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공기조화 방식의 분류(1)
일단 공기조화 사이클에 대해서 알아보도록 하겠다.
공기조화방식의 원형은 왼쪽 그림에서 나타내는바와 같이, 기계실 내에 공조기를 설치해서 이것에 의해 조화된 공기를 덕트를 통해 각 실로 이끄는 형식의 것이다. 이 방식은 공기조화가 발명된 이래 오랫동안 사용되어 왔고, 현재도 이 형식을 사용하고 있는 예가 가장 많다.
공조 방법은 여러 방법으로 분류할 수 있는데 아래 표와 같이 분류할 수 있다.?
[1]열의 분배 방법에 의한 분류
(1) 중앙방식 (Central system)
각 실이나 존(zone)에 공급해야 할 공조용 열매체인 냉?온수 또는 냉?온풍을 만드는 장소를 중앙기계실이라고 하며, 중앙방식의 공조 시스템은 중앙기계실로부터 조화된 공기나, 냉?온수를 각 실로 공급하는 방식으로 열을 운반하는 매체의 종류에 따라 전공기방식(all air system), 공기?수방식(all-water system), 전수방식(all water system)으로 분류된다.
이 방식들은 보일러나 냉동기, 공조기 등이 설치되어 있는 중앙기계실로부터 각 실로 덕트나 배관을 통해 냉?온풍이나 냉?온수를 공급해야 하므로 덕트 스페이스(duct space)나 파이프 스페이스(pipe space) 및 샤프트(shaft)가 있어야 한다. 그러나, 열원 기기가 중앙기계실에 집중되어 있으므로 유지관리가 편리하다. 따라서, 이 방식은 주로 규모가 큰 건물에 적용된다.
(2) 개별방식(individual system)
개별방식은 각 층 또는 각 존에 각각 공기조화 유닛(unit)을 분산시켜 설치한 것으로서 개별제어 및 국소운전이 가능하여 에너지 절약적이다. 그러나, 각 유닛마다 냉동기를 갖추고 있어 관리하기가 불편하다.
[2] 운반되는 열매체에 의한 분류
(1) 전 공기방식(全 空氣 方式=all air system)
전 공기 방식에는 단일덕트방식, 덕트병용 패키지(package)방식, 각층 유닛방식 등이 있다.
이 방식들은 아래그림과 같이 중앙공조기로부터 덕트를 통해 냉?온풍을 공급받는다.
전공기 방식의 장점은 다음과 같다.
① 청정도가 높은 공조, 냄새제어, 소음제어에 적합하다
② 중간기에 외기냉방(外氣冷房)이 가능하다.
③ 중앙집중식이므로 운전, 보수관리를 집중화할 수 있다.
④ 공조하는 실에는 드레인 배관, 공기 여과기 또는 전원이 필요 없다.
⑤ 많은 배기량에도 적응성이 있다.
⑥ 배열회수장치를 이용하기 쉽다.
⑦ 겨울철 가습하기가 용이하다.
한편 다음과 같은 단점이 있다
① 대형 덕트로 인한 덕트스페이스 필요하고, 설치공간이 커진다.
② 송풍동력이 커서 다른 방식에 비하여 반송동력이 크다.
③ 대형의 공조기실을 필요로 한다.
④ 존별 공기평형 유지를 위한 기구가 없으면 공기균형 유지가 어렵다.
전공기 방식은 송풍량이 많아서 실내 공기의 오염이 적고, 실내 유효면적을 넓힐 수 있고, 실내 배관에 의한 누수의 염려가 없어서 사무소 건물이나 병원의 내부 존, 청정도가 요구되는 병원의 수술실과 공장의 크린룸(clean room),공장, 배기풍량이 많은 레스토랑, 연구소, 대풍량, 고정압이 요구되는 극장의 관객석 등에 적용된다.
(2) 전 수방식(全 水方式=all water system)
전 수방식은 보일러로부터 증기 또는 온수나 냉동기로부터의 냉수를 각 실에 있는 유닛( FCU)으로 공급시켜 냉난방을 하는 것으로써 그림 4-8과 같이 배관에 의해 공조공간인 실내로 냉?온수를 공급한다.
