공조기(AHU) 용도, 구성, 작동원리, 자동제어, 주위 배관

  안녕하세요 일시블맨입니다. 오늘은 중앙 환기 방식에 사용되는 장비인 공조기에 대해 알아보려고 합니다. 공조기는 어떻게 구성이 되어있으며, 공조기 주변에는 어떤 배관이 어떻게 시공되는지 정리해 보고, 공조기가 작동될 시 어떠한 신호에 의해 풍량, 습도 등을 조절하는지 자동제어적인 측면도 알아보도록 하겠습니다. 복잡해 보이지만 막상 까보면 간단한 작동 원리를 가지고 있는 공조기에 대해 한 번 정리해 보겠습니다.

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1. 공조기의 용도, 목적

  공조기란 공기조화기의 약자로 영어로 A.H.U (Air Handling Unit)이라고 합니다. 공조기는 건축물의 실용도 별 요구되는 적정한 청정도, 온도, 습도를 만족하는 공기를 생성하고 공급하는 장비입니다. 공조기 내부에는 필터, 냉난방코일, 가습ㆍ제습기, 송풍기 등이 설치되며, 필터는 공기청정, 냉난방코일은 공기 온도 조절, 가습 ㆍ 제습장지는 습도를 조절하고 이렇게 조화(調和)된 공기를 송풍기를 통해 각 실로 공급합니다. 이런 과정을 거쳐 재실자에게 쾌적한 공기를 공급하거나, 클린룸과 같이 특수한 시설에 특정 조건의 공기를 공급하는 것이 공조기의 역할이자 목적입니다.

사진1. 공조기의 계통도

 

 

2. 공조기의 구성 및 부품

  아래 사진을 통해 공조기에 대해 알아보려고 하는데 크게 3가지로 나눠 정리해 보겠습니다. 먼저 공조기의 연결되는 공기 종류를 통해 계통을 확인하고, 공조기 내에 기계적인 부품과 자동제어에 관련된 장치를 나눠서 보도록 하겠습니다.

사진2. 공조기의 구성 및 부품 계통도

 

1) 공조기에 연결되는 공기(덕트)의 종류

• RA(Return Air) 환기 : 실내에 공급 후 사용된 공기로 실에서 공조기로 되돌아오는 공기
• EA(Exhaust Air) 배기 : 더 이상 사용되지 않는 공기로 공조기에서 외부로 배출되는 공기
• OA(Outdoor Air) 외기 : 외부로부터 유입되는 신선한 공기로 (Fresh Air FA)라고도 함
• SA(Supply Air) 급기 : 공기조화가 완료되어 공조기에서 각 실로 공급되는 공급되는 공기

 

2) 공조기의 장치 및 부품

• ① 환기휀 : 각실에서 사용된 환기(RA)를 공조기로 빨아들이는 송풍기 
• ② 급기휀 : 조화가 완료된 공기를 각실로 보내주는 송풍기
• ③ 배기댐퍼 : 배기(EA)의 배출량을 조절하는 전자식 댐퍼
• ④ 외기댐퍼 : 외기(OA)의 유입량을 조절하는 전자식 댐퍼
• ⑤ 혼합댐퍼 : 환기(RA), 외기(OA)의 혼합량을 조절하는 전자식 댐퍼
• ⑥ 동파방지히터 : 겨울철 공조기 정지 시 코일의 동파를 막기 위한 장치
• ⑦ 에어필터 : 환기되는 공기의 이물질을 걸러주는 필터
• ⑧ 냉온수코일 : 공기를 관통시켜 열교환하여 공기 온도를 조절하는 코일
• ⑨ 냉온수 공급관 : 냉온수코일에 냉수, 온수를 공급하는 관
• ⑩ 가습기 : 공기의 습도를 조절하기 위한 장치
• ⑪ 급수 공급관 : 가습기 장치에 물을 공급하는 관

 

3) 공조기의 자동제어 부품, 센서

• ⓐ 환기 습도 센서 : 환기(RA)의 습도를 감지
• ⓑ 환기 온도 센서 : 환기(RA)의 온도를 감지
• ⓒ 환기 이산화탄소 센서 : 환기(RA)의 이산화탄소량(ppm) 감지
• ⓓ 환기 연기 감지센서 : 환기(RA)의 화재 시 연기 감지
• ⓔ 필터 차압 센서 : 필터 전후의 압력 차를 감지
• ⓕ 혼합 온도 센서 : ③배기댐퍼 후 환기, 외기의 혼합된 공기의 온도 감지
• ⓖ 급기 정압 센서 : 급기(SA)의 정압을 감지
• ⓗ 급기 온도 센서 : 급기(SA)의 온도를 감지
• ⓘ 냉온수 복합밸브 : 냉온수 코일의 들어가는 냉수, 온수의 유량을 조절하는 밸브
• ⓙ 급수 솔레노이드밸브 : 가습기에 유입되는 급수를 ON/OFF 하는 전자식 밸브

 

 

3. 공조기의 작동 원리

  다음은 공조기에서 구간별로 각 부품과 자동제어 신호가 어떻게 상호작용하여 공조기가 작동하는지 원리를 파악해 보도록 하겠습니다.

