서 론

국내 전체 에너지 소비량에서 건물부분이 차지하는 비중은 25% 이상이며, 중·대형 건물에서의 에너지 소비가 계속 증가하고 있는 실정이다. 이에 따라 에너지의 효율적인 사용 및 절감을 이루기 위해서는 건물 설비 시스템의 효율적인 운영이 이루어져야한다.

HVAC (Heating, Ventilation and Air Conditioning) 시스템은 일반적으로 열쾌적성, 실내 공기질 제어를 위해 실내에서 원하는 환경 조건을 유지하도록 설계 및 운영된다. 그 중 변풍량 시스템은 정풍량 시스템에 비해 열쾌적성을 보다 효과적으로 만족시키고 에너지 사용량을 줄일 수 있다(Zhang, 2014).

변풍량 시스템은 에너지 절약에 대한 관심이 고조되면서, 대형건물에서 많이 채택되고 있고, 효율적 운영을 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다. 국내의 경우 ‘녹색건축물 조성 지원법‘에서 연면적 500 m² 이상인 건축물을 대상으로 건축물 에너지 절약계획서를 제출 할 것을 법으로 명시하였고, 에너지 절약계획서의 평가 항목 중 변풍량 시스템의 설치 유무에 대하여 평가하도록 되어 있다(김효준, 2015).

변풍량 시스템의 제어를 위해서는 각 존별 설치된 터미널 유닛의 제어가 필수적이다. 일반적인 변풍량 시스템의 터미널 유닛은 피크부하를 바탕으로 최소풍량과 최대풍량을 설정하여 제어한다. 이 중 변풍량 터미널 유닛의 최소풍량은 실내 공기질 및 에너지 소비량과 밀접한 관계가 있다. 최소풍량이 낮게 설정되면 실내 공기질의 문제가 발생하고, 최소풍량이 높게 설정되면 과도한 풍량 공급으로 인한 에너지 낭비의 문제가 발생한다. 하지만 기존의 변풍량 터미널 유닛의 최소풍량은 여름철 냉방 시 최대풍량의 30% 정도로 고정하여 사용한다. 고정된 최소풍량은 재실인원이 없을 경우 에너지가 낭비되고, 재실인원이 증가할 경우 실내 공기질의 문제가 발생할 수 도 있다(Cho, 2009).

따라서 본 연구에서는 다수의 터미널 유닛을 제어하는 변풍량 시스템에 대하여 실내 부하에 따른 유동적인 터미널 유닛 제어 방안을 바탕으로 실내 공기질을 제어하기 위한 실내 환기량을 공급하는 멀티존의 변풍량 터미널 유닛의 제어방안을 제안하였다. 또한 제안된 제어방안을 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 기존 제어 방안과 열쾌적, 실내 공기질, 에너지 소비량을 각각 비교 분석, 평가하는 것을 목표로 한다.

변풍량 시스템 모델링

건물 모델링

멀티존의 변풍량 시스템의 최소풍량 산정을 위한 시뮬레이션 프로그램은 TRNSYS 17을 사용하였다. TRNSYS는 건물 상세 해석 프로그램으로서 사용자가 컴포넌트(Component)들을 서로 연결하여 시뮬레이션을 수행하게 된다.

건물의 모델링은 Figure 1과 같이 Google Sketch Up 프로그램을 통하여 대상건물을 모델링 하였고, 건물의 상세정보는 TRNBuild를 통하여 입력하였다. 건물의 HVAC 시스템은 TRNSYS의 Simulation studio를 통하여 모델링하였다.

Figure 1.

Building modeling using Google Sketch-Up

멀티존의 변풍량 터미널 유닛 시스템의 선정을 위한 대상건물은 연간 실내부하의 패턴이 일정하게 나타나는 사무실 용도의 건물을 선정하였다. 대상건물은 미국 네브라스카주 오마하에 위치하였으며, 재실자가 거주하는 8개의 대상공간을 제어하는 공조기 한 대를 선정하였다. 대상공간은 사무용 공간으로 사용되고 있으며, 단일덕트 변풍량 시스템이 설치되어 운영되고 있다. 변풍량 시스템은 연중 24시간 운영을 하고 있으며, 실의 설정온도는 24°C를 유지하도록 되어 있다. Table 1은 대상건물의 기본 정보를 나타내며, Figure 2는 시뮬레이션 스케쥴을 나타낸다.

Table 1. Simulation conditions

Figure 2.

