부하 측 에너지 절감을 위한 효과적인 유량제어 방법

최근 한국 내의 많은 현장에 차압독립형 유량제어밸브(Pressure Indepent Control Valve, 일명,

복합밸브)가 적용되고 있다. 불과 몇 년 전만 해도 대부분의 현장에는 전통적인 방식인 정유량

밸브(Balancing Valve)와 자동제어밸브(Control Valve)를 가지고 열원에 대한 유량 제어를 하고

있었다.

밸브 기술의 발전과 함께 새롭게 적용되는 차압독립형 유량제어밸브에 대한 이해를 위해 우선

전통적인 방식에 대한 설명과 이에 대한 한계점은 무엇인지 살펴보고, 이를 어떻게 개선하고

있는지 이론적으로 살펴보도록 한다.

보다 구체적인 이해를 위해 미국 Iowa Energy Center 내의 Energy Resource Station에서 복합밸

브(PICCV)와 2방제어밸브(Globe valve)에 대한 비교 성능 시험을 한 결과도 함께 보도록 한다.

1. 전통적인 유량제어 방식

모든 자동제어밸브는 기능적으로 보면 위치제어 밸브(Position Valve)이다. 이는 단순하게 자동제

어 출력 값이 보내는 신호에 맞는 위치(개도치)로 동작하게 된다. 이 때 개도치에 따른 밸브 전,

후단의 차압의 변화가 발생하면 통과되는 유량 값을 [그림-1]과 같이 변화될 수 밖에 없는 밸브

이다.

[그림-1] 차압의 변화에 따른 자동제어밸브의 유량 변화

이 경우 펌프와 가까운 곳에 설치한 자동제어밸브는 차압이 높게 걸리므로, 통과되는 유량이

많아질 수 밖에 없으며, 설계 최대 유량 이상으로 유체가 통과하게 되면, 전체 수배관 시스템에

서 말단 부위에 설치된 자동제어밸브의 경우 통과되는 유량이 모자랄 수 밖에 없다.

이를 방지하기 위해 우리는 정유량 밸브(Balancing Valve)를 설치한다. 정유량 밸브는 설계 유량

으로 설정하여 밸브를 통과하는 유량이 설정 최대 유량 이상으로 통과되지 않도록 동작하게 된

다. 그러므로 말미암아 전체 수배관 시스템에서 말단 부위까지 우리가 원하는 열원을 골고루

분배될 수 있도록 역할을 하는 것이다.

그러므로 정유량 밸브는 기능적으로 보면 최대유량 제어밸브라고 말할 수 있다. 하지만 자동제

어 밸브의 경우 열량 제어를 위해 밸브가 항상 최대로 동작하는 것은 아니다, 대부분 부분부하

구간에서 동작하게끔 되어 있다. 부분 부하 구간에서는 최대유량 이상으로 통과되는 것이 아니

므로 아래의 [그림-2]와 같이 유량은 차압의 변화에 따라 함께 변화될 수 밖에 없다.

[그림-2] 전통적인 유량제어 방식일 경우 차압-유량 곡선

2. 차압독립형 유량제어 방식

복합밸브라 불리는 제품은 원어적으로 보면 PICV(Pressure Independent Control Valve) 즉, 차압

독립형 유량제어 밸브이다. 우리가 알고 있는 자동제어 밸브는 PDCV(Pressure Dependent

Control Valve), 즉 차압 의존형 제어밸브이다.

차압독립형 유량제어 밸브는 자동제어 출력 값이 보내는 신호에 따라 해당 유량을 통과시키는

위치로 동작하게 된다. 이 때 출력 신호에 따른 밸브 전, 후단의 차압의 변화가 발생해도 통과

되는 유량 값은 [그림-3]과 같이 거의 일정하게 통과되는 밸브이다.

