덕트 정압 제어 공기 시스템

앞 페이지가 끝난 지점에서 바로 이어갑니다. 오후 6시, 30개 존 루프가 같은 30분 안에 요구를 충족했고 30개 댐퍼가 동시에 최소 개도로 움직입니다. 팬은 주먹처럼 닫혀 가는 덕트 안으로 계속 공기를 밀고 있습니다. 무엇인가는 양보해야 하며 이 페이지는 바로 그 대상을 다룹니다. 처음부터 끝까지 한 가지 질문에 답합니다. 급기팬은 건물이 원하는 공기량을 어떻게 알며, 왜 풍량이 아니라 덕트 정압을 유지할까요?

덕트가 박스의 요구를 대신 전달합니다

먼저 팬이 할 수 없는 일을 보겠습니다. 팬은 각 존에 필요한 풍량을 물을 수 없습니다. 30개 풍량 검출 링은 각자 자기 루프를 담당하는 30개 박스 컨트롤러에 속하며 박스 수준에서는 아무도 주덕트를 관리하지 않습니다. 총풍량을 합산할 수 있더라도 이를 추종해서는 안 됩니다. 총풍량은 팬이 지켜야 할 약속이 아닙니다. 이동할 공기량은 존이 결정하며 이것이 앞 페이지의 핵심이었습니다. 박스가 팬에 요구하는 것은 더 단순합니다. 어느 박스든 필요한 풍량을 가져갈 수 있도록 주덕트에 충분한 압력을 제공하는 것입니다. 팬은 압력을 만들고 박스는 풍량을 결정합니다.

덕트가 계산을 대신하므로 압력은 매우 정직한 전달 수단입니다. 30개 박스가 모두 하나의 주덕트에서 공기를 가져갑니다. 박스가 유량을 줄이면 팬은 갑자기 더 작은 개구부에 같은 힘으로 공기를 밀어 주덕트 압력이 상승합니다. 박스가 열리면 주덕트 압력이 낮아집니다. 박스가 닫히면 정압이 올라 팬이 감속하고, 박스가 열리면 정압이 내려 팬이 가속합니다. 압력 센서 하나가 30개 요구를 요약합니다. 폴링도, 합산도, 오래되어 틀릴 계산도 없습니다. 팬은 시계가 아니라 건물 요구에 반응합니다.

이 네 박자 문장이 익숙하다면 펌프 제어에서 물을 대상으로 먼저 배웠기 때문입니다. 밸브가 닫히면 DP가 상승하고 펌프가 감속합니다. 방향과 로직, 세제곱 법칙에 따른 이익이 모두 같습니다. 수배관 학습에서는 부하가 조절되고 이송 장치가 반응한다는 대칭 구조를 두 페이지로 그렸습니다. 이제 공기 시스템에서도 두 절반이 완성됩니다. 앞 페이지는 조절, 이 페이지는 반응입니다. 오후 6시의 장면은 미완의 위기가 아니라 하나의 시퀀스가 됩니다. 댐퍼가 닫히고, 주덕트 압력이 오르며, 루프가 이를 감지하고, 팬은 올라왔던 방식대로 감속합니다. 이 페이지의 루프가 제 역할을 한다면 팬이 부드럽게 양보합니다.

덕트 3분의 2 지점의 센서 하나

루프는 세 부분으로 이루어지며 특별한 장치는 없습니다. 급기 주덕트에는 압력 트랜스듀서가 있습니다. 덕트 벽을 관통한 플라스틱 감지 튜브가 연결된 작은 상자로, 주변 공간을 기준으로 덕트 압력을 읽어 아날로그 신호로 보냅니다. 일반적인 중형 시스템의 설정값은 약 1.5 in. w.c.입니다. 건물 압력이 외피에서 측정한 값보다 50배 큰 수주 인치 단위입니다. 마지막은 출력으로 급기팬 VFD의 속도 기준값을 만드는 PID 루프입니다. 장치 전체는 AI 하나, AO 하나, 그 사이의 빠른 루프 하나입니다.

