KR20020041747A

KR20020041747A - 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템과, 그압력제어방법 및 그 시스템이 설비된 초고층 건축물

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Publication number: KR20020041747A
Application number: KR1020010070088A
Authority: KR
Inventors: 박정로; 박정환
Original assignee: 박정로; 박정환
Priority date: 2000-11-28
Filing date: 2001-11-12
Publication date: 2002-06-03
Also published as: KR100550131B1

Abstract

본 발명은 초고층빌딩의 공조배관시스템에서 문제가 되는 수두압력을 안정적이며, 정확하게 제어할 수 있는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템과, 그 압력제어방법 및 그 시스템이 설비된 초고층 건축물에 관한 것으로, 건물 높이에 의한 수두압력에 따라 수직구역화된 최소한 하나 이상의 냉난방부하(400)와; 수직구역화된 상기 각 냉난방부하(400)에 열유체을 공급하기 위한 열원공급계(100)와; 상기 열원공급계(100)의 열원을 상기 각 수직구역화된 냉난방부하(400)로 전달하기 위한 부스터펌프(PP2)와, 설정된 수두압력을 안정되게 유지하기 위한 펌프콘트롤밸브(PCV2)로 이루어져 상기 열원공급계(100)와, 수직구역화된 상기 각 냉난방부하(410)(420)(430) 사이에 구비된 최소한 하나 이상의 부스터펌프계(300)와; 냉난방부하(400)에서 출력된 열유체를 감압하여 설정된 수두압력으로 유지하기 위한 감압 및 압력유지장치(PRSD)로 이루어져 상기 각 수직 구역화된 냉난방부하(410)(420)(430)의 출력측 귀환라인과 상기 열원공급계(100) 사이에 설치되는 최소한 하나 이상의 감압제어장치계(600)로 구성되어, 건물의 높이에 비례하여 작용하는 수두압력을 안전사용 수두압력 범위 내로 다단계 분산 및 감압함에 따라, 초고층빌딩의 공조배관시스템의 높은 수두압력을 정확하고 안정적으로 제어할 수가 있으며, 종래에 초고층빌딩에서 열원기기를 설치하기 위한 중간 설비층이 필요가 없으므로 건물 공간을 효율적으로 사용할 수 있으며, 건물 구조체의 경량화, 공사비절약, 에너지를 절감할 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Description

공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템과, 그 압력제어방법 및 그 시스템이 설비된 초고층 건축물{System and Method of pressure distribution and pressure regulation for heating and air-conditioning units, and a very high-rise building utilizing the same}

본 발명은 초고층 건물에 설비되는 공조배관시스템에 관한 것으로, 특히 초고층빌딩의 공조배관시스템에서 문제가 되는 수두압력을 안정적이며, 정확하게 제어할 수 있는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템과, 그 압력제어방법 및 그 시스템이 설비된 초고층 건축물에 관한 것이다.

근래에 건축기술의 비약적인 발달로 높이가 200m 이상 되는 50층 이상의 고층건물들이 대단히 많으며, 세계적으로는 400m 이상 되는 100층 이상의 초고층 건물들도 다수가 된다.

이와같은 고층 건물에서 냉동기, 보일러, 열교환기와 같은 열원기기의 배관계통의 수압이 직접적으로 관계한다. 일반적으로 70m 정도의 20층 전후의 건물에서는 열원기기를 지하층에만 설치하더라도 열원기기에서 공급되는 열유체를 건물 상층부에 공급하는데 큰 어려움이 없으나, 그 이상의 건물 높이에서는 열유체의 수압이 문제가 되므로 건물의 중간층 또는 최상층에 열원기기를 분산하여 설치해야 되며, 건물의 높이가 높아지면 그 높이에 비례하여 열원기기 설치를 위한 중간층(설비층)도 증가하게 된다.

이와 같이 수직적으로 높아진 초고층 건물에서의 설비시스템은 일반 건물에서 적용되는 시스템과는 다르게 초고층 건물의 특성에 맞는 시스템을 고려하여야만 된다. 초고층 빌딩에 있어서는 그 높이에 따라 공조설비의 수배관계에 작용하게 되는 높은 압력을 적정한 압력범위로 유지하는 것이 필요하게 된다.

이러한 현상은 점차 빌딩들이 고층화가 되어 가는 추세에 있기 때문에 초고층 건물의 설계시에 건축환경 및 기능적인 측면에서 공조배관계의 수두압력제어의 필요성이 더욱 중요시되고 있다.

이와 같은 초고층건물에서의 공조수배관계의 공조수의 효과적인 제어방법 및 시스템을 제공하기 위한 기술이 동일인에 의해 특허출원하여 특허등록된 등록번호 제245587호에 개시되어 있다.

본 발명은 상기 기술내용을 개량하여 혹독한 조건의 높은 수두압력이 작용하는 초고층빌딩에서도 안정적으로 적용할 수가 있는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템과, 그 압력제어방법 및 그 시스템이 설비된 초고층 건축물에 관한 것이다.

