[기계설비 유지관리·운영] BAS 온도센서

에너지절감 시작과 마지막 끝은 ‘센서’와 ‘주변환경’ 관리

주요설비 운전측정값 오차는 시스템 에너지 소비에 직접적 영향

센서 오차, 설비 수명 단축·쾌적도 저하·에너지 낭비 문제 유발

건물 에너지 절감 기술이 고도화되면서 BAS, BEMS, ZEB, AI 기반 제어 등 다 양한 솔루션이 도입되고 있다. 그러나 고도화 기술 이전에 해결되어야 할 가장 기본적인 요소는 바로 센서의 정확도다. 건물 자동제어 시스템(BAS)은 설정값 (Setpoint)과 센서로부터 입력된 측정값(Feedback)을 비교하여 제어가 이루 어진다. 즉, 냉난방 시스템에서 온도센서는 냉동기, 보일러, 열교환기, 공조기 (AHU), 팬코일(FCU) 등 주요 설비의 운전 측정값 오차는 시스템 전체 에너지 소비에 직접적인 영향을 미친다. 미국 공조냉동공학회(ASHRAE) 자료에 따르 면 온도 1℃의 오차는 약 7~12%, 평균적으로 약 10% 수준의 에너지 소비 차이 를 발생시키는 것으로 발표되었다. 이러한 사실은 에너지 절감의 핵심이 복잡 한 알고리즘이 아니고 가장 기초적인 센서에 있음을 말한다. /편집자 주

백강철 BAS KOREA 대표

센서 오차는 에너지 손실

BAS는 기본적으로 피드백 제어 시스템으로 설정값과 측정값의 차이를 기반으로 PID 제어가 이루어지며, 이 과정에서 센서 값은 시스템의 ‘기준점’ 역할을 한다. 센서에 오차가 발생하면 제어기는 이를 실제 환경 변화로 인식한다. 예를 들어 냉방 운전 시 실제보다 높게 측정되면 냉동기와 펌프의 가동시간이 증가한다. 반대로 난방 시 낮게 측정 될 경우 과도하게 가동되어 연료 소비가 증가한다. 이와 같은 현상은 단순한 비효율을 넘어 다음과 같은 문제를 유발한다.

- 설비 가동시간 증가와 잦은 재가열로 수명단축

- 실내 쾌적도는 저하되고 에너지 낭비

결국 센서 오차는 단순한 계측 문제가 아니라 제어 시스템 전체를 왜곡시키는 구조적 문제로 작용한다.

센서 오차는 ‘선로저항’(25년 10월호)에 걸린 전압 신호이다. 이 신호는 센서와 제어기를 연결하는 단순 전달 경로가 아니라 DDC 아날로그 입력 포인트의 풀업 저항에 걸린 전압을 궤환하는 즉, 폐루프를 형성하고 그 회로에 흐르는 전류를 전압으로 분압하여 Rs의 V1과 Rt의 V2 전압을 온도로 환산 하는 것이다. 따라서 선로저항을 최소화하기 위해 2선식, 3선식, 4선식으로 정확도를 높인다.

설치방법과 환경에 따른 추가편차

센서의 설치 방법과 환경 또한 중요한 변수로서 배관 센서의 경우 보호관(Well)을 사용하는데, 이때 열전달 경로가 길어지면서 반응 속도가 느려지고 측정 오차가 증가한다. 특히 보호관과 센서봉 사이가 0.8mm ~ 1.6mm 로서 내부에 공기층이 존재하거나 열전도 충진이 부족할 경우, 실제 온도 변화와 센서 반응 사이에 수십 초 이상의 지연이 발생하고 실제 기준온도 대비 주물일 경우 기준온도 대비 3.9°C, 플라스틱의 경우 2.8°C의 편차가 발생한다.

따라서 센서 헤드는 기계실의 온도상승으로 인해 점차 표면 온도가 상승하게 되고 이는 센서봉 까지도 영향을 미치게 된다. 결국 센서봉 내부에 실장된 센서 엘리먼트는 보호관 내부에서 보호관과 완전하게 밀착해야 하고 공기층도 없어야 한다. 이와 같은 설치 조건이 충족되지 않을 경우 센서는 정확한 값을 측정하더라도 배관내 편차를 수반한 온도를 하는 제공하게 되는 것이다. 결국 시공 단계에서는 접속부의 신뢰성을 확보하고, 차폐 케이블을 적용하며 보호관 내부에 열전도 페이스트를 충진하는 것이 중요하다.

센서 열화와 장기 편차와 유지관리

시간이 경과함에 따라 센서의 성능은 점진적으로 저하되는데 일반적으로 약 5년이 경과하면 ±0.5~1.0℃ 수준의 편차가 발생한다. 이러한 열화는 센서 자체도 문제지만 선로저항 및 설치 오차가 더해질 경우 전체 오차를 크게 확대 시킨다. 결과적으로 시스템은 지속적으로 잘못된 온도로 운전하게 된다. 특히 중요한 설비에서는 이러한 오차가 누적되어 에너지 비용 증가뿐 아니라 설비 안정성에도 영향을 미칠 수 있다.

따라서 센서 편차 문제는 설계, 시공, 운영 전 단계에서 접근해야 한다.

설계 단계에서는 센서와 제어기 간 거리를 최소화하고, 장거리 구간에서는 저항 신호 대신 0~10V 전압 또는 4~20mA 전류 신호 또는 디지털 통신 방식을 고려해야 한다.

운영 단계에서는 정기적인 교정과 교체가 필수적이다. 일반적으로 ±0.5℃ 이상의 오차가 발생할 경우 사무실, 공공건물은 5~7년 주기, 산업설비로 고온 다습 환경은 3~5년 주기로 교체한다.

최근에는 수개의 센서를 자기진단 하여 편차시 출력을 차단하거나 경보를 발생시켜 센서의 정확성을 확보하는 자기진단형 센서나 디지털 통신 기반 시스템이 도입되면서 보다 정밀한 관리가 가능해지고 있다.

센서 엘리먼트는 단 한 개의 센서가 아니라 여러개를 실장하고 이상시 또는 편차시 현장에서 즉시 교체 사용할 수 있도록 하여 유지관리를 대응하는 센서도 선보이고 있다.

정확한 센싱이 곧 에너지 절감이다

센서는 BAS 시스템에서 가장 작은 요소이지만 그 영향은 절대적이다. 온도 1℃의 오차가 약 10%의 에너지 손실로 이어지는 현실에서, 센서 선로와 설치 조건은 더 이상 부차적인 문제가 아니다. 특히 장거리 배선에서 발생할 수 있는 수℃ 수준의 오차는 시스템 전체 효율을 근본적으로 저하시킬 수 있다.

따라서 에너지 절감을 위해서는 첨단 기술 도입 이전에, 센서의 정확도 확보와 선로 관리가 선행되어야 한다. 정확한 센싱 없이 정확한 제어는 존재할 수 없다.

결국 에너지 절감의 시작과 끝은 센서와 그 주변 환경에 대한 관리에 달려 있는 것이다.