가변풍량조절기

(VAV) 기술자료

칠 원 E N G 주 식 회 사 CH ILWON ENGINEERING CO ., LTD .

서울시 서초구 서초동 1439-1 금강BD 301

TEL : 02-522-7171 FAX : 02-522-7137

= 목 차 =

1. 서 론 1

2. V.A.V. SYSTEM 의 개요 2

(1) V.A.V. U N I T 의 종 류 4

(2) V.A.V. U N I T 의 동 작 원 리 6

(3) V.A.V. S Y S T E M 의 장 점 7

3. V.A.V. SYSTEM 의 제어 8

(1) 급 기 온 도 제 어 8

(2) 댐 퍼 및 온 도 제 어 10

(3) 난 방 시 제 어 15

(4) 송 풍 기( FAN ) 제 어 16

(4-1) 송 풍 기 제 어 종 류 16

(4-2) 송 풍 기 제 어 방 법 18

(4-3) 제 어 방 법 비 교 24

4. V.A.V. SYSTEM 의 적용 25

5. V.A.V. UNIT 시공시 유의사항 29

6. 결 론 29

- 1 -

1. 서 론

최근 상업용 및 업무용 빌딩 수요의 증가와 고도 경제 성장의 결과로 많은 건물들이 대형화 및

고급화 추세로 건설되고 있다. 이로 인하여 건물의 에너지 소비가 급증하고 있으며, 특히 공조

설비의 에너지 소비량은 건물 유지 관리비의 가장 큰 비중을 차지하고 있으므로 공조 설비 성

패에 따라 거주 환경의 척도가 가늠되고 있다.

따라서 쾌적한 환경을 유지하기 위한 실내 공간의 개별 제어와 현대 건축물의 대형화 고층화에

따른 에너지 소비량의 증가에 대한 에너지 절감 대책이라는 두 가지 목적을 이루기 위하여 많

은 공조 시스템 중에서 V.A.V.시스템을 채택하고 있다.

V.A.V시스템이 조운별 부하 변동에 따른 실내 온도 제어의 편리성 및 에너지 절감 효과가 크지

만 설계. 시공. 운용의 일관성 결여로 인하여 많은 건물들이 기대치만큼의 성과를 거두고 있지

못하고 있으며 특히 제어 및 운용 미숙으로 인하여 설계 의도와는 다르게 운전됨으로써 여러

가지 문제점이 발생되고 있다.

여기서는 V.A.V.시스템의 개요, 시스템의 장.단점, 실제 운용 및 제어에 관련된 사항을 기술하여

하여 실무자들에게 도움이 되었으면 한다.

- 2 -

2. V.A.V. SYSTEM 의 개요

V.A.V.공조방식 ( Variable Air Volume System )은 공조하고자 하는 공간에 대하여 열부하의

변동에 따라서 송풍량을 조절하여 소정의 온도를 유지하는 공조 방식을 말합니다.

공기를 매체로 하여 공간의 온도를 유지하는 방법에는 기본적으로 다음 두 방식이 있습니다.

* C.A.V. SYSTEM ( 정풍량방식 )

열부하의 변동에 따라 송풍 온도를 변화시키고 송풍량을 일정하게 유지하는 방법.

* V.A.V. SYSTEM ( 가변풍량방식 )

송풍량을 변화시키고 송풍 온도를 일정하게 유지하는 방법.

V.A.V. SYSTEM의 발달 상황을 살펴보면 다음과 같습니다.

처음에는 C.A.V.(정풍량) 시스템 설계에 의하여 공사의 마지막 단계인 시스템 밸런싱시 수동으로

댐퍼를 조정하여 설계에서 요구되는 일정량의 실내 풍량을 개별적으로 조정하였습니다.

다음에는 실내 부하 변동에 대응하기 위하여 실내에 온도 센서를 부착하여 댐퍼를 조절하는데

다음과 같은 방법을 사용하였습니다.

* ON - OFF 제어

실내의 온도 조절기가 실내 온도에 따라 접점의 개폐로 댐퍼를 작동하여 풍량을 변화시키는

방식.

* TIMED (시간보상) ON/OFF 제어

위의 ON - OFF 제어 방식의 결함인 실내의 온도 편차를 줄이기 위하여 온도 조절기 내부

에 Thermal Heater를 내장하여 실내 온도 변동 폭을 감소시킨 방식.

* PROPORTIONAL (비례) 제어

조절기 내부에 온도 변화에 따른 가변 전위차계(Potentiomerter)를 내장하여 댐퍼엑튜에이터

작동을 비례적으로 제어하는 방식.

* PI (비례적분) 제어

전자 산업의 발달로 인하여 비례 제어에 첨가하여 실내 온도 변화를 시간의 함수로 적분

하여 이를 프로그램함으로써 댐퍼의 제어를 정밀하고 신속하게 하는 방법.

- 3 -

전항에서 언급한 방법을 사용하여 댐퍼를 제어하면 실내 부하량이 적을 때 댐퍼가 완전히 폐쇄

되어 설계 조건 및 운전 조건에서 요구되는 실내 최소 환기량을 확보할 수 없을 뿐 아니라 실내

부하 증가로 인하여 댐퍼가 완전히 개방되었을 때는 불필요한 과대 풍량을 급기하여 에너지를

낭비하고 시스템 송풍기 압력 조건에 영항을 주어 다른 실내로의 급기 조건을 충족시킬 수 없

게 된다.

