차압 밸브(DPV) 와 차압 유량 조절 밸브(PDCV), 압력 독립 유량 조절 밸브(PICV) 기술이해- 설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해

[풍경소리]

차압 밸브(DPV) 와 차압 유량 조절 밸브(PDCV), 압력 독립 유량 조절 밸브(PICV) 기술이해- 설비 초보자를 위한 수배관 시스템의 이해-19

작성 주) 솔레오 대표 이상오 / 국제 기술사

서언

최근 현장에서 많은 엔지니어를 통하여 궁금해 하는 질문과 관련 하여, 다시 정리해서 소개 하려는 의지로 정리하여 보았습니다.

설계 도면에는 냉온수 배관의 메인 헷더(main header)간의 차압밸브(차압 바이패스 밸브,DPV,differencial pressure valve)가 보입니다. 그리고 간혹 도면에는 위치는 다르지만, 차압 유량 조절 밸브(PDCV,pressure differencial control valve)라는 이름의 밸브도 보입니다. 이 PDCV 는 지역 난방 공사 관련 도면에는 메인 열교환기주변에, 즉 지역난방 중온수 측 배관에 "pdcv" 라는 이름의 밸브가 보입니다. 또 압력독립 유량 조절 밸브(PICV ,pressure independent control valve)라는 이름의 밸브들이 공조기등 관련 주위에 보입니다.

이 것들이 다 서로 뭔 상관인지? 왜 있는 것인지? 현장에도 설치되어 있으면 있긴 한데 이게 운전자와 무슨 연관이 있는지? 시공사와 tab 담당자는 이 밸브 현장 셋팅은 어떻게 하는지? 실제로 세팅을 하는 결과가 맞는지? 이와 연관된 최적 운전은 무엇인지? 그 운전 비용은 어떤 상관이 있는지? 혼란 스럽기도 하고, 이야기 해도 잘모르는 경우가 많습니다.그런데 선배들도 잘 모릅니다. 늘 그렇게 그렇게 알고 있는 수준으로 전달되어 오는 기술? 적인 갑갑함이 존재합니다.

그 내용들을 한번 정리 해 설명 하고자 합니다.

본론

수배관 시스템, 특히 냉난방 시스템의 경우에는 더 자주 보게되는 밸브가 차압밸브(DPV)입니다. 차압 바이패스 밸브 라고도 합니다.우선 차압 바이 패스 밸브를 먼저 설명 하고, 차압 유량 조절 밸브, 압력독립 유량 조절 밸브는 그 다음 연속 하여 설명 하여 보겠습니다.

1. 차압 밸브(DPV)

보통 차압 밸브라고 하는 밸브의 설치위치는 대부분의 경우, 냉온수 순환 배관 경로상에, 주 헷더의 공급, 환수측 사이 배관에 설치 합니다. 아래 그림 참조 하면 됩니다.

차압바이패스 밸브 설치 및 유수 흐름.

이 밸브의 설치 목적은 2방향 온도조절밸브를 사용중인 변유량 시스템에서 사용중인 냉동기의 최소 유량 확보를 통하여, 냉동기의 동파(FREEZING)를 방지하는 기능을 위하여 적용한 , 냉동기 보호 목적용 밸브입니다.

즉 다른 말로 하면, 냉수가 아닌, 온열원용 혹은 빙축열을 사용한 열교환장치 사용처 용, 아니면, 3방향 온도조절 밸브가 설치된 정유량 시스템등에는 적용 할 필요가 없는 불필요한 밸브 입니다.또 냉수 사용처라 하더라도, 열교환하는 냉수 사용처라면, 즉 지역 냉수 시스템이든, 빙축열을 적용 하여 사용중인 열교환2차측 이든, 수축열을 활용한 열교환기 시스템이든, 이같이 냉동기로 부하처에서 사용한 환수되는 냉수가 직접 들어가지 않는 시스템에는 불필요한 밸브 입니다.

단 하나의 목적, 즉 공조기등의 사용처에서 사용하는 냉수가, 부하가 줄어 2방밸브가 잡기게 되어, 그 냉수 환수량이 줄어들어, 냉동기로 돌아갈 환수량이 너무 작을 경우, 냉동기 통과 유수의 량이 너무 작아, 냉매와의 열교환에 큰 온도차가 연출되어 ,해당 냉동기의 증발기 동파가 염려되는 경우에, 이 차압 밸브가 열려(OPEN), 공급측에서 직접 환수측으로 냉수를 바이패스 하여, 냉동기 최소 유량을 확보 해 주는 장치 입니다.약간 릴리프 밸브 개념과 흡사합니다 . 단지 차압을 기준으로 작동한다는 점에서 약간 다릅니다.

