2-2. 송풍기에서 풍량제어의 중요성에 대하여 설명하고 다음 사항에 대한 운전특성곡선과장단점에 대하여 각각 설명하시오. 1) 송풍기에서 풍량제어의 중요성 2) 토출댐퍼 제어 3) 흡입댐퍼 제어 4) 흡입베인 제어 5) 회전수 변경에 의한 제어 6) 가변피치 제어

1) 송풍기에서 풍량 제어의 중요성

송풍기에서 풍량 제어는 효율적인 시스템 운전과 에너지 절약을 위해 매우 중요합니다. 풍량 제어의 중요성은 다음과 같이 요약할 수 있습니다.

• 에너지 효율 향상: 대부분의 송풍 시스템은 설계 조건 외의 다양한 운전 조건에서 작동합니다. 필요한 풍량이 감소했을 때, 송풍기를 설계 최대 풍량으로 계속 운전하는 것은 에너지 낭비를 초래합니다. 풍량 제어를 통해 실제 필요한 풍량에 맞춰 송풍기 운전을 조절함으로써 에너지 소비를 크게 줄일 수 있습니다. 특히, 회전수 제어와 같은 효율적인 제어 방식을 사용하면 에너지 절감 효과가 극대화됩니다.
• 공정 제어 정밀도 향상: 특정 산업 공정에서는 정확한 풍량 유지가 필수적입니다. 예를 들어, HVAC 시스템에서는 쾌적한 실내 환경 유지를 위해, 산업 설비에서는 냉각, 건조, 환기 등의 공정 조건을 최적화하기 위해 정확한 풍량 제어가 요구됩니다. 정밀한 풍량 제어를 통해 공정 효율성을 높이고 제품 품질을 향상시킬 수 있습니다.
• 소음 감소: 과도한 풍량은 시스템 소음을 증가시킵니다. 특히 덕트 시스템에서 풍량이 과도하면 풍속 증가로 인해 소음이 커질 수 있습니다. 풍량 제어를 통해 불필요한 풍량을 줄이면 시스템 소음을 감소시켜 작업 환경을 개선하고 소음 공해를 줄일 수 있습니다.
• 설비 수명 연장: 송풍기가 과도한 풍량으로 지속적으로 운전되면 기계적 스트레스가 증가하고 부품 마모가 가속화될 수 있습니다. 적절한 풍량 제어를 통해 송풍기의 부하를 줄이고 수명을 연장할 수 있습니다.
• 시스템 안정성 확보: 특정 시스템에서는 과도한 풍량이나 부족한 풍량이 시스템 불안정성을 야기할 수 있습니다. 예를 들어, 덕트 시스템에서 과도한 풍량은 덕트 내부 압력 불균형을 초래하고, 부족한 풍량은 환기 부족 문제를 일으킬 수 있습니다. 풍량 제어를 통해 시스템을 안정적으로 운전할 수 있습니다.

2) 토출 댐퍼 제어 (Discharge Damper Control)

