KR101015962B1 - 변풍량 바이패스형 공기조화기 및 제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 혼합챔버 압력을 이용한 제어 방식으로 이산화탄소감지기에 의해 외기, 배기댐퍼가 제어되고 급기덕트의 정압감지기에서 측정된 정압과 설정정압과의 차이에 의해 급기팬이 제어되며 외기, 혼합기 챔버 압력과 혼합기 챔버 설정압력과의 차이에 의해 바이패스댐퍼가 제어되고 바이패스댐퍼 제어로 인해 변하는 환기, 배기 챔버 압력과 설정 압력과의 차이에 의해 환기팬이 제어되는 배기덕트, 외기덕트, 환기 덕트 및 급기덕트가 구비된 변풍량 공기조화기 및 제어방법을 제공하고자 하는 것으로, 상기 배기덕트에는 실내의 공기를 외부로 유출시키는 배기량을 제어하는 배기댐퍼가 설치되며, 상기 외기덕트에는 외부로부터 공기를 건물 내로 흡수시키는 외기량을 제어하는 외기댐퍼가 설치되며, 상기 환기덕트를 통해 실내 공기의 환기량을 바이패스시켜 다시 실내로 공급되도록 하는 바이패스량과 실내에 요구되는 최소 요구외기량 및 요구 이산화탄소량을 만족하도록 조절하기 위해 외기/혼합기 챔버의 정압을 감지하는 외기/혼합기 챔버 정압기가 바이패스댐퍼 및 외기댐퍼 사이에 설치되며, 환기량이 배기량과 바이패스량으로 분기되도록 제어하는 환기팬 및 상기 환기팬을 제어하기 위하여 환기량의 정압을 감지하는 환기 정압감지기가 환기팬과 환기덕트 사이에 설치된다.

Description

변풍량 바이패스형 공기조화기 및 제어방법{Variable volume control bypass type air handling unit and control method}
본 발명은 공기조화기에 관한 것으로, 구체적으로 부분 부하 시 외기와 환기를 혼합하고 실내 순환 공기의 일부를 바이패스시킴으로써 에너지를 절약하는 것이 가능하고 실내의 온도 및 상대 습도를 쾌적한 상태로 유지할 수 있는 변풍량 바이패스형 공기조화기 및 제어방법에 관한 것이다.
공기조화기는 건물의 환경을 요구조건으로 유지하기 위하여 외기와 환기를 적절히 처리하여 공급하는 공조시스템의 핵심장치로 기계실에 설치한 후 덕트를 통해 각 실내공간에 공기를 송풍하는 중앙식 공조기와 건물의 각 층에 독립적으로 설치되는 분산형 공조기가 있다.
공조기는 기본적으로 공기를 정화하기 위한 여과장치, 온도를 조절하기 위한 냉온수 코일, 습도를 조절하기 위한 가습기와 공기를 반송하는 송풍기, 이들을 종합적으로 제어하기 위한 자동제어장치로 구성되어 있다.
또한 최근에는 에너지의 합리적 이용의 한 방안으로 배기공기의 전열 및 현열을 회수하는 전열교환기(total heat exchanger)나 현열교환기(sensible heat exchanger)가 에너지 회수라는 측면에서 공조기의 외부에 설치되고 있다.
일반적으로 냉각기, 보일러 등의 열원기기의 장치용량을 산정하는 경우, 최대열부하계산을 통하여 대상 건물의 냉방 및 난방부하를 계산하고 이 부하를 감당할 수 있는 기기를 선정한다.
만일 대상 건물의 부하특성이 각 실내공간별로 유사한 경우에는 정풍량(Constant air volume) 공조 방식을 채택하는 경우가 일반적이다. 이 경우 취출온도차는 일반적으로 10~14℃로 설정하며, 대상 실내공간으로의 취출풍량은 실내최대현열부하를 기준으로 산정한다.
그러나 실제로 피크부하 조건이 발생하는 것은 한여름이나 한겨울의 1년 중 극히 짧은 시간에 불과하며, 공조장치는 대부분 피크부하가 아닌 부분부하 상태에서 운전된다. 상기에서 부분분하는 공조 공간내의 현열 및 잠열부하의 감소, 또는 외기부하의 감소로 인하여 발생한다.
도 1은 단일덕트 정풍량 공기조화기에서 부분부하가 발생하는 경우 습공기선도이다.
X로 표시되는 축은 절대습도이며, T로 표시되는 축은 건구온도이다.
일반적으로 송풍공기온도는 실내 현열부하에 의해 제어되므로 부분부하시(130)에는 도 1의 실선으로 나타내는 최대부하시(120)와는 달리 점선과 같은 상태변화를 하게 된다. 즉, 부분부하가 발생하여 실내의 부하가 감소할수록 실내의 상태습도는 증가함을 알 수 있다.
부분부하는 공조공간 내의 현열 및 잠열부하의 감소로 인하거나 또는 외기부하의 감소로 인하여 발생하는데 냉방의 경우, 실내조건을 제어하는 방법으로는 여러 가지의 방법이 알려져 있다.
도 2는 재열 제어시의 습공기선도이다.
재열 제어는 현열부하 감소를 인공적인 현열부하로 대치함으로써 공간내의 건구온도를 일정하게 유지하는 제어 방식이다.
즉, 도 2에서와 같이 혼합공기를 냉각 감습하여 적당한 코일 출구공기 4(211)를 선정하고 실내습도를 유지할 수 있는 취출온도차가 되도록 대상공기를 설계 실현열비선(214)과 마주치는 점 5(212)까지 재열함으로써 실내의 온도습도조건을 만족하도록 한다.
상기와 같은 재열 제어는 그 제어성능이 우수하다는 장점이 있지만, 코일출구공기의 재열을 위해서는 하절기에도 온열원장치를 가동하여야 한다는 면에서 부하조건이 엄밀하게 유지될 필요성이 있는 특수한 조건의 장소를 제외하고는 실제적으로 거의 행해지고 있지 않으며 통상의 건물 등에 적용하는 것이 곤란하다는 단점이 있다.
도 3은 환기 바이패스 제어방식의 습공기 선도이다.
바이패스 제어는 냉각코일을 통과하는 공기량을 조절해 줌으로써 공조공간의급기온도를 바꾸어 대상공간의 온도를 일정하게 유지하도록 제어하는 방식이다. 바이패스 공기조화기는 냉각코일의 공기통과 여부에 따라 외기 바이패스, 혼합공기 바이패스와 환기 바이패스 방식으로 구분된다.
도 3의 습공기 선도를 참고하여 바이패스 공기조화기의 제어방식을 실내의 현열 부하기 감소하는 경우를 예를 들어 설명하면, 먼저 바이패스 제어에 의해 냉각코일을 통과하는 공기량은 감소하고 그 나머지 공기는 바이패스 덕트를 통해 코일 통과공기와 혼합 실내로 취출된다(320).
이와 같이 코일을 통과하는 공기량이 감소하면, 바이패스 팩터가 작아지고 그 결과 장치노점온도가 더 낮은 상태하에서 장치가 운전하게 되어 냉각코일 출구의 공기온도는 점 1(312)의 상태에서 점 2(311)의 상태로 된다. 선 2-3-4(340)는 실내 현열부하의 감소로 인하여 새로이 생성된 실현연비선이다.
도 3에서 실선(330)은 설계조건의 사이클을 나타낸 것이며, 파선(340)은 바이패스 제어가 시작되는 시점의 사이클이다. 실내조건, 혼합조건 및 장치노점온도의 변화는 시스템의 평형이 이루어질 때까지 계속된다.