[그림-3] 차압의 변화에 따른 복합밸브의 유량 변화

차압독립형 유량조절밸브는 전통적인 유량제어 방식과는 달리 아래의 [그림-4]와 같이 최대유량

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 밸브의 종류

차압독립형 유량제어 밸브에는 정유량 방식에 따른 두 가지 종류가 있다. 하나는 기계식 차압

독립형 유량제어 밸브(일명, 기계식 복합밸브)이고, 다른 하나는 전자식 차압독립형 유량제어 밸

브(일명, 전자식 복합밸브)이다.

기계식 복합밸브의 구조를 보면 아래의 [그림-5]와 같이 기계식 조절장치(Regulator)가 있다. 각

사마다 형태는 다르지만 유사한 구조라고 보면 된다.

[그림-5] 기계식 복합밸브 내부 구조 및 조절기(Regulator) 동작 원리

예를 들면, 밸브 전, 후단의 차압이 일정한 상태라면, 일정한 유속으로 밸브를 통과하게 될 것

이다. 이 경우 기계식 조절기 내의 다이어프램(diaphragm)과 스프링(spring)의 작용을 통해 일

정한 통과 단면적을 유지하게 된다.

만일 밸브 전, 후단의 차압의 증가하게 되면, 유속은 이와 비례하여 빨라지게 될 것이다. 이 경

우 기계식 조절기가 작동하지 않는다면, 동일한 단면적에 통과되는 유속이 빨라지므로 밸브를

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 빨라

졌으므로 여전히 통과되는 유량은 일정하게 될 것이다.

[그림-6] 차압 증가에 따른 기계식 복합밸브 내부 구조 및 조절기(Regulator) 동작 원리

위와 같은 기계식 조절기(regulator)의 동작에 의해 기계식 복합밸브는 차압의 변화에 관계없이

출력신호에 따른 일정한 유량을 통과시키게 되는 것이다.

전자식 복합밸브의 경우 기계식 복합밸브와 달리 기계식 조절기(regulator)가 보이지 않고, 전자

식 유량계가 보이는 아래의 [그림-7]과 같은 구조이다.

[그림-7] 전자식 복합밸브의 구조

유량 선정 공식을 보면 이다. 즉 유량은 유량계수와 밸브의 차압 값에 따라

결정된다. 그러므로 차압이 증가하면 유량에 비례하므로 유량도 함께 증가하게 되는 것이다.

전자식 복합밸브의 유량 선정 공식도 동일하다. 이다. 즉 유량은 밸브의 개도치 α)

와 밸브의 차압 값에 따라 동일하게 결정된다. 예를 들어 밸브의 개도치가 50%이고, 밸브 전,

후단의 차압이 2K일때, 통과되는 유량이 100LPM이라고 하면, 동일한 밸브 개도치 50%에서 밸

브 전, 후단의 차압이 3K로 변경될 경우 통과되는 유량은 100LPM 이상일 것이다. 이 경우 밸

브의 개도치(α)를 40% 정도(임의의 값임)로 줄여주면 차압이 증가되었지만 개도치(즉, 통과 단

면적)가 줄어들어 통과되는 유량은 여전히 100LPM이 될 수 있다는 것이 전자식 복합밸브의 원

리이다.

전자식 복합밸브에는 전자식 유량계가 포함되어 있다. 그래서 차압의 변화를 유속의 변화로 인

식하여 실시간 측정된 유속에 대한 자료를 지능형 구동기로 전달하고 이 지능형 구동기는 자동

제어 DDC 혹은 Controller에서 요구하는 출력 값을 비교하여 PI 제어를 통해 항상 요구되는 유

량을 유지시킨다. 즉, 기존 자동제어 밸브 및 기계식 복합밸브의 경우 자동제어 DDC 혹은

Controller에서 몇 % 열어라 라고 출력 신호를 주면 그 신호에 맞는 위치(몇 %에 해당하는)로

동작하는 밸브이고, 전자식 복합밸브의 경우 자동제어 DDC 혹은 Controller에서 몇 % 열어라

라고 출력 신호를 주면 몇 %의 개도치 일 때 통과시켜 주어야 하는 유량을 계산하여 해당 유

량을 통과시켜 줄 수 있는 위치로 동작하는 것이다. 구동기의 역할로 보면 기존 자동제어 밸브

및 기계식 복합밸브는 단순한 위치로만 동작하는 Position 밸브이고 전자식 복합밸브는 설정 유

량 값에 맞게끔 계산하여 동작하는 유량 제어 밸브이다.

