송풍기 풍량제어

왜 배우는가: 송풍기 풍량제어는 제연설비 설계에서 실제 풍량과 차압을 맞추는 핵심 수단이며, 성능곡선과 압력 변화를 연결해 설명하는 문제로 반복 출제된다. 제어 방식마다 곡선이 어떻게 움직이는지 알아야 답안을 정확히 쓸 수 있다.

출제 이력: 제131회 2교시 5번, 제113회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 송풍기 풍량제어는 시스템 저항곡선과 송풍기 성능곡선의 교점(운전점)을 바꿔 필요한 풍량과 압력을 얻는 조작이다.

핵심 키워드

• 운전점
• 저항곡선
• 성능곡선(P-Q 곡선)
• 댐퍼 제어
• 가변속 제어
• 가변익 제어
• 흡입베인 제어

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 송풍기가 공기를 얼마나 밀어 줄 수 있는지(성능곡선)와 덕트가 공기를 얼마나 막는지(저항곡선)가 만나는 점에서 실제 풍량이 정해진다. 풍량제어는 이 만남점을 원하는 자리로 옮기는 일이다.

정식 정의는 다음과 같다. 송풍기 풍량제어란 송풍기의 회전수, 날개 각도, 흡입 측 개도 또는 토출 측 댐퍼 개도를 바꾸어 풍량과 정압을 목표 값으로 조정하는 것을 말한다. 여기서 운전점은 두 곡선의 교점이다.

저항곡선은 덕트, 댐퍼, 필터 등 관로 저항을 풍량의 제곱에 비례하는 곡선으로 나타낸다. 관로 저항이 커지면 저항곡선이 위로 올라가고 운전점은 풍량이 줄어드는 쪽으로 이동한다. 이 관계를 이해해야 제어 방식별 압력 변화를 설명할 수 있다.

성능곡선(P-Q 곡선)은 송풍기 자체가 낼 수 있는 정압과 풍량의 관계다. 송풍기 종류와 날개 형상에 따라 모양이 다르고, 회전수가 바뀌면 곡선 전체가 이동한다.

댐퍼 제어는 토출 측 댐퍼 개도를 줄여 관로 저항을 키우는 방식이다. 송풍기 곡선은 그대로이고 저항곡선이 바뀐다. 따라서 송풍기는 같은 회전수에서 더 높은 정압 쪽으로 운전되며 풍량은 줄어든다. 동력 절감 효과는 작은 편이다.

가변속 제어는 인버터로 회전수를 바꾸는 방식이다. 저항곡선은 그대로이고 성능곡선이 아래위로 이동한다. 회전수 변화에 따라 풍량, 정압, 동력이 달라진다. 부분 부하에서 에너지 절감이 가장 크다.

3. 등장 배경과 필요성

제연설비는 화재 시 제연구역의 차압과 배출량을 설계값에 맞춰야 한다. 설계 풍량보다 많이 나오면 문의 개방력이 커지고, 적게 나오면 연기 제어가 되지 않는다. 그래서 설계 단계에서 운전점을 정확히 맞출 제어 수단이 필요하다.

건축물의 에너지절약설계기준도 공조용 송풍기에 부하변동에 따른 풍량제어를 요구한다. 가변익축류방식, 흡입베인제어방식, 가변속제어방식 등 에너지절약적 제어방식을 채택하도록 규정하고 있다. 또한 지하주차장 환기용 팬에는 대수제어 또는 풍량조절을 도입하도록 한다. 이 기준은 송풍기 풍량제어 수단을 선택하는 근거가 된다.

댐퍼 관련 기술기준도 송풍기 회전수를 제어하여 풍량 조정이 가능해야 한다고 전제한다. 즉 시험과 설계에서 회전수 제어가 기본 수단으로 쓰인다. 풍량 조정의 원리를 알아야 시험 조건과 결과를 해석할 수 있다.