Simulation Schedule

시스템 모델링

대상 공간의 공조 시스템은 단일 덕트 변풍량 시스템이며, Figure 3는 단일 덕트 변풍량 터미널 유닛 시스템의 개략도를 나타내고 있다. 각 존별 터미널 유닛에서 필요 풍량을 산정 하여 공조기의 풍량을 산정하여 공급 팬을 제어하고, 각 존별 필요 풍량에 대하여 터미널 유닛의 댐퍼를 제어하게 된다. 실내 온도가 설정온도 이하로 내려갈 경우 터미널 유닛은 난방모드로 변환되어 재열코일이 작동한다. 존에서 환기되는 풍량은 컨트롤러에서 외기도입량을 산정한 뒤 전체 풍량에서 외기도입량의 차 만큼을 리턴풍량으로 사용하며, 남은 풍량에 대해서는 배기시킨다.

Figure 3.

Schematic diagram of Single duct VAV system

변풍량 터미널 유닛 최소풍량

변풍량 터미널 유닛의 선정과 제어는 HVAC에서의 에너지 사용과 실내 쾌적에 상당한 영향을 미치게 된다. 재열코일이 설치된 단일덕트 변풍량 터미널 유닛 시스템은 컨트롤러, 온도센서, 엑츄레이터, 댐퍼, 재열코일과 풍량센서로 이루어져 있다. 실내의 온도 변화에 따라 풍량센서는 터미널 유닛의 최소풍량과 최대풍량의 범위 이내에서 요구 유량을 만족하기 위해 댐퍼를 제어한다. 터미널 유닛의 풍량이 최소풍량에 도달하고 방의 난방부하가 클 경우, 실내의 쾌적한 온도 유지를 위하여 공급 풍량의 온도를 높이기 위해 재열 코일이 작동한다.

California Title 24와 ASHRAE Standard 90.1에서는 재열코일이 설치된 변풍량 터미널 유닛의 최소풍량은 다음 중 가장 큰 값을 선정하며, 일반적으로 가장 많이 사용되는 것은 최대 풍량의 30%로 설정하는 것이다.

① 최대 풍량의 30%

② 120 LPM/m² × 바닥면적

③ 142 L/s

국내의 경우 터미널 유닛의 최소풍량 산정에 관하여 대한 설비공학회의 설비공학편람에서 제시하고 있으며, 터미널 유닛 최대풍량의 40∼50%의 값을 최소풍량으로 선정한다.

국내의 최소풍량 산정 기준의 경우 미국의 ASHRAE에서 제시하는 최소풍량 산정방안 보다 약 10∼20% 크게 선정된다. 기존에 사용되고 있는 고정된 최소풍량은 재실자의 불쾌적을 야기시키고, 에너지 낭비를 유발할 수 있는 제어 방안이다. 실내 부하를 만족하는 것 보다 높은 최소풍량은 공조기를 통해 냉각된 공기를 불필요하게 재가열하게 되어 공조기는 필요 이상의 팬 에너지를 소비하게 된다.

난방부하를 고려한 최소풍량

실내부하를 고려한 최소풍량은 실내 난방 부하를 바탕으로 산정된다. 난방부하를 고려한 최소풍량은 식 (1)을 통해 계산 할 수 있다.

여기서, 

 : 난방부하를 고려한 최소풍량

 : 실내 난방부하

 : 공기 밀도

 : 공기 비열

 : 공급 온도

 : 실내 온도

환기량을 고려한 최소풍량

실내 존의 필요 환기량은 ASHRAE Standard 62.1에서 제시한 식 (2)를 바탕으로 산정한다.

여기서,

 : 존 외기도입량

 : 재실인원당 필요 외기도입량

 : 재실인원

 : 바닥면적당 필요 외기도입량

 : 바닥면적

 : 기류분배 유효화계수

ASHRAE Standard 62.1의 부록 A에서는 멀티존에서 시스템(공조기)의 외기도입량 산정 시 각 존의 외기도입비율 중 가장 크리티컬한 존의 외기도입비율을 이용하여 시스템의 외기도입비율을 보정할 것을 제시하였다.

식 (3)~(6)은 앞서 산정한 외기도입량에 대하여 멀티존 적용시 보정하는 수식을 나타낸다. 와 를 이용하여 최종 보정된 공조기의 외기도입 비율을 를 이용하여 산정한다.

여기서,

 : 각 존별 공급 풍량

 : 보정되지 않은 외기도입비율

 : 보정된 외기도입비율

 : 크리티컬 존의 외기도입비율

 : 환기를 고려한 최소 풍량

최소풍량 산정

변풍량 터미널 유닛의 최소풍량은 식 (7)과 같이 난방부하를 고려한 최소풍량과 환기를 고려한 최소풍량 중 큰 값을 이용한다.

