[논문]VAV 터미널 박스의 최소풍량 제어방식 비교 연구

조영흠; 강수현; 성윤복

doi:10.7836/kses.2012.32.4.096

VAV 터미널 박스의 최소풍량 제어방식 비교 연구
A Study on the Comparison Analysis of Minimum Airflow Control Logic of VAV Terminal Box 원문보기

한국태양에너지학회 논문집 = Journal of the Korean Solar Energy Society, v.32 no.4, 2012년, pp.96 - 102

조영흠 (금오공과대학교 대학원 건축학부) , 강수현 (금오공과대학교 건축학부) , 성윤복 (한국건설교통기술평가원)

Abstract ▼ AI-Helper

The minimum airflow of VAV terminal boxes is a key factor for comfort, indoor air quality(IAQ) and energy cost. If the minimum airflow is not reasonable, it would waste energy and make IAQ problems. There are two types of VAV terminal box control logic. One is the single maximum, another is the dual maximum control logic. Dual maximum control logic is more efficiency way to reduce the energy consumption. It has a minimum airflow set point and a heating maximum set point. It allows the minimum airflow set point to be much lower than single maximum control logic. A building simulation was conducted to evaluate the energy consumption and the IAQ according to the control logic of the V AV terminal box. In the simulation, dual maximum control logic can save the energy up to 6.5% compared to the single maximum control logic.

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

Single Maximum Control Logic의 경우는 최소풍량을 일반적으로 가장 많이 사용하고 있는 냉방시 최대풍량의 30%를 적용하였으며, Dual Maximum Control Logic의 경우는 ASHRAE Standard 90.1을 기준으로 최소풍량과 Heating Maximum을 결정하였다. 시뮬레이션 기간은 1년이며, 존의 부하는 15분의 Time step으로 계산되었다.
VAV 터미널 박스의 제어 방법에 따른 건물의 에너지 및 열환경 성능을 분석하기 위하여 두 가지 터미널 박스 컨트롤 로직에 대하여 시뮬레이션을 수행하였다.
VAV 터미널 박스의 컨트롤 로직을 적용하여 최소풍량의 변화에 따른 에너지 및 열환경, 실내 공기질 분석을 하였으며 본 연구의 결론은 다음과 같다.
대상 건물의 모델링은 Google SketchUp의 OpenStudio 를 사용하여 1개의 존을 모델링하였으며, 이후 EnergyPlus로 연계하여 세부 데이터를 입력하여 시뮬레이션을 수행하였다. 모델링에 사용된 실은 하나의 존으로 구성되어 있으며 북측면만 외기에 노출된 구조이다.
적용된 열원 설비는 보일러 용량 3400W, 냉동기 1200W를 적용하였으며, 공조 설비는 싱글 덕트 VAV 시스템을 적용하였다. 설비시스템은 HVAC Templates의 VAV 관련 항목을 이용하여 작성하였으며, 이후 expidf파일을 이용하여 각각의 세부적인 항목을 적용하였다.
실내 공기질 분석은 오염물질에 따라서 여러 가지 요소가 있을 수 있으나, 본 연구에서는 실내 이산화탄소(CO2)농도를 분석하여 실내 공기질을 판단 하였다. 실내 이산화탄소(CO2)발생량 기준은 사무용 건물의 경우 1000ppm으로 규정하고 있다.
실의 열환경을 분석하기 위하여 실의 설정 온도를 만족하지 못하는 시간을 분석하였다. 실의 설정온도는 연간 24℃이며, 제어 편차는 0.
이에 본 연구에서는 VAV 터미널 박스의 댐퍼 컨트롤 로직을 변화시키며 건물에너지 소비량 및 실내 열환경을 분석하였으며, 분석 프로그램은 동적 에너지 해석 프로그램인 Energy Plus를 사용하였다.

