1. 머리말

‘복사공조는 정말 에너지절감 성능이 높을까?’ ‘순환수의 공급·리턴 온도차를 작게 하는 편이 오히려 에너지절감으로 이어지지 않을까?’ 등, 지금까지의 이론을 재검토하면서 본 시스템을 개발·착수하기에 이르렀다.

지금까지의 복사공조 시스템 과제를 밝혀내고 새로운 제어방법과 독자적인 기술에 의해 이 같은 개선을 시도했다. 그 결과 우물물이라든가 하천수 등을 쉽게 활용할 수 없는 도시지역에서도 자연 에너지를 최대한 활용하는 에너지절감형 복사공조 시스템을 개발했다.

2. 다이내믹 레인지 복사공조의 개요 

2.1  종전 복사 공조에서의 에너지절감 과제

수식(水式) 복사공조 시스템은 공기보다 비열용량(specific heat capacity)이 더 크지만 많은 물로 열을 운반하기 때문에 열반송 효율이 높다는 점, 혹은 비교적 고온수로 운용하므로 열원기기의 효율을 높일 수 있다는 점 등에서 에너지절감 성능이 높은 공조 방식으로 알려져 있다. 그러나 종전의 복사공조에는 다음과 같이 에너지절감을 저해하는 요소도 있다.

• 덕트·송풍구 공간상의 제약 혹은 복사 패널의 결로 억제 등으로 인해 “충분한 외기 냉방이 어렵다”

• 복사 패널 수지 튜브로부터 산소 투과로 인한 부식 대책으로 “열교환기를 설치”할 경우에는 열교환기의 통수(通水) 저항 증대라든가 열교환기    2차 측에 저효율의 순환펌프가 필요하다. 

• “제어 응답성이 좋지 않아” 제어가 불안정해지기 쉽다. 

2.2  다이내믹 레인지 복사공조 시스템의 구성 기술

이 같은 문제들을 해결하기 위해 개발한 “다이내믹 레인지 복사공조”에서는 주로 <그림 1>에 나타내는 기술을 적용해 이러한 종전 시스템의 과제를 해결한다. 

[도입기술1 : 자연에너지 활용을 촉진하는 프리쿨링 냉각탑]

주열원인 공랭 히트펌프 칠러 바로 앞에 개방형 냉각탑을 설치하고 복사공조의 열매체인 고온 냉수를 예랭(프리쿨링) 또는 조건에 따라 냉각탑만으로 냉각(프리쿨링) 한다.

[도입기술2 : 열교환기를 없앨 수 있는 무약액주입(chemical free)형 방식(防蝕) 시스템]

방사 패널의 수지 튜브가 산소를 투과하기 때문에 배관 및 기기의 부식 대책으로 신료냉열공업의 독자적인 무약액주입형 방식 시스템 “Corro GuardⓇ”<그림 2>와 탈산소 장치를 병설했다. 이 방식 기술을 적용함으로써 에너지절감에 단점이 많은 열교환기를 설치하지 않고 열원에서 다이렉트로 열매체를 보내는 열교환기 없는 배관 시스템을 만들었다.

[도입기술3 : 복사공조의 응답성을 개선하는 리턴수 온도 캐스케이드 제어]

<그림 3>에 나타내는 복사패널의 능력 특성 사례와 같이 복사패널의 리턴수 온도는 방열량과 거의 음의 비례관계가 되는 점을 이용해 리턴수 온도로 방열량을 제어하는 방법을 고안했다. 방열량을 수온으로 제어하기 때문에 제어밸브의 오버슈트를 억제해 응답성을 향상시킨다. 리턴수의 온도 설정치를 부하 변동이나 외란에 대응해 캐스케이드 가변함으로써 실온을 안정적으로 유지한다<그림 4>.

[도입기술4 : 열원 시스템의 효율을 향상시키는 VWV-VT 제어]

VWV-VT 제어란 부하(유량)가 클 때는 에너지절감 효과가 높은 변류량 제어(VWV)로 우선 반송 동력을 저감시키고 부하가 적어지면 유량을 저감하기보다는 공급·리턴수의 온도범위를 고온 측으로 이동(VT)시켜 열원의 COP 향상이라든가 냉각탑 활용기간을 늘리는 편이 에너지절감 효과가 커진다는 점에 착안해 유량과 송수온도를 최적 제어하는 방법을 말한다<그림 5>.

수식 복사패널의 특성은 <그림 3>에 나타내는 바와 같이 송수(送水) 온도는 일정하더라도 리턴수의 온도는 방열량에 따라 크게 변한다. 예를 들어 16℃ 송수에서 방열량이 최대일 때의 패널 출구온도는 약 18℃로 공급·리턴수의 온도차가 2℃밖에 나지 않지만 반대로 방열량이 작아짐에 따라 리턴수 온도는 실온(26℃) 근처까지 상승해 공급·리턴수의 온도차가 9℃ 이상으로까지 확대된다. 

이와 같이 공급·리턴수의 온도차가 방열량에 따라 변화한다는 것은 방열량과 유량이 단순 비례관계가 아니라 지수적으로 변화됨을 의미한다. 따라서 최대 방열량 부근에서는 방열량 변화에 대한 유량 변화율이 커짐과 동시에 배관저항의 변화량도 크기 때문에 방열량을 유량으로 조정하면 반송동력의 저감 효과가 커 에너지절감에 크게 기여한다.

그런데 방열량이 작아짐에 따라 방열량 변화에 대한 유량 변화율이 적어지고 배관 저항도 수량(水量) 저감량의 제곱으로 약해지기 때문에 유량 저감에 의한 에너지절감 효과는 상승적으로 작아진다.

한편 방열량은 유량과 공급·리턴수 온도차의 곱이므로 유량을 일정하게 한 상태에서 열매체의 온도를 바꾸더라도 방열량을 조절할 수 있다.

본 시스템의 복사패널 능력은 리턴수 온도로 제어하고 냉방 시에는 부하가 적어짐에 따라 리턴수의 온도 설정치가 고온 측으로 이동한다. 리턴수 온도 설정치에 공급수 온도를 추종 가변시키면 부하에 따라 공급·리턴수 온도를 적절하고 용이하게 가변(VT) 제어할 수 있다.

이상으로 VWV-VT 제어에서는 리턴수 온도 설정치가 <그림 5>에서 보는 바와 같이 양끝 영역(최대부하 부근)에서는 공급수 온도를 정격 송수온도(34℃ 혹은 16℃)에 고정해 VWV 제어로 반송동력 저감을 우선하고 부하가 감소했을 때는 VT 제어로 열원이나 냉각탑의 효율 향상 혹은 냉각탑의 활용기간을 확대해 부하 전역에서 효율을 높인다.

여기서는 VWV 제어와 VT 제어의 전환점이나 VT 제어 시 리턴수 온도에 대해 공급수 온도를 어떻게 추종(상승·하강)시킬 것인가를 검토한 근거를 제시한다.

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본 원고는 일본공업출판주식회사 발행하는 ‘建築設備と配管工事’잡지에서 발췌하여 번역한 것입니다.

전체 기사는 2023년 7월호 ‘월간 설비기술’에 게재되어 있습니다.(월간지 구입문의(02)2633-4995)

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