빠르다는 점을 짚어야 합니다. 앞 페이지의 존 루프는 분 단위로 움직입니다. 실내가 천천히 따뜻해지고 댐퍼가 움직인 뒤 주변 조건이 따라옵니다. 덕트 압력은 팬에 초 단위로 반응합니다. 속도 기준값을 건드리면 센서가 거의 즉시 감지합니다. 이렇게 빠른 루프는 완만하게 튜닝하지 않으면 헌팅합니다. 급기팬 VFD와 덕트 정압으로 이루어진 이 루프는 PID 튜너의 시나리오 중 하나입니다. 직접 운전해 얼마나 작은 게인이 필요한지 확인해 보세요. 이 페이지의 실습 도구입니다.

센서 위치는 중요한 설계 결정입니다. 팬 토출부에 설치하면 루프는 아무도 사용하지 않는 위치의 압력을 유지합니다. 설계 부하 오후에는 마지막 박스에 도달하기 전에 주덕트 먼 끝까지의 덕트 마찰로 압력 대부분을 소비합니다. 센서는 최악 조건을 볼 수도 없는데 이를 보호하려고 하루 종일 높은 값을 유지해야 합니다. 이는 수배관측 펌프 제어에서 지적한 것과 같은 실수입니다. 펌프 근처의 국부 DP는 루프 말단 상태를 알려 주지 않습니다. 수배관에서는 센서를 가장 먼 부하로 옮깁니다. 공기 시스템은 같은 논리의 절충안인 주덕트 길이의 약 3분의 2 지점을 사용합니다. 박스가 실제로 느끼는 값과 비슷할 만큼 멀고, 센서 하나가 여러 분기를 대표할 만큼 가깝습니다. 중요하지 않은 곳에서 큰 값을 유지하는 대신 필요한 곳에서 적정 값을 유지하면 하루 모든 시간의 비용이 줄어듭니다.

이 압력 분포 그림을 기억해 두세요. 설계 부하 오후의 주덕트는 팬에서 높고 경로를 따라 압력을 소비하는 가파른 언덕과 같습니다. 온화한 저녁에는 거의 평평합니다. 움직이지 않는 한 지점은 센서 위치입니다. 루프는 유지하는 값을 중심으로 전체 분포를 회전시킵니다. 그 지점의 상류는 팬이 담당하고 하류는 박스가 담당합니다. 곧 이 구분이 중요해집니다.

설정값 리셋: 다시 한번 세제곱 법칙

고정 설정값은 물에서와 같은 조용한 결함을 공기에서도 가집니다. 거의 발생하지 않는 최악 조건에 맞춰 선정됩니다. 1.5 in. w.c.는 연중 가장 더운 오후에도 가장 먼 박스가 설계 유량을 낼 수 있도록 정한 값입니다. 나머지 300일 동안 박스는 반쯤 닫혀 주덕트에 훨씬 적은 압력만 필요하지만 루프는 계속 설계값을 유지하고 각 박스는 자체 댐퍼에서 차이를 조절해 없앱니다. 팬이 세제곱 법칙에 따른 비용을 들여 만든 압력을 30개 댐퍼가 하루 종일 의도적으로 버립니다.

해결책은 펌프 제어와 같습니다. 아무도 필요로 하지 않을 때 설정값을 낮춥니다. 공기측 방식은 보통 트림 앤드 리스폰드라고 합니다. BMS가 박스 댐퍼를 폴링하고, 완전 열림에 가까운 박스가 없는 동안 정압 설정값을 조금씩 낮춥니다. 어느 박스가 주덕트가 제공하는 것보다 더 많은 압력을 요구해 완전 열림 한계로 움직이면 즉시 다시 높입니다. 정상 상태는 단순합니다. 설정값은 건물에서 가장 많이 열린 댐퍼가 거의 완전 열림인 위치에 정착합니다. 그 박스는 사실상 조절을 하지 않고 팬은 누군가 실제로 사용하는 압력만 만듭니다. 설정값 하강에는 하한이 있습니다. 정압이 너무 낮으면 먼 박스가 최소 환기량조차 만들지 못합니다. 하한과 설계값 사이에서는 설정값이 건물 요구를 따라갑니다.

