[논문]변풍량 유닛 시스템의 최소풍량 제어

유병호; 이광호

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문제 정의

따라서 본 고는 변풍량 유닛 시스템의 기본원리에 대한 이해 그리고 이를 바탕으로한 에너지 절감, 쾌적한 실내 열환경 및 실내공기질 유지에 대한 올바른 설계 및 운용의 이해를 도모함으로써 변풍량 유닛 시스템의 효율성을 높이는데 도움이 되고자 구성되었다. 또한 이를 위해 적정 최소 풍량 제어의 중요성, 풍량 설정의 고려 요소, 간단한 예시를 통한 변풍량 유닛 시스템의 제어 방법 등에 대하여 논하였다.
따라서 본 고는 변풍량 유닛 시스템의 기본원리에 대한 이해 그리고 이를 바탕으로한 에너지 절감, 쾌적한 실내 열환경 및 실내공기질 유지에 대한 올바른 설계 및 운용의 이해를 도모함으로써 변풍량 유닛 시스템의 효율성을 높이는데 도움이 되고자 구성되었다. 또한 이를 위해 적정 최소 풍량 제어의 중요성, 풍량 설정의 고려 요소, 간단한 예시를 통한 변풍량 유닛 시스템의 제어 방법 등에 대하여 논하였다.
제어된 실은 냉·난방 설정온도, 설정 이산화탄소의 농도를 만족하는 등 모든 조건에서의 쾌적을 목표로 한다.

제안 방법

이를 산정하기 위해서는 현 실내 오염 정도를 측정해야 하며, 이에 재실자의 수 등 추가 오염 정도를 예측하여 적용하여야 한다. 또한, 도입 외기의 오염 정도를 측정하여 1차 계산 결과인 변풍량 터미널 박스의 공급 풍량(최소 외기 도입량)을 결정한다.

성능/효과

(2) 실내공기질 : 현대의 건축물은 에너지 절감 및 열쾌적성을 목적으로 건축물의 기밀성이 증대되었다. 이로 인하여 쾌적한 실내공기질을 위한 환기가 요구되며, 신선한 외기의 도입 또한 요구된다.
(3) 실내 온도의 성층화 : 실내의 열쾌적 달성은 온열지표만으로 만족되는 것이 아니며, 실내 온도의 성층화 여부 및 정도 또한 포함된다. ASHRAE Standard 55에 따르면 발목 높이(0.
⁷⁾ 그림 4는 변풍량 유닛 시스템에 대한 최소 풍량의 영향을 분석한 선행연구⁷⁾의 결과로, 변풍량 터미널 박스의 최소 풍량을 변수로 하여 최대 풍량의 10%, 20%, 30%의 경우를 분석하였다. 그 결과 그림 4(a)와 같이 최소 풍량을 적게 설정할수록 변풍량 터미널 박스의 재열 코일에서 소비되는 월별 에너지가 현저히 감소되는 패턴을 보이며, 그림 4 (b)와 같이 변풍량 유닛 시스템의 에너지 사용량은 최소 풍량이 가장 낮게 설정된 10%의 경우에서 가장 많은 절감량을 보였다.⁷⁾ 이는 변풍량 유닛 시스템에 의하여 각 실이 냉·난방 설정온도를 만족했다고 하여도 설정된 최소 풍량에 의하여 환기를 위한 공급 풍량이 지속적으로 공급되기 때문이며, 이 과정에서 불필요한 재열 에너지가 낭비될 수 있다.
Case1 부터 차례로 최소 풍량 10~40%의 값을 설정하여 진행하였으며, 그 결과 그림 5 (a)와 같이 Case1 즉, 최소 풍량이 가장 적은 경우가 보일러의 에너지 소비량에 있어 가장 적은 값을 나타냈다. 하지만 Case1은 그림 5 (b)의 월별 설정온도 불만족 발생 시간에서 가장 많은 불만족 시간이 발생하였으며, 주로 난방기간 동안 설정온도에 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이는 난방 시 공급되는 최소 풍량이 적어질 수록 실의 난방부하에 대응하는데 많은 시간이 필요하기 때문이며^,5) 공급 풍량을 최소 풍량으로 고정한 채로 취출 온도만 제어하는 일변수 제어 로직의 한계로 생각한다.
1) 이와 맞물려 고안된 햄박스(HAM Box)는 실내부하변동에 따라 급기 풍량을 직관적으로 감소시킬 수 있다는 개념에서 적용되기 시작된 후 변풍량 유닛 시스템(Variable Air Volume Unit System, VAV Unit System)으로 꾸준히 보완 발전되었다.²⁾
1 기준에서는 변풍량 유닛 시스템의 최소 풍량을 일반적으로 최대 풍량의 30%로 채택하여 적용하고 있다.⁴⁾ 하지만 별도의 고려 없이 일괄적으로 적용된 최소 풍량과 변풍량 유닛 시스템에 대한 이해의 부족으로 인한 잘못된 설계 및 운전은 에너지의 낭비뿐만 아니라 실내 환경에도 부정적인 영향을 미칠 수 있다.⁵⁾
따라서 기존 건축물에서 과다 설정된 최소 풍량을 각 실의 부하에 상응하도록 재설정하는 것만으로도 연간 상당량의 난방 에너지를 절감할 수 있다.⁸⁾ 즉, 30%의 최소 풍량을 10%로 감소시키는 경우 변풍량 터미널 박스의 재열코일에서 소비되는 난방 에너지의 상당한 절감이 가능하다.⁷⁾ 또한, 이변수 제어 로직을 사용할 때 난방의 최대 풍량 설정이 가능하며, 일변수 제어 로직보다 최소 풍량을 더 적게 설정할 수 있다는 장점이 있다.
따라서 일변수 제어 로직보다 낮은 최소 풍량을 적용한 이변수 제어 로직을 사용한 경우 상당한 에너지의 절감이 가능하다.⁹⁾ 이처럼 적정한 최소 풍량의 설정은 에너지 절감에 기여할 수 있으며, 반대로 부적정한 설정 시 불필요한 에너지의 낭비를 야기할 수 있다.
그림 9는 변풍량 유닛 시스템의 풍량 및 취출 온도 제어를 위한 간단한 알고리즘의 예시이다. 이를 위한 변풍량 유닛 시스템의 제어 로직으로는 공급 풍량과 취출 온도 모두 제어가 가능한 이변수 제어 로직이 적합할 것으로 보인다. 해당 예시에서는 실시간 제어를 기반으로 하며 최소 풍량은 0 ㎥/s이 된다.