그럼, 이 밸브는 보통은 CLOSE 된 상태로 있다가, 사용처의 부하가 너무 많이 줄어 실제 냉동기로 환수되는 유량이 작아지는 경우, 해당 밸브가 OPEN 되어야 합니다, 그때 보통 밸브의 셋팅, 설정을 압력차로 합니다. 특히 공급과 환수측 간의 정상적인 압력차이가 3BAR(30M 차압) 이라고 한다면, 그 차압보다 압력이 상승(즉 31M 이상으로 증가)하면, 밸브는 열리기 시작 합니다. 그리고 그 차압이 다시 낮아지면, 밸브는 잠기기 시작 ,완전히 닫혀야 합니다. 이와 같은 기능을 하는 밸브로서, 현장에서 정확한 차압 설정을 하지 않았다면, 아무렇게나 OPEN 되면, 당연 에너지 낭비가 매우 클것이고, 전혀 OPEN 되지 않았다면, 냉동기는 동파의 위험에 그 대로 노출 될 것입니다.

근데 헷더의 차압이 실시간으로 변하는 이유는 무엇인가요? 사용처 냉방 부하가 변화하기 때문입니다. 부하가 변화되면, 2방 온도 조절밸브의 통과유량도 변화되고, 유량이 변화하면, 해당 배관의 압력 손실도 변화하며, 이는 결국 해당 정속 펌프를 통한 각 사용처의 압력도 변화합니다. 여기 헷더의 압력도 변화합니다. 보통 부하가 줄면, 차압은 증가합니다. 그러면, 설정된 차압보다 높은 압력이 형성되면, 냉동기로의 환수유량이 작아질 가능성이 높은 것이고, 이경우, 바이패스 밸브는 열릴 필요가 있습니다.

근데 이경우, 부하처 2방밸브가 부하에 대응하여 꼭 필요한 유량만 흘리는 것이 아니라, 더 많이 과하게 흘리는 경우가 생기면, 이는 이상한 조합이 될 경우도 있습니다. 즉 부하는 줄었는데, 통수유량은 줄지가 않고, 에너지 사용은 줄지 않고, 이같은 경우는, 2방 밸브의 문제와 차압 바이패스 밸브의 2가지 문제가 동시에 연출되어, 최악의 운전을 하는 중이라고 보면 됩니다. 근데 더 우스운 현실은, 그러한 운전이 국내 현장의 많은 사용처가 그러하다는 것입니다. 참으로 답답한 운전 상태로 에너지 낭비가 심각 합니다.?

왜 부하가 줄었는데, 2방밸를 통과하는 냉수의 유량이 줄지 않는 것일까요? 이는 PICV 밸브의 사용이유가 되는 아주 중요한 기술적 답이 있습니다 . 일단 그 이야기는 PICV 에서 다시 하기로 하겠습니다.

또 처음 설치시, 밸브 크기, 규격(사이즈)를 잘못 선정 하는 경우가 매우 많습니다. 냉동기는 5대가 기계실에 있어 댓수제어 운전이 되는 데, 차압 바이패스 밸브는 헷더간의 1대 뿐 이라면, 이 모든 경우에 냉동가를 보호할 , 대응 할 규격, 사이징을 하는 게 필요합니다. 각 경우의 수에 꼭 필요한 규격의 밸브를 선정 하는 것이 중요하고, 초기 투자비 절감 및 최적 에너지 절감 운전이 가능 하게 하는 방법입니다.

2방 밸브의 운전을 하는 냉수시스템의 경우, 변유량 시스템이라고 합니다. 즉 부하에 따라 냉수 코일을 통과하는 냉수의 양이 변합니다. 그래서 그 변화하는 유량 제어를 2방 밸브가 하고 있습니다. 이 변유량 시스템의 부하와 통수 유량과의 관계를 알고 이에 대응한 밸브 선정은 그만큼 중요한 기술입니다.