여기서,

 : 변풍량 터미널 유닛의 최소풍량

 : 부하를 고려한 최소풍량

 : 환기를 고려한 최소풍량

실내 이산화탄소 농도 모델

각 실내에 공급된 환기 풍량을 평가하기 위하여, 시스템 모델과, IAQ 모델을 통합하였다. CO₂ 농도는 일반적으로 재실자와 연관하여 오염물의 발생 및 재실인당 환기율 산정에 필요한 지표이다. Figure 4은 CO₂ 농도 산정 모델의 개략도를 나타내고 있다.

Figure 4.

Schematic diagram of CO₂ model

CO₂ 농도 산정 모델에서 건물의 오염물질은 대부분 재실자에 의해 발생한다고 가정하고, 식 (8)과 같이 질량 보존 방정식을 이용하여 모델을 구축하였다. 또한 CO₂ 농도 산정 모델은 아래에 언급한 세 가지를 가정하였다.

① 대상공간은 기계환기가 이루어지고 균일하게 혼합된다.

② 재실자는 유일한 이산화탄소 발생원이다.

③ 건물의 침기는 고려하지 않는다.

식 (8)의 미분 방정식을 식 (3-2)와 식 (3-3)을 이용하여 계산하면 식 (3-4)을 이용하여 CO₂ 농도를 산정 할 수 있다.

여기서,

 : 공급 풍량

 : 환기 풍량

 : 외기 도입량

 : 누기량

 : 공급 CO₂ 농도

 : 환기 CO₂ 농도

 : 외기 CO₂ 농도

 : 재실자당 CO₂ 발생량

 : 재실자 수

 : 시상수(time constant)

공조기의 환기 CO₂ 농도는 다음 식 (12)~(14)를 이용하여 산정 할 수 있다. 각 존의 환기 CO₂ 농도에 대하여 질량 평형 방정식을 이용하여 공조기 환기 CO₂ 농도를 산정한다.

공조기의 급기 CO₂ 농도는 다음 식 (15)∼(17)을 이용하여 산정 할 수 있다.

멀티존 변풍량 터미널 유닛의 풍량 제어 방안

기존 멀티존 변풍량 터미널 유닛 제어

기존 변풍량 터미널 유닛 제어방안은 실내부하와 환기를 위한 최소 신선외기도입량만을 고려한 최소풍량을 이용하여 제어한다. 실내 온도만을 이용하여 터미널 유닛의 댐퍼와 재열코일의 밸브를 제어하는 방식이다.

Table 2는 각 존별 최대, 최소풍량의 설정 값을 나타내고 있다. 대상공간의 터미널 유닛은 실내 온도와 최대, 최소풍량의 설정 값을 바탕으로 공급 댐퍼를 제어하여 풍량을 공급한다. 대상 공간의 최소풍량은 최대풍량의 약 30%의 값으로 설정된 것으로 확인되었다.

시뮬레이션을 통해 겨울철 기존 변풍량 터미널 유닛 제어방안을 적용해본 결과 실내온도는 실내설정온도인 24°C를 유지하고 있었다. 하지만 오전 9시경 재실인원이 투입되어 실내 CO₂ 농도가 높아지고 있으나, 공급 풍량은 오히려 최소풍량으로 공급되었다. 이는 겨울철 난방부하를 바탕으로 풍량이 산정되는데, 재실자가 투입되자 실내의 난방부하가 감소하게 되고, 이로 인해 풍량이 최소로 공급된 것으로 판단된다. 기존의 변풍량 터미널 유닛의 제어방안을 적용할 경우 겨울철 갑작스런 재실인원 증가로 인하여 실내 CO₂ 발생량이 높아질 경우 실내 공기질의 문제가 발생하여 실내 CO₂ 농도를 고려한 제어방안이 필요할 것으로 판단된다.

Table 2. Maximum and minimum air flow rate

멀티존 변풍량 터미널 유닛 제어 방안 제안

기존의 터미널 유닛의 최소풍량은 실내 상황이 가장 크리티컬(critical)한 상황을 고려하여 산정되었다. 하지만 재실자수가 줄거나 재실인원이 없을 경우 신선외기도입은 필요하지 않다. 따라서 재실자수 변동에 따른 유동적 최소풍량이 필요할 것이다. 따라서 식 (1)~(7)을 이용하여 풍량을 재설정 하였으며, 그 결과는 Table 3과 같다. 최소풍량의 경우 재실자 수에 따라 최소풍량이 고정되어 있지 않고 유동적으로 변하여, 상황에 따라 기존의 최소풍량과 비교하여 최대 약 80%의 풍량이 감소하는 것을 알 수 있다.