따라서 이러한 결점을 보완하기 위하여 최대 / 최소풍량이 셋팅되고 이 범위 이내에서 실내 부

하에 따라 댐퍼를 조절하여 급기 조건을 충족시키기 위한 제어 방식의 필요성에 의하여 개발된

것이 가변풍량조절시스템( V.A.V. SYSTEM)입니다.

- 4 -

(1) V.A.V. SYSTEM 의 개요

1) V.A.V. 유니트의 기능별 분류

① Damper Type (교축형)

가장 일반적이고 널리 보편화 된 형태로써 댐퍼의 개도를 조절하여 실내 부하 조건에 따라

변동되는 설정 풍량을 제어하는 방식이다.

② By-Pass Type (바이패스형)

실내 부하 조건이 요구하는 필요한 풍량만 실내로 급기하고 나머지 풍량은 천정내로 바이패

스하여 리턴으로 순환시키는 방법이다.

따라서 엄밀한 의미에서는 V.A.V.라고 할 수 없다.

- 5 -

③ Induction Type (유인형)

실내 부하가 감소하여 1차 공기량이 실내 설정 온도점 이하부터는 2차 공기를 유인하여 실

내로 급기하는 방식이다.

④ Fan Powered Unit(팬파워 유니트)

교축형 V.A.V.에 FAN 및 필요에 따라 재열코일이 내장되어 V.A.V.로써, 겨울 난방시 실내

난방부하가 증가하여 1차 공기의 풍량이 최소 제어량인 상태에서 실내 온도가 DEAD BAND

이하로 내려가면 FAN이 작동하는 동시에 재열 코일에서 열교환 된 공기를 실내로 급기(

난방)하는 방식이다.

- 6 -

(2) V.A.V. UNIT의 동작원리

① 온도조절기(THERMOSTAT)에서 실내 온도 변화를 감지하여 CONTROLLER 에 신호를 보냄

② V.A.V. 입구측의 풍량을 FLOW SENSOR 가 감지하여 CONTROLLER 에 신호를 보냄

③ Controller는 Flow Sensor의 신호와 온도 조절기 신호를 받아 Actuator를 구동(open/close)하여

요구되는 풍량(부하 상쇄)을 유지함. (Pressure Independent 특성)

- 7 -

(3) V.A.V. SYSTEM 의 장점

V.A.V. SYSTEM 은 종래의 정풍량 덕트방식 또는 FCU에 의한 수방식에 비하여 다음과 같은

장점이 있습니다.

1) 실내의 설비 기기 점유 면적이 적어서 유효 바닥 면적을 증가 시킬 수 있다.

2) 동시 부하율을 고려하여 공조기 및 관련 설비 용량을 작게 하여 설비를 경감시킬 수 있다.

3) 실내 부하 변동에 따라서 송풍량이 감소되므로 송풍 동력비를 절감할 수 있다.

4) 각실 또는 각 조운별로 V.A.V. UNIT를 설치하여 해당 부분의 열부하에 따라서 송풍량이 조절

되므로 불필요한 에너지 사용을 억제 할 수 있다.

5) 열매체인 공기의 양을 직접 변화시키므로 부하변동에 대한 제어성이 신속하여 주거 쾌적성이

향상된다.

6) 실내 온도 조절이 용이하고 실별 제어가 가능하다.

7) 외기 냉방이 가능하고 연간 공조가 용이하다.

8) 기기 또는 필터 등이 중앙에 집중 설치되므로 보수 관리가 용이하고 고도의 공기 청정 및

소음 및 소음 처리가 용이하다.

9) 실내 칸막이 변경 또는 예기치 못했던 부하 증가시 유연성이 있다.

10) 취출구의 풍량 조정 작업이 용이하여 시운전 및 T.A.B.가 간단하다.

11) 닥트 설계와 시공이 간편하다.

- 8 -

3. V.A.V. SYSTEM의 제어

(1) 급 기 온 도 제 어

V.A.V. 시스템에서 공조기 급기 온도는 일정한 온도로써 제어하고 실내 부하 변동에 대한

적정 실온 유지는 V.A.V.유니트에서 풍량을 변화시켜 제어한다.

다만 실내 부하가 감소하여 환기횟수가 현저하게 감소하거나 최소 환기횟수를 확보하기 위

하여 V.A.V. UNIT을 최소 풍량 상태로 계속 운전할 때는 실내가 과냉되는 일이 있으므로 이

때는 송풍 온도를 재조정할 필요가 있다.

급기 온도는 시스템에서 중요한 요소이며 여기에서 일정한 온도란 연중 같은 온도(예를 들면

16℃)로써 제어하는 것이 아니고 외기 온도 조건 또는 계절별로 실내 부하 조건을 만족시킬

수 있는 온도를 일정하게 유지하는 것이다.

따라서 일반건물 공기 조화에서 대체적으로 이러한 급기 온도는 하절기에 15-18℃ 중간기

및 동절기에는 17 - 22℃가 해당되며, 동절기의 예열 (Warming-up) 운전이외의 정상 운전

시에는 실내 설정 온도보다 급기 온도를 낮게 해야 한다.

만약 실내 설정 온도보다 급기 온도가 높으면 V.A.V. 시스템 및 유니트의 냉방 특성으로 인

하여 실내 온도가 계속적으로 누적 상승되어 설정치를 넘게 되고, 또한 풍량(설정온도보다

높은 공기)이 증가하여 급기됨으로써 실내는 과열이 누적되고 에너지가 낭비된다.

