송풍기 풍량제어

왜 배우는가: 송풍기 풍량제어는 공조설비의 반송동력을 줄이는 핵심 수단이라 설계와 에너지 진단에서 계속 쓰인다. 시험에서는 댐퍼 제어와 인버터 제어의 비교, P-Q 선도 해석 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제137회 3교시 1번, 제98회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 송풍기 풍량제어는 송풍기의 회전수나 풍량 조절기구를 바꾸어 실내 요구 풍량에 맞추는 운전 방법이다.

키워드: 풍량제어, 토출댐퍼 제어, 인버터 제어(VVVF), 시스템 저항곡선, P-Q 선도, 작동점, 상사법칙, VAV 방식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 줄이면 사람이 적거나 부하가 줄었을 때 공기를 적게 보내는 것이다. 공기를 적게 보내면 송풍기가 쓰는 동력도 함께 줄어야 한다. 그 조절 방법을 묶어 풍량제어라 한다.

정식 정의는 송풍기가 덕트계에 공급하는 풍량을 부하 변화에 맞추어 바꾸는 운전 방법이다. 풍량을 바꾸는 방법은 송풍기 쪽을 바꾸는 방식과 덕트 쪽의 저항을 바꾸는 방식으로 나뉜다.

시스템 저항곡선은 덕트, 코일, 필터의 압력손실을 합한 곡선이다. 풍량의 제곱에 비례하여 그려지는 포물선 형태다. 송풍기 특성곡선(P-Q 곡선)은 회전수마다 풍량과 정압의 관계를 나타낸다. 작동점은 두 곡선이 만나는 점이며, 실제 풍량과 압력이 여기서 정해진다.

토출댐퍼를 조이면 덕트 저항이 커진다. 그러면 시스템 저항곡선이 위로 올라가고, 작동점은 회전수가 일정한 P-Q 곡선을 따라 풍량이 줄어드는 쪽으로 이동한다. 송풍기 회전수는 그대로 유지되므로 댐퍼 제어에서는 저항을 버린 압력만큼 동력이 낭비된다.

인버터 제어는 전동기 주파수를 바꾸어 회전수를 낮춘다. 회전수가 바뀌면 P-Q 곡선 자체가 아래로 이동한다. 작동점은 저항곡선 위에 그대로 두고 곡선을 옮기므로 버리는 압력이 적다. 이것이 인버터 제어에서 동력이 절약되는 기본 원리다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 공조설비는 정풍량(CAV) 방식이 주로 쓰였다. 송풍기는 최대 부하 기준으로 항상 같은 풍량을 보냈고, 부분부하 시간이 길어도 송풍량이 그대로였다. 에너지 가격이 오르면서 이 낭비가 문제로 떠올랐다.

그 결과 실내 부하에 따라 풍량을 바꾸는 가변풍량(VAV) 방식이 발전했다. VAV 유닛은 풍량 조절 원리에 따라 교축형, 바이패스형, 유인형으로 나뉜다. 우리나라에서는 교축형이 주로 쓰인다.

교축형은 부하 변동에 따라 유닛을 통과하는 풍량이 바뀌고, 그에 따라 덕트 내 정압이 변한다. 송풍량 변동에 맞추어 송풍기를 제어하면 동력이 절약된다. 반면 바이패스형은 송풍기 풍량이 변하지 않으므로 송풍기 동력은 절약되지 않는다. 이 차이 때문에 풍량제어 방식의 선택이 설비 에너지에 직접 영향을 준다.

송풍기 자체를 제어하는 방법으로는 인버터(VVVF) 제어가 대표적이다. 대부분의 인버터가 VVVF 방식으로 동작한다. 인버터 제어는 송풍기의 상사법칙에 따라 풍량은 회전수에 비례하고, 동력은 회전수의 3제곱에 비례하는 성질을 이용한다.

$Q_2/Q_1=N_2/N_1,\quad P_2/P_1=(N_2/N_1)^2,\quad L_2/L_1=(N_2/N_1)^3$

여기서 Q는 풍량(㎥/min), P는 압력(Pa), L은 축동력(kW), N은 회전수(rpm)이다. 회전수를 약간만 낮춰도 동력이 크게 줄어드는 이유가 이 3제곱 관계다. 회전수 63%에서 동력은 전부하의 약 25% 수준까지 떨어진다.