전 수방식의 장점은 다음과 같다.
① 덕트 스페이스가 필요 없어 설치 면에서 유리하다
② 열매체가 증기 또는 냉?온수이므로 열의 운송 동력이 공기에 비해 적게 소요된다.
③ 각 실의 개별적인 실온제어가 쉽다.
한편 다음과 같은 단점이 있다.
① 송풍공기가 없어 외기도입하기가 어려워 실내공기가 오염되기 쉽다.
② 실내의 배관에 의해 누수 될 염려가 있다.
이 방식은 고도의 습도제어가 불필요하고, 개별제어가 요구되는 사무소 건물의 외주부용, 주택, 여관, 요정, 모텔 등과 같이 거주인원이 적고 틈새바람에 의해 외기를 도입하는 건물에 적용된다.
(3) 공기-수방식(空氣?水方式 = air-water system)
공기-수 방식은 공기방식과 수 방식을 병용한 것이다. 이 방식의 종류는 덕트병용 팬코일유닛방식, 유인유닛방식, 덕트 병용 복사 냉난방방식 등이 있으며, 각각의 방식은 아래 그림과 같다. 이 방식들은 전 공기방식과 전 수방식의 장점을 갖고 있으며, 서로의 단점을 보완시킨 방식이다.
공기-수 방식의 장점은 다음과 같다.
① 부하가 큰 실에 대해서도 덕트 스페이스가 적어질 수 있다.
② 전 공기방식에 비하여 열 운반동력이 적게 든다.
③ 유닛별로 제어하면 개별제어가 가능하다.
한편, 다음과 같은 단점이 있다.
① 유닛에 고성능의 필터를 사용할 수 없어 공기의 청정에 큰 도움이 못된다.
② 필터의 청소 및 보수, 기기의 점검이 증대하여 관리비가 증가한다.
③ 누수 와 유닛의 소음 등에 대한 염려가 있다.
④ 실내기기를 바닥에 설치할 경우 바닥 유효면적이 감소한다.
따라서, 공기-수 방식은 사무소, 병원, 호텔, 등의 다실 건축의 외부존(perimeter zone, exterior zone)은 수방식으로, 내부존(interior zone)은 공기방식으로 하는 경우가 많다.
공기-수방식 (덕트병용 팬코일유닛 방식)
공기-수방식 (유인유닛 방식)
공기-수방식 (덕트병용 복사 냉?난방)
(4) 냉매방식 (direct expansion system)
냉매를 직접 열매로서 이용하는 것으로 패키지유닛(package unit)방식을 말하며, 장점은 다음과 같다.
① 유닛에 냉동기를 내장하고 있으므로 부분운전이 가능하고 에너지 절약적이다.
② 온도 조절기를 내장하고 있어서 개별제어가 가능하다.
③ 장래의 부하증가, 증축 등에 대해서는 유닛을 증설함으로써 쉽게 대응할 수 있는 융통성이 있다.
한편 다음과 같은 단점이 있다.
① 유닛에 냉동기를 내장하고 있으므로 진동, 소음이 발생하기 쉽다.
② 외기냉방이 어렵다
③ 다른 기종에 비하여 수명이 짧다.
이 방식의 적용은 주택, 점포, 호텔의 객실 등 비교적 소규모 건물이나 24시간 계통인 전산실, 수위실 등에 채용하고 있으며 최근에는 사무소 건물에도 많이 적용된다.
[3] 제어방식에 의한 분류
공기조화 공간의 온도, 습도 및 풍량 등을 제어하는 범위에 따라 다음과 같이 분류한다.
(1) 전체 제어방식
단일덕트 정풍량 방식이라고도 하며 하나의 건물을 하나의 공조장치로, 여름에는 냉풍을 만들고 겨울에는 온풍을 만들어 하나의 덕트계통으로 각 실에 일정한 풍량으로 송풍하는 방법이다. 전체제어 방식은 가장 간단한 방법이자 공조방식의 근본으로 다른 방식은 이 방식에서 발전한 것이다. 그러나 이 방식은 각 실 마다 부하에 차가 있으므로 너무 덥거나 너무 춥기도 한 결점이 있다. 또한, 실 하나만 사용하는 경우라도 건물 전체를 공조해야 하다는 불합리한 면이 있어 현재는 거의 채용되지 않는다.