그리고, 전자식 복합밸브는 유량계 일체형 제품이므로 실 측정한 유량 값을 제공해 줄 수 있는

추가적인 기능이 있다.

4. 2방제어밸브(Globe)와 차압독립형 유량제어밸브(PICV)에 대한 비교 성능 시험

이 시험은 미국 Iowa Energy Center 내의 Energy Resource Station에서 복합밸브(PICCV)와 2방

제어밸브(Globe valve)에 대한 비교 성능 시험을 한 결과이다. 장비는 [그림 8-1] 보여주는 것처

럼 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.

[그림8-1] 실험실 배치도 [그림8-2] 실험실 장비 계통도

4.1 시험 대상

Globe type 자동제어 밸브 및 기계식 복합밸브

4.2 시험 방법

Energy Resource Station 내의 동일한 공조기에 복합밸브 및 제어밸브를 각각 설치하여 동

일한 설정온도와 시간을 정해 각각의 공급압력, 밸브 전, 후단 차압, 코일을 통과하는 유량,

밸브 제어 신호 및 밸브의 피드백(포지션) 신호에 대한 값을 수집하여 이를 제어 성능 항목

에 맞게 그래프를 작성한다.

4.3 시험 결과

4.3.1 밸브 유량 특성

[그림9-1]은 밸브 전, 후단의 차압이 7psi(48.3kPa) 일 때, 밸브 출력 신호에 따른 제어밸브

및 복합밸브를 통과하는 밸브의 유량제어 특성 그래프이다. 기계식 복합밸브(PICV)의 경우

등비율(Equal-percentage) 특성을 나타냄을 알 수 있고, 자동제어 밸브의 경우 거의 선형

(Linear) 특성을 나타내고 있다.

[그림-9] 자동제어밸브 및 복합밸브의 유량 특성 시험

4.3.2 차압의 변화에 따른 유량 특성

밸브 전, 후단의 차압의 변화에 따른 밸브 유량 특성의 경우 복합밸브(PICV)는 [그림-3]을

보면 차압의 변화와는 거의 독립적으로 유량 제어가 됨을 알 수 있다. 자동제어 밸브는 [그

림-1]에 나타난 것처럼 차압이 커질수록 동일한 밸브 개도치에서 통과되는 유량이 증가됨을

알 수 있다.

[그림-1]과 [그림-3]을 가지고 차압의 변화에 따른 유량의 변화를 [그림-10]을 가지고 살펴

보도록 한다.

[그림-10] 전통적인 방식과 차압독립형 유량제어 방식 간의 에너지 낭비 비교

예를 들어 [그림-10]을 보면 좌측의 자동제어 밸브의 개도치가 40%일 경우 차압이 5~30 psi

로 변화될 때, 유량은 1.2~2.8 GPM으로 변화된다. 즉, 밸브는 차압이 일정하다는 전체 하에

선정하여 유량을 공급하는데 실제 유량은 차압에 따라 필요 이상의 유량을 공급하게 되므로

적색으로 명기된 낭비구역(Waste Zone)이 크게 발생하게 된다.

[그림-10]의 우측 복합밸브를 보면 개도치가 40%일 경우 차압이 5~30 psi로 변화될 때, 유량

은 0.3~0.4 GPM으로 변화된다. 즉, 밸브의 차압이 변화되더라도 공급되는 유량은 거의 일정

하게 되어, 필요 이상의 유량을 공급하게 되는 적색으로 명기된 낭비구역(Waste Zone)이 훨

씬 적게 발생하게 된다.

