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다양한 장소에서 HVAC용 최신 센서 제품 활용하기

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글/존 가베이(Jon Gabay)

제공/마우저 일렉트로닉스(Mouser Electronics)

인류는 동굴 생활을 시작한 이래 끊임없이 주거 공간을 발전시켜 왔다. 수천 년 동안 건설된 주택과 건물에는 환기, 배수, 냉난방, 조명 시설이 있었다. 하지만 이러한 시스템들의 구현 방식은 획기적으로 변화해 왔으며 오늘날에도 변화를 거듭하고 있다.

HVAC(heating, ventilation, and air conditioning) 모니터링 및 제어를 위한 이전의 수동 방식과 기계 기술은 최첨단 혼성신호 감지 솔루션을 통합한 새로운 디지털 솔루션에 자리를 내주게 되었다. 이 새로운 솔루션을 활용하여, 설계 엔지니어는 보다 정확한 모니터링 정보와 제어 기능을 제공하고 사물 인터넷(IoT)을 통해 원격 검증, 진단 및 모니터링을 수행할 수 있다.

기술의 발전과 전환

전 세계적인 팬데믹으로 인해 폐쇄(lockdown), 검역 조치가 확대되면서 난방, 냉방, 특히 환기 및 공기질에 대한 관심이 다시 높아지고 있다. 오래된 건물들을 보면 환풍기 덕트 같이 습하고 어두운 장소를 통해 각종 생물들의 침입이 빈번하다는 것을 알 수 있다. 오래된 기계식 제어 시스템은 온도, 습도, 유속, 압력을 비롯한 전체적인 시스템의 무결성을 정확하게 모니터링하기 힘들다.

전자 기계 및 아날로그 센서는 꽤 오랫동안 사용되어 왔지만, 디지털 제어 환경에 통합하기 위한 표준화 작업은 더디게 진행되었다. 지금까지 설계 엔지니어들은 다양한 기술을 활용해 모니터링, 제어, 보정 등의 작업을 수행해왔으며, 주어진 조건에 맞춰 각자 선호하는 방식을 이용해왔다.

간단한 기류 임계값 검출기를 예로 들어보자. 이는 공기가 흐르는지 여부만 감지하는 플래퍼 스위치(flapper swtich)일 수 있다(그림 1 및 그림 2). 그러다 점점 필터가 막히면서 기류가 좁아져도 한동안은 이를 여전히 감지해낼 수 있을 것이다. 하지만 결국 필터가 막히는 순간이 되면, 플래퍼 스위치는 더 이상 작동하지 않을 것이다. 이때까지 기류 시스템의 효율은 장기간에 걸쳐 서서히 저하되었을 것이며, 환풍기에는 상당한 무리가 가해졌을 것이다.

[그림 1] 필터 막힘 등 기류가 제한되는 경우 전자기계식으로 기류를 확인하여 알림을 보낸다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)

[그림 2] 디지털 센서 시스템은 다양한 환경 조건에서도 시스템 성능을 모니터링하며, 시스템 오류가 발생하기 전 운영자에게 알림을 보낸다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)

이와 달리, 보정된 온도 및 습도 보상 디지털 기류 센서는 기류의 저하 곡선을 모니터링할 수 있다. 이러한 디지털 기류 센서는 기류가 너무 제한되기 전에 건물 관리자에게 경보를 보내도록 프로그래밍할 수 있으며, 환풍기 모터가 과도한 전류 소모로 인해 과열되는 것을 방지하여 모터와 시스템의 수명을 연장시킬 수 있다.

예를 들어, 아날로그 출력, 디지털 직렬 주변기기 인터페이스(SPI) 또는 I2C 직렬 출력을 갖춘 절대 및 차동 버전의 암페놀(Amphenol) ELV 아날로그 및 디지털 압력 센서는 14비트 분해능에서 0.25%의 정확도를 나타낸다. 이 같은 기성품 보정 기기는 0.5psi ~ 150psi(3.45kPa ~ 1034kPa)의 작동 범위를 제공하며, 최대 245℃의 온도를 견뎌낼 수 있다. 작동 전압에 따라 3V, 3.3V, 5V 옵션이 제공되며, 비응축 습도 제한의 상대 습도(RH)는 0 ~ 95%이다. 혹독한 환경에서 사용할 경우 보호용 파릴렌 코팅(protective parylene-coated)된 옵션 제품을 주문할 수 있다. 이 디지털 압력 센서는 다음과 같은 설계에 쉽게 통합할 수 있다.

