공기조화기(AHU) 자동제어 시스템

[朴 鉉 求]

공기조화기(AHU) 자동제어 시스템

1. 개요
공기조화기의 자동제어는 공조방식 및 풍량을 제어하는 방법에 따라 위의 그림은 많은 차이가 발생될 수 있습니다.
상기 그림은 중앙집중식, 전공기방식, 정풍량방식의 예를 기준으로 작성되었으며 기본적인 원리를 익히면 다른 공조방식에도 응용이 가능하리라  판단됩니다.

본 시스템은 DDC방식의 일반형 공기조화기 자동제어 계통도이며, 송풍량을 일정하게 하고 냉ㆍ난방밸브의 개도를 조절하여 토출공기 온도를 변화시키는 정풍량방식(CAV)입니다.

외기덕트 및 환기 덕트에 설치된 온습도 센서는 온습도를 검출하여 엔탈피제어를 용이하게 하기 위함이며 급기덕트에 설치된 온습도 센서는 실내로 공급되는 공기의 온습도를 검출하여 토출공기의 상태를 감시하고자 하기 위함입니다.

환기덕트에 설치된 온습도 센서는 실내의 온도, 습도를 측정하며 가습 밸브 및 냉난방 밸브의 제어 기준이 된다.

2. 동작설명
1) 중앙감시반에서 급기팬을 기동시키면 시간 지연기능을 두어 외기 댐퍼 모타가 동작하여 댐퍼를 완전히 연후, 급기팬 및 환기팬이 동작되게 된다.
덕트에 설치된 댐퍼는 각각 연동이 되도록 하며 외기 댐퍼와 배기댐퍼가 30%정도 열렸다면 환기 댐퍼는 70% 열린상태를 유지하고, 외기와 배기 댐퍼가 완전히 닫힌 경우에는 환기 댐퍼는 100%로 열린 상태가 된다.

2) 급기 송풍기 및 환기 송풍기가 운전된 후 공기흐름 검출스위치에 의하여 덕트 댐퍼 및 송풍기가 정상적인 동작을 하고 있는지를 검사하게 되며 이곳에서 경보가 발생되면 공조기용 밸브들은 제어가 이루어지지 않는다.

3) 환기덕트에 설치된 연감지기에 의하여 연기감지시, 급기 환기팬을 바로 정지시키고 중앙감시반에 화재경보 신호를 보낸다.

4) 밸브 제어는 다음과 같다.
① 냉방밸브 : 냉방운전시 환기 덕트에 설치된 온도센서의 검출온도에 의하여 냉방밸브를 비례제어 하므로서 실내온도를 일정하게 유지시킨다.(AHU의 냉각코일에 유입되는 냉수 유량을 제어한다.)

② 난방밸브 : 난방운전시 환기 덕트에 설치된 온도센서의 검출온도에 의하여 난방밸브를 비례제어 하므로서 실내온도를 일정하게 유지시킨다.(AHU의 온수코일에 유입되는 온수 유량을 제어한다.)

③ 스팀공급밸브 : 가습은 특별한 경우를 제외하고는 일반적으로 난방운전시에만 운전을 하게 된다.
즉 환기덕트에 설치된 습도센서에 의하여 실내의 습도를 감지하게 되며 스팀공급밸브를 ON/OFF 제어한다.
공조용 가습은 크게 정밀도를 요구하는 것이 아니므로 밸브를 ON-OFF 제어만으로도 충분하다.

5) AHU에 설치된 휠터는 차압검출스위치를 부착하여 휠터의 교환여부나 청소 여부를 중앙감시반에 알린다.

6) 동계운전시 AHU의 코일의 동파를 방지하기 위하여 코일 전단에 전기히터를 설치하여 동파를 방지하며 전기히터의 기동은 코일 전단의 공기 온도를 감지하여 설정온도 이하가 되면 기동될 수 있도록 하고 그 상태를 중앙감시반에 전달한다.