이외에도 부분부하가 발생함에 따라 실내로의 취출풍량을 감소하게 됨에 따라 공조공간내의 공기분포의 문제를 해결하기 위한 것으로 송풍량 제어방식이 있으며, 공기조화기를 온/오프하는 제어 방식, 냉각기를 온/오프하는 제어방식 및 냉동용량을 제어하는 방식 등이 있다.
도 4는 외기 바이패스 방식의 공기조화기의 개략적인 구성도이다.
도 4에서 보는 바와 같이 외기 바이패스 공기조화기는 외기 공기(451)의 일부를 바이패스(440)시킨 후 공조공간(430)에서 토출되는 환기 공기(453)가 공기조화기(410)에 통과되어 냉각된 공기와 혼합하여 송풍기(420)에 의해 급기 공기(452)로서 실내로 취출하는 방식이다. 이 방식은 코일에서 처리되지 않은 외기 공기(451)가 공조공간으로 도입됨에 따라 공조공간의 온습도에 직접적인 영향을 미치기 때문에 바람직하지 않은데, 그 이유는 환기의 목적으로 외기 공기(451)를 도입하는 경우, 외기 공기(451)는 공조실로 취출되기 이전에 공조처리되는 것이 바람직하기 때문이다.
도 5는 혼합공기 바이패스 방식의 공기조화기의 개략적인 구성도이다.
혼합공기 바이패스 방식은 외기공기(551)과 환기공기(554)를 혼합한 공기에 대해 훼이스댐퍼(562)와 바이패스댐퍼(561)를 설치하여 실내 부하변동에 따라 즉, 실내 온도조절기의 설정값에 따라 두 댐퍼를 조절하여 공기조화기(510)를 통과한 공기와 바이패스한 공기(540)를 혼합한 혼합공기를 송풍기(520)에 의하여 공조공간(530)에 공급하여 공조공간(530)의 온습도조건을 유지한다. 여기에서 훼이스댐퍼(562)와 바이패스댐퍼(561)는 부하변동에 따라 미리 설정해 놓은 설정값에 의해 비례역동작으로 동작한다.
그러나 혼합공기 바이패스 방식 역시 코일을 통과하지 않은 일부 외기가 공조공간으로 직접 유입됨에 따라 실내의 온습도를 상승시키거나 하강시킬 수 있으므로 바람직한 방식은 아니다.
도 6은 환기 바이패스 방식의 공기조화기의 개략적인 구성도이다.
환기 바이패스 방식은 공조공간(630)로부터의 순환공기(653)의 일부를 바이패스(640)시킨 후 공기조화기(610) 통과한 외기공기(651)와 순환공기(653)의 혼합공기를 혼합하여 송풍기(620)에 의하여 공조공간(630)에 급기공기(652)로 취출하는 방식으로 도 4의 외기 바이패스 방식 및 도 5의 혼합공기 바이패스 방식에서와 같이 외기가 냉각코일을 통과하지 않고 공조공간에 취출되는 것이 아니라 외기공기가 직접 공기조화기를 통과하기 때문에 실내의 온습도 조절면에서 가장 효율적인 방식이다.
도 7은 부분부하가 발생하는 경우, 외기/혼합공기/환기 바이패스 방식의 공기조화기의 개략적인 습공기 선도이다.
도면부호 711은 실내공기의 상대습도점이며, 712는 혼합공기의 상대습도점이고, 713은 외기의 상대습도점이다.
도 7에서 알 수 있는 바와 같이 환기 바이패스 방식에 의해 형성되는 실내상태선 3(751)이 외기 바이패스 방식에 의한 상태선 1(753) 및 혼합공기 바이패스 방식에 의한 상태선 2(752)에 비해 낮게 유지됨을 알 수 있다. 즉, 부분부하(730)가 발생하는 경우, 바이패스 공조조화기 중 환기 바이패스 방식이 가장 낮은 실내상대습도를 유지함을 알 수 있다.
한편 상기와 같은 바이패스 공조조화기의 제어방식으로 통상적으로 널리 이용되고 있는 정풍량 공조방식의 경우, 적정 비율의 외기와 실내 순환 공기의 혼합공기가 부하 변동에 대응하여 취출온도차를 변화시켜가면서 실내로 일정한 풍량을 공급하여 실내를 설정조건으로 유지한다. 즉, 온도조절기가 실내 공간의 건구온도를 감지하고 이값을 설정온도값과 비교하여 냉각코일로 흐르는 냉수유량이나 온도를 조절하여 취출온도를 변경시켜 실내의 온도조건을 유지한다.
이에 따라 최대 현열부하가 발생하는 경우, 냉각코일은 현열과 잠열을 동시에 제거하여 실내 공간의 온도를 직접적으로 조절하게 되며, 이러한 과정을 통해 실내상대습도는 간접적으로 제어된다. 즉, 일반 공조에 있어서는 온도만을 제어대상으로 하며 실내 상대습도에 대한 영향을 일반적으로 고려하지 않고 있는 실정이다.
따라서 부분부하기 발생하는 경우, 예를 들어 현열부하가 감소하는 경우, 줄어든 현열부하에 대응하기 위하여 냉각코일의 용량은 감소하게 된다. 이로 인해 냉각코일의 표면온도가 상승하고, 냉각코일을 통과하는 공기에서 제거되는 수분의 양이 감소하게 되어 실내 공간의 건구온도는 성공적으로 유지시킬 수 있으나 결국 실내공간의 상대습도의 증가는 피할 수 없는 상황이 되어 버린다.
특히 식당이나 강당, 체육관 같이 실현연비값이 작거나 일사량의 변화 등에 의해 부하감소의 폭이 커질 경우에는 실내상대습도의 급격한 변화를 초래하게 되어 이로 인한 여러 가지 문제 예를 들어, 유지 관리비의 증가, 가구나 기기의 손상을 야기하게 된다.
따라서 종래의 정풍량 공조방식을 적용하는 공조기의 문제점을 해결하기 위한 방안이 요구되었다.
도 8은 한국등록특허 10-0483691호에 따른 변풍량 공기조화시스템의 구성도이다.
도 8에 도시된 변풍량 공기조화 시스템은 배기측 덕트(EA), 외기측 덕트(OA), 환기측 덕트(RA) 및 급기측 덕트(SA)와 포함하여 구성된다.
상기 배기측 덕트(EA)에는 실내의 공기를 외부로 유출시키는 배기량을 제어하는 배기댐퍼(ED)가 설치되며, 상기 외기측 덕트(OA)에는 외부로부터 공기를 건물 내로 흡수시키는 외기량을 제어하는 외기댐퍼(OD)가 설치되어 있다.
한편 상기 배기댐퍼(ED)와 외기댐퍼(OD)의 개도에 대응하여 동시에 제어되는 바이패스댐퍼(MD)가 배기측과 급기측 사이에 설치되어 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 설치된 장비는 미도시되어 있으나 컨트롤러에 의해 전체적인 제어가 이루어지게 된다.
도 9는 종래 기술에 따른 변풍량 공기조화시스템의 다른 구성도로 도 8의 공기조화 시스템과 같이 배기측 덕트(EA), 외기측 덕트(OA), 환기측 덕트(RA) 및 급기측 덕트(SA)를 포함하여 구성되며, 배기측 덕트(EA)에는 실내의 공기를 외부로 유출시키는 배기량을 제어하는 배기댐퍼(ED)가 설치되며, 상기 외기측 덕트(OA)에는 외부로부터 공기를 건물 내로 흡수시키는 외기량을 제어하는 외기댐퍼(OD)가 설치되어 있다.