4.3.3 유량과 공급온도 제어 비교

[그림-11]은 시간에 따른 냉수 유량 변화에 대한 그래프이다. [그림-11]의 좌측 복합밸브

(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 밸브를 통과하는 유량이 4 GPM(0.252 L/s) 아래에서는 매

우 불안정한 모습을 보인다. 이것은 공급온도 제어에도 불안정한 영향을 미친다.

[그림-12]의 우측 자동제어 밸브는 낮은 부하 조건인 공급 설정온도가 64°F(17.78°C) 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 밸브를 보면 유량의 변화가 심하게 나타남을 볼 수 있다. 이는

밸브의 다른 용어로 설명 하자면 밸브 권한(authority)이 낮다라고 볼 수 있다. 밸브 권한

(authority)는 밸브가 얼마만큼의 권한을 가지고 유량 제어를 하느냐를 숫자로 나타내는 것

으로 예를 들어 “1”이라고 하면 권한을 100% 가지고 있는 이상적인 밸브를 이야기한다. 일

반적으로 자동제어 밸브의 권한(authority)는 0.4~0.5를 나타내며, 복합밸브는 1을 나타낸다.

이는 밸브가 10% 움직였을 때, 실제 유량이 10% 변화될 확률이 40~50% 정도임을 뜻하는

것이다.

4.3.4 밸브 구동기의 누적동작, 누적 전환 및 냉수유량의 누적 변화

제어성능을 나타내는 또 다른 결과는 [그림-13] 구동기 동작 누적, [그림-14] 구동기 전환동

작 누적, 그리고 [그림-15] 냉수유량 변화량 누적이다.

[그림-13]의 구동기 동작 누적은 복합밸브(PICV)가 자동제어 밸브보다 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

4.3.5 시간에 따른 순환 펌프 소비 전력 비교

시간에 따른 순환펌프의 동력 사용량을 비교한 [그림-16]을 보면 복합밸브(PICV)를 사용하

는 경우가 자동제어 밸브(Globe valve)를 사용하는 것보다 적음을 알 수 있다. 변유량 펌프

를 적용하는 경우 유량 사용량이 감소하면 비례하여 동력사용량도 줄어듦을 알 수 있다.

[그림-17] 시간에 따른 순환펌프 동력 사용량 비교

4.4 시험 결과 요약

Iowa Energy Center의 위와 같은 시험을 통해 다음과 같은 사실들이 증명되었다.

- 복합밸브(PICV)의 유량 특성은 등비율(Equal-percentage) 특성을 나타낸다.

- 복합밸브(PICV)는 차압의 변화와 관계없이 독립적인 유량 제어가 됨을 알 수 있다.

- 복합밸브(PICV)는 설정 값에 따른 유량 변화에도 안정적으로 제공됨을 알 수 있다. 자동

제어 밸브의 경우 전체적으로 6배 이상 유량 변화가 있었음을 알 수 있다.

- 복합밸브(PICV) 구동기의 동작은 일반 자동제어 밸브 보다 37% 가량 적고, 전환동작은 6

배 정도 적음을 알 수 있다. 동작이 적다는 것은 소비 전력이 낮아지고, 제품의 내구성도

증가되는 것이다.

- 복합밸브(PICV)는 낮은 부하(0.2 GPM)에서도 안정적인 유량제어가 가능하나, 일반 자동제

어 밸브의 경우 4 GPM (0.252 L/s) 아래에서는 매우 불안정한 모습을 보인다.

- 복합밸브(PICCV)를 적용하면 장비의 열량제어를 이상적인 선형(Linear) 제어를 달성할 수

있다.

- 복합밸브(PICV)는 밸브 권한(Authority)이 높으므로 원하는 유량제어가 가능해지며, 좀 더

안정적으로 설정 온도를 맞출 수 있다.