7) 댐퍼 제어는 다음과 같다.
① 환절기시 : 환기덕트에 설치된 온습도 검출기와 외기덕트에 설치된 온습도 검출기에 의하여 엔탈피를 연산하여 비교하므로서 실내 엔탈피가 외기 엔탈피보다 높은 경우에는 외기에 의한 냉방운전이 이루어질수 있다.
② 동계/하계시 : 외기 댐퍼는 최소개도로 OPEN하고 환기 댐퍼는 그와 반대로 연동되도록 한다.
③ 초기 난방 운전시(동계) 외기댐퍼와 배기댐퍼는 완전 CLOSE 하고, 환기댐퍼는 FULL OPEN 으로 한후 운전을 실시한다.
④ 초기 냉방운전시(하계)에는 실내의 조속한 냉방을 위하여 건물 이용시간전에 외기 및 배기댐퍼를 완전 개방하고, 송풍기를 기동시켜 조기 냉방제어를 실시한다.

8) 급기팬 정지시 각종 기기의 상태
① 환기팬 : OFF
② 냉방, 난방 제어밸브 : OFF
③ 외기댐퍼 : CLOSE
④ 배기댐퍼 : CLOSE
⑤ 환기댐퍼 : OPEN
⑥ 스팀공급밸브 : CLOSE

3. 자동제어 계획시 고려사항
1) 외기댐퍼와 배기댐퍼는 정지시를 기준으로 상시 닫힘(NC:Normal Close)이며, 환기댐퍼는 상시 열림(NO:Normal Open)동작을 하게 된다.
이것은 동절기에 공조기를 정지시켰을 때 외기가 유입되어 코일이 동파되는 것을 방지하기 위함이다.
2) 가습시 다량의 가습에 의하여 급기습도는 덕트내의 응축현상이나 토출구에서 물방울이 튀지 않도록 급기습도 상한값을 설정하여 이값이 초과되지 않도록 한다.

4. 중앙감시반 관제점
① 급기팬 기동/정지 및 운전상태 감시
② 환기팬 운전상태 감시
③ 화재경보 감시
④ 외기 온도/습도 감시
⑤ 환기 온도/습도 감시
⑥ 급기 온도/습도 감시
⑦ 혼합기 온도 감시
⑧ 전기히터 운전상태 감시
⑨ 휠터 차압감시

출처 : http://tong.nate.com/oriportal/33938290

공조기제어를 이해하기 위해서는 공조기의 종류를 알아야 하는데 여기서는 각 공기분배계통의 종류(정풍량이나 가변풍량방식등)에 대해서는 설명을 생략하고 제어부분만 집중적으로 이야기 하죠.

 공조기는 말그대로 공기조화기(에어핸드링유니트)의 약자입니다.
실내의 공기를 재실자들이 가장 숨쉬고 일하고 장난치기 좋도록 만드는 일입니다. 보통 공조기를 공조실 등에 설치하고 덕트등을 통해 실내로 공기를 유입하고 또 실내의 오염된 공기를 덕트를 통해 공조기가 다시 빨아들이고 공조기에서 적당히 외부의 신선한 공기를 첨가하고 또 적당한 온도를 만들고 또 적당한 수분을 첨가하여 가장 쾌적한 공기를 만들어 실내로 보내줍니다.
 공조기의 구성품으로는 일단 공조기껍데기가 있고 표준형일 경우
 환기파트(환기팬) - 혼합파트(배기파트) - 공조기 필터 - 냉온수 코일 -외기/급기파트 - 급기팬 - 덕트 - 실내 - 덕트 - 환기파트 순서입니다.  

 자동제어가 할일은
1. 공기계통의 제어와
2. 물(증기)과 가습 제어입니다.
3. 그리고 연감지 등을 통한 제연 기능등이 있죠.

1. 공기계통
 정풍량 방식일경우 여름과 겨울, 그리고 환절기 기준으로 나눌수 있습니다.

여름철에는 외부공기는 온도외 습도가 높은 공기이죠. 그럼 공조기는 일단 온도와 습도를 제어해야 하는데 여름철의 제습기능은 아주 비싼(항온항습 기증) 방식이고 일반적인 건물에는 별도의 제습 기능이 없고 그냥 온도만 제어하죠.
 일단 외기, 배기, 혼합파트에 달린 댐퍼의 개도치로 외기도입량과 배기량, 그리고 재순환량이 일정비율이 되도록 제어를 합니다.

