외기전담공조(DOAS) 공기 시스템

일반 공기조화기(AHU)는 하나의 기류로 두 가지 일을 합니다. 법규가 요구하는 환기용 외기를 들여오고, 하나의 온도조절기 요구에 따라 이 공기를 혼합한 하나의 기류로 내보내 실내를 냉난방합니다. 외기전담공조시스템은 이 두 역할을 분리합니다. 100% 외기를 받아 제어된 급기 상태로 조화한 뒤 오직 환기를 위해 덕트로 각 존에 공급합니다. 각 존의 별도 말단장치가 실내에 실제로 필요한 냉난방을 담당합니다. 이 페이지는 역할을 나누었을 때의 이점과 유닛 제어 방식을 설명합니다. 처음부터 끝까지 한 가지 질문에 답합니다. DOAS란 무엇이며, 건물은 왜 환기를 나머지 부하와 분리할까요?

하나의 유닛, 하나의 역할: 환기 공기

정의부터 분명히 기억하세요. DOAS는 100% 외기를 전담하는 유닛입니다. 외기만 흡입해 제어된 출구 상태로 조화하고, 건물의 환기 급기로서 덕트를 통해 존에 보냅니다. 혼합부처럼 회기를 다루지 않으며, 두 기류를 혼합하지도 않습니다. 실내가 온도조절기 설정값을 유지하는 데 필요한 냉난방은 말단장치가 전적으로 담당합니다. 이 장치는 팬코일 유닛, VAV 박스, 냉각빔 또는 복사 패널 등 설계가 실내의 현열 부하를 처리하도록 선정한 장비입니다. DOAS는 환기를 공급하고, 말단장치는 실내 상태를 유지합니다.

일반적인 혼합공기 공기조화기와 비교해 보겠습니다. 이 방식에서는 외기 댐퍼가 최소 개도로 열리고, 소량의 환기용 외기가 대량의 재순환 회기와 혼합됩니다. 혼합공기는 코일 한 조를 통과해 다시 실내로 향합니다. 환기는 이루어지지만 온도조절기와 얽혀 있습니다. 하나의 팬과 코일이 냉방 요구와 환기용 외기 요구를 모두 처리하며, 외기는 실내에서 발생한 요구에 따라 부수적으로 들어옵니다. DOAS는 이 역할을 풀어 나눕니다. 아래의 두 기류가 전체 개념을 보여 줍니다. 하나는 혼합 경로이고, 다른 하나는 독립된 두 경로입니다.

두 역할을 분리하는 이유

역할을 분리하는 목적은 단순히 시스템을 깔끔하게 구성하는 데 있지 않습니다. 혼합공기 유닛이 잘 처리하지 못하는 두 가지 실제 문제를 해결합니다. 첫 번째는 수분입니다. 건물 잠열 부하, 즉 시스템이 제거해야 하는 수분의 상당 부분은 특히 습한 기후에서 환기 공기와 함께 실내로 들어옵니다. (실험실, 주방, 실내 수영장처럼 자체적으로 많은 수분을 발생시키는 공간도 있지만, 혼합공기 유닛이 건조하기 가장 어려운 부분은 외기 기류입니다.) 고온다습한 외기는 이미 실내에서 조화된 공기보다 단위 질량당 훨씬 많은 수분을 품고 있으므로, 물리적으로 보면 환기용 외기 요구와 습도 문제는 같은 기류입니다. 이 기류를 전용 유닛에 맡기면 온도와 독립적으로 습도를 제어할 수 있습니다. DOAS는 실내 냉각 코일이 우연히 충분히 낮은 온도로 충분히 오래 운전해 부수적으로 공기를 건조하기를 기대하지 않고, 환기 공기가 존에 도달하기 전에 수분을 제거하도록 용량을 선정하고 제어합니다. 이러한 부수 효과에 의존하면 온화하고 습한 날 혼합공기 시스템에서 실내가 춥고 눅눅해질 수 있습니다. 온도조절기의 요구가 충족되면 코일이 멈추고 제습도 중단되지만 외기 노점은 계속 올라가기 때문입니다.

두 번째 문제는 환기량 보장입니다. 혼합공기 VAV 시스템에서는 외기가 급기의 일부 비율로 유입되고, 각 존의 요구가 충족되면 급기량도 줄어듭니다. 따라서 최소 풍량으로 운전 중인 박스는 온도가 완벽하더라도 재실자에게 필요한 환기용 외기를 소리 없이 부족하게 공급할 수 있습니다. 또한 팬 속도와 댐퍼 위치가 변하면 전체 시스템의 외기 비율도 흔들립니다. DOAS는 이 문제를 완전히 피합니다. 존에서 난방, 냉방 또는 아무것도 요구하지 않더라도 각 존에 필요한 ASHRAE 62.1 환기 배분량을 측정 가능한 전용 기류로 공급합니다. 환기량은 적정하기를 기대하는 비율이 아니라 실제로 계측할 수 있는 공급량이 됩니다.