Table 3. Minimum air flow rate reset

기존 터미널 유닛의 제어방안은 실내온도는 잘 유지하지만 실내 CO₂ 농도가 기준치 보다 높을 경우 제어를 하지 못하는 문제가 발생하였다. 따라서 터미널 유닛 제어를 위하여 실내 CO₂ 농도를 제어 포인트로 추가하였다. CO₂ 농도가 기준보다 높고, 변풍량 터미널 유닛의 풍량이 최대 풍량에 도달하지 않았을 경우 터미널 유닛의 풍량을 증가시키며 실내 CO₂ 농도 제어를 실시 하였다. Figure 5는 멀티존 변풍량 터미널 유닛의 풍량 제어 알고리즘을 나타낸다.

Figure 5.

Proposed control method of VAV terminal unit

멀티존 변풍량 터미널 유닛 제어방안 성능평가

Figure 6는 터미널 유닛 풍량 증가 방안을 적용한 시뮬레이션 결과이다. 시뮬레이션 분석을 위한 대상 존은 회의실로 사용되고 있는 공간으로, 재실 밀도가 높은 특징이 있다. 실내온도는 실내설정온도 24±1°C를 유지하는 것을 확인하였다. 실내 CO₂ 농도의 경우 오전 9시를 기준으로 재실인원이 투입되어 1000 ppm 이상을 나타내었다. 터미널 유닛의 풍량은 실내 부하에 따른 풍량으로 공급되기 시작하였지만 실내 CO₂ 농도를 제어하지 못하여 터미널 유닛의 풍량이 기존풍량에 최대 풍량의 10%씩 증가하여 공급되었고, CO₂ 농도는 기준 이하로 나타나는 것을 확인할 수 있다.

Figure 6.

Simulation result

기존의 터미널 유닛 최소풍량은 고정된 값으로 설정되어 있어 실내 부하가 낮을 경우도 고정된 풍량으로 송풍되어 불필요한 팬 에너지 및 재열에너지를 소비하게 되는 경우가 발생하게 되며 이는 전체 에너지 소비량의 증가를 가져오게 된다. 이에 따라 최소풍량이 부하에 따라 유동적이며, 갑작스러운 부하 변동에서도 실내 공기질을 고려한 제어방안을 제시하였으며 실내 열 쾌적, 실내 공기질을 모두 만족하는 것을 확인하였다.

Figure 7은 기존의 변풍량 터미널 유닛의 제어방안과 제안된 변풍량 터미널 유닛의 제어방안의 월간 에너지 소비량을 비교하였다. 공조기 에너지 소비량의 경우 여름철 3∼5%, 겨울철 15∼30% 정도 감소하였고, 제안된 제어방안은 총 12%의 공조기 에너지 소비량을 절감하는 것으로 나타났다.

Figure 7.

Compared monthly energy consumption

결 론

본 논문은 멀티존의 변풍량 터미널 유닛의 풍량 제어방안을 제안하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.

(1)기존 변풍량 터미널 유닛의 제어방안이 적용된 대상건물의 운영현황을 분석하였고, 멀티존 변풍량 터미널 유닛의 풍량 산정 방안을 통해 최소풍량을 재설정하였다. 최소풍량의 경우 재실자 수에 따라 최소풍량이 고정되어 있지 않고 유동적으로 변하여 상황에 따라 기존의 최소풍량과 비교하여 최대 약 80%의 풍량이 감소하는 것을 확인하였다.

(2)기존 터미널 유닛의 제어방안은 실내온도는 잘 유지하지만 실내 CO₂ 농도가 기준치 보다 높을 경우 제어를 하지 못하는 문제가 발생하였다. 따라서 터미널 유닛 제어를 위하여 실내 CO₂ 농도를 제어 포인트로 추가하였다. CO₂ 농도가 기준보다 높고, 변풍량 터미널 유닛의 풍량이 최대 풍량에 도달하지 않았을 경우 터미널 유닛의 풍량을 증가시키며 실내 CO₂ 농도 제어 알고리즘을 제안하였다.

(3)제안된 변풍량 터미널 유닛 제어방안의 분석 결과 연중 실내 설정온도를 적절하게 제어하고 있었으며, 실내 공기질 분석에서는 실내 CO₂ 농도 기준치인 1000 ppm이하를 유지하는 것을 확인하였다. 에너지 분석에서는 제안된 변풍량 터미널 유닛 제어방안과 기존 제어방안의 비교 평가를 수행하였다. 제안된 변풍량 터미널 유닛 제어알고리즘에서 여름철 3∼5%, 겨울철 15∼30% 정도 감소하였고, 제안된 제어방안은 총 12%의 공조기 에너지 소비량을 절감하였다.