본 발명의 목적은 초고층빌딩의 공조배관계의 수두압력 제어시스템에서 공조배관계의 모든 내부압력을 일정하며 안정적으로 유지하는 것이다.

본 발명에서는 시스템의 운전중에 발생되는 밸브의 난조현상(hunting) 및 잔류편차(offset)에 의한 압력변동, 펌프의 가동, 정지 시마다 발생되는 수격(water hammer)작용 및 냉수낙하에 의한 부압 발생으로 파생되는 압력변동을 제어하고자 하는 것이다.

공조시스템의 압력선도를 작성하여 장비 및 기기의 안전 사용압력, 유체의 흐름과 압력의 변동, 제어의 조건, 펌프의 특성과 에너지 절약을 위한 대수제어, 시스템 압력제어에 적용할 장치를 살펴보면 다음과 같은 특성의 기술을 적용하여 해결하게 된다.

초과수압 및 감압 제어

1. 공급배관부의 수압문제와 공급순환펌프계의 구성

초고층빌딩의 수배관 시스템에서 발생하는 여러 가지 문제점들의 중요한 원인중에 하나가 과도한 압력에 의한 것이다. 자연계에서 수두압력은 높이에 비례하므로 초고층빌딩의 수배관시스템에 작용하는 과도한 압력부하는 설비의 안전운전 및 기기작동에 심각한 문제를 초래할 뿐만 아니라 보수 및 유지관리의 경제적 측면에서도 비용의 증가를 발생시키게 된다. 배관계통에서 일반적으로 압력이 10㎏/㎠ 이상이 되면 안전을 고려하여 압력용 배관(spps)을 사용하게 되며, 이때 냉동기, 보일러, 순환펌프, 공기조화기(AHU), 팬코일유닛(FCU) 등의 장비를 특수 제작해야 하므로 과다한 비용지출을 야기하게 된다.

만일 어떤 장비나 시스템의 운전이 특별히 고압을 필요로 하지 않으면 토출구의 최대 압력을 초과하여 구성하는 것은 불합리하며 가능하면 최대 압력을 제한하는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 초고층빌딩을 그 높이에 따라 다단계로 구역별로 나누어 공조배관계의 시스템을 구성하여 수두압력을 적정압력으로 제어하고, 열유체의 순환은 다단계로 구성된 부스터펌프계의 부스터펌프로 가압하여 송수하며, 정지시에는 체크밸브(check valve)에 의해 상류층의 압력이 하류측으로 작용하지 않게 해줌으로서 시스템에 부과되는 과도한 수압을 각 단계에서 조절하여 주게 된다. 이때 수압제어의 적정압력범위를 경제성, 안정성을 검토하여 7∼25㎏/㎠ 정도의 범위로 수직 구역화(zoning)하여 구성하는 것이 유리하게 된다.

2. 귀환배관부의 수압문제와 감압제어장치계의 구성

공급배관에 걸리는 수압은 펌프콘트롤밸브의 체크기능 및 부스터펌프 하부에 체크밸브를 설치하므로 확실하게 안전을 기할 수 있지만, 귀환측의 공급배관에 작용하는 수압의 제어는 고도의 엔지니어링이 필요하며 유체역학, 기계기구학, 열유체공학, 건축설비의 지식과 기술이 응용되게 된다.

귀환측의 배관부분은 아래 방향으로의 흐름이므로 시스템 내의 수압을 적정압력으로 감압시키는 압력제어장치인 감압 및 압력유지장치를 적용하여 시스템의 수두압력을 제어한다. 이 장치는 상류측 압력이 설정된 압력이하로 떨어지게 되면 주장치가 차단되는 기능과, 하류측 압력이 설정된 압력 이상으로 상승하게 되면 주장치가 차단되어 역류를 방지하는 기능을 갖게 하고 압력유지 기능은 시스템 내의 압력이 설계범위 내에서 항상 안정적으로 유지되도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 일 실시 예를 보여주는 공조배관 시스템의 계통도,

도 2는 본 발명의 시스템 제어 계통을 보여주는 개념도,

도 3은 본 발명의 공조배관 시스템에서의 유체순환을 보여주는 블록도.

