KR100711262B1 - 변풍량 공기조화 시스템 및 방법 - Google Patents

변풍량 공기조화 시스템 및 방법 Download PDF

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주영덕
이준호
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주식회사 나라컨트롤
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Abstract

본 발명은 변풍량 공기조화 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 환기측으로부터 환기팬에 이르는 환기 덕트의 임의의 위치에 환기 정압감지기를 배치하고, 급기정압 및 환기정압의 설정값에 의한 급기팬 및 환기팬의 제어와, 외기댐퍼 개도와 배기댐퍼 개도의 연동 제어와, 그리고 외기/혼합기 챔버 설정정압에 의한 바이패스댐퍼 개도의 제어를 통해, 건물 실내부하 변화로 급기풍량이 증가 또는 감소할 경우에 실내로부터 환기되는 풍량을 변동된 급기풍량에 맞게 환기풍량을 제어하도록 하였으며 급기풍량과 환기풍량 변화에 영향을 받지 않고 실내에 필요한 최소 요구 외기풍량을 공급할 수 있도록 함으로써, 보다 정확하고 안정적으로 급기풍량을 공급할 수 있으며, 효율적인 운전으로 에너지를 절약하고 적절한 실내 압력 유지 및 쾌적한 실내 공기 환경을 유지할 수 있는 경제적이고 안정적인 것이다.
공기조화, 정압감지기

Description

변풍량 공기조화 시스템 및 방법{VARIABLE AIR VOLUME HEATING VENTILATING AIR CONDITIONING SYSTEM AND METHOD}
도 1 및 도 2는 기존 일례로서, 변풍량 공기조화 시스템의 제어구성도 및 풍량 결과 그래프,
도 3 및 도 4는 기존 다른 예로서, 변풍량 공기조화 시스템의 제어구성도 및 풍량 결과 그래프,
도 5는 본 발명의 일실시예에 의한 변풍량 공기조화 시스템의 제어구성도,
도 6은 본 발명의 변풍량 공기조화 시스템의 환기팬 제어 과정을 나타낸 흐름도,
도 7은 본 발명의 외기/혼합기 챔버 설정정압을 선정하기 위한 과정을 나타낸 흐름도,
도 8은 본 발명의 환기 설정정압을 선정하기 위한 과정을 나타낸 흐름도,
도 9는 본 발명의 풍량 및 정압을 측정한 결과 및 해당 관계식을 갖는 그래프
도 10은 본 발명의 변풍량 공기조화 시스템의 풍량 및 정압 테스트 결과 데이터를 도시한 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
OD : 외기댐퍼
MD : 바이패스댐퍼
ED : 배기댐퍼
SA : 급기측
RA : 환기측
OA : 외기측
EA : 배기측
SPD : 급기 정압감지기
SPD-1 : 외기/혼합기 챔버 정압감지기
SPD-2 : 환기 정압감지기
FMS : 풍량측정장치
VVVF-1 : 급기팬 인버터
VVVF-2 : 환기팬 인버터
본 발명은 변풍량 공기조화 시스템 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 환기측으로부터 환기팬에 이르는 환기 덕트의 임의의 위치에 환기 정압감지기를 배 치하고, 배치된 환기 정압감지기로부터 감지된 환기정압에 의해 환기팬을 제어함으로써 보다 정확하고 안정적인 급기량 및 환기량을 공급하는 변풍량 공기조화 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근 에너지 절약의 필요성이 대두되고 생활의 질 향상에 따른 쾌적한 실내환경 유지에 대한 욕구가 증대되어 중대형 건물에 변풍량 공기조화 시스템 적용이 가속화되고 있다. 그러나, 현실적으로 변풍량 공조 방식 기술의 부적절한 적용과 운전 기술의 미비 및 사용되는 장비 또는 기기의 한계, 시공상의 문제로 만족스러운 결과를 얻지 못하고 있는 실정이다.
그러면, 여기서 기존 변풍량 공기조화 시스템에 대해 설명하기로 한다.
도 1 및 도 2는 기존 변풍량 공기조화 시스템의 제어구성도 및 풍량 결과 그래프를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기존 변풍량 공기조화 시스템은 배기측 덕트(EA), 외기측 덕트(OA), 환기측 덕트(RA) 및 급기측 덕트(SA)를 연계시키고 있으며, 이들 덕트에는 공기조화를 위한 장비가 설치되어 있다.