- 설정 온도를 도달하기 위해 복합밸브는 제어밸브에 비해 더 적은 유량과 안정적인 유량

을 가지고 달성하며, 이는 결과적으로 펌프의 동력 사용량을 줄일 것이다.

5. 에너지 절감 검토를 위한 실 적용 사례 검토

5.1 프로젝트 개요

- Shell Point Retirement Community (Fort Myers, FL) 내 Parkwood Residential 및

Lakewood Residential 건물

- 1~6층 건물, 층당 14개의 Residential room, 총 84개 Room, Room 마다 개별 FCU 적용

(4-pipe system)

- 적용밸브 외의 모든 조건은 동일한 건물임

- Parkwood Residential 에는 차압독립형 유량제어 밸브(PICV) 적용

- Lakewood Residential 에는 자동제어 밸브 및 정유량 밸브 적용

- 에너지 성능을 분석하기 위해 상기 건물에 분석 툴을 가지고 운영함

- 에너지 효율 진단은 미국 Energy Concepts Engineering, P.C.에서 진행한 결과임

5.2 건물 운영 결과 TABLE

1년 365일 동안 냉방 및 난방 열원을 사용하였고, 이에 대한 복합밸브와 자동제어밸브의

유량 사용량을 분석한 자료는 아래 [표-1]과 같다.

[표-1] 전통적인 방식과 차압독립형 유량제어 방식 간의 연간 유량 사용량 비교표

5.3 요약

상기 프로젝트는 FCU 밸브에 대한 차압독립형 유량제어밸브와 일반 자동제어 밸브 적용을 비

교하였으며 그 내용 및 결과는 아래와 같다.

- 상기 현장은 유량 값이 크지 않는 FCU를 대상으로 적용한 내용이며, 대부분의 밸브는

15mm이다.

- AHU 등 유량 값이 큰 장비의 경우 실제 냉, 난방에 따른 밸브 별 유량 차가 좀 더 크게

발생할 수 있다.

- 복합밸브(PICV) 적용 할 경우, 자동제어 밸브 적용 시와 비교하면 10% 정도의 유량 사용

량이 절감됨을 알 수 있다.

- 특히, 저유량 구간의 경우 복합밸브(PICV)와 자동제어밸브(2-WAY)의 유량 차가 현저하게

발생함을 알 수 있다.

- 복합밸브(PICV)의 경우 부하에 따른 설계 유량 값을 정확히 제어함을 알 수 있다.

- 유량은 순환펌프 동력 사용량에 비례하며, 이를 근거로 펌프의 전력 사용량의 감소됨을

알 수 있다.

- 단순하게 유량 절감 량만 검토한 내용이며, 냉동기의 효율 증가와 에너지 사용량 절감 량

등은 반영하지 않았다

6. 결론

우리는 위의 시험과 적용 사례를 보고 한 가지 분명한 사실을 알 수 있다.

전통적인 유량제어 방식에는 분명한 한계점을 가지고 있고, 에너지 관점에서 본다면 더 더욱

아쉬움이 있는 방식이다.

차압독립형 유량제어 밸브(일명, 복합밸브)는 이러한 한계를 극복하기 위해 개발된 제품이며, 현

장 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 복합밸브를 적용한다면 실 측정된 유량 값을 제공 받을 수 있어

BEMS(Building Energy Management System) 적용 현장에서 별도의 유량계를 설치하지 않고 전

자식 복합밸브에서 제공하는 유량 값(DATA)를 활용할 수 있다.

또한 에너지 측정 및 진단 그리고 분석을 통한 개선 방안을 찾는 것도 중요하지만, 실제 에너

지를 사용하는 부하 단에서 에너지를 절감하는 제품을 적용하는 것이 좀 더 효과적인 방법일

수 있다. 그런 점에서 차압독립형 유량제어 밸브는 분명히 검토할 가치가 있다.