스크랩 산업기사이론 변풍량방식(VAV SYSTEM), 정풍량방식(CAV SYSTEM) 과 자동제어방안 관계

[美세상(최승일)]

* VAV시스템의 종류 및 제어방안 *                                                                                                        :퍼옴:

Ⅰ. V.A.V SYSTEM의 개요
V.A.V. 공조방식(Variable Air Volume System)은 공조하고자 하는 공간에 대하여 열부하의 변동에 따라서 송풍량을 조절
하여 소정의 온도를 유지하는 전공기 공조 방식을 말한다. 공기를 매체로 하여 공간의 온도를 유지하는 방법에는 기본적으로
다음 두가지가 있다.
● C.A.V SYSTEM(정풍량방식)
급기 풍량을 일정하게 하고 부하변화에 대하여 급기온도를 변경하여 보상하는 방법
● V.A.V. SYSTEM(가변풍량방식)
급기 온도를 일정하게 하고 부하변화에 대하여 급기풍량을 변화하여 보상하는 방법

Ⅱ. V.A.V. 유니트의 개요
V.A.V. Unit의 발달 상황을 살펴보면 다음과 같다.
처음에는 C.A.V.(정풍량) 시스템 설계에 의하여 공사의 마지막 단계인 시스템 밸런싱시 수동으로 댐퍼를 조정하여 설계에
서 요구되는 일정량의 실내 풍량을 개별적으로 조정하였다. 다음에는 실내 부하변동에 대응하기 위하여 실내에 온도센서를
부착하여 댐퍼를 조절하였는데 다음과 같은 방법을 사용하였다.
● ON-OFF 제어
실내의 온도 조절기가 실내 온도에 따라 접점의 개폐로 댐퍼를 작동하여 풍량을 변화시키는 방식
● TIMED(시간보상) ON/OFF 제어
위의 ON-OFF 제어방식의 결함인 실내의 온도 편차를 줄이기 위하여 온도조절기 내부에 Thermal Heater를 내장하여 실내 온도 변동폭을 감소시킨 방식
● PROPORTIONAL(비례) 제어
온도조절기 내부에 온도변화에 따른 가변 전위차계(Potentiometer)를 내장하여 댐퍼 액튜에이터 작동을 비례적으로 제어하는 방식
● PI (비례적분) 제어
전자 산업의 발달로 인하여 비례제어에 첨가하여 실내 온도변화를 시간의 함수로 적분하여 이를 프로그램함으로써 댐퍼의 제어를 정밀하고 신속하게 하는 방법.
전항에서 언급한 방법을 사용하여 댐퍼를 제어하면 실내 부하 조건이 적을 때 댐퍼가 완전히 폐쇄되어 설계조건 및 운전조건에서 요구되는 실내 최소 환기량을 확보할 수 없을 뿐 아니라 실내 최소 환기량을 확보할 수 없을 뿐 아니라 실내 부하 증가로 인하여 댐퍼가 완전히 개방되었을 때는 불필요한 과대풍량을 급기하여 에너지를 낭비하고 시스템 송풍기 압력 조건에 영향을 주어 다른 실내로의 급기 조건을 충족시킬 수 없게 되었다.

따라서 이러한 결점을 보완하기 위하여 최대/최소풍량이 셋팅되고 이 범위 이내에서 실내 부하에 따라 댐퍼를 조절하여 급기 조건을 충족 시키기 위한 제어 방식의 필요성에 의하여 개발된 것이 가변 풍량 조절기(V.A.V.Unit)이다.

1. V.A.V. UNIT의 종류
(1) V.A.V. 유니트의 기능별 분류
1) By-Pass Type (바이패스형)
실내 부하 조건이 요구하는 필요한 풍량만 실내로 급기하고 나머지 풍량은 천장내로 바이패스 하여 리턴으로 순환시키는 방법이다.

따라서 엄밀한 의미에서는 V.A.V.라 할 수 없다.

2) Induction Type (유인형)
실내 부하가 감소하여 1차 공기의 풍량이 실내 설정온도점 이하부터는 천장내의 2차 공기를 유인하여 실내로 급기하는 방식이다.

3) Damper Type (교축형)
가장 널리 보편화된 형태로써 댐퍼 Actuator를 조절하여 실내 부하조건에 일치하는 풍량을 제어하는 방식이다.

