권용일
(Yong-Il Kwon)
1†
-
신한대학교
(Shinhan University, UijeongbuSi, 11644, Korea)
Copyright © 2016, Society of Air-Conditioning and Refrigeration Engineers of Korea
Key words
에너지소비(Energy consumption), 공용덕트시스템(Common duct system), 배풍기(Ventilator)
기호설명
V.V.V.F：가변전압 가변주파수
SP：정정압운전의 정압
Ps：정압
FMS：유량계
VP：가변전압 가변주파수의 정압
1. 연구배경 및 목적
공동주택의 화장실과 주방에 적용되는 환기시스템은 일반적으로 중앙배기시스템이 적용되며 이 배기시스템은 세대별로 자연 급기구를 갖고 공용 수직덕트를 설치하고
말단에 배기용 송풍기를 설치하여 강제배기를 수행하는 스템이다. 최근, 30층 이상의 초고층 공동주택의 건설이 증가되면서 이러한 중앙배기시스템이 설치된
경우, 저층부 일부 세대에서 환기성능 저하 현상이 발생하고 있다. 이에 다수의 연구자들은 공용 수직덕트를 갖는 중앙배기시스템의 배기성능의 문제점을
확인하고 개선방안을 제시하였다.
(1-5) 이러한 중앙배기시스템은 각층 배기방식과 달리 공용 수직덕트가 설치되고 말단에 송풍기를 설치하여 배기를 수행하므로 크게 두 가지 문제점을 갖고 있다.
첫째, 공용 수직덕트 말단에 설치된 송풍기는 최대풍량에 적합하게 선정된다. 둘째, 송풍기를 운전하여 배출되는 공기는 오직 배기를 수행하는 세대의 공기만
배출해야 된다. 배기를 수행하는 세대의 공기만 배출되는 기능은 공용 수직덕트와 체결된 세대별 가지관에 모터로 구동되는 ON/FF 댐퍼를 설치함으로써
구현될 수 있다.
(6) 그러나 공용 수직덕트 말단에 설치된 송풍기는 공동주택의 세대별 배기비율에 따라 풍량이 변화되어 운전되어야 하므로 각 세대별 환기성능을 확보하면서
에너지절약을 유도할 수 있는 제어시스템이 적용되어야 한다. 송풍기의 배기풍량을 제어하는 방식은 흡입 및 토출댐퍼제어, 흡입 베인제어, 변풍량제어 및
정압제어로 구분된다. 제어방식에 따른 에너지소비량 감소 특징을 살펴보면 댐퍼제어방식의 경우, 송풍기 전단 혹은 후단에 설치된 댐퍼의 개도를 조정하면
저항이 변화되어 배기량을 증가, 감소하지만 송풍기 효율이 같이 변화되어 에너지소비량의 감소폭이 둔화된다. 특히, 흡입베인제어는 송풍기의 흡입측 에
8~16개의 방사상 가동익을 장치하고 그 각도를 동시에 변화시킴으로써 풍압과 풍량을 제어하는 방법. 저 풍량 영역까지 연속 운전은 가능하지만 풍량이
감소할수록 효율이 나빠진다. 덕트 내에서 배출되는 풍량변화에 따라 발생하는 정압변화를 보상하여 송풍기의 임펠러 회전속도를 변화시키기는 방식이 위해,
모터에 공급하는 전압과 주파수를 변화시켜 송풍기의 회전속도 제어방식은 공용덕트 말단에 풍량센서를 설치하거나 수직덕트의 유동방향 상류 2/3지점에 정압센서를
설치하여 변풍량시스템으로 운전하는 방식이 익히 알려져 있다.
(7) 본 연구는
Fig. 1과 같이 송풍기에 배기되는 풍량이 감소될 때, 적용하는 변풍량 및 정정압 제어방식이 에너지소비량에 미치는 영향을 평가하기 위해, 수행되었다.
Fig. 1. Schematic diagram of control system used to common vertical duct.