( 그림 1 ) 실내 부하에 따른 급기 온도

급기 온도 제어를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

하절기 : 14 ～ 17℃

계 절 중간기 : 17 ～ 19℃

동절기 : 19 ～ 22℃

실 내 온 도 (외기온도)

급

기

온

도

- 9 -

1) 하절기 급기온도

설계시에 냉방용 풍량 및 급기 온도는 최대 부하를 기준으로 하여 결정되기 때문에 외기

온도가 그다지 높지 않은 부분 부하 시 급기 온도를 설계 조건(14 - 16℃)으로 하면 환기에

필요한 최소 풍량이 V.A.V. 유니트에 설정되어 있으므로 실내가 과냉(환기온도 하강)되는 현

상이 발생할 수 있다.

이때는 환기 온도를 감지하여 급기 설정온도를 온도를 2-3℃ 정도 놓게 재설정해야 한다.

급기 온도를 너무 상승시키면 풍량이 증가하여 송풍기 동력이 증가하므로 가능한 최소 풍

량으로써 적정 실온을 유지할수 있는 급기온도로써 제어한다.

외기 습도가 높을 때에는 냉동기( 냉수기 )의 출구 온도를 낮추고 급기 온도를 낮게 하여 냉

수 코일에서의 응측량 발생을 증가시켜 적절한 실내 습도를 유지한다.

하절기에 냉동기를 가동하여 냉수코일에서 열교환이 필요한 조건은 외기 온도상승으로 인한

실내 부하가 증가하여 100% 외기냉방으로써 실내 부하를 처리하지 못하는 경우이며 일반적

으로 외기 온도가 22 - 23℃이상이 되면 이 경우에 해당된다.

2) 중간기 급기온도

중간기에는 댐퍼 제어 ( 외기, 환기, 배기 )를 이용, 열원 없이 송풍기만 가동하여 실내 설정

온도를 유지할 수 있으며 가능한 급기 설정 온도를 낮추어 풍량을 적게 공급함으로써 송풍기

동력을 절약한다. (댐퍼제어 참고).

3) 동절기 급기온도

동절기에는 외기 온도가 하강하여 환기용 외기량으로 인하여 혼합 온도가 급기 설정 온도 보

다 낮아지면 온수 코일을 제어하여 급기 온도를 일정하게 유지하여야 한다.

따라서 온수 코일에서 열교환이 필요한 외기 온도 조건은 용도별 실내 부하에 따라 다르지만

동절기에 급기온도 20℃를 기준으로 했을때 8℃ 정도가 된다.

( 실내온도 : 23℃, 환기량 : 20% 일때

급기온도 = 혼합온도 + 송풍기 동력 = ( 23 x 0.8 ) + ( 8 x 0.2 ) = 20℃ )

또한, 배열 회수 장치가 있으면 열교환 후 외기 도입 온도가 8℃ 정도까지 Economizer

Cycle이 가능하므로 외기 온도가 상당히 저하해도 에너지 절약 운전을 할수 있다.

PC (컴퓨터) 등 OA 기기등으로 인한 실내 부하가 많으면 동절기에도 급기 온도를 낮게 유지

(18 - 20℃이하)하여 적정 실내 온도를 제어하고 실내의 열발생이 적으면 급기온도를 약간

높게 설정한다( 20 - 22℃ ).

- 10 -

(2) 댐퍼 및 온도 제어

1) 일정 외기량 제어

( 그림 2 ) 일정 외기량 제어 DIAGRAM

공조기에서 환기에 필요한 외기량을 실내에 일정하게 공급하여 실내의 공기품질 및 쾌적함을

향상시키는 동시에 불필요한 외기 도입량을 줄여 에너지 절약을 기할 수 있고 V.A.V. 시스템의

최소 풍량 조건에서도 환기 조건을 항상 충족시킬 수 있다.

이렇게 하려면 외기덕트에 풍량측정장치(FMS)를 설치하여 정상 운전시 외기도입량을 일정하게

제어해야 한다.

이러한 풍량측정장치 없이 환기에 필요한 외기 댐퍼를 임의의 최소치로 제어하게 되면 다음과

같은 현상이 발생한다.

- 운전시 댐퍼 최소개도치가 환기조건에 적당한 풍량인지 알 수도 없고 확인이 어렵다.

따라서 풍량이 많으면 외기량이 많아져서 에너지가 낭비되고 풍량이 적으면 환기가 되지

못해 문제가 발생함.

- V.A.V. 시스템의 송풍기는 부하에 따라 풍량 조절이 되므로 댐퍼 최소 개도치 상태에서

외기 도입량은 인버터 출력에 따라 많은 차이가 발생함.

- 필터의 저항 변화로 인해 풍량이 변동함.

