본 논문은, 변풍량 방식 공기조절기를 가진 HVAC 시스템의 에너지 소모를 줄이고 거주공간의 온도를 효율적으로 제어하기 위하여, 거주공간의 내/외부 공기공급량․보일러의 연료 연소율․열 펌프의 입력 에너지 등을 조절하는 제어기를 설계한 것이다. 난방시스템의 모델은 에너지 보존의 법칙에 따라 열원, 열펌프, 거주공간에 관해서 모델을 수립하였다. 특히, 제어변수인 실내 온도를 제어하기 위하여, 보일러의 연료 연소 및 열 펌프의 입력 에너지 이외에, 공기조절기(AHU: Air Handling ...
본 논문은, 변풍량 방식 공기조절기를 가진 HVAC 시스템의 에너지 소모를 줄이고 거주공간의 온도를 효율적으로 제어하기 위하여, 거주공간의 내/외부 공기공급량․보일러의 연료 연소율․열 펌프의 입력 에너지 등을 조절하는 제어기를 설계한 것이다. 난방시스템의 모델은 에너지 보존의 법칙에 따라 열원, 열펌프, 거주공간에 관해서 모델을 수립하였다. 특히, 제어변수인 실내 온도를 제어하기 위하여, 보일러의 연료 연소 및 열 펌프의 입력 에너지 이외에, 공기조절기(AHU: Air Handling Unit))의 송풍기 및 댐퍼에 의한 실내공기의 환기 조절을 제어 입력으로 포함시켰다. 따라서, HVAC 시스템모델은 환기 조절을 반영하여 쌍선형 시스템으로 모델링되었다. 제어기의 설계는, HVAC 시스템의 쌍선형 시스템모델에 대하여, 증분 모델을 이용하여 선형화하고, 다음으로 Lyapunov 의 안정도 판별법을 이용하여 시스템이 안정한 상태의 조건 하에, 제어기의 이득 값을 선정하였다. 이때 제어이득은 Riccati 방정식의 해를 구하여 설계하였다. 이러한 HVAC 시스템 및 제어기의 성능을 확인하기 위해서, HVAC 시스템의 운용 및 환경 조건을 설정하고, 컴퓨터 시뮬레이션 및 HVAC 시뮬레이터 실험을 수행하였다. HVAC 시스템의 열원, 열 펌프와 공기 조절기의 입력 조절하였을 때 거주공간의 온도가 설정온도에 빠르게 도달하였다. 또한 거주공간의 부하는 외부 공기온도의 변화에 따라 영향을 받게 되는데, 외부 공기온도를 변화하면서 동시에 거주공간의 부하가 변화할 경우에도, 원하는 설정온도를 잘 추종하는 성능을 보여 주었다. 그리고 거주공간의 설정온도를 시간에 따라 변화를 주었을 때에도, 제어기가 설정온도를 잘 추종함을 보여주었다. 여러 가지 경우에 대하여 거주공간의 설정온도를 보다 신속하고 효율적으로 제어할 수 있었던 것은, 열 교환기로부터 발생한 고온의 공기를 거주공간으로 공급하는 공기 조절기(AHU)의 덕트 안에서 외부공기와 내부 순환 공기의 흐름량을 조절하는 변풍량 (VAV: Variable Air Volume)방식을 적용 효과가 추가되었기 때문이다. 본 논문에서는, HVAC 시스템의 제어 알고리즘 및 이를 실현한 DSP 제어기 방식은 설계 과정을 제시하고, 향후 빌딩자동화, 지능형 빌딩 부문에 효율적으로 에너지를 절감할 수 있는 냉난방(HVAC) 시스템의 설계의 한 방안으로 적용할 수 있음을 입증하였다.
