음료수안에 잠기지 않고 약 절반이 공기와 접촉해서 빨리고 있다면 만족스럽지 않은 빨대속의 음료수 양이 느껴진 경험이 있으시지요? 빙수 혹은 얼 음이 든 음료수을 먹을때도 마찬가지로 빨대끝이 완전히 음료수와 접하지 못하는 상태에 동일한 현상이 발생합니다.빨대속의 공기의 압력상태는 대기압이하, 즉 진공상태로 흡입이 유도 되는 것 입니다. 이는 펌프의 유효흡입양정을 이해할수 있는 기초 개념의 출발입니다.공기가 흡입된 빨대 안의 음료수는 빨기도 어렵겠지만 양도 적습니다. 우 - 급수펌프나 냉온수 순환펌프 혹은 냉각수 순환펌프의 흡입측에는 이와 비슷한 성격의 상태가 발 생할 경우 흡입이 안되는 것입니다. 펌프 제작사가 제공하는 각 펌프별로의 흡입측의 압력이 있 고 , 건물의 시스템별로 해당 펌프의 흡입측에 필요한 압력이 있는데 , 흡입수두(NPSH: net positive suction head) 라고 합니다만, 이 흡입수두는 이 펌프를 사용하려면 펌프의 흡입측에 이 정도의 압력이 필요한데 이 것을 만족하지 않으면 펌프 시스템과 상관 없이 최소한 흡입능력이 상실된다는 의미입니다.근데 펌프가 출고될 때는 이 흡입 수두가 정해져서 생 산되는데 이걸 시스템에 반영하게 되면 배관 마찰이나 유체의 종류,온도에 따른 압력 변동이 생 겨 추가 소요되는 ,즉 진실로 필요한 흡입수두값은 증가 하는것입니다. 그래서 펌프를 시스템에 반영할때는 펌프 고유의 흡입수두에 비해 실제 흡입수두가 약 1.3배 이상의 여유가 있어야 한다 는 것이 통론입니다. 다시 돌아가서 빨대에는 진공이 생겨 흡입이 생기는데 만약에 이 진공이 깨지고 공기가 빨려 들 어 온다면 흡입능력이 상실된다는 것인데,그럼 펌프는 왜? 펌프의 흡입측의 배관에 공기가 빨려 들어오도록 설계는 안하죠, 그럴일도 사실 별로 없지만요, 당연합니다, 하지만 흡입되는 배관안에 서 공기가 생겨버리면, 다시 말해보면 물속에 포함된 공기가 유체 압력의 포화증기압 이하 상태 {물의 증기압, 100C 유체온도라면 10332mmH2O 일때는 끓습니다. 즉 대기압상태이지요,유체온 도가 0C 일때는 61mmH2O 가 되면 끓게 됩니다. 진공상태입니다. 그 유체온도의 증기압과 밀도 에 의해서 수두(포화증기압수두)로 환산이 가능하지요. [Pv / r , 증기압/밀도=수두] , 온도가 높은 유체일수록 증발이 쉽게 발생한다는 의미.} 로 되어서 기체화 된다면?즉 전에도 말씀드린적이 있 지만 진공상태 혹은 포화증기압이하상태에서의 유체에 썩여있는 공기가 흡입되는 유체속에 포함된다면(이경우 전문용어로는 펌프 캐비테이션(CABITATION)이 발생했다고 합니다.) 흡입되는 펌프 에 양수 불능 혹은 흡입 불능을 초래할수 있다는 것입니다. 즉 빨대에는 공기가 외부에서 들어오 지만, 펌프속의 유체는 자체 공급될수도 있다는 이야기 입니다. 효과는 동일하죠? 압력이 변동되 는 과정에서 유체의 증발현상이 생기지 않도록 어느정도의 압력을 가해줄 필요가 있는데(즉 압 력이 있는 상태에서는 액체에서 기체화 되기 힘든상태가 인위적으로 만들어 진다는 의미) 그 압 력이 시스템상에서 흡입수두라고 표현하는것입니다.그러면 일반적으로 배관 시스템 상에서의 그 계산 공식은 아래와 같습니다.
Pa /r1 - Pv/r2 - Ha – Hf = Hav(유효흡입수두)
Pa = 대기압(10.332m) r1 : 밀도(1.0) : Pv = 증기압(해당유체,해당온도) , r2 : 밀도(해당유체,해당온도) =표에서 찿아 볼 필요 : Ha = 수두(m) (펌프흡입인경우 – 적용,압입인경우 + 적용) : Hf = 마찰저항 손실수두(m)
- 여기서 나온 Hav 값이 실제 펌프 고유의 Hre 보다 1.3배 이상이 확보 되도록 할 필요가 있 습니다. 그렇지 않으면 양수불능이 될수 있다는 의미입니다. 펌프는 흡입측의 상기 수두를 확보하기 위하여 가급적 흡입마찰 손실 수두가 작게 될수 있 도록 설계하여야 하고 , 고온의 유체일경우는 반드시 검토가 필요한 경우가 많고,때로는 고 온유체의 경우는 흡입불능의 경우가 많습니다. 유체가 펌프의 상부에서 압입상태로 흡입될수 있도록 가급적 배관을 꾸밀 필요가 있습니다. 펌프 SUCTION 측의 배관은 편흡입보다는 양 흡입측이 유리하고 , 흡입배관경이 토출배관경보다 보통 1단계 큰 사이즈로 배관이 되고, 흡 입배관의 길이는 가급적 짧게 유지하도록 하며, 1대의 큰 펌프보다는 병렬로 2대이상유지 하 는경우가 많습니다. 상기의 원론적인 문제가 해결되지 않은 시스템의 경우 흡입 불능이외에 양수 불량, 유체에 포함된 공기의 펌프 임펠러 출구에서 고압에서 다시 액체화 되는 과정에서의 WATER HAMMER 의 발생, 배관내의 SCALE 문제 , 배관 침식 및 배관내의 수명단축등 매우 많은 공 기로 인한 문제점 및 유체이송상의 문제등과 함께 수명단축의 원인 제공의 하나가 됩니다
(Understanding of Hydronic System) – 펌프3
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
의문 : 펌프의 선정시 병렬로 혹은 직렬로 하는 경우는 어떤 목적이 있는지 ? 단순히 유량대비 댓수로 병 렬 분할해도 별 문제가 없는것인가? 직렬로 하면 양정이 곱하기 2 배인가? 그럴 것이다라고 쉽게 생각할수도 있지 않을까?
- 펌프2대를 유량기준으로 나누기 2 해서 선정할 경우 설계자들도 보통은 별 신경을 쓰지 않는 걍 우가 많습니다. 이는 분명 시스템 상의 최대 부하 또는 최대용량이 필요한 시점에서는 그 용량이 처음 계산할 때와는 달리 부족하게 됩니다. 이는 1 대로 가능한 유량이 100 일때 2 대일때는 200 이 되질 않는다는 이야기 입니다. 왜냐하면 1 대일때 보다 2 대로 병렬 운전할때의 양정에 대한 배관 손실 저항이 증가하여 유량이 2 배에 못 미치게 된다는 것입니다. 그래서 유량 부족이 발생 할수 있다는 것을 반드시 인식하고 있어야 하며, 펌프 선정을 의뢰시 총유량이 얼만데 , 2 대로 병렬 운전을 하고자 한다는 의사를 펌프 선정 의뢰회사에 분명히 밝혀야 할 필요가 있다. 만약에 직접 선정 코자 한다면 해당 제작사 펌프의 성능곡선에 대한 이해가 우선 필요하고 , 이런 일이 불편하다면 다소 여유있게 해 둘 필요가 있다. 물론 부하를 100% 다 사용하여 병렬 운전되는 경 우의 수가 시스템 설계 당시부터 작기 때문에 , 또는 달리 표현하면 늘 안전율이 적용된 설계가 되고 있기 때문에 별 무리없어 보일뿐이지, 실제 최대값의 부하발생의 경우라면 부하처리가 100% 안 된다는 이야기 입니다. 어찌보면 펌프를 병렬로 할 때 다소 큰 유량을 선정하는 것이 바람직 한지 , 설계 초기부터의 안전율 적용으로 부하계산한 것이 바람직한 것인지는 의문 스럽지만 중 요한 것은 가장 경제적인 설계 원칙을 찾아야 한다는 것입니다.
- 또 직렬도 마찬가지로 양정이 2 배로 증가하지 않는 다는 점을 인지할 필요가 있습니다. 1 대의 양정특성 곡선과 2대의 양정 특성곡선이 서로 배관 손실 저항의 영향이 있어 양정이 2배보다 줄 어든 점입니다. 결론적으로 말한다면 병렬이든 직렬이든 2 대일때의 유량과 양정은 그 시스템에 서 1대를 기준으로 가능한 유량,양정만큼의 유량,양정처럼 2배로 확보되지 않는다는 것입니다.병 렬유량이 1 대기준이 100 이라면 두대로 가동하면 시스템 특성에 따라서 70~80 정도(1대기준)밖 에 안 나오며 2 대를 합한 유량은 140~160 정도밖에 안된다는 것이며, 직렬인 경우 양정이 1 대 가 50이더라도 두대를 동시에 가동할 경우 35~40 정도(1대기준)밖에 안된다. 2대를 합치면 100 이 되어야 하겠지만 70~80 정도 밖에 안나온다는 이야기 입니다. 물론 상기 수치들은 시스템상의 운전 특성에 따라 그 정도는 달라지는 것입니다.즉 이는 일정한 증가율이 있지는 않고 배관 양정 특성에 따라 다 다르다는 의미입니다.
- 어찌되었던 병렬은 유량을 증가시킬 필요가 있을 때 적용하고 직렬은 양정을 증가시키고자 할 때 적용하는 시스템입니. 병렬운전은 냉온수 시스템의 댓수제어나 비상시 대유량의 펌핑이 필요 한경우(예로 배수용 펌프등의 경우) 적용하면 나름대로 적절하며 , 직렬은 소유량이지만 양정이 많이 높을 경우나 부스터 펌프를 두어야 할 경우등에서는 장점을 가진다고 볼 수 있습니다 . 직 렬배관에서는 2차측의 펌프의 경우 내압허용한도도 검토해 볼 필요가 있다. 즉 1 차 펌프의 압력 이 그대로 2차 펌프에 영향을 주고 있으니까 말입니다. 직렬로 하면 유량은 동일하고, 병렬로 하 면 양정은 동일하다고 보면 일반적으로 무리가 없습니다.
의문 : 펌프의 유효흡입수두라는 용어는 어떤 의미인가? 흡입이 필요한 펌프의 흡입불능이 왜 생기는가? 빨아들이지 못하면 뱉어 낼 수도 없지 않은가?
