VAV 시스템 공기 시스템
이전 페이지는 유닛에서 멀어지는 방향으로 급기 덕트를 따라가면 액추에이터가 달린 박스를 만나며, 그 박스가 실제로 하는 일은 별도 페이지에서 설명하겠다고 마쳤습니다. 바로 이 페이지가 그 내용입니다. 처음부터 끝까지 한 가지 질문에 답합니다. 요구가 서로 다른 30개 존을 하나의 공기조화기가 어떻게 지원하며, 존에서 요구가 발생할 때 VAV 박스는 실제로 무엇을 할까요?
이 페이지는 회기, 혼합, 필터, 코일, 팬으로 이어지는 공기조화기 자체의 경로를 이미 알고 있다고 가정합니다. 이 경로는 이 장의 첫 페이지에서 설명합니다. 덕트에 공기를 공급하는 유닛이 실제로 VAV 방식인지 판단하는 세 가지 기준은 드라이브, 말단 박스와 이며, 이전 페이지의 CV 또는 VAV 판단 설명에서 다룹니다. 두 주제 중 하나라도 익숙하지 않다면 해당 페이지부터 읽으세요.
하나의 주 덕트, 30개의 요구
먼저 문제부터 살펴보겠습니다. 유닛은 하나이고 급기 온도도 하나이지만, 30개 존의 요구는 한 번도 같지 않습니다. 오후 햇볕에 달아오르는 모서리 사무실, 두 문 건너편의 사람이 가득 찬 회의실, 건물이 완공된 뒤 햇빛을 받은 적 없는 북측 벽이 함께 있습니다. 정풍량 시스템은 이 차이를 무시하는 방식으로 해결합니다. 밸런싱할 때 각 존의 풍량을 고정하고, 온도조절기와 가장 가까운 사람이 온도 다툼에서 이깁니다. 변풍량(VAV) 시스템은 다르게 해결합니다. 각 존에 자체 조절 장치를 부여합니다.
핵심은 무엇이 일정하게 유지되는지에 있습니다. 공기조화기는 모든 존에 공급하는 급기를 하루 종일 약 55 °F로 차갑고 일정하게 유지하며, 각 존의 박스가 해당 공기를 얼마나 많이 공급받을지 결정합니다. 부하가 크면 차가운 공기를 더 많이, 부하가 작으면 더 적게 공급합니다. 박스는 공기의 상태를 바꾸지 않고 양만 바꿉니다. VAV 박스는 온도가 아니라 풍량을 조절합니다. 서로 다른 30개 부하에 하나의 급기 온도와 30개의 서로 다른 풍량이 적용됩니다.
이 설명이 익숙하게 들리는 것은 당연합니다. 유체만 바꾼 부하 배관의 이야기이기 때문입니다. 그곳에서는 모든 코일에 2방 밸브를 달아 수량을 조절하고 플랜트가 이에 대응했습니다. 여기서는 모든 존에 박스를 설치해 풍량을 조절합니다. 부하가 조절하면 상류의 무언가가 이에 대응해야 합니다. 반대편에서 대응하는 역할은 덕트 정압 제어가 맡으며, 이는 밸브에 펌프 제어가 대응하는 것과 같습니다.
각 존이 이렇게 운전할 때 주 덕트가 겪는 변화를 살펴보세요. 전체 급기량은 30개 박스가 취하는 풍량의 합이며, 이 합계는 하루 종일 변합니다. 아침 예냉 시간에는 거의 모든 박스가 완전히 열리고, 온화한 오후에는 대부분의 박스가 최소 풍량 근처에서 운전합니다. 급기 팬에는 가변주파수 드라이브(VFD)가 적용되어 건물 부하와 함께 속도를 낮춥니다. VAV의 경제성은 여기서 나옵니다. 세제곱 법칙이 팬의 부분부하 운전비를 줄여 줍니다. 팬이 얼마나 속도를 낮출지 판단하는 방식은 덕트 정압 제어입니다. 이 페이지는 박스에 집중합니다. 팬이 대응해야 하는 모든 변화는 박스의 동작에서 시작하기 때문입니다.
박스 내부
기계 도면에서 큰 역할을 맡는 것에 비해 VAV 박스의 판금 구조는 놀랄 만큼 단순합니다. 원형 흡입구 칼라, 직사각형 본체, 존 디퓨저로 이어지는 토출부로 구성됩니다. 세 부품이 모든 일을 합니다. 첫째는 액추에이터가 축에 달린 하나의 날개를 돌리는 댐퍼입니다. 둘째는 흡입구를 가로지르는 풍량 센서입니다. 기류를 향하는 포트와 반대쪽을 향하는 포트가 있는 링 또는 십자형 평균값 검출 장치에서 두 개의 작은 튜브가 압력 변환기로 연결됩니다. 셋째는 소형 BAS 장치인 제어기입니다. 보통 건물 전체에서 가장 수가 많은 제어기 계열이므로 네트워크 예제마다 장치 이름이 VAV-101로 나타납니다.