Fig. 1(A)의 변풍량제어 시스템은 FMS(flow measuring system)에서 측정된 풍량에 적합하게 회전수를 변경시키는 방법으로 인버터를 적용하여 가변
전압 주파수제어(Variable voltage & variable frequency control)를 수행하면 풍량변화량의 제곱승에 비례하여 정압이 변화될 때, 송풍기효율은 일정하게 유지되는 효과를
얻을 수 있다.
Fig. 1(B)의 정정압제어는 배기가 유동하는 방향으로 수직덕트의 2/3지점(말단에서 1/3지점)에 정압센서를 설치하여 일정한 정압이 유지되도록 제어하는 방식이다.
그러나 공동주택에 설치되는 공용 수직덕트는 동시사용율뿐만 아니라 배기를 수행하는 세대가 불규칙하다, 즉,
Fig. 1(B)에 묘사된 제어는 모든 가지관에서 일정량의 배기를 수행하는 조건에 적용되는 방식이므로 본 연구의 대상과 같이 가지관의 배기가 불균일한 조건에서 정압센서의
설치위치는
Fig. 1(A)의 FMS센서의 설치위치와 동일하게 수직덕트 말단에 설치되는 것으로 타당하다. 그러므로 부분부하운전 시 정압센서의 설정압력은 최대풍량이 배기될 때,
유지되는 압력으로 설정한다. 이러한 제어방식은 현재 LH공사에 발주하는 공동주택에 일반적으로 적용되고 있다. 본 연구의 목적은 40층 공동주택의 공용
수직덕트 말단에 설치된 송풍기의 정격운전점과 부분부하 운전시 정정압제어 운전성능을 실험하여 소비동력과 효율을 측정하고 인버터를 이용하여 송풍기의 회전수제어를
수행하는 변풍량운전을 수행했을 때, 소비되는 에너지와 비교하기 위함이다.
2. 연구방법
40층 공동주택의 주방배기를 공용 수직 덕트시스템을 이용하여 배출할 때, 덕트 말단에 설치된 송풍기는 회전수가 1,600 rpm일 때, 정압이 370
Pa이고 3,600 CMH의 풍량을 배출하는 정격성능을 갖고 있다. 이러한 송풍기가 공용 수직덕트에서 배기되는 풍량의 변화에 대응하여 정정압제어를
수행함으로써 풍량변화에 따른 에너지소비량과 효율을 측정하기 위해,
Fig. 2와 같은 시험장치를 구성하였다.
Fig. 2. Shape and schematic the performance test system for the ventilator.
본 연구에서는 세대별 배기풍량을 200 CMH로 가정하고 40층 공동주택의 주방에서 동시에 배기되는 비율은 위생설비의 기구수법에서 40개의 기구가
동시에 사용하는 비율인 37.5%로 가정함으로써 40층 공동주택의 주방에서 동시에 배기되는 풍량은 3,000 CMH가 정격 배기풍량으로 가정하였다.
송풍기 성능시험은 주어진 회전수에서 덕트를 통하여 유입되는 유량과 정압을 측정하였으며 유량을 변화시키기 위해, 덕트말단에 풍량조절용 콘을 설치하여
배기되는 유량을 조절하였다. 이때, 정압은 덕트내부와 대기의 차압을 이용하여 측정하였다. 정압과 풍량을 측정하는 센서는 1차형 6점 피토관을 사용하였으며
센서로 유입되는 공기는 층류유동이 발생하도록 정류기를 통과하여 센서로 유입되도록 덕트시스템을 구성하였으며 센서와 정류기 사이의 거리는 6 d 거리를
유지시켰고 덕트의 직경은 40층 공동주택의 공용 수직덕트로 일반적으로 적용되는 350 mm를 설치 하였다. 풍량과 정압측정을 위한 센서의 측정범위와
정확도는 각각 0~1,000 Pa, ±3 Pa이며 testo 454를 사용하여 측정하였다. 6점 피토관에 의한 차압으로부터 평균유속을 산정하였으며
주어진 유량계수인 0.716을 이용하여
식(1)과 같이 구하였으며 단면적을 곱하여 배기 풍량을 산정하였다.