또 관련 냉동기의 동파방지 최소 필요 유량이 작은 냉동기 일수록, 에너지 절감 이 훌륭하고,차압바이패스 밸브 규격도 작아지게 됩니다. 즉 좋은 냉동기의 한 예가, 저부하시, 해당 통수 최저 유량이 작을수록, 그 100% 유량대비 약 30% 수준의 통수유량이라면, 이 유량을 위한 밸브 규격 선정이라면, 상당히 좋은 냉동기 수준으로 봐도 됩니다. 그렇지 않은 예로, 최저 필요 냉수 유량이 70% 수준인 냉동기의 경우엔, 이 차압바이패스 밸브도 이 유량을 위한 규격이 선정되어야 하니, 밸브도 크지지만, 운전중 유량이 70% 이하 수준으로 환수가 되면, 70% 대비 부족한 냉수는, 공급측 헷더에서 바이패스 해 줘야하니, 그만큼 더 많은 에너지 손실이 연출된다고 볼수 있습니다. 또 이와 같은 경우 냉동기의 증발기 입출구 냉수 온도의 온도차(△T)는 당연 낮아지게 되면, 증발기의 냉매와의 열교환냉수의 "대수 평균 온도차,LMTD" 값도 역시 낮아져, 냉동기 효율도 낮아지게 됩니다.

공조기등의 냉수 유량 조절 밸브를 3방 밸브 온도 조절 밸브가 사용되고 있는 공장의 헷더에 이 차압 바이패스 밸브가 설치되어 있는 경우를 보고는 , 실제 이와 같은 정유량 시스템에는 불필요한 밸브가, 아무런 역할도 없이, 초기 설치비용만 들어갔으며, 운전되고 있는 현장을 수없이 많이 보아 왔습니다. 또 불필요한 밸브에, 잘못된 셋팅 압력으로 항상 OPEN 되어 냉수를 바이패스 하고 있는 현장도 많습니다. 엄청난 에너지 낭비를 하고 있다고 볼수 있습니다. 3방 밸브를 사용하는 시스템은 냉동기로 환수되는 유량이 부족할 일이 없습니다. 즉 항상 정속펌프와 함께 냉동기로 환수되는 물의 양이 부하와 상관없이 일정 하니까 말입니다. 즉 차압바이패스 밸브가 설치될 필요가 없다는 이야기 입니다.

냉동기가 5대이지만, 3대가 가동중이고, 환수된 냉수유량은 2대의 최소 유량수준이면, 1대의 최소 유량의 양수준이 차압 밸브를 통하여 바이패스 되어 줘야 합니다 . 근데, 그럴경우, 냉동기 3대 가동이 맞을까요? 아닙니다. 그럼 이 문제는 냉동기 최적 댓수 운전이 우선이 되어야 합니다. 바이패스로 해결 할 문제는 아니라는 것입니다.즉 사용처에 사용되는 물이 2대분의 유량이면 충분한데, 냉동기가 3대 가동중이라는 의미이기도 하지요.

그럼, 부하대응 냉동기 댓수제어를 원칙으로 냉동기 부하추종성 제어가 되어야 합니다. 이 외에도, 순간적인 대응을 필요로 할 경우, 즉, 3대와 2대의 사이를 오가는 부하일경우도 존재할수 있으니, 해당 모든 경우에 , 최소 냉동기 가동 경우의 수 모두를 고려하여 차압바이패스 밸브는 운용되어야 합니다. 그 경우를 따져보고, 해당 냉동기 댓수가 여러대가 있고, 정확한 바이패스 밸브 규격 선정(사이징)을 원하는 경우, 그러한 압력 설정및 밸브 규경 선정이 필요합니다. 이 부분은 별도의 프래그램을 사용하여 분석 하는 방법이 있습니다.(솔레오에서 별도로 전문 프로그램을 활용 하여 분석 제공 하는 보고서를 제출 해 드립니다.무상으로 검토 하여 드리니, 연락 주시기 바랍니다)

여기서 한단계 더 나아가서, 만약 펌프를 인버터(VSD,VFD) 를 사용하는 시스템이라면, 이 바이패스 밸브 설치는 맞을 까요? 인버터가 유량을 알아서 줄여준다고 우선 전제하고 이야기 해 보겠습니다. 그럼? 냉동기 최소 유량 수준이하로는 유량감소를 하지 않는 펌프이나, 사용처는 그 보다 더 줄여서 환수가 되고 있다면? 바이패스는 필요합니다. 그러나 펌프의 변속으로 인해 헷더의 압력을 고정 셋팅이 불가능 한데, 그러한경우, 바이패스는 압력셋팅이 아닌, 다른 방법을 사용하여야 하지 않을까요? 즉 부하처 열량이나, 부하처 유량을 근거로 실측과 동시에 밸브가 열리거나, 닫히거나 하는것이 더 바람직하지 않을까요?