도 4는 본 발명의 공조배관 시스템에서의 유체순환을 보여주는 도면으로서,

열원공급수단으로 지역열원 공급시스템이 적용된 경우의 블록도,

도 5는 본 발명에 따른 감압제어장치계에 구비된 감압 및 압력유지장치의

구성을 간략히 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 열원공급계200 : 기계실

210 : 시스템제어유니트300 : 부스터펌프계

400 : 냉난방부하500 : 서어지탱크장치부

600 : 감압제어장치계PP1 : 1차순환펌프

PP2 : 부스터펌프RV : 압력도피밸브

V2 : 2방밸브ST : 서어지탱크

ET : 팽창탱크M : 유량계

PCV1, PCV2 : 펌프컨트롤밸브

PRSD : 감압 및 압력유지장치

PRSV : 감압 및 압력유지밸브

RSV1, RSV2 : 압력도피 및 압력유지밸브

상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 초고층빌딩 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템은 건물 높이에 의한 수두압력에 따라 수직구역화된 최소한 하나 이상의 냉난방부하와; 수직구역화된 상기 각 냉난방부하에 열원을 공급하기 위한 열원공급계와; 상기 열원공급계의 열원을 상기 각 수직구역화된 냉난방부하로 전달하기 위한 부스터펌프와, 설정된 수두압력을 유지하기 위한 펌프콘트롤밸브로 이루어져 상기 열원공급계와, 수직구역화된 상기 각 냉난방부하 사이에 구비된 최소한 하나 이상의 부스터펌프계와; 냉난방부하에서 출력된 열유체를 감압하여 설정된 수두압력으로 유지하기 위한 감압 및 압력유지장치로 이루어져 상기 각 수직 구역화된 냉난방부하의 출력측 귀환라인과 상기 열원공급계 사이에 설치되는 최소한 하나 이상의 감압제어장치계로 구성되어, 건물의 높이에 비례하여 작용하는 수두압력을 안전사용압력 범위내로 설계조건에 따라서 다단계 분산시킴으로써 달성된다.

도 1 내지 도 5는 본 발명의 공조배관 시스템에 관한 것으로, 도 1은 건물 높이에 따라 냉난방부하를 제1단계 , 제2단계, 제3단계로 구역화한 경우에 적용 가능한 본 발명의 일 실시 예를 보여주는 공조배관 시스템의 계통도이며, 도 2는 제3단계 냉난방부하만을 도시한 본 발명의 시스템 제어 계통을 보여주는 개념도이며, 도 3은 본 발명의 공조배관 시스템에서의 유체순환을 보여주는 블록도이다. 도 4는 본 발명의 공조배관 시스템에서의 유체순환을 보여주는 도면으로서 열원공급수단으로 지역열원 공급시스템이 적용된 경우의 블록도이며, 도 5는 본 발명에 따른 감압제어장치계에 구비된 감압 및 압력유지장치를 보여주는 도면이다.

이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 건물의 높이에 따라 발생되는 수두압력에 따라 냉난방부하를 다수로 구역화하여 실시가 가능하나, 이하 본 발명의 실시 예에서는 건물의 높이에 의한 수두압력에 따라 냉난방부하를 제1단계, 제2단계, 제3단계로 구역화된 건물의 공조배관 시스템으로 설명한다.

구역화된 각 단계의 높이는 배관재질, 건물의 조건 등에 따라 임의 조정이 가능하다.

도 1을 참고하면, 본 발명의 다단계 압력분산 및 감압시스템은, 제1단계 냉난방부하(410), 제2단계 냉난방부하(420), 및 제3단계 냉난방부하(430)로 구성된 냉난방부하(400)가 부스터펌프계(300), 및 감압제어장치계(600)가 구비되어 공조수 제어시스템용 배관에 의해 열원공급계(100)와 연결되어 구성된다.

본 발명에 있어 공조배관계는 강관, 동관, 스테인레스강관 등이 이용될 수가 있다.

상기 냉난방부하(400)는 건물 내에 냉난방을 유지하기 위한 공기조화기(AHU), 팬코일유닛(FCU), 콘벡터(convector)등으로 구성된다.

상기 열원공급계(100)는 냉동기(R), 보일러(B), 냉온수기(RB)와 같은 다수의 열원기기와, 열유체를 순환 구동하는 1차순환펌프(PP1)와, 이 1차순환펌프(PP1)와연동하는 펌프컨트롤밸브(PCV1)와, 압력도피 및 압력유지밸브(RSV1)로 구성되게 된다.

상기 열원공급계(100)는 건물 내에 설비되는 냉동기(R), 보일러(B), 냉온수기(RB)와 같은 통상의 열원기기로 구성될 수가 있으나, 열병합발전소와 같이 건물 외부에서 열유체를 공급하는 지역열원 공급시스템을 이용할 수가 있다.

도 4를 참고하면, 상기 열원공급계로써 지역열원 시스템을 이용하는 경우에는 기계실은 열유체를 공급받아 부스터펌프계로 전달하며, 냉난방부하를 거쳐 환수된 열유체는 다시 지역열원 공급시스템으로 전달하도록 배관되어 구성될 수가 있다.

상기 부스터펌프계(300) 및 상기 감압제어장치계(600)는 건물의 수두압력에 따라 수직 구역화하여 다단계로 구성되어 각 단계에서 압력제어가 되도록 하며, 또한 시스템 전체의 압력제어가 안정되게 이루어지도록 하는 것이다.

예를 들어 제1단계 부스터펌프계의 압력제어범위를 안전성, 경제성을 고려하여 압력을 7∼25㎏/㎠으로 유지할 때에 초고층빌딩 1개층의 층고가 통상 4.0∼4.5m이므로 20개 층을 1개의 구역으로 구성할 때에 발생하는 수두압력은 8∼10㎏/㎠ 범위 정도가 된다. 따라서, 부스터펌프계(300)의 구성은 각 구역마다 부스터펌프(PP2)를 설치하여 유체를 순환 공급함으로써 수두압력이 안전사용압력 범위 내로 제어되도록 해야한다.