4) Fan Powered V.A.V. Type (휀 부착형)
교축형 V.A.V.에 FAN 및 HEATER가 내장되어 V.A.V.는 냉방 및 환기 전용으로 작동되고 실내 부하가 감소하여 1차 공기의 풍량이 설계치의 최소 풍량일 때 실내 온도가 계속(DEAD BAND 이하로) 내려가면 FAN이 동작되고 Reheat Coil의 밸브가 열려천장내의 2차공기를 가열하여 실내로 급기(난방) 하는 방식이다.

2. V.A.V. UNIT의 구성 및 동작 원리
① 온도감지기(Thermostat)에서 실내온도 변화를 감지하여 Controller에 신호를 보낸다.
② V.A.V. Unit 의 입구측의 풍량을 풍량감지기(Air Flow Sensor)가 감지하여 Controller에 신호를 보낸다.
③ Controller는 풍량감지기의 신호와 온도감지기의 신호를 받아 비교해서 Actuator를 필요한 방향 으로 구동하여 요구되는 풍량(부하)을 유지하며 덕트내의 압력에는 상관없이 독립적으로 작동 한다. (Pressure Independent 특성)

Ⅲ. V.A.V. SYSTEM의 적용
보편적으로 건물은 전열 및 복사열 등 외부의 영향을 직접 받는 외주부와 외부의 영향을 받지 않는 내주부로 구성되며 설비
설계시에도 내·외주부는 구별되어 설계되며 실제로 H.A.V.C. System에 V.A.V. 방식을 적용하는 대표적인 방법은 아래와 같다.
● V.A.V. Unit(내주부)+Fan Powered V.A.V. Unit(외주부)
● V.A.V. Unit(내주부)+F.C.U. 또는 방열기(외주부)
● V.A.V. Unit(내주부)+V.A.V. Unit(외주부)
● Fan Powered V.A.V. Unit(내주부)+Fan Powered V.A.V. Unit(외주부)
1. V.A.V. UNIT(내주부) + Fan Powered V.A.V. Unit(외주부)

내주부의 V.A.V. Unit는 내주부에서 발생하는 냉방부하를 담당함으로 항시 냉방운전으로 동작하고 외주부의 Fan Powered V.A.V. Unit는 외주부에서 발생하는 냉방부하(하계시) 또는 난방부하(동계시)를 처리하는 방식이며 V.A.V. Unit는 실내온도 상승시 풍량을 많이 공급하여 주어 냉방부하를 처리하고 냉방부하 감소시에는 풍량을 감소시켜 실내온도를 설정점으로 유지하여 준다.
이때 V.A.V. Unit의 최소 풍량은 실내의 최소 환기량으로 설정된다. F.P. Unit는 하계시에는 Fan과 Reheating Coil을 사용하지 않고 내부의 V.A.V. Unit에 의해 내주부의 V.A.V. Unit와 동일하게 운전되고, 난방부하 발생시 최소 환기량을 유지하는 동시에 Fan과 Reheating Coil을 동작하여 실내에 난방부하를 제어한다.

2. V.A.V. UNIT(내주부) + F.C.U 또는 방열기(외주부)

냉방 V.A.V. Unit + 난방 F.C.U 또는 방열기를 사용할 때 하계시에는 V.A.V. Unit에 의해 단일 공조 제어를 하여 실내온도 상승시 풍량을 증가하여 주어 냉방부하를 처리하고 냉방부하 감소시에는 풍량을 감소시켜 실내온도를 설정점으로 유지하여 준다.
이때 V.A.V Unit의 최소 풍량은 실내의 최소 환기량으로 설정된다. 동계 난방시에는 V.A.V. Unit는 최소풍량을 실내에 공급하여 주고 최소 환기량을 유지하여 실내에 공급하고 외주부의 난방 F.C.U 또는 방열기로 난방부하를 처리하여 준다.

3. V.A.V. UNIT(내주부) + V.A.V. UNIT(외주부)

하계시에는 내·외주부 V.A.V. Unit에 의해 냉방제어를 하여 실내온도 상승시 풍량을 증가시켜 냉방 부하를 처리하고 냉방부하 감소 시에는 풍량을 감소시켜 실내온도를 설정점으로 유지하여 준다.
이때 V.A.V. Unit의 최소풍량은 최소 환기량으로 한다. 동계시에는 내주부 V.A.V. Unit는 하계화 동일하게 운전(냉방)하고 외주부 V.A.V. Unit는 이 부분에서 발생하는 난방부하를 처리하도록 난방운전을 한다.