또한 환기측 덕트(RA)를 통하는 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 설치되며, 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 설치된 장비는 미도시되어 있으나 컨트롤러에 의해 전체적인 제어가 이루어지게 된다.
도 8 및 도 9에 도시된 변풍량 공기조화 시스템은 실내 부하 변동에 따라 급기온도를 일정하게 유지시키고 실별, 존별 송풍량을 변화시켜 실내 온도를 제어한다.
그러나 상기와 같은 변풍량 공기조화시스템의 경우 풍량 측정장치의 현장 설치공간의 부족으로 인한 와류로부터의 오차, 차압 트랜스미터의 오차, 풍량 계산시 적용되는 단위 환산에 따른 오차 등으로 인하여 많은 누적 오차가 발생하게 되어 풍량 측정 장치로부터 측정된 풍량이 부정확하거나 외기/배기댐퍼와 바이패스댐퍼가 연동되어 있어 댐퍼 개도 변경에 따라 외기량이 비선형적으로 변화하게 되어 실내 오염 등에 따른 댐퍼 개도 변경 시 요구 외기량에 비해 많은 오차를 갖게 된다.
또한 실내 냉난방 부하의 변화로 인한 풍량 변화 시 바이패스댐퍼 전후단의 혼합챔버 압력이 변하게 되어 외기량을 일정하게 유지하지 못하며 특히 공기조화기 내에 필터가 막힐 경우, 챔버 내의 압력이 상승하여 외기량 도입이 감소되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 실내 순환 공기의 일부를 바이패스시켜 냉각 및 가열코일을 통과한 공기와 적정 비율로 혼합하고 이에 병행하여 냉온수유량을 조절하여 실내설정 온습도조건으로 유지함으로써 일반 사무소 건물 뿐만 아니라 잠열부하기 높은 공간에 대한 실내 환경 조성이 뛰어난 변풍량 바이패스형 공기조화기를 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 바이패스되는 공기에 의해 코일을 통과하는 풍량이 감소되도록 함으로써 공기조화기 내의 압력손실 저하에 따른 송풍기의 동력을 절감할 수 있는 변풍량 바이패스형 공기조화기를 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 송풍기의 팬의 제어가 필요없이 제어가 단순하여 신뢰성이 높은 변풍량 바이패스형 공기조화기를 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 재실밀도가 높은 공간에 대하여 외기도입량을 증가시켜 실내 공기의 질을 향상시킬 수 있고 환기를 충분히 회수할 수 있어 실내 기류 분포가 우수한 변풍량 바이패스형 공기조화기를 제공하고자 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 혼합챔버 압력을 이용한 제어 방식으로 이산화탄소감지기에 의해 외기/배기댐퍼가 제어되고 급기덕트의 정압감지기에서 측정된 정압과 설정정압과의 차이에 의해 급기팬이 제어되며 외기/혼합기 챔버 압력과 혼합기 챔버 설정압력과의 차이에 의해 바이패스댐퍼가 제어되고 바이패스댐퍼 제어로 인해 변하는 환기/배기 챔버 압력과 설정 압력과의 차이에 의해 환기팬이 제어되는 변풍량 공기조화기 제어방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배기덕트, 외기덕트, 환기 덕트 및 급기덕트가 구비된 변풍량 공기조화기 제어방법은,
공기 조화기 각 구성의 설정값을 초기화하는 단계;
각 파라미터와 초기값을 설정하는 단계;
혼합챔버 초기 압력(Pmix)을 하기의 식에 의해 설정하고,
Figure 112010085208266-pat00001
상기에서, a1 ~ a6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 혼합챔버 압력과의 관계에 의해 정해지는 파라미터이며, REQOA는 외기댐퍼 최소개도이고, ODset는 외기댐퍼 설정 개도,
환기/배기챔버 초기 압력(Pexr)을 하기의 식에 의해 설정하는 단계;
Figure 112010085208266-pat00002
상기에서, b1 ~ b6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 환기/배기챔버 압력과의 관계에 의해 정해지는 파라미터이며, REQOA는 외기댐퍼 최소개도이고, ODset는 외기댐퍼 설정 개도,
혼합챔버 압력을 검출하는 단계;
제 1소정 시간이 경과되었는지 확인하여 제1소정시간이 경과된 경우, 외기댐퍼 개도를 결정하는 단계; 및
제1혼합챔버 압력을 설정하는 단계를 포함하며,
상기에서 제1소정 시간이 경과되었는지 확인하여 제1소정 시간이 경과되지 않은 경우, 제2소정 시간이 경과되었는지 확인하여, 제2소정 시간이 경과된 경우, 바이패스댐퍼의 개도가 최소 바이패스댐퍼 개도보다 작은지 확인하는 단계;
바이패스댐퍼의 개도가 최소 바이패스댐퍼 개도보다 크면서 완전개방 개도에서 외기댐퍼 개도를 뺀 값보다 큰 경우, 외기댐퍼의 개도를 증가시키는 단계; 및
제2혼합챔버의 압력을 설정하는 단계를 더 포함하며,
상기 제2혼합챔버의 압력을 설정하는 단계 후,
외기 공급팬을 제어하는 단계;
외기/흡기 댐퍼를 제어하는 단계;
바이패스댐퍼를 제어하는 단계; 및
환기팬을 제어하는 단계를 더 포함하며,
제2소정 시간이 경과되지 않은 경우,
바이패스댐퍼의 개도가 최소 바이패스댐퍼 개도보다 크면서 완전개방 개도에서 외기댐퍼 개도를 뺀 값보다 작은 경우,
제2혼합챔버 압력을 설정하는 단계;
외기 공급팬을 제어하는 단계;
외기/흡기 댐퍼를 제어하는 단계;
바이패스댐퍼를 제어하는 단계; 및
환기팬을 제어하는 단계를 더 포함할 있으며,
상기에서 바이패스댐퍼의 개도가 최소 바이패스댐퍼 개도보다 큰 경우,
외기댐퍼 개도를 감소시키는 단계;
외기댐퍼의 개도(SetOD)를 하기의 식에 의해 재설정하는 단계; 및
Figure 112010085208266-pat00003
CO2exp은 실제 측정된 실내 이산화탄소량, CO2set은 실내에서 요구되는 이산화탄소설정량, ODmax는 외기댐퍼 최대개도, ODmin는 외기댐퍼 최소개도,
제3혼합챔버 압력을 설정하는 단계를 더 포함하고,
외기댐퍼 설정 개도(ODset)에 따른 최소 요구외기량(REQOA)는 하기의 식에 의해 주어지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112010085208266-pat00004
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 배기덕트, 외기덕트, 환기 덕트 및 급기덕트가 구비된 변풍량 공기조화기는,
상기 배기덕트에는 실내의 공기를 외부로 유출시키는 배기량을 제어하는 배기댐퍼가 설치되며,
상기 외기덕트에는 외부로부터 공기를 건물 내로 흡수시키는 외기량을 제어하는 외기댐퍼가 설치되며,
상기 환기덕트를 통해 실내 공기의 환기량을 바이패스시켜 다시 실내로 공급되도록 하는 바이패스량과 실내에 요구되는 최소 요구외기량 및 요구 이산화탄소량을 만족하도록 조절하기 위해 외기/혼합기 챔버의 정압을 감지하는 외기/혼합기 챔버 정압기가 바이패스댐퍼 및 외기댐퍼 사이에 설치되며,
환기량이 배기량과 바이패스량으로 분기되도록 제어하는 환기팬 및 상기 환기팬을 제어하기 위하여 환기량의 정압을 감지하는 환기 정압감지기가 환기측과 환기팬 사이의 상기 환기 덕트에 설치되고,