 표준정풍량 공조기의 경우 외기량과 배기량은 동일하고(들어가는 공기와 나오는 공기가 동일하게) 혼합되는 공기량은 외기배기량과 정반대입니다.

 예를 들어 외기량을 70% 도입하도록 댐퍼를 조절하면 배기량도 70%가 되도록 하고 나머지 30%는 재순환 되도록 하죠. 팬은 항상 100%의 공기를 송풍시키거든여.(보통 설계시에는 급기팬을 환기팬 보다 조금 크게 설계합니다. 그러면 실내가 약간 정압(+압)이 걸리면 외부의 비쾌적한 공기가 들어오지 못하게 하죠. 수술실 같은 경우는 엄청나게 정압을 걸게 됩니다. 그러면 수술중 외부의 병균이 있는 공기가 수술실쪽으로 침입 못하게 하게 됩니다. 대구시내의 000대학병원 공사시 수술실은 아예 VAV 시스템으로 수술실내에는 별도의 공기 배출구가 없고 급기만 열나게 틀도록 하고 배가는 수술실 복도로 나가게 하는 방식을 채택했습니다.)

 여름철에는 되도록이면 외기취입량을 줄여야 합니다. 그래야 외부의 덥고 습한 공기를 쾌적하게 만드는 에너지가 절감됩니다. 극단적인 경우 외기도입량을 0%로 하고 100% 재순환만 시킨다면 가장 큰 에너지 절약을 할수 있습니다. 다만 살내에 있는 분들에게는 장기적으로 볼때 상당히 건강을 해칠수 있습니다. 실내의 먼지나 혹은 각종 냄새나는 가스를 계속해서 마셔야 하니까염...

 보통 공조설계시나 TAB 조정시 외기도입량을 30%정도 맞춰줍니다. 좀 투자를 하자면 이 30%도 많죠. 왜 딱 30%를 해야 하는지...? 실내에 필요한 신선외기량이 만약 10%밖에 안된다면 나머지 20%는 또 열손실이 되죠. 그래서 이런부분에는 실내나 아니면 환기덕트에 이산화탄소측정기를 설치합니다.(상당히 비쌉니다. 일반 온도센서에 비해 약 20~30배 정도 비쌉니다) 그래서 실내의 이산화탄소(이산화탄소가 많다는 건 당연히 그 실에 사람이 많아서 이산화탄소를 많이 내뿜는다는 이야기이므로)를 측정해서 기준치 이하이면 외기량을 줄여줍니다. 그럼 최저의 냉방열원으로 공조기를 운전할수 있습니다. 여기서 이 이산화탄소감지기를 설치하면 당연히 에너지 절약 되는걸 알수 있지만 대부분의 건축주들은 눈앞의 건축공사비 상승 때문에 향우 유지비가 더 들어간다는 사실을 알면서 무시하는 경우가 많죠. ㅈ]어공사 설계시에도 예산절감차원에서 가장먼자 캔슬되는 자재중의 하나가 바로 이 고가의 이산화탄소측정 장치입니다... 장기적인 측면에서는 되도록 삭제하지 말아야 합니다. 그리고 기존 운영중인 공조기에서도 이 런 방식을 채용한다면 유지비를 상당히 절감할수 있고 또 실내를 쾌적하게 만들수 있습니다. (공조기 댓수가 많고 또 공조기가 클수록 절감량은 더 커집니다. 또 재실자들의 변동량이 큰곳 - 백화점 같은데 -에 이 방식을 채용하면 여름 한철만 사용하도 투자비를 회수할수 있습니다.

 이 이산화탄소감지를 통한 외기댐퍼 조절기능이 없는 곳은 대부분 최소개도 설정치를 임의적으로 두게 됩니다. 컴퓨터시스템이 아니곳은 공조기제어반에 눈금 달린 스위치가 있을겁니다. 이걸루 최소개도량을 제어하는게 보통인데 한번 설정해두면 거의 만지질 않죠. 이걸루 만약 30%를 설정해두면 아무리 온도가 낮아져 댐퍼가 닫힐려구 해도 이 레인지값 이하로는 닫히지 않도록 시스템을 구성합니다.  물론 공조기를 끄면 당연히 외기배기댐퍼가 강제로 닫히도록 구성해야 겨울철 코일동파가 일어나지 않겠죠.