- 음료수를 스트로로 빨아 들일 때 빨대끝이 음료수안에 잠기지 않고 약 절반이 공기와 접촉해서 빨리고 있다면 만족스럽지 않은 빨대속의 음료수 양이 느껴진 경험이 있으시지요? 빙수 혹은 얼 음이 든 음료수을 먹을때도 마찬가지로 빨대끝이 완전히 음료수와 접하지 못하는 상태에 동일한 현상이 발생합니다.빨대속의 공기의 압력상태는 대기압이하, 즉 진공상태로 흡입이 유도 되는 것 입니다. 이는 펌프의 유효흡입양정을 이해할수 있는 기초 개념의 출발입니다.공기가 흡입된 빨대 안의 음료수는 빨기도 어렵겠지만 양도 적습니다. 우 - 급수펌프나 냉온수 순환펌프 혹은 냉각수 순환펌프의 흡입측에는 이와 비슷한 성격의 상태가 발 생할 경우 흡입이 안되는 것입니다. 펌프 제작사가 제공하는 각 펌프별로의 흡입측의 압력이 있 고 , 건물의 시스템별로 해당 펌프의 흡입측에 필요한 압력이 있는데 , 흡입수두(NPSH: net positive suction head) 라고 합니다만, 이 흡입수두는 이 펌프를 사용하려면 펌프의 흡입측에 이 정도의 압력이 필요한데 이 것을 만족하지 않으면 펌프 시스템과 상관 없이 최소한 흡입능력이 상실된다는 의미입니다.근데 펌프가 출고될 때는 이 흡입 수두가 정해져서 생 산되는데 이걸 시스템에 반영하게 되면 배관 마찰이나 유체의 종류,온도에 따른 압력 변동이 생 겨 추가 소요되는 ,즉 진실로 필요한 흡입수두값은 증가 하는것입니다. 그래서 펌프를 시스템에 반영할때는 펌프 고유의 흡입수두에 비해 실제 흡입수두가 약 1.3배 이상의 여유가 있어야 한다 는 것이 통론입니다. 다시 돌아가서 빨대에는 진공이 생겨 흡입이 생기는데 만약에 이 진공이 깨지고 공기가 빨려 들 어 온다면 흡입능력이 상실된다는 것인데,그럼 펌프는 왜? 펌프의 흡입측의 배관에 공기가 빨려 들어오도록 설계는 안하죠, 그럴일도 사실 별로 없지만요, 당연합니다, 하지만 흡입되는 배관안에 서 공기가 생겨버리면, 다시 말해보면 물속에 포함된 공기가 유체 압력의 포화증기압 이하 상태 {물의 증기압, 100C 유체온도라면 10332mmH2O 일때는 끓습니다. 즉 대기압상태이지요,유체온 도가 0C 일때는 61mmH2O 가 되면 끓게 됩니다. 진공상태입니다. 그 유체온도의 증기압과 밀도 에 의해서 수두(포화증기압수두)로 환산이 가능하지요. [Pv / r , 증기압/밀도=수두] , 온도가 높은 유체일수록 증발이 쉽게 발생한다는 의미.} 로 되어서 기체화 된다면?즉 전에도 말씀드린적이 있 지만 진공상태 혹은 포화증기압이하상태에서의 유체에 썩여있는 공기가 흡입되는 유체속에 포함된다면(이경우 전문용어로는 펌프 캐비테이션(CABITATION)이 발생했다고 합니다.) 흡입되는 펌프 에 양수 불능 혹은 흡입 불능을 초래할수 있다는 것입니다. 즉 빨대에는 공기가 외부에서 들어오 지만, 펌프속의 유체는 자체 공급될수도 있다는 이야기 입니다. 효과는 동일하죠? 압력이 변동되 는 과정에서 유체의 증발현상이 생기지 않도록 어느정도의 압력을 가해줄 필요가 있는데(즉 압 력이 있는 상태에서는 액체에서 기체화 되기 힘든상태가 인위적으로 만들어 진다는 의미) 그 압 력이 시스템상에서 흡입수두라고 표현하는것입니다.그러면 일반적으로 배관 시스템 상에서의 그 계산 공식은 아래와 같습니다.
Pa /r1 - Pv/r2 - Ha – Hf = Hav(유효흡입수두)
Pa = 대기압(10.332m) r1 : 밀도(1.0) : Pv = 증기압(해당유체,해당온도) , r2 : 밀도(해당유체,해당온도) =표에서 찿아 볼 필요 : Ha = 수두(m) (펌프흡입인경우 – 적용,압입인경우 + 적용) : Hf = 마찰저항 손실수두(m)
- 여기서 나온 Hav 값이 실제 펌프 고유의 Hre 보다 1.3배 이상이 확보 되도록 할 필요가 있 습니다. 그렇지 않으면 양수불능이 될수 있다는 의미입니다. 펌프는 흡입측의 상기 수두를 확보하기 위하여 가급적 흡입마찰 손실 수두가 작게 될수 있 도록 설계하여야 하고 , 고온의 유체일경우는 반드시 검토가 필요한 경우가 많고,때로는 고 온유체의 경우는 흡입불능의 경우가 많습니다. 유체가 펌프의 상부에서 압입상태로 흡입될수 있도록 가급적 배관을 꾸밀 필요가 있습니다. 펌프 SUCTION 측의 배관은 편흡입보다는 양 흡입측이 유리하고 , 흡입배관경이 토출배관경보다 보통 1단계 큰 사이즈로 배관이 되고, 흡 입배관의 길이는 가급적 짧게 유지하도록 하며, 1대의 큰 펌프보다는 병렬로 2대이상유지 하 는경우가 많습니다. 상기의 원론적인 문제가 해결되지 않은 시스템의 경우 흡입 불능이외에 양수 불량, 유체에 포함된 공기의 펌프 임펠러 출구에서 고압에서 다시 액체화 되는 과정에서의 WATER HAMMER 의 발생, 배관내의 SCALE 문제 , 배관 침식 및 배관내의 수명단축등 매우 많은 공 기로 인한 문제점 및 유체이송상의 문제등과 함께 수명단축의 원인 제공의 하나가 됩니다
설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) – 펌프2
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
의문 : 펌프의 회전수제어는 무슨말인가, inverter control ? (인버터 콘트롤)
- 펌프의 유량선정에 대해서는 펌프 1 에서 먼저 이야기 되었지만, 만약에 동절기에 난방순환펌프의 유량을 한밤중에 추울 때 필요한 유량과, 낮시간에 덜 추울 때 필요유량에 따라서 펌프운전을 구분한다 고 설계자가 의도한다면 , 이는 필요할 때 필요한 양을 공급하게 함으로써 , 운전 최적화 혹은 펌프 관련 동력비를 절감하려는 의도에서의 출발이라고 볼 수 있습니다. - 건물 유지관리 경비에서 가장 큰 비용이 드는 부분이 바로 전기료(실제 백화점의 총 시설유지관리비 용을 보면 전기료가 전체 사용 운전비의약 70%에 이른다)이고 이를 절감하는 것이 일반HVAC(냉난방 분야, HEATING VENTILATION AIR CONDITIONING 분야에서의 절약효과는 매우 큽니다.그래서 부분 부 하 혹은 저부하(최고 부하의 냉난방 용량,혹은 급수 용량등에 비해서 )운전의 가능성이 있는 펌프운전 을 위해서(최초 설계자가 어느정도 그 건물의 부하에 대한 성격을 판단 한상태입니다.예로들면 24 시 간용과 8 시간용,간헐운전용,온도차가 다른 용도등으로 죤을 구분하면 이에 맞는 부분부하 성격의 운 전이 가능토록 시스템을 구성한다) 펌프 댓수를 나누어서 (즉 병렬운전을 한다는 얘기)부하에 적절한 유량만큼 조정 운전 하여는 것입니다. 즉 만약 냉동기가 가동되고 이와 연동하여 냉수 순환펌프가 운 전되는 경우, 필요한 부하만큼만 가동 되는 것입니다. 보일러도 마찬가지 입니다.온수 순환 펌프의 운 전과 연동되어 시스템이 구성될 수도 있는 것입니다. 물론 난방용 열교환기를 거친 온수 순환 펌프를 말합니다. - 병렬로 펌프가 설치운전 된다는 에너지 절약의 방법인데 이것도 모자라서 1대만의 펌프가 유량과 양 정이 결정되어 있는 상태에서, 더 많은 에너지 절약을 해 보겠다는 의도로 시작된 것이 회전수 제어 입닏다. 영어로 INVERTER CONTROL SYSTEM 이라고 합니다. 회전수(펌프의 날개 회전수 , 단위: RPM) 를 줄이면 동력이 엄청나게(이론상으로 회전수가 1/2 이되면 동력은 1/8 이 된다) 줄기 때문에 많이들 적용하려고 합니다. 펌프의 상사법칙이라고, 펌프에는 유량,양정,동력이 펌프의 회전수와 일정한 규칙 을 가지는 성격이 있는데 예로 회전수 3500RPM(분당 3500번 회전) 인 펌프의 유량이 1000LPM,양정 이 50M, 동력이 10KW 라고 할 때 회전수를 1750RPM(그러니까 1/2 로 줄이면)으로 조정하면 유량은 500LPM, 양정은 12.5M,동력은 1.25KW 로 변화 하게 됩니다. 즉 회전수의 변화에 유량은 비례, 양정은 제곱,동력은 세제곱으로 비례하여 변환 됩니다. 이는 동력면에서는 회전수 1/2 로의 감소는 동력이 1/8 이 될 수 있음을 의미하며, 이는 매우 큰 동력비 절감이 이루어 진다는 의미입니다. 일반 펌프의 동력 규모가 큰 경우에, 부하의 운전성격이 매우 다양하게 변화될 가능성이 있는 시스템 이라면 적용해볼 만한 가치가 충분히 있는 것 입니다. 근데 인버터 자체 적용가격이 고가라는 문제점 은 있으나, 최근의 인버터 투자비가 약 2~3 년 이내의 투자대비 회수가 가능한 시스템 적용 사례가 많습니다. 주위에서 많이 볼 수 있는 이런 류의 인버터 운용 펌프는 위생 급수용 부스터 방식의 경우에 대부분 에서 인버터가 적용되고 있는데, 이는 1차적으로 펌프로 3~4대로 댓수 분할하여 에너지 절감을 유도 하고, 그중1대의 펌프에는 인버터를 적용하여 또 한번 추가로 에너지를 절감하겠다는 의지인 것입니 다. 급수라는 것이 워낙 시간별로 사용량이 많은 변화를 하니까(한 밤중에 누가 샤워를 하더라도 펌 프는 운전을 해야한다면 매우 작은 유량만 필요하지 않겠습니까? 1000세대 아파트가 펌프 1세트(3대 병렬시스템)에서 공급하고 있다면..) 단순히 정속펌프나 단독운전(1 대)은 매우 큰 낭비가 아닌가 한다 는 것입니다. 근데 인버트의 운전은 압력센스에 의해 펌프 토출측의 정해놓은 압력에 따른 신호를 받아 압력이 떨 어지면(급수량이 많아지면 배관내의 압력이 떨어진다는 말) 펌프 1 대가 가동,더 떨어지면 펌프 2 대,또 더 떨어지면 3대등으로 우선 병렬운전을 하고, 압력이 상승하다, 정해놓은 압력까지 상승하면, 펌프가 모두 정지하게 됩니다.아니면 그 상태를 유지하고 있든가… 역방향으로도 순차적으로 정지하게 됩니 다. 이때 아주 미량의 급수가 사용되어 압력이 약간 떨어지면 인버터만으로 유량을 공급하도록 하는 것이 가능 합니다. 매우 간단한 이야기가 길어진 듯 하지만 이해하기에는 충분할 듯 싶습니다.
이외에 냉동기가 여러대 운전되고 이에 맞물린 냉각탑도 병렬로 여러대 운전되고 있는데 냉각탑 1대 에는 인버터용 냉각탑 팬을 적용해 놓으면, 냉각수 온도에 따른 냉각탑팬의 회전수제어를 병렬운전이 외의 추가적인 에너지 절감이 가능하다는 것이 실제로 설계시스템에서 적용되고 운전되고 있습니다 그러나 최적은 운전은 모든 냉각탑 팬을 동시에 인버터 제어 운전이 더 많은 에너지를 절약 하게 됩 니다. 또한 냉각탑팬의 인버터는 수압과 같은 압력이 아니라, 냉각수 온도에 따른 인버터 콘트롤 연 출로 판단 하게 됩니다. 한겨울에 냉방이 필요한 냉동기의 운전이 필요한 산업용공장, 항온항습건물, 클린룸 설비등에는 겨울 철 냉각탑의 팬 인버터 활용도는 더 높다고 볼 수 있습니다.