․AI : Analog Input

․AO : Analog Output

․FMS : Flow

Measuring

Station

․DPT : Differential

Pressure

Transmitter

․DM : Damper Moter

- 11 -

( 그림 3 ) 댐퍼 및 온도 제어 DIAGRAM

START

AO1=CON1

AO2 = 0AO3 = CON3SW = 1

N

FAN STOP

AO1 = 0AO2 = 0AO3 = 0SW = 0

WARM-UPORCOOL-DOWN

AO1 = 0AO2 = CON2AO2 = CON3

OAT>MST(SST)

SW=1

OAQ>MSQ(1-a)

MAR>MST + b

OA ENTHALPY

AO1 = 100AO2 = CON2AO3 = CON3

AO1 = CON4AO2 = 0AO3 = 0

AO1 = CON4AO2 = 0AO3 = 0

(NO COOLING)(NO HEATING)

SW = 0

(COOLING)

N

N

Y

Y

Y ④ - a)

Y

HEATING

Y

Y

N

END

①

②

Y ③

④ - b)

START

AO1=CON1

AO2 = 0AO3 = CON3SW = 1

N

FAN STOP

AO1 = 0AO2 = 0AO3 = 0SW = 0

WARM-UPORCOOL-DOWN

AO1 = 0AO2 = CON2AO2 = CON3

OAT>MST(SST)OAT>MST(SST)

SW=1

OAQ>MSQ(1-a)

MAR>MST + bMAR>MST + b

OA ENTHALPY

AO1 = 100AO2 = CON2AO3 = CON3

AO1 = CON4AO2 = 0AO3 = 0

OA ENTHALPY

AO1 = 100AO2 = CON2AO3 = CON3

AO1 = CON4AO2 = 0AO3 = 0

AO1 = CON4AO2 = 0AO3 = 0

(NO COOLING)(NO HEATING)

SW = 0

(COOLING)

N

N

Y

Y

Y ④ - a)

Y

HEATING

Y

Y

N

END

①

②

Y ③

④ - b)

( 그림 4 ) 댐퍼 및 온도 제어 FLOW DIAGRAM

․AI : Analog Input

․AO : Analog Output

․TD : Temp. Detector

․HD : Humidity Detector

․FMS : Flow Measuring

․DPT : Differential

Pressure

Transmitter

AO1 : 댐퍼제어출력

AO2 : C/C 밸브제어출력

AO3 : H/C 밸브제어출력

CON1 : 외기풍량에 의한 댐퍼용

컨트롤 계산치

CON2 : 급기온도에 의한 냉수제어용

컨트롤 계산치 - DA

CON3 : 급기온도에 의한 온수제어용

컨트롤 계산치 - RA

CON4 : 환기온도에 의한 댐퍼용

컨트롤 계산치 - DA

MAT : 혼합온도

- Mixed Air Temp

MST : 혼합설정온도

- Mixed Air Setpoint Temp

OAT : 외기온도

- Outside Air Temp

OAQ : 외기량 - Outside Air Quantity

OASQ : 외기설정량 - Outside Air

Setpoint Quantity

- 12 -

2) 각 단계별 제어

그림 3은 공조기 댐퍼 및 온도 제어에 필요한 부품을 표시하였으며 그림 4는 제어 Flow

Diagram을 나타냈다.

시스템 프로그램이 입력되면 연중 적용되기 때문에 운전 시에는 필요에 따라 급기 설정 온도만

간단히 변경(재설정)시켜주면 된다.

① 송풍기 정지 ( Fan Stop)

외기와 배기 댐퍼는 닫힘(NC) 상태로 환기의 바이패스 댐퍼는 열림(ON) 상태로 설치하여

1개의 아날로그 출력으로 연동 제어 한다.

송풍기 정지 시에는 댐퍼 출력을 ″0″으로 하여 바이패스 댐퍼는 열고 외기 / 배기댐퍼는

닫음으로써 외부와 실내를 격리한다.

② 예열 ( Warm-up ) 또는 예냉 (Cool-Down)

아침 업무 시작 전에 동절기에는 실내 온도를 적정 온도 ( 설정 온도 )까지 상승시키기

위한 예열을 한다.

이때는 환기가 필요 없으므로 바이패스 댐퍼만 100% 열고 단시간 내에 예열을 하여야

송풍기 동력이 절감되므로 출구 온도 조건을 가능한 높여 운전한다.

그리고 예열 시간은 외부 온도, 실내 온도, 급기 온도에 따라 달라지므로 예전의 운전 데

이터를 참고하여 적절하게 하여야 하며, 예열시 실내 온도는 건물의 축열 효과를 고려하

여 정상적인 실내 설정 온도보다 1 - 2℃ 상승시키는 것이 좋다 (환기 온도로써 실내평균

온도를 알 수 있음 )

하절기에 예냉이 필요한 조건은 공조기 가동시 외기 엔탈피 ( 또는 온도 )가 실내 엔탈피

(온도)보다 높을 때이며, 에너지를 절약하기 위하여 실내 공기만 냉각하여 순환 시킨다.

(혹서기의 드문 경우에 해당함)

③ 외기 온도가 혼합 설정 온도 이상일 때 ( Cooling Cycle )

③ 번부터는 환기에 필요한 외기 도입을 정상적으로 하는 운전이다. 외기 엔탈피가 환기

엔탈피보다 낮을 때는 외기 댐퍼를 100%여는 동시에 환기 댐퍼가 닺히고 외기 엔탈피가

높을 때는 환기에 필요한 외기량을 공급하여 엔탈피 제어를 한다. 이때 외기의 상대 습도

가 그다지 높지 않을 경우에는 온도를 비교하여 제어하여도 엔탈피 제어와 거의 같다.

