[스크랩] 저온공조 | HVAC

2004/04/15 02:35

별똥별(ddojobb) http://memolog.blog.naver.com/ddojobb/38

건물이 대형화, 고급화되면서 공조용으로 사용되는 건물의 에너지 소비, 특히 건물 전체 에너지 소비의 20% 이상을 차지하는 열 반송설비용 에너지 소비는 날로 증가 되고 있다. 최근 건물의 공조 방식은 물, 공기 방식에 비해 전공기 방식으로 선호(국내 대형 빌딩)되는 추세이므로 공기 분배 계통에 필요한 동력비가 크게 증가되고 있는 추세이다. 참고적으로 미국의 경우는 전 공기 방식의 전기 Heater를 이용한 난방(FPU) 방식이 선호되며 일본의 경우는 Heat Pump 방식이 사용되다가 최근에는 소형 Package Type의 공조기를 이용한 방식이 선호되고 있다. 이와 같이 나라마다 공조 방식에 다소 차이가 있는 것은 각 나라의 특성에 기인한것일뿐으로 어느 방식이 최상의 Solution이냐 하는 물음은 우문이라고 할수 있겠다. 또한 각나라의 사회적 기반 차이(전기 요금, 문화적 인식, 지역 난방, 빙축열에 대한 국가적 지원등)에 의한 공조 방식에 이용되는 장비, 매개체가 차이가 있듯이 국내의 빌딩에서도 큰차이가 있을수 있데 이러한 현상을 IBS측면에서 논의 하기보다는 건축, 기계 분야에서 논의되어야 하므로 여기서는 생략하기로하고 필자와 관련된 저온 공조와 FPU에 관련한 내용을 서술하고자 한다. 최근 미국의 초고층 건물에서 많이 사용되는 저온 급기 방식(Cold-Air Distibution)은 현재 국내에서 도입되고 있는 단계로서 LG 강남타워, 대우전자 연구소(Tech Tower)에서 서계 진행중이며 3-4개 빌딩에 시공 완료되었다. IBS측면을 고려하여 간단히 공조 방식에 대한 논의와 Terminal(FPU, VAV, CAV, FCU등) 저온 공조에 대한 서술로 전개할 계획이다.   공조 방식의 종류 구 분 에너지 매체에 의한 분류 시스템 명 세분류 중 앙 식 전공기 방식 정풍량 단일 덕트 방식 Zone 재열, 단말 재열 변풍량 단일 덕트 방식 2중 덕트 방식 FCU(Duct 병행) 2관식, 3관식, 4관식 유인 Unit 방식 2관식, 3관식, 4관식 복사 냉난방 방식(패널 에어 방식) 2관식, 3관식, 4관식 FCU 방식 2관식, 3관식, 4관식 개 별 식 냉매 방식 Room Cooler Package Unit 방식(중앙식) Package Unit 방식(Terminal방식 CAV 방식과 VAV 방식 비교 기본 공식 열량 = (비열 X 비중) X 풍량 X (온도차) 분류 방 식 풍 량 온도차 정풍량(CAV) 방식 일 정 변 동 변풍량(VAV) 방식 가 변 일정/변동 특 징(장단점) 방 식 장 점 단 점 CAV BAS의 제어가 단순하다. 년간 공조 시스템 운영비가 증가 한다. 일정한 풍량을 제공하므로 충분한 환기가 가능하다. 사무실내에 쾌적한 온도 제공이 어렵다. 초기 투자비가 적다. VAV 부하 운전이 가능하므로 풍량 감소에 의해 동력비 절감 초기 투자비가 증가 한다. 부분 부하 운전에 의한 사무실내 적정 온도 제공이 가능하므로 쾌적한 환경 제공 환기가 부족할수 있다. 공조부하의 종류 및 분석 구 분 내 용 냉 방 난 방 실 내 부 하 외피 부하 벽체, 지붕을 통한 전도열 ○ ○ 유리를 통한 전도열 ○ ○ 유리를 통한 일사열 ○ 침입 외기를 통한 열 ○ ○ 내부 부하 조명에 의한 열 ○ 인체에 의한 열 ○ 실내 기구에 의한 열 ○ 외기 부하 도입 외기를 통한 열 ○ ○ 장치 부하 덕트, 송풍기 장치등 장치 열 ○ 외피 부하는 냉방 부하와 난방 부하가 공존 한다. 즉 외주부는 냉/난방이 계절걱인 요소에 의해 절환되어야 한다. 내부 부하는 냉방 부하에만 의존한다. 즉 내주부는 계절에 관계없이 항상 냉방만 하여야 한 다. 언뜻 연상하기에는 겨울에 난방이 필요 할 것 같지만 사실 사무실내의 인체, 장비(특히 PC, 복사기, 프린터 등)에 의한 자연 낭방이 된다. 엄밀히 말하자면 난방이 아니라 열원이 되므로 이 열원에 대한 냉방이 필요하다. 