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공동주택 승강기 운행특성을 통한 전력절감에 관한 연구
공동주택 승강기 운행특성을 통한 전력절감에 관한 연구 Study on Energy Saving by the Apartment Lift Driving Attribute 기고 : 김윤겸(한국승강기안전관리원)·김광규(한국주택관리공단) 요약 본 연구는 공동주택에 사용되는 승강기의 운행특성 분석을 통해 승강기 시스템의 전력소모의 주요 원인이 되는 균형추와 카의 중량 차를 효과적으로 감소시킬 수 있는 용이한 대안을 제시해 제한된 권상능력 범위를 초과하지 않는 범위 내에서 전력의 소모를 최소화하고 로프와 주도르래의 마모를 감소시키며 웜기어의 손상을 억제하는 방법에 대한 연구이다. 1. 서론 공동주택 승강기 소모전력의 대부분은 카에 탑승하는 승객과 화물을 견인하는데 사용된다. 탑승객과 화물이 균형추 측의 중량보다 무거울수록 카를 상승방향으로 운행하는데 더 많은 전력이 소모되며, 탑승객과 화물이 균형추 측의 중량보다 가벼울수록 카를 하강방향으로 운행하는데 더 많은 전력이 소모된다. 이러한 카측과 균형추 측의 중량 차이에 의해 발생되는 전력 소모를 최소화하는 방법으로는 여러가지 연구 결과가 있으며 회생전력을 이용하는 전력회생형 인버터가 대표적이다. 그러나 전력회생형 인버터를 교체하는데 상당한 비용이 발생돼 기 설치된 승강기의 완전 교체작업을 하는 등 대규모 공사를 시행할 경우에만 가능하다. 본 연구는 공동주택의 운행특성을 통해 승강기의 권상능력에 영향을 미치지 않으면서 최대의 전력절감 효과를 얻을 수 있는 카 측과 균형추 측의 중량 차를 시험을 통해 도출하고, 도출된 중량 차를 이용해 장기간의 주행시험을 통해 전력절감 효과를 확인해 현실에 적합하게 구현하는 방법에 대해 논하고자 한다. 2. 본론 2.1 승강기의 구성 2.1.1 공동주택에 사용되는 일반적인 승강기의 구조 공동주택에 사용되는 승강기는 로프식 승강기가 일반적이다. 로프식 승강기는 전력이 공급되면 전동기가 회전하고 회전하는 전동기에 주도르래가 연결되며 주도르래가 회전할 때, 주도르래에 마찰력으로 구속되어 있는 와이어로프를 견인함으로써 와이어로프의 일단에 고정되어 있는 카와 다른 일단에 고정되어 있는 균형추가 상승 또는 하강 운행을 하게 된다. 2.1.2 Unbalance 하중과 균형추의 중량 균형추의 총 중량은 빈 카의 자중에 승강기의 사용용도에 따라 정격 적재하중의 40~55%의 중량을 더한 값으로 책정하는 것이 일반적이다. 정격 적재하중의 몇 %를 더할 것인가를 ‘Unbalance Ratio’라 하고 견인비와 밀접한 관계가 있으며, 공동주택 승강기의 경우 ‘Unbalance Ratio’는 제조사별 차이는 있으나 약 50%정도가 적용된다. 균형추 총 중량 : W, 빈 카의 중량 : X, 정격 적재하중 : Q, Unbalance Ratio : F 라고 한다면, 승강기에서 이동케이블 중량을 감안할 경우 균형추의 총중량은 W = X + Q × F로 나타낼 수 있다. 2.1.3 전동기의 용량 산출 카를 상승 또는 하강 운행시킬 때 카 측과 균형추 측의 중량 차를 끌어올리거나 끌어내릴 수 있는 동력이 필요하며 엘리베이터용 전동기의 출력(P)은 다음의 식과 같이 계산된다. P = (중량차×V)/(6,120η) +α = [Q(1-F)×V]/(6,120η) +α Q : 정격적재하중(kg) V : 정격속도(m/min) η : 효율 F : Unbalance Ratio(%) α : 여유마력 2.2 공동주택 승강기의 운행 특성과 전력소모 2.2.1 공동주택 승강기의 운행 특성 공동주택 전기설비 주요기기 사용실태 조사 연구에 따르면 무부하 운행횟수가 전체 운행횟수의 약 43%이며, 동시에 승객이 최대로 탑승해 운행될 때의 부하는 정격 적재하중의 약 75~85%이고, 무부하 또는 20% 이하의 경부하 운행횟수가 전체 운행횟수의 85% 이상이다. 