대상 데이터

VAV 터미널 박스의 최소풍량을 비교 분석하기 위한 대상건물은 미국 Nebraska주 Omaha 지역의 사무용건물을 선정하였으며, 시뮬레이션은 하나의 실에 대하여 수행하였다. 실의 개요는 Table 1과 같다.
기상데이터는 에너지 분석에 있어서 가장 큰 오차를 발생시킬 수 있기 때문에 실제 지역의 기상데이터를 사용하는 것이 중요하다. 따라서, 건물이 실제 위치한 곳인 미국 Nebraska주의 Omaha 지역의 기상데이터를 사용하였다.
대상 건물의 모델링은 Google SketchUp의 OpenStudio 를 사용하여 1개의 존을 모델링하였으며, 이후 EnergyPlus로 연계하여 세부 데이터를 입력하여 시뮬레이션을 수행하였다. 모델링에 사용된 실은 하나의 존으로 구성되어 있으며 북측면만 외기에 노출된 구조이다. Table 2는 각 벽체의 구성요소와 물성치를 나타내고 있다.
1을 기준으로 최소풍량과 Heating Maximum을 결정하였다. 시뮬레이션 기간은 1년이며, 존의 부하는 15분의 Time step으로 계산되었다. Table 3은 CASE에 따른 컨트롤 로직과 최소풍량을 나타낸다.
적용된 시스템은 재열코일이 있는 Throttling VAV Terminal Unit이며 Fig. 3과 같이 재열코일, 댐퍼, 컨트롤러 등으로 이루어져 있다.
적용된 열원 설비는 보일러 용량 3400W, 냉동기 1200W를 적용하였으며, 공조 설비는 싱글 덕트 VAV 시스템을 적용하였다. 설비시스템은 HVAC Templates의 VAV 관련 항목을 이용하여 작성하였으며, 이후 expidf파일을 이용하여 각각의 세부적인 항목을 적용하였다.

성능/효과

(1) 기존의 Single Maximum 컨트롤 로직과 Dual Maximum 컨트롤 로직의 에너지성능 분석 결과, 터미널 박스의 최소풍량을 더 낮출 수 있는 Dual Maximum 컨트롤 로직에서 팬의 전력 및 재열코일의 에너지 소비량이 감소하는 것을 알 수 있다.
(3) 공조기 내의 쿨링코일의 경우 최소풍량 감소에 의하여 에너지 소비량이 감소함을 알 수 있다.
(4) VAV 터미널 박스에 Dual Maximum 컨트롤 로직을 적용하였을 경우 실내 열환경 및 실내 공기질 기준을 모두 만족 하였다. 따라서, 존의 부하와 최소 환기량에 맞는 최소풍량과 Heating Maximum을 결정하여 Dual Maximum 컨트롤 로직을 적용한다면 효과적으로 에너지를 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
VAV 터미널 박스의 컨트롤 로직을 Dual Maximum Control Logic을 적용 하였을 때 팬의 전기 소비량은 Single Maximum Control Logic을 적용 하였을 때 보다 연간 약 35.6MJ이 감소하였으며, 4.8%의 전기 소비량 감소를 보였다. 이는 터미널 박스에서의 최소풍량이 감소함에 따라 그에 상응하는 팬의 소비전력이 감소한 것으로 판단된다.
실내 열환경 분석결과 CASE 1과 CASE 2의 경우 모두 시뮬레이션 기간동안 냉·난방 설정온도를 만족하는 것으로 나타났다.
재열코일 에너지 소비량과 공조기의 Heating coil의 에너지 소비량을 고려한 전체 보일러 가스 소비량은 CASE 1과 비교하여 CASE 2에서 1776MJ이 감소하였으며, 약 13.5%가 감소하였다.
Table 4는 CASE별 각 기기의 에너지 소비량을 나타낸 것이다. 전체 존의 에너지 소비량은 Single Maximum 컨트롤 로직을 적용한 CASE 1에서 25554.5MJ, Dual Maximum 컨트롤 로직을 적용한 CASE 2에서 23884.5MJ로 약 6.5%의 감소율을 나타내었다.
터미널 박스의 재열 코일 에너지 또한 최소 풍량이 감소하면서 약 2556.9MJ의 에너지가 감소하였으며 24%의 감소율을 나타내었다.