아니면, 압력이 안정된 위치(인버터 펌프 셋팅 압력수준에 근거하여) 를 찾아 압력 센싱을 하여야 하지 않을까요? 맞습니다. 인버터를 사용한 시스템은 1차 변속 펌프 시스템이 되어, 해당 차압 바이패스 밸브 설계가 달라져야 합니다. 압력 센싱위치도, 압력 센싱 값도 모두 시스템에 맞도록 튜닝(조절, 변경)되어야 합니다.

그럼 이 인버터 펌프의 부하추종성 제어는 어떻게 하고 있나요? 우선 인버터를 기대하고 사용하겠다지만, 그 운전에 대한 최적 부하 추종성 주파수 제어는 어떻게 하여야 맞을까요? 이와 차압밸브의 선정 및 셋팅, 인버터 제어는 서로 연관이 있습니다. 정확한 설정과 셋팅은 현장의 인버터 센싱 기술과도 상관이 있고, 거기에 맞추어 셋팅 하여야 합니다.

다시 정리해 보면, 정속펌프 시스템을 사용하는 2방 온도조절 밸브를 사용하는 시스템에서 냉동기 동파방지 목적으로 차압바이패스 밸브는 사용되어야 하며, 해당 밸브의 셋팅값과 해당 밸브의 사이즈는 각 시스템에 따라 맞게 선정 되어야 최적의 운전이 가능 하게 됩니다.수배관 시스템은 모든 사용 건물이 모두 다 다릅니다. 압력이 다르고, 유량이 다르며, 해당되는 냉동기 숫자와 펌프 운전 압력이 다 다릅니다. 이와 관련 압력은 펌프의 양정과 헷더간에 존재하는 양정에 따라 또 다른 셋팅값을 가지게 되며, 이 압력은 바로 헷더간의 정상적인 100% 부하에서의 압력차에 해당 하는 값으로 셋팅 하여야 하며,인버터 펌프 시스템의 경우, 해당 압력은 펌프 인버터 운전 최적 설정 압력에 근거하여 작동 하도록 조정 되어야 합니다.

상세한 인버터 운전과 차압밸브 설치관련은 , 당 블로그의 수배관 시스템의 이해 연재를 참고하여 보면, 충분히 도움이 될 것입니다.즉 1차 정속 펌프 시스템과 1,2차 변속 펌프 시스템, 냉동기 냉수 시스템, 간접 열교환 냉수공급 시스템, 1차 변속 펌프 시스템등 다양한 수배관 시스템에 따라 이 밸브는 필요한 경우와 불필요한 경우가 달라지게 됩니다.

2. 차압 유량 조절 밸브(PDCV)

이미 시공된 배관 구경을 통하여, 각 배관에 존재하는 압력은 해당 배관을 통과하는 유수의 양에 따라, 시시때때로 압력값이 변화합니다. 그 변화하는 압력은 이웃 배관, 다른 관로의 압력에 영향을 실시간으로 끼칩니다. 그래서 다른 관로의 안정된 압력의 확보를 위한 해당 차압유량 조절 밸브가 설치된 죤, 그 구간의 압력을 안정화하려는 노력, 그 답을 차압 유량 조절 밸브가 한다고 보면 됩니다.

즉 펌프에서 나온 물은, 펌프의 양정을 가지고 토출측에서 출발 하였지만, 이 압력이 각 위치마다 달라지고, 흐르는 각 사용처 유량 변화에 따라, 다 다른 압력이 연출되고, 또 사용처와 펌프간의 이격거리에 따라, 다 다르게 압력은 존재합니다. 그럼 여기서 다 다른 압력으로 인한 흐르는 통수 유량은 어떤 연관이 있을까요? 압력차이가 높으면, 통수되는 유량이 증가합니다. 즉 펌프 인근의 사용처와 가장 멀리있는 사용처간의 거리속의 실제 압력차는 매우 높을수 있고, 그 다른 압력차는 다른 능력의 유량 공급의 능력차를 의미합니다. 결국 문제는 차압이 다를 경우, 유량분배에 문제가 발생 한다는 의미입니다. 

근데 각 사용처 온도에 근거 유량을 조절하는 온도조절 유량 제어 밸브는 정상적인 운전을 온도의 신호를 받아 제어되고 있음에도 불구하고, 과유량이 흐르는 일이 매우 많습니다. 이는 현장의 해당 온도조절 밸브 전후단의 냉수온도차를 확인 해 보면 바로 보입니다. 즉 2도의 온도차가 현재 공급과 환수측간에 존재하여 운전된다면, 이는 설계 기준 5도 에 비해, 약 250%의 과유량이 흐르는 상태입니다.