- 13 -

또한 이러한 조건에서는 기본적으로 냉동기를 가동하여 냉수 코일밸브를 제어하고, 적정

실내온도를 유지하기 위하여 급기온도를 제어하여야 한다. (급기온도 제어참조)

그러나 외기 온도 22-23℃ 이상에서 100% 외기만을 급기하고 냉동기를 가동하지 않으면

실내 부하에 의해 온도가 상승하고 송풍량이 최대로 급기되어 송풍기 동력이 증가하는

동시에 실내 온도는 계속 상승한다.

그러므로 이러한 부분 부하에서 냉동기를 가동하여 급기 온도를 제어하여야 적정한 실온

이 유지 되며 이때 송풍기는 거의 최소 풍량으로 운전되기 때문에 송풍기 동력 감소가

냉동기 부분 부하 동력을 상쇄할 수 있다.

④ 외기 온도가 혼합(또는 급기) 설정 온도 미만일 때

( 그림 5 ) 댐퍼 제어에 의한 외기 온도별 외기량

그림 5는 외기온도 변화에 따른 외기량 도입을 표시하였다.

급기온도 설정점( SST ) 과 혼합 온도 설정점( MST ) 은 프로그램에서 동일한 수치

(MST = SST)이며 효과적인 댐퍼제어를 하려면 혼합 온도 감지기는 필수적인 요소이다.

(만약 급기 온도 센서로서 제어하면 냉각 / 가열 코일 후의 온도이므로 댐퍼 제어가

불가능하며, 환기 온도는 각 V.A.V. 유니트에서 제어된 실내의 평균 온도이므로 감지

요소가 될 수 없다.)

혼합온도 감지기의 설치는 공조기 Prefilter 후에 혼합후의 평균 온도를 감지할 수 있는

곳에 설치한다.

100%

HEATING COOLING

ECONOMIZER

CYCLE

NO COOLING

NO HEATING

외기량

외기온도 MST

( SST )

MAT< MST OA 엔탈피>RA 엔탈피

환기소요량

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a 외기 냉방 ( Economizer Cycle )

외기 온도가 설정 급기 온도 ( SST )보다 낮은 조건에서 냉.난방 열원을 가동하지 않고

댐퍼 제어에 의한 외기량을 조절하여 실내 온도를 제어하는 경우이며, 외기 냉방에 해당

하고 연중 많은 기간에 걸처 이 조건이 성립한다.

냉방에 해당하고 연중 많은 기간에 걸쳐 이 조건이 성립한다.

b 난방 제어 ( Heating Cycle )

외기 온도가 하강 ( 5-8℃ 이하 ) 하면 환기에 필요한 일정 외기량 때문에 혼합 온도는

설정치 이하로 내려가게 된다. 이때는 난방 코일을 제어하여 설정된 급기 온도를 유지

하여야 한다.

Flow Diagram의 OSQ( 1-a )와 MST+b에서 a와 b는 환기 소요 외기량이 공급될때

MAT = MST가 되는 외기 온도 조건에서 댐퍼 제어 출력(AO1)이 Con1과 Con4 사이에서

Hunting을 방지하기 위한 것이며, a = 5-10%, b = 0.5-1℃ 정도로 하면 된다.

3) 기 타

① Night Purge

냉동기를 가동하는 시기에 공실 시간(야간)에 외기 엔탈피가 실내 엔탈피보다 상당히 적은

경우에 송풍기를 가동하여 100% 외기로써 실내를 냉각시키고 환기 엔탈피가 외기 엔탈피에

어느 정도 근접하면 송풍기를 정지하여 아침 초기 냉방 부하 경감시킬 수 있다.

② Night Setback

동절기에 공실 시간중 실내 온도가 어느 하한선 (Setback 온도 : 예) 12℃)이하로 내려가면

외부 ZONE 난방 시스템 ( Perimeter Heating System : 예) 팬코일, 컨백터 등)을 가동하여

실내 온도를 하한치 이상으로 유지한다.

③ Co₂센서에 의한 외기량 제어

외기 덕트 풍량 센서에 의한 정풍량의 환기 제어 대신 환기 덕트에 Co₂센서를 설치하여 외

기량 제어를 하는 것으로써 외기량 도입에 있어 Co₂농도에 의한 제어는 하한치적인 의미를

지니고 있으므로 건물 용도별 필요 기량에 관한 규격 등을 검토하여 신중히 고려해야 한다.

④ 습도 제어

환기 덕트에 설치한 습도 감지기에 의하여 가습기 출력 ( On /Off제어는 DO. PID 제어는 AO)

을 제어하여 습도를 조절한다.

이때 가습에 의한 급기 덕트에서의 응축을 방지하기 위해 출구 습도 감지기에 의하여 가습

기의 최대 출력을 제어한다.

- 15 -

(3) 난방시 제어

외부와 실내의 온도차로 인하여 유리창 및 외벽으로부터의 열손실이 발생할 때는 실내의 적정

온도 유지를 위하여 난방을 하게 되는데, V.A.V. 시스템은 냉방 전용이므로 외부 지역의 난방

시스템을 적절히 고려해야 한다.

난방 부하가 적을때는 재열 코일(온수 또는 전기) 이 부착된 V.A.V.유니트로써 해결되지만 난방

부하가 많으면 V.A.V. W/Reheat(재열코일부착형)로써는 난방 용량이 적기 때문에 팬파워 V.A.V.

유니트 ( Fan Powered V.A.V. Unit )나 별도의 난방 시스템 (팬코일 또는 컨백터 등)을 설치하

게 된다. 별도의 난방 시스템을 설치하는 경우, 냉방시에는 제어에 아무런 문제점이 없으나 난

방시 다음과 같은 사항을 고려하여 제어한다.

