4. 2방제어벨브(Globe)와 차압독립형 유량제어벨브(PICV)에 대한 비교 성능 시험
이 시험은 미국 Iowa Energy Center 내의 Energy Resource Station 에서 복합벨브(PICCV)와 2방제어벨브(Globe Valve)에
대한 비교 성능 시험을 한 결과이다. 장비는 [그림 8-1] 에서 보여주는 것 처럼 동일한 조건에서 이루어 지도록 하였다.
그리고 여러 시험 중 이 장에서는 일반적인 사무실 건물에서 공조기의 운전 제어 성능과 관련된 부분만 다루도록 한다.
관련된 계통도는 [그림 8-2]와 같다.
[그림 8-1] 실험실 배치도
[그림 8-2] 실험실 장비 계통도
4.1 시험 대상
Globe type 자동제어 벨브 및 기계식 복합벨브
4.2 시험 방법
Energy Resource Station 내의 동일한 공조기에 복합벨브 및 제어벨브를 각각 설치하여 동일한 설정온도와 시간을 정해
각각의 공급압력, 벨브 전, 후단 차압, 코일을 통과하는 유량, 벨브 제어 신호 및 벨브의 피드백(포지션) 신호에 대한 값을
수집하여 이를 제어 성능 항목에 맞게 그래프를 작성한다.
4.3 시험 결과
(1) 벨브 유량 특성
[그림 9-1]은 벨브 전, 후단의 차압이 7 psi(48.3kPa) 일 때, 벨브 출력 신호에 따른 제어벨브 및 복합벨브를 통과하는 벨브의
유량제어 특성 그래프이다. 기계식 복합벨브(PICV)의 경우 등비율(Equal-percentage) 특성을 나타냄을 알 수 있고, 자동제어
벨브의 경우 거의 선형(Linear) 특성을 나타내고 있다.
[그림 9-1] 자동제어벨브 및 복합벨브의 유량 특성 시험
(2) 차압의 변화에 따른 유량 특성
벨브 전, 후단의 차압의 변화에 따른 벨브 유량 특성의 경우 복합벨브(PICV)는 [그림 3]을 보면 차압의 변화와는 거의 독립적
으로 유량 제어가 됨을 알 수 있다. 자동제어 벨브는 [그림 1]에 나타난 것처럼 차압이 커질수록 동일한 벨브 개도치에서
통과되는 유량이 증가됨을 알 수 있다.
[그림 1]과 [그림 3]을 가지고 차압의 변화에 따른 유량의 변화를 [그림 10]을 가지고 살펴보도록 한다.
[그림 10] 전통적인 방식과 차압독립형 유량제어 방식 간의 에너지 낭비 비교
예를 들어 [그림 10]을 보면 위쪽의 자동제어 벨브의 개도치가 40%일 경우 차압이 5~30 psi 로 변화될 때,
유량은 1.2~2.8 GPM으로 변화된다. 즉, 벨브는 차압이 일정하다는 전제 하에 선정하여 유량을 공급하는데
실제 유량은 차압에 따라 필요 이상이 유량을 공급하게 되므로 적색으로 명기된 낭비구역 (Waste Zone)이
크게 발생하게 된다.
[그림 10]의 아래쪽 복합밸브를 보면 개도치가 40%일 경우 차압이 5~30 psi 로 변화될 때, 유량은 0.3~0.4 GPM 으로
변화된다. 즉, 벨브의 차압이 변화되더라도 공급되는 유량은 거의 일정하게 되어, 필요 이상의 유량을 공급하게 되는
적색으로 명기된 낭비구역(Waste Zone)이 훨씬 적게 발생하게 된다.
(3) 유량과 공급온도 제어 비교
[그림 11]은 시간에 따른 냉수 유량 변화에 대한 그래프이다. [그림 11]의 좌측 복합벨브(PICV)는 낮은 유량 범위를 포함하여
매우 안정적인 유량 공급을 보여주고 있다. 이는 [그림 12]의 좌측 그림처럼 공급온도 제어에 있어서도 안정적인 특성을
나타낸다.
반면 [그림 11]의 우측 자동제어 벨브를 통과하는 유량이 4 GPM (0.252 L/s) 아래에서는 매우 불안정한 모습을 보인다.
이것은 공급온도 제어에 있어서도 불안정한 영향을 미친다.
[그림 12]의 우측 자동제어 벨브는 낮은 부하 조건인 공급 설정온도가 64℉(17.78℃) 이상 올라갈 때 설정 값에서 심하게
동요됨을 보여주고 있다.