 우리는 이 부분, 공급과 환수간의 온도차에 많은 관심이 필요합니다. 그럼 이 과유량을 막아야 하는데, 온도제어 밸브가 제어를 잘 하고 있다면, 이런 문제는 발생 하지 않습니다. 하지만 250%의 과유량이 흐른것에 대응하기 위한 대응이 안되니, 250%의 과유량이 흐른것입니다. 결국 이 250%의 이유는 바로 압력차에 의한 과유량입니다. 높은 압력차는 동일한 온도조절 밸브 개도율에서도 더 많은 냉수의 흐름을 연출 하게 만듭니다.

이와 같은 현상이 어디서 많이 생길수 있을 까요? 모든 온도조절 밸브를 사용하는 공급, 환수 배관에서 실제 무수히 많이 이러한 문제를 보여 주고 있습니다. 그럼 이와 같은 문제를 해결 하기 위하여 설치하는 밸브가 바로 차압유량조절 밸브(PDCV)입니다. 냉수 공급 배관에 설치되든, 냉수 환수 배관에 설치되든, 공급측과 환수측의 차압이 약 5M 일때가 설정 기준이라면, 그 보다 압력차이가 증가하면, 해당 밸브는 CLOSE 되고, 그 반대로 해당 압력차가 작아지면, 밸브는 열리는 (OPEN) 성격의 밸브가 바로 차압 유량 조절 밸브인 것입니다. 이는 기존 차압밸브와는 정반대의 동작 입니다.

그럼 결국에 모든 전 관로에 각 사용처별로 이와 같은 차압의 변화에 대응하여 밸브가 더 하는 역할은 과유량을 막는 역할이 되는 것이고, 모든 사용처가 동일한 차압 하에서 냉수를 공급 받을수 있도록 한다면, 각 사용처간의 유량 불균형(UNBALANCE) 문제나 높은 과유량 문제(OVERFLOW ISSUE)는 해결이 되게 됩니다. 이 기술이 바로 차압 유량 조절 밸브 기술입니다.

지역난방 열교환기 에 중온수 1차측 배관에 설치된 차압 유량 조절 밸브는 열교환기의 중온수 1차 메인 배관의 전후단에 설치된 압력 센싱을 통하여, 그 공급과 환수 관로 사이의 차압을 안전하게 기준 압력차이내로 유지하는 역할을 하게 되며, 이는 결국 각 중온수 열교환기의 1차측 온도조절 밸브의 과유량 문제를 해결 하는데 도움을 주게 됩니다.

그럼 그위치에 최대 유량 제어기능의 정유량 밸브를 두면 어떻게 될까요? 즉 최대 유량 이상 흐르지 못하게 하는 능력에는 충분히 그 역할이 가능 하나, 부분부하 운전시의 과유량문제에 대한 대응은 한계가 있을 것입니다. 왜냐하면, 실제 부하측 필요유량은 30%이나, 최대 정유량 밸브를 통하여, 감당(COVER)하는 유량이 100%이라면, 약 3배의 과유량이 공급 될수도 있으니, 정유량 밸브 보다는 PDCV 가 더 성능면으로 본다면, 적극적인 대응 방안이라 할수 있습니다.

냉수 배관 각 사용처 전단 횡지관의 차압유량 조절 밸브 설치 예

중온수 열교환 시스템의 차압유량 조절 밸브 설치 예

3. 압력독립형 유량 조절 밸브 (PICV)

상기 2에서 소개된 차압유량 조절 밸브는 압력을 조절하여 각 사용측 유량이 도달하는 능력을 동일하게 하는 역할로, 일종의 유량 분배 최적화 기술중의 하나입니다. 이 밸브와 달리 각 사용측 공조기등의 온도조절 밸브는 또 설치가 되어 있습니다. 즉 기존 사용하는 차압유량 조절밸브이외에 온도조절 밸브(일반 TCV) 를 사용하고 있는 시스템이 됩니다. 이를 단 한대의 밸브로 만들어 낸것이 바로 압력 독립형 유량 조절 밸브(PICV 밸브) 입니다.

만약 각 사용처별로 1대씩의 PDCV 를 TCV 와 함께 설치한다고 생각 해 보겠습니다. 각각의 사용처인 공조기는 매우 적극적으로 차압의 영향으로 부터 자유로와 지니, TCV 밸브는 매우 안정적으로 유량 제어가 가능 하여 지게 됩니다. 그때 밸브기능을 하나로 묶어 만들어 내게 된 밸브가 된다면, 과도한 수량의 여러종류의 밸브 설치를 하지 않아도 되며, 기존 TCV 자체로 그 PDCV 역할이 함께 연출 됩니다. 

