[논문]공조설비의 필터차압 변화에 따른 에너지 소비성능 평가

원근호; 곽노열; 허정호

문제 정의

본 연구에서는 필터막힘에 따른 건물에너지 소비를 파악하기 위해 복합상가 건물과 사무실 건물을 대상으로 장기 시계열 필터차압에 대한 분석을 하였고, 현장 측정을 통해 파악하기 어려운 정풍량 공조기에서 동적 시뮬레이션 분석을 통하여 필터의 막힘이 전체 에너지 소비량에 미치는 영향을 정량적으로 파악하였다. 연구를 수행하면서 얻은 주요 결과는 다음과 같다.

가설 설정

0025 간격으로 변화시켜서 수행하였다. 이것은 Fig. 8 의 타이프 502에서 유량 저항계수의 파일이 전체 저항값 0.1 kPa/(kg/s)2의 (여기서, 0.1 kPa/(kg/s)2는 코일, 필터 등의 시스템 저항과 덕트에서의 저항을 합한 전체 저항값임) 5% 범위 내에서 필터 차압이 증가한다고 가정한 것이다. 실제 측정값에서 대략 풍량이 20, 000m3일 때 필터 차압이 최대 linch w.

제안 방법

공기조화 시스템에서 필터가 막히는 것은 공기 측의 유동저항을 증가시키는 것으로 본 연구에서는 필터의 막힘 상태를 시뮬레이션하기 위해, 블록(block) 1의 공기측에서의 유체저항을 크게 하여 시뮬레이션을 수행하였다. 유닛 2의 저항을 0.
HVACSIM +는 각 구성요소를 모듈화한 타이프로 정의하여 시뮬레이션을 수행한다. 공조기의 시뮬레이션을 효과적으로 수행하기 위하여 전체 시스템을 4개의 슈퍼블록(superblock)으로 구분하여 유량 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
동적 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 정풍량 공조기의 필터 막힘이 실내 온열환경과 냉수 유량에 미치는 영향을 정량적으로 파악하고자 시뮬레이션을 수행하였다. 변풍량 공조기의 경우, 팬이 부분부하 상태에서는 필터 막힘이 발생하더라도 팬의 회전수를 변화시켜 풍량으로 조절 가능하기 때문에 냉수유량에는 영향을 미치지 않아도 되나, 팬을 100%로 운전하는 경우 필터 막힘이 발생할 경우 정풍량 공조기의 경우와 마찬가지로 급기풍량이 작아지므로, 코일에서 열전달이 적어지게 된다.
필자는 기존연구⁽⁴⁾에서 정풍량 공조기의 필터막힘에 따른 송풍동력의 증가를 부직포를 부착한 가속실험을 통하여 송풍 동력 에너지가 증대되는 요인에 대하여 정량적인 분석을 실시하였고, 또 사무소 건물을 대상으로 필터 막힘에 따른 공조기 송풍동력의 에너지 변화를 평가하고 생애비용을 향상시킬 수 있는 공조기 필터의 실시간 운용관리 기술을 제시하였다. 본 연구에서는 후속연구로 장기 시계열의 필터 전후 차압변화에 대한 추가분석을 실시하여 정풍량 공조기의 필터막힘에 따른 에너지 소비가 열원부분에서 발생하여 현장에서 측정하기가 현실적으로 어렵기 때문에 정풍량 공조기의 필터 막힘에 따른 냉수 유량의 변화를 동적 시뮬레이션을 통하여 분석하였다.
시뮬레이션의 조건은 Table 3과 같으며, 필터교체 직후의 CASE A와 필터 차압이 증가된 CASE B, C의 조건으로 유량 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
Kim⁽³⁾ 은 크린룸 실험 챔버를 대상으로 필터의 압력손실을 증가 시켜 풍량, 필터 압력손실과 소비전력량과의 관계를 고찰하였다. 필자는 기존연구⁽⁴⁾에서 정풍량 공조기의 필터막힘에 따른 송풍동력의 증가를 부직포를 부착한 가속실험을 통하여 송풍 동력 에너지가 증대되는 요인에 대하여 정량적인 분석을 실시하였고, 또 사무소 건물을 대상으로 필터 막힘에 따른 공조기 송풍동력의 에너지 변화를 평가하고 생애비용을 향상시킬 수 있는 공조기 필터의 실시간 운용관리 기술을 제시하였다. 본 연구에서는 후속연구로 장기 시계열의 필터 전후 차압변화에 대한 추가분석을 실시하여 정풍량 공조기의 필터막힘에 따른 에너지 소비가 열원부분에서 발생하여 현장에서 측정하기가 현실적으로 어렵기 때문에 정풍량 공조기의 필터 막힘에 따른 냉수 유량의 변화를 동적 시뮬레이션을 통하여 분석하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 사무소 건물의 전경이고, Table 1은 서울 강남구에 위치하고 있는 대상 건물의 개요로 지상 41층 지하 4층의 사무소 건물과 지하 1층의 복합상가로 구성되어 있다. 사무실 건물은 각층 공조방식으로 원래는 변풍량 방식으로 설계되었으나, 현재는 VAV BOX의 댐퍼 개도율을 고정 시켜서 정풍량 방식으로 운전되고 있고 복합상가 공조기는 정풍량 방식으로 설계 및 운전되고 있다.
사무소 건물의 공조기는 대표적인 운전 스케쥴을 갖는 13층과 38층의 공조기를 대상으로 선택하였다. 복합상가의 공조기는 사람들의 통행이 많아, 먼지가 많이 발생하고 운전시간도 길어 필터의 막힘이 빨리 진행될 것으로 예상되는 복도 측 공조기와 상가 측 공조기를 대상으로 측정하였다.
사용한 필터의 종류는 Table 1과 같으며, 필터차압 변화의 장기 시계열 분석을 위해 측정 전에 필터는 모두 신규로 교체하였다. 사무소 건물의 공조기는 대표적인 운전 스케쥴을 갖는 13층과 38층의 공조기를 대상으로 선택하였다. 복합상가의 공조기는 사람들의 통행이 많아, 먼지가 많이 발생하고 운전시간도 길어 필터의 막힘이 빨리 진행될 것으로 예상되는 복도 측 공조기와 상가 측 공조기를 대상으로 측정하였다.
여름철 냉방모드를 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 서울지방 기상데이터에서 전형적인 여름날을 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다. 공조기의 운전시간은 07시에서 19시까지 12시간 운전하도록 하였고, 대상일은 하절기 8월 6일로 하였다.
여름철 냉방모드를 대상으로 시뮬레이션을 수행하였다. 서울지방 기상데이터에서 전형적인 여름날을 선정하여 시뮬레이션을 수행하였다.
연구대상 건물 공조기의 필터가 장기 시계열에 따라 막힘 현상이 어떻게 발생하는가를 평가하기 위해 대상 건물의 복합상가 공조기 2대와 사무소건 물 공조기 2대를 선정하여, 2003년 9월부터 2004년 4월초까지 7개월 동안 BAS 모니터링 데이터를 이용하여 필터 차압과 풍량을 측정하였다. 사용한 필터의 종류는 Table 1과 같으며, 필터차압 변화의 장기 시계열 분석을 위해 측정 전에 필터는 모두 신규로 교체하였다.