풍량 센서는 자세히 살펴볼 가치가 있습니다. 이 센서 덕분에 박스가 자체 풍량을 측정하기 때문입니다.
상류와 하류 포트 사이의 압력차인 은 풍속의 제곱에
비례해 증가하므로 풍량은 제곱근을 따릅니다. 식은
CFM = K × √입니다. 여기서 K는 해당
검출 장치에 대해 제조사가 정한 계수로, 정확히 1.0 in. w.c.에서 읽는 CFM 값입니다. K = 1000인 박스가
0.36 in. w.c.를 읽으면 600 CFM이 흐릅니다. 풍량 계산기는 K와
로 풍량을 구하거나, 밸런싱 작업자의 후드 측정값으로 K를
역산하는 양방향 계산을 제공합니다. 또한 K 표기 방식은 제조사마다 다르고 이 계산 체계 전체가 US 단위 기반이므로,
미터법 박스에 표시된 K는 다른 라벨에 다른 숫자로 표기된다는 주의사항도 포함합니다.
난방 가능한 박스에는 부품이 두 개 더 있습니다. 토출부에는 소형 밸브로 제어하는 온수 또는 여러 단수의 전기히터를 사용하는 재열 코일이 있고, 바로 하류에는 토출공기 센서()가 있어 제어기가 존에 실제로 보내는 공기 상태를 확인합니다. 이 부품들의 목적은 몇 개 절 뒤에서 설명하겠습니다. 먼저 풍량 검출 링이 필요한 이유를 묻겠습니다. 박스가 댐퍼 위치만 유지하지 않고 풍량을 측정하는 이유는 무엇일까요?
박스가 위치가 아닌 풍량을 추종하는 이유
단순한 방식을 시험해 보겠습니다. 댐퍼를 50 % 열도록 명령하고 그대로 둡니다. 존에는 얼마나 많은 공기가 공급될까요? 알 수 없으며 그 값은 일정하게 유지되지도 않습니다. 댐퍼 위치는 통로 형상만 고정합니다. 이 통로를 지나는 풍량은 뒤쪽 압력에 따라 달라지고, 그 압력은 주 덕트의 모든 다른 박스가 하는 일과 팬이 얼마나 강하게 미는지에 따라 달라집니다. 이웃 박스들이 풍량을 줄이면 해당 박스의 흡입 압력이 올라가고, 부하가 전혀 변하지 않은 존에 50 % 열린 댐퍼가 한 시간 전보다 더 많은 공기를 조용히 공급합니다. 댐퍼 위치는 어떤 제어의 설정값도 아닙니다.
그래서 박스는 대신 두 개의 캐스케이드 루프를 운전합니다. 첫 번째 루프는 존 온도와 설정값을 비교하며, 출력은 댐퍼 명령이 아니라 박스 최소값과 최대값 사이의 CFM인 풍량 설정값입니다. 존이 더우면 풍량을 높이고 식으면 낮춥니다. 두 번째 루프는 풍량 검출 링을 감시합니다. 측정 CFM과 설정값을 비교해 차이를 없애는 위치까지 댐퍼를 구동합니다. 오늘 30 %, 오늘 밤 55 %일 수도 있지만 위치 자체는 중요하지 않습니다. 주 덕트 압력이 흔들리면 풍량 측정값도 흔들리고, 두 번째 루프가 존에 영향이 도달하기 전에 이 외란을 흡수합니다. 이것이 압력 독립의 의미입니다. 건물의 나머지 부분이 덕트 압력을 어떻게 바꾸든 존은 요구한 풍량을 공급받습니다. 수배관 측에서는 같은 이유로 위치가 아닌 유량을 계측하는 밸브인 PICV가 같은 역할을 합니다.
최소·최대 풍량의 출처 · 도면에서 시작해 후드로 확인
모든 박스의 최소·최대 CFM은 기계 장비 일람표의 두 열에서 시작합니다. 설계자가 존의 환기 배분량과 설계 냉방 부하에 따라 정한 숫자입니다. 커미셔닝 과정에서 이 값이 실제 조건과 맞춰집니다. 밸런싱 작업자는 디퓨저에 풍량 후드를 대고 박스가 통과한다고 표시하는 풍량과 실제 풍량을 비교해 교정합니다. 보통 후드 측정값과 제어기가 읽는 으로 K를 역산합니다. 이는 풍량 계산기의 두 번째 모드와 계산 예제에 해당합니다. 커미셔닝을 거치지 않은 박스도 풍량 루프를 완벽하게 추종하지만, 아무도 검증하지 않은 숫자를 중심으로 제어합니다.