상기 외기/혼합기 챔버의 초기 압력(Pmix)을 하기의 식에 의해 설정하고,
Figure 112010085208266-pat00005
(상기에서, a1 ~ a6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 혼합챔버 압력과의 관계에 의해 정해지는 파라미터이며, REQOA는 외기댐퍼 최소개도이고, ODset는 외기댐퍼 설정 개도)
환기/배기챔버 초기 압력(Pexr)을 하기의 식에 의해 설정되고,
Figure 112010085208266-pat00006
(상기에서, b1 ~ b6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 환기/배기챔버 압력과의 관계에 의해 정해지는 파라미터이며, REQOA는 외기댐퍼 최소개도이고, ODset는 외기댐퍼 설정 개도)
상기 급기덕트에는 상기 급기팬에 공급되는 급기량을 제어하는 급기팬 및 상기 급기팬을 제어하기 위하여 급기량의 정압을 감지하는 급기 정압감지가 상기 급기팬 및 상기 급기덕트 사이에 더 설치되고,
상기 변풍량 공기조화기에 DDC제어부가 더 구비되어,
외기/혼합기 챔버 정압기로부터 외기/혼합기 챔버 압력신호를 입력받고,
환기 정압감지기로부터 환기 정압량 신호를 입력받으며,
급기 정압감지로부터 급기 정압량을 입력받아,
제1소정 시간마다 이산화탄소량을 감지하여 이산화탄소설정량과 비교하여 외기댐퍼의 개도(ODset)을 하기와 같이 설정하고,
Figure 112010085208266-pat00007
(CO2exp은 실제 측정된 실내 이산화탄소량, CO2set은 실내에서 요구되는 이산화탄소설정량, ODmax는 외기댐퍼 최대개도, ODmin는 외기댐퍼 최소개도)
상기 외기댐퍼 설정 개도와 요구 외기량에 따라 혼합챔버 압력(Pmix)을 하기와 같이 설정하며,
Figure 112010085208266-pat00008
(상기에서, a1 ~ a6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 혼합챔버 압력과의 관계에 의해 정해지는 파라미터이며, REQOA는 외기댐퍼 최소개도이고, ODset는 외기댐퍼 설정 개도),
제2소정 시간마다 바이패스댐퍼 개도 설정 상태를 변경하되,
바이패스댐퍼 개도가 바이패스 최소 개도보다 작을 경우 외기댐퍼를 닫아 바이패스댐퍼가 개방도도록 외기댐퍼의 개도를 재설정하고 재설정된 외기댐퍼의 개도와 요구 외기량에 의해 제3혼합챔버 압력을 설정하며,
바이패스댐퍼 개도가 바이패스 최소 개도보다 크면서 전개도에서 외기댐퍼 개도량을 뺀 값보다 작을 경우 제1혼합챔버 압력을 제2혼합챔버 압력으로 재사용하고,
바이패스댐퍼 개도가 바이패스 최소 개도보다 크면서 완전개방 개도에서 외기댐퍼 개도량을 뺀 값보다 클 경우 외기 댐퍼 개도 증가시켜 외기 댐퍼 개도를 재설정하여 재설정된 외기 댐퍼 개도에 의해 제2혼합챔버 압력을 설정하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 변풍량 바이패스형 공기조화기는 실내 순환 공기의 일부를 바이패스시켜 냉각 및 가열코일을 통과한 공기와 적정 비율로 혼합하고 이에 병행하여 냉온수유량을 조절하여 실내설정 온습도조건으로 유지함으로써 일반 사무소 건물뿐만 아니라 잠열부하기 높은 공간에 대한 실내 환경 조성이 뛰어나고, 바이패스되는 공기에 의해 코일을 통과하는 풍량이 감소되도록 함으로써 공기조화기 내의 압력손실 저하에 따른 송풍기의 동력을 절감할 수 있으며, 송풍기의 팬의 제어가 필요없이 제어가 단순하여 신뢰성이 높으며, 재실밀도가 높은 공간에 대하여 외기도입량을 증가시켜 실내 공기의 질을 향상시킬 수 있고 환기를 충분히 회수할 수 있어 실내 기류 분포가 우수한 효과가 있다.
또한 상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 변풍량 바이패스형 공기조화기는 종래 2대의 풍량 측정장치를 사용하지 않고 2개의 압력센서만 사용하기 때문에 종래 제어 방식에 비해 초기 투자비가 절감될 수 있으며, 혼합챔버의 압력을 이용하여 바이패스댐퍼와 환기팬을 제어함으로써 급기량이 변할 경우 실내 이산화탄소량 변화에 따른 요구 외기량을 공급할 수 있으며, 종래 필터가 막힐 경우 요구 외기량이 확보될 수 없는 문제를 해결할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 단일덕트 정풍량 공기조화기에서 부분부하가 발생하는 경우 습공기선도이다.
도 2는 재열 제어시의 습공기선도이다.
도 3은 환기 바이패스 제어방식의 습공기 선도이다.
도 4는 외기 바이패스 방식의 공기조화기의 개략적인 구성도이다.
도 5는 혼합공기 바이패스 방식의 공기조화기의 개략적인 구성도이다.
도 6은 환기 바이패스 방식의 공기조화기의 개략적인 구성도이다.
도 7은 부분부하가 발생하는 경우, 외기/혼합공기/환기 바이패스 방식의 공기조화기의 개략적인 습공기 선도이다.
도 8은 종래기술에 따른 변풍량 공기조화시스템의 구성도이다.
도 9는 종래 기술에 따른 변풍량 공기조화시스템의 다른 구성도이다.
도 10은 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기의 개략적인 구성도이다.
도 11은 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기의 세부적인 구성도이다.
도 12는 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기의 제어 알고리즘의 흐름도이다.
도 13은 본 발명에 따른 변풍량 공기 조화기의 외기댐퍼 개동에 대한 외기/혼합기 챔버 압력의 실험 결과를 외기량으로 표시한 것이다.
도 14는 본 발명에 따른 변풍량 공기 조화기의 외기댐퍼 개동에 대한 환기/배기 챔버 압력의 실험 결과를 외기량으로 표시한 것이다.
도 15 내지 도 16은 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기를 이용하여 이산화탄소 및 혼합챔버의 압력을 이용한 제어 방식을 이용한 실험 결과로 도 15는 외기댐퍼 개도, 바이패스댐퍼개도 및 급기댐퍼의 개도를 표시하고 있으며, 도 16은 급기량, 외기량, 실내 이산화탄소량을 나타내고 있다.
도 17은 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기에서 필터의 막힘에도 적절한 요구 외기량이 확보되고 있음을 나타내고 있는 실험 결과이다.
도 10은 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기의 개략적인 구성도이다.
도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기는 배기덕트, 외기덕트, 환기덕트 및 급기덕트를 연계시키고 있으며, 이들 덕트에는 공기조화를 위한 장비가 설치되어 있다.
상기 배기덕트에는 실내의 공기를 외부로 유출시키는 배기량을 제어하는 배기댐퍼(1016)가 설치되며, 상기 외기덕트에는 외부로부터 공기를 건물 내로 흡수시키는 외기량을 제어하는 외기댐퍼(1011)가 설치되어 있다.