장비 측면에서도 이점이 있습니다. 외기 도입과 제습을 DOAS가 이미 담당하므로 말단장치는 실내의 현열 부하만 처리하면 됩니다. 이에 따라 장비를 더 작게 선정할 수 있습니다. 실내 부하에 환기 및 잠열 부담까지 더해 용량을 선정해야 했던 팬코일유닛을 이제 실내 현열 변동만 담당하도록 줄일 수 있습니다. 부하가 사라진 것은 아닙니다. 그 부하를 처리하도록 설계된 유닛으로 옮겨 간 것입니다.

잠열 부하와 현열 부하의 분리

전체 구성의 핵심 개념은 간단합니다. DOAS는 잠열 부하를, 말단장치는 현열 부하를 담당합니다. 잠열은 수분, 즉 수증기에 포함된 에너지입니다. 현열은 온도계에 나타나는 건구온도와 관련된 부하입니다. 일반 코일은 두 부하를 동시에 처리하므로 실제로 분리하기 어렵지만, DOAS 설계는 각각을 적합한 장비에 의도적으로 배정합니다. 잠열 부하를 제대로 처리하려면 DOAS 코일에서 다소 이례적으로 보이는 운전이 필요합니다.

공기에서 수분을 제거하려면 냉각 코일 표면이 공기의 노점보다 낮아야 합니다. 그래야 핀에 수분이 응축되어 배수됩니다. 이는 모든 냉각 코일에 드레인 팬이 있는 원리이자 노점이 중요한 이유이기도 합니다. 환기 공기를 충분히 건조하려면 DOAS는 코일로 공기를 저노점 냉각합니다. 즉, 출구 공기가 수렴하는 유효 저온 표면 온도인 낮은 장치 노점까지 냉각합니다. 일반적인 출구 공기 노점 목표는 약 55 °F이며, 실내에 더 엄격한 습도 제어가 필요하면 출구 노점을 40 °F대 중후반까지 더 낮춥니다. 이는 어느 실내에서도 급기로 원할 만한 온도보다 훨씬 낮습니다.

이처럼 낮은 노점까지 냉각하면 해결해야 할 문제도 생깁니다. 건조한 공기는 그만큼 차갑기도 하므로, 50 °F 공기를 재실 존에 공급하면 과냉이 발생해 불필요한 난방 부하를 만듭니다. 일반적인 해법은 재열입니다. 냉각 코일로 수분을 제거한 뒤 재열 코일이 공기를 중립 온도 급기로 다시 데웁니다. 이 급기는 실온에 가까운 약 70 °F 건구온도입니다. 그러면 DOAS는 실내에 열적으로 거의 영향을 주지 않는 건조한 공기를 공급합니다. 순 현열 부하를 더하지 않고 제습된 환기 공기만 실내에 제공하며, 설계한 대로 난방과 냉방은 말단장치에 맡깁니다. (모든 DOAS가 재열하는 것은 아닙니다. 저온 급기 DOAS는 재열을 의도적으로 생략하고 차갑고 건조한 공기를 존에 직접 보내, 낮은 온도를 이용해 실내 현열 부하의 일부를 줄입니다. 중립 온도 급기가 일반적인 기본 방식이고, 저온 급기는 설계상 선택하는 방식입니다.)

아래 그림은 이 과정을 단순화한 습공기 경로로 보여 줍니다. 외기 상태에서 냉각 코일이 공기를 장치 노점까지 왼쪽 아래로 이동시키고, 재열은 수분량을 그대로 둔 채 건구온도만 높여 중립 온도 급기 상태까지 수평으로 이동시킵니다. (공기 상태를 설명하는 전체 용어인 건구온도, 노점, 절대습도, 엔탈피를 포함한 전체 공기 상태 용어는 습공기 상태 해석 기초에서 설명하며, 실제 상태점은 습공기선도에 표시할 수 있습니다.)

계측용 선도가 아니라 과정을 설명하는 개략적인 경로입니다. 핵심은 경로의 형태입니다. 왼쪽 아래로 이동해 공기를 건조한 다음, 수분을 다시 늘리지 않고 데우기 위해 수평으로 이동합니다. 실제 상태점은 습공기선도에서 구합니다.

