Hot Tech - 응축수 배관이 없는 팬코일 유니트 제작 기술
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▲ 김동규 대표이사(주)위드에코
기술개발 배경
2000년대 이후 대형 빌딩의 냉난방 기기의 수요가 증가함에 따라서 중앙제어가 용이하고 시공 및 운전 비용이 저렴한 팬코일 유니트(Fan Coil Unit)의 사용이 늘어나고 있는 추세이다.
팬코일 유니트는 송풍기(Fan), 코일, 필터를 하나의 케이스에 내장한 유니트형 공기조화 장치로서, 냉온수를 코일에 보내어 공기를 냉각 또는 가열한 후 실내로 냉온풍을 공급한다.
팬코일 유니트는 주로 실내의 천장 또는 바닥에 설치되는데 단독으로 사용되기보다는, 건물 중앙의 기계실에서 냉온수를 고압펌프로 여러 곳의 팬코일 유니트에 보내어, 건물 전체를 동시에 냉난방 하는 데 사용된다.
이러한 팬코일 유니트는 지역 냉난방 시스템뿐만 아니라 최근에는 지열을 이용한 냉난방 공조 시스템, 히트펌프를 이용한 냉난방 공조 시스템, 그리고 대형건물에 냉동기와 보일러를 설치하여 냉온수를 발생시켜 작동하는 냉난방 공조 시스템에 널리 활용되고 있다.
건물의 냉방을 위하여 중앙 기계실에서 각각의 팬코일 유니트의 코일로 5~7℃ 정도의 냉수를 공급하면 송풍기의 작동으로 냉풍이 실내로 전해지는데, 이 과정에서 코일의 표면에서 응축수가 발생하게 된다.
이 응축수는 별도의 응축수 배관을 통해 외부 하수관로로 버려지게 된다.
하지만 본 팬코일 유니트 기술은 이 응축수 배관을 없앨 수 있고 버려지는 차가운 응축수를 재활용함으로써 공조기기의 설치비 감소 및 폐열을 회수하는 효과가 있다.
기존 팬코일 유니트와의 차이점
기존 팬코일 유니트는 그림 1에서 보듯이 응축수를 배수하기 위해서 응축수 배수관을 냉온수 배관과 별도로 설치해야 한다.
보통 응축수 배관은 기울기에 의하여 물이 흘러나가는 구조로 되어 있어서 배수관 설치에 비용이 많이 들어갈 뿐 아니라, 배수관이 먼지 또는 이물질 등에 의해 막히거나 잘못된 기울기에 의해 흘러넘치는 누수사고가 나는 등 많은 문제점을 가지고 있다.
이에 (주)위드에코(이하 위드에코)는 2015년에 “응축수 배관이 없는 팬코일 유니트” 특허를 출원하게 되었으며, 이를 통해서 냉방시 반드시 필요한 것으로 고정관념화 된 응축수 배수관을 없앨 수 있게 되었다(그림 2).
본 기술은 설치 비용의 감소와 앞서 언급된 응축수 배수에 관련된 하자를 크게 저감시킬 수 있다.
이렇게 팬코일 유니트에서 응축수 배수관을 없애기 위해서 냉방시 발생된 응축수를 열 교환이 끝난 냉난방 환수 배관에 연결하여 배수하도록 고안하였다.
그런데 이 냉난방 환수 배관은 최대 500㎪의 수압이 걸려 있으므로, 냉난방 배관을 통해 배수하기 위해서는 이보다 높은 압력의 응축수 배수펌프가 필요하다.
국내에 유통 중인 대부분 팬코일 유니트의 응축수 배수펌프는 6㎪ 정도의 배출 압력밖에 갖추지 않고 있으므로 일반 가정에서도 에어컨 응축수의 역류 등의 많은 문제가 발생하고 있다.
또한 고압의 산업용 바이브레이션 펌프 등은 최대 2㎫ 압력을 낼 수 있으나 70㏈(A)가 넘는 소음과 진동 때문에 가정이나 사무실에서 사용하는 것은 부적합하다.
이상의 문제점들을 해결하기 위하여 500㎪ 이상의 압력을 내고, 실내에 설치되어 소음이 적으며, 시간당 2,000㏄ 정도의 배수량을 가지는 소형 응축수 배수펌프가 자체 개발되어 응축수 배관이 없는 팬코일 유니트에 사용되었다.
응축수 배관이 없는 팬코일 유니트의 장점
(1) 응축수 배관 설치비 절감
에어컨 및 팬코일 유니트의 응축수 배관 설치 비용은 전체 냉난방 공조기기 설치 비용의 8~12%를 차지할 만큼 높은 비중을 차지하고 있다.
더구나 응축수 배관은 배수구까지 일정한 내리막 기울기를 가지지 않으면 흘러넘치게 되므로 다른 배관에 앞서서 설치되는 경우가 대부분이다.
이 응축수 배관이 사라짐으로써 응축수 배관 비용뿐 아니라 기존 응축수 배관에 간섭을 받았던 배관의 설치비도 절감할 수 있게 되었다.
(2) 응축수 역류 현상 방지
보통 팬코일 유니트의 응축수 배관은 기울기에 의해서 배수관으로 자연 환수되는 구조로 되어 있어 응축수에 먼지 등이 계속 유입되거나 이물질에 의하여 응축수 배관이 막히게 되면 응축수가 흘러넘치는 사고가 자주 발생한다.