상기 배기측 덕트(EA)에는 실내의 공기를 외부로 유출시키는 배기량을 제어하는 배기댐퍼(ED)가 마련되며, 상기 외기측 덕트(OA)에는 외부로부터 공기를 건물 내로 흡수시키는 외기량을 제어하는 외기댐퍼(OD)가 마련되어 있다. 이 때, 상기 배기댐퍼(ED)와 외기댐퍼(OD)의 개도에 대응하여 동시에 제어되는 바이패스댐퍼 (MD)가 배기측과 급기측 사이에 마련되어 있다. 상기 환기측 덕트(RA)에는 실내의 공기를 흡입하는 환기량을 측정하기 위한 풍량측정장치(FMS)가 설치되며, 상기 환기량을 조절하기 위한 환기팬 인버터를 포함하는 환기팬(VVVF-2)이 설치되어 있다. 상기 급기측 덕트(SA)에는 실내로 공기를 공급하는 급기량을 측정하기 위한 풍량측정장치(FMS)가 설치되며, 상기 급기량을 조절하기 위한 급기팬 인버터를 포함하는 급기팬(VVVF-1)이 설치되어 있다. 여기에, 상기 급기측 덕트(SA)의 말단에는 통과하는 공기의 압력을 측정하기 위한 급기 정압감지기(SPD)가 설치되게 된다. 상기 각 덕트에 마련된 장비는, 미도시되어 있으나, 컨트롤러에 의해 전체적인 제어가 이루어지게 된다.
이와 같이 구성된 변풍량 공기조화 시스템은 다음과 같이 구동된다.
먼저, 급기팬(VVVF-1)의 회전속도는 실내로 공급되는 공기의 정압과 설정정압과의 차이에 의해 조절되고, 급기측 덕트(SA)에 설치된 풍량측정장치(FMS)에서 실내로 공급되는 공기의 동압을 측정하여 측정된 동압과 풍량측정장치(FMS)의 면적에 의해 급기량을 산정한다. 미리 설정된 급기량과 환기량의 비율에 의해 환기량을 재설정하며, 환기측 덕트(RA)에 설치된 풍량측정장치(FMS)에서 동압을 측정하여 측정된 동압과 풍량측정장치(FMS)의 면적에 의해 환기량을 산정한다. 급기량에 따른 환기량의 재설정값과 실제 환기량과의 편차에 의해 환기팬(VVVF-2)의 회전 속도를 제어한다. 또한, 외기량, 배기량 및 바이패스량을 조절하기 위해 컨트롤러에서 전송된 제어신호에 의해 배기댐퍼(ED), 외기댐퍼(OD), 바이패스댐퍼(MD)의 개도 정도 가 조절되게 된다. 이를 순서적으로 나열하면 다음과 같다.
① 외기/배기/바이패스댐퍼(MD) 개도는 서로 연동해서 제어
② 급기 정압감지기(SPD)에서 측정된 정압과 급기 설정정압과의 차이에 의해 급기팬(VVVF-1) 제어
③ 급기측 덕트(SA)에 설치된 풍량측정장치(FMS)에서 동압 측정
④ 동압과 풍량측정장치(FMS)의 면적에 의해 급기풍량 산정
⑤ 미리 설정된 급기풍량과 환기풍량의 비율에 의해 환기풍량 재설정
⑥ 환기측 덕트(RA)에 설치된 풍량측정장치(FMS)에서 동압 측정
⑦ 동압과 풍량측정장치(FMS)의 면적에 의해 환기풍량 산정
⑧ 급기풍량에 따른 환기풍량의 재설정값과 실제 환기풍량과의 편차에 의해 환기팬(VVVF-2) 제어
그런데, 상기한 변풍량 공기조화 시스템은 다음과 같은 단점이 있다.
상기 풍량측정장치(FMS)는 고가일 뿐만 아니라, 풍량측정장치(FMS)의 설치 공간의 부족으로 층류 형성이 되지 않아 측정 오차가 발생하며, 외기, 환기의 온습도 차이에 의한 공기 비중차를 고려하지 않아 풍량의 편차가 발생하여 오차가 발생하며, 차압 트랜스미터 자체의 오차와 환산 등에 의한 오차 등으로 인한 오차 누적으로 전체적으로 큰 오차를 발생시키는 문제점이 있었다.
또한, 배기댐퍼(ED), 외기댐퍼(OD), 바이패스댐퍼(MD)를 컨트롤러를 통해 하나의 제어신호로 동시에 제어함으로써, 소요 외기량 확보를 위한 바이패스댐퍼(MD) 의 독립적인 제어가 불가능하며, 댐퍼의 비선형 특성으로 인해 댐퍼의 개폐 위치를 변경하여도 요구되는 배기량과 외기량의 정확한 비율을 얻기 어려운 문제점이 있었다.