직렬 센서

각 센서와 액추에이터 사이를 연결하는 전선 하네스는 안정성을 떨어뜨리고 복잡성을 높이며, 연결 노드가 많아질수록 신뢰성은 더욱 낮아진다. 이러한 이유로 사실상의 표준(de-facto standard)이 된 것이 직렬 센서 시스템이다. RS-485, RS-232, CAN(Controlled Area Network) 버스, I2C 및 SPI를 사용하면 몇 개의 와이어만으로 센서 시스템에 전원을 공급 및 제어할 수 있다. 디지털 제어 시스템은 직렬 센서가 응답하지 않는지 여부도 감지할 수 있다. 이를 통해 제어 시스템은 회로와 건물을 보호하는 안전 메커니즘을 통합할 수 있다.

직렬 센서의 또 다른 이점으로 데이지 체인 방식 연결이 가능하다는 점을 들 수 있다. 설계 엔지니어는 모든 센서의 회로 기판에 커넥터와 케이블을 추가할 필요가 없으며, 원격 센서와 연결하기 위해 매우 긴 케이블을 사용할 필요도 없다.

대표적인 제품으로는 모드버스(Modbus)가 장착된 암페놀(Amphenol) 고급 센서 Telaire T9501 IP67 RH & T 센서를 들 수 있다(그림 3). 이와 같이 완전히 보정되고 온도 보상된 센서 시스템은 IP67 방수 기능을 갖추고 있으며, 간소화된 상호 연결을 위한 모드버스 및 RS-485 신호와 데이지 체인 연결이 가능하다. 이 제품들은 또한 14비트 분해능과 온도에 대해 2% 이내의 RH와 0.5%의 정확도를 제공한다.

또한 이러한 센서 시스템은 개별 통신 송수신 범위를 확장하는 신호 중계기 역할을 할 수 있다(그림 3). 공통 케이블을 따라 IR 강하를 없애기 위해서는 AC를 직렬 센서 버스를 따라 통과시키고 국부적으로 정류함으로써 센서 하위 시스템에 전원을 공급할 수 있다.

[그림 3] 이와 같이 견고하고 밀폐된 상대 습도 및 온도 센서는 직렬 모드버스 및 RS485 신호를 사용하여 최신 HVAC 시스템에 쉽게 통합 및 보정되며, 높은 정확도를 자랑한다. (출처: Amphenol)

데이지 체인 직렬 버스 토폴로지는 센서 모듈의 긴 스트링을 상호 연결할 수 있다(그림 4). 각각의 토폴로지는 루프백(loop back) 엔드포인트 센서의 중계기 역할을 하여 강력한 신호를 마이크로컨트롤러에 반환한다. AC 전원은 케이블의 IR 손실을 극복하기 위해 각 센서에 의해 국부적으로 정류된다.

[그림 4] 데이지 체인 직렬 버스 토폴로지는 센서 모듈의 긴 스트링을 상호 연결할 수 있다. 각각의 토폴로지는 루프백 엔드포인트 센서의 중계기 역할을 하여 강력한 신호를 마이크로컨트롤러에 반환한다. AC 전원은 케이블의 IR 손실을 극복하기 위해 각 센서에 의해 국부적으로 정류된다. (출처: 마우저 일렉트로닉스)

이 방식을 채택할 경우, 각 센서를 개별적으로 처리해야 한다는 점을 유의해야 한다. I2C 센서에는 저마다 고유한 주소가 있지만 RS-485, RS-232 및 SPI 센서에는 로컬 인텔리전스가 필요하다. 다행히도 소형, 저비용, 저전력 마이크로컨트롤러는 센서 시스템에 새로운 수준의 자체 테스트 및 진단 기능을 추가할 수 있는 특정 센서에 쉽게 통합이 가능하다.