다음으로 넘어가기 전에 한 가지 경계를 분명히 해야 합니다. 박스 댐퍼는 오직 해당 존의 풍량만 제어합니다. 덕트 압력을 유지하지도, 이웃 박스를 돕지도, 서로 조율하지도 않습니다. 30개 박스가 각자 자체 루프만 관리하는 것이 전체 동작이며, 시스템이 잘하거나 잘못하는 모든 일이 여기에서 비롯됩니다.
하한: 환기, 그리고 재열
존이 식으면서 풍량 설정값이 내려가는 과정을 따라가고 어디에서 멈추는지 살펴보세요. 0이 아닙니다. 모든 박스에는 최소값이 있으며, 첫 번째 이유는 이 장에서 계속 다뤄 온 환기입니다. 재실 존은 법규가 요구하는 환기용 외기 중 해당 존의 배분량을 받아야 하며, 이 공기는 급기에 실려 들어옵니다. 박스를 완전히 닫으면 온도는 적절할 수 있어도 환기량은 소리 없이 부족해집니다. 건물에 사람이 있는 동안에는 환기 하한을 낮출 수 없으며, 박스 수준에서는 최소 CFM이 바로 그 하한입니다.
그러나 최소 풍량 자체도 문제를 만듭니다. 최소 풍량으로 들어오는 공기도 존의 냉방 요구 여부와 관계없이 여전히 55 °F입니다. 작은 내주부 실은 최소 풍량만으로도 오전 중반이면 추워질 수 있습니다. 재열 코일은 이 문제를 해결합니다. 박스가 풍량을 최소값으로 유지하면서 토출 전에 공기를 데웁니다. 더 나은 시퀀스는 이를 또 하나의 캐스케이드로 운전합니다. 존 루프가 토출온도를 요구하고 센서가 재열 밸브 루프를 닫습니다. 따뜻한 공기가 천장에 성층되지 않고 실내까지 섞여 내려오도록 상한은 약 90 °F로 제한합니다. 플랜트가 비용을 들여 방금 냉각한 공기를 다시 데우는 것은 사실입니다. 그래서 재열량을 세심하게 계측하며, 재열 운전의 최소 풍량도 넉넉하게 잡기보다 정확하게 정해야 합니다.
박스가 아니라 유닛에 있는 하한도 하나 있습니다. 건물 압력 페이지에서 설명한 문제입니다. VAV 유닛에서는 박스가 풍량을 줄이면 급기 팬도 느려지고, 팬 속도가 낮을 때 고정된 외기 댐퍼 위치가 통과시키는 실제 외기량도 줄어듭니다. 설계 풍량에서 정확했던 최소 외기 설정도 절반 풍량에서는 사실과 달라집니다. 그래서 제대로 설계된 VAV 유닛은 최대 속도로 운전하던 어느 날 오후에 정한 댐퍼 각도를 믿지 않고 외기량을 측정하거나 목표값에 맞춰 능동적으로 제어합니다.
장비에도 최소 풍량이 있습니다
지금까지 살펴본 모든 하한은 존의 환기와 쾌적성을 보호했습니다. 마지막 하한은 장비를 보호하며, 이 페이지의 작성자가 실제로 고생하며 익힌 내용입니다. 유닛의 냉각 코일은 설계 풍량에 맞춰 용량을 선정합니다. 냉수 코일은 부분 풍량에 자연스럽게 대응합니다. 풍량이 줄면 흡수하는 열이 줄고 밸브도 닫히므로 수배관 측은 별문제 없이 적응합니다. 다시 수배관의 이야기입니다. 그러나 코일은 그렇지 않습니다. 이 코일은 냉매 회로의 증발기이며, 압축기가 운전하면 냉매를 끓일 따뜻한 공기가 충분한지와 관계없이 냉매가 흐릅니다. 현장 경험칙은 운전 중인 냉방 용량 1 ton당 약 400 CFM의 풍량입니다. K 계수와 마찬가지로 업계에서 사용하는 IP 단위 기반 값입니다. 운전 중인 단수에 이보다 훨씬 적은 풍량을 공급하면 흡입압력이 급락하고 코일 표면은 결빙 온도 아래로 내려갑니다. 핀에서 흘러내려야 할 응축수는 대신 핀에 얼어붙습니다. 얼음이 풍량을 더 막고 코일의 풍량 부족이 더 심해지는 악순환이 단계적으로 진행됩니다. 그대로 두면 코일 전체가 얼어붙고, 결국 압축기가 액냉매를 빨아들여 액압축(liquid slugging)을 일으키고 을 반복해 폐기할 지경에 이릅니다.
