최근 한국 내의 많은 현장에 차압 독립형 유량제어벨브(Pressure Independ Control Valve, 일명 복합벨브)가 적용되고 있다.
불과 몇 년 전만 해도 대부분의 현장에는 전통적인 방식인 정유량 벨브 (Balancing Valve)와 자동제어벨브(Control Valve)를
가지고 열원에 대한 유량 제어를 하고 있었다.
벨브 기술의 발전과 함께 새롭게 적용되는 차압독립형 유량제어벨브에 대한 이해를 위해 우선 전통적인 방식에 대한 설명과
이에 대한 한계점은 무엇인지 살펴보고, 이를 어떻게 개선하고 있는지 이론적으로 설펴보도록 한다.
보다 구체적인 이해를 위해 미국 Iowa Energy Center 내의 Energy Resource Station 에서 복합벨브 (PICCV)와 2방제어벨브
(Globe Valve)에 대한 비교 성능 시험을 한 결과도 함께 보도록 한다.
1. 전통적인 유량제어 방식
모든 자동제어벨브는 기능적으로 보면 위치제어 벨브(Position Valve)이다. 이는 단순하게 자동제어 출력 값이 보내는 신호에
맞는 위치(개도치)로 동작하게 된다. 이 때 개도치에 따른 벨브 전, 후단의 차압의 변화가 발생하면 통과되는 유량 값을 다음
[그림 1]과 같이 변화될 수 밖에 없는 벨브이다.
[그림 1] 차압의 변화에 따른 자동제어벨브의 유량변화
이 경우 펌프와 가까운 곳에 설치한 자동제어벨브는 차압이 높게 걸리므로, 통과되는 유량이 많아질 수 밖에 없으며,
설계 최대 유량 이상으로 유체가 통과하게 되면, 전체 수배관 시스템에서 말단 부위에 설치된 자동제어벨브의 경우
통과되는 유량이 모자랄 수 밖에 없다.
이를 방지하기 위해 우리는 정유량 벨브(Balancing Valve)를 설치한다. 정유량 벨브는 설계 유량으로 설정하여 벨브를
통과하는 유량이 설정 최대 유량 이상으로 통과되지 않도록 동작하게 된다. 그러므로 말미암아 전체 수배관 시스템에서
말단 부위까지 우리가 원하는 열원을 골고루 분배될 수 있드록 역활을 하는 것이다.
그러므로 정유량 벨브는 기능적으로 보면 최대유량 제어벨브라고 말할 수 있다. 하지만 자동제어 벨브의 경우 열량 제어를
위해 벨브가 항상 최대로 동작하는 것은 아니다. 대부분 부분 부하 구간에서 동작하게끔 되어 있다. 부분 부하 구간에서는
최대유량 이상으로 통과되는 것이 아니므로 아래의 [그림 2]와 같이 유량은 차압의 변화에 따라 함께 변화 될 수 밖에 없다.
[그림 2] 전통적인 유량제어 방식일 경우 차압 - 유량 곡선
2. 차압독립형 유량제어 방식
복합벨브라 불리는 제품은 원어적으로 보면 PICV(Pressure Independent Control Valve) 즉, 차압독립형 유량제어 벨브이다.
우리가 알고 있는 자동제어 벨브는 PDCV(Pressure Dependent Control Valve), 즉, 차압 의존형 제어벨브이다.
차압독립형 유량제어 벨브는 자동제어 출력 값이 보내는 신호에 따라 해당 유량을 통과시키는 위치로 동작하게 된다.
이 때 출력 신호에 따른 벨브 전, 후단의 차압의 변화가 발생해도 통과되는 유량 값은 [그림 3]과 같이 거의 일정하게
통과되는 벨브이다.
[그림 3] 차압의 변화에 따른 복합벨브의 유량 변화
차압독립형 유량조절벨브는 전통적인 유량제어 방식과는 달리 아래의 [그림 4]와 같이 최대 유량 구간뿐 아니라,
그 이하의 저유량 구간에서도 차압의 변화에 관계없이 출력 신호에 따른 해당 유량을 일정하게 통과 시킴을 알 수 있다.