(2) 존별 제어방식
전체제어 방식의 큰 단점을 보완하기 위해 건물의 공조구역을 몇 개로 분할하고 각 구역에 대한 공조계통을 나눠 공조운전을 경제적으로 하며, 온습도 조건을 각 구역별로 조정하는 것이 좋은데 이것을 조닝이라 하며, 분할한 구역을 존(Zone)이라고 한다.
(3) 개별 제어방식
건물의 각 실마다 공조 유닛을 배치하고 각 실에서 적당하게 온도, 습도, 기류를 조절할 수 있도록 한 방식을 말하며, 건물의 사용목적에 따라 호텔, 여관, 병원 등에서 주로 채용되고 있다. 건물의 형태가 복잡하고 건물자체 그림자의 영향을 받는다든지, 인접 건물 그림자의
영향을 받는 외부 존에서는 방위별 존제어 방식으로 실온을 제어할 수 없기 때문에 이 방식을 적용할 필요가 있다. 개별제어 방식은 단일덕트 정풍량 방식(전체제어방식)을 제외한 모든 공조방식에서 적용 가능하다.
[4] 공급 열원에 의한 분류
(1) 단열원 방식
계절에 맞춰 냉열원, 온열원 중 한가지 만을 공조기에 공급해서 공조하는 방식
(2) 복열원 방식
복열원 방식은 냉방시나 난방시에 냉동기와 보일러를 모두 갖추고 있어서 실내의 부하변동에 즉시 대응할 수 있는 방식으로 다음에 기술하는 2중덕트 방식이나, 3관식, 4관식의 배관방식을 적용시켜 연간을 통해 냉?온수를 공급할 수 있도록 한다.
공기조화방식의 분류(2)
앞선 포스팅에서 공기조화방식의 큰 분류에 대해서 이해했다면 이제 조금 더 세밀하게 공부해보도록 하겠다.
먼저 전공기 방식은 크게 단일덕트방식 2중덕트방식으로 나뉘어져 있고, 단일 덕트 방식은 정풍량 방식과 변풍량 방식으로 나뉘어져 있다. 간단히 fish-bone으로 나타내면 아래와 같이 나뉘어져 있다.
[1]정풍량 단일덕트방식 (Constant Air Volume Single Dust System)
(1)시스템의 구성
단일덕트방식은 아래 그림과 같이 일정한 풍량으로 송풍하여 실내의 부하변동에 따라서 토출공기의 온도를 변화시키는 공기방식으로 공조기(AHU : Air Handling Unit)에서 조화된 냉풍 또는 온풍을 하나의 덕트를 통해 각 취출구로 송풍하는 가장 기본인 방식이다.
(a) 중앙방식 (b) 각층유닛방식
<단일덕트방식(CAV방식)>
공조기에는 가열기, 냉각기, 가습기, 에어필터, 송풍기 등을 갖추고 있다.
이 방식에는 중앙기계실에 공조기를 설치하여 중앙식의 단일덕트 방식을 채용하는 경우와 각층, 각 존별로 공조기를 분산하는 분산방식 등이 있다. 중앙식의 정풍량 단일덕트 방식은 재래방식이며, 외주부에 FCU을 설치하는 경우가 많아지고 있다.
이방식이 적용되고 있는 건물은 환기횟수가 많고 고성능 필터를 사용하는 클린룸?수술실?허용소음 값이 낮고 소음장치 때문에 높은 송풍기 정압이 요구되는 방송 스튜디오, 극장, 외부부하가 적고 내부발생열이 많은 사무소의 내실부, 전시장, 레스토랑, 수퍼마켓 등을 들 수 있다.
(2) 방식의 특징
장 점(2중 덕트 방식과 비교)
1) 덕트가 1계통이므로 시설비가 적게 들고, 덕트 스페이스도 적게 차지한다.
2) 냉풍과 온풍을 혼합하는 혼합상자가 필요 없으므로 소음과 진동도 적다.