공조시스템을 V.A.V. Unit로만 구성할 때는 별도의 공조기로 내,외주부로 구분해야 하고, 단일 공조기 사용시에는 외주부의 덕트계통에 재열코일을 설치하여 급기온도를 다르게 설정하여 급기할 수 있도록 해야 한다.

4. FAN POWERED V.A.V. UNIT(내주부) + FAN POWERED V.A.V. UNIT(외주부)

내·외주부 Fan Powered V.A.V. Unit를 사용하는 방법은 널리 사용되지는 않으나 주 덕트의 크기를 줄일 수 있는 저온 급기방식을 사용할 때 주로 사용하며 저온급기된 공기를 Fan Powered V.A.V. Unit에서 실내 순환공기와 혼합하여 실내로 공급하여 주는 방식이다.

1차 공기(AHU급기)와 2차 공기(실내순환공기)를 혼합하여 실내에 급기되는 온도를 적정하게 상승시켜, 급기온도와 실내온도의 차이를 줄여 인체에 해로운 영향을 방지하고, 또한 급기 풍량이 항상 일정하므로 실내 기류 상태를 안정적으로 유지할 수 있다.

Ⅳ. V.A.V. SYSTEM의 송풍기 제어
(1) 송풍기 제어 종류
일반적으로 송풍량 제어에는 다음과 같은 방법이 널리 사용된다.
* 송풍기의 회전수 제어
* 송풍기의 흡입 베인(INLET VANE) 제어
* 축류 송풍기의 가변피치 제어
* 토출구 댐퍼에 의한 제어

1) 송풍기의 회전수 제어
송풍기는 회전수를 변화시키면 풍량·압력·축동력이 변화한다. 즉 회전수 N1을 N2로 변화시키면 풍량(Q), 압력(P), 축동력(L)의 관계는 다음과 같다.
Q2 = N2 P2 = [ N2 ]² L2 = [ N2 ]³
Q1    N1 P1     [ N ]² L1    [ N1]³
송풍기의 회전수를 바꾸면 특성곡선이 변화하여 언제나 최고 효율점 부근에서 운전이 가능하다.
이 방식의 특징은 다음과 같다.
① 대규모 설비에 있어서 많은 동력 절약이 가능하다.
② 송풍기의 운전이 안정된다.
③ 설비비가 약간 고가이다.
2) 흡입베인(INLET VANE)에 의한 제어 송풍기의 흡입측에 방사형의 가동익을 설치하고 그 각도를 조절하여 베인 입구의 절대속도 선회량을 변화시켜서 풍압·풍량을 가감한다.

이 방식은 다음과 같은 특징이 있다.
① 동력이 절감된다.(중·대형 건물에 적합)
② 제어성에 대한 설비비가 저렴하다.
3) 축류 송풍기의 가변 피치 제어
축류 송풍기의 회전수, 즉 주속도가 일정할 때 날개의 취부각을 변화시켜 축류속도 및 영각을 바꿔 서 압력 풍량 특성을 변화시키는 것이다.
4) 토출구 댐퍼에 의한 제어
송풍기의 토출측 댐퍼를 조절하여 풍량을 감소시키는 것으로서 이 방식의 특징은 다음과 같다.
① 설비비가 저렴하다.
② 특성 곡선의 극대점을 넘어서 풍량을 감소 시키면 서어징이 일어날 가능성이 있다.

(2) 송풍기 제어 방법
송풍기의 풍량 제어방법으로는 여러 가지가 있으나 경제성 및 장단점을 고려하여 주로 사용하는 것은 2가지로 첫째는 인버터(Inverter)에 의한 속도제어가 있고, 둘째는 흡입베인(Inlet Vane)이나 가변피치(축류송풍기에 해당)의 Actuator를 조절하여 송풍기의 특성을 변화시키는 방법이다.
인버터나Actuator에 대한 D.D.C. Controller 제어 출력방법은 동일하므로 여기서는 통칭하여 인버터로 표시하였다.
1) 급기용 송풍기 제어
실내 부하 변동에 따라 V.A.V. 유니트의 풍량이 조절되기 때문에 송풍기의 성능 곡선상을에서 운전점이 변경된다.(풍량 및 압력변동)따라서 이러한 풍량 변화에 따른 아력 변동 정압감지기(Static Pressure Sensor)에서 측정하여 인버터의 출력을 제어함 으로써 측정 점의 압력이 일정하게 유지되도록 하고 부분 부하시 풍량 감소로 인한 송풍기 동력을 절감한다.