한편 환기덕트를 통하는 실내 공기의 환기량을 바이패스시켜 다시 실내로 공급되도록 하는 바이패스량과 실내에 요구되는 최소 요구외기량을 조절하기 위해 외기/혼합기 챔버의 정압을 감지하는 외기/혼합기 챔버 정압감지기(1012)가 바이패스댐퍼(1017)와 외기댐퍼(1011) 사이에 설치되며, 환기량이 배기량과 바이패스량으로 분기되도록 환기팬 인버터(미도시)를 포함하는 환기팬(1030)을 제어하도록 환기량의 정압을 감지하는 환기 정압감지기(1015)가 환기팬(1030)과 환기덕트 사이에 설치되어 있다.
그리고, 급기덕트에는 급기팬 인버터(미도시)를 포함하는 급기팬(1020)과, 급기량의 정압을 감지하는 급기 정압감지기(1013)가 설치되어 있다.
한편 혼합공기에 포함된 오염물질을 제거하기 위해 필터(1040)이 급기팬의 입구 이전에 설피될 수 있으며, 실내 온도 요구 조건에 따라 혼합공기를 가열하는 가열기(1050)과 냉각코일(1060)이 더 설치될 수 있으며, 외기에 의해서도 실내의 습도조건이 만족되지 않는 경우 가습을 위해 가습기(1070)가 급기팬(1040)의 입구 이전에 더 설치될 수 있다.
상기와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기의 동작을 도 12의 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기의 제어 알고리즘의 흐름도를 참고하여 설명한다.
본 발명에 따른 혼합챔버 압력을 이용한 제어 방식은, 크게 혼합챔버 초기 설정 압력을 설정하기 위한 초기화 단계(1220), 부하변동에 따른 혼합챔버 설정 압력의 재설정 단계(1280), 바이패스댐퍼의 허용위치 만족 여부에 따른 혼합챔버 설정압력의 재설정 단계(1268), 설정압력에 의한 바이패스댐퍼(1293), 환기팬의 비례적분 제어 단계(1294)로 구성된다.
구체적으로 살펴보면, 변풍량 공기조화기 시스템이 가동되면(1210) 이전의 공기조화가 요구되는 공간의 조건이 시간의 경과나 환경 등의 영향으로 변경되었으므로 이전에 설정된 파라미터 등이 초기화된다(1220).
초기화 과정에서 설계 풍량인 최대급기량, 실내 이산화탄소 설정량, 실내 이산화탄소 최대량, 바이패스댐퍼 최소 개도, 감지시간 간격, 외개 댐퍼 초기 개도 등이 사용자에 의해 설정될 수 있다(1230).
외기댐퍼 초기 개도와 초기 요구외기량에 의해 혼합챔버 초기 압력이 설정된다(1240).
초기화 과정 이후에는 제1감지 시간 간격(Δtime1)마다 즉, 임의의 측정 시간 이후 제1감지 시간 간격(Δtime1)이 경과되면(1260), 실내 이산화탄소량이 감지되어 이산화탄소설정량과의 차이에 의해 외기댐퍼 개도가 설정되고(1270) 외기댐퍼 설정 개도에 의해 요구 외기량이 계산된 후 외기댐퍼 설정개도와 요구 외기량에 의해 제1혼합챔버 압력이 설정된다(1280).
바이패스댐퍼 개도 상태에 따른 재설정 구간은 제2감지 시간 간격(Δtime2)마다 적용된다(1261).
챔버 내에 급격한 압력 상승을 방지하고 에너지 소비를 절감시키기 위하여 바이패스댐퍼의 최소개도가 요구되며 이를 위해 바이패스댐퍼 개도(BDO)가 바이패스댐퍼 최소 개도 BDOmin보다 클 경우(1262) 외기댐퍼를 닫아 즉, 외개 댐퍼 개도를 감소시켜(1266) 바이패스댐퍼가 개방되도록 제1외기댐퍼의 개도(ODO)가 설정되고(1267) 설정된 외기댐퍼의 개도와 요구 외기량에 의해 제3혼합챔버 압력이 설정된다(1268).
바이패스댐퍼 개도(BDO)가 바이패스댐퍼 최소 개도 BDOmin보다 작고(1262)한편 바이패스댐퍼 개도(BDO)가 100%-ODO보다 작을 경우 1280단계에서 설정된 제1혼합챔버 설정압력을 그대로 유지한다(1280).
한편 바이패스댐퍼 개도(BDO)가 바이패스댐퍼 최소 개도 BDO_min보다 크고(1262)한편 바이패스댐퍼 개도(BDO)가 100%-ODO보다 클 경우 외기댐퍼의 개도를 증가시켜 바이패스댐퍼가 폐쇄되도록 제2외기댐퍼 개도를 설정하고(1264) 설정된 제2외기댐퍼 개도와 요구 외기량에 의해 제2혼합챔버 압력이 설정된다.
상기와 같이 재설정된 혼합챔버 압력에 따라 공급팬이 제어되고(1291), 외기/흡기 댐퍼가 제어되며(1292), 바이패스 댐퍼가 제어되고(1293), 환기팬이 제어된다(1294).
상기의 공급팬, 외기/흡기 댐퍼, 바이패스 댐퍼 및 환기팬의 제어에 대해서는 다양한 방법이 알려져 있으므로 자세한 설명은 생략하기로 한다.
이해를 위해 대표적인 제어 알고리즘인 비례적분 제어 알고리즘에 대해 설명하면 제어기 출력신호를 CTRL이라 하면, 제어기 출력신호 CTRL은 하기와 같은 식에 의하여 표현될 수 있다.
Figure 112010085208266-pat00009
여기에서 Err은 설정값과 센서를 통해 측정된 값과의 차이이며, TI는 적분시간으로 KP/KI이며, KP는 비례 이득이고, KI는 적분 이득이다.
도 11은 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기의 세부적인 구성도이다.
도 11의 변풍량 공기조화기는 도 10의 변풍량 공기조화기와 대부분의 구성이 동일하며 DDC제어기(Direct Digital Control)(1120)와 제어용 컴퓨터(1130) 및 냉각기(1110)가 추가되어 있는 것에서 차이가 있다.
도 11에 도시된 바와 같이 AI(Analog Input), AO(Anlalog Output), DI(Digital Input), DO(Digital Output)은 관제점 즉, DDC에 대한 신호의 상태를 나타내고 있다.
DDC방식에 있어 관제점이란 온도나 전류, 전압의 신호를 받아들일 수 있는 아날로그 입력(AI), 기동/정지 상태나 경보신호를 받아들일 수 있는 디지털 입력(DI), 밸브나 댐퍼 등을 비례적으로 동작시킬 수 있는 아날로그 출력(AO), 기동/정지 등을 시킬 수 있는 디지털 출력(DO)을 말한다.
외기덕트(1170)에 설치된 온습도 검출기(AI1)는 외기 온습도 검출 및 외기 냉방을 위한 엔탈피 제어용이며, 혼합기 덕트(1162)에 설치된 온습도 검출기(AI2)는 외기와 순환기의 혼합 온습도 및 코일 입구의 온습도를 검출한다.
또한 냉각코일(1196) 출구에 설치되어 있는 온습도 검출기(AI3)는 코일 출구의 온도 및 상대습도를 검출하며 이것이 냉방밸브(1163)의 기준이 된다.
냉각코일(1196) 출구와 급기팬(1140) 사이에 설치되어 있는 온습도 검출기(AI4)는 냉각코일(1196) 출구 공기와 바이패스 공기와의 혼합공기의 온습도를 검출한다.
급기 덕트에 설치되어 있는 온습도 검출기(AI5)는 실내로 공급되는 공기의 온습도를 검출하여 토출되는 공기의 온도를 일정하게 가변시키며, 환기덕트에 설치되어 있는 온습도 검출기(AI6)는 현재 실내의 온습도를 측정하며 이것이 바이패스댐퍼의 제어기준이 된다.
