지역난방 콤팩트 열교환기 구성, 원리, 계통, 개념 정리

안녕하세요. 일시블맨입니다. 오늘은 지역난방 시스템에서 가장 중요한 장비 중 하나인 콤팩트 열교환기에 대해 알아보려고 합니다. 먼저 시작하기 전 "열교환기"에 대해 간단히 알아보면, 열교환기는 액체나 기체 등의 유체를 가지고 서로 다른 온도차를 이용하여 열을 이동시키는 장치를 뜻합니다. 말이 조금 어렵지만 겨울철 손이 시려울 때 손난로를 만지면 손이 따뜻해지듯이, 어떤 유체의 온도를 높이고 싶을 때 더 높은 온도의 다른 유체를 교차 또는 순환시켜 열을 교환(이동)시키고, 이를 통해 유체를 원하는 온도로 상승시켜 주는 장비입니다. 이 개념을 이해하고 콤팩트 열교환기에 대해 알아보겠습니다.

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1. 콤팩트 열교환기의 설치 목적 및 용도

콤팩트 열교환기의 용도는 지역난방 시스템이 적용되는 공동주택 또는 상가 등 건축물에서 난방을 위한 난방온수와 화장실 등에서 사용하는 뜨거운 물을 위한 급탕온수를 생성하는 것입니다. 쉽게 말해 건축물 내 사용자에게 따뜻한 물(난방온수, 급탕온수)을 생성 및 공급하기 위해 설치됩니다. 여기서 따뜻한 물을 만들기 위해서는 위에 언급한 열교환기를 통해 "더 높은 온도의 유체"와 순환 또는 교차시켜야 합니다. 그리고 그 "더 높은 온도의 유체"는 지역난방공사에서 공급해 주는 중온수(약 100℃ ~ 115℃)가 됩니다. 한 줄로 요약하면 지역난방에서 공급되는 중온수를 이용하여 열교환기 장치에서 난방온수와 급탕온수를 생성(가열)하고 공급하는 장비라고 설명할 수 있겠습니다.

사진1.콤팩트 열교환기 사진

 

 

 

2. 콤팩트 열교환기의 구성

사진2.콤팩트열교환기 계통 및 범위

 

위 사진을 통해 콤팩트 열교환기의 구성에 대해 알아보도록 하겠습니다. 먼저 콤팩트 열교환기 장비의 범위는 사진 상 빨간색 점선으로 둘러 쌓인 부분입니다. 열교환기 업체에서 장비 제작 시 해당 범위 내에 있는 장치, 장비 등을 베이스에 조립하여 납품하게 됩니다. 빨간색 밖 부분은 설비업체 또는 지역난방 1차 측 배관 시공업체에서 배관 공사를 진행하게 됩니다.

 

그리고 열교환기는 1차 측과 2차 측으로 배관을 나눌 수 있습니다. 여기서 1차 측 배관이란 지역난방에서 공급하는 중온수가 이동하는 배관을 의미하며, 2차 측 배관은 사용자에게 공급되는 난방, 급탕 온수의 배관을 의미합니다. 여기서 1차 측과 2차 측 배관 내 유체는 서로 절대 혼봉, 혼합될 수 없습니다.

 

사진에 나와 있는 콤팩트 열교환기의 구성을 보면 아래와 같습니다.

• ① 난방열교환기 : 난방 후 온도가 낮아진 난방수를 지역난방 중온수와 열교환하여 온도를 높임
• ② 급탕재열기 : 배관 내에서 온도가 낮아진 급탕을 지역난방 중온수와 열교환하여 온도를 높임
• ③ 급탕예열기 : 급탕 보충수를 난방열교환기와 급탕재열기를 거친 중온수와  열교환하여 예열하는 장치
• ④ 난방순환펌프 : 난방수를 난방개소와 열교환기 간 순환시켜 주는 펌프
• ⑤ 급탕순환펌프 : 급탕수를 재열 할 때 순환시켜 주는 펌프
• ⑥ 팽창기수분리기 : 난방 회수관에 설치되며, 난방수의 팽창, 수축에 대한 배관 압력유지 및 관내 용존기체 배출
• ⑦ TCV 온도조절밸브 : 2차 측 배관의 온도를 측정하여 1차 측 중온수의 유량을 조절

콤팩트 열교환기는 위와 같이 구성을 나눌 수 있습니다. 추가로 팽창기수분리기는 콤팩트 열교환기 범위 내에는 없는 별도의 장비이지만 보통 열교환기 업체에서 같이 납품하며, 추후 팽창기수분리기는 별도로 포스팅해 보겠습니다. 다음은 1차 측과 2차 측의 계통을 확인하며 작동원리에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

3. 콤팩트 열교환기의 계통 (1차 측)

사진3.콤팩트열교환기 1차측 배관 계통

먼저 1차 측 배관 즉 지역난방 중온수가 콤팩트 열교환기 내에서 어떻게 이동하는지 확인해 보도록 하겠습니다.