후속연구

또한, 성층화 현상의 발생 시 공급 풍량을 증가시키는 것이 타당하며, 이 과정에서 취출 온도는 감소하게 된다. 따라서 이러한 과정을 통한 제어는 실내의 쾌적성 유지가 가능하며, 쾌적성 유지를 위한 최소 풍량만을 사용함으로써 변풍량 유닛 시스템에서 사용되는 에너지 사용량의 절감이 가능할 것으로 예상된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

정풍량 유닛 시스템의 역할은?

변풍량 유닛 시스템은 급기 온도를 변화시키고 송풍량을 일정하게 유지하는 정풍량 유닛 시스템(Constant Air Volume Unit System, CAV Unit System)과는 달리 급기 온도를 고정하고 송풍량을 변화시켜 실내의 부하를 제거하는 방식으로 순간부하에 대처하여 쾌적한 환경을 만들 수 있으며, 동시 부하율을 고려하여 설계함으로써 공조시스템의 설비용량을 줄여 설비와 운전면에서 많은 비용을 절감할 수 있다.3)

햄박스는 어떻게 발전해왔는가?

1973년 제1차 석유 파동과 함께 에너지에 대한 경각심, 대체 연료에 대한 관심이 증가하였고, 에너지 절약을 위한 각종 정책이 시행되었다.1) 이와 맞물려 고안된 햄박스(HAM Box)는 실내부하변동에 따라 급기 풍량을 직관적으로 감소시킬 수 있다는 개념에서 적용되기 시작된 후 변풍량 유닛 시스템(Variable Air Volume Unit System, VAV Unit System)으로 꾸준히 보완 발전되었다.2)

변풍량 유닛 시스템에서 불필요한 재열 에너지를 줄이기 위해 어떻게 해야하는가?

7) 이는 변풍량 유닛 시스템에 의하여 각 실이 냉·난방 설정온도를 만족했다고 하여도 설정된 최소 풍량에 의하여 환기를 위한 공급 풍량이 지속적으로 공급되기 때문이며, 이 과정에서 불필요한 재열 에너지가 낭비될 수 있다. 따라서 기존 건축물에서 과다 설정된 최소 풍량을 각 실의 부하에 상응하도록 재설정하는 것만으로도 연간 상당량의 난방 에너지를 절감할 수 있다.8) 즉, 30%의 최소 풍량을 10%로 감소시키는 경우 변풍량 터미널 박스의 재열코일에서 소비되는 난방 에너지의 상당한 절감이 가능하다.

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