상기 부스터펌프계(300)는 부스터펌프(PP2)와, 이 부스터펌프(PP2)와 직렬연결되는 펌프콘트롤밸브(PCV2)로 구성되어, 부스터펌프(PP2)의 기동, 정지 시의 맥동현상(surging)을 방지하는 기능과 전기공급 중단시 유체가 역류하는 것을 방지하기 위하여 즉시 밸브가 닫히도록 하는 기능과, 펌프의 대수제어시 압력변동을 최소화시켜 시스템의 제어가 안정적으로 최적화되도록 한다.

또한, 상기 부스터펌프계(300)는 상기 부스터펌프(PP2) 및 펌프컨트롤밸브(PCV2)와 병렬 연결되는 압력도피 및 압력유지밸브(RSV2)가 추가로 구성되어, 냉난방부하(400)의 2방밸브(V2)가 개폐될 때 변화하는 압력을 입구측의 포텐셜(potent ial)이나 시스템이 요구하는 유량의 변화와는 관계없이 설정된 압력을 일정하게 유지하도록 한다.

또한, 상기 부스터펌프계(300)의 각 부스터펌프(PP2)의 하단부에는 미도시된 체크밸브(check valve)를 추가로 설치하는 것이 바람직할 것이다. 이와 같이 구성된 체크밸브는 부스터펌프가 정지 시에 상류층의 압력이 하류측으로 작용하지 않도록 하여 시스템에 과도한 수압이 작용하는 것을 방지하게 된다.

귀환배관계통의 최상부에는 서어지탱크장치부(500)가 설치되어 압력도피밸브(RV)또는 체크밸브에 의해 압력제어장치들이 서로 다른 시간에 개방되거나, 폐쇄 시에 생기는 압력변동 요인을 조절하는 기능을 하며, 콘트롤밸브가 급격하게 닫칠 때에 서어지 작용을 방지하고 보급수 탱크기능 및 급격한 압력팽창이 발생될 때에 압력도피밸브(RV)를 개방하여 압력을 도피시키게 된다.

즉, 부스터펌프계(300)에서 출력된 유체를 각 단계마다 사용안전 수두압력내에서 특성 및 조건, 안정성 등을 고려하여 수압제어범위를 설정하여 다단계로 수직 구역화하여, 각 구역의 부스터펌프계에서 가압 송수하게 되며, 정지 시에는 상술한 바와 같이 부스터펌프의 기계적인 체크밸브가 닫히게 되어 상류측의 압력이 하류측으로 작용하지 않게 된다.

순환공급배관라인의 공급배관으로 압력배관용 탄소강 강관 등을 사용하면 수직 구역화의 높이를 크게 할 수가 있다. 즉, 수두압력을 배관라인 및 펌프장치의 안전사용압력 범위 내에서 수직 구역화의 높이를 수두압력 7∼25㎏/㎠ 보다 크게 할 수도 있으며 그렇게 하면 부스터펌프 등과 같은 기계설비의 수량 및 설치공간을 축소할 수가 있게 된다. 그리고, 각 구역(zoning)의 냉난방부하 배관계통에서의 수두압력은 기기안전 사용압력(7∼10㎏/㎠)을 유지하도록 한다.

다음으로 환수배관은 하향흐름이므로 감압제어장치계에서는 낙수에 의한 부압현상을 방지하고, 높은 수두압력을 감압 제어하게 된다.

시스템 내의 수두압력을 적정압력으로 감압시키는 수두압력제어장치의 특성은 감압기능과 밸브의 상류측 압력이 설정된 압력 이하로 떨어지면 주밸브가 차단되고, 또한 하류측 압력이 설정된 압력이상으로 상승하면 역시 차단되어 역류를 방지하는 기능을 수행하게 된다.

즉, 시스템 내의 유체압력이 설계범위 내에서 항상 안정적으로 유지되도록 압력유지기능을 수행해야만 한다. 이와 같은 조건을 만족하기 위한 감압제어장치계의 구성은 다음과 같다.

상기 감압제어장치계(600)는 감압 및 압력유지장치(PRSD)로 구성된다. 감압 및 압력유지장치(PRSD)는 입구측(상류측)의 높은 압력을 출구측(하류측)의 낮은 압력으로 감압시키고, 입구측의 압력이나 유량의 변화와 관계없이 설정된 출구압력을 정확하게 유지하게 된다. 출구측의 압력이 설정된 압력보다 상승하게 되면 밸브를 닫게 되며, 입구측의 압력이 설정된 압력보다 낮아지게 되면 밸브를 닫게 된다.

이와 같이 구성된 감압제어장치계는 압력제어범위 및 특성을 고려하여 다단계로 수직 구역화하고, 감압장치를 제1단계 또는 그 이상의 다단계로 구성하여 유체를 감압함으로써 공동현상(cavitation)이 발생하지 않게 된다. 감압제어장치계의 수두압력 제어범위는 부스터펌프계와 동일하게 7∼25㎏/㎠으로 하는 것이 안정성 및 경제성 측면에서 바람직할 것이다.