인버터 적용시 이론적인 송풍기 소요동력은 (풍량)³에 비례 하지만 운전시에는부분 부하에 의한 송풍기 효율저하 및 인버터 자체손실로 인한 3-7% 정도의 손실이발생함으로 부분 부하시 송풍기 효율저하를 방지하기 위해서는 송풍기 선정시 80% 정도의 풍량에서 효율이 좋은 송풍기를 선택해야한다.
(V.A.V.. 송풍기는 대부분 60-80% 부하에서 운전됨)만약 송풍기 제어를 하지않고 100%로<운전하면 다음과 같은 현상이 발생한다.
- V.A.V. 유니트 전의 덕트 압력 상승으로 인하여 급기 덕트 누설량이 증가하고,V.A.V.입출구 ΔP 증가로 인하여 소음 발생 우려가 있다.
- 부분 부하시 송풍기 출구 압력 상승으로 V.A.V. 시스템이 목적하는 에너지 절약 효과가 없어진다.
- 풍량 감소시 송풍기가 써징 영역에서 운전되어 진동 및 소음이 발생한다.

① 정압 센서의 위치 및 설정 압력
센서의 위치를 결정하는 기본적인 요소는 실내의 부하변동에 의한 풍량(압력) 변화를 적절하게 평균적으로 감지할 수 있으면서,풍량 감소시 송풍기 출구압력이 최대한낮아질 수 있도록 송풍기에서 가능한 멀리 설치하여야 한다.
이렇게 해야 최대의 에너지 절감 효과가 있으며 송풍기 소음이 감소되고 V.A.V.유니트 입구 압력이 거의 일정하게 되어 시스템 제어성이 향상된다.
정압센서를 송풍기 출구덕트에 가깝게 설치하면 설정압력은 최대풍량을 기준으로 하여 정해지므로 부분 부하시에도 송풍기 제어를 하지 않는 100% 운전과 비슷한 결과를 가져온다.

따라서주급기 덕트의 ⅔-¾ 지점에 설치하면 대체적으로 이러한 조건을 만족시킬 수 있으며, 주덕트의 말단 부위에서 평균 부하 변동 측정이 가능하면 여기에 설치하는 것이 송풍기 소요 동력이 감소되고 안정된 운전을 할수 있다.
일반적인 기준으로 하여 다음 3가지의 경우를 예로 표시한다.

- 공조기로 5층 이상을 급기할 때는 마지막 2개층 분기전에 설치함

- 2~4층을 급기할 때는 마지막층의 분기점 전에 설치함

- 1개층을 급기할 때는 주덕트의 ⅔-¾ 지점에 설치한다. 또한 급기용 주덕트가 2개이상 이고 실내부하 변동조건이 다른 경우에는 각각의 덕트에 센서를 설치하고 그중에서 가장적은 정압을 선택하여 이 정압이 설정점에 유지되도록 제어한다.

② 정압센서의 설정압력
설정압력은 설계풍량(최대풍량)시 센서위치에서 유지해야 할 최소 압력 조건이며, 급기량이 많은 하절기 및 외기 냉방일 때는 설계조건으로 설정하고 급기량이 적어지는 동절기등에는 설정 압력을 낮게하여 송풍기 동력을 줄인다.
일반 사무용 건물의 적정 센서위치에서 설정 압력은 10-20mmAq정도이므로 DPT(차압 발신기) 선택시 너무 큰 범위의 것을 사용하지 말고 0-4mmAq 이내 범위정도의 것을 사용하여 오차 의 범위를 줄이는 것이 좋다.
③ 설정 압력에 따른 비교

압력 설정치 A의 ①곡선과 이보다 압력 설정이 큰 B의 ②번 곡선을 비교해 보기로 한다.

