현시대의 화두는 에너지 절약이다. 문명의 발전과 더불어 속도의 경쟁 속에서 불가피한 화석연료의 무분별한 사용으로 자연환경이 자정 능력을 잃어 그로 인한 생물의 자연 생태계 소멸이 가속화되고, 환경변화에 따른 변이 바이러스의 출현으로 인류는 막대한 대가를 지불하고 있는 현실이다.

건축물의 에너지 절약은 건축물의 건축주, 시행, 설계, 시공, 정책 관련 관계자들이 필수적 사명감으로 임해야 한다고 본다. 이에 건축물에서의 에너지 절약을 획기적으로 달성 할 수 있는 건축물 융합 에너지 절약 시스템 Total Energy Cut Down System(TECS4.0)을 소개하고자 한다. /편집자 주

18Hz로 25% 부분 부하운전

◇ TECS 4.0
중앙 냉난방 건축물의 에너지절약 전문 기업인 이투지(주)가 개발한 TECS 4.0은 공조 설비의 융합을 통해 실질적 에너지를 약 40% 절감할 수 있는 획기적인 기술이다. 미래 건축물에서의 에너지 절약은 물론 ZEB, 탄소 중립을 실현하고 스마트 시티를 구성하는데 초석이 되는 건축물의 기본데이터를 제공할 수 있는 융복합기술인 셈이다.

TECS 4.0은 신축 또는 개·보수 건축물의 중앙공조 시스템만이 아닌 지열, 빙축열 등 2차 측 열공급 시스템에도 적용된다. TECS 4.0은 저유량냉동기, 인버터 일체형 순환펌프, 데이터 전송기능 제어밸브, 자동제어시스템이 일체화된 융합 공조시스템을 말한다.

저유량(변유량)냉동기는 정격 냉수 유량의 25%(부분 부하 운전)에도 운전이 가능한 냉동기를 말한다.

현재까지 일반적으로 사용되는 냉동기는 ‘정유량 냉동기’로 냉수 유량이 감소하면 안전장치가 내장돼 운전을 멈추게 돼 있다. 이에 부분 부하에서도 냉수 순환펌프는 항상 100% 운전을 해야 하고, 그로 인해 수배관시스템계에서는 과유량에 의한 과차압력이 유발돼 각종 이상 현상이 발생하고 있다.

또 잉여 유량이 열량의 소비 없이 차압 밸브를 통해 냉동기로 회수되면서 냉동기의 입·출구 온도 차가 5℃ 이상을 유지하지 못하는 관계로 냉동기의 효율 또한 저하되는 악순환을 반복하면서 75%(IPLV기준)의 펌프 동력이 낭비되고, 냉동기의 입·출구 온도 차가 정상 범위보다 작아지면서 냉동기 효율은 약 20~30% 저하하게 되는 것이다.

일반적으로 인버터 순환 펌프는 펌프 분리형을 많이 사용하고 있다. 펌프 분리형의 경우 판넬의 설치 장소 확보와 펌프와 판넬 간 전기, 통신 배선이 이루어져야 한다.

TECS 4.0에서는 인버터 일체형 순환펌프를 적용해 판넬의 설치공간이 불필요하고, 전기, 통신 배관 역시 단순화할 수 있다. 인버터 순환펌프는 운전 가능 주파수가 매우 중요한데, 일반적인 인버터 순환펌프는 30Hz 이하의 운전이 어렵다.

이는 부분 부하에서 에너지절감 폭이 적고, 부분 부하에 대응하는 능력이 부족하다는 의미다.

TECS 4.0 에서는 18Hz 운전이 가능하고 소비전력, 펌핑 유량값 등 다양한 데이터를 전송하는 기능을 갖는 인버터 일체형 펌프를 적용해 최적의 부분 부하에 대응하는 운전으로 수배관시스템과 열원 장비의 최적 운전상태를 확보한다.

TECS 4.0에 속하는 장비류는 자연적으로 BEMS를 구성하게 된다. 제어밸브는 부하 측의 데이터 전송기능을 갖는 제어 밸브를 사용한다. 이 밸브의 데이터 값은 순환펌프의 운전 값이 되며, 밸브의 데이터 수신이 불가할 경우에는 센서리스 순환 펌프 제어 판넬을 추가해 부분 부하에 대응해 운전을 하게 된다.

자동제어 시스템은 일반 자동제어 시스템과 동일하지만 여러 대의 열원 장비가 인공지능적으로 공조 부하에 최적으로 대응 운전할 수 있는 프로그램이 탑재된다. 이는 시간대별 부하 측의 변화에 따른 최적 운전으로 에너지절약을 실현하게 된다.

◇ 기존 공조시스템 분석
건축물의 공조시스템에서의 에너지 절약은 열원장비, 반송설비, 공조장비로 구분할 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이 기존 시스템은 정유량 냉동기를 사용하기 때문에 부분 부하에서 대응이 불가하다.