데이터처리

공조기 각 구성요소의 수학적 모델을 사용한 동적 시뮬레이션 프로그램 HVACSIM +를 이용하여 유량 변화에 관한 시뮬레이션을 수행하였다. HVACSIM +는 각 구성요소를 모듈화한 타이프로 정의하여 시뮬레이션을 수행한다.

성능/효과

(1) 장기 시계열별 누적 풍량에 의한 필터차압 추이를 분석한 결과 필터차압은 초기에는 서서히 증가하다가 점차 진행함에 따라 필터차압이 급격히 증가한다. 시계열 누적풍량의 증가에 따라 필터차압은 지수 함수적으로 증가한다.
(3) 정풍량 공조기를 대상으로 필터의 막힘 상태를 모델링하고, 동적 시뮬레이션을 실시한 결과, 필터차압이 linch w.c. 증가함에 따라 급기 풍량이 약 10% 감소하고, 실내온도를 맞추기 위해 냉수 유량이 5.9% 증가하며, 냉수펌프의 전력 에너지 소비량도 5.9% 증가함을 알 수 있다.
Table 4는 냉수유량을 증가시키기 위한 펌프의 전력에너지 소비량 결과로 1일 동안의 전력소비량으로 비교하면 CASE A의 307 kWh보다 CASE B는 317 kWh로 3.2%, CASE C는 325 kWh로 5.9 % 증가함을 알 수 있다.
또한, 장기 시계 열적으로 필터 막힘이 단위시간 당 풍량의 크기에 미치는 영향을 분석한 결과 Fig. 5의 점선으로 나타난 바와 같이 교체 초기시의 풍량 14, 000 CMH이 필터 막힘 시 12,000 CMH 로 약 15% 정도 감소하는 것으로 나타나고 있다.
71kg/s로 감소한다. 필터교체 직후인 CASE A와 비교할 때 CASE B는 약 6%, CASE C는 약 10%의 풍량이 감소함을 알 수 있다.

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