에너지 절약 정책도 이 흐름을 뒷받침한다. 「산업체의 에너지관리기준」 전기사용설비 부문은 냉동기와 공기압축기 설치 시 부하에 따른 회전수 제어 장치나 인버터형 기기 도입을 검토하도록 정하고 있다. 송풍기 풍량제어도 같은 취지에서 설계 단계부터 검토하는 대상이다.

따라서 풍량제어 방식을 고르는 일은 설비 초기 비용과 운전 동력의 균형을 맞추는 문제다. 시험에서는 이 배경을 먼저 밝히고, 댐퍼 제어와 인버터 제어를 P-Q 선도 위에서 비교하는 흐름으로 답을 구성하는 것이 좋다.

4. 구성요소·원리·절차

송풍기 풍량제어는 송풍기 특성곡선(P-Q 곡선)과 덕트 시스템 저항곡선(시스템 곡선)이 만나는 운전점을 옮기는 일이다. 풍량을 줄이려면 저항곡선을 바꾸거나 송풍기 곡선을 바꾸면 된다. 제어 방식은 곡선 중 어느 쪽을 움직이느냐에 따라 나뉜다.

풍량제어는 송풍기 곡선 또는 시스템 곡선을 움직여 운전점을 옮기는 것이다.

원리는 다음과 같다. 덕트 압력손실은 대략 \Delta P \propto Q^2 이다. 따라서 시스템 곡선은 원점을 지나는 포물선 모양이다. 송풍기 축동력은 L = \frac{Q \cdot \Delta P}{\eta} 로 구한다. 여기서 L은 축동력(kW), Q는 풍량(㎥/s), \Delta P는 전압 상승(kPa), \eta는 송풍기 효율(-)이다.

상사법칙(Affinity Law)은 회전수 N에 대해 다음 관계를 준다. 풍량은 Q \propto N, 압력은 P \propto N^2, 동력은 L \propto N^3 이다. 회전수를 80%로 낮추면 동력은 약 51%(0.8³ = 0.512)가 된다. 인버터 제어는 이 관계를 이용한다.

인버터 제어 절차는 다음과 같다.

• 덕트 정압 또는 풍량 센서로 현재 값을 측정한다.
• 제어기가 설정값과 비교하여 편차를 계산한다.
• PID 연산으로 주파수 지령을 정한다.
• 인버터가 전동기 회전수를 바꿔 P-Q 곡선을 이동한다.
• 운전점이 새 설정 풍량에서 안정되면 제어를 유지한다.

토출댐퍼 제어의 절차는 다음과 같다.

• 송풍기를 정격 회전수로 계속 운전한다.
• 댐퍼 개도를 줄여 덕트 저항을 높인다.
• 시스템 곡선이 위로 이동하여 운전점이 송풍기 곡선을 따라 왼쪽 위로 옮겨간다.
• 여분의 압력은 댐퍼에서 손실로 소비된다.

5. 관련 법령·기준·표준

송풍기 풍량제어와 직접 연결되는 법정 기준은 주로 에너지 절약 관련 고시다. 「에너지이용 합리화법」에 따른 에너지관리기준은 전기사용설비에서 회전수제어장치와 인버터형 설비의 검토를 요구한다. 해당 조문은 전동기 부하에 따라 회전수를 제어하는 설비를 검토하도록 규정한다. 다만 송풍기 개별 성능 수치를 정하는 법정 기준은 확인된 바가 없어 표에는 제어 방식별 기준 개념만 둔다.

표의 값 중 상사법칙은 N 비례 관계에서 유도되는 값이며, 인버터의 절감 예는 속도 63%에서 소비동력 약 25% 로 외운다. 표준 시험 방법으로는 송풍기 특성곡선을 송풍기 시험방법을 정한 관련 시험 규격으로 확인하는 방법이 널리 쓰인다.

핵심 기준 수치를 답안에 쓸 때는 다음 세 가지를 함께 쓴다. 제어 방식, 적용 조건(부분부하 비율), 그리고 근거 기준 이름이다. 예를 들어 회전수 80% 시 동력 약 51% 처럼 상사법칙 계산 결과를 제시하면 된다.

6. 유형과 비교

송풍기 풍량제어는 크게 댐퍼·베인 등 기계적 제어와 회전수 제어로 나뉜다. 동일 풍량을 얻을 때 송풍기 축동력이 어떻게 달라지는지가 방식 선택의 핵심이다. 아래 표는 토출댐퍼, 흡입댐퍼(흡입베인), 인버터(VVVF) 회전수제어, 그리고 실내 측 VAV 방식을 비교한다.