공조설비 자동제어

왜 배우는가: 공조설비 자동제어는 실내 온습도를 설계 목표로 유지하면서 에너지를 줄이는 핵심 수단이라 실무 설계와 운전에서 항상 다뤄진다. 기술사 시험에서도 DDC 계통도와 제어 계획·동작을 묻는 문제로 반복해서 출제되므로 원리와 구성을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제119회 2교시 2번, 제111회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공조설비 자동제어는 실내 온습도를 목표값으로 유지하기 위해 센서로 제어량을 검출하고 제어기가 목표값과 비교해 밸브·댐퍼·송풍기를 자동으로 조절하는 설비 제어이다.

• 제어량, 목표값, 외란
• 피드백 제어, 제어루프
• DDC(직접 디지털 제어), 센서·조절기·조작기
• 밸브 개도율, 댐퍼
• PID 제어, 에너지 절약 제어

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 실내를 원하는 온도와 습도로 만들기 위해 기계가 스스로 상태를 재고 고치는 일이다. 사람이 온도계를 보고 밸브를 돌리던 일을 센서와 제어기가 대신한다.

정식 정의는 다음과 같다. 공조설비 자동제어는 공기조화 대상 공간의 온도·습도·압력 등 제어량을 검출하여 미리 정한 목표값과 비교하고, 그 편차를 줄이도록 냉온수 유량, 증기량, 송풍량 등의 조작량을 자동으로 바꾸는 것이다. 이때 제어 결과가 다시 입력되어 동작을 고치므로 피드백 제어라고 부르며, 검출부·비교부·조절부·조작부가 고리를 이루는 제어루프를 형성한다.

핵심 용어는 다음과 같다. 제어량은 실내 온습도처럼 제어하려는 대상의 상태량이다. 외란은 실내 열부하 변동처럼 제어량을 흔드는 외부 요인이다. 조작량은 밸브 개도나 댐퍼 개도처럼 제어기가 직접 바꾸는 양이다. DDC는 중앙 또는 현장 제어기에서 디지털 프로그램으로 제어 로직을 구현하는 방식이다.

예를 들어 여름철 실온 목표가 26℃이고 냉각코일의 냉수량으로 온도를 조절하는 경우, 온도센서가 검출부, 제어기가 비교·조절부, 냉수밸브가 조작부가 된다. 실내 열부하 변동이 외란이다.

3. 등장 배경과 필요성

1960년대 후반 이전의 공조설비는 공압식 제어가 주류였다. 공기압으로 밸브와 댐퍼를 움직이는 방식이라 설정 변경과 기록이 어려웠고 정밀도가 낮았다. 이후 디지털 계산기술이 발전하면서 제어기를 프로그래밍할 수 있게 되었고, 시간 스케줄, 설정값, 제어 로직, 경보와 추세 기록을 한 장치에서 다룰 수 있게 되었다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 실내 쾌적 조건을 안정적으로 유지해야 한다. 둘째, 공조는 건물 에너지 소비의 큰 비중을 차지하므로 과열·과냉을 줄여 에너지를 절약해야 한다. 셋째, 설비가 대형화·복합화되면서 여러 기기를 통합 감시하고 이상을 조기에 알려야 한다.

공조기 제어에서 냉난방 전환을 자동화하는 것도 같은 맥락이다. 냉방용 냉수밸브와 난방용 온수밸브를 독립적으로 제어하면 계절과 부하에 따라 필요한 쪽만 작동시킬 수 있다. 밸브의 여닫는 정도인 개도율은 0%가 완전히 닫힌 상태, 100%가 완전히 열린 상태를 뜻하며, 이 값을 조작량으로 삼아 실내 온도를 맞춘다.

비례·적분·미분 동작을 조합한 PID 제어는 편차, 누적 편차, 변화율을 함께 보정하므로 공조 제어의 기본 알고리즘으로 널리 쓰인다. 다만 PID만으로는 목표값에 정확히 도달하지 못하는 경우가 있어 적분 동작으로 잔류 편차를 줄인다.

4. 구성요소·원리·절차

공조설비 자동제어는 검출부, 조절부, 조작부, 제어대상 네 요소가 하나의 제어루프를 이룬다. 실내 온습도를 검출해 목표치와 비교하고, 그 편차에 따라 밸브·댐퍼를 움직여 송풍량이나 냉온수량을 바꾸는 구조다. 이 구조를 피드백(feedback) 제어라고 한다.