한편 환기덕트에 설치되어 있는 이산화탄소 검출기(1173)에서 공조공간에서의 이산화탄소의 양을 측정하여 설정된 양이 유지되도록 외기댐퍼(1192)의 개도를 제어한다. 즉, 공조공간에서 토출되는 환기에 포함된 이산화탄소의 양이 설정된 양보다 많을 경우 외기댐퍼(1192)의 개도를 증가시켜 외기공기와 환기의 혼합공기 중 외기공기를 증가시켜 공조공간에 공급되는 외기공기의 비율을 높여 공조공간의 이산화탄소의 비율 즉 양을 감소시키며, 반대로 공조공간에서 토출되는 환기에 포함된 이산화탄소의 양이 설정된 양보다 적을 경우 외기댐퍼(1192)의 개도를 감소시킨다.
본 발명에 따른 변풍량 공기조화시스템은 환기덕트에 설치되어 있는 이산화탄소 검출기(1173)에서 측정된 이산화탄소의 양에 외기댐퍼(1192)의 개도가 결정되고, 결정된 외기댐퍼(1192)의 개도와 요구 외기량에 의해 외기/혼합기챔버 설정압력과 환기/배기 챔버설정압력이 결정된다.
이에 대해서는 도 13에서 자세히 설명되므로 구체적인 설명은 생략한다.
한편 급기팬(1140) 및 환기팬(1150)은 중앙감시 장치인 DDC제어기(1120) 및 제어 컴퓨터(1130)로 입력되는 운용자의 신호에 의해 기동/정지될 수 있으며, 외기댐퍼(1192), 환기댐퍼(1193) 및 배기댐퍼(1191)은 정지시를 기준으로 각각 상시 닫힘(Normal Closed), 상시 열림(Normal Open) 및 상시 닫힘(Normal Closed)으로 되는데, 이는 동절기에 공조기를 정지시켰을 경우, 외기가 유입되어 코일이 동파되는 것을 방지하기 위한 것이다.
상기 외기댐퍼(1192), 환기댐퍼(1193) 및 배기댐퍼(1191)는 하나의 신호로 연동된다. 구체적으로 외기댐퍼(1192)와 배기댐퍼(1191)가 전폐시를 기준으로 해서 30% 열렸다면, 환기댐퍼(1193)는 30% 닫힌 상태가 되고 30%의 실내공기는 배기됨과 동시에 환기댐퍼(1193)를 통해 70%의 공기가 순환되고 외기댐퍼(1192)를 통해 30%의 외기가 유입되므로 항상 실내로 100%의 공기가 들어오게 된다.
또한 봄 또는 가을과 같은 중간기의 외기 냉방제어시에는 건물 이용시간 전에 일정기간 동안 외기댐퍼(1192)와 배기댐퍼(1191)는 완전 개방, 환기댐퍼(1193)는 완전 폐쇄하고, 모든 조절밸브는 완전 폐쇄한 상태에서 급기팬(1140)을 가동시킨다.
한편 조기 냉방 및 난방 제어시에는 건물 이용시간 전에 일정시간 동안 외기댐퍼(1192)와 배기댐퍼(1191)는 완전 폐쇄하고, 환기댐퍼(1193)는 완전 개방하고 냉방 또는 난방 조절밸브만을 개방하여 급기팬(1140)을 가동시킨다.
다른 한편으로 동절기의 동파방지 제어시에는 혼합기의 온도가 일정 온도 이하가 되면 장비의 동파방지를 위하여 외기댐퍼(1192)와 배기댐퍼(1191)를 완전 폐쇄한다.
온습도검출기들(AI1 ~ AI6)은 연속적으로 증감하고 있는 아날로그 양(온도 및 습도)을 검출하므로 아날로그 형태의 신호를 DDC에 입력(AI)하며, 이 신호를 받은 DDC는 내장되어 있는 프로그램으로 비교 연산한 후 결과치(변환치)를 아날로그 형태의 신호로 출력(AO)한다.
냉방 밸브(1163)와 각 댐퍼들은 이 아날로그 신호를 받아 그 개도치가 연속적인 아날로그 형태로 비례제어 또는 비례적분제어가 된다.
이러한 구성을 가지는 도 11에 따른 변풍량 공기조화기의 동작을 간단히 설명하면 다음과 같다.
먼저 DDC제어기(1120)에서 급기팬(1140)을 가동시키면 공조가 시작된다. 이때 급기팬(1140)와 환기팬(1150)은 연동된다.
급기덕트에 설치된 온습도검출기(AI5)의 검출온도에 의해 냉방밸브(1167)을 비례적분 제어하여 냉각코일(1196) 출구의 공기온도를 일정하게 유지한다. 이후 급기팬(1140)이 정지되는 경우 냉방밸브(1167)는 통상적인 상태인 폐쇄상태를 유지한다.
바이패스댐퍼(1194)는 환기덕트에 설치된 온습도검출기(AI6)와 설정온도의 검출값의 차에 따라 비례적분 제어되며, 환기댐퍼(1193)와 배기댐퍼(1191), 외기댐퍼(1192) 및 바이패스댐퍼(1194)는 상호 역비율로 적용된다.
구체적으로 공기조화기를 최초 가동 후 예열하는 경우에 바이패스댐퍼(1194), 배기댐퍼(1191), 외기댐퍼(1192)는 완전 폐쇄되고, 환기댐퍼(1193)는 완전 개방하여 환기덕트에 설치된 온습도검출기(AI6)에서 검출되는 온도와 설정온도와의 차이가 없을 때까지 유지 후 설정된 기능에 따라 동작한다.
환절기 외기 냉방을 수행하는 경우, 환기 덕트에 설치된 온습도검출기(AI6)와 외기덕트에 검출된 온습도검출기(AI1)의 엔탈피를 연산 비교하여 외기공기의 엔탈피가 실내공기의 엔탈피보다 낮을 경우, 엔탈피 제어에 의한 댐퍼의 상호연동 비례적분제어로 실내상태를 쾌적하게 유지시킨다.
급기팬(1140)이 정지되는 경우에, 환기팬(1150)은 정지되고 냉방밸브(1163), 외기댐퍼(1192), 환기댐퍼(1193) 및 배기댐퍼(1191)는 폐쇄된다.
DDC제어기(1120)에서 냉각기(1110)를 운전시키면 냉수펌프가 가동된다. 냉각기(1110)의 운전은 냉수온도에 따라 압축기가 운전/정지되면서 냉각코일(1050)에 공급되어 혼합공기를 냉각하고 급기팬(1140)의 출구에 설치된 온습도검출기(AI5)에서 측정되는 온도와 설정온도와의 차이가 없도록 일정하게 유지시킨다.
도 13과 도 14는 본 발명에 따른 변풍량 공기 조화기의 외기/혼합기 챔버 설정 압력 관계식 및 환기/배기 챔버 설정압력 관계식의 파라미터를 계산하기 위하여 외기댐퍼 설정개도에 대한 혼합챔버 압력과 외기량 측정 실험 결과로 외기량에 따라 나타낸 것이다.
도 13에서 보는 바와 같이 외기댐퍼개도에서 외기량이 증가할수록 외기/혼합기 챔버 압력은 낮아지고 환기/배기 챔버 압력은 증가하는 것을 알 수 있으며, 같은 외기량에서 외기댐퍼개도가 증가할수록 외기/혼합기 챔버 압력이 높아지고 환기/배기 챔버 압력은 낮아지는 것을 알 수 있다.