상기 열원공급계(100), 제1단계 부스터펌프계(310), 및 제1단계 감압제어장치계(610)는 건물 지하층에 설치하여 기계실(200)을 구성함으로써 설치공간을 줄일 수가 있다.

상기 기계실(200)에는 환수헤더에 공기가압식 또는 질소가압식의 다이어프램 밀폐형 팽창탱크(ET)를 설치하여 펌프의 기동, 정지시 또는 압력제어밸브의 난조현상(hunting)과 잔류편차(offset)로 인하여 발생하게 되는 압력변동을 흡수 ·조절하도록 제어함으로써 시스템의 설정압력을 항상 안정되게 유지할 수가 있다.

기계실(200) 내에 도면부호 M은 귀환된 유체의 유량을 측정하기 위한 유량계이다. 유량계(M)에는 유량검출기(220)가 구비되어 유량계(M)에서 검출된 신호는 시스템제어반(210)으로 입력된다.

다음으로 상술한 바와 같이 구성된 본 발명의 각 구성품들의 각 주요기능 및 특징을 정리하면 다음과 같다.

1. 감압 및 압력유지장치

감압 및 압력유지장치(PRSD)는 입구측(상류측)의 높은 압력을 출구측의 낮은 압력으로 감압시키는 기능과, 입구측의 압력이나 유량변화에 관계없이 설정된 출구측 압력을 정확하게 유지하는 2가지의 독립된 기능을 수행하게 된다. 즉, 입구측(상류측)의 높은 압력을 출구측의 낮은 압력으로 감압시키며, 입구측의 압력이나 유량 변화에 관계없이 설정된 출구측 압력을 정확하게 유지하게 된다.

구체적으로는 도 5를 참고하면, 감압 및 압력유지밸브(PRSV)를 중심으로 압력감지센서부인 제1압력센서(SS1) 및 제2압력센서(SS2)와, 제1서비스밸브(GV1) 및 제2서비스밸브(GV2)가 구비된다. 도면부호 ST는 여과기이다.

이와 같이 구성된 감압 및 압력유지장치는 기준압력이 되는 출구측을 항상 설정압력 상태를 유지하면서 동시에 입구측의 압력을 설정압력으로 유지하게 된다

즉, 입구측 압력이 낮아지면 제1압력센서(SS1)에서 압력이 감지되어 파이로트 콘트롤에 의하여 감압 및 압력유지밸브(PRSV)가 자동으로 닫히게 되어 일정한 압력이 유지될 때까지 압력이 상승하게 된다. 만약, 부가된 압력이나 귀환된 압력에 의해 출구측 압력이 높아지게 되면, 제2압력센서(SS2)가 이를 감지하여 감압 및 압력유지밸브(PRSV)를 폐쇄하여 역류 현상을 방지하게 된다.

본 발명에 있어 감압 및 압력유지장치에 있어 감압 및 압력유지밸브는 다음과 같이 병렬 연결되어 구성되는 것이 바람직하다.

다양한 유량 변화가 요구될 때 대유량의 경우에 1개의 밸브를 선정하면 이 밸브는 필요한 압력으로 감압되면서 작은 유량과 큰 유량의 양쪽을 모두 만족시켜야 한다. 아주 작은 유량이 필요할 때 밸브시트는 아주 조금만 개방된 후에 즉시 닫혀야 한다. 그러나, 이 과정이 반복되면 작동부의 과도한 마모와 함께 채터링(chattering) 현상이 발생하며 소음의 원인이 되게 된다. 이와 같은 문제점은 구경이 큰 밸브와, 구경이 작은 밸브로 이루어진 2개의 밸브를 병렬로 설치하여 해결할 수가 있으며 1개의 밸브를 별도로 설치하여 예비품으로 보유하여 안정성을 향상시킬 수가 있다.

2. 압력도피 및 압력유지밸브

압력도피 및 압력유지밸브(RSV1)(RSV2)는 입구측의 포텐셜(potential)이나 시스템이 요구하는 유량의 변화와 관계없이 설정한 입구측의 압력을 일정하게 유지시켜 주기 위한 것으로 일정한 압력만 공급되도록 바이패스(bypass)시켜 부하를 덜어주는 기능을 하게 된다.

3. 펌프컨트롤밸브

펌프컨트롤밸브(PCV1)(PCV2)는 펌프의 기동과 정지시에 시스템으로부터 발생하는 배관계의 맥동현상(surging)을 해소하는 기능 및 토출압력을 제어하기 위해 부스터펌프(PP2) 및 1차순환펌프(PP1)의 토출측 배관에 설치되는 밸브이다.

밸브가 닫혀있는 상태에서 펌프가 기동하기 시작하면 파이로트용 전자식 콘트롤밸브에 전원이 공급되어 밸브는 서서히 열리기 시작하면서 차츰 배관내의 압력이 펌프의 양정까지 올라가게 한다.