이를 도 2를 통해 고찰하면, 풍량측정장치(FMS)를 사용하는 기존 제어방식에 의하면 외기댐퍼(OD)/배기댐퍼(ED) 개도는 60％로, 바이패스댐퍼(MD) 개도는 40％로 고정하고 급기팬(VVVF-1)은 급기설정정압과 급기정압과의 차이에 의해 제어되며 환기팬(VVVF-2)은 급기측 풍량측정장치(FMS) 및 환기측 풍량측정장치(FMS)에 의해 계산된 풍량과 설정풍량과의 차이에 의해 제어된다. 임의의 실내부하 변동에 대한 풍량 변화는 도 2에 도시된 바와 같으며, 결과에서 볼 수 있듯이 급기풍량 변화에 따른 환기풍량 변화의 차이가 일정하지 않으며, 외기풍량의 경우 최소 요구 외기풍량을 만족시키지 못하고, 실내부하가 감소하여 급기풍량이 감소할 경우에는 외기풍량이 거의 도입되지 못하는 것을 알 수 있었다.
이에 본 출원인에 의해 기 제안된 등록특허 제483691호에는 상기한 문제점을 해결한 변풍량 공기조화 시스템을 제안하고 있다.
도 3 및 도 4는 기 제안된 기존 변풍량 공기조화 시스템의 제어구성도 및 풍량 결과 그래프를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 도 1의 구성에 대비하여 고가장비인 풍량측정장치(FMS)가 제거되었으며, 외기측 덕트(OA)를 통해 실내로 공급되는 최소 요구외기량을 조절하기 위한 바이패스댐퍼(MD)는 외기댐퍼(OD)와 공조기 내 필터 사이의 공간내에 위치 한 외기/혼합기 챔버 정압감지기(SPD-1)에서 정압을 감지하여 제어되고, 환기량을 제어하기 위한 환기팬(VVVF-2) 인버터를 포함하는 환기팬은 환기팬 전단과 배기댐퍼, 바이패스댐퍼 사이의 공간 내에 위치한 환기/배기 챔버 정압감지기(SPD-2)에서 정압을 감지하여 제어된다. 이외의 구성은 도 1의 변풍량 공기조화 시스템과 유사하므로 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
이와 같이 구성된 변풍량 공기조화 시스템은 다음과 같이 구동된다.
먼저, 사용자에 의해 미리 설정된 외기댐퍼(OD)와 배기댐퍼(ED)의 초기 개폐 위치 설정, 실내 이산화탄소 설정량, 최대 급기량 등이 컨트롤러에 입력됨과 아울러, 상기 입력된 초기 설정값에 의해 초기 최소외기량 설정, 환기/배기 챔버 정압과 외기/혼합기 챔버 정압이 유지해야 할 초기 설정 압력을 설정하여 바이패스댐퍼(MD)의 초기 개폐 위치와 환기팬(VVVF-2)의 초기 회전속도를 설정한다. 이후 가동을 시작하면, 설정시간 간격으로 외기/혼합기 챔버의 정압을 측정하여 바이패스댐퍼(MD)를 제어하게 되는데, 감지된 압력값과 미리 설정된 압력값을 비교하여 일정이상의 변화가 발생하면 바이패스댐퍼(MD)의 개폐 위치를 변경시킴과 아울러, 설정시간 간격으로 환기/배기 챔버의 정압을 측정하여 환기팬(VVVF-2)을 제어하게 되는데, 감지된 정압과과 미리 설정된 정압을 비교하여 일정이상 차이가 발생할 경우 환기팬(VVVF-2)의 회전속도 등을 조절하여 환기량을 제어하다. 그리고, 설정시간 간격으로 실내로 공기를 공급하는 급기측 덕트(SA)에 구비된 급기 정압감지기(SPD)로부터 감지된 정압과 미리 설정된 정압의 차이를 계산하여 일정이상의 차이가 발 생하면 급기팬(VVVF-1)의 회전 속도 등을 조절하여 공급되는 급기량을 조절한다. 이를 순서적으로 나열하면 다음과 같다.
① 사용자에 의해 외기/배기댐퍼(ED) 개도 고정
② 급기정압(SPD)과 급기 설정정압과의 차이에 의해 급기팬(VVVF-1) 제어
③ 공조기의 외기/혼합기 챔버 내의 정압(SPD-1)과 설정알고리즘에 의해 재설정된 외기/혼합기 챔버 설정정압과의 차이에 의해 바이패스댐퍼(MD) 개도 제어
④ 공조기의 환기/배기 챔버 내의 정압(SPD-2)과 설정알고리즘에 의해 재설정된 환기/배기 챔버 설정정압과의 차이에 의해 환기팬(VVVF-2) 제어
그런데, 상기한 변풍량 공기조화 시스템은 다음과 같은 단점이 있다.