최근의 국내의 많은 비율의 냉,난방 순환 펌프의 경우, 변속 인버터 장치를 부착하여 건물 신축을 하 려 하고 있는데, 가장 중요한 것은 언제, 얼마만큼의 회전수제어를 어떤 종류의 부하 판단 센싱을 통 해서 할 것이냐가 설치 후 불필요한 장치 설치가 안되도록 하는 중요한 기술 기준이 되어야 합니다. 설치만 인버터로 해 두고 실제 현장의 역할이 없는 무용지물이 약 90% 수준을 넘습니다. 부하 추종성 제어를 위한 센싱 및 설정이 더 중요합니다. 또 인버터는 자동제어와의 연관성이 분명히 있다는 것도 알아야 합니다. 인버터 컨트롤은 회전수 변 화를 주파수 변조로 이루어 낸다는 것이고 , 회전수 N 은 [ N=120f / P ]의 공식에 의합니다. 여기서 f 는 주파수, P 는 극수. 이 정도로 펌프의 회전수 제어, 즉 인버터 콘트롤은 마감해도 될 것 같습니다. 혹시 이하 펌프의 상사법칙에서 나온 내용과 같이, 수배관 분야에서 많이 접하는
유량(Q)^2 과P(압력차)는 비례, 이라는 공식은 조금전에 얘기된 유량,양정,동력의 회전수와의 관계에서 유추되어 나올 수 있음 을 알수 있습니다.
즉 유량 Q, 양정 H , 동력 L , 회전수 N 이라고 할 때
(N1/N2)@ (Q1/Q2)
(H1/H2) ^2(제곱)
(L1/L2) ^3(세제곱) 의 상사칙. *** @ 비례개념기호로 사용했음.***
여기서 양정 H 는 압력 P 와 같은 개념으로 정리되어 상기의 공식이 , Q= kv√(ΔP)와 맞물립니다.
이 공식은 배관 설계에 연관되어 두 점사이에 압력차가 클수록 유량은 제곱에 비례하여 같이 크진다는 의미이며, 배관 마찰이 크면 클수록 유량이 제곱에 비례하여 준다는 의미이기도 합니다. 이는 HYDRONIC SYSTEM 의 배관경 설계기준이 되는 20~30mmAq/M 기준의 한 몫을 하기도 하고, Q=AV (연속의 법칙,연 속 방정식)의 공식과 함께 설비측에서의 기본개념을 이해할 필요가 있는 엔지니어 및 학생들에게 매우 간단하면서도 중요한 이론의 기본이 라고 말할수 있습니다.
(Understanding of Hydronic System) – 펌프2
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
의문 : 펌프의 회전수제어는 무슨말인가, inverter control ? (인버터 콘트롤)
- 펌프의 유량선정에 대해서는 펌프 1 에서 먼저 이야기 되었지만, 만약에 동절기에 난방순환펌프의 유량을 한밤중에 추울 때 필요한 유량과, 낮시간에 덜 추울 때 필요유량에 따라서 펌프운전을 구분한다 고 설계자가 의도한다면 , 이는 필요할 때 필요한 양을 공급하게 함으로써 , 운전 최적화 혹은 펌프 관련 동력비를 절감하려는 의도에서의 출발이라고 볼 수 있습니다. - 건물 유지관리 경비에서 가장 큰 비용이 드는 부분이 바로 전기료(실제 백화점의 총 시설유지관리비 용을 보면 전기료가 전체 사용 운전비의약 70%에 이른다)이고 이를 절감하는 것이 일반HVAC(냉난방 분야, HEATING VENTILATION AIR CONDITIONING 분야에서의 절약효과는 매우 큽니다.그래서 부분 부 하 혹은 저부하(최고 부하의 냉난방 용량,혹은 급수 용량등에 비해서 )운전의 가능성이 있는 펌프운전 을 위해서(최초 설계자가 어느정도 그 건물의 부하에 대한 성격을 판단 한상태입니다.예로들면 24 시 간용과 8 시간용,간헐운전용,온도차가 다른 용도등으로 죤을 구분하면 이에 맞는 부분부하 성격의 운 전이 가능토록 시스템을 구성한다) 펌프 댓수를 나누어서 (즉 병렬운전을 한다는 얘기)부하에 적절한 유량만큼 조정 운전 하여는 것입니다. 즉 만약 냉동기가 가동되고 이와 연동하여 냉수 순환펌프가 운 전되는 경우, 필요한 부하만큼만 가동 되는 것입니다. 보일러도 마찬가지 입니다.온수 순환 펌프의 운 전과 연동되어 시스템이 구성될 수도 있는 것입니다. 물론 난방용 열교환기를 거친 온수 순환 펌프를 말합니다. - 병렬로 펌프가 설치운전 된다는 에너지 절약의 방법인데 이것도 모자라서 1대만의 펌프가 유량과 양 정이 결정되어 있는 상태에서, 더 많은 에너지 절약을 해 보겠다는 의도로 시작된 것이 회전수 제어 입닏다. 영어로 INVERTER CONTROL SYSTEM 이라고 합니다. 회전수(펌프의 날개 회전수 , 단위: RPM) 를 줄이면 동력이 엄청나게(이론상으로 회전수가 1/2 이되면 동력은 1/8 이 된다) 줄기 때문에 많이들 적용하려고 합니다. 펌프의 상사법칙이라고, 펌프에는 유량,양정,동력이 펌프의 회전수와 일정한 규칙 을 가지는 성격이 있는데 예로 회전수 3500RPM(분당 3500번 회전) 인 펌프의 유량이 1000LPM,양정 이 50M, 동력이 10KW 라고 할 때 회전수를 1750RPM(그러니까 1/2 로 줄이면)으로 조정하면 유량은 500LPM, 양정은 12.5M,동력은 1.25KW 로 변화 하게 됩니다. 즉 회전수의 변화에 유량은 비례, 양정은 제곱,동력은 세제곱으로 비례하여 변환 됩니다. 이는 동력면에서는 회전수 1/2 로의 감소는 동력이 1/8 이 될 수 있음을 의미하며, 이는 매우 큰 동력비 절감이 이루어 진다는 의미입니다. 일반 펌프의 동력 규모가 큰 경우에, 부하의 운전성격이 매우 다양하게 변화될 가능성이 있는 시스템 이라면 적용해볼 만한 가치가 충분히 있는 것 입니다. 근데 인버터 자체 적용가격이 고가라는 문제점 은 있으나, 최근의 인버터 투자비가 약 2~3 년 이내의 투자대비 회수가 가능한 시스템 적용 사례가 많습니다. 주위에서 많이 볼 수 있는 이런 류의 인버터 운용 펌프는 위생 급수용 부스터 방식의 경우에 대부분 에서 인버터가 적용되고 있는데, 이는 1차적으로 펌프로 3~4대로 댓수 분할하여 에너지 절감을 유도 하고, 그중1대의 펌프에는 인버터를 적용하여 또 한번 추가로 에너지를 절감하겠다는 의지인 것입니 다. 급수라는 것이 워낙 시간별로 사용량이 많은 변화를 하니까(한 밤중에 누가 샤워를 하더라도 펌 프는 운전을 해야한다면 매우 작은 유량만 필요하지 않겠습니까? 1000세대 아파트가 펌프 1세트(3대 병렬시스템)에서 공급하고 있다면..) 단순히 정속펌프나 단독운전(1 대)은 매우 큰 낭비가 아닌가 한다 는 것입니다. 근데 인버트의 운전은 압력센스에 의해 펌프 토출측의 정해놓은 압력에 따른 신호를 받아 압력이 떨 어지면(급수량이 많아지면 배관내의 압력이 떨어진다는 말) 펌프 1 대가 가동,더 떨어지면 펌프 2 대,또 더 떨어지면 3대등으로 우선 병렬운전을 하고, 압력이 상승하다, 정해놓은 압력까지 상승하면, 펌프가 모두 정지하게 됩니다.아니면 그 상태를 유지하고 있든가… 역방향으로도 순차적으로 정지하게 됩니 다. 이때 아주 미량의 급수가 사용되어 압력이 약간 떨어지면 인버터만으로 유량을 공급하도록 하는 것이 가능 합니다. 매우 간단한 이야기가 길어진 듯 하지만 이해하기에는 충분할 듯 싶습니다.
이외에 냉동기가 여러대 운전되고 이에 맞물린 냉각탑도 병렬로 여러대 운전되고 있는데 냉각탑 1대 에는 인버터용 냉각탑 팬을 적용해 놓으면, 냉각수 온도에 따른 냉각탑팬의 회전수제어를 병렬운전이 외의 추가적인 에너지 절감이 가능하다는 것이 실제로 설계시스템에서 적용되고 운전되고 있습니다 그러나 최적은 운전은 모든 냉각탑 팬을 동시에 인버터 제어 운전이 더 많은 에너지를 절약 하게 됩 니다. 또한 냉각탑팬의 인버터는 수압과 같은 압력이 아니라, 냉각수 온도에 따른 인버터 콘트롤 연 출로 판단 하게 됩니다. 한겨울에 냉방이 필요한 냉동기의 운전이 필요한 산업용공장, 항온항습건물, 클린룸 설비등에는 겨울 철 냉각탑의 팬 인버터 활용도는 더 높다고 볼 수 있습니다.
최근의 국내의 많은 비율의 냉,난방 순환 펌프의 경우, 변속 인버터 장치를 부착하여 건물 신축을 하 려 하고 있는데, 가장 중요한 것은 언제, 얼마만큼의 회전수제어를 어떤 종류의 부하 판단 센싱을 통 해서 할 것이냐가 설치 후 불필요한 장치 설치가 안되도록 하는 중요한 기술 기준이 되어야 합니다. 설치만 인버터로 해 두고 실제 현장의 역할이 없는 무용지물이 약 90% 수준을 넘습니다. 부하 추종성 제어를 위한 센싱 및 설정이 더 중요합니다. 또 인버터는 자동제어와의 연관성이 분명히 있다는 것도 알아야 합니다. 인버터 컨트롤은 회전수 변 화를 주파수 변조로 이루어 낸다는 것이고 , 회전수 N 은 [ N=120f / P ]의 공식에 의합니다. 여기서 f 는 주파수, P 는 극수. 이 정도로 펌프의 회전수 제어, 즉 인버터 콘트롤은 마감해도 될 것 같습니다. 혹시 이하 펌프의 상사법칙에서 나온 내용과 같이, 수배관 분야에서 많이 접하는
유량(Q)^2 과P(압력차)는 비례, 이라는 공식은 조금전에 얘기된 유량,양정,동력의 회전수와의 관계에서 유추되어 나올 수 있음 을 알수 있습니다.
즉 유량 Q, 양정 H , 동력 L , 회전수 N 이라고 할 때
(N1/N2)@ (Q1/Q2)
(H1/H2) ^2(제곱)
(L1/L2) ^3(세제곱) 의 상사칙. *** @ 비례개념기호로 사용했음.***
여기서 양정 H 는 압력 P 와 같은 개념으로 정리되어 상기의 공식이 , Q= kv√(ΔP)와 맞물립니다.