3) 냉?온풍의 혼합손실이 없으므로 에너지 절약적이다.
4) 덕트 스페이스를 적게 차지한다.
5) 전 공기방식의 특성이 있다.
단 점
1) 각 실이나 존의 부하변동에 즉시 대응할 수 없다.
2) 부하특성이 다른 여러 개의 실이나 존이 있는 건물에 적용하기 곤란하다.
3) 실내부하가 감소될 경우에 송풍량을 줄이면 실내 공기의 오염이 심하다.
[2]변풍량방식(Variable Air Volume System)
(1) 시스템의 구성
정풍량 방식이 풍량을 일정하게 유지하면서 송풍온도를 변화시켜서 부하의 변동에 대처하는데 반하여, 가변풍량 방식은 송풍온도를 일정하게 유지하고 부하변동에 따라서 송풍량을 변화시킴으로써 실온을 제어 한다. 변풍량 방식의 원리는 다음식과 같이 송풍량과 실내의 현열부하와의 관계에 의하여 표시된다.
<단일덕트 변풍량 방식 (VAV 방식)>
변풍량방식(VAV ; Variable Air Volume System)에는 위 그림과 같이 단일덕트 변풍량 방식과, 그림 4-29와 같이 후술하는 2중덕트 변풍량 방식(DDVAV ; Dual Duct Variable Air Volume System)이 있다.
단일덕트 변풍량 방식은 취출구 1개 또는 여러 개에 변풍량 유닛(VAV unit)을 설치하여 실온에 따라 취출 풍량을 제어한다. 이 방식은 실내부하가 감소되면 송풍량도 감소되기 때문에 부하가 극히 감소되면 실내공기의 오염이 심해진다. 따라서, 단일덕트 변풍량 방식의 단점을 보완한 것이 2중덕트 변풍량 방식이다.
2중덕트 변풍량 방식은 2중덕트의 혼합상자와 변풍량유닛을 조합한 2중덕트 변풍량유닛을 사용하거나, 또는 혼합상자와 변풍량 유닛이 별개로 분리된 것을 사용하기도 한다.
(2) 방식의 특징
가변풍량 방식은 전공기 방식의 일종으로 다음과 같은 특징이 있다
1) 동시 사용률을 적용할 수가 있어서 주 덕트에서 최대부하 시 보다 약 20~30%의 설계풍량을 줄일 수 있으므로 설비용량을 적게 할 수 있다.
2) 각 실 또는 존별로 VAV유닛을 설치하고 부하변동에 따라서 송풍량을 조정하므로 에너지의 낭비가 없다.
3) 부분부하 시 송풍기 제어에 의하여 송풍기 동력을 절감할 수가 있다
4) 전폐형 유닛을 채용함으로써 빈방에 급기를 정지시킬 수 있으므로 운전비를 줄일 수 있다.
5) 부하변동에 대하여 제어응답이 빠르기 때문에 거주성이 향상된다.
6) 시운전시 취출구의 풍량조절이 간단하다.
7) 실내부하 증감에 대하여 송풍기 제어가 가능하므로 유연하게 대응시킬 수 있다.
또한 가변풍량 방식을 채용할 때에는 다음과 같은 점에 주의하여 설계를 진행하여야 한다.
1) 취출구 선정 시 실내공기 분포가 나빠지지 않도록 최대 풍량 및 최소풍량에 있어서 일정풍량 특성 및 소음특성이 우수해야 한다.
2) 최소 풍량시 도입외기량을 확보할 수 있는 최소 풍량 설정기구를 설치하여야 하며, 특히 동일 존에 대한 일반 사무실과 회의실이 있는 경우 필요 외기량이 서로 다르므로 주의해야 한다
3) 최대, 최소 풍량시 송풍기의 운전특성을 검토하여 안전운전 및 동력절약의 목적에서 송풍기 제어의 필요 여부를 결정한다.
4) 송풍기의 변동에 따른 각 실의 실내 압력 변화에 대한 검토를 한다.