응축수 배관이 없는 팬코일 유니트의 응축수 배수관은 유니트에 내장되어 길이가 짧고, 이물질을 거를 필터를 내포하고 있으며, 응축수 배수펌프를 포함해서 3중의 체크 밸브를 내장하고 있어, 응축수 배관이 막히는 문제, 냉방수 및 환수 배관에서 실내로 응축수가 역류하는 문제 등을 미연에 방지할 수 있다.
(3) A/S 발생 원인 감소 및 피해 저감
만약 응축수 배관에서 응축수가 흘러넘치게 되면 천장이 물에 젖음은 물론, A/S를 위해서 천장을 철거해야 했었다.
하지만 응축수 배관이 없는 팬코일 유니트는 응축수 배관의 기능이 모두 장비 안에 갖추어져 있으므로 A/S시 팬코일 유니트 장비만 수리하면 된다.
응축수 배관이 없는 팬코일 유니트의 Mock-up용 배수펌프는 2015년 8월부터 계속 운전하고 있는데, 내구성이 뛰어날 뿐만 아니라 주변에서는 작동 소음을 느끼지 못할 정도로 조용해서 기존에 비해 A/S 요인을 획기적으로 줄일 수 있다.
(4) 응축수 배수펌프 저소음 실현
일반적인 에어컨이나 팬코일 유니트의 응축수 배수펌프는 소형 원심펌프가 주류이며, 작동시 소음은 40㏈(A) 정도이다.
응축수 배관이 없는 팬코일 유니트에 사용되는 응축수 배수펌프는 580㎪의 배출 압력을 가지는 멀티 슬롯 피스톤 펌프를 하나로 조합한 타입이며, 작동시 소음은 38㏈(A) 정도로 매우 조용하다.
(5) 물 절약 및 에너지 절감 효과
27℃ 실내에서 팬코일 유니트를 사용하여 냉방시 약 14~15℃의 응축수가 발생하게 되는데, 이 응축수는 여름철 공급되는 시수의 온도 22~25℃보다 매우 낮다.
하절기 냉방수 배관이 팬코일 유니트로 순환하는 과정에서의 누수와 물의 비체적 변화에 의해 팽창탱크로 보충수가 필요하게 되는데, 보통 보충수의 양은 냉방수 환수량의 1% 미만이지만 응축수를 보충수로 사용하게 되면 시수에 비해서 차가우므로 에너지 절약이 가능하며 보충수의 양이 줄어들게 되므로 물 절약이 가능하다.
(6) 냉난방 배관의 스케일 생성 저하
응축수는 응용수에 적합할 정도로 상수도 원수에 가까운 물이다.
팬코일 유니트의 공기필터를 거친 공기에서 생성된 응축수를 응축수 배출 펌프가 환수관에 인입시키기 전에 미세 거름망이 내장된 물 필터를 한번 더 거침으로써 환수관 내부로 오염물질이 유입되는 것을 방지한다.
제품의 성능 및 관련 산업 파급효과
(1) 응축수 배출 펌프 성능
응축수 배관이 없는 팬코일 유니트에 사용되는 응축수 배출 펌프는 기존 응축수 배출 펌프와는 다른 구조로 설계되었다.
정밀하게 가공된 다수의 피스톤과 실린더를 사용해 제작되며, 3곳의 역류 방지 시스템으로 응축수나 냉각수의 역류가 발생하지 않도록 설계되었다.
냉온수 배관에 연결하기 위해 기존의 응축수 펌프에 비해 매우 높은 580㎪의 수압을 발생시키고, 응축수 발생 기준인 분당 0.0167ℓ보다 10배나 많은 분당 0.16ℓ의 용량으로 작동하며, 기존 실외용 드레인 펌프에 비해 매우 적은 12W의 소비전력으로 아주 조용히 작동한다.
(2) 팬코일 유니트의 물 절약 및 에너지 절약 성능
응축수의 양은 실내의 잠열 부하에 따라서 다르다.
실내외의 절대습도 차가 0.005㎏/㎏이라고 볼 때 사무실에서 재실자 1인당 발열 및 환기 부하에 의한 응축수의 대략적인 양을 구해보면, 인체에서 나오는 수증기의 양 0.10㎏/h와 환기에 의한 수증기 양 0.24㎏/h로서 총 0.34㎏/h 정도의 응축수가 생긴다.
100㎡(30평)당 한 대의 팬코일 유니트를 설치할 때 8명 정도의 재실자가 있다고 보면 응축수의 양은 2.7㎏/h로서 이는 팬코일 유니트를 순환하는 냉온수 유량 600~800㎏/h와 비교했을 때 0.3~0.4%의 비교적 적은 양이다.
그러나 냉동기 사용에 따라 보충수가 계속 들어가게 되는데, 이 응축수를 보충수로 사용하게 되면 물 절약이 가능하고, 22~25℃의 여름철 시수보다 차가운 14~15℃의 응축수가 보충되므로 에너지 절약의 효과도 있다.
(3) 관련 산업 파급효과
위드에코는 특허 출원한 응축수 배수관이 없는 팬코일 유니트를 상품화하고, 다양한 형태로 생산하는 팬코일 유니트 제작회사에 특허 기술 및 제품을 판매하여 부가가치를 창출하고 있다.
물 펌프는 에어컨 및 기타 냉난방 기기의 응축수 처리용으로 적용할 수 있고, 고압이면서도 콤팩트하고 저소음이므로 적용 제품의 고급화 및 성능 향상으로 국내외 공조 기기 생산업체 전체의 고급화 및 차별화가 가능하다.