이를 도 4를 통해 고찰하면, 외기/혼합기 챔버 정압과 환기/배기 챔버 정압을 이용한 방식으로써, 외기/배기댐퍼(ED) 개도는 40％로 고정하고 급기팬(VVVF-1)은 급기설정정압과 급기측정정압과의 차이에 의해 제어되고, 환기팬(VVVF-2)은 환기/배기 챔버 정압과 설정정압에 의해 제어되며 바이패스댐퍼(MD)는 외기/혼합기 챔버 정압과 설정정압과의 차이에 의해 제어된다. 외기/혼합기 챔버 설정정압은 -10 mmAq, 환기/배기 챔버 설정정압은 풍량 변화에 맞게 재설정된다. 임의의 실내부하 변동에 대한 풍량 변화는 도 4와 같으며 결과에서 볼 수 있듯이, 급기풍량은 부하 변동에 맞게 안정적인 변화를 보이고 있으나 환기풍량은 부하 변동에 맞게 풍량이 증감하고 난 후 일정하게 유지하지 못하고 증가하는 현상을 볼 수 있다. 이러한 현상의 원인은 바이패스댐퍼(MD) 개도 변화에 의한 정압 변화와 환기팬(VVVF-2) 이 불어내는 풍량이 챔버 내에서 와류 현상을 발생시킴으로 챔버 내에 있는 환기/배기 챔버정압이 계속 헌팅하기 때문이다. 실내 부하 변동에 대한 외기풍량은 최소 요구 외기풍량을 만족시키고 있지만 환기풍량의 증가로 인하여 외기풍량이 약간 감소하는 현상을 확인할 수 있었다. 또한 환기/배기 챔버 정압이 계속 헌팅하는 현상이 발생하기 때문에 바이패스댐퍼(MD) 구동기와 환기팬(VVVF-2)의 장비 수명에도 나쁜 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
이와 같이, 환기/배기 챔버 정압감지기(SPD-2)의 위치 선정에 문제가 있으며, 이를 해결하기 위해 상기 환기/배기 챔버 정압감지기(SPD-2)에 방사형으로 구멍이 뚫려 있는 캡을 씌워 와류의 영향을 줄일 수 있었으나 완전히 안정적인 정압은 확보하기 어려웠으며, 또한 환기팬(VVVF-2) 출력 변화폭에 비해 환기/배기 챔버 정압 변화폭이 극히 작아 제어를 위한 측정 위치가 부적절하였으며, 용량이 적은 공조기에서는 어느 정도 적용이 가능하나 용량이 큰 공조기의 경우에는 상기한 문제점들로 인하여 정확한 환기팬(VVVF-2) 제어에 한계성을 가지고 있었다.
따라서, 본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 환기팬에 의한 환기/배기 챔버의 와류 및 정압의 헌팅 현상을 고려하여 감지기를 환기팬 후단측의 환기덕트(RA)에 설치하고, 상기 환기 덕트에 배치된 환기정압감지기로부터 감지된 환기정압에 의해 환기팬을 제어함으로써 보다 정확하고 안정적인 급기량 및 환기량을 공급하는 변풍량 공기조화 시스템 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 하나의 양상은, 실내와 외부를 연결하는 공기 통로를 형성시킨 변풍량 공기조화 시스템에 적용되는데, 실내로의 급기를 위해 외부로부터의 공기 유입량인 외기량을 조절하는 외기댐퍼와, 상기 외기댐퍼와 연동되어 실내로부터 환기를 위해 외부로의 공기 유출량인 배기량을 조절하는 배기댐퍼로 이루어진 제 1 제어부; 상기 환기되는 공기량인 환기량을 바이패스시켜 실내로 공급시키기 위한 바이패스량을 조절하는 바이패스댐퍼와, 상기 바이패스댐퍼 개도를 조절하기 위해 상기 바이패스량과 외기량의 정압을 감지하여 바이패스 정압신호를 출력시키는 제 1 정압감지기로 이루어진 제 2 제어부; 상기 바이패스량과 외기량에 대해 실내로 공기를 공급하는 급기팬 인버터를 포함하는 급기팬과, 상기 급기팬으로부터 공급되는 공기량의 정압을 감지하여 급기 정압신호를 출력시키는 제 2 정압감지부로 이루어진 제 3 제어부; 상기 환기량의 정압을 감지하여 환기 정압신호를 출력시키는 제 3 정압감지부와, 상기 환기 정압신호에 대응하여 환기량 을 조절하는 환기팬 인버터를 포함하는 환기팬으로 이루어진 제 4 제어부; 및 상기 바이패스 정압신호에 대응하여 바이패스댐퍼로의 제어신호를 출력시키고, 상기 급기 정압신호에 대응하여 상기 급기팬 인버터로 제어신호를 출력시키고, 상기 환기 정압신호에 대응하여 상기 환기팬 인버터로 제어신호를 출력시키는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화 시스템에 관계한다.
