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임권빈 |
Ⅰ. VAV SYSTEM 개요 |
1.1 VAV SYSTEM의 원리 |
가변 풍량 방식이란 Variable Air Volume System(VAV 방식)을 말하며, 정풍량 방식(CAV식)이 송풍 온도를 변화 시켜서 부하 변동에 대처하는데 반해, 가변 풍량 방식(VAV방식)은 공조해야 할 Area의 열부하 증감에 따라 송풍량을 조절하여 소정의 온·습도를 유지시키는 공조 방식이다. 즉 가변 풍량 방식의 원리는 풍량이 열부하에 비례한다는 것이다. 공조 설비에 있어서 부하에 따라서 풍량을 조절 하는 것은 결코 새로운 개념이 아니며 공조 설비가 시작될 때부터 각실의 부하에 따라 풍량을 다르게 설계하고, 수동 댐퍼를 이용하여 풍량을 정해왔다. 즉 이 개념에 각 실의 부하 변동에 따라 순간적으로 대응시키기 위해 수동이 아닌 자동조절장치를 설치하여 수동 조정의 번거로움을 개선한 것이 가변풍량 방식(VAV 방식) 이다. VAV 방식의 기본적 흐름은 그림 1-1과 같으며 송풍량과 실내 현열부하와의 관계 는 아래의 식으로 정리된다. |
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HS = 0.29Q(tr - td) ········· [식1] |
상기의 [식1]에서 송풍량(Q)를 일정하게 유지하는 경우, 실내 부하의 변화에 따라 Δt 즉, tr-td를 조절해야 하며 이때 실내 온도가 설계 조건으로 일정하게 주어진 값이므로 공조기에서의 송풍 온도(td)를 조절하여야 실내 현열부하에 대응될 수 있으며, 이 방법을 CAV방식 이라고 한다. |
1.2 VAV SYSTEM의 특징. |
여기서는 일반적으로 많이 사용되는 가변풍량 단일 덕트 방식에 대하여 기술하기로 한다. |
(1) 장점 |
1) 부하 변동에 따른 순간적 대응이 빠르므로 쾌적성이 향상 될 수 있다. |
① 각 실별 또는 각 죤별로 VAV 유니트를 설치하고 각 부분의 열부하에 따라 송풍량을 조절하여 실온을 유지하므로 에너지의 낭비를 절감할 수 있다. |
(2) 채용시 주의점 및 단점 |
1) 사용하는 가변 풍량 유니트는 정풍량 특성 및 소음 특성이 우수해야 한다. |
1.3 VAV UNIT의 종류 및 특성 |
가변 풍량 방식에서의 가변 풍량 유니트에는 여러 가지가 있으며 그 특징도 다양하다. |
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(1) Pressure Dependent Unit |
종래의 모터 댐퍼는 그림 1.2와 같이 제어해야 할 실의 덕트 경로에 댐퍼를 설치하여 풍량을 조정하는 방식으로, 동일 덕트계에 여러개의 제어해야할 실이 연결되어있을 경우, 각 모터 댐퍼의 개도율의 변경에 따라 덕트내의 정압이 변동되어 2차측 공기량의 제어에 순간적으로 영향을 미치게 되므로 각실의 정확한 온도 제어가 어렵게 된다. |
(2) Pressure Independent Type Unit |
그림 1.3에 Pressure Independent Type의 대표적인 예인 교축형 유니트를 나타내고 있다. 이 유니트는 실내 부하 변동에 따라 연동되는 제1동작부와 1차 덕트내의 압력 변동을 스프링을 이용, 흡수하여 정풍량을 유지하는 제2동작부등 2개의 독립된 동작부로 이루어져 있다. 이 Type의 유니트는 1개의 온도 감지기로 여러개의 Unit를 제어할 수 있어 가변 풍량 방식의 유니트로는 Pressure Independent Type보다 성능이 우수하다. |
(3) 교축형 유니트(Throttle Type Unit) |
전항에서 언급한 바와 같이 교축형 유니트는 두 개의 독립된 동작부를 갖고 있으며, 실내 부하 변동에 대응하며 또한 정압 변동에도 대응할 수 있는 2차측 정압 조절이 가능한 정풍량 기구이다. 교축형 유니트는 바이패스 유니트와 달리 유니트의 통과 풍량의 변화에 따라 1차측 덕트의 정압이 변한다. |