부분 부하 운전 시 인버터 제어는 회전수 변화에 따라 동력이 달라진다 는 점이 에너지 측면의 핵心 이유다. 댐퍼 제어는 설비가 단순하지만 불필요한 압력 손실을 남기므로 이 차이를 함께 설명해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

송풍기 풍량제어는 시스템 저항곡선과 송풍기 성능곡선(P-Q 곡선)이 만나는 운전점을 옮기는 일이다. 송풍기 자체의 회전수, 날개 각도, 흡입 쪽 베인, 또는 토출 쪽 댐퍼를 바꾸어 운전점을 이동시킨다. 제연설비에서는 풍량과 정압을 함께 맞춰야 하므로 제어방식에 따라 곡선과 압력 변화가 다르게 나타난다.

풍량제어의 원리는 시스템 저항곡선과 송풍기 성능곡선의 변화로 설명한다. 회전수 N을 바꾸면 풍량, 정압, 축동력이 달라진다. 댐퍼나 베인으로 제어하면 회전수는 일정하고 시스템 저항이 변하므로 정압과 축동력이 함께 변한다. 가변익축류 방식은 날개 각도를 바꿔 임펠러의 양력 특성 자체를 바꾼다.

회전수 변화에 따라 풍량, 정압, 축동력이 달라진다.

여기서 Q는 풍량(㎥/s), P는 정압(Pa), L은 축동력(kW), N은 회전수(rpm)이다. 아래첨자 1은 기준 운전, 2는 변경 운전이다.

가변속제어의 절차는 다음과 같다.

• 설계 풍량과 정압에서 운전점을 확인한다.
• 요구 풍량에 맞춰 회전수 N_2를 조정한다.
• 인버터로 전동기 회전수를 낮춘다.
• 변경 후 P-Q 곡선에서 새 운전점의 정압과 축동력을 확인한다.
• 제연구역 차압 기준을 만족하는지 검토한다.

회전수 변화는 풍량·정압·축동력을 바꾼다

5. 관련 법령·기준·표준

풍량제어 자체를 직접 정한 기준은 소방 분야에서 제연설비 성능기준과 차압 기준이 핵심이다. 제연구역과 옥내 사이의 최소 차압은 관련 기준에서 정한 값 이상이며, 옥내에 스프링클러설비가 설치된 경우에는 해당 조건에 따른 기준값을 적용한다. 이 값은 풍량제어 결과가 만족해야 하는 조건이다.

건축 분야에서는 「건축물의 에너지절약설계기준」 제9조가 공조기 팬의 부하변동에 따른 풍량제어 방식을 권장한다. 가변익축류방식, 흡입베인제어방식, 가변속제어방식이 예시다. 이 기준은 에너지 절감 측면의 권장사항이며 제연설비 차압 기준과는 목적이 다르다.

위 표의 차압 기준은 제연설비 설계에서 풍량제어 결과가 반드시 만족해야 하는 값이다. 댐퍼 기술기준은 댐퍼 제품의 누설량과 배출량 시험 조건을 정한다. 이 기준들은 송풍기 제어방식 자체를 규정하지 않는다.

송풍기 성능 측정에는 관련 표준을 참고할 수 있다. 국내 제연설备 설계에서 직접 적용하는 기준은 아니므로 참고로만 쓴다.

개정 연혁: 자동차압급기댐퍼 기술기준 제5조의2는 2015-04-21 신설된 조항이다.

6. 유형과 비교

송풍기 풍량제어는 시스템 저항곡선과 송풍기 특성곡선의 교점을 옮기는 방식으로 이루어진다. 제어 방식은 크게 댐퍼(또는 베인) 개도 조정, 회전수(가변속) 제어, 날개각 조정, 그리고 흡입 베인 제어로 나뉜다. 각 방식은 특성곡선의 모양과 동력 변화가 달라서 제연설비에서는 방식별 특성을 구분해야 한다.