송풍기의 성능시험범위는 송풍기의 정격성능을 표현하는 회전수인 1,600 rpm으로부터 870 rpm까지 4등분 하여 회전수를 변경하였으며 이때, 정압은
50~350 Pa범위를 유지하였다.
중앙배기식 국소배기시스템의 말단에 설치된 송풍기에 적용되는 제어방식에 따른 에너지량을 평가하기 위해서는 시간대별 송풍기에 의해 배기되는 풍량비율이
가정되어야 한다. 송풍기가 사용하는 에너지비율은 사용 시간대, 계절별, 주말 및 주중 차이를 나타내지만 본 연구에서는 하루 시간대별로 송풍기가 에너지를
사용하는 비율이 차이난다고 가정하였다. 송풍기가 부분부하로 운전하는 비율을 정확히 예측하기 위해서는 공동주택에 거주하는 사람이 후드를 운전하는 비율을
정확히 예측하여야 한다. 본 연구에서는
Fig. 3과 같이 표현되는 공동주택의 급수 동시 사용비율을 송풍기의 운전비율로 가정하였다.
(8) 급수의 동시사용비율이 최대치가 되는 지점을 송풍기의 최대풍량운전 시점으로 가정하여 시험으로 구한 송풍기의 처리풍량에 따른 소비동력을 이용하여 효율을
구하여 시간대별 에너지소비량을 구하는데 사용하였다. 본 연구에서 사용한 동시사용율은 오전 8시에 100%로 최대값을 나타내며 오전 3시와 4시에 1%로
최저값을 나타내고 있다.
Fig. 3. Diversity factor of water supply used for evaluating the energy consumption.
3. 송풍기 성능시험 및 에너지소비량 평가
공용 수직덕트를 이용하여 40층 공동주택의 주방배기를 수행하는 경우, 최상층부에 설치된 송풍기가 운전된다. 송풍기의 처리풍량이 3,600 CMH일
때, 정압은 370 Pa이고 소비동력이 0.592 kW으로 측정되었고 운전점에서 송풍기 효율은
Fig. 4와 같이 75.04%로 평가되었다. 본 연구는
Fig. 4와 같이 시간대별로 배기풍량을 감소될 때, 적용되는 제어방식(정정압제어와 변풍량제어)에 따라 변화되는 에너지소비량을 비교하기 위해, 풍량변화에 관계없이
정정압 운전을 수행하여 송풍기의 소비전력을 측정한 후, 효율을 평가하였고 이 값을 등효율을 유지하는 회전수제어 방식의 에너지소비량과 비교하였다.
Fig. 4. Operation point of the ventilator installed in 40 story apartment.
3.1 정정압운전 송풍기성능
공용 수직 덕트의 최상부에 설치된 송풍기의 정격성능은 회전수가 1,600 rpm이다. 풍량변화에 관계없이 일정한 정압을 유지시키기 위해, 정정압 운전을
수행할 때, 송풍기의 운전성능을 Q-H선도에 표시하면
Fig. 5~
Fig. 8과 같이 나타나고 있다. 송풍기의 배기량을 변화시키는 제어방식이 풍량변화에 따라 정압이 변화되는 변풍량 시스템을 전압과 주파수를 변화시키는 V.V.V.F
제어방식은 잘 알져진 바와 같이 정격출력일 때의 송풍기 효율이 풍량이 변화되어도 일정(등 효율)하게 유지시킴으로써 에너지소비량이 감소되지만 풍량이
감소되어도 덕트 말단의 정압을 일정하게 유지하도록 제어하는 경우, 제어의 개념을 요약하면 다음과 같다. 즉, 풍량이 33.3% 및 66.6%로 감소시키도록
가변 전압 주파수(V.V.V.F) 제어를 수행하여 송풍기의 운전점이
Fig. 5의 VP1 또는 VP2지점으로 변경될 수 있음을 예측할 수 있지만 풍량이 감소에 관계없이 최대풍량에서 유지하는 정압을 유지시키기 위해, SP1 또는
SP2지점으로 이동하기 위해, 임펠러의 회전속도를 증가시키게 되므로 풍량 감소비율보다 효율감소비율이 증가되어 송풍기의 소비동력이 가변 전압 주파수제어방식보다
증가될 것으로 예측된다. 이를 위해,
Fig. 2와 같은 구성한 시험장치를 사용하여 풍량변화에 관계없이 일정한 압력을 유지하도록 정정압 제어를 수행하여 시험한 결과를 고찰하면 다음과 같다.