한편, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 양상은, 실내와 외부를 연결하는 공기 통로를 형성시켜 공기를 조화시키는 변풍량 공기조화 방법에 관한 것으로서, (a) 급기팬을 통해 제어된 급기량이 실내로 공급됨과 아울러 급기량의 정압을 측정하여 급기팬의 제어를 수행하는 단계; (b) 상기 실내로부터 환기되는 공기량인 환기량의 정압을 측정하는 단계; (c) 상기 환기량 정압에 대응하여 제어된 환기팬을 통해 공기를 환기시킴과 아울러 바이패스댐퍼를 통해 상기 급기팬측으로 바이패스시키는 단계; 및 (d) 상기 바이패스시킨 바이패스량과 외부로부터의 공기 유입량인 외기량을 혼합한 혼합량의 정압을 측정하여 상기 바이패스댐퍼 개도를 제어함과 아울러 상기 혼합량을 급기팬으로 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화 방법에 관계한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 더욱 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명의 변풍량 공기조화 시스템의 제어구성도를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 변풍량 공기조화 시스템은 기존 시스템에서와 같이 배기측 덕트(EA), 외기측 덕트(OA), 환기측 덕트(RA) 및 급기측 덕트(SA)를 연계시키고 있으며, 이들 덕트에는 공기조화를 위한 장비가 설치되어 있다. 상기 배기측 덕트(EA)에는 실내의 공기를 외부로 유출시키는 배기량을 제어하는 배기댐퍼(ED)가 마련되며, 상기 외기측 덕트(OA)에는 외부로부터 공기를 건물 내로 흡수시키는 외기량을 제어하는 외기댐퍼(OD)가 마련되어 있다. 환기측 덕트(RA)를 통하 는 실내 공기의 환기량을 바이패스시켜 다시 실내로 공급되도록 하는 바이패스량과 실내에 요구되는 최소 요구외기량을 조절하기 위해 외기/혼합기 챔버의 정압을 감지하는 외기/혼합기 챔버 정압감지기(SPD-1)가 바이패스댐퍼(MD), 외기댐퍼(OD) 사이에 마련되며, 환기량이 배기량과 바이패스량으로 분기되도록 환기팬(VVVF-2) 인버터를 포함하는 환기팬(VVVF-2)을 제어하도록 환기량의 정압을 감지하는 환기 정압감지기(SPD-2)가 환기측과 환기팬(VVVF-2) 사이의 환기 덕트에 설치되어 있다. 그리고, 급기측 덕트(SA)에는 급기팬 인버터를 포함하는 급기팬(VVVF-1)과, 급기량의 정압을 감지하는 급기 정압감지기(SPD)가 설치되어 있다. 상기 각 덕트에 마련된 장비는, 미도시되어 있으나, 컨트롤러에 의해 전체적인 제어가 이루어지게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명의 변풍량 공기조화 시스템은 다음과 같이 구동된다.
먼저, 환기팬(VVVF-2) 및 급기팬(VVVF-1) 인버터 출력변화에 따른 급기풍량과 환기풍량 관계 데이터(미리 측정된 풍량 데이터)를 확보하고, 환기팬(VVVF-2) 및 급기팬(VVVF-1) 인버터 출력변화에 따른 환기정압 관계 데이터도 미리 확보한 상태에서, 환기팬(VVVF-2) 출력, 환기풍량, 환기정압과의 관계를 사용하여 환기팬(VVVF-2)을 제어하기 위한 환기정압의 설정알고리즘을 선정한다. 이와 같은 상태에서 도 6에 도시된 바와 같은 최소 요구외기량 확보를 위한 환기팬(VVVF-2) 제어 알고리즘을 수행하게 된다. 이하, 설명하는 환기팬(VVVF-2) 제어 모드는 공조기 제어 운전모드 중 한 모드로써, 다양한 모드로의 적용이 가능함은 주지의 사실이다.
도 6은 환기팬 제어 알고리즘을 나타낸 전체 순서도이다.
도 6을 참조하면, 상기한 바와 같이 하나의 운전 모드인 공조기 운전 모드를 환기팬(VVVF-2) 제어 모드로 변경하게 되면, 외기/배기댐퍼(ED) 개도를 임의의 값, 예를 들어 40％로 설정하고(S10), 외기/혼합기 챔버 설정정압 선정 순서도에 따라 선정된 설정정압이 적용된다(S11).
이후, 급기측정정압과 급기설정정압과의 차이를 측정하여(S12) 상기 급기측정정압과 급기설정정압과의 차이가 오차범위를 넘을 경우에는 급기팬(VVVF-1) 제어를 수행하고(S13), 상기 급기측정정압과 급기설정정압과의 차이가 오차범위를 넘지 않을 경우에는, 다음으로 환기량 수학적 모델식으로부터 환기량을 계산하게 된다(S14). 이어서, 환기설정정압 수학식 모델로부터 환기설정정압을 계산하게 된다(S15). 이후, 상기 환기측정정압과 환기설정정압과의 차이를 측정하여(S16) 환기측정정압과 환기설정정압과의 차이가 오차범위를 넘을 경우에는 환기팬(VVVF-2) 제어를 수행하고(S17), 상기 환기측정정압과 환기설정정압과의 차이가 오차범위를 넘지 않을 경우에는 현재 제어상태를 유지하면서 상기한 급기팬(VVVF-1) 및 환기팬(VVVF-2)의 제어를 연속적으로 수행하게 된다. 한편, 변풍량 공기조화 시스템의 정지 요청이 있을 경우에는 시스템을 종료하고, 그렇지 않을 경우에는 상기한 단계 S12로 진행하여 급기팬(VVVF-1) 및 환기팬(VVVF-2)의 제어를 연속적으로 수행하게 된다(S18).
