냉풍·온풍, 별개 덕트로 송풍 후 혼합 상자에서 온도 조절
공사비·공간 측면에서 불리…에너지 효율·소음·습도 제어 등 문제

전공기방식인 이중덕트방식은 사계절 상시 냉난방이 동시에 가능하고 각 실별 또는 존별 개별제어를 주목적으로 개발된 시스템으로서 공기환경 개선 측면에서도 상당히 우수한 성능을 가진 시스템이다. 그러나 실질적으로 냉온열원이 상시 가동되어야 하고 덕트스페이스 소요공간, 운전비, 혼합손실에 의한 에너지 낭비 등의 문제로 실제 적용에는 많은 어려움을 가진 방식이다. 이와 같이 실제 보급이 활성화되지 못한 또 다른 대표적 공조방식 사례로서 소음 문제 및 실내 습도 제어 등의 문제를 가진 유인유닛방식이 있다. 본고에서는 각종 공조방식 관련 국내외 기술자료에 소개되고 있으나 실질적으로 기능적 문제로 인하여 채택된 사례가 많지 않은 대표적 공조방식으로서 이중덕트방식과 유인유닛방식에 대해 소개하고자 한다. /편집자 주

◇ 이중덕트방식의 기본 개요

이중덕트방식은 중앙기계실에 설치된 AHU에서 냉온풍이 각각 전용의 덕트를 통해 공급되고, 이것이 혼합상자(혹은 혼합기)에서 각 실의 부하상태에 따라 냉온풍을 혼합해서 소정온도의 공기가 되어 송풍되는 것이다.

즉 이 방식은 [그림 1]에 나타낸 바와 같이 공기의 냉각장치와 가열장치 및 2개의 전용 덕트로 되고, 이 덕트에 의해 냉풍과 온풍을 별도로 보내서 혼합상자(mixing unit or mixing box)에서 적당한 비율로 혼합하여 각 실 혹은 각 존에 보내는 것이다.

◇ 이중덕트방식의 시스템 구성

멀티존 방식에서는 각 존에서 요구하는 송풍온도로 하기 위해 공조기로 냉풍과 온풍의 혼합비를 바꾸어 단일덕트로 송풍하지만, 이중덕트(dual duct)방식에서는 공조기에서 처리한 냉풍과 온풍을 각각 별개의 덕트로 송풍한 후 필요한 장소에 설치한 혼합상자에서 혼합한다. 이때 혼합공기는 실내의 서모스탯의 신호에 의해 혼합비를 바꾸어 소정의 온도로 실내로 송풍한다.

이중덕트방식의 경우에도 멀티존 방식과 마찬가지로 냉난방부하가 최대로 될 때 이외에는 냉풍과 온풍이 혼합되기 때문에 열의 혼합손실이 생긴다.

그러나 제어상으로는 혼합상자의 설치 장소에 의해서 존리히트 또는 터미널리히트방식의 경우와 마찬가지로 존제어 또는 개별제어가 가능하다.

또 존 전체가 냉난방 어느 쪽 한편으로 좋은 때는 다른 편의 덕트는 실내환기를 순환시킨다. 이 경우 냉온풍의 송풍기, 덕트, 조화장치의 용량은 각각 최대 부하에 대응하는 것이어야 한다. 이 방식에 의하면 여름철 냉방 시에 일부 난방을 필요로 하는 경우에도 가능하다.

◇ 이중덕트방식의 개별제어 방법

[그림 2]는 공급계통을 나타낸 것이며, [그림 3]은 기본적 제어 사례로서 냉방 시에 습공기선도 상의 상태를 표시한 것이다. [그림 3]에 나타난 바와 같이 AHU로부터 냉풍 상태와 온풍 상태로 토출된 후에는 혼합상자를 통과한 후 각각의 독립된 공급조건 상태로 Zone_A와 Zone_B에 공급할 수 있다. 실내 써모스탯의 검출값을 이용해 지속적인 개별제어가 가능하다.

◇ 이중덕트방식의 장단점 분석

이중덕트방식의 대표적인 장점으로서는 우선적으로 각 실의 개별제어 및 존제어가 가능하다는 점이며 특히 1대의 공조기로 대규모 건물의 공조가 가능하다는 것이다. 또한 조닝과 계절에 따른 운전의 교체전환(change-over) 없이도 냉난방이 동시에 가능하므로 사계절 전체의 부하 변동에 효과적으로 대처할 수 있다. 그러나 송풍량이 많고 덕트스페이스가 크며, 고가의 혼합상자 설치로 인하여 초기 설비비가 많이 소요된다. 또한 상시 냉온열원장치를 가동하여야 하며 이로 인한 열의 혼합손실 발생으로 에너지 낭비적인 요소를 가지고 있으며 동시에 운전비 측면에서도 불리하다. 이 밖에도 실내부하가 적은 저부하 시에는 실내의 상대습도가 상승하게 되는 단점을 가지고 있다.