 

1) 급기휀, 환기휀 작동원리 (인버터)

  급기 및 환기휀은 공조기가 작동되면 동시에 작동하게 됩니다. 급기, 환기휀의 종류는 시로코휀 등 원심형휀(Centrifugal Fan)을 많이 사용하며, 현장에 따라 축류, 사류형 휀이 사용되기도 합니다. 사진의 경우 사류형 팬이고 모터 자체에 회전수를 조절할 수 있는 기능이 들어가 EC FAN이 적용되어 있습니다.

  보통 급기휀과 환기휀은 풍량을 조절하기 위해 회전수제어를 위한 인버터를 별도로 설치하고, 만약 EC FAN을 적용하게 되면 별도의 인버터를 설치하지 않고 0 ~ 10V(볼트) 값을 모터자체에 적용하여 회전수 제어를 하게 합니다.

  여기서 회전수 제어를 통한 풍량 조절을 하기 위해서는 인버터에 자동제어 값을 제공하여야 하는데 그것이 바로 ⓖ 급기 정압 센서에서 감지하는 정압입니다.

  자동으로 풍량이 조절되는 원리는 자동제어 세팅 시 급기 덕트에 특정 정압값을 유지하도록 설정합니다. 그 후 공조구역에서 취출구나 댐퍼를 닫게 되면 급기 덕트의 정압이 증가하게 되고 설정된 정압값을 유지하기 위해 인버터에 회전수를 줄이라는 신호를 주고 풍량을 줄이게 됩니다. 반대로 취출구나 댐퍼를 열면 급기 덕트의 정압이 순적으로 감소하게 되고 설정 정압을 유지하기 위해 인버터에 회전수를 높이라는 신호를 주어 풍량을 증가시키게 됩니다.

  아래 사진은 급기 덕트에 설치된 압력감지기의 정압을 감지하고 EC FAN에 0 ~ 10V의 전압을 차등 공급하여 회전수를 제어해 풍량을 조절하는 과정을 나타낸 것입니다.

  정리하면 급기 덕트에 설치된 ⓖ급기 정압 센서를 통해 급기휀, 배기휀의 풍량이 조절되는 것입니다.

사진3. 공조기 내 급기휀(EC휀)

사진4. 공조기 급기 압력 센서 및 인버터 판넬 사진

 

2) 배기댐퍼, 외기댐퍼, 복합댐퍼의 작동원리

  공조기에는 ③배기댐퍼, ④외기댐퍼, ⑤복합댐퍼가  ⓒ환기 이산화탄소 센서에 의해 상호 작용하여 공기를 혼합시키게 됩니다. 다음과 같은 작동 원리 있습니다. 먼저 ⓒ환기 이산화탄소 센서에서 환기(RA) 내 함유된 이산화탄소 농도(ppm)를 측정합니다. 환기에 이산화탄소 농도가 자동제어에서 설정된 농도보다 놓게 되면 ③배기댐퍼와 ④외기댐퍼가 같은 개구율(%)로 열리게 되고, ⑤복합댐퍼는 배기, 외기댐퍼의 반대의 개구율로 열리게 됩니다. 

  예를 들면 ③배기댐퍼와 ④외기댐퍼가 각각 40%로 열리면, ⑤복합댐퍼는 60%로 열리게 되고, ③배기댐퍼와 ④외기댐퍼가 각각 70%로 열리면, ⑤복합댐퍼는 30%만 열리게 됩니다. 이는 당연한 것이 밖으로 배출되는 공기(EA)의 양과 새로 들어오는 공기(OA)의 양은 항상 같아야 하며, 새로 들어오는 공기를 제외한 나머지공기는 환기(RA)로 채우기 때문에 ③배기댐퍼와 ④외기댐퍼는 같은 개구율, ⑤복합댐퍼는 반대 개구율을 가지게 됩니다.

  정리하면 ③배기댐퍼와 ④외기댐퍼, ⑤복합댐퍼는 ⓒ환기 이산화탄소 센서에서 감지되는 이산화탄소농도에 의해 열리고 닫힌 게 됩니다.