그 효과는 유량 분배 최적화와 각 사용처 온도조절 밸브의 최적화를 연출 하게 됩니다.그 기술이 이름을 압력 독립형 유량 조절 밸브,PRESSURE INDEPENDENT CONTROL VALVE 가 된것입니다. 그래서 이 모든 기술이 최근 십년 이내에 전세계적으로 신제품으로 많은 MAKER 를 통하여 출시되어 공급되고 있습니다. 해당 컨트롤 밸브의 오소리티(AUTHORITY, 영향도, 밸브가 차압으로 부터 간섭 받지 않고 유량 조절 하는 능력을 보여주는 값, 그정도의 평가기준을 말할때, 그 수치가 "1"이 가까울수록 양호한 제어 능력을 가진다고 보면 됩니다,최소 0.25이상을 제공할 경우 신뢰성이 있다고 볼수 있습니다. 해당 밸브의 압력 손실값/ 밸브 전후단의 존재하는 차압 값의 비율입니다.)는 최상의 유량제어 능력을 연출 하게 돕습니다.

즉 PICV 는 배관의 흐르는 유량이 변하여 차압이 변하여도, 그 변화된 차압에 대응하여 밸브를 열고 닫는 역할의PDCV 와 부하측 변화하는 유량 조건에 대응한 유량 조절기능(TCV 기능)이 함께 연출되어, 높은 차압의 변화에도 불구하고, 사용처에서 필요로 하는 유량을 정확하게 공급 하게 되며, 이는 결국 높은 공급, 환수온도차를 연출 하여 에너지를 최적화 운용 가능 하게 만듭니다. 이 기술과 시스템 최적화 기술(변속 펌프, 정속 펌프, 냉동기 댓수제어, 차압밸브 최적화, 프리쿨링 기술 , 1,2차 펌프 적용, 1차 변속 적용, 팽창 탱크 최적화 기술등)을 통하여, 과거 00전자에서 약 50%의 에너지를 절감 하게되는 시스템 최적화가 솔레오를 통하여 연출 시행되게 됩니다.

PICV 밸브 (PDCV+TCV)

PICV 밸브 내부 사진(PDCV+TCV)

높은 차압의 변화(40M 차압 변화)에서의 일정한 제어유량 능력 및 등가 개방 특성(Equal percentage 성능 곡선)

이 밸브는 실제 솔레오에서 공급 하는 밸브(TIGER CONTROL)입니다. 적극적인 수배관 시스템 최적화를 통하여 30~50%수준의 기존 운전비 절감과 유관 에너지 절감 결과를 보여드릴수 있습니다.

결론

차압밸브, 차압유량 조절 밸브, 압력독립형 유량 조절 밸브를 통하여, 적절하며, 합리적인 선택을 통하여, 수배관 분야 최적화 시스템 구축을 하시기바라며, 이에 한발 더 다가가기를 권장 드립니다.솔레오는 이 수배관 분야의 전문 엔지니어로서의 역할을 충분히 지원 드립니다. 언제든 문의 주시기바랍니다.

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■ 차압조절밸브(Differential Pressure Valve, DPV)

차압조절밸브(Differential Pressure Valve, DPV)에 대해서 포스팅하겠습니다. 

차압유량조절밸브(PDCV)와 비슷하면서도 차이점이 있습니다. 지난번 차압유량조절밸브와 오늘 차압조절밸브만 이해하셔도 차압에 관련된 밸브에 대해서는 거의 다 숙지하신 것이나 다름없습니다. 

1. 차압조절밸브(DPV) 설치 위치

냉동기가 가동되어 냉수가 Supply Header로 흘러가고 각 세대의 FCU(Fan Coil Unit)를 거쳐 Return Header로 나오게 되어 있습니다. 여기서 냉수 Supply Header와 Return Header 사이에 설치되어 있는 것이 바로 차압조절밸브(DPV)입니다. 이곳 외에도 다른 곳에도 설치가 되어 있지만 특별히 이곳을 꼽은 이유는 냉동기 운전 시 중요한 Point이기 때문이고 자세한 내용은 아래로 가서 다시 말씀드리겠습니다. 

