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1. 서 론 |
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Variable Air Volume(VAV)시스템의 출현은 그의 에너지 절감에 대한 가능성으로 인해 전형적인 HVAC의 운용에 광범위한 변화를 가져왔다. 그러나 지난 수년간에 걸친 전반적인 VAV 시스템 의 운용 결과를 보면 상당히 기대치에 미치지 못하였다.
90% 이상이나 만족스럽게 기능을 발휘 하지 못하였으며 심지어 종래의 Constant Air Volume (CAV)Systems 보다 더 많은 에너지를 낭비 하기까지 하였다.
거의 60% 이하까지의 에너지 절감에 대한 기대가 실현되지 못했다.
그러나 생활 향상과 더불어 보다 나은 쾌적한 공간과 건강 문제 그리고 생산성 향상을 위해서 실내의 공기 조화 냉난방에 대한 중요성은 갈수록 커지고 있다. 쾌적함과 경제성간의 균형을 향상 시키기 위하여 전자와 컴퓨터를 이용한 시스템 보급이 계속 증가 추세에 있으며 건물의 고급화 및 실 별 개별 제어가 가능한 가변 풍량(Variable Air Volume) 시스템의 적용이 날로 증가하고 있다.
70년대 후반부터 국내에 보급되어온 가변 풍량 유니트(VAV) 제어 방식이
공기식 제어(Pneumatic Control),
전자식 제어(Electronic Control),
직접 디지탈 제어(Direct Digital Control)로 변천 개발 되 어 왔으나
여러 가지 문제점으로 인하여 가변 풍량 시스템이 시설된 많은 건물에서 그 기능이 사양화되어 있고 현재 설계 및 건설중인 건물에서도 문제점이 개선되지 않고 진행 되고 있다
이의 개선을 위하여 VAV 시스템 운용에서 본질적인 많은 문제점들을 파악하여 그 요인을 요약하고 본 내용에서 설명하고 있는 Airflow Measurement(FMS)로 VAV 시스템 운용과 관련된 많은 문제점들에 대한 그 해결책을 제시해 주고 있다. |
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2. 가변 풍량 시스템(VAV System) 문제점 |
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우리 나라의 가변 풍량 유니트(VAV) 제어 방식은 80년대 중반까지는 실내 온도 조절기(Room Thermostat Controller)에 의해 가변 풍량 조작기를 작동하게 하는 단순 제어가 이루어져 왔으나 현재는 진보된 전자 기술 적용으로
- 가변 풍량 유니트(VAV) 내에서의 풍량 측정
- 풍량의 상/하한점 설정
- 압력 독립식 제어(Pressure Independent Control)
- 중앙 감시반에서 온도 조절점 변경(Remote Setpoint Adjust)
- Warming Up 제어
-등의 많은 기능을 보유하고 있으나 가변 풍량 본래 목적인 실내 온도 조절이 않되고 소음이 나는등 문제점이 나타나고 있다. |
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2.1. 실내 온도 조절이 않되는 요인 |
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- 가변 풍량 유니트(VAV) 전단의 정압이 일정하지 않다
- 가변 풍량 유니트(VAV)의 풍량 상/하한(Minimum/Maximum) Setting이 잘못 되었다
- 자동 제어 기기의 오작동 |
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2.2. 가변 풍량 유니트(VAV) 소음 요인 |
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- 제작 설계상의 결함
- 송풍기 정압제어 불량
- 압력 종속식 제어
- 짧은 가변 풍량 작동체 운전 시간
- 헌팅 운전 |
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2.3. 공급 닥트내 정압 변화가 많은 요인 |
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- 부적합한 정압 감지기 설치 위치
- 부적당한 정압 감지기 선정(Static Pressure Wide Range등)
- 정밀도가 낮은 정압 감지기 사용
- 송풍기 제어 기기 오작동 |
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2.4. 실내 가압 및 최소 외기량 도입이 않되는 요인 |
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- 풍량 측정 장치(FMS)를 활용하지 않고 단순 감시(Monitoring) 기능으로만 사용할 때
- 송풍기와 환풍기를 동일 제어 신호로 제어하는 단순 제어 시스템을 채택한 경우 |
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3. 정압 센서 및 풍량 측정 장치(FMS)의 적용 |
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3.1. 정압 센서의 적용 |
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실제로 VAV 시스템의 운용에 있어, 방, 공간, 층 또는 빌딩에서 공급되는 공기의 양보다 많거나 적게 또는 동일하게 배기하게되면 이들 내에 양압(Positive Pressure)이나 음압(Negative Pressure) 또는 중압(Neutral Pressure)이 발생하게 되어 있다.