사진5. 공조기의 배기댐퍼, 외기댐퍼 사진

사진6. 환기 덕트의 연기감지기, 습도센서, 온도센서, CO2감지기 사진

사진7. 공조기 내부 배기댐퍼, 복합댐퍼 사진

 

3) 동파방지히터의 작동원리

  ⑥동파방지히터는 간단하게 겨울철 공조기가 정지될 시 냉온수코일의 온수가 정지하게 되는데, 이때 냉온수 코일 내 온수가 동파를 예방하기 위해 설치됩니다. ⑥동파방지히터는 ⓕ혼합온도센서의 온도값과 연동됩니다. 동파방지히터의 외부 판넬에서 ⓕ혼합온도센서로 온도 값을 받고 설정된 온도 이하로 떨어지면 동파방지히터가 작동하게 됩니다.

  동파방지히터에 대해 주의할 점은 동파방지히터는 공조기가 정지할 때 코일의 동파를 막는 용도이며, 공조기가 작동하여 영하의 외기가 직접 유입될 때는 동파방지의 효과는 없습니다. 따라서 겨울철에는 냉수를 퇴수 하여 아예 동파를 차단하거나, 외기댐퍼를 닫고 사용하는 것이 바람직하며, 외기를 유입해야 할 때에는 온수코일의 흐름이 멈추지 않게 해야 하고 바이패스 덕트, 복합댐퍼 등으로 환기(RA)와 외기(OA)가 충분히 섞여 영상이 온도가 코일에 들이칠 수 있도록 해야 합니다.

사진8. 공조기 내 동파방지히터 사진

 

4) 에어필터와 필터차압센서 작동원리

  외기(OA)와 환기(RA)가 섞인 혼합공기는 ⓖ에어필터를 거쳐 공기 내 이물질을 거르게 됩니다. 보통 필터는 프리필터 미디엄필터의 이중 구조로 되어 있으며, 프리필터는 철사 수세미와 같은 필터로 큰 입자 등을 걸러 미디움 필터의 보호하는 역할을 합니다. 미디움 필터는 멜트브라운(마스크 등에 사용되는 소재)과 같은 섬유소재로 되어 있으며, 미세한 이물질을 걸러냅니다. 여기에 용도별로 좀 더 높은 수준의 청정도를 원하게 되면 케미컬필터나, 헤파필터 등이 추가됩니다.

  필터의 경우 영구적으로 쓰는 것이 아니므로 교체가 필요한데, 교체 시기를 알려주는 것이 ⓔ필터차압센서입니다. ⓔ필터차압센서는 필터 전(前), 후(後)에 각각 압력 감지공을 설치하고 이 둘의 차압을 감지함으로써 설정 이상의 차압이 발생하면 알람이 울려 필터 교환 시기를 알려줍니다. 즉 필터에 이물질이 너무 많이 껴 공기가 잘 통하지 못하면 감지하여 알람이 울리는 것입니다.

사진9. 공조기의 필터 차압 센서 및 혼합온도 센서

 

5) 냉온수 코일과 복합밸브의 작동원리

  아래 사진에서 볼 수 있듯이 공조기에는 공기의 온도조절을 위한 ⑧냉온수코일이 있으며 ⑨냉온수공급관을 통해 코일 내로 냉수 또는 온수를 공급하게 됩니다. 이때 ⑨냉온수 공급관에 설치된 ⓘ복합밸브를 통해 냉수와 온수 유량을 조절할 수 있으며, 이 복합밸브의 개폐율은 ⓗ급기 온도 센서에서 측정되는 온도에 의해 정해지게 됩니다.

  예를 들어 자동제어에서 냉방 18도 세팅을 하고, ⓗ급기 온도 센서에서 측정된 온도가 25도로 측정되면 공조실 내 DDC판낼에서 ⓘ복합밸브로 신호를 주어 밸브가 열리게 되고, 냉수가 ⑧냉온수코일로 들어가 순환하여 공기의 온도를 낮춰 줍니다. 그 후 ⓗ급기 온도센서에서 측정된 급기 온도가 20도로 낮아지면 ⓘ복합밸브의 개도율을 낮춰 적은 양의 냉수가 유입되도록 유량을 조절하고, 18도까지 낮아지면 ⓘ복합밸브를 아예 닫아 냉수 공급을 중단합니다.

사진10. 공조기 냉온수 공급관, 가습기 급수 공급관, 드레인관, 복합밸브, 솔레노이드밸브

 

6) 가습기 장치와 가습기 급수 공급관

  마지막으로 공기의 적정한 습도를 유지하기 위해서는 ⑩가습기를 거치게 되고, ⑪가습기 급수 공급관을 통해 ⑩가습기에 물을 공급하게 됩니다. 이때 ⑪가습기 급수 공급관에 설치된 ⓙ솔레노이드밸브가 전기적 신호를 받아 급수 공급을 ON/OFF 하게 되고, 이 전기적 신호는 바로 ⓐ환기 습도 센서에서 습도를 감지하여 ⓙ솔레노이드밸브로 보내지게 됩니다.