이 공식은 배관 설계에 연관되어 두 점사이에 압력차가 클수록 유량은 제곱에 비례하여 같이 크진다는 의미이며, 배관 마찰이 크면 클수록 유량이 제곱에 비례하여 준다는 의미이기도 합니다. 이는 HYDRONIC SYSTEM 의 배관경 설계기준이 되는 20~30mmAq/M 기준의 한 몫을 하기도 하고, Q=AV (연속의 법칙,연 속 방정식)의 공식과 함께 설비측에서의 기본개념을 이해할 필요가 있는 엔지니어 및 학생들에게 매우 간단하면서도 중요한 이론의 기본이 라고 말할수 있습니다.
설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) – 펌프
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
의문 : 펌프를 포함 한 지역난방 열교환 설비 패키지 장비가,많은 회사에서 생산 판매 되고 있습니다. 헷더간의 차압밸브 설정시에는 펌프양정이 필요합니다.또 회전수 제어(SPEED control, inverter control)란 용어는? 혹은 펌프의 유효흡입수두(NPSH :net positive suction head)는? 펌프의 선정은 ? 펌프에 대한 궁금증은 없어도 별로 아는것도 없다는 현실에 대해 답을 만들어 보 겠습니다.
- 펌프를 설비시스템에서 빼버리고 ,아니 잊어버리고 얘기한다면 심장없는 인체와 같습니다.누가 굳이 설비를 하면서 따지고 들지 않는다면 별 무리없이 지낼 수 있읍니다만, 설계사에서의 설계 도면을 보든, 현장 영업하는 경우든, 현장에서의 물 관련 운전 및 관리감독을 하든, 간혹 알 수 없는 용어 의 사용이 마음 한 구석에 찝찝하게 남아있었던 경험이 있을 듯 합니다. 개략적으로나마 한번 알아 보겠습니다.
- 펌프의 종류는 다양하고 액체(간혹 기체용 펌프도 있음: 진공펌프)유체의 경우에 한해서 언급할라 치 면 한 페이지에 그 종류만 분류하는데도 모자랄 정도 이지만, 일반 냉난방 시스템(HVAC)에서 취급하 는 종류는 원심식의 것과 축류,그리고 사류 ,터빈타입이 대부분이라 생각해도 될 듯합니다. 일반적으 로 축류는 유체의 입구방향이 출구방향과 한 방향선을 지니고 있고 ,즉 밑에서 유체를 흡입하여 위로 토출하는식의 경우입니다. 원심식의 경우는 90도 꺽이지요. 즉 유체가 옆(측면)에서 들어와서 위로 나 가는 모양이면 원심식의 펌프라 볼수 있습니다. 그 중간쯤에 있는 것이 사류(약 45도)가 있습니다. 여 기서 터빈도 원심식과 같으나 터빈은 펌프날개(impeller)에 추가로 날개 차(guide)가 있는 정도로 보면 됩니다. 또다른 분류로는 누워있는 횡축(horizontal), 서있는 형상인 입형(vertical type) 으로 분류할 수 있습니다.요즘은 입형이 기계실 공간 점유도 적고,방진 적용도 최소화 가능 하고, 효율도 많이 좋 아서 활용도가 매우 높아진 편입니다. 축류와 입형은 같은 의미로 받아들이면 안되는 것을 이해하셔 야 합니다. 또 다른 구분은 단단,다단이 있는데 고양정으로 갈수록 펌프의 날개를 직렬로 연결하여 이용합니다. 이때 2단,3 단,4 단등의 다단이라는 용어를 사용합니다. 단단은 1 단입니다. 고양정은 안된 다는 이야기 입니다. 원심식 펌프는 다른 말로 와권펌프(volute pump:볼류트펌프) 라고도 합니다. 급 수용으로 많이쓰는 부스터 펌프는 입형에 속하고, 다단에 속하고, 원심식입니다. 근데 펌프 3~4 대를 병렬로 설치하여 출구를 시공성등을 고려, 조정하기 위한 과정에서, 흡입/토출이 한 방향으로 보이는 것입니다. 내부에서는 90도로 각이 생기지요. 그래서 흡입 토출의 위치는 상하차이는 있습니다.
입형 타입의 냉온수,냉각수 순환펌프도 많습니다.이 펌프들은 모양은 입형이지만 다단이며(물론 단단 도 있음),원심식입니다. 주로 원심식 혹은 여기에 날개차(guide vane)을 단 터빈형이 주종이라 보면 됩 니다. 날개차는 운동에너지를 압력에너지로 바꿀 수 있도록 하여 더 많은 양정이 필요한곳에 활용도 가 높다고 보시면 됩니다.같은 동력의 유량인 경우, 터빈 타입의 경우가 더 높은 양정이 가능하다고 보면 됩니다. 이정도로 분류에 대한 이해는 마감 하겠읍니다만, 이 외에도 매우 다양한 성격의 펌프 들이 많은 것은 간과하지 않으시길 바랍니다. 잘못하면 실수 할 수 있습니다.
- 일반적으로 펌프의 유량 선정은 설계사무소 몫이라고 생각 하겠지만, 엔지니어로서 알아서 나쁠 것은 없기에 한번 접근해 보겠습니다.
냉동기 용량이 100RT 이라고 한다면 302,400kcal/hr(1RT=3024kcal/HR) 입니다. 냉방용의 공조기에서 부하를 담당하는 코일 입출구 온도를 7℃생산 ,12도 환수로 하여, 그 온도차 가 5도 가 된다면, 냉수 순환펌프용량은 302,400 kcal/hr /60min/5도 =1,008 LPM.입니다.만약 펌프 를 댓수 제어 한다면 그 댓수 만큼 나누면 되지요. 근데 온수용은 ? 동일합니다. [열량 / 온도차] 개념 은 일정합니다. 하지만 냉,온수 겸용 펌프로 하고 싶은데 온도차(온도차 10도 인 경우도 많음)가 다를 경우는 펌프 를 구분할 수 있던지, 냉온수를 별도로 동절기, 하절기 댓수 제어를 할수 있도록 유도합니다. 펌프의 유량이 작아지면, 유체의 부하처리 온도 온도차가 변동되어, 부하처리에 필요한 온도차가 5도가 될 경우에 공 조기 부하를 처리할 수 있으나 ,작은 유량으로 부하를 처리하려면 공조기 출구 온도가 상승되거나(즉 7 도,12도 여야 하나 7도,15도가 될 수 있다는 얘기,이 경우도 부하처리는 할 수 없습니다, 즉 공 조기를 거쳐서 나오는 출구공기온도가 냉방에 필요한 온도가 안 된다는 의미, 덥다는 이야기), 정해진 부하를 처리할 수가 없다는 이야기 입니다.
반대로 선정된 펌프유량이 과한 유량이 되면 부하는 처리하고도 남음이 있으나 구체적으로 펌프의 동력비가 상승하고, 냉동기외 기타 장비들에 대한 효율이 낮아지리라 판단됩니다. 만약에 부하처리 온도차 기준을 처음부터 10도 로 하여 열교환기 및 공조기 풍량의 온도차 를 수정하여 적용한 경우라면 그 온도차에 맞는 펌프온도로 유량은 선정될 것입니다. 냉각수 (냉각탑용) 순환펌프도 마찬가지 입니다. 펌프의 유량선정에 있어서 그 기준이 온도차 개념하고는 전혀 상관없이 토출 유량만의 개념이 되는 경우가 바로 위생용(급수용 펌프,오배수용 펌프,SUMP용 펌프 등) 이나 ,소방용(스프링클러 펌프, 옥내 소화전 펌프,채수구펌프 등) 인 경우입니다. 이 펌프등의 경우는 온도차 개념적용이 없으니 단순 필요 유량 산정이 매우 쉽지요. 또 하나 배관의 방열 손실량에 대한 유체의 이송개념으로 적용하는 펌프가 있는데 바로 급탕 순환 펌프입니다. 이경우는 앞의 2 가지 경우와는 매우 다르게 접근합니다. 이는 배 관 열 손실량을 구한다음 급탕 공급 온도가 늘 일정하게 유지될 수 있도록 배관에 의한 방열손실에 의해 급탕수 온도저하를 방지할 정도의 유체량만의 이송을 지속적으로 유지하는 것입니다.이도 정확 히 말하자면 온도차에 의한 펌프 유량 선정 개념입니다.(증기 배관 라인의, 라인 응축수 trap 선정시 배관 방열에 따른 trap 선정이 되어야 하는 기준처럼 ). 대체로 그 유량은 배관 방열손실을 정확히 산출하기란 설계과정에서 매우 번거럽고 힘든 일(배관의 총길이, 배관의 열전도율값, 단열재 두께,종류, 내외부 공기의 온도차등이 적용되어서 계산됨)이므로 개략적인 유량(예를 들면 급탕량의 1/2 ~ 1/4 수준,지역난방기준은 급탕량의 30% 수준 정도이지요)으로 진행합니다. 이 외에 기타 다른 펌프의 유량선정은 극히 HVAC 시장에서는 미미하므로 이정도로 유량선정은 마칩 니다.
- 펌프의 양정 기준은 HVAC 시장에서 “밀폐회로 배관계인가? 개방회로 배관계인가” 에 따른 그 개념이 차이가 있는데 개방회로라 함은 급수 시스템등의 경우이고, 밀폐 배관계는 냉온수 순환시스템 정도 입니다. 개방회로 시스템은 정수두를 극복해야 하는 양정값이 추가가 되고 , 밀폐회로 배관에서는 정수두 개 념의 양정은 없다는 것입니다.
예를 들어 설명하면 개방계의 급수용 펌프의 양정 산정시 [정수두(수직 높이)가 50m, 최말단 급수기 구 공급 필요압 7m(수도꼭지 물 방수 압력=0.7kg/cm2),배관마찰손실 100m X 0.02mAq/mX1.5(fitting 류 개략적용)=3m, 등으로 합이 60m 가 되어 양정이 60m]가 적용됩니다. 좀더 상세하게 현장에서는 실제 계산이 적용됩니다만 개략적인 개념은 이와 같습니다. 이와는 달리 밀폐계의 예를 들면 냉온수 순환펌프의 경우 , [냉온수 header 손실2m, 냉동기 냉수계마 찰손실 5m,배관 마찰 손실 300m(왕복거리) X 0.02mAq/mX1.5(fitting 류 개략적용)=9m,각종 control valve 마찰손실(2m) , 기타 열교환기류(3m)등이 적용되어 21m]가 적용될 수 있으나 , 시스템의 배관길 이 및 장비의 수량에 따른 마찰 손실값등의 변동요인이 있을 수 있습니다.
이와같은 개념으로 밀폐배관과 개방배관의 양정 적용 기준이 정리 될 수 있습니다. 특이한 양정 적용 이 몇가지 더 있습니다. 급탕 순환 펌프의 양정은 최고 6m 이내로 적용이 될 필요가 있고(배관 마찰 손실 값에 의한 극복 수두값을 너무 크게 적용할 경우 급탕 수전에서 부압(부압,마니너스압)이 생겨서 급탕이 안 될 경우가 있음) , 보일러 보급수 펌프는 보일러 증기 공급압을 펌프 양정에 포함할 필요가 있고, 냉각수 순환펌프는 밀폐계이지만 냉각탑의 냉각수가 외기에 접하는 부분에 해당하는 정수두 높 이값(약 5m)이 적용되어야 합니다.이는 밀폐/개방이 썩여 있는 시스템으로 본다는 것이죠.또 특별하게 소방용의 경우는 모두 개방식이이지만 말단 기구 방사압력이 소화전이나 스프링 클러인경우 각각 다르게 적용될 필요가 있다는 이야기 입니다. (방사압력이 각각17m, 10m ). 이외에 공장의 생산 공정 의 경우(process line) 의 경우는 요구 수압이 50m 가 필요한 장비도 있다는 것등을 고려할 필요가 있습니다.