이렇게 해야 하는 이유는 팬이 유닛에서 가장 큰 모터이고 동력이 속도의 세제곱에 비례하기 때문입니다. 속도를 절반으로 낮추면 동력은 8분의 1(약 13 %)이 됩니다. 설정값이 0.1인치씩 낮아질 때마다 같은 급기량에서 팬을 그만큼 더 느리게 운전할 수 있고, 절감량은 상사 법칙 도구의 계산처럼 누적됩니다. 고정 설정값 VAV 시스템도 세제곱 법칙의 이익 일부를 얻지만, 리셋을 적용하면 나머지까지 얻습니다. 아래 위젯에서 리셋 스위치는 온화한 저녁에 팬이 설계 동력의 약 5분의 1로 공회전하는 경우와 20분의 1로 공회전하는 경우의 차이를 만듭니다.

정압은 풍량이 아닙니다

이제 이 페이지가 존재하는 이유인 어려운 교훈을 살펴보겠습니다. 위의 모든 내용에서 팬은 압력 측정값 하나로 건물 요구를 추론합니다. 추론의 신뢰성은 전제의 신뢰성에 달려 있으며, 핵심 전제는 팬과 박스 사이의 경로가 설계자가 그린 그대로라는 것입니다. 이 전제가 깨지면 루프는 완벽하게 작동해도 루프가 유지하는 수치는 의미를 잃습니다. 덕트 정압은 압력을 보장할 뿐 풍량을 보장하지 않습니다. 문제가 되는 세 가지 경우를 심각도 순서로 살펴보겠습니다.

첫째 — 설계 자체의 특성입니다. 1.5 in. w.c., 즉 풍량 30,000 CFM에서의 값과 1.5 in. w.c., 즉 풍량 7,600 CFM에서의 값은 센서에서 구분할 수 없습니다. 이는 고장이 아니라 설계 의도입니다. 존 요구가 줄면 풍량이 자유롭게 감소하도록 루프가 압력을 일정하게 유지합니다. 그러나 정압 측정값이 정상이어도 풍량은 알 수 없다는 뜻입니다. 그래서 앞 페이지의 DX 인터록은 정압이 아니라 반드시 풍량으로 검증해야 했습니다. 해당 건물에서는 정압 트렌드가 설정값에 평평하고 정상 상태로 머무는 동안 오후 내내 코일 풍량이 부족했습니다.

둘째 — 막힘이 있을 때입니다. 앞 건물처럼 코일이 결빙되었다고 가정합니다. 코일은 팬 상류에 있고 얼음은 저항입니다. 막혀 가는 코일로 같은 공기를 통과시키려면 이전보다 더 많은 팬 출력이 필요합니다. 그러나 루프는 코일을 알지 못합니다. 센서 값이 설정값보다 약간 낮다는 것만 알고 제 역할을 수행합니다. 정압이 설정값으로 돌아올 때까지 팬 속도를 높입니다. 풍량과 정압은 같고 속도만 높아집니다. 루프가 고장을 적극적으로 가리며, 마찰 손실이 작아 추가 출력이 반올림하면 사라지는 저풍량에서 가장 깊이 가려집니다. 바로 코일 위험이 가장 큰 시간입니다. 루프가 정압 트렌드를 지키고 있으므로 여기서는 고장을 찾을 수 없습니다. 해당 건물의 트렌드에서 결국 드러난 흡입 압력이나 팬 속도에서 찾아야 합니다. 주어진 풍량에서의 Hz가 정직한 수치이며, 같은 부하에서 주마다 Hz가 조금씩 오른다면 센서가 보지 못하는 위치에서 저항이 커지고 있다는 뜻입니다.

셋째 — 이전에 시도한 수정입니다. 같은 건물의 더 이른 이야기입니다. 코일에 공기가 부족하자 누군가 눈앞의 수단을 택합니다. 팬을 더 돌려 공기를 늘리는 것입니다. 하지만 박스는 압력 독립형입니다. 각 박스가 풍량 설정값을 유지하므로 주덕트 압력이 올라가면 댐퍼를 조입니다. 존이 이미 풍량을 정했으므로 실제 풍량은 거의 변하지 않고 추가 팬 출력은 갈 곳 없는 압력으로 바뀝니다. 트렌드에서 덕트 정압이 상승하다 정확히 2.5 in. w.c.에서 평평해져 몇 시간이고 지나치게 매끄럽게 유지됩니다. 센서 범위 상단 부근의 둥근 수치에서 평평한 선은 측정값이 아닙니다. 센서가 풀스케일에서 포화된 것입니다. 0–10 V로 배선된 0–2.5 in. w.c. 트랜스듀서가 10 V에 고정되어 실제 값이 그 위에 있다는 사실만 보고합니다. 전압을 수주 인치로 바꾸는 계산은 신호 스케일링 도구가 수행합니다. 범위 끝을 모르면 포화 신호가 보이지 않으므로 빠르게 계산할 수 있어야 합니다. 아날로그 센싱 학습의 세 번째 부분은 이 상한값 판독 능력을 다룹니다. 실제 정압은 표시값을 훨씬 넘어 고정압 차단 장치가 동작해야 할 수준이었지만 차단 장치가 없었습니다. 팬 출력을 높이는 것은 애초에 해답이 아니었습니다. 팬은 압력을 만들고 박스는 풍량을 결정하며, 압력을 아무리 높여도 존 요구는 바뀌지 않습니다.