[그림 11] 시간에 따른 유량 변화 비교
[그림 12] 시간에 따른 온도 변화 비교
[그림 11]의 우측 자동제어 벨브를 보면 유량의 변화가 심하게 나타남을 볼 수 있다. 이는 벨브의 다른 용어로 설명하자면
벨브 권한(Authority)이 낮다라고 볼 수 있다. 벨브 권한(Authority)는 벨브가 얼마만큼의 권한을 가지고 유량 제어를 하느냐를
숫자로 나타내는 것으로 예를 들어 "1"이라고 하면 권한을 100% 가지고 있는 이상적인 벨브를 이야기한다. 일반적으로
자동제어 벨브의 권한(Authority)는 0.4~0.5 를 나타내며, 복합벨브는 1을 나타낸다. 이는 벨브가 10% 움직였을 때,
실제 유량이 10% 변화될 확률이 40~50% 정도임을 뜻하는 것이다.
(4) 벨브 구동기의 누적동작, 누적 전환 및 냉수유량의 누적 변화
제어성능을 나타내는 또 다른 결과는 [그림 13] 구동기 동작 누적, [그림 14] 구동기 전환 동작 누적,
그리고 [그림 15] 냉수유량 변화량 누적이다.
[그림 13]의 구동기 동작 누적은 복합벨브(PICV)가 자동제어 벨브보다 37%가 적고, [그림 14]의 구동기 전환동작 누적은
6배가 적고, [그림 15]의 냉수유량 변화량 누적은 4배 적음을 알 수 있다.
[그림 13] 구동기 동작 누적 비교 [그림 14] 구동기 전환동작 누적 비교
[그림 15] 시간에 따른 냉수 유량 변화량 비교
(5) 시간에 따른 순환 펌프 소비 전력 비교
시간에 따른 순환펌프의 동력 사용량을 비교한 [그림 16]을 보면 복합벨브(PICV)를 사용하는 경우가 자동제어 벨브
(Globe valve)를 사용하는 것 보다 적음을 알 수 있다. 변유량 펌프를 적용하는 경우 유량 사용량이 감소하면 비례하여
동력사용량도 줄어듦을 알 수 있다.
[그림 16] 시간에 따른 순환펌프 동력 사용량 비교
(6) 시험 결과 요약
Iowa Energy Center의 위와 같은 시험을 통해 다음과 같은 사실들이 증명되었다.
- 복합벨브(PICV)의 유량 특성은 등비율(Equal-percentage) 특성을 나타낸다.
- 복합벨브(PICV)의 차압의 변화와 관계없이 독립적인 유량 제어가 됨을 알 수 있다.
- 복합벨브(PICV)는 설정 값에 따른 유량 변화에도 안정적으로 제공됨을 알 수 있다. 자동 제어 벨브의 경우 전체적으로 6배
이상 유량 변화가 있었음을 알 수 있다.
- 복합벨브(PICV) 구동기의 동작은 일반 자동제어 벨브 보다 37% 가량 적고, 전환동작은 6배 정도 적음을 알 수 있다.
동작이 적다는 것은 소비 전력이 낮아지고, 제품의 내구성도 증가되는 것이다.
- 복합벨브(PICV)는 낮은 부하(0.2 GPM)에서도 안정적인 유량제어가 가능하나, 일반 자동제어 벨브의 경우 4 GPM (0.252 L/s)
아래에서는 매우 불안정한 모습을 보인다.
- 복합벨브(PICV)를 적용하면 장비의 열량제어를 이상적인 선형(Linear) 제어를 달성할 수 있다.
- 복합벨브(PICV)를 벨브 권한(Authority)이 높으므로 원하는 유량제어가 가능해지며, 좀 더 안정적으로 설정 온도를 맞출 수
있다.
- 설정 온도를 도달하기 위해 복합벨브는 제어벨브에 비해 더 적은 유량과 안정적인 유량을 가지고 달성하며, 이는 결과적
으로 펌프의 동력 사용량을 줄일 것이다.
5. 결론
전통적인 유량제어 방식에는 분명한 한계점을 가지고 있고, 에너지 관점에서 본다면 더 더욱 아쉬움이 있는 방식이다.
차압독립형 유량제어 벨브(일명, 복합벨브)는 이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 제품이며, 현장 적용 사례를 보더라도
분명한 개선점이 있음을 알 수 있다.
에너지 절감 및 효율 증대뿐 아니라 부수적으로 시공의 편리성과 유지보수의 간편함을 가질 수 있는 제품이며, 만일 전자식
복합벨브를 적용한다면 실 측정된 유량 값을 제공 받을 수 있어 BEMS (Building Energy Management System) 적용 현장에서
별도의 유량계를 설치하지 않고 전자식 복합벨브에서 제공하는 유량 값(DATA)를 활용할 수 있다.
또한 에너지 측정 및 진단 그리고 분석을 통한 개선 방안을 찾는 것도 중요하지만, 실제 에너지를 사용하는 부하 단에서
에너지를 절감하는 제품을 적용하는 것이 좀 더 효과적인 방법일 수 있다. 그런 점에서 차압독립형 유량제어 벨브는 분명히
검토할 가치가 있다.