( 그림 6 ) 실내온도별 냉.난방 제어

V.A.V.용 온도 조절기와는 별도로 난방 기기 제어를 위한 온도 조절기가 설치될 때 난방기기

용 온도 조절기와 V.A.V.용 온도 조절기의 실내 온도 설정시 필요한 Dead band를 주어야 한

다. (그림 14참조)

만약, 온도 조절기의 설정 온도를 동일하게 하면 난방 기기에서는 가열이 되고 V.A.V.유니트를

통해서는 냉각이 되기 때문에 불필요한 에너지 낭비가 발생한다.

(V.A.V.유니트를 통한 급기 온도가 실내 온도보다 낮기 때문에 냉각 작용이 있으나 이러한 급

기 온도까지 공조기에서 가열해야 하므로 난방 열원 손실 및 V.A.V.유니트 풍량 증가로 송풍

기 동력이 상승한다.) 따라서 이러한 경우 동절기에는 난방 기기 설정 온도는 동절기 설정 온

도로 하고 V.A.V. 유니트 설정 온도는 Dead band를 고려하여 난방기 설정 온도보다 1.5 - 2℃

이상 높게한다.

그러나 팬파워 V.A.V.유니트를 사용하면 하나의 온도 조절기로서 냉방과 난방이 제어되므로

에너지 손실 요인이 없어진다.

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(4) 송풍기 (FAN) 제어

(4-1) 송풍기 제어 종류

일반적으로 송풍량 제어에는 다음과 같은 방법이 널리 상용된다.

* 송풍기의 흡입 베인 (INLET VANE) 제어

* 송풍기의 회전수 제어

* 축류 송풍기의 가변피치 제어

* 토출구 댐퍼에 의한 제어

1) 흡입베인 (INLET VANE) 에 의한 제어

송풍기의 흡입측에 방사형의 가동익을 설치하고 그 각도를 조절하여 베인 입구의 절대속

도 선회량을 변화시켜서 풍압,풍량을 가감한다.

이 방식은 다음과 같은 특징이 있다.

① 동력이 절감된다. ( 중.대형 건물에 적합 )

② 제어성에 대한 설비비가 저렴하다.

2) 송풍기의 회전수 제어

송풍기는 회전수를 변화시키면 풍량.압력.축동력이 변화한다. 즉 회전수 N1을 N2로 변화시

키면 풍량(Q), 압력(P), 축동력(L) 의 관계는 다음과 같다.

Q2 N2 P2 N2 ² L2 N2 ³

― = ― ― = ― ― = ―

Q1 N1 P1 N1 L1 N1

송풍기의 회전수를 바꾸면 특성 곡선이 변화하여 언제나 최고 효율점 부근에서 운전이 가

능하다.

이 방식의 특징은 다음과 같다.

① 대규모 설비에 있어서 많은 동력 절약이 가능하다

② 송풍기의 운전이 안정된 상태를 유지하고 소음이 적다.

③ 설비비가 약간 고가이다

3) 축류 송풍기의 가변피치 제어

축류 송풍기의 즉 주속도가 일정할 때 날개의 취부각을 변화시켜 축류속도 및 영각을 바꿔

서 압력 유량 특성을 변화시키는 것이다.

이 방식은 다음과 같은 특징이 있다.

4) 토출구 댐퍼에 의한 제어

송풍기의 토출측 댐퍼를 조절하여 풍량을 감소시키는 것으로써 특징은 다음과 같다.

① 설비비가 저렴하다.

② 특성 곡선의 극대점을 넘어서까지 풍량을 감소시키면 서어징 현상이 일어날 가능이 있다.

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풍량 제어 방식의 풍량 - 정압 곡선

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(4-2) 송풍기 제어 방법

송풍기의 풍량 제어 방법으로는 여려가지가 있으나 경제성 및 장단점을 고려하여 주로

사용하는 것은 2가지로써

첫째는 인버터(Inverter)에 의한 속도제어가 있고,

둘째는 흡입 베인( Inlet Vane )이나 가변피치(축류 송풍기에 해당)의

Actuaror를 조절하여 송풍기의 특성을 변화시키는 방법이다.

인버터나 Actuator에 대한 D.D.C. Controller 제어 출력 방법은

동일하므로 여기서는 통칭하여 인버터로 표시한다.

1) 급기용 송풍기 제어

( 그림 7 ) 급기 송풍기 제어 DIAGRAM

실내 부하 변동에 따라 V.A.V.유니트의 풍량이 조절되기 때문에 송풍기의 운전점이 변경 된다.

( 풍량 및 압력변동 ) 따라서 이러한 풍량 변화에 따른 압력 변동을 정압감지기 ( Static

Pressure Sensor )에서 측정하여 인버터의 출력을 제어함으로써 측정점의압력이 일정하게 유지

되도록 하고 부분 부하 시 풍량 감소로 인한 송풍기 동력을 절감한다.

인버터 작용시 이론적인 송풍기 소요 동력은 (풍량)³ 에 비례하지만 운전 시에는 부분 부하에

의한 송풍기 효율 저하 및 인버터 자체 손실로 인한 3-7% 정도의 손실이 발생함으로 부분 부

하시 송풍기 효율 저하를 방지하기 위해서는 송풍기 선정시 80% 정도의 풍량에서 효율이 좋

은 송풍기를 선택해야 한다.( V.A.V. 송풍기는 대부분 70-90% 부하에서 운전됨) 만약 송풍기 제

어를 하지 않고 100%로 운전하면 다음과 같은 현상이 발생한다.