루프가 보호할 수 없는 경우

위의 모든 제어는 하나의 작은 압력 신호를 전적으로 신뢰합니다. 따라서 알아야 할 고장은 모두 그 신호가 잘못되는 형태이며, 갖춰야 할 보호 장치는 그 신호에 의존하지 않는 장치입니다.

고정압 차단 장치. 루프가 작동하지 않는 오후 6시 상황, 즉 팬은 운전하지만 덕트가 주먹처럼 닫히는 상황은 덕트가 견디도록 설계되지 않은 압력으로 끝납니다. 이음부가 큰 소리를 내고 플렉시블 덕트가 연결부에서 빠지며 점검문이 휘어집니다. 해답은 별도의 기계식 압력 스위치입니다. 설정값보다 훨씬 높은 값, 예를 들어 4 in. w.c. 수준으로 설정합니다. 이는 1.5 in. w.c.를 유지하는 시스템에 충분한 여유를 둔 값입니다. 팬을 정지시키도록 하드와이어링하며, 보통 사람이 원인을 확인해야 복귀하도록 수동 리셋을 사용합니다. 핵심은 별도 장치라는 점입니다. 트랜스듀서 값을 이용한 로직이어서는 안 됩니다. 이 장치가 필요한 순간은 포화된 센서, 막힌 튜브, 정지한 컨트롤러처럼 트랜스듀서 값이 거짓인 순간이기 때문입니다. 앞 이야기의 건물에는 차단 장치가 전혀 없었으며 한 이야기 전의 저압 차단 장치 누락과 같은 무방비 상태였습니다. 소프트웨어 수치가 사라질 때 하드웨어가 대응합니다.

감지 튜브. 트랜스듀서의 정확도는 연결된 플라스틱 튜브의 상태에 달려 있습니다. 튜브는 패널에 눌리고, 먼지로 막히며, 피팅에서 꺾이고, 차가운 구간을 지나면 응축수가 얼어 막힙니다. 낮은 값에 고정되는 방향이 위험합니다. 루프는 덕트 압력이 부족하다고 판단해 팬을 100 %로 올리고, 센서는 계속 낮다고 보고하는 동안 실제 정압은 제어 없이 상승합니다. 이때 차단 장치가 값을 합니다. 높은 값에 고정되면 조용한 반대 현상이 생깁니다. 팬은 저속 운전하고 먼 존의 풍량이 부족해 가장 긴 덕트 말단부터 불만이 접수됩니다. 펌프 제어의 트랜스듀서 드리프트 경고도 배관만 다를 뿐 같은 내용입니다. 작은 센서 하나를 전적으로 신뢰하므로 교정하고 보호해야 합니다.

덕트 자체. 센서 상류의 파손된 플렉시블 연결부나 열린 채 방치된 점검문은 루프가 부하와 구분할 수 없는 구멍입니다. 정압이 형성되지 않아 팬은 100 %에 고정되고 천장 플리넘을 계속 조화합니다. 앞서 본 정직한 수치인 부하와 더 이상 맞지 않는 팬 속도, 그리고 파손 지점 하류의 존들이 동시에 조용해지는 현상이 단서입니다. 루프는 원인을 판단하지 못한 채 더 이상 도달할 수 없는 설정값을 계속 유지하려 합니다.