이제 이를 박스 동작과 연결해 보겠습니다. 온화한 오후에는 대부분의 존 요구가 충족되어 30개 풍량 설정값이 최소값까지 내려가고, 코일을 지나는 전체 풍량이 급격히 줄어듭니다. 한편 계속 요구하는 몇 개 존 때문에 압축기 단수는 운전 중입니다. 박스 측에는 아무 고장도 없습니다. 모든 박스가 각자 자체 루프를 관리하는 바로 그 동작이 코일 풍량을 부족하게 만듭니다. 따라서 -VAV 시스템은 이 불일치를 처리할 방안을 설계해야 합니다. 방법은 다음과 같습니다. 모든 박스의 최소 풍량 합계를 코일 하한을 절대 위반하지 않을 만큼 충분히 크게 정합니다. 단수 운전을 확인된 풍량과 인터록해 풍량 부족 상태로 운전하는 대신 해당 단수를 차단합니다. 이때 은 존 불만보다 압축기 보호를 우선합니다. 급기에서 회기로 연결되는 를 설치해 존에는 변풍량을 공급하면서 코일에는 정풍량이 흐르게 할 수도 있습니다. 이는 자체 문제가 있는 오래된 해법입니다. 또는 풍량이 급감할 때 로비나 복도로 열리는 박스인 덤프 존을 둘 수 있습니다. 제대로 설계된 유닛에는 이 중 하나 이상이 있습니다. 어느 방법도 없으면 시스템은 설계일에는 문제없이 운전하지만 온화한 날에는 스스로 손상됩니다. 위젯의 마지막 프리셋이 바로 그 건물입니다.
박스를 조작하며 코일 관찰하기
직접 조작하는 박스 한 대와 나머지 29개 박스, 그 뒤에 2단 유닛이 있습니다. 슬라이더는 존을 나타냅니다. 박스는 최소 풍량 (200 CFM)과 최대 풍량 (1,000 CFM) 사이의 풍량 설정값으로 대응합니다. 풍량 검출 링은 을 읽고, K = 1000이므로 최대 풍량에서 검출 장치가 정확히 1.0 in. w.c.를 읽습니다. 댐퍼는 풍량 루프가 요구하는 위치에 놓입니다. 나머지 박스의 동작을 바꾸고 풍량은 변하지 않는 동안 댐퍼가 움직이는 모습을 살펴보세요. 이것이 압력 독립의 의미입니다. 구분선 아래의 시스템 표시부는 코일의 상태를 집계합니다. 마지막으로 이 페이지 작성자가 아직 관리 중인 공기조화기 두 대를 재현한 마지막 프리셋을 실행해 보세요.
위젯에서 고정한 항목은 덕트 정압 루프입니다. 팬은 요구에 대응할 수 있다고 가정하며 이 제어는 다음 페이지에서 설명합니다. 습도와 부하, 실제 단수 제어 로직도 고정합니다. 실제 명판의 운전 방식을 대신해 단순한 두 개 단수를 사용합니다. 나머지 29개 박스는 29개의 슬라이더 대신 대략적인 세 가지 상태로 나타냅니다. 속도압과 ton당 CFM은 풍량 계산기와 마찬가지로 현장 IP 단위를 유지하고, 풍량과 온도는 단위 전환 설정을 따릅니다.
부하가 조절하면 이송 장치가 대응합니다
박스 관점에서 본 VAV 시스템을 정리하면 다음과 같습니다. 하나의 차가운 주 덕트와 30개의 조절 장치가 있고, 박스는 자체 풍량을 측정해 댐퍼 위치가 아니라 CFM을 추종합니다. 모든 항목에는 하한이 있습니다. 박스에는 환기 하한, 최소 풍량을 쾌적하게 유지하는 재열, 유닛에는 측정 외기량, 장비가 부분부하 운전일에도 견딜 수 있게 하는 코일 풍량 하한이 있습니다. 이 구조는 이 사이트에서 전에 살펴본 부하가 조절하고 이송 장치가 대응하는 관계 중 공기측 절반입니다. 이 페이지에서는 조절하는 쪽을 살펴봤습니다.
남은 한 가지 질문 · 압력은 어디로 갈까요?
오후 6시입니다. 건물에서 사람이 빠져나가고 같은 30분 안에 30개 존 루프의 요구가 모두 충족되며, 30개 댐퍼가 함께 최소 개도로 이동합니다. 팬은 주먹처럼 닫혀 가는 덕트 안으로 계속 공기를 밀고 있습니다. 모든 박스는 제 역할을 하지만 주 덕트 압력은 올라가서는 안 될 수준을 향해 상승합니다. 무엇을 양보할지, 팬이 이를 어떻게 알아차릴지, 얼마나 부드럽게 속도를 낮출지를 결정하는 것이 덕트 정압 제어입니다. 이 장의 다음 페이지이며, 대응하는 쪽에 해당합니다.