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또한 2차측 부하 변동에 따른 풍량 변동의 대처 방안은 1.4에서 자세히 기술하기로 하고, 그림 1.5는 이들 제어 방법의 차이에 따른 소요 동력의 비교이다. 그러나 회전수제어는 초기투자비가 비싸기 때문에 제어 방법, 결정시에 장치의 규모·정압·type·변동폭·설비비·운전등을 종합 검토하여 결정하여야 한다. |
1) 장점 |
① 부하 변동에 따라 송풍량을 변동시키므로 송풍량 변동 제어에 따른 송풍기 동력 절감 가능 |
2) 단점 및 고려 사항 |
① 최소 필요 환기량을 확보하기 위해 최소 개도를 결정하여야 한다. |
(4) 바이 패스 유니트(By-Pass Unit) |
바이 패스형 유니트는 실내 부하 변동에 따라서 실내 토출 풍량을 조절하며, 잉여 풍량을 바이 패스 시키는 방법으로 부하에 대응한다. |
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그림 1.7은 바이패스형 유니트를 설치한 공조 방식의 흐름도를 나타내고 있다. |
1) 장점 |
① 덕트내 정압의 변동이 없으므로 유니트의 발생 소음이 적다. |
2) 단점 |
① FAN 동력을 절감할 수 없다. |
(5) 유인형 유니트(Induction Type Unit) |
그림 1.8에 교축형을 응용한 유인형 유니트의 개념도를 나타내고 있다. |
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공조기에서 저온의 1차 공기를 공급하고 유니트에서 실내 또는 2차 공기를 유인하여 1,2차 공기를 혼합하여 실내에 토출한다. |
1) 장점 |
① 덕트 치수를 작게 할 수 있다. |
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2) 단점 및 고려 사항 |
① 먼지 및 냄새 제거 능력이 낮다. |
(6) 댐퍼형 유니트 |
Pressure Independent Type의 경우 유니트내에 내장된 속도 감지기에서 공기의 속도를 감지하여 조절용 Controller에 보내면 Controller에서 Actuator에 신호를 보내서 풍량을 제어한다. 즉 모터 댐퍼를 조절하여 실내 온도를 일정하게 유지시키는 간단한 방식이다. 다음에 댐퍼형 유니트의 장·단점을 기술한다. |
1) 장점 |
① 버터플라이형 댐퍼를 사용하여 풍량을 제어함으로 정압손실이 작다. |
2) 단점 및 고려 사항 |
① 전원이 끊겼을 경우 사용이 불가능하다. |
1.4 송풍량의 제어 방법 |
송풍량의 제어는 바이패스형 유니트를 제외한 모든 유니트에 1차측 덕트 정압을 일정하게 유지하기 위해 필요하며, 한편으로 송풍기의 동력 절감을 위해서도 VAV SYSTEM의 경우 꼭 필요한 사항이다. 제어 방법으로는 스크롤 댐퍼 제어, 흡입 댐퍼 제어, 흡입 베인제어, 팬 모터 회전수 제어등이 있으며 각 제어 방법의 특징은 아래와 같다. |
(1) 스크롤 댐퍼 |
그림 1.10에 스크롤 댐퍼 설치시의 개념도와 풍량 및 정압과 댐퍼의 조작상태에 대한 상관 곡선을 나타내고 있다. 제어 원리는 토출부에 설치한 스크롤 댐퍼를 제어하며 장치 저항 곡선을 변화시켜 풍량을 제어한다. |
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1) 특징 |
간단한 방법으로 흡입 댐퍼 제어보다 제어성은 우수하지만 풍량의 제어 범위는 좁다. |
(2) 흡입 댐퍼 제어 |
그림 1.11에 흡입 댐퍼 제어시의 시스템 개념도와 풍량 및 정압과 댐퍼 개폐상태에 대한 상관 곡선을 나타내고 있다. |
1) 특징 |
스크롤 댐퍼 제어에 비교할 때 동력이 절감되고 풍량제어 범위가 넓은 편이나, 제어 효율면에서는 가장 나쁘다. 축동력의 변화는 댐퍼의 교축에 따라서 흡입 공기가 가볍게 된 것만큼, 토출측에 댐퍼를 설치한 경우와 비교하면 동력이 약간 감소하지만 큰 효과는 없다. |
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(3) 흡입 베인 제어 |