실제로 현장 시공과 관련하여 운영자 측에서 이부분을 이해하지 못하는 경우가 발생한다. 겨울에 내주부 난방을 요구하는 경우가 있다. 실제로 겨울철에 난방을 하여야 할 경우가 발 생한다면 그것은 Office Plan의 잘못이거나 아니면 기계설비 설계가 잘못 된경우이다. 외피부하와 내부 부하의 비율은 이전에는 4:6 정도 이었으나 현제는 점점 외피 부하가 감소 하여 3:7 정도로 내주부 부하가 증가 한다. 이것이 바로 실내의 열원(PC, 복사기, 인체등) 증가에 의한것이다. FCU 겸용 CAV(Constant Air Volume) DUCT 방식 공조 방식의 개요 구 분 설비 개요 작 용 외주부 창측 부하를 위한 FCU 설치 건물 외피 부하 담당(냉/난방) 내주부 CAV AHU로 DUCT 를 이용한 공조 건물 내부 부하 담당(냉방 및 외기 부하) FCU(Fan Coil Units) 장단점 장 점 단 점 일반적으로 많이 사용(공사 및 제어가 간단) 천정 물배관에 의한 누수 위험 공사비가 저렴하다. 정밀한 실내별 제어가 곤란 전공기 방식에 비해 DUCT가 작아짐 부하 증감에 대한 융통성이 없음 전공기 방식에 비해 운전가 절감됨 실내 소음이 크다. Filter 청소등 유지 관리가 곤란 FCU 겸용 VAV(Variable Air Volume) DUCT 방식 공조 방식의 개요 구 분 설비 개요 작 용 외주부 창측 부하를 위한 FCU 설치 건물 외피 부하 담당(냉/난방) 내주부 VAV AHU 및 VAV Units 설치 건물 내부 부하 담당(냉방 및 외기 부하) FCU(Fan Coil Units) 장단점 장 점 단 점 온/습도 제어가 양호 하다. 천정 물배관에 의한 누수 부하 변동에 대한 융통성이 있음 장비비 및 공사비가 고가 전공기 방식에 비해 DUCT가 적음 실내 소음이 크다. CAV 방식에 비해 동력비가 적음 FCU Filter 청소등 관리가 어렵다. 에너지 절감 및 성능이 양호 국내 현실 국내의 대부분의 신축 빌딩은 FCU 겸용 VAV 방식을 채용하고 있으며 기존의 빌딩의 경우에도 상당수를 차지하고 있는 방식이다. 그러나 VAV 혼합 방식에 대해서 상당히 부정적인 견해가 지배적인게 현실이다. 실질적으로 VAV 혼용 방식을 도입한 빌딩의 경우 1-2년 이내에 모두 CAV 방식으로 절환하여 사용하는 심각한 수준에 와있다. 이부분에 대해서 BAS(Building Automation System)을 담당하고 있는 필자와 같은 사람의 책임이 크다. 고가의 장비를 투입하고서 장비의 특성을 제대로 사용하지 못하는 이러한 현실에 직면했는지는 향후에 다시 논의 하고자 한다. 이것은 반듯이 다시 집고 넘어가야 할 중요한 문제이기 때문이다. 콘벡터 겸용 VAV(Variable Air Volume) DUCT 방식 공조 방식의 개요 구 분 설비 개요 작 용 외주부 창측 부하를 위한 CONVECTOR 설치 건물 외피 부하 담당(난방) VAV AHU 및 VAV Units 설치 건물 외피 부하 담당(냉방) 내주부 VAV AHU 및 VAV Units 설치 건물 내부 부하 담당(냉방 및 외기 부하) 장단점 장 점 단 점 온/습도 제어가 양호 하다. 천정 물배관에 의한 누수 부하 변동에 대한 융통성이 있음 장비비 및 공사비가 고가 전공기 방식에 비해 DUCT가 적음 전공기 방식에 비해 DUCT가 커짐 전공기 방식에 비해 실내 환기 양호 전공기 방식에 비해 동력비 증가 에너지 절감 및 성능이 양호 나의 의견 일반적으로 DUCT Size가 30 - 40 % 증가 한다. FCU의 오염원 단점을 극복한다고 하나 실제로는 FCU의 오염원 단점을 극복할수 없음. 히터 펌프(Heat Pump) 겸용 VAV 방식 공조 방식의 개요 구 분 설비 개요 적 용 외주부 창측부하를 위한 히터 펌프 설치 건물 외주부 냉/낭방 담당 내주부 VAV Type AHU 및 VAV Units 설치 건물 내부부하 담당(냉방 및 외기 부하) 장단점 장 점 단 점 부하 변동에 따른 온/습도 제어가 정밀 천정에 물배관에 의한 누수 우려 부하 변동에 따른 융통성이 크다. 