◇ 유인유닛방식의 기본 개요

실내에 유인유닛(induction unit)을 설치하고 [그림 4]에 나타낸 바와 같이 1차 공조기로부터 조화한 1차 공기를 고속덕트를 통해 각 유닛에 송풍하면 1차 공기가 유인유닛 속의 노즐을 통과할 때에 유인작용을 일으켜 실내공기를 2차 공기로 하여 유인한다. 이 유인된 실내공기는 유닛 속의 코일에 의해 냉각 또는 가열된 후 1·2차의 혼합공기로 되어 실내로 송풍되는 방식이다. 유인유닛방식에는 전공기식과 수공기식이 있고, 전공기식의 경우에는 노점제어와 재열제어를 조합시켜 노즐로부터 취출한 1차 공기로 천장 내의 공기를 유인해서 조명기구로부터의 폐열로 재열하는 방식과 재열기를 내장시켜 실내부하에 따라서 증기·온수·전기 등으로 재열하는 방식이 있다. 어느 경우에나 1차 공기로 실내잠열과 실내현열을 처리한다.

물－공기식의 유인유닛에는 냉온수코일이 배관되어 있고 중앙식 공조기로부터 보내진 1차 공기가 유닛마다 설치되어 있는 소음체임버(plenum chamber)의 노즐로 분출될 때 실내공기도 유인되어 함께 실내로 취출된다. 1차 공기에 유인된 2차 공기는 유닛 속의 냉온수코일을 통과해서 냉각 또는 가열된다. 1차 공기의 송풍온도는 여름철 실내의 잠열을 제거하기 위해 감습된 공기를 송풍하고, 겨울철에는 외기온도가 저하됨에 따라 송풍온도를 높여 송풍한다.

실내유닛은 실내의 부하변동에 따라 서모스탯 또는 수동으로 2차 냉온수를 제어하는 수량제어방식과 2차 냉온수는 일정량을 흐르게 하고 바이패스댐퍼에 의해 2차 코일을 통과하는 2차 공기량을 조정하는 방식이 있다.

◇ 유인유닛(induction unit)의 내부 구조

유닛(induction unit)의 구성은 1차 공기 소음체임버(plenum chamber), 노즐, 2차 코일, 응축수받이판, 공기여과기 및 케이싱으로 되어 있다. 이 유닛은 [그림 5]에 나타낸 바와 같이 중앙식 공조기(AHU)에서 처리된 1차 공기가 고속송풍덕트를 경유해 유닛의 1차 공기 소음체임버로 들어가고, 다시 노즐에 의해 실내공기와의 혼합체임버를 통해 실내로 분출된다.

1차 공기의 분출작용(ejector작용)으로 실내공기(2차공기)는 공기여과기 및 2차 코일을 통과하여 냉각 또는 가열된 후 1차 공기와 혼합해서 실내로 송풍된다. 이 방식은 FCU의 구성부품인 송풍기와 전동기 대신에 1차 공기 소음체임버와 노즐을 내장시킨 구조라고 볼 수 있다. 이 유닛은 실내발생열을 처리하기 위해 2차 코일의 냉수온도를 교체하지 않은 방식(non-change over방식)과 교체하는 방식(change over방식)으로도 나누어진다.

논체인지오버방식은 유인유닛의 2차 코일에 1년 중 거의 일정온도(약 12℃ 전후)의 냉수를 공급하고, 여름과 겨울철의 교체운전은 1차 공기의 재열에 의해 행하는 방식이다. 체인지오버방식은 여름과 겨울에 1차 공기온도와 2차 코일의 냉온수유량을 수동 또는 유닛에 내장된 자동제어기기에 의해 제어하는 방법과 2차 공기(유인공기)의 풍량을 바이패스댐퍼(by-pass damper)에 의해 조작하는 방법이 있다.

◇ 유인유닛방식의 장단점 분석

유인유닛방식은 일반적으로 건물의 페리미터 부분에 채용해서 외주부 부하에 대응하도록 하고 동시에 실내존 부분에서는 단일덕트방식을 병용하는 방식이 가장 많이 사용되고 있다. 이외에 내부부하의 상태에 따라서 이중덕트방식 혹은 멀티존방식 등도 병용된다.

이와 같이 창측 부분을 유인유닛으로 하고 중심 부분을 별도계통의 덕트로 공기조화하는 방법을 페리미터방식(perimeter system)이라고 한다. 이 방식의 장점으로서 다실 건물에서는 실내 유닛의 냉온수코일과 서모스탯을 연동하여 부하변동에 대해 합리적으로 대응할 수 있고 개별제어를 할 수 있다.

1차 공기량은 다른 방식과 비교할 때 1/3 정도이며, 나머지 2/3의 실내환기는 유인되므로 덕트스페이스가 적다는 것이다. 또한 취출공기는 1차 공기와 2차 공기의 혼합공기이며, 실온과의 온도차가 적어 불쾌감이 없으며 페리미터방식이 가능하다는 점이다. 그러나 유닛의 내부 공간 구조상 고성능필터를 사용하기 어렵고, 노즐로부터의 공기분출 소음이 발생하며 습도제어를 1차 공기에 의해 처리하므로 엄밀한 습도제어를 할 수 없는 문제점을 가지고 있다.