그림 1.12에 흡입 베인 제어시의 개념도와 풍량 및 정압과 댐퍼 개폐 상태에 대한 상관 곡선을 나타내고 있다. 제어 원리는 팬의 날개차와 공기 유입 개도를 변화시켜 팬의 압력 곡선을 바꾸며, 이 경우도 베인의 개도율과 풍량은 비례하지 않는다. |
1) 특징 |
댐퍼 제어와 비교할 때 동력이 절감되고 풍량 제어 범위가 넓어서 우수하다. 또한 어느 정도 대형에도 이용할 수 있는 방법으로 사용 범위는 풍량 70~100%의 범위에서 가장 효율이 높으며 70% 이하에서도 댐퍼 제어와 비교할 때 비교적 양호한 편이다. 축동력의 변화는 전개시의 팬동력 곡선보다 훨씬 낮은 곡선상을 이동한다. |
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(4) 모터 회전수 제어 |
그림 1.13 모터 회전수 제어시의 개념도와 풍량 및 회전수와의 상관 곡선을 나타내고 있다. 팬의 날개차의 회전수를 변화시켜 풍량을 조절하여 1차측 덕트의 정압을 일정하게 하는 방법이다. |
1) 특징 |
송풍기 동력 절감과 풍량 제어 범위의 양면에서 가장 우수하며 풍량은 회전수에 거의 비례한다. 제어 효율은 풍량 70~109%에서 흡입 베인보다 약간 나쁜 것도 있으나 전체적으로 양호하며, 각 회전수 제어에 따라서 다르지만, 대개 회전수의 3승에 비례하여 축동력이 변화하기 때문에 축동력 감소율은 매우 크다. |
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1.5 VAV 방식의 설계의 수순과 주의점 |
(1) VAV System을 설계하는 경우 특히 중요한 것은 부하의 성격을 명확히 파악하는데 있다. |
[표1.1] |
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[표1.2] |
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[표1.3] |
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[표1.4] 부하의 종류와 처리 방식 |
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표1.1은 설계에 대한 제1조건으로서 충분히 검토 후 표1.2와 같이 변동 부하와 고정 부하로 나누고 또한 ZONE별로 나누어 그위에 표1.3과 같이 연간을 통해 냉방부하 ZONE과 냉난방 ZONE으로 분류해서 부하를 파악한다. |
(2) VAV UNIT의 최대, 최소 풍량 |
각 ZONE UNIT의 최대, 최소 풍량은 식[2] ~ [5]에서 산출된다. |
(3) 공조기의 최대, 최소 풍량 |
공조기의 최대 풍량은 각 ZONE의 최대 풍량의 합계가 아니고 동시 최대부하시의 현열 즉, 동사부하율을 고려한 풍량으로 해야한다. |
(4) 송풍기 선정시 고려사항 |
1) VAV UNIT를 사용하는 경우 송풍기는 건물 부하 변동에 따라 안정적으로 변화하며 운전되는 성능 을 갖춘 제품을 선정하여야 한다. |
(5) DUCT의 설계 |
ZONE의 MAIN DUCT의 SIZE는 동시부하율을 고려해 결정하고 CAV방식보다 DUCT SIZE가 작게 되는 장점이 있다. 또한 정압조정기를 내장한 VAV UNIT는 정압 변동에 대한 자기 평형 기능을 가지고 있기 때문에 정압 재취득법등의 엄밀한 DUCT 계산이 필요없으며 시공에 있어서도 다소의 유동성이 있다. |
(6) 취출구의 선정과 공기분포 |
VAV 방식의 취출구 선정의 요점을 열거하면 다음과 같다. |
1.6 맺음말 |
최초 가변풍량 방식은 냉방용으로 개발된 것이며 우리나라와 같이 겨울철에 난방부하가 발생하는 곳에서는 가변 풍량 방식을 채택할 때에 주의할 필요가 있다. 즉 겨울철의 경우, 외주부 뿐만 아니라 내주부에도 운전 개시 초기에는 난방 부하가 발생하게 되는데, 냉방시 적용한 가변 풍량 유니트를 그대로 난방에 적용하게 되면 재실 인원이 증가함에 따라 토출 풍량이 감소하여 환기량이 부족하다는 문제점이 발생한다. |
※ 한국냉동공조기술협회발행 1997년 9월호
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첫댓글 유익한 자료 감사합니다.