이와 같은 관계에 따라 실내에서 요구되는 이산화탄소를 유지하기 위하여 외기댐퍼의 개도을 설정하기 위한 외기댐퍼 설정개도(ODset)는 다음과 같은 식으로 표현된다.
Figure 112010085208266-pat00010
여기서 CO2exp은 실제 측정된 실내 이산화탄소량, CO2set은 실내에서 요구되는 이산화탄소설정량, ODmax는 외기댐퍼 최대개도, ODmin는 외기댐퍼 최소개도이다.
한편 외기/혼합기 챔버 설정압력 Pmix와 환기/배기 챔버 설정압력 Pexr는 외기댐퍼 개도 ODset와 요구외기량 REQOA에 대한 함수로써 나타낼 수 있다.
즉, 외기/혼합기 챔버 설정압력 Pmix는
Figure 112010085208266-pat00011
환기/배기 설정압력 Pexr는
로 나타낼 수 있다.
여기에서 a1 ~ a6 및 b1 ~ b6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 혼합챔버 압력과의 관계에 의해 주어진 파라미터로 도 13 및 도 14의 실험에서 다음과 같이 구해진다.
파라미터 값 파라미터 값
a1 -28 b1 15
a2 -0.003 b2 0.0016
a3 0.14 b3 -0.37
a4 0.0000006 b4 0.00000021
a5 -0.0012 b5 0.0029
a6 0.00016 b6 -0.000009
한편 외기댐퍼 설정개도에 따른 요구외기량 REQOA는 다음과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112010085208266-pat00013
여기에서 요구외기량(REQOA)은 최대 급기량(SAmax)의 30%, 최대 요구외기량은 최대 급기량의 70%로 가정하였으나, 설치공간 및 설계에 따라 다양하게 설정될 수 있다.
또한 상기에서 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 혼합챔버 압력과의 관계에 의해 결정되는 파라미터 a1 ~ a6 및 b1 ~ b6는 실험조건 즉, 공조공간 또는 공기조화기 사양에 따라 다른 값을 가질 수 있음에 주의하여야 한다.
도 15 내지 도 16은 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기를 이용하여 이산화탄소 및 혼합챔버의 압력을 이용한 제어 방식을 이용한 실험결과로 도 15는 외기댐퍼 개도, 바이패스댐퍼개도 및 급기댐퍼의 개도를 표시하고 있으며, 도 16은 급기량, 외기량, 실내 이산화탄소량을 나타내고 있다.
도 15 내지 도 16에서 보는 바와 같이 외기댐퍼는 실내 이산화탄소량의 변화에 따라 최소 30%에서 최대 100%까지 제어되고 있으며 바이패스댐퍼는 실내 이산화탄소량의 변화에 따라 요구되는 외기량을 확보하기 위해 재설정된 외기/혼합기 챔버 설정압력에 의해 제어됨을 알 수 있다.
한편 실내 부하감소에 따른 영향을 확인하기 위해 81분 정도에서 급기댐퍼를 100%에서 70%로 변경하였을 때, 외기/혼합기 챔버 내의 압력이 높아지게 되어 95분 이후부터는 바이패스 댐퍼가 이전보다 감소되고 급기량은 6000CMH 정도에서 4000CMH로 감소하지만 외기량은 실내 이산화탄소량의 변화에 따라 독립적으로 필요한 외기량을 공급하고 있으며 실내 이산화탄소량이 실내 이산화탄소설정량 이하에서도 최소 요구 외기량인 1800CMH 정도를 유지하고 있음을 알 수 있다.
또한 외기댐퍼 개도가 40% 이하일 경우에도 요구 외기량이 도입되지 못하는 종래의 제어방식과는 달리 최소 요구외기량이 확보됨을 알 수 있다.
도 17은 본 발명에 따른 변풍량 공기조화기에서 필터의 막힘에도 적절한 요구 외기량이 확보되고 있음을 나타내고 있는 실험 결과이다.
구체적으로 본 발명에 따른 변풍량 공기 조화기가 구동된 후 약 115분 경 필터를 약 60%정도 인위적으로 막아 실험을 진행한 결과 도 17에서 보는 바와 같이 급기량, 외기량, 실내 이산화탄소량의 변화를 살펴보면 필터의 막힘에 따라 챔버 내의 압력이 변화더라도 실내 이산화탄소량의 변환에 따라 요구되는 외기량의 공급이 필터 막힘 이전과 동일하게 유지됨을 알 수 있다.
111: 실내 공기 112: 혼합 공기
113: 외기 공기 120: 전부하 구간
130: 부분부하 구간 140: 부분부하시 실내조건
211: 코일추출 공기 212: 실내온습도 조건 만족점
213: 설계 실현열비선 214: 실내 공기
215: 혼합 공기 216: 외기 공기
220: 재열 구간 230: 총현열 열비선
311: 냉각코일 출구 제1온도 312: 냉각코일 출구 제2온도
313: 실현 열비선 320: 바이패스 공기 공급 구간
330: 설계 조건 사이클 340: 바이패스 제어 사이클
410: 공기조화기 420: 송풍기
430: 공조 공간 440: 외기 바이패스
451: 외기 공기 452: 급기 공기
453: 환기 공기
510: 공기조화기 520: 송풍기
530: 공조 공간 540: 혼합공기 바이패스
551: 외기 공기 552: 환기와 외기의 혼합 공기
553: 급기 공기 554: 환기 공기
610: 공기조화기 620: 송풍기
630: 공조 공간 640: 환기 바이패스
651: 외기 공기 652: 급기 공기
653: 환기 공기
711: 실내 공기 712: 혼합 공기
713: 외기 공기 720: 전부하 구간
730: 부분부하 구간 740: 설계 실현열비선
751: 환기 바이패스 실내상태선 752: 혼합공기 바이패스 실내상태선
753: 외기 바이패스 실내상태선
1011: 외기댐퍼 1012: 외기/혼합기 챔버 정압감지기
1013: 급기 정압감지기 1014: 이산화탄소 감지기
1015: 환기 정압감지기 1016: 배기댐퍼
1017: 바이패스댐퍼
1020: 급기팬 1030: 환기팬
1040: 필터 1050: 냉각코일
1060: 히팅코일 1070: 가습기
1110: 냉각기 1120: DDC제어기
1130: 제어 컴퓨터 1140: 급기팬
1150: 환기팬 1160: 배기측
1161: 급기측 1171: 환기측
1180: 전원공급부 1191: 배기댐퍼
1192: 외기댐퍼 1193: 환기댐퍼
1194: 바이패스댐퍼 1195: 필터
1196: 냉각 코일

Claims (13)

  1. 변풍량 공기조화기 제어 방법에 있어서,
    공기 조화기 각 구성의 설정값을 초기화하는 단계;
    각 파라미터와 초기값을 설정하는 단계;
    혼합챔버 초기 압력(Pmix)을 하기의 식에 의해 설정하고,
    Figure 112010085208266-pat00014

    상기에서, a1 ~ a6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 혼합챔버 압력과의 관계에 의해 정해지는 파라미터이며, REQOA는 외기댐퍼 최소개도이고, ODset는 외기댐퍼 설정 개도,
    환기/배기챔버 초기 압력(Pexr)을 하기의 식에 의해 설정하는 단계;
    Figure 112010085208266-pat00015

    상기에서, b1 ~ b6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 환기/배기챔버 압력과의 관계에 의해 정해지는 파라미터이며, REQOA는 외기댐퍼 최소개도이고, ODset는 외기댐퍼 설정 개도,
    혼합챔버 압력을 검출하는 단계;
    제 1소정 시간이 경과되었는지 확인하여 제1소정시간이 경과된 경우, 외기댐퍼 개도를 결정하는 단계; 및
    제1혼합챔버 압력을 설정하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    제1소정 시간이 경과되었는지 확인하여 제1소정 시간이 경과되지 않은 경우, 제2소정 시간이 경과되었는지 확인하여, 제2소정 시간이 경과된 경우, 바이패스댐퍼의 개도가 최소 바이패스댐퍼 개도보다 작은지 확인하는 단계;
