경동나비엔 / 김성진, 신동익, 김영균

1. 서론

건축 기계설비는 건물의 용도, 규모, 위치를 고려하여 냉난방, 공조, 위생 등의 시스템을 결정하게 된다. 시스템의 결정은 쾌적성과 위생성을 우선시해야 하지만 에너지 절약과 지구 온난화 방지를 위한 경제성과 환경성도 정부 또는 범지구적인 차원에서 고려되어야 할 대상이다.

이러한 최적의 설비 환경을 구현하고자 열원 장비, 부하 장비 및 열에너지 반송 시스템의 개선이 고도화되고 있으며 건물의 가치를 높여가고 있다. 특히 열원 장비의 성능 개선으로 화석 에너지 사용의 억제는 물론이고 도시 환경의 자정능력을 회복시킬 수 있다. 이러한 열원 장비의 성능은 운전 효율에 있으며 운전 효율은 부분 부하 적응성에 좌우 된다고 해도 과언이 아니다.

높은 TDR(Turn down ratio, 최대 열용량 대비 제어 가능한 최소 열용량)과 대수 제어로 기존 중대형 보일러보다 운전 효율이 높은 Cascade System이라 불리는 멀티 보일러 제어 시스템의 특징과 설치 사례를 소개함으로써 명품 건물을 짓는데 조금이나마 이바지하고자 한다.

2. 건물의 부하와 Cascade System

건물 부하 중에서 난방과 급탕 설비는 온열원을 요구한다. 물론 냉방 시스템에서도 흡수식 냉동기를 적용할 경우 작동 원리에 따라 증기 또는 온수를 필요로 한다.

이러한 온열원을 생산하여 공급하는 열량은 부하 측 환경에 따라 시시각각 달라진다. 달라지는 부하에 따라 최적으로 대응할 수 있는 열원 방식이 으뜸이며 이러한 방식 중에 Cascade System이 있다.

Cascade System은 소용량의 콘덴싱 가스보일러 또는 온수기를 병렬로 연결하여 중대형 건물에 필요한 열용량을 자유롭게 설계할 수 있다. 그리고 난방과 급탕으로 구별될 수 있으며 건물에서 발생되는 부하에 따라 최적으로 대응함으로써 에너지 절약을 극대화할 수 있다.

2·1 난방 부하

난방은 전 부하로 운전하는 시간보다 부분 부하로 운전하는 시간이 훨씬 길다. 부분 부하 발생 시 기존의 중대형 보일러는 TDR이 낮거나 ON/OFF 제어를 하기 때문에 필요 열량보다 많은 열량을 생산하고 제어 정밀도에 따라 실내 온도가 필요 이상으로 높아지는 경향이 발생될 수 있어 운전 효율은 낮아진다.

이를 방지할 수 있는 방법은 TDR이 높은 열원 장비를 적용하거나 대수 제어를 하는 방식인데 이를 Cascade System에서 구현할 수 있으며 열원 흐름은 <그림 1>과 같다

<그림 1> 난방 Cascade System

2·2 급탕 부하

급탕 부하는 연중 발생되며 겨울철에는 높고 여름철에는 낮은 경향이 있다. 이 또한 전 부하로 운전되기보다 부분 부하가 대부분이며 물의 온도가 피부에 직접 닿기 때문에 매우 정밀하게 제어되어야 한다.

그러나 중대형 보일러는 이를 구현할 수 없어서 급탕 온도의 편차를 줄이고 장비의 열용량을 낮추기 위해 열에너지를 저장하는 저탕 탱크를 적용하고 있다.

일반적으로 에너지를 저장하는 경우는 심야 전기를 사용하는 것처럼 시간차를 극복하거나 충전지처럼 공간의 제약을 해소하기 위한 수단이다. 물론 에너지 저장 장치는 시간과 공간을 극복할 수 있는 장점이 있음에도 불구하고 초기투자비와 에너지 손실 측면에서 경제성은 낮다.

그런데 기존의 중대형 보일러가 일반적으로 시간과 공간의 제약을 받지 않음에도 불구하고 저탕 탱크를 적용하는 이유는 기술 발달이 미치지 못했기 때문일 것이며 이제는 이를 개선해야 할 필요가 있다고 판단된다.

저탕 탱크 방식에서는 열 손실에 의한 운전비 상승뿐만 아니라 위생성 저하, 유지 관리의 불편함, 설치 면적의 증가 등 많은 단점을 갖게 된다. 이러한 단점을 극복하기 위해서는 순간 급탕 방식을 적용해야 하며 Cascade System은 이에 최적화되어 있다. <그림 2>는 순간 급탕 Cascade System이다.

<그림 2> 순간 급탕 Cascade System

3. 설치 사례

건물은 용도와 규모, 위치, 사용자의 특징 등에 따라 열원 시스템의 구성과 운전 방식을 달리하게 된다. 시스템의 구성과 운전 방식은 유지 관리의 편리성뿐만 아니라 운전 효율성, 위생성 및 장비의 내구성에도 영향을 미칠 수가 있다.

그러므로 건물의 용도에 따른 일반적인 사항과 Cascade System을 적용함으로써 얻게 되는 특징을 확인하면 좀 더 합리적인 방법을 도출할 수 있을 것이다.

3·1 스포츠 시설 - 야구장

일반인이 관중으로 참여하는 프로 스포츠는 일과 이외의 시간인 주말과 야간에 경기하게 되는 경우가 많다. 축구와 농구는 시간에 제한이 있지만, 야구와 배구는 그렇지 않아서 경기 시간이 일정하지 않다. 또한, 축구와 야구는 하계 스포츠이고 농구와 배구는 동계 스포츠이다. 즉, 프로 스포츠 시설은 특정한 시기에 간헐적으로 사용되며 경기 시간은 일정치 않고, 선수 외에 다수의 관중이 이용하며 특별한 경우 공연 등 다른 용도로 사용될 수 있다.

따라서 급탕량은 경기가 끝나고 선수 샤워용으로 가장 많이 사용되며 경기 중에는 관중의 수세용으로 사용되므로 온수를 저장하여 열 손실이 발생하는 즉, 운전 효율이 낮은 저탕 탱크 방식보다 급탕 부하 발생 시간에만 공급할 수 있는 순간 급탕 방식이 적합한 것으로 판단된다.

<그림 3> 수원 KT 위즈파크와 Cascade System

수원에 있는 KT 위즈파크는 리모델링을 위한 도면에 중대형 보일러와 저탕탱크 방식으로 설계되었고

일부 연도 공사가 진행된 시점에서 재검토를 통해 열원을 변경하게 되었다. 검토 결과 간헐적으로 사용

하는 시설의 특성과 유지 관리의 편의성 향상을 위해 48,000kcal/hr×16대를 순간 급탕 Cascade

System으로 변경 적용하였다.

이에 따라 콘덴싱 효과뿐만 아니라 높은 TDR과 대수 제어로 운전 효율이 증대되어 20% 내외의 가스

량이 절감되는 것으로 추정된다. 그리고 표준 Protocol 중의 하나인 ModBus 방식으로 중앙 감시반에

연결함으로써 유지 관리의 편의성이 증대 되었다.

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