공사비가 고가임 부분적인 냉/난방이 동시에 가능 실내 소음이 크다. 에너지 절감 양호 나의 의견 적용 사례가 적으며 사양화되어 가고 있다. FCU의 오염원과 발생 같은 우려가 해소되지 않는다. FPU(Fan Powered Units) 겸용 CAV/VAV 방식 공조 방식의 개요 구 분 설비 개요 적 용 외주부 VAV Type의 AHU와 창즉(외주부) 천정 위에 FPU를 설치하여 창측 부하담당 건물 외주부 냉/낭방 담당 내주부 VAV Type AHU 및 VAV Units 설치 건물 내부부하 담당(냉방 및 외기 부하) 장단점 장 점 단 점 부하 변동에 따른 온/습도 제어가 정밀 천정에 물배관에 의한 누수 우려 부하 변동에 따른 융통성이 크다. 공사비가 고가임 환기 성능이 양호 실내 소음이 우려(Fan 동작시) 에너지 절감 양호 공조용 동력비 증가(Fan 동작) 나의 의견 적용 사례가 적으나 증가 추세이다. FCU의 오염원과 발생 같은 우려가 해소된다. 환기 성능이 우수함으로 사무실 환경이 크게 개선되므로 입주자의 개인 위생에 도움 이 된다. 저온 급기 방식(Cold-Air Distribution) (1) tech@sjca.co.kr. Created: 97-11-29 Updated: 97-12-10 개 요 저온공조 시스템(Cold-Air Distribution System)은 통상적으로 사용하는 종래의 급기 방식보다 낮은 온도의 공기를 분배 공급함으로써 일반 공조 방식보다 적은 양의 급기를 제공하여 실내 환경(실내 온도)를 만족 시키는 시스템이다. 일반적인 급기 온도(공조기의 급기온도)는 4℃ - 10℃로서 종래의 급기 방식이 쾌적한 사무실 온도 및 결로 발생등을 고려하여 실내 설계 온도 보다 10℃ 정도 낮은 온도 즉 10℃ - 15℃ 정도로 공급한다. 일반 공조 방식보다 더 낮은 급기를 실시하는 저온 공조(Cold-Air Distribution)를 실내에 직접 공급 할 경우 실내 온도 분포가 고르지 못하여 불쾌감 및 취출구에 결로가 발생하므로 공조기에서 취출구 전단의 Terminal(VAV 또는 PFU)까지만 저온으로 급기를 분배시키고 실내에는 공기 혼합장치를 통해 실내 공기와 혼합하여 급기하는 방법을 사용한다. 용어 정의 차원에서 저온 급기라함은 엄밀히 "저온 공기 분배 방식"이 정확한 용어이다. 그러므로 영문적 표기도 "Cold-Air Supply System"이 아니라 "Cold-Air Distribution System"이 정확하다. 저온 급기 시스템은 실내 환경을 개선 하는데 있어서 저비용의 초기 장비비와 적은 소비 에너지로 운영비를 절감 할 수 있다. 저온 급기 시스템은 새로운 기술이 아니라 기존 이론을 바탕으로 구축된 시스템으로 이것은 4℃ 정도의 급기를 제공하여 습도 제어를 위해 산업 공조 방식으로 이용되던 것을 오늘날 몇 가지 사항을 개선한것일뿐이다. 1950년대 미국의 주댁 단지와 소규모 상업용 빌딩에서 공조 환경 개선을 위해 9℃ 정도의 급기 온도를 89mm DUCT를 통해 High-Velocity Jet Diffusers를 이용하여 Diffusers 주변의 실내 공기를 인입하여 혼합 공기를 실내에 제공하기 시작하였다. 1960년대 미국의 병원에서 1차 급기(Primmary Air)를 2℃ - 4℃로 공급하고 실내에 Induction Units를 설치 실내 공기(Secondary Aur)를 유인하여 정풍량(CAV)의 혼합된 급기를 제공하였다. 오늘날은 13℃ 정도의 급기 온도를 사용하는 전통적인 공조 방식을 개선하였으며 또한 실내 상대 습도를 50%RH - 60%RH로 유지하는데 이용되고 있다. 일반 공조 방식을 사용하여 현열비(Sensible Heat Ratio)가 0.8 - 0.9 정도인 일반 사무실에 13℃의 급기를 제공하여 실내 온도 24℃, 상대 습도 55%RH - 60%RH 환경을 제공하고 있는데 이러한 운전 방식은 초기 투자비와 건물 냉방비용의 증가(저온 급기 방식에 비해서)를 피할 수 없다. 1980년대 빙축열 시스템이 개발되면서 급기 온도를 낮추는데 더욱 편리 해졌다.