본 실험을 위해서 설정한 정압은 150 Pa~300 Pa범위이다.
Fig. 5는 배기풍량을 3,000 CMH에서 200 CMH까지 변화시켰을 때, 풍량변화에 관계없이 정압을 300 Pa로 유지하기 위해서 송풍기의 제어운전을
수행한 결과를 나타내고 있다.
Fig. 5. Operation curve of the ventilator at dp = 300 Pa.
배기 풍량이 3,000 CMH에서 200C MH로 감소함에 따라 효율이 51.2%에서 14.15%로 감소하였고 이때, 회전 수는 1,220 rpm~1,350
rpm 범위 내에서 변화되어 적은 풍량이 배기됨에도 높은 회전수로 운전함을 확인 하였다. 또한 정압을 250 Pa로 유지하여 정압운전을 수행하는 경우에도
Fig. 6과 같이 송풍기 효율이 52.3% 에서 16.1%로 감소하였고 송풍기의 회전수는 배기량이 3,000 CMH에서 200 CMH까지 변화됨에 따라 1,100
rpm~1,290 rpm 범위 내에서 변화되었다.
Fig. 6. Operation curve of the ventilator at dp = 250 Pa.
두 조건 모두 풍량이 감소하여도 일정한 정압을 유지하기 위해 임펠러의 회전수를 상승시킴으로 인해 효율이 급격히 감소함으로써 에너지소비량이 증가할 수
있음을 효율변화에서 확인할 수 있다. 또한 정격 배기풍량이 적어 송풍기의 운전 정압을 200 Pa 또는 150 Pa로 감소시켜야 되는 배기시스템의
경우,
Fig. 7과
Fig. 8에 나타난 바와 같이 배기풍량이 감소함에 따라 송풍기의 효율이 감소하고 있음을 확인하였다. 그러나 최대 효율이 52%~53%의 범위를 유지하였지만
적은풍량을 배기하는 경우, 송풍기의 효율이 26%~29%를 유지하여
Fig. 5,
Fig. 6과 같이 높은 정압(250 Pa, 300 Pa)을 유지하는 경우보다 송풍기의 효율 감소폭이 둔화되고 있음을 확인하였다.
Fig. 7. Operation curve of the ventilator at dp = 200 Pa.
Fig. 8. Operation curve of the ventilator at dp = 150 Pa.
3.2 정정압운전 에너지소비량
실험을 통하여 정정압운전을 수행할 때, 형성되는 효율곡선과
Fig. 3의 동시사용량 비율을 활용하여 송풍기의 배기풍량을 가정한 후, 에너지소비량을 계산하면
Fig. 9와 같은 결과를 얻었다. 송풍기의 운전 정압을 300 Pa로 유지한 경우,
Fig. 4에서와 같이 동시사용 풍량이 많은 오전 8시와 오후 7시(19시)에 에너지소비량이 최대를 유지해야 되지만 풍량의 감소비율보다 효율감소비율이 높아 에너지소비량이
최대인 시간은 오전 7시이며 오후에는 오후 6시(18시)로 나타났다. 이는 배기풍량이 감소할 때, 정정압운전을 수행하면 효율의 감소비율이 풍량감소비율보다
증가함을 의미한다. 또한 정압이 배기풍량의 제곱승관계로 변화되도록 가변 전압 주파수 제어를 수행하면, 효율은 정격운전조건과 동일하게 유지됨으로 에너지소비량은
Fig. 10과 같이 현저히 감소함을 확인하였다. 이로 인해 일별 에너지소비량은 정정압운전을 수행하는 경우보다 약 70%정도 증가되는 것으로 나타났다. 또한 송풍기의
정압을 150 Pa~250 Pa범위로 운전할 때, 시간대별 에너지소비량은 큰 차이가 나지 않으며 오히려 운전 정압이 150 Pa인 경우, 11시부터
17시 사이에 에너지소비량이 미소하게 증가하는 현상을 나타내고 있다. 이로 인하여 일별 에너지소비를 집계한 결과
Table 1과 같이 운전정압이 200 Pa 혹은 250 Pa인 경우보다 미소하게 높게 유지되고 있다. 이는 동일한 송풍기를 낮은 정압에서 운전하게 되면 효율이
감소하기 때문이다.