2. DPV 외형

지난번 포스팅을 보셨던 분들은 아시겠지만 차압조절밸브는 차압유량조절밸브와 외형이 동일하게 생겼습니다. 외형은 동일하지만 기능은 엄연히 다릅니다. '외형이 같으니까 똑같은 기능을 하겠지?'라고 생각하셨다면 잘못 생각하신 겁니다. 필자도 처음에 대충 보고 같은 것으로 착각했습니다. 

3. DPV 작동원리

차압조절밸브의 내부는 위와 같습니다. 여기서 다이어프램을 기준으로 아래쪽은 공급측의 압력이 되고 상부 쪽은 환수측의 압력이 됩니다. 기본적으로 공급측의 압력이 약간 높을 수밖에 없으므로 압력이 불균형이 됩니다. 그래서 환수측에는 스프링의 장력이 있어 공급측과 환수측의 압력이 균형을 이뤄 밸브가 열리지 않게 됩니다. 

그러다가 각 세대에서 냉방부하를 덜 사용하게 되면 공급측보다 환수측의 압력이 더더욱 떨어지게 됩니다. 그러면 압력의 불균형이 생기면서 다이어프램이 위쪽으로 올라가게 되고 밸브는 열리게 됩니다. 여기까지 보면 지난번 차압유량조절밸브(PDCV)와 비교하여 보면 작동하는 방식이 반대임을 알 수 있습니다. 

좌: 차압유량조절밸브, 우: 차압조절밸브 (출처: 신우밸브)

위 도면은 차압유량조절밸브와 차압조절밸브 공급사인 신우 밸브에서 가져온 것입니다. 공급관과 환수관이 기기에 연결된 Point가 서로 반대임을 다시 한번 확인할 수 있습니다. 

4. 차압조절밸브의 필요성

상기 냉동기 개략도에서 증발기의 역할은 냉수에 있는 열을 빼앗는 역할을 합니다. 그런데 FCU에서 오는 유량이 갑자기 줄어든다면 어떤 일이 발생할까요? 냉수의 유량은 줄어드는데 증발기에서 냉수에서 빼앗는 열은 동일하기 때문에 냉수가 과냉각되게 됩니다. 정말 극단적으로 냉수의 유량이 적어지거나 하면 증발기의 코일 안에서 냉수가 얼어버리게 되고 코일이 얼음의 늘어난 부피로 인해 터져버리게 됩니다. 동파가 발생하는 것이지요. 

따라서 냉동기로 환수되는 냉수의 양이 급격하게 줄어들면 안 되기 때문에 차압조절밸브를 설치하여 차압이 커지면 공급측의 냉수를 환수 쪽으로 보내게 됩니다. 그렇게 되면 냉수의 유량이 환수 쪽도 일정해지기 때문에 급격한 과냉각이 되지는 않게 됩니다. 물론 냉동기들은 영리해서 물의 온도가 일정 온도 이하로 내려가면 동파의 우려가 있다고 보고 냉각 사이클을 스스로 멈추게 됩니다. 그래서 동파가 그렇게 쉽게 생기지 않습니다. 필자가 근무하던 곳의 냉동기는 8℃ 이하로 냉수 온도가 내려가게 되면 경보를 울리게 되고 냉각 사이클을 멈추게 되어 있었습니다. 

여기서 응용을 한 가지 더 해본다면, 냉동기가 돌고 있을 때 냉수 펌프가 고장이 난다면 어떻게 될까요? 냉수가 아예 돌지 않게 되므로 바로 동파가 될 수 있겠네요. 

5. 차압조절밸브의 고장

지난번 차압유량조절밸브와 마찬가지로 차압조절밸브에서도 가장 약한 부위는 다이어프램입니다. 그렇다면 다이어프램이 망가진 것을 분해하지 않고 어떻게 확인할 수 있을까요? 위 그림처럼 먼저 환수 측 밸브를 잠그고 다이어프램 상부의 에어핀을 조금 열어봅니다. 다이어프램이 멀쩡하다면 다이어프램 하부의 물이 올라올 수 없지만, 위 그림처럼 찢어져 있다면 찢어진 구멍을 통해 에어핀으로 물이 계속 솟구쳐 올라올 겁니다. 만약 그렇다면 분해해서 수리하면 됩니다. 

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■ 차압유량조절밸브(Pressure Differential Control Valve)

오늘은 지역난방에서 사용하는 차압유량조절밸브(Pressure Differential Control Valve)에 대해서 포스팅하겠습니다. 차압유량조절밸브(PDCV)의 핵심적인 역할은 중온수 공급측과 환수측의 압력차이를 일정하게 유지해주는 역할을 하는 것입니다.