펌프에 정지신호가 가해지면 파이로트용 전자식 콘트롤밸브로 공급되던 전원이 차단되어 밸브는 서서히 닫히고 유량을 감소시켜 간다. 이와 같이 밸브가 닫혀지면 펌프와 밸브사이에 전기적으로 인터록(inter-lock)이 되는 리미트스위치(limit switch)를 동작시켜 펌프의 전원을 차단시키게 되고 따라서 펌프는 정지하게 된다. 만약에 전원이 갑자기 차단된 경우(정전시)에는 내장된 체크밸브(check valve)가 닫혀지는 순간에 흐름이 정지되며, 솔레노이드(solenoid)나 다이아프램(diaphragm)의 위치에 상관없이 밸브를 닫아 역류를 방지하게 된다.

4. 부스터펌프

부스터펌프(PP2)는 공급배관의 열유체를 높은 위치로 공급해주기 위하여 필요에 따라 직렬 다단계로 연결되어 설치되며, 각 단계에서의 부스터펌프는 정격용량의 2대 이상의 펌프를 병렬로 구성하여 유량계의 측정값에 따라 시스템 제어반에 의해 대수제어 되어 다양하게 변하는 유량을 제어함으로써 에너지를 절감할 수가 있게 된다. 각 구역에서의 수직높이(압력범위)는 배관 및 기기의 내압강도, 특성 등을 검토하여 결정하게 된다.

부스터펌프의 운전제어는 대수제어 및 가변유량제어(회전수제어)로 에너지절감이 될 수 있게 시퀀스(sequence)를 구성하는 방법과, 시스템의 압력에 의하여 기동정지하고 부하에 따라 대수제어가 되도록 구성 할 수도 있다

5. 팽창탱크

팽창탱크(ET)는 열원공급계의 환수헤더에 구비되어 팽창압력을 흡수, 도피, 및 조절하게 되며, 본 발명에서는 공기가압식 또는 질소가압식의 밀폐형탱크를 사용하는 것이 바람직하며, 공기압축기, 릴리프밸브, 보급수라인, 경보장치 등의 부속기기가 구비된다.

시스템의 운전시 환수헤더의 압력이 설정압력 이상으로 상승하면 이를 흡수 조절하여 항상 시스템의 압력을 일정하게 유지되도록 한다.

6. 서어지탱크

서어지탱크(ST)는 시스템의 운전시 유량 또는 유속의 급격한 변화에 의한 맥동현상(surging)을 방지하며, 급격한 압력 변화시에 압력도피밸브(RV) 또는 안전밸브(safety valve)가 개방되도록 하여 압력을 내리게 된다. 체크밸브(CV)는 역류를 방지하는 역할을 하게 되며, 또한 보충수 탱크로서의 기능을 갖는다.

이와 같이 구성된 본 발명의 공조배관계의 다단계압력분산 시스템에서 유체의 순환과정은 다음과 같다.

먼저 본 발명에서는 기준이 되는 기계실(200)에서의 압력을 항상 일정하게 유지 할 수 있어야 한다. 이와 같이 압력이 일정하게 유지된 상태에서 시스템의 운전은 도 2에 도시된 바와 같이 구성된 시스템제어반(210)이 작동하여 제1순환펌프(PP1), 각 단계의 부스터펌프(PP2) 및 열원기기(R)(B)(RB)가 순차적으로 작동하게 된다.

도 1 및 도 3을 참고하여 유체의 흐름을 살펴보면 다음과 같다.

제1단계 냉난방부하(410), 제2단계 냉난방부하(420), 제3단계 냉난방부하(430)에서 사용되는 열유체의 공급을 위해서 시스템제어반(210)이 작동하여 열원공급계(100)의 1차순환펌프(PP1)와 부스터펌프계(300)의 각 부스터펌프(PP2)가 구동되게 된다.

열원공급계(100)의 1차순환펌프(PP1)가 구동하여 열원기기(R)(RB)(B)를 통하여 열유체가 부스터펌프계(300)로 전달된다.

제1단계 부스터펌프계(310), 제2단계 부스터펌프계(320), 및 제3단계 부스터펌프계(330)의 각 부스터펌프(PP2)가 작동하여 펌프콘트롤밸브(PCV2)를 통하여 각 단계의 냉난방부하(410)(420)(430)로 열유체가 전달된다.

제1단계 냉난방부하(410)에 공급되는 열유체는 열원공급계(100)에서 출력된 열유체가 제1단계 부스터펌프계(310)를 통하여 직접 전달된다.

제2단계 냉난방부하(420)에 공급되는 열유체는 상기 제1단계 부스터펌프계(310)에서 적정 압력으로 분산되어 제2단계 부스터펌프계(320)를 통하여 전달된다.

제3단계 냉난방부하(430)에 공급되는 열유체는 마찬가지로 제1 및 제2단계의 부스터펌프계(310)(320)에서 적정 압력으로 분산되어 제3단계 부스터펌프계(330)를 통하여 전달된다.

각 단계의 부스터펌프(PP2)들은 시스템제어반(210)에 의해 부하에 따라 대수제어되며, 기동 정지시 발생하는 유량과 압력의 변동은 순차적인펌프콘트롤밸브(PCV2)의 제어기능에 의해 정숙한 운전이 된다.