표 아래 설명: 검출부는 실내 상태를 숫자로 바꾸고, 조절부는 그 값을 설정치와 비교한다. 조작부는 조절부의 지령을 밸브 개도나 댐퍼 개도로 옮긴다. 외란은 실내 열부하의 변동이며 제어기가 이를 보상해야 한다.

DDC(직접 디지털 제어) 방식은 조절부가 디지털 제어기이며, 아날로그 입력으로 온도·습도·압력을 받고 아날로그 출력으로 밸브·댐퍼를 구동한다. 디지털 입력은 기기 상태(접점), 디지털 출력은 기기의 기동·정지 릴레이에 쓰인다. 시간 스케줄, 설정치, 논리, 타이머, 경보 기능을 프로그램으로 바꿀 수 있다는 점이 기존 공압식과 다르다.

제어 원리는 PID 제어로 설명한다. 비례(P) 동작은 현재 편차에 비례해 조작량을 정하고, 적분(I, reset) 동작은 누적된 편차를 없애 잔류 편차(offset)를 줄인다. 미분(D, rate) 동작은 편차의 변화 속도에 반응해 급격한 부하 변동을 억제한다. 공조에서는 대개 P 또는 PI 동작을 기본으로 쓰고, 부하 변동이 빠른 곳에 D 동작을 더한다.

제어 절차는 다음과 같다.

• 제어량(실내 온도·습도 등)을 센서로 검출한다.
• 검출값을 목표치(설정치)와 비교해 편차를 구한다.
• PID 연산으로 조작량(밸브·댐퍼 개도)을 계산한다.
• 조작부가 밸브·댐퍼를 구동해 냉온수량·풍량을 바꾼다.
• 변화된 결과를 다시 검출해 편차가 0에 가까워질 때까지 반복한다(피드백 루프).

비례 제어만으로는 잔류 편차가 남으므로 적분 동작을 함께 쓴다는 점을 답안에 밝힌다. 설비 측 기기 기동·정지는 디지털 출력으로 처리하고, 밸브·댐퍼 개도는 아날로그 출력으로 처리한다.

5. 관련 법령·기준·표준

공조 자동제어의 설계 기준은 건축 분야에서 에너지절약설계기준과 건축물의 에너지절약설계기준 기계부문에 따른다. 이 기준은 건축물의 에너지 성능을 높이기 위해 자동제어와 관련된 최소 요구사항을 정한다. 설비 측면에서는 전기설비 관련 기준으로 한국전기설비규정(KEC)이 적용되며, 2021-01-01부터 옛 전기설비기술기준의 판단기준을 대체했다.

자동제어와 관련된 대표적인 기준 항목은 다음과 같다.

표 아래 설명: 냉난방 온도 값은 제한 제도의 권장 설정 범위이며, 자동제어 프로그램의 설정치에 반영한다. 송풍기 정압 제어와 전동기 기동방식은 에너지 절약과 직결되는 설계 항목이다. 자동 제어장치의 수동 전환 기능은 안전 측면에서 요구되는 조건이다.

개정 연혁으로는 2022-12-01부터 소방 분야 화재안전기준이 NFPC·NFTC로 나뉘었다는 점이 있으나 공조 자동제어 기준과는 직접 관계가 없다. 건축 에너지 기준은 에너지절약설계기준 개정에 따라 설정치와 적용 범위가 바뀔 수 있으므로 시행 시점의 기준을 확인하여 쓴다.

6. 유형과 비교

공조설비 자동제어는 제어 방식에 따라 크게 온·오프 제어, 비례 제어(P), 적분 제어(I), 미분 제어(D) 및 이들을 조합한 PI·PID 제어로 나뉜다. 제어 방식의 차이는 편차가 생겼을 때 조작량을 어떻게 바꾸는지에 있다. 실무에서는 설비의 응답 특성과 허용 편차에 따라 방식을 고른다.

위 표는 제어 동작별 특성을 비교한 것이다. 온·오프 제어는 구조가 단순하지만 실내 온도가 설정값 주변에서 반복적으로 흔들린다. 비례 제어만으로는 부하가 변해도 편차가 남는다.