한편, 상기 단계 S11 이후, 즉 상기 급기팬(VVVF-1)과 환기팬(VVVF-2)을 제 어하는 과정을 수행함과 동시에, 외기/혼합기 챔버 측정정압과 외기/혼합기 챔버 설정정압과의 차이를 측정하는데(S19), 상기 외기/혼합기 챔버 측정정압과 외기/혼합기 챔버 설정정압과의 차이가 오차범위를 넘을 경우에는 바이패스댐퍼(MD) 제어를 수행하고(S20), 상기 외기/혼합기 챔버 측정정압과 외기/혼합기 챔버 설정정압과의 차이가 오차범위를 넘지 않을 경우에는 현재 제어상태를 유지하면서 상기 급기팬(VVVF-1) 및 환기팬(VVVF-2) 제어와 연동되어 연속적인 운전을 수행하게 된다.
한편, 공조기 팬을 ON 하고 처음부터 환기팬(VVVF-2) 제어 모드로 운전할 경우에는 보다 빠르고 효과적으로 제어하기 위해 초기 설정치에 의해 초기 운전을 3분동안 적용한다. 초기 운전은 환기 초기 설정정압에 의해 팬 출력을 80％로 운전하도록 한다. 한편, 다른 모드로 공조기를 운전하다가 환기팬(VVVF-2) 제어 모드로 변경될 시에는 그때 급기출력에 대한 급기풍량을 계산하여 환기설정정압을 재설정한다. 환기설정정압을 재설정 주기는 1분이며, 급기측정정압과 급기설정정압과의 오차가 ±1을 초과하였을 경우에 재설정되는 것이 바람직하다.
이를 순서적으로 나열하면 다음과 같다.
① 팬 인버터 출력변화에 따른 급기풍량과 환기풍량 관계 데이터 확보(TAB 업체 풍량 데이터)
② 팬 인버터 출력변화에 따른 환기정압 관계 데이터 확보
③ 환기팬(VVVF-2) 출력, 환기풍량, 환기정압과의 관계를 사용하여 환기팬(VVVF-2)을 제어하기 위한 환기정압의 설정알고리즘 선정
④ 외기/배기댐퍼(ED) 개도를 40％로 고정
⑤ 급기 정압(SPD)과 급기 설정정압과의 차이에 의해 급기팬(VVVF-1) 제어
⑥ 외기/혼합기 챔버 정압(SPD-1)과 최소 외기량 확보를 위해 설정된 설정정압과의 차이에 의해 바이패스댐퍼(MD) 개도 제어
⑦ 환기정압(SPD-2)과 설정알고리즘에 의해 설정되는 환기설정정압과의 차이에 의해 환기팬(VVVF-2) 제어
도 7은 환기팬 제어 알고리즘의 전체 순서도에서 외기/혼합기 챔버 설정정압을 선정하기 위한 순서도이다.
도 7을 참조하면, 외기댐퍼(OD) 개도와 배기댐퍼(ED) 개도를 40％로 개방하여 고정하고(S30), 급기팬(VVVF-1) 인버터 출력과 환기팬(VVVF-2) 인버터 출력을 80％로 운전한다(S31). 바이패스댐퍼(MD)를 수동으로 조정하면서 외기풍량을 측정한다(S32∼S33). 이어서, 측정되는 외기풍량이 설계시 요구되는 최소 외기풍량을 유지하도록 바이패스댐퍼(MD) 개도를 조정한다(S34). 최소 외기풍량을 유지하고 있을 때의 외기/혼합기 챔버 정압을 선정하여(S35) 최소 외기풍량을 확보하기 위한 바이패스댐퍼(MD) 개도 제어알고리즘에 사용되는 외기/혼합기 챔버 설정정압으로 사용한다(S36).
도 8은 환기팬 제어 알고리즘의 전체 순서도에서 환기 설정정압을 선정하기 위한 순서도이다.
도 8을 참조하면, 외기/배기/바이패스댐퍼(MD) 개도를 40％/40％/60％로 고 정하고(S40), 급기팬(VVVF-1)과 환기팬(VVVF-2) 인버터 출력을 100％, 70％, 50％로 변화시켜(S41) 급기풍량, 환기풍량, 환기정압, 외기/혼합기 챔버 정압, 급기정압을 측정하여(S42∼S43) 환기 풍량 수학적 모델링 및 환기 설정 정압 수학적 모델링을 위해 아래 [표]를 만든다(S44∼S45).