다음으로 냉난방부하(400)에 구비된 2방밸브(V2)가 부하변동에 의해 닫히게 되면, 송수측 배관의 압력이 상승하게 되며, 이때는 부스터펌프계(300)의 제어기능에 의해 상승압력을 제어하게된다. 그리고 압력도피 및 압력유지밸브(RSV2)는 긴급 보완적인 장치가 된다. 또한, 각 단계별 배관계통의 최상부에서 시스템에 이상압력이 발생 시에는 서어지탱크(ST)의 압력도피밸브(RV) 또는 안전밸브가 작동하게 된다.

냉난방부하(400)를 지난 열유체는 건물의 높이에 따라 수직 구역화되어 설치된 다단계의 감압제어장치계(600)를 거쳐 감압 제어되며, 기계실(200)의 내부 압력이 일정하게 유지되도록 하면서 순환을 반복하게 되는 것이다.

상기 각 단계별 감압제어장치계(600)의 수두압력은 경제성, 안정성을 고려하여 상술한 바와 같이 설정압력범위(7∼25㎏/㎠)정도로 수직 구역화하고, 운전압력은 정지시의 수두압력보다 2∼3㎏/㎠높게 설정할 수가 있으며, 또한 감압 및 압력유지밸브(PRSV)의 난조현상(hunting)과 잔류편차(offset)로 인한 압력변동은 환수헤더에 구비된 팽창탱크(ET)에 의해 흡수 조절되게 된다.

펌프의 정지 시에는 펌프콘트롤밸브가 서서히 닫히면서 유량을 감소시켜 압력을 낮추게 되며, 시스템 압력이 계속 낮아져서 환수측 압력유지밸브의 설정압력 이하가 되면 밸브는 자동으로 닫혀 정수두압을 유지하게 된다. 밸브가 완전히 닫히면 제한스위치(limit switch)가 작동하여 부스터펌프를 정지시키게 된다.

이상과 같이 본 발명의 실시예에서는 공조배관계를 제1단계 냉난방부하, 제2단계 냉난방부하, 및 제3단계 냉난방부하로 구역화하여 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것은 아니다. 따라서, 본 기술 분야의 전문적인 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능할 것이며, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

이상과 같은 본 발명은 모든 초고층빌딩 공조배관계를 다단계로 수직 구역화하여 구성하여, 수두압력을 적정 압력으로 제어할 수 있도록 하여 다음과 같은 탁월한 효과를 갖는 발명인 것이다.

첫째, 본 발명은 건물의 높이에 의해 발생되는 수두압력에 따라 냉난방부하를 수직 구역화하여 각 구역마다 수두압력을 임의의 안전사용범위 내에서 제어가능하도록 함에 따라 건물의 높이와 상관없이 적용이 가능한다.

즉, 건물 공조배관계에 흐르는 열유체의 작용으로 발생하는 어떠한 크기의 압력부하에도 일정한 압력으로 유지할 수가 있으므로 큰 폭의 압력변화에서도 시스템을 안정적으로 유지시켜 줄 수가 있으므로 기술적으로 무한대 높이의 빌딩에도 적용 가능한 것이다.

둘째, 본 발명은 종래 건물의 중간부 또는 옥상에 설치되어야만 했던 냉동기, 열교환기, 보일러와 같은 큰 중량의 열원기기를 지하층에 설치하여 운전이 가능하게 된다.

따라서, 건축물에 작용하는 하중을 감소하여 건물 구조체의 경량화 및 건물의 안전성을 높일 수가 있으며, 소음·진동 및 화재 등의 위험을 최소화할 수가 있다.

셋째, 본 발명은 지하층에서 배관시스템을 통해 직접 냉난방 부하에 열유체를 전달하게 되므로 열손실을 최소화하여 열전달 효율을 극대화할 수가 있으므로 에너지 절약의 효과를 거둘 수가 있다.

넷째, 본 발명은 건물의 공사비 절감에 의한 경제적인 이익창출과 함께, 종래의 시스템에서 열원기기실이 차지하던 넓은 공간을 유용하게 할용 할 수가 있으므로 건물의 공간 이용의 효율성을 증대시킬 수가 있다.

다섯째, 본 발명은 열원기기 장치들을 지하층에 집중배치하여 관리할 수가 있으므로, 공조시설의 효율적인 운전관리가 가능하며 기계장비, 및 시스템의 정비가 용이하며, 적은 관리인력으로 운영이 가능하여 관리비용을 절감할 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims

수두압력에 따라 수직구역화된 최소한 하나 이상의 냉난방부하와;

수직 구역화된 상기 각 냉난방부하에 열원을 공급하기 위한 열원공급계와;

상기 열원공급계의 열원을 상기 각 수직 구역화된 냉난방부하로 전달하기 위한 부스터펌프와, 설정된 수두압력을 유지하기 위한 펌프콘트롤밸브로 이루어져 상기 열원공급계와, 수직 구역화된 상기 각 냉난방부하 사이에 구비된 최소한 하나 이상의 부스터펌프계와;

