2016년 10월 29일 토요일

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. 

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