(비용적 측면에서) 빙축열 시스템은 저비용으로 1℃ - 4℃ 정도의 냉수를 생산 할 수 있으므로 공조기의 급기 온도를 4℃ - 9℃까지 생산 할수 있게 된 것으로 빙축열 시스템의 개발로 인해 저온 공조 시스템 상용화가 가능해진것이다. 장 단 점 초기 장비 투자비 감소 초기 장비 투자비의 감소는 Cold-Air Distribution을 적용하는 것이 매우 효과적이다. 낮은 급기온도는 빌딩에서 요구하는 냉방부하를 위해 총 급기량을 줄일수 있으므로 공조기 자체 및 FAN Size와 DUCT Size를 줄일 수 있게되된다는 의미이다. 이것은 곧 AHU(Air Handling Unit) 도입 비용과 DUCT 및 설치비용 절감을 의미하게 된다. 저온급기(Cold-Air Distribution) 시스템 도입시 초기 장비 투자비 감소에 대한 반론으로 빙축열 시스템 추가 비용이 거론된다. 이는 반론의 여지가 없는 사실이다.(순수 장비비 측면에서는 ...) 실제로 저온 급기를 도입하기 위해서는 빙축열 도입으로 인한 추가 비용이 발생하는데 이것은 장비비 측면만 고려한 사항이다 빙축열 도입시 구내 현실은 국가 보조금 지급, 세제 감면등 도입 비용이외의 효과측면의 비용이 무시된것이며 또한 빙축열 도입으로 인한 에너지 절감효과(심야전력 사용)에 의한 투자비 조기 회수가 가능한 측면 여시 고려하지 않은 사항이다. 층고의 감소(천정고가 아님) 전항 「초기 장비 투자비 감소」에서 논의한 DUCR Size감소는 결국 층간의 층고를 줄일수 있다는것과 같은 의미로서 이것은 건축 구조, 외벽마감 비용의 절감 효과가 발생 한다. 저온 공조 방식을 도입시 20 -40Cm 정도를 줄일 수 있다고 한다. 이는 층고를 일반적인 방식과 같이 4M 정도로 유지시 층의 천정고가 높아지므로 쾌적한 사무 환경을 구축하게되는 것이다. 실제로 POSCO CENTER의 초기 설계는(현재의 2개 빌딩으로 나누어 공사 하기 이전) 층규모는 40층 이었지만 63빌딩보다 더 높게 설계되었다고 하는데 그 의미는 천정고가 높을수록 건축비용은 증가하지만 보다 쾌적한 사무실을 구축 할 수 있기 때문이다. 그러므로 저온 급기 방식을 도입시 건축비 절감 또는 쾌적한 환경 빌딩을 구축 할 수 있게 된다. 상대습도 개선 효과(사무환경 개선 효과) 연구 결과(참고 문헌)에 의하면 저온에 의한 제습효과로 상대습도가 낮아지는 부수적인 효과가 발생한다. 특히 우리나라와 같이 여름철에 고온 다습한 외기 조건을 가진 경우 저온에 의한 자연적인 제습효과로 다습한 환경에 의한 불쾌감을 줄일수 있게된다. 상대습도 개선효과의 반론으로 두가지 측면을 고려 할수 있다. 첫 번째, 일반 공조에 의해서는 제습효과가 없는가 하는 것이다. 아니 일반 공조에서도 제습 효과가 필수적으로 동반되고 있는데 일반 공조에서 이루어지는 제습량보다 많다는 것일 뿐이다. 두 번째, 더 많은 제습으로인한 운영비의 증가 부분이다. 이 부분은 저온공조 방식의 단점이다. 아직 구체적으로 얼마만큼의 운영비가 증가되는가에 아직 Data가 없으며 운영비 증가 분을 어떻게 최소화하느냐도 관권으로 이것은 건축적인 문제(단열성 등)와 빌딩마다의 고유 특성, 제어 특성에 의해 좌우된다. 제어 특성에 관해서는 뒷장에서 다시 논의 하기로 한다. 저온급기 방식의 급기 온도의 종류 일반적으로 기존 공조 방식에서 급기 온도가 15℃라면 저온 급기 방식용 급기온도는 다음과 같이 분류된다. 첫장 머리말과 저온 급기 개요에서 저온공조와 기존 공조의 온도에 대해서 언급하였다. 가. 10.6℃ 급기 방식 이 범위의 저온 공기 분배는 공조기 코일 출구 온도는 9℃ - 11℃의 급기 시스템이다. 10.6℃의 급기 방식은 기존의 공조 방식으로도 사용이 가능하지만 쾌적한 급기 온도 및 충분한 환기 풍량을 유지하기 위하여 FPU를 사용하는 것이 바람 직하다. 이는 전항 개요에서 언급한 결로 발생눔제를 해결하기 위해서이다. 