DOAS 제어 방식

DOAS의 목적은 수분을 제어하는 것이므로 주 제어 루프는 건구온도 루프가 아니라 냉각 코일의 출구 공기 노점(또는 습도) 설정값입니다. 출구 기류에 설치한 습도 또는 노점 센서로 측정한 급기 노점을 목표값으로 유지하기 위해 유닛은 냉수 밸브나 직팽식(DX) 유닛의 압축기 단수를 조절합니다. BMS 그래픽에서 가장 먼저 확인해야 하는 값도 이것입니다. “급기 온도가 55도인가?”가 아니라 “급기가 충분히 건조한가?”를 봐야 합니다. 이어서 별도의 재열 루프가 건구온도를 중립 온도 급기 설정값에 맞춥니다. 이렇게 두 루프는 전체 시스템과 같은 방식으로 역할을 나눕니다. 한 루프는 수분을, 다른 루프는 온도를 담당합니다.

낮은 장치 노점까지 냉각한 뒤 재열하는 방식은 본질적으로 에너지 소비가 큽니다. 온도 제어에 필요한 수준보다 훨씬 더 냉각한 다음, 다시 데우는 데 에너지를 쓰기 때문입니다. 그래서 대부분의 현대식 DOAS 유닛은 코일 앞에 에너지 회수 장치를 두어 배출되는 배기 공기로 유입 외기를 예비 조화합니다. 두 기류 사이에서 실제로 전달되는 성분은 장치에 따라 다릅니다. 전열 휠이나 멤브레인·엔탈피 판형 코어와 같은 엔탈피(전열) 장치는 열과 수분을 모두 전달하지만, 일반 판형 코어나 현열 전용 휠과 같은 현열 교환기는 열만 전달합니다. 잠열 부하를 처리하는 DOAS에서는 엔탈피 방식이 특히 효과적입니다. 여름에는 서늘하고 건조한 배기가 고온다습한 흡입 외기를 코일에 도달하기 전에 예냉하고 예비 제습하며, 겨울에는 예열하고 수분을 되돌려 줍니다. 전열 휠은 버려질 공기에 포함된 에너지의 약 70~80%를 회수하는 경우가 많습니다. 이는 저노점 냉각과 재열을 사용하는 유닛의 운전비를 감당할 수 있게 하는 중요한 요소이며, 같은 이유로 에너지 기준도 외기 비율이 높은 여러 유닛에 에너지 회수를 의무화하고 있습니다.

나머지 제어는 스케줄에 관한 내용입니다. 환기는 건물에 사람이 있을 때 필요하므로 DOAS는 재실 스케줄에 따라 운전합니다. 재실 인원이 변하는 시스템에서는 수요제어환기를 적용할 수도 있습니다. 측정하거나 추정한 재실 인원이 줄면 외기량을 낮추거나 유닛 단수를 줄이고, 인원이 늘면 전체 환기량을 복구합니다. 이를 종합하면 유닛의 전체 상태를 보여 주는 BMS 포인트는 몇 가지로 정리됩니다. 출구 공기 온도, 습도 제어 포인트인 출구 공기 상대습도(RH)·노점, 냉각 코일 밸브 또는 압축기 단수, 재열 밸브 또는 단수, 에너지 회수 휠 명령 및 상태입니다. 이 다섯 가지를 순서대로 읽으면 유닛이 맡은 한 가지 역할을 수행하는 과정을 확인할 수 있습니다. 아래 종합 그림은 각 포인트를 기류 경로에 표시합니다.

이 다섯 포인트가 유닛이 제 역할을 수행하는지 보여 주기 때문에 다섯 개만 표시했습니다. 실제 DOAS에는 급기·배기 팬 기동/정지 및 상태, 필터 차압, 외기 풍량 측정 장치, 동결 및 연기 안전장치 등 더 많은 포인트가 있으며, 각각이 작동할 때 모두 중요합니다. 이러한 이유로 위에는 두 팬을 모두 그렸지만 포인트를 표시하지 않았습니다. 어느 포인트도 유닛에서 나오는 환기 공기가 충분히 건조한지는 알려 주지 않습니다. 바로 그 질문에 답하는 것이 이 장비의 목적입니다.

기후가 설계 조건을 넘어설 때

지금까지는 이론이 의도대로 작동하는 상황을 살펴봤습니다. 다음은 DOAS를 설치한 뒤 전제가 달라졌을 때 실제 건물에서 어떤 일이 일어나는지 DOAS 관점에서 설명한 사례입니다. (같은 건물의 팬코일유닛은 말단장치 관점에서 살펴본 코일 선정의 마지막 사례이며, 여기서 다루는 유닛이 그 장치들에 외기를 공급합니다.)