    바이패스댐퍼의 개도가 최소 바이패스댐퍼 개도보다 크면서 완전개방 개도에서 외기댐퍼 개도를 뺀 값보다 큰 경우, 외기댐퍼의 개도를 증가시키는 단계; 및
    제2혼합챔버의 압력을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2혼합챔버의 압력을 설정하는 단계 후,
    외기 공급팬을 제어하는 단계;
    외기/흡기 댐퍼를 제어하는 단계;
    바이패스댐퍼를 제어하는 단계; 및
    환기팬을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기 제어 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    제2소정 시간이 경과되지 않은 경우,
    외기 공급팬을 제어하는 단계;
    외기/흡기 댐퍼를 제어하는 단계;
    바이패스댐퍼를 제어하는 단계; 및
    환기팬을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기 제어 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    바이패스댐퍼의 개도가 최소 바이패스댐퍼 개도보다 크면서 완전개방 개도에서 외기댐퍼 개도를 뺀 값보다 작은 경우,
    제2혼합챔버 압력을 설정하는 단계;
    외기 공급팬을 제어하는 단계;
    외기/흡기 댐퍼를 제어하는 단계;
    바이패스댐퍼를 제어하는 단계; 및
    환기팬을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기 제어 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    바이패스댐퍼의 개도가 최소 바이패스댐퍼 개도보다 큰 경우,
    외기댐퍼 개도를 감소시키는 단계;
    외기댐퍼의 개도(SetOD)를 하기의 식에 의해 재설정하는 단계; 및
    Figure 112010085208266-pat00016

    CO2exp은 실제 측정된 실내 이산화탄소량, CO2set은 실내에서 요구되는 이산화탄소설정량, ODmax는 외기댐퍼 최대개도, ODmin는 외기댐퍼 최소개도,
    제3혼합챔버 압력을 설정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    외기댐퍼 설정 개도(ODset)에 따른 최소 요구외기량(REQOA)는 하기의 식에 의해 주어지는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기 제어 방법.
    Figure 112010085208266-pat00017
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제3혼합챔버 압력을 설정하는 단계 후,
    외기 공급팬을 제어하는 단계;
    외기/흡기 댐퍼를 제어하는 단계;
    바이패스댐퍼를 제어하는 단계; 및
    환기팬을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기 제어 방법.
  9. 배기덕트, 외기덕트, 환기 덕트 및 급기덕트가 구비된 변풍량 공기조화기에 있어서,
    상기 배기덕트에는 실내의 공기를 외부로 유출시키는 배기량을 제어하는 배기댐퍼가 설치되며,
    상기 외기덕트에는 외부로부터 공기를 건물 내로 흡수시키는 외기량을 제어하는 외기댐퍼가 설치되며,
    상기 환기덕트를 통해 실내 공기의 환기량을 바이패스시켜 다시 실내로 공급되도록 하는 바이패스량과 실내에 요구되는 최소 요구외기량 및 요구 이산화탄소량을 만족하도록 조절하기 위해 외기/혼합기 챔버의 정압을 감지하는 외기/혼합기 챔버 정압기가 바이패스댐퍼 및 외기댐퍼 사이에 설치되며,
    환기량이 배기량과 바이패스량으로 분기되도록 제어하는 환기팬 및 상기 환기팬을 제어하기 위하여 환기량의 정압을 감지하는 환기 정압감지기가 환기측과 환기팬 사이의 상기 환기 덕트에 설치되고,
    상기 외기/혼합기 챔버의 초기 압력(Pmix)을 하기의 식에 의해 설정하고,
    Figure 112010085208266-pat00018

    (상기에서, a1 ~ a6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 혼합챔버 압력과의 관계에 의해 정해지는 파라미터이며, REQOA는 외기댐퍼 최소개도이고, ODset는 외기댐퍼 설정 개도)
    환기/배기챔버 초기 압력(Pexr)을 하기의 식에 의해 설정하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기.
    Figure 112010085208266-pat00019

    (상기에서, b1 ~ b6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 환기/배기챔버 압력과의 관계에 의해 정해지는 파라미터이며, REQOA는 외기댐퍼 최소개도이고, ODset는 외기댐퍼 설정 개도)
  10. 제9항에 있어서,
    상기 급기덕트에는 상기 급기팬에 공급되는 급기량을 제어하는 급기팬 및 상기 급기팬을 제어하기 위하여 급기량의 정압을 감지하는 급기 정압감지가 상기 급기팬 및 상기 급기덕트 사이에 더 설치되는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 변풍량 공기조화기에 DDC제어부가 더 구비되어,
    외기/혼합기 챔버 정압기로부터 외기/혼합기 챔버 압력신호를 입력받고,
    환기 정압감지기로부터 환기 정압량 신호를 입력받으며,
    급기 정압감지로부터 급기 정압량을 입력받아,
    제1소정 시간마다 이산화탄소량을 감지하여 이산화탄소설정량과 비교하여 외기댐퍼의 개도(ODset)을 하기와 같이 설정하고,
    Figure 112010085208266-pat00020

    (CO2exp은 실제 측정된 실내 이산화탄소량, CO2set은 실내에서 요구되는 이산화탄소설정량, ODmax는 외기댐퍼 최대개도, ODmin는 외기댐퍼 최소개도)
    상기 외기댐퍼 설정 개도와 요구 외기량에 따라 혼합챔버 압력(Pmix)을 하기와 같이 설정하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기.
    Figure 112010085208266-pat00021

    (상기에서, a1 ~ a6는 외기댐퍼 설정개도에 대한 요구외기량과 혼합챔버 압력과의 관계에 의해 정해지는 파라미터이며, REQOA는 외기댐퍼 최소개도이고, ODset는 외기댐퍼 설정 개도)
  12. 제11항에 있어서,
    제2소정 시간마다 바이패스댐퍼 개도 설정 상태를 변경하되,
    바이패스댐퍼 개도가 바이패스 최소 개도보다 작을 경우 외기댐퍼를 닫아 바이패스댐퍼가 개방도도록 외기댐퍼의 개도를 재설정하고 재설정된 외기댐퍼의 개도와 요구 외기량에 의해 제3혼합챔버 압력을 설정하며,
    바이패스댐퍼 개도가 바이패스 최소 개도보다 크면서 전개도에서 외기댐퍼 개도량을 뺀 값보다 작을 경우 제1혼합챔버 압력을 제2혼합챔버 압력으로 재사용하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기.
  13. 제11항에 있어서,
    제2소정 시간마다 바이패스댐퍼 개도 설정 상태를 변경하되,
    바이패스댐퍼 개도가 바이패스 최소 개도보다 크면서 완전개방 개도에서 외기댐퍼 개도량을 뺀 값보다 클 경우 외기 댐퍼 개도 증가시켜 외기 댐퍼 개도를 재설정하여 재설정된 외기 댐퍼 개도에 의해 제2혼합챔버 압력을 설정하는 것을 특징으로 하는 변풍량 공기조화기.
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