냉난방부하에서 출력된 열유체를 감압하여 설정된 수두압력으로 유지하기 위한 감압 및 압력유지장치로 이루어져 상기 각 수직 구역화된 냉난방부하의 출력측 귀환라인과 상기 열원공급계 사이에 설치되는 최소한 하나 이상의 감압제어장치계로 구성되어,

건물의 높이에 비례하여 작용하는 수두압력을 안전사용 수두압력 범위 내로 다단계 분산하는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템.
제1항에 있어서, 상기 부스터펌프계는 상기 부스터펌프 및 펌프콘트롤밸브에 일정한 압력만이 공급되도록 압력제어 가능하게 병렬로 설치된 압력도피 및 유지밸브가 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템.
제1항에 있어서, 상기 부스터펌프계의 각 부스터펌프(PP2)의 하단부에는 부스터펌프가 정지 시에 상류층의 압력이 하류측으로 작용하는 것을 방지하기 위한 체크밸브가 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템.
제1항에 있어서, 상기 감압 및 압력유지장치는 감압 및 압력유지밸브와, 이 감압 및 압력유지밸브의 입구측 및 출력측에 구비되어 압력을 감지하여 일정한 압력을 유지하도록 제어하는 압력감지센서부와, 서비스밸브로 구성되는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템.
제4항에 있어서, 상기 감압 및 압력유지밸브에는 열유체를 바이패스하기 위한 직경이 작은 별도의 감압 및 압력유지밸브가 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템.
제1항에 있어서, 순환라인의 상부에는 서어지탱크가 연통되게 설치되고, 이 서어지탱크에 압력도피밸브 또는 안전밸브와, 역지밸브가 연통 가능하게 장치되어,

압력도피밸브 또는 안전밸브에 의해 배관계의 급격한 압력변동을 방지하며, 역지밸브에 의해 역류를 방지할 수 있는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템.
제1항에 있어서, 상기 열원공급계의 환수헤더에는 팽창압력을 흡수, 도피, 및 조절하기 위한 팽창탱크가 추가로 구비되어,

펌프의 기동, 정지 시 또는 압력제어밸브의 난조현상과 잔류편차로 인하여 발생되는 압력변동을 흡수, 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템.
제7항에 있어서, 상기 팽창탱크는 공기가압식 또는 질소가압식의 밀폐형탱크인 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템.
제1항에 있어서, 상기 열원공급계는 건물 외부에서 열유체를 공급하는 지역열원 공급시스템인 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템.
건물 높이에 의한 수두압력에 따라 수직구역화된 최소한 하나 이상의 냉난방부하와;

수직구역화된 상기 각 냉난방부하에 열원을 공급하기 위한 열원공급계와;

상기 열원공급계의 열원을 상기 각 수직구역화된 냉난방부하로 전달하기 위한 부스터펌프와, 설정된 수두압력을 유지하기 위한 펌프콘트롤밸브로 이루어져 상기 열원공급계와, 수직구역화된 상기 각 냉난방부하 사이에 구비된 최소한 하나 이상의 부스터펌프계와;

냉난방부하에서 출력된 열유체를 감압하여 설정된 수두압력으로 유지하기 위한 감압 및 압력유지장치로 이루어져 상기 각 수직 구역화된 냉난방부하의 출력측 귀환라인과 상기 열원공급계 사이에 설치되는 최소한 하나 이상의 감압제어장치계로 구성되어,

건물의 높이에 비례하여 작용하는 수두압력을 안전사용 수두압력 범위 내로 다단계 분산 및 감압하는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템이 설비된 초고층 건축물.
제10항에 있어서, 상기 부스터펌프계는 상기 부스터펌프 및 펌프콘트롤밸브에 설정압력만이 공급되도록 압력제어 가능하게 병렬로 설치된 압력도피 및 유지밸브가 추가로 구성되는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템이 설비된 초고층 건축물
제10항에 있어서, 상기 감압 및 압력유지장치는 감압 및 압력유지밸브의 입구측과 출력측에 압력을 감지하여 일정한 압력을 유지하도록 제어하는 압력감지센서부와, 서비스뱁브가 제어가능하게 구비되는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템이 설비된 초고층 건축물.
제10항에 있어서, 상기 열원공급계는 건물 외부에서 열유체를 공급하는 지역열원 공급처에 배관된 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템이 설비된 초고층 건축물.
수두압력에 따라 수직 구역화된 다수의 냉난방부하에 부스터펌프 및 펌프콘트롤밸브로 구성된 최소한 하나 이상의 부스터펌프계를 이용하여 열원공급계의 열유체를 다단계로 압력을 분산하여 공급하는 제1단계와;

다수의 냉난방부하에서 출력된 열유체를 설정된 수두압력을 유지하기 위한 감압 및 압력유지장치로 구성된 최소한 하나 이상의 감압제어장치계를 이용하여 냉난방부하에서 출력된 열유체를 다단계로 압력을 감압하여 상기 열원공급계로 귀환시키는 제2단계로 구성되는 것을 특징으로 하는 공조배관계의 다단계 압력분산 및 감압시스템의 압력제어방법.