10.6℃의 급기 방식은 거의 모든 건물에서 사용 가능하며 기존의 공조 방식에 비해 온도차가 크지 않으므로 저온급기의 덤핑(Dumping) 현상 및 취출구에서의 결로 현상등 위험성은 적지만 적정한 공기 취출 성능 지수(ADPI)의 유지를 위해여 취출구의 취출 특성 및 배치에 세심한 배려가 요구 된다. 6.7℃ 급기 방식(하단 서술)에 비해 에너지 절감 효과가 작지만 송풍기의 동력 감소로 인해 전체 시스템의 에너지 소비는 절감된다. 시스템 특성 열원 설비 : 일반 냉동기 방식으로 적용 가능 AHU 송풍기 : 풍량 감소에 의해 20% - 30% 동력비 절감 공조 덕트 : 풍량 감소에 으한 30% 정도 크기 감소 터니널 : 일반적인 VAV 터미널 적용 가능 덕트 보온 : 기존 방식보다 세심한 보온 필요 나. 6.7℃ 급기 방식 이 범주의 저온 공기 분배는 코일 출구 온도 5.5℃ - 5℃의 급기 시스템이다. 이 방식의 전온급기 방식은 빙축열 시스템을 열원 방식으로 사용 할 경우에 효율성이 뛰어나다. 기존 공조 방식에 비해 공급되는 온도차가 비교적 크므로 공조기 밀 덕트 크기가 작아지며 동력 감소로 인한 에너지 절감효과가 크다. 공조기의 냉각 코일, 보온 및 공기 싹출등에 세심한 주의가 필요하며, 공조기 코일에서 과다한 제습 부하가 발생하며 1차 공기량 감소로 인해 외기 냉방(Free Cooling) 시스템의 적용 효율이 감소헤게 된다. 1차 공기의 감소로인해 실내의 환기성능이 현저히 떨어지게되는데 이를 극복하기 위한 방안으로 FPU을 도입이 필수적이다. 시스템 특성 열원 설비 : 저온 냉동기 특히 빙축열 시스템이 효과적임 AHU 송풍기 : 풍량 감소에 의해 30% - 40% 동력비 절감 공조 덕트 : 풍량 감소에 으한 30% - 40% 정도 크기 감소 터니널 : 송풍기 구동 유인형 FPU 덕트 보온 : 덕트 및 터미널에 보온의 보강이 필수적으로 필요하며 특히 연결부위에 세심한 주의를 기울이는 결로 방지 대책에 필요하다. 저온 급기(분배) 시스템 제어 (1) tech@sjca.co.kr. Created: 97-12-10 Updated: 97-12-10   저온급기(분배) 방식 제어 개요 빌딩내의 Air-Conditioning의 제일 목표는 사무실내의 모든 Zone에 충분한 환기와 적정 온도의 유지에 있으며 두 번째 목표는 상대 습도 제어에 있다고 말할수 있다. 이러한 목표 달성을 위해서 우리는 어떠한 장비와 각 장비에 어떠한 제어를 하여야 할까 ? 저온 급기를 위한 제어를 간단히 나열해보면 아래와 같다. 외기 도입량 제어 총급기량 제어(혼합기) 각 Zone의 급기량 제어 각 Zone의 실내 온도 제어 좀더 구체적으로 위의 제어를 서술하면 다음과 같다. FPU(VAV) System에서 Volume(풍량)제어는 각 Zone에 설치된 실내 온도 센서에 의해서 이루어진다. 실내의 온도제어는 결국 인입되는 급기의 양에 의해 조절되는 것으로서 실내온도와 설정값의 차를 이용하여 VAV System의 Damper를 조절하게된다. 여기에서 Damper의 조절은 1차적으로 온도차에 의존하지만 2차적으로는 인입 공기의 Volume 양에 의해 이루어지는 것으로서 VAV System의 Flow Sensor에 의존하게 된다. 총 급기량 제어는 Duct내에 설치(통상적으로 Duct 말단 2/3 지점이나 새로이 발표되는 논문에 의하면 점차적으로 말단으로 더 이동하고 있음)된 정압 센서와 설정값(Setpoint)과의 압력차, Invertor, Discharge Damper, Inlet Vane(점차 사양화되고 있음)을 이용하여 제어 한다. 일반적으로 압력차(센서값과 설정값)에 이용되는 설정값은 상수로서 이용되고 있으나 에너지 절약 방안의 하나로 변수값 형태로 변화되고 있다. 급기온도 Reset과 마찬가지로 정압 Reset 개념이 도입되고 있는 것이다. 이와 관련한 실험이 미국 MIT 공대에 의해 추진되고 있는데 정압 Reset에 관해서는 뒷장 첨부 내용을 참조 바랍니다. 