VAV 시스템의 운영실태 조사 및 인버터제어 방식의 에너지 절감에 관한 연구

Abstract

본 연구는 국내 VAV 시스템의 도입 현황과 문제점을 조사하여 VAV 시스템 설계방법을 제안하고, VAV 시스템 급기 송풍기 제어방식 중 인버터 제어방식에 대한 에너지 절감량을 현장 실험을 분석하여 차후 VAV 시스템의 설계 및 시공, 그리고 에너지 절감에 대한 경제성을 검토할 때에 필요한 자료를 제공하는 것을 목적으로 한다. 연구방법은 기존 자료들을 통하여 VAV 시스템의 적용현황 및 적용비율, 운전자의 만족도와 운전비의 절감율 그리고 국내 VAV 시스템의 설계 실태, 문제점 등을 분석 평가하여 에너지 절감의 장애요소를 도출하였다. 실험 방법은 인버터 제어방식이 적용된 VAV 시스템을 운전시킨 후 인버터의 주파수가 60HZ로 운전될 때와 인버터의 주파수를 인위적으로 조작하여 닥트정압 검출기의 설정정압보다 검출정압이 낮아지기 직전의 운전 상태에서 공조기의 송풍량과 팬정압, 소비전력, 닥트의 말단정압 등을 측정하고, 팬 송풍량의 최대 감소율과 소비전력의 절감율을 분석하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다. 1. 실험결과 공조기의 송풍량 평균 감소율은 약 33.6%로 나타났으며, 소비전력 평균 절감율은 41.5%로 나타났다. 그리고 공조기별 이론 소비전력의 평균 절감율은 70.7%로 나타났는데, 실제 소비전력의 절감율이 이론치보다 30% 가까이 낮은 이유는 각종 설비들의 간섭으로 인하여 굴곡 시공된 닥트의 정압손실이 커지고, 모터 효율 및 동력계수의 저하, 인버터 소비전력의 증가 등이 원인인 것으로 판단된다. 2. 닥트의 말단정압 설정값이 높은 공조기보다 설정값이 낮은 공조기가 소비전력의 절감율이 높다는 사실을 도출하였다. 따라서 VAV 시스템의 에너지 절감위해서는 닥트의 말단정압 설정값을 가능한 낮게 설정하고, 닥트 설계 및 시공시 최대한 굴곡시공이 되지 않도록 하여 닥트의 정압손실이 최소화가 되도록 하여야 한다. 3. 국내 VAV 시스템의 문제점에 대한 실태 조사 결과 설계 및 시공측면에서 실내 및 닥트내의 온도, 풍량, 말단정압 검출기 등이 설치되는 것을 고려하지 않고 닥트의 경로를 일방적으로 설계함에 따라 문제가 발생되며, 특히 풍량측정 장치(FMS)와 압력독립식 VAV 유닛의 상류측은 직관닥트로 유지하되 직관닥트의 길이는 유효상당닥트길이의 3배 이상으로 유지되도록 설치하여야 풍량 검출의 정밀도가 높아져 환기팬과 VAV 유닛의 풍량 제어성이 개선된다. 4. 일부 건물에서는 VAV 시스템을 도입하여 시설하였음에도 불구하고 당초 설계자가 의도하였던 만큼 운전비를 절감하지 못하고 또한 쾌적한 실내 환경이 조성되지 못하고 있다. 그의 이유는 첫째 VAV 유닛의 제어기가 협소한 천장에 설치되어 있기 때문에 유지보수가 힘들고, 둘째 관리측면에서 보면 운전자의 VAV 공조방식의 운전에 대한 관리기술이 부족하여 적합한 운전이 잘 이루어지지 않고 있기 때문이다. 따라서 공조 설비 부문의 에너지 절감과 쾌적한 실내 환경조성의 목표를 달성하기 위해서는 앞으로 운전자 교육을 위한 VAV 시스템의 운전 메뉴얼 및 교육 프로그램을 연구할 필요가 있으며 또한 천정의 보수공간이 협소한 한국 건축문화에 맞는 자동제어 기의 개발을 위한 연구가 더 필요하다.; The purpose of this study was to survey the problems involving introduction and operational conditions of the VAV system in Korea and thereby, suggest the ways to design the VAV system, and then, field-test and analyze the inverter control mode among the various air supply blower control modes for energy saving, and thus, provide for some basic data useful to design and construction of the VAV system and evaluation of its feasibility focusing on energy saving. For this purpose, the researcher reviewed existing literature and analyzed and evaluated conditions and rate of VAV system applications, its operators' satisfaction and rate of operation cost saving, conditions and problems of the VAV systems operated in Korea to determine the obstacles for energy saving. As a field test, while operating the VAV system with the inverter control mode, the researcher manipulated the frequencies of the inverter between 60Hz and others, measuring blowing capacity and fan static pressure of the blower, electric consumption and terminal static pressure of the duct at the time just before the detected static pressure began to be lower than the setting for the static pressure of the duct, and thereby, analyzed the maximum reduction rates of fan blowing capacity and electric consumption, and thereupon, reached the following conclusions. 1. The blowing capacity reduction rate of the VAV was about 33.6% on average, and the electric consumption reduction rate was about 41.5% on average. And the theoretical electric consumption reduction rate was 70.7%. The reasons why the actual electric consumption reduction rate was about 29.3% lower than the theoretical one were the losses of static pressure due to the ducts constructed long way around to avoid interferences of various facilities, lower motor efficiency and power coefficient and increased electric consumption of the inverter. 2. It was concluded that the VAV with a lower setting for the terminal static pressure consumed less electricity than that with a higher setting. Accordingly, in order to save the energy for the VAV system, it is desirable to set the terminal static pressure value of the duct as low as possible, while minimizing the static pressure loss of the duct by avoiding any long around construction of the duct during design and construction of the duct. 3. As a result of analyzing the problems of the VAV system in Korea, it was found that the problems had been attributable to the simple design and construction of the duct routes not in consideration of indoor and in-duct temperatures, blowing capacity and terminal static pressure sensors installed and therefore, in order to enhance the precision of the blowing capacity detection and thereby, improve controllability of the ventilation fans and VAV unit, the upper ducts for FMS and pressure and independent VAV unit should be as much straight as possible, and the straight duct should be 3 times or more as long as the effective corresponding duct length. 4. Despite some buildings have introduced and installed the VAV system, the operation cost is not saved as much as expected, while a comfortable indoor environment has not yet been created. The reasons are 1) since the VAV unit controller is installed on the ceiling, it cannot well be maintained and serviced, and 2) in terms of management, the operators are not informed and skilled enough to operate the VAV system effectively. Therefore, in order to achieve the goals of the VAV system or energy saving and comfortable indoor environment, it is deemed necessary to develop an operational manual and education programs for its operators, and research into development of the automatic controllers suitable to the building culture of Korea characterized by narrow maintenance space of the ceiling.