5) 송풍기 제어는 어떤 제어방식이 절약적인가 검토하고, 송풍기는 동력절감을 위하여 리미트 로드(limit load) 팬을 사용하는 것이 좋다
6) 냉?난방의 전환 또는 동일 존에 냉방 및 난방이 동시에 발생한 경우에 대비한 절절한 계획과 대책이 필요하다.
다수 실을 가지며 개별제어가 요구되는 일반사무실 건물, 에너지 다소비형 Intelligent Bldg 에 채용된다.
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[3]2중덕트방식(Dual duct System)
(1) 시스템의 구성
2중 덕트 방식은 공조기에 냉각코일과 가열코일이 각각 있어서 냉방시나 난방시를 불문하고 냉풍 및 온풍을 만든다. 냉풍과 온풍은 각각 별개의 덕트를 통해 각 실이나 존으로 송풍하고, 냉, 난방 부하에 따라 혼합상자(mixing box ; air blender)에서 혼합하여 취출 시키는 것으로 아래 그림과 같은 방식이다.
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<2중덕트방식>
(2)방식의 특징
장 점
1) 실내부하에 따라 개별제어가 가능하다.
2) 냉? 온풍을 혼합하여 토출하므로 계절에 따라 냉? 난방을 변환(change over)시킬 필요가 없다.
3) 장래 간벽의 변경 또는 용도 변경에 대해서 유연성이 있다
4) 냉풍 및 온풍이 열매체 이므로 실내온도 변화에 유연성이 있다.
단 점
1) 냉?온풍을 혼합하는데 따른 에너지 손실 및 연간 일정한 풍량을 공급하기 위한 송풍동력으로 운전비가 상승한다.
2) 덕트가 냉풍 및 온풍 두 계통이므로 설비비가 많이 든다.
3) 보통의 단일덕트에 비하여 풍량이 많기 때문에 덕트의 설치공간이 커지므로, 고속덕트 방식을 채택하게 된다.
4) 혼합상자에서 소음과 진동이 발생한다.
5) 실내습도의 완전한 제어가 어렵다
(3) 2중 덕트의 변형 : 멀티존 방식
2중덕트 방식의 변형으로 멀티 존(multi zone) 방식이 있다. 멀티존 방식은 그림 4-21과 같이 공조기에서 송풍되어지는 냉?온풍을 혼합댐퍼(mixing damper)에 의해 일정한 비율로 냉?온풍을 혼합한 후 각 존 또는 실로 보내는 방식으로 비교적 존수가 소규모인 건물에 적합하다. 이 방식의 장? 단점은 아래와 같다.
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<멀티존(multi-zone)방식 >
장 점
1) 소규모 건물의 이중덕트 방식과 비교하여 초기 설비비가 저렴하다
2) 이중덕트 방식의 덕트공간을 천장 속에 확보할 수 없는 경우에 적합하다
단 점
1) 이중덕트 방식과 같은 혼합손실이 있어서 에너지 소비량이 많다.
2) 동일 존에 있어서 내주부 부하변동 과 외주부 부하변동이 거의 균일해야 한다.
3) 장차 존 혼합댐퍼를 증설한다는 것은 경제적으로나 현실적으로 불가능하다
4) 이중덕트 방식에 비하여 정풍량 장치가 없으므로 각 실의 부하변동이 심하게 달라지면 각 실에 대한 송풍량의 불균형을 가져온다.
이 방식은 1950년경 미국에서 채택하기 시작한 이래 여러 나라에서 적용하여 왔으나 석유파동이후 에너지 절약이 문제로 되면서 최근에는 이용되는 건물이 거의 없다. 그러나, 이 방식을 적용하는데 적당한 건물은
첫째, 중역실 등 개별제어가 필요한 사무소 건물,
둘째, 형태 및 용도 면에서 냉?난방의 부하분포가 복잡한 건물,
셋째, 회의실, 연구실, 클린 룸 등 전풍량 환기가 요구되는 공간 등이다.
따라서 이중덕트 방식의 기본적 특징은 전공기식으로 정풍량, 복열원식으로서 비교적 고도의 요구에 적응할 수 있는 방식 이라고 할 수 있다. 그러므로 이 방식의 특징으로는 전공기 방식이 갖는 일반적인 특징 이외에 다음과 같은 장?단점이 있다.
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