(Understanding of Hydronic System) – 펌프
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
의문 : 펌프를 포함 한 지역난방 열교환 설비 패키지 장비가,많은 회사에서 생산 판매 되고 있습니다. 헷더간의 차압밸브 설정시에는 펌프양정이 필요합니다.또 회전수 제어(SPEED control, inverter control)란 용어는? 혹은 펌프의 유효흡입수두(NPSH :net positive suction head)는? 펌프의 선정은 ? 펌프에 대한 궁금증은 없어도 별로 아는것도 없다는 현실에 대해 답을 만들어 보 겠습니다.
- 펌프를 설비시스템에서 빼버리고 ,아니 잊어버리고 얘기한다면 심장없는 인체와 같습니다.누가 굳이 설비를 하면서 따지고 들지 않는다면 별 무리없이 지낼 수 있읍니다만, 설계사에서의 설계 도면을 보든, 현장 영업하는 경우든, 현장에서의 물 관련 운전 및 관리감독을 하든, 간혹 알 수 없는 용어 의 사용이 마음 한 구석에 찝찝하게 남아있었던 경험이 있을 듯 합니다. 개략적으로나마 한번 알아 보겠습니다.
- 펌프의 종류는 다양하고 액체(간혹 기체용 펌프도 있음: 진공펌프)유체의 경우에 한해서 언급할라 치 면 한 페이지에 그 종류만 분류하는데도 모자랄 정도 이지만, 일반 냉난방 시스템(HVAC)에서 취급하 는 종류는 원심식의 것과 축류,그리고 사류 ,터빈타입이 대부분이라 생각해도 될 듯합니다. 일반적으 로 축류는 유체의 입구방향이 출구방향과 한 방향선을 지니고 있고 ,즉 밑에서 유체를 흡입하여 위로 토출하는식의 경우입니다. 원심식의 경우는 90도 꺽이지요. 즉 유체가 옆(측면)에서 들어와서 위로 나 가는 모양이면 원심식의 펌프라 볼수 있습니다. 그 중간쯤에 있는 것이 사류(약 45도)가 있습니다. 여 기서 터빈도 원심식과 같으나 터빈은 펌프날개(impeller)에 추가로 날개 차(guide)가 있는 정도로 보면 됩니다. 또다른 분류로는 누워있는 횡축(horizontal), 서있는 형상인 입형(vertical type) 으로 분류할 수 있습니다.요즘은 입형이 기계실 공간 점유도 적고,방진 적용도 최소화 가능 하고, 효율도 많이 좋 아서 활용도가 매우 높아진 편입니다. 축류와 입형은 같은 의미로 받아들이면 안되는 것을 이해하셔 야 합니다. 또 다른 구분은 단단,다단이 있는데 고양정으로 갈수록 펌프의 날개를 직렬로 연결하여 이용합니다. 이때 2단,3 단,4 단등의 다단이라는 용어를 사용합니다. 단단은 1 단입니다. 고양정은 안된 다는 이야기 입니다. 원심식 펌프는 다른 말로 와권펌프(volute pump:볼류트펌프) 라고도 합니다. 급 수용으로 많이쓰는 부스터 펌프는 입형에 속하고, 다단에 속하고, 원심식입니다. 근데 펌프 3~4 대를 병렬로 설치하여 출구를 시공성등을 고려, 조정하기 위한 과정에서, 흡입/토출이 한 방향으로 보이는 것입니다. 내부에서는 90도로 각이 생기지요. 그래서 흡입 토출의 위치는 상하차이는 있습니다.
입형 타입의 냉온수,냉각수 순환펌프도 많습니다.이 펌프들은 모양은 입형이지만 다단이며(물론 단단 도 있음),원심식입니다. 주로 원심식 혹은 여기에 날개차(guide vane)을 단 터빈형이 주종이라 보면 됩 니다. 날개차는 운동에너지를 압력에너지로 바꿀 수 있도록 하여 더 많은 양정이 필요한곳에 활용도 가 높다고 보시면 됩니다.같은 동력의 유량인 경우, 터빈 타입의 경우가 더 높은 양정이 가능하다고 보면 됩니다. 이정도로 분류에 대한 이해는 마감 하겠읍니다만, 이 외에도 매우 다양한 성격의 펌프 들이 많은 것은 간과하지 않으시길 바랍니다. 잘못하면 실수 할 수 있습니다.
- 일반적으로 펌프의 유량 선정은 설계사무소 몫이라고 생각 하겠지만, 엔지니어로서 알아서 나쁠 것은 없기에 한번 접근해 보겠습니다.
냉동기 용량이 100RT 이라고 한다면 302,400kcal/hr(1RT=3024kcal/HR) 입니다. 냉방용의 공조기에서 부하를 담당하는 코일 입출구 온도를 7℃생산 ,12도 환수로 하여, 그 온도차 가 5도 가 된다면, 냉수 순환펌프용량은 302,400 kcal/hr /60min/5도 =1,008 LPM.입니다.만약 펌프 를 댓수 제어 한다면 그 댓수 만큼 나누면 되지요. 근데 온수용은 ? 동일합니다. [열량 / 온도차] 개념 은 일정합니다. 하지만 냉,온수 겸용 펌프로 하고 싶은데 온도차(온도차 10도 인 경우도 많음)가 다를 경우는 펌프 를 구분할 수 있던지, 냉온수를 별도로 동절기, 하절기 댓수 제어를 할수 있도록 유도합니다. 펌프의 유량이 작아지면, 유체의 부하처리 온도 온도차가 변동되어, 부하처리에 필요한 온도차가 5도가 될 경우에 공 조기 부하를 처리할 수 있으나 ,작은 유량으로 부하를 처리하려면 공조기 출구 온도가 상승되거나(즉 7 도,12도 여야 하나 7도,15도가 될 수 있다는 얘기,이 경우도 부하처리는 할 수 없습니다, 즉 공 조기를 거쳐서 나오는 출구공기온도가 냉방에 필요한 온도가 안 된다는 의미, 덥다는 이야기), 정해진 부하를 처리할 수가 없다는 이야기 입니다.
반대로 선정된 펌프유량이 과한 유량이 되면 부하는 처리하고도 남음이 있으나 구체적으로 펌프의 동력비가 상승하고, 냉동기외 기타 장비들에 대한 효율이 낮아지리라 판단됩니다. 만약에 부하처리 온도차 기준을 처음부터 10도 로 하여 열교환기 및 공조기 풍량의 온도차 를 수정하여 적용한 경우라면 그 온도차에 맞는 펌프온도로 유량은 선정될 것입니다. 냉각수 (냉각탑용) 순환펌프도 마찬가지 입니다. 펌프의 유량선정에 있어서 그 기준이 온도차 개념하고는 전혀 상관없이 토출 유량만의 개념이 되는 경우가 바로 위생용(급수용 펌프,오배수용 펌프,SUMP용 펌프 등) 이나 ,소방용(스프링클러 펌프, 옥내 소화전 펌프,채수구펌프 등) 인 경우입니다. 이 펌프등의 경우는 온도차 개념적용이 없으니 단순 필요 유량 산정이 매우 쉽지요. 또 하나 배관의 방열 손실량에 대한 유체의 이송개념으로 적용하는 펌프가 있는데 바로 급탕 순환 펌프입니다. 이경우는 앞의 2 가지 경우와는 매우 다르게 접근합니다. 이는 배 관 열 손실량을 구한다음 급탕 공급 온도가 늘 일정하게 유지될 수 있도록 배관에 의한 방열손실에 의해 급탕수 온도저하를 방지할 정도의 유체량만의 이송을 지속적으로 유지하는 것입니다.이도 정확 히 말하자면 온도차에 의한 펌프 유량 선정 개념입니다.(증기 배관 라인의, 라인 응축수 trap 선정시 배관 방열에 따른 trap 선정이 되어야 하는 기준처럼 ). 대체로 그 유량은 배관 방열손실을 정확히 산출하기란 설계과정에서 매우 번거럽고 힘든 일(배관의 총길이, 배관의 열전도율값, 단열재 두께,종류, 내외부 공기의 온도차등이 적용되어서 계산됨)이므로 개략적인 유량(예를 들면 급탕량의 1/2 ~ 1/4 수준,지역난방기준은 급탕량의 30% 수준 정도이지요)으로 진행합니다. 이 외에 기타 다른 펌프의 유량선정은 극히 HVAC 시장에서는 미미하므로 이정도로 유량선정은 마칩 니다.
- 펌프의 양정 기준은 HVAC 시장에서 “밀폐회로 배관계인가? 개방회로 배관계인가” 에 따른 그 개념이 차이가 있는데 개방회로라 함은 급수 시스템등의 경우이고, 밀폐 배관계는 냉온수 순환시스템 정도 입니다. 개방회로 시스템은 정수두를 극복해야 하는 양정값이 추가가 되고 , 밀폐회로 배관에서는 정수두 개 념의 양정은 없다는 것입니다.
예를 들어 설명하면 개방계의 급수용 펌프의 양정 산정시 [정수두(수직 높이)가 50m, 최말단 급수기 구 공급 필요압 7m(수도꼭지 물 방수 압력=0.7kg/cm2),배관마찰손실 100m X 0.02mAq/mX1.5(fitting 류 개략적용)=3m, 등으로 합이 60m 가 되어 양정이 60m]가 적용됩니다. 좀더 상세하게 현장에서는 실제 계산이 적용됩니다만 개략적인 개념은 이와 같습니다. 이와는 달리 밀폐계의 예를 들면 냉온수 순환펌프의 경우 , [냉온수 header 손실2m, 냉동기 냉수계마 찰손실 5m,배관 마찰 손실 300m(왕복거리) X 0.02mAq/mX1.5(fitting 류 개략적용)=9m,각종 control valve 마찰손실(2m) , 기타 열교환기류(3m)등이 적용되어 21m]가 적용될 수 있으나 , 시스템의 배관길 이 및 장비의 수량에 따른 마찰 손실값등의 변동요인이 있을 수 있습니다.
이와같은 개념으로 밀폐배관과 개방배관의 양정 적용 기준이 정리 될 수 있습니다. 특이한 양정 적용 이 몇가지 더 있습니다. 급탕 순환 펌프의 양정은 최고 6m 이내로 적용이 될 필요가 있고(배관 마찰 손실 값에 의한 극복 수두값을 너무 크게 적용할 경우 급탕 수전에서 부압(부압,마니너스압)이 생겨서 급탕이 안 될 경우가 있음) , 보일러 보급수 펌프는 보일러 증기 공급압을 펌프 양정에 포함할 필요가 있고, 냉각수 순환펌프는 밀폐계이지만 냉각탑의 냉각수가 외기에 접하는 부분에 해당하는 정수두 높 이값(약 5m)이 적용되어야 합니다.이는 밀폐/개방이 썩여 있는 시스템으로 본다는 것이죠.또 특별하게 소방용의 경우는 모두 개방식이이지만 말단 기구 방사압력이 소화전이나 스프링 클러인경우 각각 다르게 적용될 필요가 있다는 이야기 입니다. (방사압력이 각각17m, 10m ). 이외에 공장의 생산 공정 의 경우(process line) 의 경우는 요구 수압이 50m 가 필요한 장비도 있다는 것등을 고려할 필요가 있습니다.