우리는 이를 Pressurization(가압) 문제라하며, 이는 공간의 부하 수요를 충족시키기 위해 급기 풍량(Supply Air Volume)을 변화시키는 가변 풍 량 유니트(VAV Air Terminal Units)로 말미암아 급기와 배기 풍량간의 비동기성 (Nonsynchronization)에 기인한다.
급기 풍량이 변화함에 따라 공간의 부하 수요에 알맞는 적정 실내압 유지를 위해서는 Duct System내의 정압과 송풍기와 환풍기간의 풍량을 정확 하게 측정 및 감시하여 공간의 부하 수요에 적합하도록 적절한 환풍기 제어(Return fan Control) 가 이루어져야만 한다.
과거의 Constant Volume System(CAV)에서는 시스템 풍량이 Fan에 의해 제어 되었다.
그러나 가변 풍량 시스템(VAV System)에서는 시스템의 중심이 Air Terminal Unit쪽으로 바뀌었다.
이 Air Terminal Unit은 시스템의 말단부에 위치하며, Air Terminal Unit의 개폐로 인한 부하의 변화를 감지하기 위해서는 Fan의 풍량과 Duct내의 정압을 감지하는 수단이 반드시 필요하다.
이러한 변화를 감지하기 위해서 Air Terminal Unit의 작동을 감시할 감지기(정압 센서)를 Duct내에 설치한다
.정압 센서는 VAV Terminal Units에서의 풍량 변화로 인한 Duct내의 정압 변화를 감시 한다.
정압 제어의 종류는 다음과 같다. |
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3.1.1. 정압 제어의 종류 |
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A. 실내 정압 제어(Direct Building Static Pressure Control) |
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실내의 정압차를 감지하여 제어하는 방식으로 소형 공조 설비에서 실내 가압(Positive Pressure)과 외기 정압 차이가 일정 이상인 경우에 한해서 적용하여야 한다. |
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B. 개방 회로 정압 제어(Open Loop Control) |
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공급 닥트내의 정압을 감지하여 송풍기 및 환풍기를 제어하는 방식으로 풍량 감소시 환풍기 제어 작동부에 보상 장치가 있어야 실내 가압 및 실내 배기용 풍량을 확보할 수 있다. |
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C. 폐쇄 회로 정압 제어(Colse Loop Control) |
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급기 닥트내의 정압을 감지하여 송풍기(Supply Fan)를 제어하고 풍량 측정 장치(FMS)로 급기 및 환기 풍량을 측정 하여 환풍기(Return Fan)를 제어하는 방식으로 제어 방식중 기술적으로 가장 진보된 방식 이다. |
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3.1.2. 정압 감지기 설치 위치(Static Pressure Sensor Location) |
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가변 풍량 시스템에서 정압 감지 위치 선정은 가변 풍량 시스템 제어에 있어 가장 중요한 요소이다.
만약 정압 감지 위치가 공기 조화기의 송풍기(Supply Fan) 바로 인접한 곳에 설치 하였을 경우 송풍량에 관계없이 항상 똑같은 정압을 감지할 것이다.