  예를 들어 자동제어에서 원하는 습도를 40%로 설정하고, ⓐ환기 습도 센서에서 습도가 20%로 감지되어 설정 습도보다 낮으면 DDC판넬에서 ⓙ솔레노이드밸브로 ON 신호를 보내 밸브가 열리고 ⑪가습기 급수 공급관이 OPEN 되어, ⑩가습기로 물이 유입됩니다. 이 후 ⓐ환기 습도 센서에서 습도가 45%로 설정된 습도보다 높게 측정되면 DDC판넬에서 ⓙ솔레노이드밸브로 OFF신호를 보내 밸브가 닫히고 ⑪가습기 급수 공급관이 CLOSE 되어 가습기로 들어가는 물이 중단됩니다.

사진11. 공조기 내 냉온수코일 및 가습기 사진

 

4. 공조기 선정 및 발주, 설치 시 주의사항

1) 공조기의 RA, SA, OA, EA 방향에 주의하여 발주할 것

  당연한 이야기지만 공조기의 방향을 꼭 확인하고 발주하여야 합니다. 필자는 왼쪽부터 RA, EA, OA, SA로 납품되어야 할 장비를 왼쪽부터 SA, OA, EA, RA로 잘 못 발주 내는 바람에 덕트 샵드로잉을 다시 그려 덕트 루트를 수정하는 실수를 저질렀습니다. 따라서 도면에서 덕트의 루트를 미리 확인하고, 발주 낼 장비의 급기 환기 방향이 맞는지 확인해야 합니다.

 

2) 공조기가 외조기인지 아니면 혼합인지, 소방 겸용인지 확인

  필자의 현장의 경우 문화집회시설의 공조기는 환기와 외기가 혼합되는 방식이었으나, 판매시설 공조기는 환기와 배기가 없는 외조기 방식이었습니다. 그러나 판매시설의 소방제연팬과 덕트를 같이 쓰게 되어 SMD를 설치하고 환기와 배기가 추가되어 실질적으로 외형은 혼합 방식과 별 차이가 없었습니다. 따라서 당연히 배기와 환기가 있는 혼합 방식인 줄 알았으나, 계산서를 보니 외기만 투입하는 방식이었습니다. 따라서 반드시 계산서를 확인하여 설계사에서 어떤 방식의 공조기를 선정하였는지 확인이 필요하니다.

 

3) 필터는 마지막에 시공

  공조기의 경우 공조실이 골조가 끝나면 바로 투입되지만 공조기가 설치될 때 필터까지 설치해 버리면 필터가 오염되는 것을 막을 수 없습니다. 따라서 준공 직전에 공조기 업체에 연락하여 필터를 설치할 수 있도록 해야 합니다.

 

4) 공조기 옆에는 바닥 배수구를 설치할 것

  공조기는 냉난방코일을 사용 시 거의 100% 확률로 결로가 많이 발생하게 됩니다. 그리고 가습기에서도 직접 물을 분사하기 때문에 드레인관을 시공하게 되고, 이때 드레인관의 물을 배수할 수 있는 바닥 배수구가 필요합니다. 따라서 골조 시공 시 슬라브에 장비 옆에 바닥 배수구를 하나씩 적용하여 냉온수배관 드레인, 결로수 드레인 등이 원활하게 될 수 있게 해야 합니다.

 

5) 공조기 냉온수 코일의 S, R 구분 철저

  공조기에 냉온수 코일의 S, R이 올바르게 연결되었는지 확인해야 합니다. 쉽게 구분하는 방법은 S 공급관이 R 환수관보다 아래 위치한다고 생각하면 됩니다. 냉온수배관은 밀폐 순환계이므로 아래서부터 공급되어 코일에 차올라간다고 생간 다고 생각하면 쉽게 구분할 수 있을 것입니다. 필자는 실제로 반대로 시공한 것을 보아 수정했었던 경험이 있습니다.

 

6) 여러 대의 휀을 설치하는 경우 자동제어 세팅

  만약 EC FAN 적용 시 큰 풍량을 맞추기 위해 하나의 공조기에 EC FAN 여러대를 묶어 SET로 설치하는 경우가 있습니다. 이때 공조기 업체에 미리 이야기하여 FAN 하나당 각각 회전수를 별도로 선정할 수 있도록 나눠 회로를 구성하지 말고, 같이 묶인 FAN들이 동시에 같은 신호를 받아 같은 회전수로 돌 수 있게 릴레이를 사용하여 판넬을 구성할 수 있도록 요청해야 합니다.

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이것으로 공조기의 용도, 구성, 작동원리, 주의할 점에 대해 알아보았습니다. 조금 글이 길어졌는데 차근차근 읽어보면 쉽게 이해될 수 있을 것입니다. 다음에는 헤더나 지역난방 냉방 시스템에 대해 알아보려고 합니다. 

 

긴 글 읽어주셔서 감사합니다.