• 운전 원리: 송풍기 토출구에 댐퍼를 설치하여 댐퍼의 개도를 조절함으로써 시스템 저항을 변화시켜 풍량을 제어하는 방식입니다. 댐퍼를 닫을수록 시스템 저항이 증가하여 송풍기 운전점이 변하고 풍량이 감소합니다.
• 운전 특성 곡선:
  • 설명: 위 그림은 토출 댐퍼 제어 시 운전 특성 곡선을 개략적으로 나타낸 것입니다. 댐퍼를 조절하면 시스템 저항 곡선이 위로 이동합니다 (System Curve 1 → System Curve 2). 송풍기 성능 곡선 (Fan Curve) 은 변하지 않으며, 시스템 저항 곡선의 변화에 따라 운전점 (Operating Point 1 → Operating Point 2) 이 이동합니다. 댐퍼를 닫을수록 풍량은 감소하지만, 압력은 상대적으로 크게 감소하지 않거나 오히려 소폭 상승할 수 있으며, 축동력은 감소하지만 효율은 낮아집니다.
• 장점:
  • 설치 및 유지보수 용이: 구조가 간단하고 설치 및 유지보수가 용이하며 비용이 저렴합니다. 기존 시스템에 쉽게 적용할 수 있습니다.
  • 제어 용이성: 댐퍼 개도 조절이 간단하여 풍량 제어가 용이합니다.
• 단점:
  • 에너지 효율 저하: 댐퍼를 사용하여 풍량을 줄이는 것은 시스템 저항을 인위적으로 증가시키는 방식이므로 에너지 효율이 매우 낮습니다. 댐퍼에서 압력 강하가 발생하며, 이 압력 강하에 해당하는 에너지가 손실됩니다. 풍량 감소폭에 비해 축동력 감소폭이 작아 효율이 크게 떨어집니다.
  • 소음 발생: 댐퍼를 통과하는 공기의 난류로 인해 소음이 발생할 수 있습니다.
  • 제어 범위 제한: 풍량 제어 범위가 넓지 않으며, 특히 풍량을 크게 줄이기에는 효율성이 매우 떨어집니다.

3) 흡입 댐퍼 제어 (Inlet Damper Control)

• 운전 원리: 송풍기 흡입구에 댐퍼를 설치하여 댐퍼의 개도를 조절함으로써 풍량을 제어하는 방식입니다. 토출 댐퍼와 유사하지만, 흡입측에서 저항을 조절합니다. 흡입 댐퍼는 토출 댐퍼에 비해 약간 효율적인 것으로 알려져 있으나, 기본적인 원리는 유사합니다.
• 운전 특성 곡선:
  • 설명: 흡입 댐퍼 제어 시 운전 특성 곡선은 토출 댐퍼 제어와 유사합니다. 댐퍼 조절에 따라 시스템 저항 곡선이 위로 이동하고 (System Curve 1 → System Curve 2), 운전점 (Operating Point 1 → Operating Point 2) 이 이동합니다. 흡입 댐퍼 역시 풍량 감소에 비해 압력 감소폭이 작고, 효율이 떨어지는 경향을 보입니다.
• 장점:
  • 설치 및 유지보수 용이: 토출 댐퍼와 마찬가지로 구조가 간단하고 설치 및 유지보수가 용이하며 비용이 저렴합니다.
  • 제어 용이성: 댐퍼 개도 조절이 간단하여 풍량 제어가 용이합니다.
  • 토출 댐퍼 대비 약간의 효율 향상: 경우에 따라 토출 댐퍼에 비해 약간 더 효율적인 것으로 알려져 있습니다. (흡입구 형상 및 유입 조건에 따라 다름)
• 단점:
  • 에너지 효율 저하: 토출 댐퍼와 마찬가지로 시스템 저항 증가 방식으로 에너지 효율이 낮습니다. 댐퍼에서의 압력 손실로 인해 에너지 낭비가 발생합니다.
  • 소음 발생: 댐퍼 통과 시 난류로 인한 소음 발생 가능성이 있습니다.
  • 제어 범위 제한: 풍량 제어 범위가 넓지 않으며, 특히 큰 폭의 풍량 감소에는 효율이 떨어집니다.

4) 흡입 베인 제어 (Inlet Vane Control)