그림에서 ②번 시스템 곡선은 ①번 시스템 곡선보다 압력 설정치가 높은 경우이며, 설계점 이외에서 항상 ②번 곡선이 ①번 곡선보다 동력 소모가 많으므로 설정압력을 최대한 낮추어야 하고 V.A.V. 유니트의 최소 요구 정압이 낮은 것을 사용하여야 에너지절약을 기할 수 있다.
풍량을 속도로써 직접 감지하는 전자식 V.A.V.유니트는 적은 풍량도 압력과는 상관없이 제어가 가능하며 정압 손실이 필요치 않으므로 별도로 압력 손실을 고려할 필요가 없다.
V.A.V. 시스템에서 필수적인 송풍기 제어시 모든 V.A.V. 유니트가 필요 최저 정압을 확보할 수있도록 송풍기 제어를 하여야 하는데 V.A.V 유니트 자체의 압력손실이 높은제품을 사용하면이에 해당하는 만큼 압력설정치를 높여야 하므로 불필요한 송풍기 동력이 상승되고,또한 송풍기 용량 선정시 이러한 자체 압력 손실 때문에 용량이 큰 송풍기를 사용해야 하므로 투자비도 상승하게 된다.

2) 환기용 송풍기 제어
① 일정풍량차(급기량-환기량)에 의한 제어

급기와 환기덕트에 설치된 속도센서에 의한 풍량을 감지 비교하여 환기팬의 출력을 제어 함으로써, 항상 급기팬과 환기팬의 풍량차이를 일정하게 유지하고 부분 부하에서 동력을 감소시킨다.따라서 급기팬의 풍량 변화에 따라 실내압이 변동(가압 또는 부압) 되는 일이 없으며 풍량으로써 제어하기 때문에 어떠한 조건에서도 확실하게 제어하는방법이다.

(Warm-Up/Cool-Down시에환기량이 급기량보다 적으면 실내의 부압 발생및 덕트에서의 부압이 과도하게 형성되므로 이때는 풍량차(급기량- 환기량)의 설정치를 "0"으로 하고 급기팬의 출력이 환기팬의 최대 풍량을 넘지 않도록 최대 치를설정하여 준다.)

② 컨트롤의 제어출력을 급기팬과 연동
하나의 제어 출력(AO)으로 급기와 환기팬을 연동시킨 경우로써 다음과 같은 문제점이 있다.
(예 : 설계급기량 : 20,000CMH, 환기량 : 17,000CMH인 경우)

- 급기량 : 20,000CMH, 환기량 : 17,000CMH의 조정이 어려움.
댐퍼(RA, OA, EA 댐퍼)의 위치에 따라 덕트 압력 조건이 달라져 송풍기의 풍량이 변동되기 때문에 정확한 설계 풍량 조정이 어렵다.
- 최대 풍량으로 송풍기가 조정됐을 경우, 부분 부하일 때 실내에 부압이 형성됨으로 외기 침입이 발생하고 피트, 계단 등을 통한 거센 기류 발생이 일어난다.
예) 조절기의 출력이 60%일 때,
Q(급기량 - 환기량) = (20,000 - 17,000) x 0.6 = 1,800CMH 이므로 설계조건의 3,000CMH보다 1,200CMH가 부족하므로 이에 해당하는 만큼 부압이 형성된다.
- 공조기의 필터는 시간에 따라 압력손실이 달라지므로 동일 제어출력에서 급기팬과 환기팬의풍량이 필터의 압력조건에 따라 서로 다르게 변동한다.
③ 차압(실내압과 대기압)에 의한 제어
실내압과 대기압을 측정, 비교하여 제어하는 방법으로 다음과 같은 단점이 있다.
- 실내의 평균 정압을 감지할 수 있는 장소의 선택이 어려움.
- 대기압 측정시 건물 주위의 기류 변동으로 인하여 안정된 측정이 어려움.
- 대기압과 실내압의 차이가 적으므로 이 미세한 차이로 인하여 압력 측정시 오차가 많이 발생함.
지금까지 V.A.V. SYSTEM의 구성 및 적용, 송풍기 제어에 대하여 논하여 보았다.

V.A.V. SYSTEM은 조운별 부하 변동에 따른 실내온도 제어의 편리성 및 에너지 절약적 측면이 큰만큼 설계, 시공, 운용 등이 일관성 있게 진행되어야 원하는 만큼의 효과를 거둘 수 있다.

                                                           ※ 한국냉동공조기술협회발행 1997년 3월호
                                                              [출처] VAV 시스템의 종류 및 제어방안