 그럼 평상가동시 댐퍼의 조절은...?

평상시에는 댐퍼의 조절을 혼합파트에 설치된 혼합온도감지기(조절기)의 신호를 받아 댐퍼의 개도치를 조정합니다.

 예를들어 목표온도가(실내) 24도라면 외기온도가 30도이고 환기에서 재순환으로 넘어노는 공기가 24도. 그럼 혼합온도는 30도와 24도가 혼합되고 또 외기가 수분이 더 많을테니까 28도쯤 된다고 가정하자면... 혼합온도설정치는 공조기 코일설계치를 참조하여 26도로 셋팅하면... 현재 혼합온도가 28도 이므로 조절기는 댐퍼에게 외기량을 줄이라고 명령합니다. 외기량이 줄고 재순환량이 많아지면 당연히 혼합온도도 내려가게 됩니다. 그래서 혼합온도가 26도가 되면 댐퍼는 그 위치에서 정지하게 되고 다른 조건이 변하지 않는다면 계속 그상태를 유지하여 코일 전단의 공급온도를 일정하게 유지합니다. 그 다음은 냉수코일에서 열교환 되어 공급온도를 적절하게 떨어트립니다. 이 과정은 공조계통설계시에 공기선도상으로 표현됩니다.

 공조기의 자동제어시 제어공사 하는 사람이 이 공기선도 보구 나중에 시운전 할때 관리자에게 협의하는 사람 있습니까...? 도면보고 파이프 걸구 배선하구 자재 달구 결선하면 끝이죠. 이렇게 하면 자동제어 발전 없습니다....

 이렇게 해서 코일을 통과한 열나게 시원한 공기는(이 부분에서 운영시 코일 공급냉수온도를 아주 낮게 할수 있다면 약간의 제습기능이 발휘되기도 하죠. 보통 7도 이하면 아주 좋은 효과를 볼수 있슺습니다. ) 급기팬을 통괴하면서 약간 데워집니다.(경험상 보통 0.5도에서 1도 정도 대워집니다) 난방 부하보다 냉방부하가 큰 공조기의 경우 되도록이면 송풍기의 전동기를 공조기 밖으로 끄집어 내는게 에너지절약면에서도 도움이 되고 또 전동기 수리시에도 효과적입니다. 그러나 공조실 크기를 맘데로 늘이지 못하므로 현장 여건과 따져봐야하죠.    

  그리고 나면 이 공기는 이제 완전히 실내 계시는 분들이 원하는 공기로 탈바꿈하여 실내로 덕트를 통하여 진입하게 됩니다.

 그리고 실내를 적당한 온도로 맞추어주고 데워진 공기는 환기덕트로 빨려 들어서 다시 환기팬을 거치고 환기파트로 진입합니다. 여기서 댐퍼의 개도율에 따라 일부분 배기파트로 가서 밖으로 버려지고 나머지는 혼합파트로 재순환됩니다.

 겨울철에는 댐퍼의 움직임이 반대가 되고 코일에 온수나 스팀이 공급되게 되어집니다. 그러니 혼합온도센서를 여름용, 겨울용으로 나누어 설치하면 효율적이지 못하므로 보통 여름겨울 절환스위치를 설치해사 여름과 겨울의 댐퍼 움직임을 조정합니다.

 어느 여름날 소낙비가 내리기 직전의 외기온도는 평상시 보다는 약간 낮고 대신 습도는 무지 높습니다. 이 경우 외기온도가 낮다고 해서 무작정 외기도입을 늘린다면 어떻게 될까염....?

