가변 정압 제어 개요
- DDC를 이용하여 실내의 쾌적도를 유지하면서 대폭적인 에너지 절감효과를 얻을수 있는데 하나의 DDC와 여러개의 DDC를 통합 제어 함으로서 부가적인 효과를 얻을수 있게 된다. 그중 대표적인 예가 VAV 시스템에서의 급기 정압 재설정제어(가변 정압 제어) 이다.
- 이 제어의 목적은 VAV Terminal이 담당하는 Zone으로부터 최소의 송풍 에너지(AHU)를 소비하여 급기를 실시하는 것으로 VAV 유니터는 실내의 부하에 맞추어 실내로 공급되는 공기의 양을 조절하며 실내에서 요구하는 최소 환기량에 맞추어 최소의 급기량이 유지된다. VAV용 DDC는 각 Zone에서 요구하는 풍량을 계산(기계 설비에서 설정해놓은 최대 풍량과 최소풍량을 기준으로 실내의 부하 변동에 따라 급기풍량 계산)하여 VAV Units를 제어하며 만일 이 계산값 만큼의 풍량을 공급 할 수 없을 경우 경보를 발생하여 공조기의 급기량을 증가 시키게된다. 반대로 최대 풍량을 초과 할 경우에도 경보를 발생하여 공조기의 풍량을 감소 시키게되는데 이러한 방식이 바로 가변 정압제어의 요지이다.
- 상업용 건물에서의 사용 에너지 중에서 공조용 송풍 에너지는 큰 비중을 차지하지만 이제까지의 송풍기 제어는 최대 풍량의 급기를 공급하는데 필요한 분기 덕트내의 정압을 항상 일정하게 유지시키는 고정 정압 제어를 사용하였다. 설계 정압은 덕트 설계/시공을 효율적으로 함에 따라 줄일수 있으나 고정된 설정 정압은 가장 악조건하에서 필요한 값이된다.
- VAV용 DDC와 공조기용 DDC의 조작으로 모든 Zone의 요구 조건을 충족시키면서 공조기의 급기 Fan 정압을 줄일수 있는데 이는 각 Zone의 쾌적도를 손상 시키지 않는 범위내에서 AHU의 Fan 동력을 최소화 시킬수 있게 된다.
가변 정압 제어 실험 개요
- DDC를 이용하여 실내의 쾌적도를 유지하면서 대폭적인 에너지 절감효과를 얻을수 있는데 AHU의 급기팬 가변 정압제어는 유명 대학의 두 개의 사무용 건물과 연구용 건물을 정풍량 방식에서 VAV방식으로 개보수하는 프로젝트에 채택되어 효과가 확인되었다. 이 프로젝트는 2마력에서 125마력의 공조기 8대를 가변 피치 방식으로 개보수하는 방식으로 이중 가장 큰 2대는 100%의 외기를 이용하여 연구소와 사무실을 함께 담당하는 공조기로서 배기 Fan은 급기 Fan과 비례(연동)되며 다른 공조기는 환풍기를 설치하였다.
- 각각의 공조기에는 별도의 DDC를 설치하고 덕트내의 정압을 감시하여 측정값을 가변 정압제어기(동일 DDC: Invertor Controll Program)에 보내 가변 정압제어에 의해 정압 설정값을 변경한다. 2대의 가장 큰 공조기의 정압 범위는 2 - 6 Inch wg. 이다.
가변 정압 제어 실험(Terminal Units Operation)
- 가변 정압 제어는 DDC에 의해 수행되는 Zone의 조건에 따라 수행되는데 모두 202개의 압력 독립식 VAV용 DDC는 실내에서 요구하는 풍량을 계산하여 제어한다. 2대의 가장 큰 공조기는 53개와 77개의 사무실 Zone을 담당하며 나머지는 8 - 21개의 Zone을 담당한다. 그리고 공조기 1대는 연구소 Zone을 담당한다.
- VAV나 FPU용 DDC는 실내 온도와 냉난방 설정 온도를 비교하여 PID 알고리즘을 활용하여 실내 부하를 담당할 풍량을 개산하여 VAV를 제어하며 냉방과 난방의 설정 온도는 불감대를 중신으로 각각 다르게 프로그램되며 냉방시, 난방시 각각 재실 온도 설정, 야간 온도 설정을 별도로 프로그램하였다.
VAV 필요 사항
- 압력 독립된 VAV Terminal에서 풍량 검출기가 VAV Terminal의 1차측에 설치되고 차압 발신기가 차압을 검출하여 이 신호로 Zone으로 공급되는 1차 공기량을 측정한다. VAV 시스템의 일반적인 동작 범위는 설계 용량의 60% - 80% 정도이다.
- VAV Units는 실내의 부하에 맞추어 실내로 공급되는 공기의 양을 조절하며 실내에서 요구하는 최소 환기량에 따라 최소 공기량을 유지하도록 프로그램한다. 또한 건물 외주부의 난방이나 내주부의 과다한 환기 요구로 발생되는 과냉 현상을 방지하기 위해 VAV Terminal에 재열 장치를 설치하는데 국내의 경우 최소 환기량 설정을 위한 투자는 어느 정도 구현 되고 있으나 과냉 현상 방지를 위한 재열은 투자가 전무한 상태이므로 과냉 현상 방지를 위한 별도의 제어가 필요하게 된다. 이로 인해 실내의 쾌적도가 떨어지지도 한다.