설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) – 냉동기의 이해
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
의문 : 냉동기의 터보는 , 혹은 흡수식은 ? 가스식 냉온수기는? 단효용(1중효용)은? 2중효용? 중온수 흡수식은? 저압 증기 이용한 흡수식은? 이게 다 뭔지를 알아야 할지, 몰라도 되는지, 알면 현업에 관계가 조금이라도 있는지?
1) 압축식 냉동기 - 우선 가장 대표적인 멤버인 압축식 냉동기가 먼저 설명이 될 필요가 있을 듯 합니다. 지난 시간에서 잠시 얘기가 있었지만 , 냉매란 놈은 자동차 에어컨에도 있어 여름철이 되면 교환하 려고도 합니다. 이 냉매의 성격이 압축(뭔가의 힘으로 밀폐공간안에서 고압상태를 만들어 줌. 피스톤 으로 압축하는 왕복동식/ 스크류(나사)로 압축하는 스크류식/ turbo 팬 같은 것으로 압축하는 터보식 등)이 되면 액화가 됩니다. 증기의 경우, 응축수의 경우도 고압상태에서는 액체상태이지만 저압상태가 되면 재증발(refres)가 되어 기체화 되지요. 물론 증기는 물(H20)이니까 일반적인 대기압 상태기준을 적용하면 100C 에서 증발(기체)하지만 이 냉매란 놈은 대기압 상태, 상온(냉매의 종류에 따라 온도 차이가 있음)에서도 쉽게 증발을 한다는 성질이, 매우 쉽게 증발시에 주위에서 열을 뺏을 수 있다는 것입니다. 즉 증발을 하려면 열이 공급되어야 하는데 주위에서 얻는다는 이야기 입니다. 달리 표현하 면 증발을 한다는 얘기는 증발열이 필요하다는 이야기이고 ,이것은 냉각을 필요로 하는 것으로부터 (보통 일반 HVAC 에서는 물에서 열을 뺏어 옵니다 즉 물이 차게 된다는 이야기) 열을 뺏아서 자기는 기체가 되어 버린다는 이야기 입니다. 이후 이 냉매를 버리고 새 냉매로 계속 진행하려면 냉매가격이 장난이 아니죠. 재활용 할려면 다시 액체로 만들어야 쓸수 있지요. 기체를 압축하여 액체로 만들어 다시 쓸려고 압축을 합니다. 조금전에 말씀드린 압축기로… 근데 압축한다는 얘기는 냉매의 온도와 압력을 상승시키는 역할을 합니다. 즉 고온고압이면 냉매가 액체는 액체이되 쉽게 증발하기란 용이하 지 않지요 . 이것들이 다시 냉매로서의 역할을 할수 있는 상태로 만들기 위해서 냉각탑에서 공급되는 냉각수로 식혀줍니다.(응축이라는 용어사용). 또 저압상태로 만들기 위해서 팽창(팽창밸브 적용)을 하 게되면 처음 냉매의 상태로 복원되어 재 활용 하는것입니다. 이것이 냉동기 안에서 반복적으로 순환 (CYCLE,증발-압축-응축-팽창)을 이루면, 냉동기에 공급된 물은 찬물(약 7도 , 경우에 따라서는 부동액 을 넣어서 빙점이하의 물로- 빙축열 시스템용,혹은 저온 냉동기로 5 도 의 물로)이 계속 나오는 것이고 , 압축을 하기 위한 구동원인 전기가 공급될 필요가 있다는 이야기 입니다. 국내에서 많은 사용은 없지만, 엔진(자동차 엔진처럼) 구동으로 압축을 낼 수 있는 것도 있습니다. 이는 가스,경유등을 연료 로 사용할 수도 있습니다.즉 이름하야 엔진 구동 냉동기로 명명된 경우입니다. 하지만 국내의 압축식 냉동기는 거의 대부분 전기 구동인 것이라 판단하여도 대세에는 지장이 없을 듯 합니다. 너무 간단한 것이 장황하게 설명된 듯합니다만 냉동원리상의 이론은 거의 대부분의 압축식의 경우에 상기 언급과 대동 소이합니다. 아직 개인별 업무 영역과의 연관성은 아직까지 별로 보이질 않습니다. 만 설비 엔지니어에게 기본적으로 알아 두면 좋은 기술입니다. 계속 진행해 보겠습니다.
2) 흡수식 냉동기 - 압축을 하지 않고 냉매를 증발시켜 기체화 하면서 또 응축을 시켜서 액체화 할수 있다면 나름대로 주위에서 열을 뺏을수도 있고 냉각효과도 발휘할수 있습니다. 그러면 물을 가지고 증발을 시킨다면 대기압 상태에서는 100 도 이상에서만 가능한일이죠. 근데 높은 산위에서 밥을 지어 먹으면 압력이 낮 아서 100도 이하에서 물이 끓어 설익은 밥이 되기 쉽습니다.돌맹이를 위에 올려놓아서 압력에 대한 보강을 합니다만 .. 즉 저압상태(진공)로 가까워 질수록 물의 증발이 쉽다는 이야기 입니다. 그러면 의도적으로 진공상태로 만들어서 물을 증발시켜 열을 뺏을수 있다면 이 또한 냉수를 생산해 낼 수 있는 것이죠. 말하자면 이것이 바로 흡수식 냉동기의 기본 원리입니다. 이때 보통 그 진공상태가 6.5mmHg(대기압은? 760mmHg=1bar)정도 입니다. 그러면 물의 끓는 온도는 몇 도 일까요??? 약 5 도 입니다. 우리가 필요로 하는 냉수의 온도7 도을 얻을수 있을정도의 차가운 상태에서 끓어 버리는 물이 탄생한 것입니다. 이경우 진공을 유지하기위한 노력이 냉동기 제작사에서는 필요한 것이죠. 혹 시 들어 보셨는지요? 진공온수 보일러라고 ..상기 냉동기보다는 진공상태가 많이 떨어지지만 (즉 대기 압에 가깝다는 이야기) 흡수식이 저압에서 물의 증발을 유도한 것처럼 진공온수 보일러도 저압상태에 서 물을 증발하기 직전 상태까지로 만든 온수를 이용하여 급탕,난방용으로 사용하는 장치입니다.이놈 이 요즘 설계사에서 많이 하는 장비중의 하나입니다. 어찌되었던 진공에 대한 고민을 함께 가지고 있 는 제품입니다.그러면 일반 압축식 냉동기의 냉매는 프레온/암모니아등의 특수 유체이지만 흡수식의 경우는 바로 ‘물’ 입니다. 이 물이 흡수식 냉동기 안에서 증발하였다가 이 증발한 물을 흡수(여기서 나온 이름입니다 흡수식이라는 명칭이)하여 다시 물로 만들어 (열을 가해서) 재활용,재순환을 반복 합 니다.(RECIRCULATION). 그냥 넘어 가버린 흡수에 대한 것을 이야기 하겠습니다. 조금전에 증발한 물 을 강력한 흡수제(취화 리튬,리튬 브로마이드(LiBr), 소금과 비슷한 성격을 가지고 있으나 더 강력한 흡습 기능이 있음. 김1회용봉투 안에 있는 실리카겔도 흡습 성격, 제습기등의 데시칸트등) 을 사용하 여 이 증발한 물을 흡수하고, 다시 이 물을 잔뜩 먹은 리튬브로마이드 수용액(물먹은 하마입니다. 물 을 잔뜩 함유하고 있는 액성 스펀지라고 할까요?)에서 열을 가하여(재생과정,여기서 증기가 사용되거 나, 가스로 만든 열원, 혹은 지역난방 중온수등이 이용됩니다) 물을 분리해서 ,혹은 리튬브로마이드를 물에서 분리해서 또다시 물을 흡수하라고 돌려보내지요. 데워진 이 물은 냉각탑에서 내려오는 냉각수 를 이용해 간접 열교환으로 차게 만든 다음(응축과정) 다시 처음 상태로 보냅니다. 즉 다시 냉매로서 의 기능을 갖도록 합니다. 이러한 반복 [증발-흡수-재생-응축] 이 냉동기의 내부에서 계속 되어 집니 다.여기서 발견한 것이 흡수식의 경우 증기(온열원)가 공급되어 진다는 것입니다. 그것의 역할은 재생 기의 열원이 된다는 것입니다. 리튬 브로마이드 수용액에서 물을 분리해내는 역할에 열을 공급한다는 이야기 입니다. 온열원이 왜 냉수를 만드는 데 들어가지 라는 의문을 가진 초보자들이 많았습니다.
- 지금까지는 단효용(1 중효용)흡수식 냉동기 이야기 였습니다. 이것은 저압증기(0.5~1 kg/cm2)로 가능한 장치였읍니다만 2 중효용은 고압증기를 사용해야만 합니다. 왜냐하면 재생기가 2 개가 있습니다.저온재 생기 및 고온 재생기라고 이름은 가지고 있읍니다만 1 차로 리튬브로마이드 흡수액을 물과 리튬브로마 이드를 분리해내고, 이 분리된 물은(기화상태) 증기에 의해 열을 많이 가지고 있어, 저온 재생기에 공급 해서 흡수액(리튬 브로마이드 수용액-농축상태)을 다시한번 물과 리튬브로마이드의 분리에 재 활용한다 는 것입니다. 그러면 단효용 냉동기보다 공급된 열원에 비해 냉동기의 효율이 더 좋아집니다(COP즉 성 적계수의 향상). 대부분의 HVAC 분야는 2중효용 냉동기라고 보시면 됩니다.우리가 많이들 이야기 하는 가스 직화식도 2 중효용입니다. 단지 공급되는 열원이 증기가 아니고 가스를 연소시켜 여름철 냉방을 하고 겨울철은 온수 보일러와 같은 역할을 한다는 것입니다. 그리고 중온수(지역난방 공급수)을 사용하 여 열원을 적용하는 경우는 단효용(1중 효용)으로 볼수 있겠으나 ,공급 중온수 온도가 180도 정도 되면 2중효용도 가능할 수 있습니다.
3) 하절기 유휴 증기의 단효용 흡수식의 적용가능성은 - 공장에서 겨울철 증기사용량에 비해서 여름철은 감소할 경우 냉방용으로 흡수식 냉동기와 계절별 증기 사용량의 추정으로 설계사에서는 장비를 합리적으로 선정하여 증기 활용도를 극대화 하려고 합니다. 근 데 설계당시부터 검토된 시스템 말고 현재 생산공장의 성격상 증기의 재증발에 의한 저압증기가 냉동 기를 가동할 정도로 안정적인 확보 가능하다면, 즉 재증발에 대한 시스템상의 장치 구성과 냉동기 운전 상 시간과의 조율이 잘 될 수 있다면 매우 합리적인 스팀 재활용 및 냉방비 감소 역할을 할수 있다고 판단 되어 집니다. 공장의 스팀에 대한 정확한 판단이 가능하여야 하고 전체적 냉방 부하량에 대한 부 하계산 판단이 필요하며, 이와 같은 엔지니어링을 통하여 증기 재활용 냉동기 이용이 가능 합니다.또한 예비 시스템(BACKUP SYSTEM,재증발 증기량의 감소에 대비한 냉방용 증기 공급확보) 도 구축할 필요 도 있다는 것입니다. 관련 이론적인 상세사항 및 향후 실무 적용시 연관된 많은 현장 내용의 이해 노력이 필요합니다만, 충 분히 활용가능한 기술이라 판단됩니다.
(Understanding of Hydronic System) – 냉동기의 이해
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
의문 : 냉동기의 터보는 , 혹은 흡수식은 ? 가스식 냉온수기는? 단효용(1중효용)은? 2중효용? 중온수 흡수식은? 저압 증기 이용한 흡수식은? 이게 다 뭔지를 알아야 할지, 몰라도 되는지, 알면 현업에 관계가 조금이라도 있는지?
