VAV 시스템의 자동제어 계통도 및 냉난방 운전방법

[朴鉉求]

1. 개요

(1) VAV(Variable Air Volume)방식은 송풍온도를 일정하게 유지하고, 부하변동에 따라 송풍량을 변화시켜 실온을 제어하는 방식으로, 송풍량은 다음과 같이 계산한다.

Q = q_s / (0.29×△t),  △t → 일정,  Q →부하에 따라 변동

(2) 송풍동력이 절약되어 에너지절약 효과를 기대할 수 있으나, 자동제어가 복잡하여 많은 설계·시공 경험이 필요하다.

(3) VAV 시스템은 실내 쾌적성을 유지하면서 에너지 절약을 추구할 수 있는 공조방식이다.

2. VAV 시스템의 자동제어

VAV 방식은 부하변동에 따라 VAV 유닛 및 송풍기를 제어함으로써 송풍동력을 절감할 수 있는데, 그 제어방법은 다음과 같다.

(1) 정압제어(송풍기 제어)

① VAV 유닛의 풍량조절에 따른 압력변화를 정압센서(static pressure sensor)에서 측정하여 → 인버터(inverter)의 출력(회전수)을 제어한다. (풍량감소 → 송풍기 동력절감)

② 인버터 적용시 송풍기 동력 (L) L∝ Q³

③ VAV 송풍기는 대개 60～80%의 부하에서 운전되므로, 부분부하시 효율이 좋은 송풍기 선정한다.

※ VAV 시스템에서 정압센서의 설치 위치

정압센서의 설치 위치는 이론상, 송풍기에서 가장 먼 덕트 말단에 설치하는 것이 바람직하나(말단부에 정압이 유지되면 그 전단부는 그 보다 높은 정압유지 가능), 실용상 일반적으로 상류에서 2/3지점쯤에 설치하고 있다.

(2) 온·습도의 제어

1) 송풍온도 제어

① 급기 덕트의 서모스텟(T₁)에 의해 냉각코일 자동 제어밸브 V를 제어한다.

② 실내 서모스텟 T_2, T₃에 의해 각 변풍량 유닛을 비례제어 한다.

③ 부하가 감소하여 급기량이 최소 환기량까지 감소하였는데도 더욱 더 부하가 감소하게 되면, 풍량이 더 이상 감소하지 않게 하기 위해(최소 풍량을 확보하기 위해) 급기온도를 리셋(reset) 한다.(급기온도를 올림)

2) 습도

실내와 환기닥트 내의 습도조건이 크게 다르지 않다고 판단, 환기닥트에 습도검출기를 설치하여, 이를 신호로 가습밸브를 작동시켜 습도를 제어한다.(각 실마다 요구 습도가 다를 때는 대응 곤란하다.)

(3) 환기량 제어

① 급기 및 환기닥트에 설치된 속도센서(FMS)에 의해 양 덕트의 풍량을 제어하여, 급기가 환기보다 조금 많게 함으로써 → 실내가 항상 정압(+압, 1.5～3mmAq)으로 유지될 수 있도록 환기량을 제어한다.

② 환기량이 과다하여 실내가 부압이 되면 → 극간풍을 유발할 우려가 있다.

(4) VAV 유닛의 제어

VAV 유닛의 제어에는 온도제어와 풍량제어가 있다.

① 온도제어

실내 서모스텟의 신호에 의해 유닛의 댐퍼가 제어되어 이에 따라 급기풍량이 조절되어 → 설내온도가 제어된다.

② 풍량제어

덕트 내의 압력이 변하여 급기 풍량이 갑자기 변할 경우, 풍속 검지센서 등으로 이를 검지하여 댐퍼의 개도를 수정하여 줌으로써 → 실내온도가 일정하게 유지되도록 한다.

3. VAV 시스템의 냉난방 운전방법

(1) 냉방시

① 냉방시에는 부분부하시의 감습 성능을 확보하기 위해 송풍온도를 일정하게 유지하고, 풍량을 변화시켜 부하변동에 대응하도록 되어 있다. (풍량이 제어범위 내, 즉 최소 풍량～최대풍량 사이 일 때)

② 최소 풍량에 상응하는 부하보다 부하가 더욱 감소하면 실내온도가 과냉되는 것을 방지하기 위해 송풍온도를 리셋(reset)하는 경우도 있으나,

③ 대개의 경우 실온이 설계치 보다 다소 떨어져도 문제가 없으므로 리셋하지 않는 경우가 많다.

(2) 난방시

① 난방시에도 최소풍량～최대풍량 사이에서 풍량제어가 이루어지며, 각 실의 제어는 냉방시와 역동작이 되므로(냉방시 : 온도 높으면 → 풍량증가, 난방시 : 온도 높으면 → 풍량감소), 서모스텟의 절환이 필요하다.

② 빌딩의 인테리어 존과 같이 겨울에도 냉방이 필요한 경우에는, 예열시를 제외하고는 냉풍을 보낸다.(외기냉방)

③ 이때, 서모스텟의 동작은 정지시킨다.

4. VAV 제어의 문제점

(1) 온도검지

온도센서(thermostat)가 기둥 또는 천장 등에 부착되어 있어, 이에 의해 검지되는 온도가 실내공간의 실제온도와는 차이가 있는 경우가 많다.(2～3℃ 정도)

(2) 제어기의 선택 및 조율(tuning)

① VAV의 제어기가 너무 예민하게 설정되면, 약간의 온도차가 있어도 풍량이 급격하게 변하게 되어 실내온도에 원하지 않는 변화를 초래하게 된다.

② 따라서 제어기, 실내공간, 엑튜에터(actuator), 센서(sensor)의 특성에 맞고 부분부하시에도 만족스런 결과가 나타나도록 파라메터(parameter)의 설정이 이루어져야 한다.

(3) 제어시스템의 조작이 복잡하여 시스템 파악이 어렵다.

5. VAV 제어의 개선방안

(1) 실내온도 측정방식의 개선

① 실내공간의 특성을 고려하여 원하는 위치의 온도를 예측하는 방법 채택(Kalman filter, Luenburger Observer 등)

② 리모터(remote)방식의 온도센서를 통해 센서의 위치를 필요에 따라 변경할 수 있게 한다.

(2) 실내공간, 센서 및 엑튜에터의 특성을 고려한 제어기의 선택 및 조율(tuning)

(3) 조작이 쉬운 제어시스템의 개발

(4) 공조시스템의 통합제어

VAV 시스템의 최적화 및 에너지 절약을 위해서는 VAV유닛, AHU, 냉동기 등을 통합 제어해야 한다.

6. 보충내용

VAV 시스템의 목적은 에너지 절약과 실내 쾌적 환경 조성인데,

① 도입 초기에는 대부분 설계 잘못으로 이러한 목적이 달성되지 못하였으나

② 오늘날에 와서는 설계 잘못은 어느 정도 해결되었으나, 운영과 관리상의 문제 때문에 본래의 목적이 이루어지지 않고 있는 경우가 많다.

③ 이러한 문제점을 해소하기 위하여 현장 경험이 충분히 피드백(feedback)되어야 하고, VAV시스템 관리자에 대한 충분한 교육이 있어야 한다.