- VAV용 DDC는 실내 부하를 충족 시키기 위해 요구되는 풍량보다 일정량 이상 곡급 풍량이 적으면 풍량 검출기의 신호에 의해 댐퍼 조작기의 위치에 관계없이 풍량 저하 경보를 AHU용 DDC에 전송하게 된다. 이러한 현상은 AHU 급기 풍량이 너무 적을 때 나타나게 된다. 이러한 경보가 발생되는 VAV의 빈도에 따라 AHU의 급기 정압을 가변하는 것이 이 제어의 요지이다.
AHU 급기 Fan 제어
- AHU의 풍량 조절 장치는 정압 설정값에 따라 PID Loop에 의해 제어되며 Analog Output를 사용한다. 아래 그림은 AHU 제어 계통도이다. AHU 제어용 정압 검출기는 공조기 주 덕트에 설치해도 무관하다 즉, 정압 재설정 제어는 각 Zone의 현재 상태를 기준으로 정압을 재설정하는 방식이기 때문에 고정 정압 제어 방식과는 달리 제어용 정압 검출기를 반드시 분기 덕트의 말단 2/3 지점에 설치하지 않아도 큰 영향이 없다.(ASHRAE 권고안)
- 가변 풍량 제어 장치의 Analog Output 신호는 0 - 10VDC를 사용하며 헌팅 방지를 위해 비례대를 가급적 크게하므로 PID loop의 졁튜닝은 그다지 중요하지 않으며 Offset을 줄이기 위해 적분 시간을 3 - 5분(필자의 경험치에 의하면 1분 30초 - 3분 정도) 정도로 조정한다. AHU 급기 Fan은 기동시 최저 속도로 Soft 기동되며 정지시는 최저 속도로 환원된 후 정지되도록 한다.
- 각 VAV에서 수집된 정보는 AHU용 DDC의 Pooling Manager라고 하는 처리 영역에 저장되어 이곳에서 급기 정압 설정값을 변경하도록 한다. VAV용 DDC 정보는 이 영역의 Pooling List에 등록 시킨다(위치, 최대/최소/현재 풍량, 풍량 하한 경보 상태 등) AHU용 DDC는 VAV용 DDC로부터 정보를 수집하여 0 - 100%의 정압 설정 값을 계산하고 풍량 하한 경보가 발생한 Zzone의 수가 일정 개수 이상이되면 정압 설정값을 높이며 Zone이 만족되면 설정값을 감소 시킨다. PID 루프의 재설정 스케줄에 따라 정압을 재설정하는데 예를 들면 재설정 신호가 0 - 100%으로 증가 할 때 정압 설정 값이 2 - 4Inch wg로 증가 되도록 한다.
동시 Polling
- 각각의 공조기는 하나 또는 복수개의 층이나 층의 일부등 제한된 지역만 담당하게 되고 일반적으로 독립된 DDC 조절기를 가지고 있으며 자신에 종속된 VAV DDC로부터 실시간 정보를 수집한다.
- 각각의 공조기용 DDC는 주 통신선을 통하여 중앙의 Computer와 연결되며 Token-Passing 또는 Master-Slave방식에 의해 다른 공조기 또는 장치용 DDC와 정보를 공유한다.
정압 설정값 계산(ASHRAE 권고안)
- AHU용 DDC는 일정수 이상의 VAV용 DDC로부터 풍량 하한 경보를 검출 하였다면 (일반적으로 3개) 이것은 AHU 급기 정압이 너무 낮다는 의미가 되므로 매분당 설정값을 5%씩 증가 시키며 반대로 최소의 VAV용 DDC만이 저 풍량 경보 상태라면 (일반적으로 1개) 이것은 AHU의 급기 정압이 충분하다는 의미이므로 매분당 5%씩 설정값을 내려 준다. 제어에 필요한 경보 VAV 숫자나 설정 변경값 , 설정 시간등은 시스템의 특성에 따라 임의적으로 변경 할수 있다.
- AHU의 운전 정압은 가능한 낮을수록 에너지 절감측면에서 유리하다. 그러나 대부분의 빌딩 전체의 부하가 아주 낮아서 대부분의 VAV가 최소 풍량으로 운전되어도 정압이 충분한 경우도 있는데 ꏅ일 이러한 경우 VAV의 최소 풍량을 더 낮게 설정하면 AHU의 운전 정압도 이에 따라 더 낮게 조정될수 있다. 고정 정압 제어 시스템에서는 최소 급기 정압 설정값은 건물의 최대 부하시에 필요한 풍량을 공급하기에 충분한 수준이어야 하나 이러한 최대 부하는 연중 수일간에 지나지 않으므로 나머지 대부분의 기간에는 불필요한 에너지 수요가 상당히 발생하게 되는 것이다.
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