후속연구

(4) VAV 터미널 박스에 Dual Maximum 컨트롤 로직을 적용하였을 경우 실내 열환경 및 실내 공기질 기준을 모두 만족 하였다. 따라서, 존의 부하와 최소 환기량에 맞는 최소풍량과 Heating Maximum을 결정하여 Dual Maximum 컨트롤 로직을 적용한다면 효과적으로 에너지를 절감할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	VAV(Variable Air Volume)시스템은 어떠한 장점이 있는가?	이에 따라 건물의 에너지 절감을 위하여 다양한 노력들이 이어지고 있다. 그 중 VAV(Variable Air Volume)시스템은 에너지 절약적 측면과 공조기기의 용량을 최소화 할 수 있다는 장점을 가지고 많은 건물에 적용 되어 왔다. VAV시스템 중 터미널 박스의 최소풍량은 실의 쾌적과 에너지면에서 큰 영향을 미치는 요소라고 할 수 있다.
	온실가스 감축을 위해선 무엇이 중요한가?	최근 전 세계는 기후변화의 주범인 온실가스 감축을 위한 노력에 매진하고 있다. 온실가스 감축을 위해서는 산업 전반에 걸쳐 수송 부분과 함께 건물에서의 에너지 절약이 중요하다. 특히 건물부분은 전체 에너지 소비량의 20%이상을 차지하고 있어 에너지 다소비 산업이라 할 수 있다.
	터미널 박스의 최소풍량을 제어하는 방법 중 Dual Maximum Control Logic은 어떠한 장점이 있는가?	이러한 터미널 박스의 최소풍량을 제어하는 방법은 댐퍼의 제어에 따라 크게 Single Maximum Control Logic과 Dual Maximum Control Logic으로 나눌 수 있다. Dual Maximum Control Logic의 경우는 Single Maximum Control Logic보다 낮은 최소풍량 설정이 가능해 에너지 절약적 측면에서 이점이 있다. 그러나 너무 낮은 최소풍량의 설정은 성층화 현상, 환기 부족 등 실의 쾌적에 문제를 일으킬 수 있다.

참고문헌 (12)

ASHRAE, 2001, Thermal Comfort, ASHRAE Fundamentals Handbook, Ch.8
ASHRAE, 2004, ASHRAE Standard 55-2004, Thermal environmental conditions for human occupancy
ASHRAE, 2004, ASHRAE standard 62-2004, Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality(IAQ)
ASHRAE, 2001, ASHRAE Fundamentals Handbook, Ch. 45
Cho, Y.H.,and M. Liu.,2009, Minimum Airflow Reset of Single Duct VAV Terminal Boxes, Building and Environment, v.44 n.9, pp.1876-1885

상세보기
Cho, Y.H., and M. Liu., 2010, Application of terminal box optimization of single-duct air-handling units, International Journal of Energy Research, v.34 n.1, pp.54-66

상세보기
Chen, S. and S. Demster,1996, Variable Air Volume Systems for Environmental Quality, McGraw-Hill
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Lee, H., Choi, B.J., and Kim, Y.S., 1997, A Study on the Optimum Supply Air Volume for Energy Conservationin VAV System Zoning, Proceeding of Autumn Annual Conference of the Architecture Institute of Korea(Planning & Design), v.17 n.6, pp.831-838
Kang, S.H.,Yu, S.W., and Cho, Y.H., 2011, The Analysis of Energy Performance and Thermal Comfort for the Dual Maximum Control Logicatthe VAV Terminal Box, Proceeding of Autumn Annual Conference of Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building System, pp.105-108
Office Occupancy, Schedule for Occupancy, User's Manual for ANSI/ASHRAE/IESNA Standard90.1-2004
Seo, J.U., and Huh, J.H, 2002, Energy Performance Analysis through Supply Fan's Control Strategies for the VAV System in the Cooling Season, Proceedings of the SAREK 2002 Winter Annual Conference, pp.419-424

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