로컬 및 글로벌 액세스

엔지니어들은 건물에 있어 온도, 습도, 조명 및 공기 흐름에 대한 로컬 액세스 및 제어가 반드시 필요하다는 점을 숙지하고 있어야 한다. 또한 구역별로도 개별적으로 제어할 수 있어야 한다. 객실이 수십 ~ 수백 개 있는 호텔을 생각해보라. 사람마다 편하게 느끼는 환경이 다르기 때문에, 각 객실마다 실내 환경을 제어할 수 있는 시스템이 필요하다. 예컨대 적정 실내 온도가 27℃일 때 쾌적하다고 생각하는 사람이 있는가 하면, 어떤 사람은 이 온도면 너무 덥다고 느낄 수도 있다.

그렇다면, 글로벌 또는 원격 액세스는 어떨까? 앞서 말한 호텔 객실의 경우에는 글로벌 액세스가 필요하지 않지만, 로컬 유틸리티에서는 원격 액세스가 필요할 수 있다. 전력 회사의 피크 전력 수요 제한으로 인해 과도한 전기 요금을 지불하지 않도록, 시설에 대한 총 실시간 전력 사용량을 제한하는 것이 바람직하다.

이 같은 경우, 핵심적이지 않은 시스템은 임계값 또는 실시간 전기 소비량을 초과하지 않도록 제어하고 시퀀싱할 수 있다. 피크 전력 수요를 의무적으로 시행하는 곳이 아직은 많지 않지만, 에너지 효율과 온실가스 배출 문제가 점점 더 민감해지는 추세라 앞으로는 더 많은 곳에서 시행될 것이다.

기타 요인

보안 문제를 비롯하여 해킹, 악성 행위 등을 막아내는 능력 또한 필수이다. 호텔과 공장은 언뜻 보기에 차이가 많은 곳이지만, 보안이 중요하기는 마찬가지다.

기술 디지털화의 또 다른 요인으로 스마트 인공지능 시스템을 활용한 특성 및 행동 학습 능력을 들 수 있다. 호텔 객실을 다시 예로 들면, 스마트 센서는 투숙객이 외출하는 것을 감지할 수 있으므로 이 때 환경 제어를 통해 에너지 공급을 중단하면 많은 에너지를 절약할 수 있다. 그리고 투숙객이 호텔 객실로 돌아오면, RFID(radio-frequency identification, 무선인식)가 이를 감지하여 환경 제어를 통해 작동 모드로 전환할 수 있다.

또한 에너지는 압축기의 냉각수 압력을 모니터링하는 방식으로도 절약할 수 있다. 어느 순간 포화 상태에 이르게 되면, 압축기를 계속 작동시켜도 냉각수가 더 이상 차가워지지 않는다. 이 경우, 압축기를 조기에 끌 수 있다면 에너지를 절약할 수 있으며, 실질적으로 드러나는 단점도 없다.

AI는 학습 과정을 통해 전체 성능에 영향을 주지 않으면서 기기를 일시적으로 끌 수 있는지 결정할 수도 있다. 온수기를 예로 들면, AI는 온수기 작동을 일시적으로 중단한 다음, 송풍기 팬을 켤 수 있다. 송풍기 팬이 작동하면 피크 전력 수요 한계를 초과하는 많은 양의 서지 전류를 끌어올 수 있지만, 일단 송풍기가 원활하게 작동하고 전류 소비가 정상화되면 온수기는 다시 작동하게 된다. 이렇게 되면 서비스 제공에 지장을 주지 않으면서도 에너지와 비용을 절약할 수 있다.

맺음말

오늘날 난방, 냉방, 환기 및 공기질에 대한 사회의 관심이 높아지고 있는 상황에서, 가정과 건물에 지능을 추가하게 되면 에너지 소비와 탄소 배출량을 줄이는 데 효과를 거둘 수 있을 것이다. 지금까지는 오랜 시간 아날로그 센서가 사용되어 왔지만, 이를 디지털 방식의 제어 환경에 통합하려면 상당한 어려움이 뒤따를 것이다. 직렬 센서 시스템은 엔지니어들에게 다양한 이점을 제공한다. 현재의 디지털 환경과 그에 따른 요구 사항을 고려하면, 이와 같은 센서의 보편화는 세계적 트렌드로 자리잡는 것이 자연스러운 흐름일 것이다. 

leekh@seminet.co.kr
(끝)
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