• 지역난방공사에서 지역난방 중온수(115℃)를 공급합니다.
• 그 후 중온수는 ① 난방열교환기와 ② 급탕재열기로 나누어져 인입 후 각각 2차 측 배관의 난방온수와 급탕온수와 열교환합니다.
• ① 난방열교환기에서 열교환을 마친 중온수는 ③ 배관으로 나오게 되며, ② 급탕재열기에서 열교환을 마친 중온수는 ④ 배관으로 나오며, 각각 한 번씩 열교환을 거친 ③, ④배관의 중온수는 ⑤ 배관에서 합쳐지게 됩니다.
• 그 후 합쳐진 중온수는 ⑤ 배관을 통해 급탕 예열기로 인입되어 급탕 보충수와 열교환을 진행합니다.
• 마지막으로 급탕예열기까지 열교환한 중온수는 약 65℃ 정도로 낮아지며 ⑥ 지역난방 중온수 환수관을 통해 지역난방공사로 돌아가게 됩니다.

여기서 한 가지 확인할 점은 콤팩트 열교환기는 난방열교환기와 급탕재열기에서 한 번씩 열교환을 한 중온수를 바로 지역난방공사로 환수하지 않고, 급탕보충수를 예열시키기 위해 한 번 더 예열기에서 열교환을 한다는 것을 알 수 있습니다. 즉 2번 열교환하는 시스템을 통해 열교환 효율을 증가시키고, 20℃ 보충수를 바로 급탕배관에 인입시키는 것이 아닌 예열을 한 번 하여 재열기에서의 효율도 올리는 효과를 가지게 되는 것입니다.

 

 

 

4. 콤팩트 열교환기의 계통 (2차 측)

사진4.콤팩트열교환기 2차측 배관 계통

다음은 2차 측 배관의 계통을 확인해 보도록 하겠습니다. 먼저 난방계통을 알아보겠습니다.

 

(1) 난방계통

• 각 세대 또는 사용처에서 난방을 하여 온도가 낮아진 난방온수(40℃)는 ⑦ 난방 순환펌프를 통해 기계실 내 열교환기로 돌아옵니다.
• 단 난방 순환펌프 전에는 팽창기수분리기를 거쳐 난방배관 내 용존기체를 제거하며, 또 난방배관 내 손실된 난방수를 보충합니다. (이때 보충수는 감압밸브를 사용하여 급수 부스터펌프의 양정이 그대로 난방배관, 팽창기수분리기로 적용되는 것을 방지하여야 합니다.)
• 난방열교환기에서 열교환을 완료한 난방수(60℃) ⑧ 배관 난방공급관을 통해 사용처로 공급됩니다.

난방배관은 완전히 밀폐되는 순환배관입니다. 사용처에서 열교환기까지 난방온수배관이 중간에 개방되지 않고 밀폐된 상태를 유지하여 계속 순환을 한다는 뜻입니다. 따라서 난방배관은 순환펌프의 가동만으로도 시스템이 작동된다는 점도 알고 계시면 좋을 것 같습니다.

 

 

(2) 급탕계통

다음은 2차 측 배관 중 급탕 계통을 알아보도록 하겠습니다. 급탕배관은 완전한 순환배관인 난방과는 다르게 배관 중간에 샤워기, 싱크대 등 사용처에서 급탕을 열면 개방되는 배관입니다. 따라서 급탕계통은 2가지 펌프가 적용된다고 생각할 수 있습니다.

 

1. 사용처(샤워기, 세면대 등)에서 적절한 수압으로 급탕을 공급해 주기 위한 부스터펌프 계통

2. 배관 내 있던 급탕의 온도가 내려갔을 때 다시 급탕수 온도를 올리기 위한 순환펌프 계통

 

위 두 가지의 방식이 같이 적용된 배관이라고 생각하며 급탕계통을 알아보면 이해가 쉽게 될 것입니다.

• 먼저 순환 펌프 계통을 설명하면 온도가 낮아진 급탕수는 급탕 순환펌프가 작동되어 환탕관을 통해 ⑨ 급탕 재열기로 인입됩니다.
• 그 후 재열(열교환을 거쳐 다시 60℃의 급탕이 됨)된 급탕수는 ⑩ 급탕관을 통해 순환되게 됩니다. 즉 바로 사용처에서 급탕을 열었을 때 60℃의 급탕온수가 바로 나올 수 있도록, 배관 내 급탕수를 60℃를 유지하기 위해 작동되는 순환 계통입니다.

다음은 급탕 공급을 위한 부스터펌프 계통을 설명하겠습니다.

• 급탕은 사용처에서 물을 사용하면 배관 내 급탕 수량이 줄어들면서, 압력도 낮아지게 됩니다. 따라서 급탕은 보충수를 통해 급탕을 계속 충당해주어야 하고, 부스터 펌프의 인버터 기능을 통해 급탕배관의 압력을 일정 수준 유지시켜줘야 합니다.
• 따라서 급탕을 사용하게 되면 저수조, 급수부스터펌프를 통해 보충수(20℃)가 ⑫ 급탕예열기로 인입됩니다.
• 위에서 언급했듯이 한 번 열교환한 1차 측 중온수와 보충수는 예열기에서 열교환을 한 후 보충수는 약 35 ~ 40℃가 되어 ⑨ 배관인 순환펌프 후단에 있는 환탕관에 혼봉되어 급탕 재열기로 인입 후 열교환을 거칩니다.
• 그 후 열교환을 한 급탕은 ⑩ 배관으로 60℃ 급탕온수가 되어 각 사용처로 공급되게 됩니다.

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이상으로 지역난방에서 사용되는 콤팩트 열교환기에 대해 알아보았습니다. 조금 복잡할 수도 있지만 천천히 계통을 생각하면서 알아가다 보면 생각보다 단순한 장비라는 것을 알 수 있습니다. 다음에는 팽창기수분리기에 대해 다뤄보도록 하겠습니다.

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.