4-3. 단일덕트 변풍량방식(VAV, Variable Air Volume System)의 다음 사항에 대하여 설명하시오.1) 방식의 특성2) VAV 적용 시 고려사항3) 풍량제어기능

단일덕트 변풍량방식(VAV)은 공조 시스템의 한 형태로, 각 구역 또는 실의 부하 변동에 따라 공급되는 공기량을 조절하여 실내 온도를 제어하는 방식입니다. 정풍량 방식(CAV, Constant Air Volume)과 달리 송풍량을 변화시키므로 에너지 절약에 유리하며 개별 구역 제어가 가능하다는 장점이 있습니다.

1) 방식의 특성

단일덕트 변풍량방식(VAV)의 주요 특성은 다음과 같습니다.

• 개별 구역 제어: 각 실 또는 설정된 구역(Zone)마다 설치된 VAV 유닛을 통해 해당 구역의 실내 온도에 맞춰 송풍량을 개별적으로 조절합니다. 이를 통해 사용자 쾌적성을 향상시킬 수 있습니다.
• 에너지 절약: 실내 부하가 감소하면 해당 구역으로 공급되는 풍량이 줄어들므로 전체 시스템의 송풍량을 감소시킬 수 있습니다. 송풍량 감소는 송풍기 동력의 감소로 이어져 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다 (송풍기 동력은 풍량의 약 3제곱에 비례).
• 기기 용량 및 덕트 크기 최적화: 건물의 최대 부하가 모든 구역에서 동시에 발생하지 않는다는 점(동시 부하율 고려)을 이용하여 중앙 공조기의 용량과 주 덕트의 크기를 정풍량 방식보다 작게 설계할 수 있습니다.
• 빠른 부하 변동 대응: 실내 부하 변동에 비교적 빠르게 대응하여 설정 온도를 유지할 수 있습니다.
• 단일 덕트 사용: 냉방 또는 난방 시 하나의 덕트를 통해 공기를 공급합니다. 이는 이중 덕트 방식에 비해 덕트 공간을 절약할 수 있게 합니다.

2) VAV 적용 시 고려사항

단일덕트 VAV 방식을 적용할 때 다음과 같은 사항들을 고려해야 합니다.

• 최소 외기량 확보: 실내 부하 감소로 인해 송풍량이 최소 풍량으로 줄어들 경우에도 실내의 최소 필요 환기량(최소 외기량)을 확보해야 합니다. 이를 위해 VAV 유닛의 최소 풍량을 해당 구역의 최소 환기량 이상으로 설정해야 합니다. 특히 필요 외기량이 다른 구역이 같은 공조기 존에 있을 경우 주의가 필요합니다.
• 덕트 시스템 정압 제어: VAV 유닛의 댐퍼 개폐에 따라 주 덕트 내의 정압이 변동합니다. 안정적인 풍량 제어를 위해서는 송풍기 회전수 제어(인버터 사용) 등을 통해 덕트의 정압을 일정하게 유지하는 정압 제어 시스템이 필수적입니다.
• 저풍량 시 공기 분포: 풍량이 최소로 줄어들 때 실내 공기 분포가 불균일해지거나 디퓨저에서의 기류 도달 거리가 짧아져 불쾌감을 유발할 수 있습니다. 저풍량에서도 균일한 공기 분포를 유지할 수 있는 취출구 선정이 중요합니다.
• 난방 시 적용 문제: VAV 방식은 주로 냉방 부하 제어를 위해 개발되었습니다. 난방 시에는 실내 온도가 설정치보다 낮을 때 풍량을 늘려야 하는데, 이 경우 과도한 외기 도입이나 불균일한 온도 분포 문제가 발생할 수 있습니다. 외주부와 같이 난방 부하가 큰 구역에는 재열 코일이 있는 VAV 유닛을 사용하거나 보조 난방 설비를 고려해야 합니다.
• 초기 투자 비용: VAV 유닛, 정압 센서, 제어 시스템 등의 추가적인 장치로 인해 정풍량 방식에 비해 초기 설치 비용이 높을 수 있습니다.
• 실내 공기질 관리: 최소 풍량 운전 시 실내 공기 순환량이 감소하여 오염 물질이나 냄새 제거 능력이 저하될 수 있습니다. 필요에 따라 추가적인 환기 전략이나 공기청정 시스템을 고려해야 합니다.

3) 풍량 제어 기능

VAV 시스템의 핵심은 각 구역의 부하 변동에 맞춰 송풍량을 정밀하게 제어하는 것입니다. 주요 풍량 제어 기능은 다음과 같습니다.

• 실내 온도 기반 풍량 제어: 각 실 또는 구역에 설치된 실내 온도 센서가 감지한 온도 신호를 기반으로 VAV 유닛의 댐퍼 개도를 조절하여 해당 구역으로 공급되는 풍량을 증감시킵니다. 설정 온도보다 높으면 풍량을 늘리고, 낮으면 풍량을 줄입니다 (냉방 시).
• 최대/최소 풍량 설정: VAV 유닛은 설정된 최대 풍량과 최소 풍량 범위 내에서만 풍량을 조절합니다. 최대 풍량은 해당 구역의 최대 부하를 처리하기 위한 풍량이며, 최소 풍량은 최소 환기량 확보 및 안정적인 기류 분포를 위한 최소 공급 풍량입니다.
• 덕트 정압 제어 연동: 주 덕트의 정압 센서가 감지한 압력 정보를 기반으로 중앙 송풍기의 회전수를 제어합니다. VAV 유닛의 댐퍼들이 닫혀 덕트 정압이 상승하면 송풍기 회전수를 낮추고, 댐퍼들이 열려 정압이 하강하면 송풍기 회전수를 높여 덕트 내 압력을 일정하게 유지함으로써 각 VAV 유닛으로 안정적인 풍량 공급이 가능하도록 합니다.
• 최소 외기량 연동 제어: 전체 시스템의 송풍량 변화와 연동하여 외기 도입 댐퍼를 제어함으로써 최소 필요 외기량을 만족시키도록 합니다.
• 스케줄 운전 및 제어: 재실 유무, 시간대별 설정 온도 변화 등의 스케줄에 따라 각 구역의 VAV 유닛 운전 모드(예: 비운전, 최소 풍량, 설정 온도 제어)를 제어할 수 있습니다.

이러한 풍량 제어 기능을 통해 VAV 시스템은 각 구역의 쾌적성을 유지하면서 에너지 효율을 극대화하는 운전이 가능합니다.