참고로 필자는 2년전 모 현장에서 정압 Reset 개념을 냉동기의 냉수 Pump 제어를 위해 사용하여보았으나 구체적으로 어느정도의 에너지 절감이 이루어 지는지 척정하지 못했다. AHU(Air Handling Units)설치 되는 급기 온도 센서와 설정값을 이용하여 냉수 밸브(Cooling Valve)를 조절하여 공조기(AHU)에 인입되는 냉수의 양을 조절한다. 외기 Damper는 Fan(supply 및 Return Fan)의 운전 상태 즉, FMS(Flow Meter Station)의 급배기량 측정값의 차압(실간 차압)에 의존한다. 이상에서 나열한 모든 설정값은 상황 변화에 따라 상수값 개념이 아닌 최적 운전 조건에 의한 변수값으로 이용하여야 하며 본 Site에서 논의하고 있는 Cold-Air Distribution제어를 위한 전통적 방식과 다른 여러면을 고려해보기로 한다. 제어 시스템 요구 조건 난방 부하와 냉방 부하 제어 응축수 발생 대책을 위한 제어 급기온도 재설정(Reset Supply Air Temperature) 총 에어지 소비의 축소화 재열(Reheat)의 최소화 저부하 운전 횟수의 증대 최적 난방 시간의 최대화 저온급기(분배) 방식을 위한 시스템 요구 사항 저온 급기 시스템의 기본적 제어 개념은 일반적으로 기존의 방식과 유사하다. 급기 온도 재설정(Reset)과 같은 방법을 이용하여 소비 에너지 감소 효가를 실현시킬수 있는 반면 제어 방법은 점점더 복잡해 진다. 제어 방법이 복잡하다는 것은 공조 제어 시스템 안정화에 많은 시간이 소요된다는 것으로서 CAV 시스템의 경우 단 시간에 가능하지만(TAAAB만으로도 가능함) VAV는 CAV에 비해 장시간이 소요 된다. 최적의 시스템 안정화에 소요되는 시간은 우리나라와 같이 사계절의 성향이 뚜렷한 경우 사계절을 모두 거쳐야만이 가능하다 본 Site의 서두에 국내의 VAV 시스템 현황( CAV로 절환하여 사용)에 대해서 언급하였는데 이와 같이 장시간이 소요되는 시스템 안정화 작업이 전무 한것도 단편적인 이유이다. DDC(Digital Direct Control) System은 Pneumetic(압축 공기 방식) System에 비해서 보다 복잡한 제어 Logic에 매우 융통성이 있으며 냉동기나 AHU(Air Handling Units) 제어와 Zone 제어를 위한 VAV(FPU포함) 제어에 사용되고 있다. 초기 운전(Initial Operating), Schedule Reset, Setpoint는 지속적인 변화가 요구된다. 종래의 HVAC/R(Heating Ventilation Air Conditioning/Refrigeration) 제어에서는 앞서 나열한 변수는 한번 설정하면 거의 불변의 상수 값으로 여겨졌으나 요즈음 이러한 상수 개념이 점차 무너지면서 변수 개념으로 빠뀌고 있는데 이는 소비 에너지를 감소하기 위한 최적 제어 개념이 도입 되면서 부터이다. 예를 들면 Warmming-Up 운전의 경우 계절적 요인에 의한 냉/난방 절환만 사용되었고 외기 조건 변화에 의한 운전 개시 시간은 사실상 무시되어왔다. 이는 막대한 에너지 손실을 발생하게 된다. Warmming-Up의 경우 Full Load 개념으로 운전되므로 짧은 시간의 운전에도 막대한 에너지가 소비되게 되는데 기존의 방식은 외기 온도가 -10℃와 0℃일 경우 같은 시간대에 동일한 시간 만큼 Warrming-Up을 실시하고 있다. 어떠한 현상이 발생될까요 ? 결국 DDC(Digital Direct Control) System이 복잡한 Logic의 제어에 적합하다는 것은 매일 다르게 변화하는 운전 조건에서도 적절한 제어가 가능하다는 것이다. 최소 환기와 재열(Reheat) 최소 환기율은 Zone의 업무 내용에 의해 결정된다. "병원 BAS CONTROL"에서 논의한 병원의 환기 횟수도 이와 밀접한 관계가 있다. 최소 환기량(환기 횟수)는 본 Site 후미(첨부)에서 다시 논의하기로 한다. Reheat(재열)는 실내 쾌적도를 향상 시키기 위해서 실시 한다. 