이는 공동주택에 설치되고 있는 승강기의 ‘Unbalance Ratio’을 약 50%로 적용(제조사마다 일부 차이 있음)하고 있는 실정을 감안할 때, 카 측과 균형추 측의 중량 차 때문에 무부하 또는 경부하 하강운행이 전력소모의 주 원인이라는 것을 뜻한다. 2.2.2 ‘Unbalance Ratio’의 변화에 따른 전류치 변화 시험 승강기 전동기가 소모하는 전류치는 상승 시 20%의 하중이 적재될 때까지 변화가 없고, 이후 직선에 가까운 정비례의 변화를 보이며 하강 시에도 하중이 증가할수록 직선에 가까운 반비례의 변화를 보이다가 70%의 하중이 적재된 이후에는 전류치의 변화가 없다. 20~60% 부하에서는 카가 상승운행 시 증가하는 전류와 하강운행 시 감소하는 전류가 거의 같으며, 정격 적재하중의 60% 이상의 부하에서는 카가 하강운행 시에 전류치 변화가 거의 없으나 상승운행 시에는 약 20% 부하전류가 증가함을 알 수 있다. 2.3 전력 절감 방안 2.3.1 전력 절감을 위해 정격하중의 10%의 하중을 추가 적재한 경우 전류치 분석 경부하 운전영역의 최대 전류치는 19.5A이다. 승강기에 10%의 하중을 추가한 상태에서 운전영역의 최대 전류치는 15.6A로 3.6A가 하강되며 최소 전류치는 2.3A에서 4.2A로 증가돼 1.9A가 상승된다. 따라서 전류치는 전체 1.7A가 하강됨으로 소비전력은 0.64kW(380V*1.7A=0.64kW)가 절감된다. 특히, 무부하 운전보다 10%의 하중을 추가한 상태의 운전영역을 표시하는 적색영역은 최소 전류치가 0A이고 최대 전류치만 15.6A로 낮아짐으로 소비전력은 1.3kW(380V*3.6A=1.3kW)가 절감된다. 따라서 10%의 하중을 추가한 상태의 운전은 공동주택의 43%에 해당하는 무부하 운전 시 1회 운행당 약1.3kW가 절감되고, 42%에 해당하는 경부하 운전 시 1회 운행당 약0.64kW가 절감된다. 2.3.2 전력 절감을 위해 정격하중의 10%의 하중을 추가 적재한 경우 전력량 분석 일반적인 빈 카의 승강기 상태에서 승객과 화물이 탑승·적재하고 자유롭게 운행한 승강기 전력사용량과 정격용량의 10%하중이 추가된 상태에서 운행한 승강기 전량사용량을 각각 1년간 총 2년간에 걸쳐 검침한 결과에 따르면, 승강기에 10%의 하중을 항상 적재된 상태로 운행하면 연간 약 1.5개월의 전력을 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 3. 결론 공동주택의 승강기는 운행의 특성은 무부하 운행이 43%, 정격용량의 20% 이하가 탑승한 경부하 운행이 42%, 정격용량의 75~85%가 탑승한 중부하 운행이 15%를 각각 차지한다. 이러한 운행의 특성을 활용해 승강기 내부에 정격용량의 10% 하중을 추가적재하고 운행한다면 연간 1.5개월의 전력을 절감할 수 있다. 국내 설치된 승강기는 2014년 6월 현재 51만대를 초과했으며 이중 공동주택에 설치된 승강기는 약 27만대이고 1대당 1개월에 1,000kW를 사용한다고 가정한다면 연간(1,000kW * 1.5 * 270,000 = 405,000MW)가 절감 가능함을 알 수 있다. 본 연구는 논문내용에서는 구체적으로 언급되지 않았지만 정격용량의 20% 이하가 탑승한 경부하 상태에서 정격용량의 10%를 추가로 적재한 조건의 Traction Ratio를 계산하면 5~7%의 개선효과가 있으므로, 와이어로프와 주도르래의 마모를 감소시킬 수 있으며 웜기어를 사용한 권상기의 경우 웜휠 손상의 주 원인인 Pitting을 억제하는 효과와 소음 및 진동의 감소효과도 얻을 수 있다. |
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