[월드투데이 이예찬 기자] 제일 존경하는 사람을 윌리스 캐리어로 뽑는 사람들이 많이 있을 정도로 에어컨은 이제 우리 삶의 필수품으로 자리 잡았다.

우리나라에서는 에어컨을 주로 여름철이나 더울 때 실내 온도를 낮추기 위해 사용되는 냉방기를 의미한다. 하지만 에어컨은 온도와 습도를 조절하는 기기를 의미하고 실내 온도를 높여주는 난방기도 포함된다.

윌리스 캐리어가 인쇄 공장의 온도와 습도를 해결하기 위해 설계한 시스템이 최초의 에어컨이 되었다. 초기 에어컨은 수년간 기계를 냉각시키는 용도로만 사용되었지만 캐리어는 에어컨을 이용하여 사람이 느끼는 더워를 없애기 위해 개발을 시작했다.

그의 발명으로 인해 사람들은 여름에 더욱 활발한 경제 활동을 할 수 있게 되었다. 또한 더위와 관련된 질병 사망률을 최대 40%까지 감소시키는 효과도 있었다.

인류가 살 수 있는 지역도 압도적으로 넓어졌다. 에어컨 발명 이전에 폭염이 일상적인 더운 지방의 인구수는 미미했으나 에어컨이 발명되고 나서부터 더운 지방이 대도시로 발전하는 것이 가능해졌다.

이처럼 인류의 문명을 바꿀 정도로 대단한 발명이지만 생각보다 저평가되는 물건 중 하나이다.

대부분의 에어컨 작동 원리는 기화열에 의한 냉각이다. 여름철 도로에 물을 뿌리면 주위가 시원해지는 경험을 해봤을 것이다. 물 대신 프레온가스라는 냉매를 이용하여 적용한 것이 에어컨이다. 프레온가스는 -40℃에서 증발하므로 물보다 훨씬 효율적이다.

1936년 칼렌더(Callender)에 의해 개발된 방법으로 고전적인 제어 방법임에도 불구하고 아직도 많이 사용되고 있다. 다른 제어 방법에 비해 설계가 쉽고 안정적인 결과를 얻어낼 수 있다. 

사용자가 설정해 놓은 온도로 유지시켜 주는 에어컨이 이에 해당된다. 일정 온도가 되었을 때 꺼지거나 켜지는 단순 제어 방식이 아닌 온도차나 온도의 상승과 하강, 시간 등의 요인에 비례하여 작동하는 정교한 제어 방식이다.

Proportional Integral Differential controller의 줄임말로 피드백 제어 형태를 띠고 있다. 피드백 제어란 출력이 입력에 다시 영향을 주는 형태를 말한다. 

PID 제어는 비례 제어(Proportional Control), 적분 제어(Integral Control), 미분 제어(Derivative Control) 3가지 동작을 사용한다.

P(비례) 제어는 목푯값과 제어량의 편차를 비교해서 차이가 크면 조작량을 크게 하고, 편차가 작으면 조작량을 줄이는 방식이다. 에어컨 설정 온도와 현재 온도 차이가 크면 더욱 찬 바람이 나오는 것을 예시로 들 수 있다. 

비례 제어이기 때문에 목푯값에 수렴하더라도 같아질 수는 없다. 따라서 진동하는 오차 값이 발생하게 된다.

I(적분) 제어는 P 제어의 문제점을 해결하기 위해 쓰인다. 오차가 지속된 만큼 더 큰 신호를 내보낸다. 즉, 오랫동안 오차의 크기가 줄어들지 않는다면 더 큰 신호를 만들어 수렴할 수 있게 한다. 

P 제어에서 남은 미세한 잔류 편차를 시간 단위로 적분하여 그 값이 일정량에 도달하면 조작량을 증가시켜 편차를 없애는 방법이다.

하지만 큰 신호를 만들어 내기 때문에 안정성이 떨어질 수 있고 외란이 발생하면 반응속도가 느려진다는 단점이 있다.

D(미분) 제어는 목표량과 제어량의 오차 값을 비교하여 오차와 반대되는 기울기의 조작량을 주는 방식이다. 따라서 갑자기 외란이 일어나더라도 D 제어가 있으면 외란과 목푯값의 오차를 비교해서 빠르게 다시 안정화 시킬 수 있다.

정리하자면 P 제어는 목푯값 도달 시간을 줄이고 I 제어는 오차를 줄이고 D 제어는 값의 급변이나 외란을 억제하고 안정성을 향상시키는 역할을 한다.

위의 세 가지 제어 방식을 사용하는 것이 PID 제어이고 세 역할이 함께 이루어지면 목푯값에 빠르게 접근하고 안정적으로 유지할 수 있다.

한편 에어컨에는 인버터형 에어컨과 정속형 에어컨이 있는데 인버터형 에어컨은 PID 제어 방식을 이용하고 정속형 에어컨은 ON/OFF 방식을 이용한다. PID제어 방식이 탑재된 인버터형 에어컨을 사용하면 전기요금도 아끼고 실내의 쾌적함도 얻을 수 있다.