[표]
출력 (％) 급기풍량 (CMH) 환기풍량 (CMH) 급기정압 (mmAq) 환기정압 (mmAq) 외기/혼합기 챔버 정압 (mmAq)
100 9650 9000 36.2 -12.1 -15.5
70 6800 6300 15.2 -5.4 -7.5
50 5100 4500 6.8 -2.7 -3.9
상기한 [표]는 풍량 및 정압 테스트 데이터를 나타낸 것으로서, 상기 풍량 및 정압 테스트한 데이터를 엑셀 시트에 입력하였을 경우 도 9와 같은 그래프가 출력된다. 상기한 그래프는 제어알고리즘에 들어가는 관계 다항식을 아래와 같이 구성하게 된다.
Qs = 91.316*％s + 486.84
Qr = Qs - 700
Pr_set = -2E-07*Qr2 + 0.0009*Qr - 2.1333
(여기서, Pr_set은 환기설정정압을 의미하고, Qr은 환기풍량을 의미하고, Qs는 급기풍량을 의미하고, Qe는 배기풍량을 의미하고, ％s는 급기팬 출력을 의미하고, E는 무엇을 의미함.)
이와 같이, 환기설정정압(Pr_set)은 위 표에서 환기풍량(Qr)과 환기정압과의 관계에 의해 2차 관계 다항식으로 구성된다. 환기풍량은 급기풍량(Qs)에서 배기풍량(Qe)을 뺀 값으로 급기풍량은 위 표에서 출력(％s)과 급기풍량과의 관계에 의한 1차 관계 다항식에 의해 결정되고 배기풍량은 설계시 정해지는 고정된 풍량이다. 관계 다항식을 정리하면 아래와 같다.
Pr_set = A1*Qr2 + A2*Qr + A3
Qr = Qs - Qe
Qs = B1*％s + B2
(여기서, A1, A2, A3, B1, B2는 테스트를 통해 알려진 상수값임.)
도 10은 본 발명의 변풍량 공기조화 시스템의 풍량 및 정압 테스트 결과 데이터를 도시한 그래프이다.
도 10을 참조하면, 외기/혼합기 챔버 정압과 환기정압을 이용한 방식으로써, 외기댐퍼(OD)/배기댐퍼(ED) 개도는 40％로 고정하고 급기팬(VVVF-1)은 급기설정정압과 급기측정정압과의 차이에 의해 제어되고, 환기팬(VVVF-2)은 환기측정정압과 환기설정정압에 의해 제어되며 바이패스댐퍼(MD)는 외기/혼합기 챔버정압과 외기/혼합기 챔버 설정정압과의 차이에 의해 제어된다. 최소 요구 외기풍량을 만족시키기 위한 외기/혼합기 챔버 설정정압은 -10 mmAq, 환기설정정압은 TAB 업체로 부터 취득한 풍량 데이터와 정압감지기로부터 측정된 정압 데이터를 조합하여 환기풍량 에 대한 2차 관계 다항식을 선정할 수 있으며, 이미 설정된 환기설정정압과 재설정된 환기설정정압과의 차이가 허용범위를 벗어날 경우 재설정된 환기설정정압이 적용되도록 하였다.
임의의 실내부하 변동에 대한 풍량 변화는 그림 10과 같으며, 결과에서 볼 수 있듯이 급기풍량은 부하 변동에 맞게 안정적인 변화를 보이고 있으며 환기풍량은 급기풍량 변화에 맞게 일정한 차이를 보이며 부하 변동에 따라 안정적으로 제어되고 있는 것을 알 수 있었다. 또한 실내부하 변동에 상관없이 외기풍량이 최소 요구 외기풍량에 맞게 안정적으로 제어되고 있는 것도 알 수 있었다. 부하 변동이 발생할 경우 5∼10분 내에 안정화되기 때문에 기존 제어방식에서 나타났던 정압 헌팅 문제로 인한 댐퍼 구동기와 환기팬(VVVF-2)의 잦은 제어를 피할 수 있게 되어 장비에 무리가 가는 것을 최소화할 수 있었다.
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 많은 변형이 가능함은 명백할 것이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 변풍량 공기조화 시스템 및 방법은, 환기팬 제어를 위한 정압감지기의 위치가 환기/배기 챔버 내에서 환기측 덕트로 이동함으로써, 환기팬 출력 변화폭에 대해 환기덕트에 위치한 환기정압 변화가 환기/배기 챔버 정압 변화 보다 크기 때문에 제어를 위한 측정 위치로서 적합할 뿐만 아니라, 실내부하 변화에 상관없이 최소 요구 외기풍량을 확보할 수 있으며, 또한 환기풍량도 급기풍량과 일정한 차이로 실내부하에 맞게 안정적으로 제어할 수 있다. 결국, 용량이 적은 공기조화 시스템 및 용량이 큰 공기조화 시스템에서 안정성이 확보된 제어를 수행할 수 있게 되는 것이다.