본 논문은, 변풍량 방식 공기조절기를 가진 HVAC 시스템의 에너지 소모를 줄이고 거주공간의 온도를 효율적으로 제어하기 위하여, 거주공간의 내/외부 공기공급량․보일러의 연료 연소율․열 펌프의 입력 에너지 등을 조절하는 제어기를 설계한 것이다. 난방시스템의 모델은 에너지 보존의 법칙에 따라 열원, 열펌프, 거주공간에 관해서 모델을 수립하였다. 특히, 제어변수인 실내 온도를 제어하기 위하여, 보일러의 연료 연소 및 열 펌프의 입력 에너지 이외에, 공기조절기(AHU: Air Handling Unit))의 송풍기 및 댐퍼에 의한 실내공기의 환기 조절을 제어 입력으로 포함시켰다. 따라서, HVAC 시스템모델은 환기 조절을 반영하여 쌍선형 시스템으로 모델링되었다. 제어기의 설계는, HVAC 시스템의 쌍선형 시스템모델에 대하여, 증분 모델을 이용하여 선형화하고, 다음으로 Lyapunov 의 안정도 판별법을 이용하여 시스템이 안정한 상태의 조건 하에, 제어기의 이득 값을 선정하였다. 이때 제어이득은 Riccati 방정식의 해를 구하여 설계하였다. 이러한 HVAC 시스템 및 제어기의 성능을 확인하기 위해서, HVAC 시스템의 운용 및 환경 조건을 설정하고, 컴퓨터 시뮬레이션 및 HVAC 시뮬레이터 실험을 수행하였다. HVAC 시스템의 열원, 열 펌프와 공기 조절기의 입력 조절하였을 때 거주공간의 온도가 설정온도에 빠르게 도달하였다. 또한 거주공간의 부하는 외부 공기온도의 변화에 따라 영향을 받게 되는데, 외부 공기온도를 변화하면서 동시에 거주공간의 부하가 변화할 경우에도, 원하는 설정온도를 잘 추종하는 성능을 보여 주었다. 그리고 거주공간의 설정온도를 시간에 따라 변화를 주었을 때에도, 제어기가 설정온도를 잘 추종함을 보여주었다. 여러 가지 경우에 대하여 거주공간의 설정온도를 보다 신속하고 효율적으로 제어할 수 있었던 것은, 열 교환기로부터 발생한 고온의 공기를 거주공간으로 공급하는 공기 조절기(AHU)의 덕트 안에서 외부공기와 내부 순환 공기의 흐름량을 조절하는 변풍량 (VAV: Variable Air Volume)방식을 적용 효과가 추가되었기 때문이다. 본 논문에서는, HVAC 시스템의 제어 알고리즘 및 이를 실현한 DSP 제어기 방식은 설계 과정을 제시하고, 향후 빌딩자동화, 지능형 빌딩 부문에 효율적으로 에너지를 절감할 수 있는 냉난방(HVAC) 시스템의 설계의 한 방안으로 적용할 수 있음을 입증하였다.
In this dissertation, a controller is designed to regulate the inward and outward flow rate of the air of a residential space, the fuel combustion rate of the boiler, and the output of the heat pump, in order to reduce the energy consumption of an HVAC system using the VAV(Variable Air Volume) metho...
In this dissertation, a controller is designed to regulate the inward and outward flow rate of the air of a residential space, the fuel combustion rate of the boiler, and the output of the heat pump, in order to reduce the energy consumption of an HVAC system using the VAV(Variable Air Volume) method for an AHU(Air Handling Unit) and to control efficiently the temperature of a residential space in a building. The mathematical modeling of the heating system is established for the heat source, the heat pump and the residential space, by the energy conservation law. Particularly, in order to control effectively the room temperature as a controlled variable, the mixed air flow rates of the AHU is also included as control inputs, by which a bilinear dynamic model is derived for the HVAC system. A controller was designed for the increment model derived from the bilinear system, by obtaining the linear feedback gain from the solution of the Riccati equation under the condition of Lyapunov stability. The performance of the HVAC system controlled by the designed controller was verified by computer simulations and simulater experiments under the various operational and environmental settings. The room temperature reached as fast as possible the set values of temperature by regulating the heat source, the heat pump, and the air handling unit of the HVAC system. Though the thermal load of the residential space is especially affected by changes of the outside air temperature, the designed controller was capable of tracking the target room temperature of the residential room. For various cases, the quicker and more efficient control of temperatures of the residential space resulted especially from the additive effects of both the inward and the outward air circulations by the Variable Air Volume System of the Air Handling Unit. This dissertation presented a design procedure of both the control algorithm for an HVAC system and the implementation of DSP controller, proving that the designed controller can be applied to design energy-saving HVAC systems for Automated or Intelligent Buildings in future.
In this dissertation, a controller is designed to regulate the inward and outward flow rate of the air of a residential space, the fuel combustion rate of the boiler, and the output of the heat pump, in order to reduce the energy consumption of an HVAC system using the VAV(Variable Air Volume) method for an AHU(Air Handling Unit) and to control efficiently the temperature of a residential space in a building. The mathematical modeling of the heating system is established for the heat source, the heat pump and the residential space, by the energy conservation law. Particularly, in order to control effectively the room temperature as a controlled variable, the mixed air flow rates of the AHU is also included as control inputs, by which a bilinear dynamic model is derived for the HVAC system. A controller was designed for the increment model derived from the bilinear system, by obtaining the linear feedback gain from the solution of the Riccati equation under the condition of Lyapunov stability. The performance of the HVAC system controlled by the designed controller was verified by computer simulations and simulater experiments under the various operational and environmental settings. The room temperature reached as fast as possible the set values of temperature by regulating the heat source, the heat pump, and the air handling unit of the HVAC system. Though the thermal load of the residential space is especially affected by changes of the outside air temperature, the designed controller was capable of tracking the target room temperature of the residential room. For various cases, the quicker and more efficient control of temperatures of the residential space resulted especially from the additive effects of both the inward and the outward air circulations by the Variable Air Volume System of the Air Handling Unit. This dissertation presented a design procedure of both the control algorithm for an HVAC system and the implementation of DSP controller, proving that the designed controller can be applied to design energy-saving HVAC systems for Automated or Intelligent Buildings in future.
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