Fig. 9. Energy consumption along to time change for various static pressures of ventilator.
Table 1. Daily energy consumption along to operating static pressure
|
Ps
|
static pressure control
|
300 Pa with VVVF
|
|
150 Pa
|
200 Pa
|
250 Pa
|
300 Pa
|
|
E(kwh)
|
5.47
|
5.13
|
5.16
|
6.57
|
3.86
|
4. 결 론
공동주택은 각 세대의 화장실 또는 주방 환기를 위해, 일반적으로 중앙배기시스템이 설치되며 효과적인 배기를 위해 공용 수직덕트 말단에는 최대풍량을 배기할
수 있는 송풍기가 설치된다. KARSE는 고층 아파트의 단위 세대별 환기성능을 일정하게 유지하기 위해, 정정압제어를 적용하도록 단체표준을 제정․운용하고
있다. 본 연구는 중앙배기시스템에 적용되는 정정압제어로 운전되는 송풍기의 에너지소비량을 평가한 후, 변풍량 제어를 적용하였을 때, 예측되는 에너지소비량과
비교하기 위해 수행되었으며 그 결과는 다음과 같다.
(1) 풍량 감소에 관계없이 배기덕트 내의 압력을 300 Pa로 일정하게 유지하기 위해 정정압제어를 수행하면 변풍량(가변 전압 가변 주파수) 제어시스템보다
일별 에너지소비량이 70%로 증가하는 것으로 나타났다.
(2) 동일한 송풍기를 운전압력을 150 Pa~250 Pa로 변경하여 정정압제어 운전을 한 경우, 일별 에너지소비량이 150 Pa이 높은 것으로 나타났다.
(3) 배기풍량이 감소하면 덕트내의 정압이 감소하게 되며 이러한 정압감소를 극복하기 위해, 송풍기의 회전수는 증가되도록 제어됨으로 인해, 불규칙적인
소음이 많이 발생하는 것을 실험을 통하여 확인하였다.
후 기
본 논문은 2018학년도 신한대학교 학술 연구비 지원으로 연구되었음.
References
Kwon Y. I., Jeong Y. W., Ahn J. H., 2012, Study on the Performance Improvement of
Roof Fan Used for Local Exhaust System Installed in Apartment, Korean Journal of Air-Conditioning
and Refrigeration Engineering, Vol. 24, No. 2, pp. 136-142
Ham J. S., 1998, The study of the ventilation design of apartment houses considering
intake and exhaust duct efficiency, Korean Journal of Architectural Institute of Korea,
Vol. 14, No. 11, pp. 387-395
Choi U. J., Ham J. S., 1999, A study on the ventilation efficiency at bathroom of
apartment houses by condition of intake and exhaust, Proceedings of the SAREK ‘99
Winter Annual Conference(II), pp. 344-348
Moon J. S., Kang S. Y., Lee S. C., Yoo H. S., Lee J. H., 2004, Analysis of air flow
rate distribution for the bathroom exhaust system in high-rise buildings using T-method,
Vol. 16, No. 3, pp. 265-272
Kwon Y. I., Ahn J. H., 2009, Study on the control performance evaluation of the exhaust
stack used in high riser public house, Vol. 21, No. 2, pp. 103-108
Kwon Y. I., 2017, Control Method to Ensure Uniform Exhaust Function by Household of
Apartment House, Vol. 29, No. 12, pp. 628-637
Zhang J., Li X., Zhao T., Yu H., Chen T., Liu C., Yang X., 2015, A Review of Static
Pressure Reset Control in Variable Air Volume Air Condition System, Vol. 121, pp.
1844-1850
Lee Y. H., 2008, Sanitation facitilty for water supply and drainage of building