Claims (8)

  1. 실내와 외부를 연결하는 공기 통로를 형성시킨 변풍량 공기조화 시스템에 있어서,
    실내로의 급기를 위해 외부로부터의 공기 유입량인 외기량을 도입하기 위한 외기댐퍼와, 상기 외기댐퍼와 연동되어 실내로부터 환기를 위해 외부로의 공기 유출량인 배기량을 배출하기 위한 배기댐퍼로 이루어진 제 1 제어부;
    상기 환기되는 공기중의 일부를 바이패스시켜 실내로 다시 공급하는 바이패스량과 외기량의 비율을 맞추어 최소 요구 외기량으로 조절하는 바이패스댐퍼와, 상기 바이패스댐퍼 개도를 조절하기 위해 상기 바이패스량과 외기량의 정압을 감지하여 외기/혼합기 챔버 정압신호를 출력시키는 제 1 정압감지기로 이루어진 제 2 제어부;
    상기 바이패스량과 외기량에 대해 실내로 공기를 공급하는 급기팬 인버터를 포함하는 급기팬과, 상기 급기팬으로부터 공급되는 공기량의 정압을 감지하여 급기 정압신호를 출력시키는 제 2 정압감지부로 이루어진 제 3 제어부;
    상기 환기량의 정압을 감지하여 환기 정압신호를 출력시키는 제 3 정압감지부와, 상기 환기 정압신호에 대응하여 환기량을 조절하는 환기팬 인버터를 포함하는 환기팬으로 이루어진 제 4 제어부; 및
    상기 외기/혼합기 챔버 정압신호에 대응하여 바이패스댐퍼로의 제어신호를 출력시키고, 상기 급기 정압신호에 대응하여 상기 급기팬 인버터로 제어신호를 출력시키고, 상기 환기 정압신호에 대응하여 상기 환기팬 인버터로 제어신호를 출력시키는 컨트롤러
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화 시스템.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 실내와 외부를 연결하는 공기 통로를 형성시켜 공기를 조화시키는 변풍량 공기조화 방법에 있어서,
    (a) 급기팬을 통해 제어된 급기량이 실내로 공급됨과 아울러 급기량의 정압을 측정하여 급기팬의 제어를 수행하는 단계;
    (b) 상기 실내로부터 환기되는 공기량인 환기량 정압을 측정하는 단계;
    (c) 상기 환기량 정압에 대응하여 제어된 환기팬을 통해 공기를 환기시킴과 아울러 바이패스댐퍼를 통해 상기 급기팬측으로 바이패스시키는 단계; 및
    (d) 상기 바이패스시킨 바이패스량과 외부로부터의 공기 유입량인 외기량을 혼합한 혼합량의 정압을 측정하여 상기 바이패스댐퍼 개도를 제어함과 아울러 상기 혼합량을 급기팬으로 제공하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 (a) 단계 이전에,
    실내로의 급기를 위해 외부로부터의 공기 유입량인 외기량을 조절하는 외기댐퍼와, 상기 외기댐퍼와 연동되어 실내로부터 환기를 위해 외부로의 공기 유출량인 배기량을 조절하는 배기댐퍼를 제어하는 제어단계를 더 진행하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제어단계 이전에, 상기 환기팬 및 급기팬 출력변화에 따른 급기량과 환기량 관계 데이터에 대응하여 상기 환기팬 및 급기팬 출력변화에 따른 환기정압 관계 데이터를 통해 환기팬 출력, 환기풍량, 환기정압과의 관계를 사용하여 환기팬을 제어하기 위한 환기정압의 설정알고리즘을 선정하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 환기정압 관계 데이터는 외기댐퍼, 배기댐퍼 및 바이패스댐퍼 개도를 설정값으로 개방하여 고정시키고, 상기 급기팬 및 환기팬의 출력을 변화시키면서 급기량, 환기량, 외기/혼합기 챔버 정압, 급기정압, 환기정압을 측정하여 아래의 식을 모델링하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화 방법.
    Pr_set = A1*Qr2 + A2*Qr + A3
    Qr = Qs - Qe
    Qs = B1*％s + B2
    (여기서, Pr_set은 환기설정정압, Qr은 환기량, Qs는 급기량, Qe는 배기량, ％s는 급기팬 출력, A1, A2, A3, B1, B2는 테스트를 통해 알려진 상수값임.)
  8. 제 5 항에 있어서,
    외기댐퍼개도와 배기댐퍼개도를 설정값으로 개방하여 고정시킨 후, 상기 혼합량의 정압과 최소외기량 확보를 위해 미리 설정된 설정정압과의 차이에 의해 바이패스 댐퍼개도가 제어되는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화 방법.
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