설계시 정압 감지 위치를 말단측 2/3 지점으로 하는 것은 급기 닥트의 Friction Drop이 1/3 남아 있는 위치가 Operation Surge를 적게 받고 보다 안정된 운전이 가능하기 때문이다. |
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만일 VAV System이 Multi-Zone으로 구성되어 한 개의 정압 감지기만으로 급기 덕트내의 대표적인 정압을 측정할 수 없을 때는 정압 감지기도 Multiple화하여 Override Control로써 송풍기(Supply Fan)를 제어 하여야 한다. |
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3.2. 풍량 측정 장치(FMS)의 적용 |
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3.2.1. Supply Air Duct에 |
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Supply Duct내 정압만을 가지고 Supply Fan 및 Return Fan을 동시에 제어하고 있는 방식은 보완 및 개선의 필요성이 있다.
왜냐하면 Supply Fan 및 Return Fan은 풍량이 다르므로 Supply Duct내의 정압에 의해 동시에 똑같은 제어 신호로 제어하게 되면 실내 양압 (Positive Pressure) 및 최소 외기량 도입이 않되기 때문이다.
- 급기 Duct내의 정압만으로 Supply / Return Fan 동시 제어시 Air Unbalance 예 :
* AHU Supply Air 30,000 CMH,
Return Air 27,000 CMH인 경우
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100% |
80% |
50% |
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Supply Fan |
30,000 CMH |
24,000 CMH |
15,000 CMH |
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Return Fan |
27,000 CMH |
21,600 CMH |
13,500 CMH |
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실내 배기 및 가압용 |
3,000 CMH(100%) |
2,400 CMH(80%) |
1,500 CMH(50%) | |
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Static Pressure Controller를 적절하게 설정하기 위해서는(terminal unit 운용에 필요한 최 소 압력 수준으로), Supply Fan 의 풍량을 알아야만 한다.
이는 Fan의 풍량을 감시하는 측정 장치(JFM-P Series 또는 JFM-S Series)가 필요함을 의미한다. |
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3.2.2. Supply와 Return Air Ducts 양쪽 모두에 |
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VAV 시스템에서 가장 제어하기 어려운 문제는 Supply Fan 풍량의 변화에 맞추어 Return Fan 풍량을 적절하게 제어하는 것이다. 그러나 실내와 실외의 정압 차이를 이용(Building Static Control)하는 방식이나 급기 덕트내의 정압을 이용하여 송풍기와 환풍기를 동시에 제어(Open Loop System)하는 방식은 본질적으로 운용상 한계를 가지 고 있으며, 오로지 세심한 주의와 함께 사용해야 한다.
빌딩 자동화 시스템이 채택된 공기 조화기에서 송풍기(Supply Fan) 제어는 급기 덕트(Supply Duct) 말단측 2/3 지점의 정압 감지에 의해서 제어하고 Return Fan은 Supply Duct FMS에 의해서 조절값을 산정해 그 조절값과 Return Duct FMS에서 측정한 Return 풍량을 측정치로하여 Return Fan을 제어 한다.
- 조절값 산정 예
* Supply Air 30,000 CMH, Return Air 27,000 CMH
Supply Air FMS 27,000 CMH 측정시 : 27,000 - 3,000 = 24,000 CMH (Return Fan Setpoint)
Supply Air FMS 15,000 CMH 측정시 : 15,000 - 3,000 = 12,000 CMH (Return Fan Setpoint)
Supply Air FMS 12,000 CMH 측정시 : 12,000 - 3,000 = 9,000 CMH (Return Fan Setpoint) |
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즉 Supply Fan 풍량과 함께 Return Fan 풍량을 동기화 시키기 위해서는 오로지 한가지 방법 밖에 없으며, 그것은 바로 풍량으로 동기화 시키는 것뿐이다 : 풍량 측정 장치(FMS)로 Supply Duct와 Return Duct에서 실제 측정한 풍량값에 의거하여 각각의 Fans간에 일정한 풍량 차이가 나도록 Return Fan을 제어함으로써, Supply System에서 풍량의 변화가 발생하더라도 일정한 풍량 차이로 실내 가압과 최소 외기량 도입이 유지 될 수가 있다. |
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3.2.3. Outside Air Duct에 |
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시스템의 부하 변화에 대응하기 위해 Supply Fan 풍량이 변함에 따라 최소한의 외기량(Minimum outside air volume)도 또한 변한다. 유일한 그 해결책은 Supply Fan 풍량의 변화에 관계 없이 Outside air quantities(외기량)를 감시하고 일정한 최소량으로 유지시키기(관련 제어기기로) 위해서는 외기 도입부쪽에 풍량 측정 장치(FMS)를 설치하는 것이다. 보다 많은 양의 외부 공기를 사용하는 Economy Cycle이 바람직 할때는, 제어 시스템내로 쉽게 통합 시킬 수도 있다. |
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4. 결 론 |
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위에서 살펴본 바와 같이,VAV 시스템(Variable Air Volume System)에서는, 부하가 변함에 따라 Air Flow가 변 하고 따라서 Supply Duct System 의 정압이 변하게 된다.