-. V.A.V.유니트 전의 덕트 압력 상승으로 인하여 급기 덕트 누설량이 증가하고, V.A.V. 입출구

△P 증가로 인하여 소음 발생 우려가 있다.

-. 부분 부하시 송풍기 출구 압력 상승으로 V.A.V.시스템이 목적하는 에너지 절약 효과가 없어

진다.

-. 풍량 감소시 송풍기가 써징 영역에서 운전되어 진동 및 소음이 발생한다.

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① 정압 센서의 위치 및 설정 압력

센서의 위치를 결정하는 기본적인 요소는 실내의 부하 변동에 의한 풍량 (압력)

변화를 적절하게 평균적으로 감지할 수 있으면서 풍량 감소시 송풍기 출구 압력이

최대한 낮아질 수 있도록 송풍기에서 가능한 멀리 설치하여야 한다.

이렇게 해야 최대의 에너지 절감 효과가 있으며 송풍기 소음이 감소되고 V.A.V.유니트

입구 압력이 거의 일정하게 되어 시스템 제어성이 향상된다.

정압 센서를 송풍기 출구 덕트에 가깝게 설치하면 설정 압력은 최대 풍량을 기준

으로 하여 정해지므로 부분 부하 시에도 송풍기 제어를 하지 않는 100% 운전과 비슷한

결과를 가져온다.

따라서 주급기 덕트의 ⅔-³/₄지점에 설치하면 대체적으로 이러한 조건을 만족시킬

수 있으며, 주덕트의 말단 부위에서 평균 부하 변동 측정이 가능하면 여기에 설치

하는 것이 송풍기 소요 동력이 감소되고 안정된 운전을 할 수 있다.

일반적인 기준으로 하여 다음 3가지의 경우를 예로 표시한다.

( 그림 8 ) 5층 이상일때 정압 센서 위치(2개층전 주덕트에 설치)

- 공조기로 5층이상을 급기할때는 마지막 2개층 분기전에 설치함.

( 그림 9 ) 2-4층일때 정압센서 위치

- 2 ～ 4층을 급기할때는 전층의 분기점 후에 설치함.

( 그림 10 ) 1개층일때 정압센서 위치

1개층을 급기할때는 주덕트의 ⅔-³/₄지점에 설치함.

또한 급기용 주덕트가 2개이상이고 실내 부하 변동 조건이 다른 경우에는 각각의 덕트에

센서를 설치하고 측정점의 △P( 압력치-설정치 )가 가장 적은 것을 선택하고 이 부분의

정압이 설정치가 유지되도록 제어한다. ( 프로그램에서 처리함 )

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② 정압 센서의 설정 압력

설정 압력은 설계 풍량( 최대 풍량 )시 센서 위치에서 유지해야할 최소 압력 조건이며,

급기량이 많은 하절기 및 외기 냉방일 때는 설계 조건으로 설정하고 급기량이 적어지는

동절기 등에는 설정 압력을 조금 낮게 하여 송풍기 동력을 줄일 수 있다.

일반 사무용 건물의 적정 센서 위치에서 설정 압력은 10-20 mmAq 정도이므로 DPT (정

압센서) 선택 시 너무 큰 범위의 것을 사용하지 말고 0-50 mmAq 이내 범위정도의 것을

사용하여 오차의 범위를 줄이는 것이 좋다.

( 그림 11 ) 설정 압력에 따른 송풍기 운전 곡선

압력 설정치 A의 ①곡선과 이보다 압력 설정이 큰 B의 ②번 곡선을 비교해 보기로 한다.

그림에서 ②번 시스템 곡선은 ①번 시스템 곡선보다 압력 설정치가 놓은 경우이며, 설계

점 이외에서 항상 ②번 곡선이 ①번 곡선보다 동력 소모가 많으므로 설정 압력을 최대한

낮추어야 하고 V.A.V.유니트의 최소 요구 정압이 낮은 것을 사용하여야 에너지 절약을 기

할 수 있다.

풍량을 속도로써 직접 감지하는 전자식 V.A.V.유니트는 적은 풍량도 압력과는 상관없이

제어가 가능하며 정압 손실이 필요치 않으므로 별도로 압력 손실을 고려할 필요가 없다.

V.A.V. 시스템에서 필수적인 송풍기 제어시 모든 V.A.V. 유니트가 필요 최저 정압을 확보

할 수 있도록 송풍기 제어를 하여야 하는데 V.A.V. 유니트 자체의 압력 손실이 높은 제품을

사용하면 이에 해당하는 만큼 압력 설정치를 높여야 하므로 불필요한 송풍기 동력이 상

승되고, 또한 송풍기 용량 선정시 이러한 자체 압력 손실 때문에 풍량이 큰 송풍기를 사

용해야 하므로 투자비도 상승하게 된다.

곡선 ① : 압력 설정치 A의 시스템

곡선 ② : 압력 설정치 B의 시스템

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2) 환기용 송풍기 제어

① 일정풍량차(급기량-환기량)에 의한 제어

( 그림 12 ) 환기용 송풍기 제어 DIAGRAM

급기와 환기 덕트에 설치된 속도센서에 의한 풍량을 감지 비교하여 환기팬의 출력을 제

어함으로써, 항상 급기팬과 환기팬의 풍량차이를 일정하게 유지하고 부분부하에서 동력을

감소시킨다.