1) 압축식 냉동기 - 우선 가장 대표적인 멤버인 압축식 냉동기가 먼저 설명이 될 필요가 있을 듯 합니다. 지난 시간에서 잠시 얘기가 있었지만 , 냉매란 놈은 자동차 에어컨에도 있어 여름철이 되면 교환하 려고도 합니다. 이 냉매의 성격이 압축(뭔가의 힘으로 밀폐공간안에서 고압상태를 만들어 줌. 피스톤 으로 압축하는 왕복동식/ 스크류(나사)로 압축하는 스크류식/ turbo 팬 같은 것으로 압축하는 터보식 등)이 되면 액화가 됩니다. 증기의 경우, 응축수의 경우도 고압상태에서는 액체상태이지만 저압상태가 되면 재증발(refres)가 되어 기체화 되지요. 물론 증기는 물(H20)이니까 일반적인 대기압 상태기준을 적용하면 100C 에서 증발(기체)하지만 이 냉매란 놈은 대기압 상태, 상온(냉매의 종류에 따라 온도 차이가 있음)에서도 쉽게 증발을 한다는 성질이, 매우 쉽게 증발시에 주위에서 열을 뺏을 수 있다는 것입니다. 즉 증발을 하려면 열이 공급되어야 하는데 주위에서 얻는다는 이야기 입니다. 달리 표현하 면 증발을 한다는 얘기는 증발열이 필요하다는 이야기이고 ,이것은 냉각을 필요로 하는 것으로부터 (보통 일반 HVAC 에서는 물에서 열을 뺏어 옵니다 즉 물이 차게 된다는 이야기) 열을 뺏아서 자기는 기체가 되어 버린다는 이야기 입니다. 이후 이 냉매를 버리고 새 냉매로 계속 진행하려면 냉매가격이 장난이 아니죠. 재활용 할려면 다시 액체로 만들어야 쓸수 있지요. 기체를 압축하여 액체로 만들어 다시 쓸려고 압축을 합니다. 조금전에 말씀드린 압축기로… 근데 압축한다는 얘기는 냉매의 온도와 압력을 상승시키는 역할을 합니다. 즉 고온고압이면 냉매가 액체는 액체이되 쉽게 증발하기란 용이하 지 않지요 . 이것들이 다시 냉매로서의 역할을 할수 있는 상태로 만들기 위해서 냉각탑에서 공급되는 냉각수로 식혀줍니다.(응축이라는 용어사용). 또 저압상태로 만들기 위해서 팽창(팽창밸브 적용)을 하 게되면 처음 냉매의 상태로 복원되어 재 활용 하는것입니다. 이것이 냉동기 안에서 반복적으로 순환 (CYCLE,증발-압축-응축-팽창)을 이루면, 냉동기에 공급된 물은 찬물(약 7도 , 경우에 따라서는 부동액 을 넣어서 빙점이하의 물로- 빙축열 시스템용,혹은 저온 냉동기로 5 도 의 물로)이 계속 나오는 것이고 , 압축을 하기 위한 구동원인 전기가 공급될 필요가 있다는 이야기 입니다. 국내에서 많은 사용은 없지만, 엔진(자동차 엔진처럼) 구동으로 압축을 낼 수 있는 것도 있습니다. 이는 가스,경유등을 연료 로 사용할 수도 있습니다.즉 이름하야 엔진 구동 냉동기로 명명된 경우입니다. 하지만 국내의 압축식 냉동기는 거의 대부분 전기 구동인 것이라 판단하여도 대세에는 지장이 없을 듯 합니다. 너무 간단한 것이 장황하게 설명된 듯합니다만 냉동원리상의 이론은 거의 대부분의 압축식의 경우에 상기 언급과 대동 소이합니다. 아직 개인별 업무 영역과의 연관성은 아직까지 별로 보이질 않습니다. 만 설비 엔지니어에게 기본적으로 알아 두면 좋은 기술입니다. 계속 진행해 보겠습니다.
2) 흡수식 냉동기 - 압축을 하지 않고 냉매를 증발시켜 기체화 하면서 또 응축을 시켜서 액체화 할수 있다면 나름대로 주위에서 열을 뺏을수도 있고 냉각효과도 발휘할수 있습니다. 그러면 물을 가지고 증발을 시킨다면 대기압 상태에서는 100 도 이상에서만 가능한일이죠. 근데 높은 산위에서 밥을 지어 먹으면 압력이 낮 아서 100도 이하에서 물이 끓어 설익은 밥이 되기 쉽습니다.돌맹이를 위에 올려놓아서 압력에 대한 보강을 합니다만 .. 즉 저압상태(진공)로 가까워 질수록 물의 증발이 쉽다는 이야기 입니다. 그러면 의도적으로 진공상태로 만들어서 물을 증발시켜 열을 뺏을수 있다면 이 또한 냉수를 생산해 낼 수 있는 것이죠. 말하자면 이것이 바로 흡수식 냉동기의 기본 원리입니다. 이때 보통 그 진공상태가 6.5mmHg(대기압은? 760mmHg=1bar)정도 입니다. 그러면 물의 끓는 온도는 몇 도 일까요??? 약 5 도 입니다. 우리가 필요로 하는 냉수의 온도7 도을 얻을수 있을정도의 차가운 상태에서 끓어 버리는 물이 탄생한 것입니다. 이경우 진공을 유지하기위한 노력이 냉동기 제작사에서는 필요한 것이죠. 혹 시 들어 보셨는지요? 진공온수 보일러라고 ..상기 냉동기보다는 진공상태가 많이 떨어지지만 (즉 대기 압에 가깝다는 이야기) 흡수식이 저압에서 물의 증발을 유도한 것처럼 진공온수 보일러도 저압상태에 서 물을 증발하기 직전 상태까지로 만든 온수를 이용하여 급탕,난방용으로 사용하는 장치입니다.이놈 이 요즘 설계사에서 많이 하는 장비중의 하나입니다. 어찌되었던 진공에 대한 고민을 함께 가지고 있 는 제품입니다.그러면 일반 압축식 냉동기의 냉매는 프레온/암모니아등의 특수 유체이지만 흡수식의 경우는 바로 ‘물’ 입니다. 이 물이 흡수식 냉동기 안에서 증발하였다가 이 증발한 물을 흡수(여기서 나온 이름입니다 흡수식이라는 명칭이)하여 다시 물로 만들어 (열을 가해서) 재활용,재순환을 반복 합 니다.(RECIRCULATION). 그냥 넘어 가버린 흡수에 대한 것을 이야기 하겠습니다. 조금전에 증발한 물 을 강력한 흡수제(취화 리튬,리튬 브로마이드(LiBr), 소금과 비슷한 성격을 가지고 있으나 더 강력한 흡습 기능이 있음. 김1회용봉투 안에 있는 실리카겔도 흡습 성격, 제습기등의 데시칸트등) 을 사용하 여 이 증발한 물을 흡수하고, 다시 이 물을 잔뜩 먹은 리튬브로마이드 수용액(물먹은 하마입니다. 물 을 잔뜩 함유하고 있는 액성 스펀지라고 할까요?)에서 열을 가하여(재생과정,여기서 증기가 사용되거 나, 가스로 만든 열원, 혹은 지역난방 중온수등이 이용됩니다) 물을 분리해서 ,혹은 리튬브로마이드를 물에서 분리해서 또다시 물을 흡수하라고 돌려보내지요. 데워진 이 물은 냉각탑에서 내려오는 냉각수 를 이용해 간접 열교환으로 차게 만든 다음(응축과정) 다시 처음 상태로 보냅니다. 즉 다시 냉매로서 의 기능을 갖도록 합니다. 이러한 반복 [증발-흡수-재생-응축] 이 냉동기의 내부에서 계속 되어 집니 다.여기서 발견한 것이 흡수식의 경우 증기(온열원)가 공급되어 진다는 것입니다. 그것의 역할은 재생 기의 열원이 된다는 것입니다. 리튬 브로마이드 수용액에서 물을 분리해내는 역할에 열을 공급한다는 이야기 입니다. 온열원이 왜 냉수를 만드는 데 들어가지 라는 의문을 가진 초보자들이 많았습니다.
- 지금까지는 단효용(1 중효용)흡수식 냉동기 이야기 였습니다. 이것은 저압증기(0.5~1 kg/cm2)로 가능한 장치였읍니다만 2 중효용은 고압증기를 사용해야만 합니다. 왜냐하면 재생기가 2 개가 있습니다.저온재 생기 및 고온 재생기라고 이름은 가지고 있읍니다만 1 차로 리튬브로마이드 흡수액을 물과 리튬브로마 이드를 분리해내고, 이 분리된 물은(기화상태) 증기에 의해 열을 많이 가지고 있어, 저온 재생기에 공급 해서 흡수액(리튬 브로마이드 수용액-농축상태)을 다시한번 물과 리튬브로마이드의 분리에 재 활용한다 는 것입니다. 그러면 단효용 냉동기보다 공급된 열원에 비해 냉동기의 효율이 더 좋아집니다(COP즉 성 적계수의 향상). 대부분의 HVAC 분야는 2중효용 냉동기라고 보시면 됩니다.우리가 많이들 이야기 하는 가스 직화식도 2 중효용입니다. 단지 공급되는 열원이 증기가 아니고 가스를 연소시켜 여름철 냉방을 하고 겨울철은 온수 보일러와 같은 역할을 한다는 것입니다. 그리고 중온수(지역난방 공급수)을 사용하 여 열원을 적용하는 경우는 단효용(1중 효용)으로 볼수 있겠으나 ,공급 중온수 온도가 180도 정도 되면 2중효용도 가능할 수 있습니다.
3) 하절기 유휴 증기의 단효용 흡수식의 적용가능성은 - 공장에서 겨울철 증기사용량에 비해서 여름철은 감소할 경우 냉방용으로 흡수식 냉동기와 계절별 증기 사용량의 추정으로 설계사에서는 장비를 합리적으로 선정하여 증기 활용도를 극대화 하려고 합니다. 근 데 설계당시부터 검토된 시스템 말고 현재 생산공장의 성격상 증기의 재증발에 의한 저압증기가 냉동 기를 가동할 정도로 안정적인 확보 가능하다면, 즉 재증발에 대한 시스템상의 장치 구성과 냉동기 운전 상 시간과의 조율이 잘 될 수 있다면 매우 합리적인 스팀 재활용 및 냉방비 감소 역할을 할수 있다고 판단 되어 집니다. 공장의 스팀에 대한 정확한 판단이 가능하여야 하고 전체적 냉방 부하량에 대한 부 하계산 판단이 필요하며, 이와 같은 엔지니어링을 통하여 증기 재활용 냉동기 이용이 가능 합니다.또한 예비 시스템(BACKUP SYSTEM,재증발 증기량의 감소에 대비한 냉방용 증기 공급확보) 도 구축할 필요 도 있다는 것입니다. 관련 이론적인 상세사항 및 향후 실무 적용시 연관된 많은 현장 내용의 이해 노력이 필요합니다만, 충 분히 활용가능한 기술이라 판단됩니다.
설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해
(Understanding of Hydronic System) – 냉각탑 용량
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
의문 : 냉각탑 용량에 관한 변수들이 무척 많읍니다만 냉동기가 다르면 냉각탑의 용량 선정시에 다른 계산값이 적용됩니다. 왜 그런가,냉동기 열량은 동일한데 ??