 당연히 냉동기는 열나게 돌아야 합니다. 온도가 좀 낮더라도 수분이 엄청나게 높으면(습도) 당연히 이 공기가 가지는 전열량(엔탈피)이 엄청나게 높아지겠죠. 이 공기를 단지 온도만 낮다는 이유로 많이 도입하서 적당한 온도와 습도로 가공하려면 엄청난 에너지가 필요하게 됩니다. 이 경우 차라리 이 공기를 최소한만 도입한다면 에너지 절약을 할수 있겠죠. 그리고 반대로 아주 맑은날 온도가 좀 높더라도 습도가 아주 낮은 외기공기가 있다면 이 공기를 도입하면 에너지가 절약 될겁니다.(어느 조건이든 실내공기와 비교해서 말입니다.)

 이런 제어를 엔탈피제어라고 부릅니다. 이 엔탈피제어가 제대로 된다면 아주 많은 양의 에너지를 절약할수 있을겁니다. 그리고 환절기시 최소개도치만 확보하고 외기냉방시 냉동기를 가동하지 않고 외기만으로 냉방이 가능하도록 하는게 엔탈피제어입니다.

 억울한 이야기지만 국내외대메이커에서 이 엔탈피제어가 되는 장치를 만들어 판매하고 잇고 또 컴퓨터시스템일 경우 이 기능을 프로그램해서 제작하고 있다지만 이거 전부 다 가짜입니다.(표현이 좀 적나라하군여.)

 엔탈피제어가 되려면 일단 실내공기의 전열량과 외기의 전열량, 그리고 이것을 어느정도 취입할지를 결정하는 혼합파트의 온도가 나와야 합니다. 만약 지금 운용중인 건물에서 외기와 환기파트에 습도검출기(습도온도가 뜨지 않는다면)가 없다면 이건 엔탈피제어가 안되는 겁니다.(설계도나 시방서에 엔탈피제어가 된다구 구라치지 않는지 잘보세염) 그리고 이 두부분에 온습도 검출이 다 되고 혼합파트에도 온도가 뜬다면 일단 엔탈피제어가 될수 있는조건은 됩니다. 근데 컴퓨터시스템이 아닌곳은 당연히 안되고(국내 메이커중 엔탈피제어기를 만들어 파는 곳이 있긴하지만 이건 진짜 아닙니다) 컴퓨터시스템으로 된곳은 온도값을 고정으로 변환시켜보세염. 외기온도를 10도 정도하구 외기습도를 65정도 고정시키고 실내온도를 30도 정도하고 실내습도를 55정도로 해 보세염. 열량계산해보면 당연히 외기엔탈피가 낮게 나옵니다. 그러면 당연히 외기를 많이 집어 넣고 재순환량을 줄이면 냉수코일리 감당해야 하는 부하가 줄어 들겠죠. 이때 외기배기댐퍼가 열리지 않는다면 엔탈피제어는 안되는 겁니다. 이건 습도값참조 온도제어라구 불러야 정확한 표현이 되겠죠. 이게 되도록 해야 합니다. 그럼 환절기시나 하절기 오전 정도의 날씨에는 많은 량의 에너지를 절감할수 있습니다.

 워밍업 기능

이 기능은 하절기시 아침 공조를 하기전에 열대야 등으로 건물내부가 외기보다 더 온도가 높을경우가 있습니다. 이 경우 당연히 냉열원으로 실내온도를 떨어트리는거 보다 외기로 워밍업 시켜서 최대한 실내온도를 떨어트린 다음 냉동기 등을 가종하는 편이 더 효과적이겠죠. 그러나 대부분의 관리자들은 이럴때 그냥 수동으로 공조기부터 가동하죠(환기개념) 이럴 경우 이 기능은 필요 없습니다. 다만 겨울철에는 공조기를 가종하는 순간부터 최소개도설정치 때문에 일정량의 외기를 도입하게 되죠. 이 경우 수동으로 하나씩 공조기의 최소개도치를 조정하기가 번거로우므로 겨울철에는 일정온도까지 도달(보통 15도 정도)할때까지는 최소개도치를 무시하고 100%재순환 되도록 프로그램을 짜둡니다. 이런 상태애서 보일러로 난방을 하면 훨씬 작은 열량으로 실내온도를 높일수 있습니다.

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