그러므로 VAV 시스템에서의 가장 중요한 제어 대상은 정압과 풍량이다.
Duct System 내의 정압과 풍량을 측정 하여 풍량 제어에 이용하기 위해서는 정압 센서와 풍량 측정 장치(FMS)라 일컬어지는 풍량 측정 장치가 필수적이다.
VAV System의 부하 변화로 인한 정압의 변화를 정압 센서로 감지하여 Supply Fan을 제어하고 동시에 Supply Fan과 Return Fan의 풍량을 FMS로 측정하여 Supply Fan의 풍량을 감시하고 시스템의 공간 부하 수요에 알맞게 Return Fan을 제어 한다
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분명히 Airflow Control은 Fan 풍량을 정확하게 감시하는 풍량 측정 장치(FMS)의 성능에 따라 크게 좌우된다.
실제로 Fan 바로 근처에서 Branch Duct로 분기되어 Main Duct에 FMS 설치가 불가능하거나 현장의 여건상 부득이하게 Branch Duct에서 각각의 풍량을 측정, 합산하여 각 Fan의 풍량을 측정하여야 하는 경우등 1개의 FMS로 정확하게 측정하기가 어려울 때는 다수의 풍량 측정 장치(FMS)를 편리한 곳에 설치하여 합계를 낼 수도 있다.
진성 계전은 VAV System 운용에서 본질적인 많은 문제점들을 배제하기 위해 필요한 제어 기능을 수행하는데 적용 시킬 수 있는, 안정적이고 신뢰할 수 있는 정확한 Air Flow Measuring 또는 Sensing Devices(JFM-P Series 및 JFM-S Series 와 JSP)를 개발, 제조 하고 있으며, VAV System Control을 위해 당사 제품을 적용 시킬 수 있는 최소한의 권장안을 필요성, 실용성 및 초기 비용의 경제성에 근거를 두고 설명해 놓았다.
따라서 적절한 시스템 운용을 위해서는 필히 행해져야 하는 다음의 경우에 : |
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1. Return Air Duct에 |
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- Return Air System Flow를 Adjusting 하고 Balancing하기 위해 |
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2. Supply Air Duct에 |
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- Branch Ducts의 Constant Static Control로 Air Noise levels을 감소시키고
- Supply Duct Air Flow의 Constant Volume Control을 위해 |
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3. Supply와 Return Air Duct 양쪽 모두에 |
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- Floor 또는 Space Pressurization Control을 위한 Supply 및 Return Air Flow의 동기성을 위해
- Branch Ducts와 Return 또는 Supply Fans간의 Duct Leakage 측정을 위해
- Supply 및 Return Air Flows를 감시함으로써 효과적인 시스템 운용을 위해 |
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4. Supply, Return 및 Outside Air Duct에 |
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- 실내의 적정 양압을 유지하기 위해 Supply 및 Return Fan의 풍량을 측정하여 Supply 및 Return Fan간의 Balance를 맞추고 환기 기준에 필요한 최소 외기량을 일정한 양으로 제어 하기 위해 |
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풍량 측정 장치(JFM Series) 및 덕트 정압 Sensor(JSP Series)를 설치함으로써 VAV System 운용에서 파생되는 많은 문제점을 근본적으로 해결할 수가 있다. |