1. 차압유량조절밸브 설치 위치

지역난방계통도(출처:칸 저널)

위 계통도에서 보시면 지역난방공사에서 중온수(District Heating Water)가 해당 건물로 들어오는 초입에 설치되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 

2. 차압유량조절밸브 외형

앞쪽 배관이 지역난방공사에서 중온수를 공급해주는 배관이고, 뒤쪽 배관은 지역난방공사로 환수되는 배관입니다. 지역난방공사에서 공급해주는 배관에 달린 이 파란색 밸브가 차압유량조절밸브입니다. 

3. 차압유량조절밸브 작동원리

차압유량조절밸브의 내부는 대략 위와 같이 되어 있습니다. 붉은색 다이어프램을 경계로 상부에는 공급측의 물이 들어와서 공급측 압력이 되며 하부에는 환수측 물이 들어와서 환수측 압력이 됩니다. 여기서 통상적으로 공급측의 압력이 높기 때문에 다이어프램이 아래로 내려갈 수밖에 없는데 스프링의 장력으로 이를 보정해주어서 위아래의 압력이 평형을 이루게 됩니다. 즉 위쪽은 공급측 물의 압력이 되고, 아래쪽은 환수측 물의 압력+스프링의 장력이 됩니다. 

어떤 사유로 인해 환수측의 압력이 하강하게 되면 다이어프램에 걸려 있던 압력의 균형이 깨지면서 다이어프램은 아래쪽으로 내려오게 되고 밸브는 닫히게 됩니다. 통상적으로는 아예 닫히는 정도가 아니라 차압을 일정하게 유지하는 수준에서 중온수가 흐를수 있을 정도로 밸브가 내려갈 것입니다. 

4. 차압유량조절밸브의 필요성

그렇다면 왜 차압유량조절밸브가 필요한 것일까요? 우리가 사용하는 난방수는 위 도면 가운데의 열교환기에서 만들어집니다. 즉 우리는 지역난방공사의 중온수를 그대로 사용하는 것이 아니라 열교환기를 통해서 난방수를 만들어 사용하는 것입니다.

이때 우리가 사용하는 난방수의 양이 일정하지 않고 변화가 많기 때문에 일정한 온도의 난방수를 만들기 위해서는 중온수의 양도 같이 따라가야 합니다. 즉 난방수의 사용량이 줄면 중온수의 사용량이 줄어야 동일한 온도의 난방수를 만들 수 있습니다. 그래서열교환기 아래 TCV가 이것을 조절해 줍니다. 

만약 우리가 난방 사용량을 줄이면 TCV는 열교환기에 들어가는 중온수의 양을 줄이게 됩니다. 그러면 지역난방공사로 가는 환수의 양이 줄어들게 되면서 압력이 낮아집니다. 그래서 환수쪽의 압력이 줄어드는 원인이 되고 차압유량조절밸브는 이것을 감지하여 공급측의 압력을 낮게 만들어 주게 됩니다. 

차압유량조절밸브가 없다면 TCV가 유량을 줄이려고 밸브를 닫을수록 배관 안의 유속이 빨라지게 되어 과유량이 되게 됩니다. 이런 경우 열교환 효율도 떨어지게 되죠. 수돗물을 틀은 상태에서 호스 끝을 손으로 누르게 되면 물이 강하게 나가는 것과 같은 이치입니다. 이렇게 되면 TCV도 정확한 난방수의 온도를 제어하기 힘들어 집니다.     

5. 차압유량밸브의 고장 부위

위의 차압유량조절밸브의 내부를 보시면 가장 약한 부분은 단연코 다이어프램입니다. 다른 부분은 모두 철로 되어 있지만, 다이어프램은 고무로 되어 있어서 다른 부분보다 약하기 때문에 다이어프램이 찢어지는 경우가 대부분입니다. 차압유량조절밸브 위아래로 두 개의 압력계가 설치되어 있는데 만약 이 두개의 압력이 동일하다면 다이어프램이 파손을 의심해볼 수 있겠습니다. 

오늘은 차압유량조절밸브에 대해 말씀드렸습니다. 필자가 처음 시설관리에 입문할 때 이것의 용도에 관해 물어보니 정확하게 아시는 분이 없어 이해하는 데 한참 걸렸습니다. 그래서 초보 시설관리분들께 오늘의 글이 조금이나마 도움이 되고자 제가 이해한 내용은 포스팅하게 되었습니다. 감사합니다.