• 운전 원리: 송풍기 흡입구에 회전 가능한 베인을 설치하여 흡입 공기에 선회류(swirl)를 발생시켜 풍량을 제어하는 방식입니다. 베인을 조절하여 공기가 임펠러 회전 방향과 동일한 방향으로 미리 선회하도록 유도하면, 임펠러가 해야 하는 일이 줄어들어 풍량과 압력이 감소합니다. 즉, 송풍기 성능 곡선 자체가 변화합니다.
• 운전 특성 곡선:
  • 설명: 흡입 베인 제어는 시스템 저항 곡선이 아닌 송풍기 성능 곡선 자체를 변화시킵니다. 베인 각도를 조절하면 송풍기 성능 곡선이 아래로 이동합니다 (Fan Curve 1 → Fan Curve 2). 시스템 저항 곡선 (System Curve) 은 변하지 않으며, 성능 곡선의 변화에 따라 운전점 (Operating Point 1 → Operating Point 2) 이 이동합니다. 흡입 베인 제어는 댐퍼 제어에 비해 풍량 감소에 따른 압력 및 축동력 감소폭이 크며, 효율이 비교적 높습니다.
• 장점:
  • 댐퍼 제어 대비 효율 향상: 댐퍼 제어 방식에 비해 에너지 효율이 높습니다. 동일 풍량 감소 시 축동력 감소 효과가 큽니다.
  • 비교적 넓은 제어 범위: 댐퍼 제어보다는 넓은 풍량 제어 범위를 제공합니다.
• 단점:
  • 댐퍼 제어 대비 복잡성 및 비용 증가: 댐퍼 제어에 비해 구조가 복잡하고 초기 설치 비용이 더 높습니다. 유지보수도 다소 복잡할 수 있습니다.
  • 회전 베인 마모 및 고장 가능성: 회전하는 베인으로 인해 마모나 고장 발생 가능성이 댐퍼보다 높을 수 있습니다.

5) 회전수 변경에 의한 제어 (Variable Speed Control)

• 운전 원리: 송풍기 모터의 회전수를 변경하여 풍량을 제어하는 방식입니다. 인버터(VFD, Variable Frequency Drive)를 사용하여 모터의 회전수를 정밀하게 제어합니다. 송풍기 상사 법칙에 따라 회전수 변화에 비례하여 풍량, 압력, 축동력이 변화합니다. 회전수 감소는 풍량, 압력, 축동력을 모두 감소시키며, 매우 효율적인 풍량 제어 방식입니다.
• 운전 특성 곡선:
  • 설명: 회전수 변경 제어 역시 송풍기 성능 곡선 자체를 변화시킵니다. 회전수를 감소시키면 송풍기 성능 곡선이 아래로 이동합니다 (Fan Curve 1 → Fan Curve 2). 시스템 저항 곡선 (System Curve) 은 변하지 않으며, 성능 곡선의 변화에 따라 운전점 (Operating Point 1 → Operating Point 2) 이 이동합니다. 회전수 제어는 풍량 감소에 비례하여 압력과 축동력이 크게 감소하며, 가장 효율적인 풍량 제어 방법 중 하나입니다.
• 장점:
  • 최고의 에너지 효율: 풍량 제어 방식 중 에너지 효율이 가장 높습니다. 필요한 풍량에 정확히 맞춰 송풍기를 운전하므로 에너지 낭비를 최소화합니다.
  • 넓은 제어 범위: 넓은 범위의 풍량 제어가 가능하며, 정밀한 풍량 제어가 가능합니다.
  • 소음 감소 효과: 회전수 감소는 송풍기 소음을 감소시키는 효과도 있습니다.
  • 운전 특성 최적화: 시스템 요구 조건에 맞춰 송풍기 운전점을 최적화할 수 있습니다.
• 단점:
  • 높은 초기 투자 비용: 인버터 및 관련 제어 시스템 설치 비용이 다른 제어 방식에 비해 높습니다.
  • 시스템 복잡성 증가: 인버터 시스템 도입으로 인해 시스템이 다소 복잡해지고, 유지보수 난이도가 높아질 수 있습니다.
  • 고조파 발생 및 전력 품질 문제: 인버터 사용 시 고조파 발생 및 전력 품질 문제가 발생할 수 있으며, 이에 대한 대책이 필요할 수 있습니다.