따라서 급기팬의 풍량 변화에 따라 실내압이 변동(가압 또는 부압)되는 일이 없으며 풍량으

로써 제어하기 때문에 어떠한 조건에서도 확실하게 제어하는 방법이다.

(Warm-Up/Cool-Down시에 환기량이 급기량보다 적으면 실내의 부압 발생 및 덕트에서의 부

압이 과도하게 형성되므로 이때는 변수인 풍량차 (급기량-환기량) 의 설정치를 ″0″으로

하고 급기팬의 출력이 환기팬의 최대 풍량을 넘지 않도록 최대치를 설정하여 준다.)

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② 컨트롤러의 제어출력을 급기팬과 연동

( 그림 13 ) 급기팬과 환기팬의 출력 연동제어

하나의 제어 출력(AO)으로 급기와 환기팬을 연동시킨 경우로써 다음과 같은 문제점이 있다.

( 예 : 설계급기량 - 20,000 CMH , 환기량 - 17,000 CMH 인 경우 )

- 급기량 - 20,000 CMH , 환기량 - 17,000 CMH의 조정이 어려움.

댐퍼(RA, OA, EA댐퍼)의 위치에 따라 덕트 압력 조건이 달라져 송풍기의 풍량이 변동되기

때문에 정확한 설계 풍량 조정이 어렵다.

- 최대 풍량으로 송풍기가 조정됐을 경우, 부분 부하일때 실내에 부압이 형성됨으로 외기 침입

이 발생하고 피트, 계단 등을 통한 거센 기류 발생이 일어난다.

예) 조절기의 출력이 60% 일때,

Q ( 급기량 - 환기량 ) = (20,000 - 17,000) x 0.6 = 1,800CMH 이므로 설계조건의 3000CMH

보다 1,200CMH 가 부족하므로 이에 해당하는 만큼 부압이 형성됨.

- 공조기의 필터는 시간에 따라 압력 손실이 달라지므로 동일 제어 출력에서 급기팬과 환기팬

의 풍량이 압력조건에 따라 서로 다르게 변동함.

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③ 차압 (실내압과 대기압)에 의한 제어

( 그림 14 ) 차압 제어 DIAGRAM

실내압과 대기압을 측정, 비교하여 제어하는 방법으로 다음과 같은 어려움이 있다.

- 실내의 평균 정압을 감지할 수 있는 장소의 선택이 어려움.

- 대기압 측정시 건물 주위의 기류 변동으로 인하여 안정된 측정이 어려움.

- 대기압과 실내압의 차이가 적으므로 이 미세한 차이로 인하여 압력 측정시 편차가 많이 발

생하여 제어가 어려움.

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(4-3) 제어 방법 비교

송풍기 풍량 조절 방식에 따른 소요 동력은 일반적으로 다음 그래프와 같다.

에너지절약효과

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4. V.A.V. SYSTEM 의 적용

실제로 H.V.A.C. SYSTEM 에 V.A.V.방식을 적용하는 대표적인 방법은 아래와 같다.

․냉방 V.A.V. UNIT + 냉.난방 FAN POWERED V.A.V. UNIT

․냉방 FAN POWERED V.A.V. UNIT + 냉.난방 FAN POWERED V.A.V. UNIT

․냉방 V.A.V. UNIT + 난방 FCU 또는 방열기

(1) 냉방 V.A.V. UNIT + 냉.난방 FAN POWERED V.A.V. UNIT

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(2) 냉방 FAN POWERED V.A.V. UNIT + 난방 FAN POWERED V.A.V. UNIT

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(3) 냉방 V.A.V. UNIT + 난방 F.C.U. 또는 방열기

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5. V.A.V. UNITS 시공시 유의사항

(1) 풍 량 선 정 : V.A.V. 입구 유속은 7 - 9 m/s 범위내에서 선정토록 한다.

(2) 전 원 공 급 : V.A.V. UNIT 개별 TRANSFOMER를 설치하여 전압 강하로 인한 오동작을

줄이고 1개의 유니트 단락시 다른 유니트의 소손을 방지토록 한다.

(3) 닥 트 연 결 : V.A.V. 입구측 연결 닥트는 입구경 3배 이상 길이의 직선 닥트로 연결한다.

(4) 온도 조절기 : 실내 벽체 1.5m 높이에 설치하여 설치 위치는 출입문 주위 및 외주부 부하

의 영향을 직접 받는 곳은 피하도록 한다.

6. 결 론

공조기 제어에 필요한 기본적 Control Dirgram을 참고로 그림 15 에 표시하였다. D.D.C.( Direct

Digital Control ) 시스템을 구성하는 자동제어 부품( Sensor, Controller, Controlled Device)과 기본

적 Software등은 산업의 발달로 대부분의 제품이 수요자의 요구를 충족시킬 수 있는 좋은 성능

을 지니고 있으므로 이를 적절히 활용할 수 있는 시스템 제어의 경험 및 프로그램이 상당히 중요

한 의미를 지닌다.

따라서 시스템 프로그램에 따라 설비 운용의 성공여부가 결정될 수 있으므로 용도별 시스템에

서 요구되는 적절한 제어와 프로그램 운용에 관심을 기울여야 할 것으로 생각한다.