우리나라와 같이 고온 다습한 장마철의 경우 실내 상대 습도를 낮추기 위해 제습(냉방에의한 자연 제습 또는 인위적인 제습)을 하게 되는데 이 경우 급기온도가 실내에서 요구하는 수준(24℃ - 27℃ 정도)보다 현저히 낮을 경우에 필요하다. Duct(또는 AHU)와 같은 1차측 또는 Terminal Box(FPU)와 같은 2차측에 Heating Coil을 설치하여 재열 한다. 재열은 에너지 이용측면에서는 낭비(손실)이므로 급기온도 설정값을 재셋팅하여 최소화하여야 한다. 국내의 Reheat 도입의 경우는 어느 정도인가 ? 재열은 곧 에너지 낭비라는 인식의 팽배로 인해 특수 목적(항온, 항습)을 제외한 일반 사무실에서는 전무한 실정이다. 실질적으로 국내에서 재열은 상상할수도 없다. 재열을 뛽나 근본적인 기계설비가 설계 단계에서부터 배제되거나 장비가 부착되어 있더라도 전혀 가동을 하지않는다. 에너지 절약 !!! ???? 혹자는 국내의 공조제어[HVAC/R(Heating Ventilation Air Conditioning/Refrigeration)] 기술이 외국에 비해 현저히 떨어진다고 한다. 비근한 예로 외국의 사무실은 쾌적한데 국내 사무실은 공기가 탁하며 겨울에 건조하여 정전기..., 여름에는 습기가 높아서 불쾌하다며... 그렇게 말하는 사람에게 재열의 필요성, 환기 횟수의 증대를 제안하면 단호히 경제성 분석을 요구한다. 물론 경제성 분석에는 사무환경의 쾌적도로 인한 사무생산성은 배제되며 단순히 소비 에너지의 증가분만으로 모든 것을 판단한다. 결과는 "NO". 국내의 경우 일반 사무용 빌딩에서 재열을 도입한경우는 아직 없는 것으로 알고 있다. 급기온도 재설정(Supply Temperature Reset) 빌딩의 부하가 변경될 때, 급기 온도는 에너지 소비가 최소화 되게 변경 시켜야 한다. 저온 급기(분배) 시스템의 최대 효율을 감안한 급기온도 재설정이 필요한데 이것은 시스템 능력을 정확히 판다치(숙지) 못한 상태에서는 저온 급기 시스템 및 관련 시스템의 성능을 오히려 저하시키게 되므로 주의하여야 한다. 그러므로 그기온도 재설정과 衺이 냉방 시스템 전체(FPU, AHU, Chiller, Heat Exchange등)에 영향을 줄수 있는 작업은 각 시스템의 특성을 정확히 파악한후 Range를 설정하여야 한다. 최적의 급기 온도는 동일 빌딩내에서 부하의 정도에 따라 변화되는데 장비의 특성 곡선(Chiller, Pump, Supply Fan등)에 크게 좌우된다. 또한 빌딩내에서 급기온도를 증가 시키면 실내 공기의 에너지가 증가되고 제습 효과 감소와 냉동기 소비 에너지 감소로 인해 에너지 절감 효과가 발생한게 된다. 제습 효과의 감소는 실내 상대 습도 제어가 난이해지며 결국 사무실의 쾌적성이 감소되는데 에너지 절감 차원에서 무작정 급기 온도를 높일수만은 없게 된다. 최적의 급기 온도 사양은 뒷장에서 다시 논의하기로 한다. Heating(난방) 난방은 근무시간 이전 Warm-up시 또는 열부하가 부족한 심야 시간에 종종 요구된다. 물론 주간에는 필수적이며 .... 국내의 경우 야간에는(비 근무 시간) 난방을 하지 않는다. 야간에 실시하는 난방은 건물의 수명을 연장시키는 효과가 있다고 한다. 확인된 사실은 아니지만 여의도에 있는 LG TWINE 빌딩의 경우 외국 설계사의 검토 보고서에 의하면 실내 부하를 10℃이상의으로 유지시 빌딩 수명을 최소한 10년 연장시킬수 있다고 한다. 이 의미는 야간(비근무 시간)에도 난방이 필요하다는 의미이다. 저온 공조에서의 난방 제어는 기존의 공조 방식과 동일하다. ASRAE에서 난방 모드는 『급기온도 재설정 중에서 최대값으로 공급하는 경우』라고 정의하고 있는데 우리나라와 같이 "공중이용 위생 관리 실내 환경 기준"에서 "실내온도 17℃ - 28℃로 규제"하는 경우에는 ASHRAE 정의를 적용하기에는 급기온도 재설정의 범위가 너무 크다. 필자가 본Site에서 논의하고자하는 것은 저온 공조 방식의 이해와 응용을 위한 것이므로 저온 공조 방식의 기술적 논의를 우선 서술하고 국내 현실을 감안하고자 하는 의도이므로 ASHRAE 난방 모드 정의가 국내 현실과 다소 차이가 있다하더라도 금본 서술을 ASHRAE 정의에 따른다. 