6) 가변 피치 제어 (Variable Pitch Control)

• 운전 원리: 운전 중 송풍기 임펠러 블레이드의 피치 각도를 변경하여 풍량을 제어하는 방식입니다. 피치 각도를 조절하면 송풍기 성능 곡선 자체가 변화합니다. 피치 각도를 줄이면 풍량, 압력, 축동력이 감소합니다. 회전수 제어와 유사하게 효율적인 풍량 제어 방식입니다. 주로 축류 송풍기 (Axial Fan) 에 적용됩니다.
• 운전 특성 곡선:
  • 설명: 가변 피치 제어 역시 송풍기 성능 곡선 자체를 변화시킵니다. 피치 각도를 줄이면 송풍기 성능 곡선이 아래로 이동합니다 (Fan Curve 1 → Fan Curve 2). 시스템 저항 곡선 (System Curve) 은 변하지 않으며, 성능 곡선의 변화에 따라 운전점 (Operating Point 1 → Operating Point 2) 이 이동합니다. 가변 피치 제어는 회전수 제어와 유사하게 풍량 감소에 비례하여 압력과 축동력을 효과적으로 감소시키며, 높은 효율을 유지할 수 있습니다.
• 장점:
  • 회전수 제어에 준하는 효율: 회전수 제어만큼은 아니지만, 댐퍼 제어 방식에 비해 매우 높은 에너지 효율을 제공합니다.
  • 넓은 제어 범위: 비교적 넓은 범위의 풍량 제어가 가능합니다.
  • 빠른 응답성: 피치 각도 조절은 회전수 변경보다 응답 속도가 빠를 수 있습니다. (시스템에 따라 다름)
  • 직접 구동 방식: 대형 축류 송풍기에서 인버터 없이 직접 구동 방식으로 효율적인 제어가 가능합니다.
• 단점:
  • 복잡한 메커니즘 및 높은 초기 비용: 피치 각도 변경 메커니즘이 복잡하고 정밀하게 설계되어야 하므로 초기 투자 비용이 높습니다.
  • 유지보수 복잡성: 피치 변경 메커니즘의 유지보수가 다른 제어 방식보다 복잡할 수 있습니다.
  • 축류 송풍기에 주로 적용: 주로 축류 송풍기에 적용되며, 원심 송풍기에는 적용이 제한적입니다.

각 풍량 제어 방식 비교 요약

제어 방식	운전 원리	에너지 효율	제어 범위	초기 비용	유지보수	장점	단점
토출 댐퍼 제어	토출 측 저항 증가	낮음	좁음	낮음	용이	설치 및 유지보수 용이, 저렴	에너지 효율 매우 낮음, 소음 발생
흡입 댐퍼 제어	흡입 측 저항 증가	낮음	좁음	낮음	용이	설치 및 유지보수 용이, 저렴, 토출 댐퍼 대비 약간 효율적	에너지 효율 낮음, 소음 발생
흡입 베인 제어	흡입 공기 선회 유도	보통	보통	보통	보통	댐퍼 제어 대비 효율적, 제어 범위 넓음	댐퍼 제어 대비 복잡, 비용 증가, 베인 마모 가능성
회전수 변경 제어	회전수 변경	높음	넓음	높음	복잡	최고의 에너지 효율, 넓은 제어 범위, 소음 감소	초기 비용 높음, 시스템 복잡성 증가, 고조파 문제 가능성
가변 피치 제어	블레이드 피치 각도 변경	높음	넓음	높음	복잡	회전수 제어에 준하는 효율, 넓은 제어 범위, 빠른 응답성, 직접 구동 가능	복잡한 메커니즘, 높은 초기 비용, 유지보수 복잡, 축류 송풍기 주로 적용

 

결론

송풍기 풍량 제어 방식 선택은 시스템 요구 조건, 에너지 효율 목표, 초기 투자 비용, 유지보수 용이성 등을 종합적으로 고려하여 결정해야 합니다. 에너지 절약을 최우선 목표로 한다면 회전수 변경 제어나 가변 피치 제어가 가장 효율적인 선택입니다. 초기 비용을 최소화하고 간단한 제어를 원한다면 댐퍼 제어가 고려될 수 있지만, 장기적인 운전 비용 및 에너지 낭비를 감안해야 합니다. 흡입 베인 제어는 댐퍼 제어와 회전수/가변 피치 제어의 중간 정도의 성능과 비용을 제공하는 절충안이 될 수 있습니다.