팬을 운전하고 덕트를 관찰하세요

슬라이더 하나로 페이지 전체를 확인할 수 있습니다. 냉방을 요구하는 박스 수를 30개 중에서 조절하고 루프의 반응을 보세요. 정압을 유지하면서 건물 요구가 줄면 팬 속도도 내려갑니다. 설정값을 리셋으로 바꾸면 같은 저녁의 운전비가 더 낮아집니다. 이어서 이야기에서 발생한 두 방식으로 시스템을 고장 내 보세요. 코일을 결빙시키면 풍량과 정압은 같은데 속도만 높아지고 두 번째 표시줄의 정직한 수치와 달리 루프가 고장을 가립니다. 마지막 프리셋은 앞서 본 두 공기조화기에 시도했던 초기 수정 방법을 재현합니다.

위젯에서 고정한 조건은 루프 동특성(속도는 즉시 정착하며 PID 튜너에서 헌팅과 튜닝을 다룸), 트림 앤드 리스폰드의 느린 조정 과정 (리셋은 설정값이 정착하는 위치만 보여 주며 조정에 걸리는 시간은 생략), 박스측(박스 30개를 요구 슬라이더 하나로 압축하며 자세한 내용은 앞 페이지)입니다. 고정압 차단 장치도 모델링하지 않았으며 마지막 프리셋은 이 장치가 없을 때의 상태를 보여 줍니다. 정압은 건물 압력과 마찬가지로 단위 전환을 따르지만 트랜스듀서의 0–2.5 in. w.c. 범위와 팬의 Hz는 IP 기반 현장 표기를 그대로 유지합니다.

전체 경로 다시 살펴보기

유닛에서 루프까지의 흐름을 공기가 이동하는 순서대로 다시 살펴보겠습니다. 먼저 회기 그릴, 혼합부, 필터, 코일, 팬으로 이어지는 경로를 공기조화기에서 모든 구성요소의 지도로 그렸습니다. 이어서 혼합부의 핵심 기능을 배웠습니다. 외기가 회기보다 유리할 때 댐퍼를 열어 무료로 냉방합니다. 버린 공기는 건물 압력에서 별도 수지 항목이 되어 외피가 균형을 맞춰야 했습니다. 그 과정에서 명판이 불분명해도 눈앞의 유닛 형식을 식별하는 법을 배웠습니다. 급기 덕트 먼 끝에서는 30개 VAV 박스가 각 실의 요구에 반응하며 아무도 주덕트를 관리하지 않았습니다. 이 페이지는 덕트 시작점에 해답을 놓았습니다. 길이의 3분의 2 지점에서 하나의 압력을 유지하는 팬이 30개 박스가 필요한 풍량을 가져가도록 합니다. 부하가 조절되고 이송 장치가 반응하는 구조를 물에서 한 번, 이제 공기에서 한 번 그렸습니다.

이 흐름은 작동해야 하는 시스템을 보여 줍니다. 다음 내용은 작동해야 함과 실제로 작동함 사이의 차이입니다. 공기 밸런싱은 존별로 모든 박스가 도면의 설계 유량을 실제로 받는지 검증합니다. 한 구역의 풍량이 부족해도 주덕트는 설정값에 정확히 머물 수 있으며 이 페이지의 루프는 그 고장을 볼 수 없습니다. 외기전담공조는 이 유닛에서 환기 역할을 완전히 분리해 그 일만 하도록 만든 장치에 맡기며, 이에 따라 여기 코일의 요구 조건도 달라집니다.

이 흐름을 이해하면 여러 도구가 더 이상 블랙박스로 보이지 않습니다. 풍량 계산기는 판금을 벗긴 풍량 검출 링과 같습니다. 상사 법칙 도구는 이 페이지의 절감 논리를 실제 수치로 계산합니다. PID 튜너의 급기팬 시나리오는 헌팅까지 포함해 방금 운전한 루프입니다. 이 페이지들이 준비한 현장 방법은 다음과 같습니다. 다음에 공기조화기 앞에 서면 구성 구간을 따라가고, 유닛 형식을 식별하고, 댐퍼 최소 개도를 찾고, 릴리프가 어디로 가는지 확인하고, 주덕트를 따라 박스까지 간 다음, 누구의 말을 믿기 전에 팬 속도와 실제 풍량이라는 두 수치에 커서를 놓으세요. 정압은 설정값에 있을 것입니다. 대개 그렇습니다.