그럼에도 현재 실정은 정유량 냉동기에 인버터 순환 펌프를 설치하는 잘못된 시공이 이루어지고 있다. 녹색건축인증 등 에너지 관련 인증 항목에 인버터 순환 펌프를 설치하면 가산점을 주는 잘못된 평가가 문제다.

즉 공조시스템의 운전 매카니즘이나 운전조건을 모르기 때문에 인버터 순환펌프만 설치하면 에너지가 절약될 것이라는 잘못된 인식 탓이다.

공조시스템에서 순환 펌프는 인간의 심장과 같다. 건축물 전체에 열원을 반송하는 장치이다. 부하가 커지면 많은 유량을 반송하고 부하가 줄어들면 적은 양을 반송해야 한다.

기존 공조시스템은 낮은 부하, 높은 부하 관계없이 최대의 유량을 반송함으로써, 사람에 비유하자면 항상 고혈압 상태에서 운전된다. 이 고혈압 상태는 누수, 소음, 밸브 누설, 케비테이션, 익스펜션 조인트의 변형 등 수배관시스템에서 발생하는 모든 이상 현상의 원인이기도 하다.

이를 방지 하는 방법은 건축물의 부분 부하에 맞추어 시스템이 운전돼야 모든 이상현상들이 자연 소멸되며, 실질적인 에너지 절약을 실현할 수 있다. 이를 실현하는 방법은 공조시스템의 융합이다.

고효율, 신재생에너지 인증 장비를 적용하면 에너지를 절약할 수 있다는 논리는 정확한 답이 아니다. 고효율, 신재생에너지를 적용하는 것은 당연하지만, 여기에 더해 수배관시스템, 제어시스템이 잘 융합돼야 진정한 에너지 절약을 실현할 수 있다.

◇ 에너지절약 시스템 TECS 4.0
TECS 4.0은 열원설비, 반송 설비, 수 배관 시스템, 제어설비가 융합돼 에너지 절약을 실현하는 시스템이다. 건축물에서의 에너지 절약을 실현하기 위해서는 스포츠와 비유하자면 개인전이 아닌 단체전이다.

하지만 정부 정책이 개인전에 준하는 방향성을 제시함으로써 설계 역시 시스템적 접근이 아닌 각 유닛별로 검토, 적용돼 고가의 장비를 선정함에도 실질적 에너지절약은 기대할 수 없는 현실이다.

수배관시스템에서의 각종 이상 현상들이 겉으로 드러나는 경우는 별로 없어, 관리자들도 내부적으로 멍들어가고 있는 것을 잘 인지하지 못한다. 에너지 소비 또한 건축물의 특성상 비교 대상을 찾기가 어렵다.

냉·난방 공조시스템을 구성함에 있어 단순 냉방이 되고 난방이 되는 것으로 만족한다면 이는 에너지 과소비 뿐만아니라 시스템의 내구성을 저하시키고, 유지보수 비용, 운전 비용이 상승하는 것을 방지할 수가 없다.

◇ 시스템적 접근 ‘필수’
TECS4.0은 기존의 공조시스템과 장비와 시스템적 구성은 동일하다. 단지 각 장비의 기능적인 면에서 부분 부하에 대응할 수 있도록 정유량 냉동기가 아닌 저유량(변유량) 냉동기를 적용하고, 순환 펌프를 부분 부하에 따라 운전할 수 있도록 18Hz 운전에도 지장이 없고, 각종 데이터 전송기능을 갖는 제품을 사용한다.

제어 밸브는 일명 복합밸브라고 하는 것으로 에너지 절약 시스템을 하지 않더라도 현재 모든 건축물 제어밸브로 사용되고 있다. 자동제어는 일반 자동제어와 동일하나 열원이 여러대일 경우 부분 부하에 따른 비례 운전을 위해 인공지능 프로그램이 적용될 뿐이다.

시공 비용 측면에서도 기존의 시공방식과 동일하다. 오히려 무료로 제공하는 시공 중의 수배관 시스템 컨설팅과 VE, 시운전 커미셔닝을 통해 비용을 절감할 수 있고, 신뢰할 수 있는 시스템을 구성할 수 있다.

그동안 각 공조장비 제조사들의 노력으로 각각의 공조 장비는 많은 발전과 효율 좋은 제품들이 생산되고 있다. 단지 이를 융합하는 코디 기술이 부족할 뿐이다.

정부에서는 탄소제로 로드맵과 각종 에너지 정책들을 발표한다. 이것들이 실효성을 거두기 위해서는 융합의 개념으로 접근해야 한다.

유닛별 접근 정책은 지금까지 그랬듯이 성공할 수가 없다. 이에 건축설비 분야에 몸 담고 있는 기술인들은 건축설비 분야에서 탄소제로 시대를 달성하기 위해 사명감으로 임해야 한다고 본다.