[그림 4] 차압독립형 유량제어 방식일 경우 차압 - 유량 곡선
3. 차압독립형 유량제어 벨브의 종류
차압독립형 유량제어 벨브에는 정유량 방식에 따른 두 가지 종류가 있다. 하나는 기계식 차압 독립형 유량제어 벨브
(일명, 기계식 복합벨브)이고, 다른 하나는 전자식 차압독립형 유량제어 벨브(일명, 전자식 복합벨브)이다.
기계식 복합벨브의 구조를 보면 아래의 [그림 5]와 같이 기계식 조립장치(Regulator)가 있다. 각 사마다 형태는 다르지만
유사한 구조라고 보면 된다.
[그림 5] 기계식 복합벨브 내부 구조 및 조절기(Regulator) 동작 원리
예를 들면, 벨브 전, 후단의 차압이 일정한 상태라면, 일정한 유속으로 벨브를 통과하게 될 것이다. 이 경우 기계식 조절기
내의 다이어프램(Diaphragm)과 스프링(Spring)의 작용을 통해 일정한 통과 단면적을 유지하게 된다.
만일 벨브 전, 후단의 차압의 증가하게 되면, 유속은 이와 비례하여 빨라지게 될 것이다. 이 경우 기계식 조절기가 작동하지
않는다면, 동일한 단면적에 통과되는 유속이 빨라지므로 벨브를 통과하는 유량은 증가될 수 밖에 없을 것이다.
하지만, 이 경우 기계식 조절기(Regulator)가 아래의 [그림 6]과 같이 다이어프램(Diaphragm)과 스프링(Spring)의 동작에
의해 통과되는 단면적은 줄어들게 되며, 유속은 차압에 비례하여 빨라졌으므로 여전히 통과되는 유량은 일정하게 될 것이다.
[그림 6] 차압 증가에 따른 기계식 복합벨브 내부 구조 및 조절기(Regulator) 동작 원리
위와 같은 기계식 조절기(Regulator)의 동작에 의해 기계식 복합벨브는 차압의 변화에 관계없이 출력신호에 따른 일정한
유량을 통과시키게 되는 것이다.
전자식 복합벨브의 경우 기계식 복합벨브와 달리 기계식 조절기(Regulator)가 보이지 않고, 전자식 유량계가 보이는 아래의
[그림 7]과 같은 구조이다.
[그림 7] 전자식 복합벨브의 구조
유량 선정 공식을 보면 
증가하면 유량에 비례하므로 유량도 함께 증가하게 되는 것이다.
전자식 복합벨브의 유량 선정 공식도 동일하다. 
동일하게 결정된다. 예를 들어 벨브의 개도치가 50%이고, 벨브 전, 후단의 차압이 3K로 변경될 경우 통과되는 유량은
100 LPM 이상일 것이다. 이 경우 벨브의 개도치(α)를 40% 정도(임의의 값임)로 줄여주면 차압이 증가되었지만 개도치
(즉, 통과 단면적)가 줄어들어 통과되는 유량은 여전히 100 LPM 이 될 수 있다는 것이 전자식 복합벨브의 원리이다.
전자식 복합벨브에는 전자식 유량계가 포함되어 있다. 그래서 차압의 변화를 유속의 변화로 인식하여 실시간 측정된 유속에
대한 자료를 지능형 구동기로 전달하고 이 지능형 구동기는 자동제어 DDC 혹은 Controller 에서 요구하는 출력 값을 비교
하여 PI 제어를 통해 항상 요구되는 유량을 유지시킨다. 즉, 기본 자동제어 벨브 및 기계식 복합벨브의 경우 자동제어 DDC
혹인 동작하는 벨브이고, 전자식 복합벨브의 경우 자동제어 DDC 혹은 Controller에서 몇 % 열어라라고 출력 신호를 주면
몇 %의 개도치 일 때 통과시켜 주어야 하는 유량을 계산하여 해당 유량을 통과시켜 줄 수 있는 위치로 동작하는 것이다.
구동기의 역활로 보면 기존 자동제어 벨브 및 기계식 복합벨브는 단순한 위치로만 동작하는 Position 벨브이고 전자식
복합벨브는 설정 유량 값에 맞게끔 계산하여 동작하는 유량 제어 벨브이다.
그리고, 전자식 복합벨브는 유량계 일체형 제품이므로 실 측정한 유량 값을 제공해 줄 수 있는 추가적인 기능이 있다.