Introduction

정속 시와 가변속 시의 펌프의 성능을 평가하기 위한 시험장치는 Fig. 1과 같다. 설치된 펌프는 입형 다단 원심펌프로 11 kW급으로, 사각 저수탱크는 길이 2.5 m, 폭 4.5 m, 높이 2.5 m, 배관의 직경은 저수탱크로부터 나오는 공통 배관의 직경은 100 mm, 원심펌프로 들어가는 배관의 직경은 50mm, 펌프 전후 각 5D 떨어진 지점에 펌프 흡입측에 –1∼1bar, 토출측에 0∼15 bar의 압력계를 설치하였다. 펌프로 전달되는 축동력을 정확히 측정하기 위해 펌프와 전동기 사이에 토크미터를 설치하였다. 전동기는 인버터의 주파수 조절을 통해 가변속이 가능하도록 하였고, 수격방지용 팽창탱크와 유량제어와 유량측정이 동시에 가능한 복합유량계, 정속 운전 시 수동으로 유량조절이 가능하도록 게이트 밸브를 설치하였다. 구축된 펌프 성능시험장을 Fig. 1에 나타내었다.

Fig. 1 
Performance measuring system of the centrifugal pump

건물급수용 펌프의 가변속 운전 시의 에너지 절감율을 구하기 위해 송도의 아파트 단지 내의 급수용 펌프 시설에 초음파 유량계를 설치하여 2014년 3월 19일부터 2015년 2월 5일까지의 펌프 사용율을 측정하였다. 초음파 유량계 모델은 FLUXUS F601, 유속 범위 0.01∼25 m/s, 기준 불확실도는 0.2% 미만, 사용 온도 범위 –10∼60℃이다. 유량 측정 간격은 2분 당 1번으로 하였다. 건물 내에 설치된 초음파 유량계를 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2 
Building place installed ultrasonic flowmeter

가변속 펌프의 성능을 측정하기 위해 인버터를 통해 전동기의 회전수를 3600 rpm에서 400 rpm 식 감소시켜가며 2000 rpm까지의 펌프 시험을 수행하였다.

급수용 펌프는 일반적으로 건물의 고층까지 유량을 전달시키기 위하여 펌프의 최소 토출양정이 일정값 이상이 되도록 운전된다. 정압 운전을 하는 경우 토출측의 게이트 밸브를 통해 유량을 조절하고, 최소 토출양정 이 상에서 운전되도록 설정된다. 가변속 운전의 경우 요구 유량에 해당하는 회전수로 펌프를 운전하여 최소 토출양정에 해당하는 유량과 양정에서 운전되도록 설정된다.

정속/가변속 운전 시의 원심펌프의 H-Q curve를 Fig. 3에 나타내었다. 회전수에 감소에 따른 양정 감소를 확인할 수 있다. 정속/가변속 운전 시의 펌프 운전 설정에 따른 H-Q curve를 Fig. 4에 나타내었다. 유량감소에 따라 정압 운전의 경우 최소 토출양정 이상에서 운전된다. 정속/가변속 운전 시의 펌프 입력동력을 Fig. 5에 나타내었다. 펌프의 요구유량 감소에 따른 정속 운전에 대한 가변속 운전의 동력 감소를 확인할 수 있다.

Fig. 3 
Pump performance for centrifugal pump

Fig. 4 
Pump operation for constant and variable speed drive

Fig. 5 
Pump input power versus flow rate for constant and variable speed drive

건물급수용 펌프의 사용율을 위해 설치된 초음파 유량계로부터 측정된 2014년 3월 19일부터 2015년 2월 5일까지의 펌프 사용율을 계절에 따라 봄/여름/가을/겨울로 분류하고, 각 계절에 따른 통합 일일 사용율과 주중/주말 사용율을 구하였다. 구해진 계절에 따른 통합 일일 사용율과 주중/주말 사용율을 Fig. 6∼13에 나타내었다. 통합 일일 사용율의 경우 최대 사용 유량 시간대는 9시에서 10시 사이로 나타났고, 봄과 가을 여름과 겨울이 유사한 사용율을 가지며, 최대 사용 유량은 봄이 가장 많은 것으로 나타났다. 주중/주말 사용율은 주중의 경우 통합 일일 사용율과 동일하게 9시에서 10시 사이에 최대 사용 유량을 보였고, 주말의 경우 주중에 비해 2시간 정도 지난 11시에서 12시 사이에 최대 사용 유량을 보였다. 또한, 1년 전체의 통합 일일 사용율과 주중/주말 사용율을 Fig. 14∼15에 나타내었다. 각 계절에 따른 통합일일 사용율과 주중/주말 사용율을 통해 구한 에너지 절감율을 Table 1∼2에 나타내었다.

Fig. 6 
General pump duty cycle(spring)

Fig. 7 
Weekdays/weekend pump duty cycle(spring)

Fig. 8 
General pump duty cycle(summer)

Fig. 9 
Weekdays/weekend pump duty cycle (summer)

Fig. 10 
General pump duty cycle (autumn)

Fig. 11 
Weekdays/weekend pump duty cycle (autumn)

Fig. 12 
General pump duty cycle (winter)

Fig. 13 
Weekdays/weekend pump duty cycle (winter)

Fig. 14 
General pump duty cycle

Fig. 15 
Weekdays/weekend pump duty cycle