저온 공조라함은 기본적인 운용은 냉방에 있다. 그러므로 겨울철의 경우 최소 냉방(외기 냉방, 부득이한 경우 내주부 강제 냉방)이 이루어 지고 있으므로 Terminal Box(FPU)의 1차측(AHU로부터 공급되는 공기)은 최소로하며(Damper 최소 개도 Open-강제적인 운영이 아닌 자연적 현상) FPU내에 설치된 난방 코일(일반적으로 외주부)을 이용 재열(Reheat)하여 실내에 공급한다. 여기에서 다시 논의해야할 중요한 내용은 국내의 경우 VAV Type의 난방의 정의이다 본 Site 서두에서 잠시 언급한바 있지만 다시 논의하면 외주부와 내주부를 분리 검토 하여야한다. 외주부의 경우에 냉/난방 절환이 필요하지만 내주부의 경우는 계절에 관계없이 언제나 냉방이다. ASHRAE 규정의 의하면 1차측(AHU에서 FPU 전단) 공기와 실내 공기의 온도차를 11℃ 정도로 유지하는 것이 좋다고 한다. 이는 FPU가 11℃ 만큼의 재열(Reheat)을 하여야 한다는 것으로 이 규정(온도차 11℃)을 따르자면 엄청난 에너지가 소비 된다고 인식하는데 사실은 그렇지않다. 왜냐하면 1차측(AHU)에서 소비하는 에너지는 국내현실을 감안시 매우 적다. 즉, 저온 공조에서는 AHU에서 1차 난방후 FPU에서 2차 난방의 하는것으며 기존의 공조 방식은 AHU가 모든 난방을 감당하여야 한다. 오히려 FPU에서 11℃ 난방 부하를 담당하는 저온 공조 방식이 열전송 과정에서 발생하는 열손실이 적으므로 난방의 경우 에너지 이용측면에서 유리하다. Night(or Weekend) Setback 운전 빌딩에서 근무시간 이외의 시간(보통 야간 시간대)에는 공조(냉방 또는 난방)는중단된다. 이때 실내 온/습도는 실내 부하와 외기 환경에 의해 크게 변동된다. 외기 습도가 실내 습도보다 높을 경우에 실내으 습도는 증가하게 된다.(창문등을 통한 외기 침입) 실내 습도의 증가는 결로(응축수) 발생의 최대 요인이 된다. 이러한 문제를 완화 시키기 위해서는 초기 냉방 운전시 높은 온도(정상적인 급기 온도에 비해서 5℃ - 7℃ 증가)로 공조를 하여야 한다. 특히 주 출입구와 로비 쑻은 외기의 침입이 많은 지여은 별도의 독립된 공조를 사용하여야 한다. Night( Or weekend) Setback의 급기량과 운전 시간은 FPU의 특성, Chiller 및 기타 냉동 시스템의 특성과 금누 Schedule에 의해 많은 차이가 있으며 공급 온도는 단계적인 변화를 준다(환기의 이슬점 온도 Check 필수) 다음 표는 ASHRAE가 추천하는 Setback의 급기량과 시간이다. 시 간 급기 풍량 급기 온도 정상 운전 2시간전 40%(최대 풍량) 13℃ 정상 운전 1시간전 65%(최대 풍량) 10℃ 정상 운전 시간(Warm-up개시) 100%(최대 풍량) 7℃ "대우전자 목동 연구소 Tech Tower"의 경우 ASHRAE 추천안과 다소 다르게 적용 시킬 계획이다. 몰론 근보적인 개념은 동일하다. 대우전자 목동 연구소 Tech Tower으 경우 공조기의 급기 온도를 9℃ - 11℃ 정도로 설계하고 있으므로 Setback시의 급기 온도에 대해서 약간의 수정이 필요하며 온도가 변화되므로 급기량과 시간 역시 변경이 불가피하게 된다. 국내에서 정의하고 있는 Night Setback은 근본적인 개념에 있어서 도입의 목적이 ASHRAE와 차이가 있는데 실내 결로방지가 아니라 에너지 절약 차원에서 적용되고 있다. 냉방시 새벽녘 차가운 외기(실내에 비해서)를 Warm-up 단계 이전에 최대한 실내로 공급(전외기 공조 방식)하여 실내 공기와 교환시킴으로써 Warm-up 시간을 주鱁이는 것으로 변형되어 적용되고 있는데 기존의 공조 방식에서는 에너지 절약측면에서 효과적이었지만 저온 공조 방식과 같이 실내 습도 제어를 수행하는 방식에 있어서는 결로 발생의 우려가 있으므로 결로 방생을 방지하는 차원이 적용되어야 한다.

출처 : 건축설비 SHOP-DWG

글쓴이 : 전정섭 원글보기

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