- 냉동기가 여러 종류가 있는 것을 우선 알아 보겠습니다. 대표적으로 전기로 냉수를 만드는 원심식(전 동식) 냉동기가 있습니다. 이는 보통 우리가 screw,turbo 라고 부른 냉동기들입니다. 오로지 전기로만 가동합니다. 전기료가 상당히 부담스러운 장비여서 국내 법규에서는 사용용량에 제한을 두는 법이 있 습니다. 약 40%(전체 냉동기용량)이하로만 사용합니다. 여기서 이들은 전기식이라고 하지만 압축식의 개념입니다. 즉 냉동기 시스템 내부에서 냉매(열의 이동의 역할을 하는 매개체, 프레온 가스류,암모니 아등 쉽게 상온에서도 증발하여서 열을 뺏기도 하고 ,압축을 하면 응축시키는데 용이한 물질) 를 고 압으로 압축하여야 하는데 이때 압축기능이 터보타입이냐 아님은 스크류 타입이냐 등이란 것입니다. - 또한 가장 각광 받고 있는 냉온수기라는 제품이 있습니다. 가스로 할 경우도 있고 , 증기 로 할 경우 또는 중온수로도 합니다. 지역난방지역에서 중온수를 공급받아서 여름철 냉방에 사용하지요. 보통 80~90c정도의 온수를 사용하고 있읍니다만 이들은 흡수식이라는 큰 범주안에 포함되어 있는 냉동기 타입입니다. 즉 흡수식 이라고 할수 있는 형식이 되겠습니다. - 여기서 흡수식을 세분해 보면 단효용이 있고 , 2 중효용방식이 있고 , 중온수용등이 있습니다.또 3 중 효용등 고효율 흡수식 냉동기 들이 개발되어 가고 있습니다. 앞에서 이야기한 일반 범용 가스식 혹은 증기용 냉온수기는 일반적으로 2 중효용까지 운전하는 방식이라 할수 있습니다. 2 중과 단효용의 차 이는 한번 사용한 열을 재차 활용하는가의 여부로 판가름 할수 있는데, 2번 재활용하는경우 2중효용 식이라 해서 냉동기 성적계수(cop)가 좀더 높고 에너지 효율면에서 유리합니다. 요즘 생산되는 제품 은 거의 모두다 2 중효용이상이라 보시면 됩니다. 일반적으로 지역난방 중온수 흡수식은 2 중으로 사 용될 수 없는 열원입니다. 한번 사용후에는 재 사용할 여력의 에너지가 별로 없습니다. - 그러면 압축식의 경우 1RT(REFRIGERATION TON: 1 톤 0c의 물 을 24시간 동안 얼음 을 만드는데 소용되는 열) 즉 3024 KCAL/HR 의 냉각능력을 위해 약 900kcal/hr의 에너지가 압축기의 동력으로 소용되는데 비해 (여기서 잠깐 cop (성적계수)를 계산해보 면 3024 /900 = 3.36 정도 된다는 말) , 흡수식은 2600 ~ 3000 kcal/hr 의 에너지가 소모 된다. 즉 흡수식에 공급하는 증기나, 중온수, 가스의 열량이 이정도 된다는 이야기 입니 다. 이는 곧 냉각탑을 통하여 버려질 필요가 있는데 압축식의 경우 약 3900 kcal/hr 가 되고(3024 + 900 = 3924) , 흡수식의 경우 5600 ~ 6000 kcal/hr 가 되는 샘이죠.
결론 상기의 언급에서 이해하셨겠지만 냉각수온은 대부분 온도차가 일정하도록 설계는 되어 있습니다(32-37, 실제 운전시는 그렇지 않지만)그러면 냉각수량이 달라져야지만 각기의 냉동기에 해당하는 열량을 처 리할 수 있겠지요 .그래서 달리 적용될 필요가 나오는 것입니다. 조금전에 말씀드린 cop 값에서 당연 히 흡수식이나 기타 다른 냉동기, 직팽식 냉동기류(package) , 히트 펌프(heat pump) 등의 성적계수 의 계산이 가능하지요.성적계수(cop)가 높을수록 에너지 활용도가 높은 고효율 장비가 될 수 있습니 다.
- 참고로 실제 냉각수 용량을 계산할 때 현장에서 “개략” 검토하는 계산을 보겠습니다.
냉동기 용량 (RT) x 3024 kcal/HR x 1.25( TURBO 외 압축식류)
x 1.86( 2 중 흡수식,가스,고압 스팀용) x 2.38( 중온수식: 단효용)
x 2.53( 1 중효용,가스,저압 스팀용)
냉각수 유량을 개략적으로 판단 해 볼려면 터보등 압축식 = RT(냉동기) x 13 LPM 2중 효용식 = RT(냉동기) x 18 LPM 으로 적용하면 무리 없습니다. 이는 곧 냉각수 순환 펌프의 유량을 산정하는 기초가 보이기 시작하는 것입니다. SOL.
(Understanding of Hydronic System) – 냉각탑 용량
By SOLLEO 이상오 주) 솔레오 대표이사/국제 기술사/건축기계 설비 기술사
의문 : 냉각탑 용량에 관한 변수들이 무척 많읍니다만 냉동기가 다르면 냉각탑의 용량 선정시에 다른 계산값이 적용됩니다. 왜 그런가,냉동기 열량은 동일한데 ??
- 냉동기가 여러 종류가 있는 것을 우선 알아 보겠습니다. 대표적으로 전기로 냉수를 만드는 원심식(전 동식) 냉동기가 있습니다. 이는 보통 우리가 screw,turbo 라고 부른 냉동기들입니다. 오로지 전기로만 가동합니다. 전기료가 상당히 부담스러운 장비여서 국내 법규에서는 사용용량에 제한을 두는 법이 있 습니다. 약 40%(전체 냉동기용량)이하로만 사용합니다. 여기서 이들은 전기식이라고 하지만 압축식의 개념입니다. 즉 냉동기 시스템 내부에서 냉매(열의 이동의 역할을 하는 매개체, 프레온 가스류,암모니 아등 쉽게 상온에서도 증발하여서 열을 뺏기도 하고 ,압축을 하면 응축시키는데 용이한 물질) 를 고 압으로 압축하여야 하는데 이때 압축기능이 터보타입이냐 아님은 스크류 타입이냐 등이란 것입니다. - 또한 가장 각광 받고 있는 냉온수기라는 제품이 있습니다. 가스로 할 경우도 있고 , 증기 로 할 경우 또는 중온수로도 합니다. 지역난방지역에서 중온수를 공급받아서 여름철 냉방에 사용하지요. 보통 80~90c정도의 온수를 사용하고 있읍니다만 이들은 흡수식이라는 큰 범주안에 포함되어 있는 냉동기 타입입니다. 즉 흡수식 이라고 할수 있는 형식이 되겠습니다. - 여기서 흡수식을 세분해 보면 단효용이 있고 , 2 중효용방식이 있고 , 중온수용등이 있습니다.또 3 중 효용등 고효율 흡수식 냉동기 들이 개발되어 가고 있습니다. 앞에서 이야기한 일반 범용 가스식 혹은 증기용 냉온수기는 일반적으로 2 중효용까지 운전하는 방식이라 할수 있습니다. 2 중과 단효용의 차 이는 한번 사용한 열을 재차 활용하는가의 여부로 판가름 할수 있는데, 2번 재활용하는경우 2중효용 식이라 해서 냉동기 성적계수(cop)가 좀더 높고 에너지 효율면에서 유리합니다. 요즘 생산되는 제품 은 거의 모두다 2 중효용이상이라 보시면 됩니다. 일반적으로 지역난방 중온수 흡수식은 2 중으로 사 용될 수 없는 열원입니다. 한번 사용후에는 재 사용할 여력의 에너지가 별로 없습니다. - 그러면 압축식의 경우 1RT(REFRIGERATION TON: 1 톤 0c의 물 을 24시간 동안 얼음 을 만드는데 소용되는 열) 즉 3024 KCAL/HR 의 냉각능력을 위해 약 900kcal/hr의 에너지가 압축기의 동력으로 소용되는데 비해 (여기서 잠깐 cop (성적계수)를 계산해보 면 3024 /900 = 3.36 정도 된다는 말) , 흡수식은 2600 ~ 3000 kcal/hr 의 에너지가 소모 된다. 즉 흡수식에 공급하는 증기나, 중온수, 가스의 열량이 이정도 된다는 이야기 입니 다. 이는 곧 냉각탑을 통하여 버려질 필요가 있는데 압축식의 경우 약 3900 kcal/hr 가 되고(3024 + 900 = 3924) , 흡수식의 경우 5600 ~ 6000 kcal/hr 가 되는 샘이죠.
결론 상기의 언급에서 이해하셨겠지만 냉각수온은 대부분 온도차가 일정하도록 설계는 되어 있습니다(32-37, 실제 운전시는 그렇지 않지만)그러면 냉각수량이 달라져야지만 각기의 냉동기에 해당하는 열량을 처 리할 수 있겠지요 .그래서 달리 적용될 필요가 나오는 것입니다. 조금전에 말씀드린 cop 값에서 당연 히 흡수식이나 기타 다른 냉동기, 직팽식 냉동기류(package) , 히트 펌프(heat pump) 등의 성적계수 의 계산이 가능하지요.성적계수(cop)가 높을수록 에너지 활용도가 높은 고효율 장비가 될 수 있습니 다.
- 참고로 실제 냉각수 용량을 계산할 때 현장에서 “개략” 검토하는 계산을 보겠습니다.
냉동기 용량 (RT) x 3024 kcal/HR x 1.25( TURBO 외 압축식류)
x 1.86( 2 중 흡수식,가스,고압 스팀용) x 2.38( 중온수식: 단효용)
x 2.53( 1 중효용,가스,저압 스팀용)
냉각수 유량을 개략적으로 판단 해 볼려면 터보등 압축식 = RT(냉동기) x 13 LPM 2중 효용식 = RT(냉동기) x 18 LPM 으로 적용하면 무리 없습니다. 이는 곧 냉각수 순환 펌프의 유량을 산정하는 기초가 보이기 시작하는 것입니다. SOL.
수배관 시스템의 이해
일반적으로 HVAC 분야의 냉,난방 수배관 시스템의 문제와 최적화운전, 에너지 절감기술
1. 냉동기와 펌프의 운전 짝, 1차 정속 펌프 시스템, 1,2차 펌프 시스템, 1차 변속 펌프 시스템
2. 차압바이패스 밸브의 선정과 현장 설정
3. 펌프의 최적화 변속 운전을 위한 차압센싱및 압력 선정
4. 수배관 시스템의 배관경 구축의 최적의 기술
5. 사용측 최적의 유량 분배 기술 및 에너지 최적화 운전의 방안
6. 각종 "짝,궁합"이 맞는 에너지 최적 운용 절감 기술
7.프리쿨링, 현열냉방, 제습용 히트 파이프 기술, 현열 열교환 히트 파이프 시스템
8. 최적의 운전을 위한 수배관 시스템 컨설팅(무료)
주식회사 솔레오(SOLLEO) 대표이사 이상오(LEO)/건축기계 설비 기술사, 국제 기술사
APEC ENGINEER / M.P.E / MEMBER OF ASHRAE,SAREK,KARSE
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2. 차압바이패스 밸브의 선정과 현장 설정
3. 펌프의 최적화 변속 운전을 위한 차압센싱및 압력 선정
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5. 사용측 최적의 유량 분배 기술 및 에너지 최적화 운전의 방안
6. 각종 "짝,궁합"이 맞는 에너지 최적 운용 절감 기술
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