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문제 정의
- 본 연구에서는 위 알고리즘 중, 최적 기동/정지 알고리즘과 절전운전 알고리즘, 엔탈피제어 알고리즘에 대한 최적 설계와 평가에 대해 논의하기로 한다.
- 최적 정지 알고리즘은 빌딩 재실시간 이후에 안락한계를 초과함이 없이 적절한 시기에 공조시스템을 정지하여 에너지 소비를 최소화하는 것이 그 목적이다. 이 알고리즘은 실내온도와 외기온도를 측정하여 공조시스템 정지시간을 연산하며 그에 따른 댐퍼 제어와 열원기기 및 팬제어를 수행한다.
제안 방법
- 본 연구에서는 에너지관리 최적 제어 알고리즘을 설계하고, 빌딩 공조시스템 에너지 절감을 확인하기 위해 2003년 1월부터 12월까지 'A' 건물에서 현장 테스트를 진행하였으며, 인터넷을 통 한 원격 모니터링 제어를 사용하여 실시간으로 데이터를 수집 분석하였다.⑵ 또한, 분석한 데이터를 바탕으로 현장상황에 맞게 알고리즘을 최적화하였으며, 에너지 제어 알고리즘 성능과 에너지 절감 결과를 분석하였다.
- 그림에서 절전 운전은 공조기가 가동되고 있는 시간대에 적용되며, 냉/난방 모드에 따라 각각 다른 절전 운전시간이 연산된다. 또한 최대 절전시간을 설정하여 실내 쾌적도를 벗어나 절전 운전이 진행되는 것을 차단하였다.
- 본 연구를 통해 개발한 에너지관리 제어 알고리즘과 인터넷을 통한 원격제어 기술을 응용한 현장 테스트를 진행하였다.
- 이 알고리즘은 실내와 외부공기의 엔탈피를 비교하여 엔탈피 제어 운전의 여부를 판단한다. 실내온도와 외기온도, 실내습도와 외기 습도를 측정하여 가동시간대, 알고리즘 사용 유무, 냉/난방설정을 제어입력으로 하여 댐퍼 제어 및 팬제어를 수행한다.
- 최적 기동 알고리즘은 빌딩 재실시간 전에 쾌적한 공간온도를 맞추기 위해 공조시스템을 기동 하는 기술로 초기운전시 과부하로 인한 에너지 소비를 최소화할 수 있다. 이 알고리즘은 실내온도와 외기온도를 측정하여 공조시스템 시작시간을 연산하며 그에 따른 댐퍼 제어와 열원기기 및 팬제어를 수행한다.
- 최적 정지 알고리즘은 빌딩 재실시간 이후에 안락한계를 초과함이 없이 적절한 시기에 공조시스템을 정지하여 에너지 소비를 최소화하는 것이 그 목적이다. 이 알고리즘은 실내온도와 외기온도를 측정하여 공조시스템 정지시간을 연산하며 그에 따른 댐퍼 제어와 열원기기 및 팬제어를 수행한다.
- 엔탈피 제어 알고리즘은 주간 냉방운전시 상대적으로 엔탈피 에너지가 적은 외기를 도입하는 기술로 실내의 엔탈피 에너지를 감소시키는 것이 그 목적이다. 이 알고리즘은 실내와 외부공기의 엔탈피를 비교하여 엔탈피 제어 운전의 여부를 판단한다. 실내온도와 외기온도, 실내습도와 외기 습도를 측정하여 가동시간대, 알고리즘 사용 유무, 냉/난방설정을 제어입력으로 하여 댐퍼 제어 및 팬제어를 수행한다.
- Table 1은 테스트를 진행한 빌딩의 에너지 관리 제어 알고리즘을 적용하지 않은 2003년 1년간 사용한 전력요금과 최적 기동/정지 운전, 절전 운 전, 엔탈피 제어 운전으로 절감 가능한 전력요금 을 나타내고 있다. 최적 기동/정지 운전은 실제 1년간 측정한 데이터에서 산정되었으며, 절전 운전 및 엔탈피 제어는, 일부기간 측정된 데이터를 근 거로 연감 절감액을 추정하였다. 여기에서 기존의 운전방식으로 소요된 전력요금은 353, 628, 000 원이고, 에너지관리 제어 알고리즘으로 절감 가 능한 금액은 22, 262, 775원이며, 총 에너지 절감 효율은 6.
- 최적기동 및 최적 정지 알고리즘을 적용한 테스트 결과는 2003년 1월 1일부터 12월 31일까지 1년간의 현장 테스트 데이터를 수집 분석하였으며, 절전 운전 및 엔탈피 제어 테스트 결과는 위 기간 동안 운전된 데이터만을 분석하였다.
- 에너지관리 제어 알고리즘의 테스트를 위해서 각 제어 알고리즘에 대한 설정값과 운전상황은 현장에 맞게 수정되었다. 테스트는 같은 사양과 같은 제어로직을 갖고 있는 두 개의 공조기에 하나에는 기존 로직을, 다른 하나에는 에너지 관리제어 알고리즘을 적용하여 테스트를 진행하였다. 현장 테스트는 최적 기동/정지 제어 알고리즘 과 절전운전 제어 알고리즘, 엔탈피 제어 알고 리즘을 적용하였다.
대상 데이터
- 빌딩 에너지관리 최적 제어 알고리즘을 테스트하기 위한 현장은 "A" 건물로서 지하 2층 지상 7층의 규모이다. 이 현장의 냉방운전은 6월 초부터 시작하여 9월 말까지 운영되고 있으며, 난방운전은 11월 초부터 4월 말까지 운영되고 있다.
- 본 연구에서는 에너지관리 최적 제어 알고리즘을 설계하고, 빌딩 공조시스템 에너지 절감을 확인하기 위해 2003년 1월부터 12월까지 'A' 건물에서 현장 테스트를 진행하였으며, 인터넷을 통 한 원격 모니터링 제어를 사용하여 실시간으로 데이터를 수집 분석하였다.⑵ 또한, 분석한 데이터를 바탕으로 현장상황에 맞게 알고리즘을 최적화하였으며, 에너지 제어 알고리즘 성능과 에너지 절감 결과를 분석하였다.
이론/모형
- 테스트는 같은 사양과 같은 제어로직을 갖고 있는 두 개의 공조기에 하나에는 기존 로직을, 다른 하나에는 에너지 관리제어 알고리즘을 적용하여 테스트를 진행하였다. 현장 테스트는 최적 기동/정지 제어 알고리즘 과 절전운전 제어 알고리즘, 엔탈피 제어 알고 리즘을 적용하였다.
성능/효과
- 제어 알고리즘을 활용한 빌딩 에너지 절감은 에너지 관리 최적화 알고리즘(EMS)", 을 통해 효과적으로 이루어질 수 있으며 종합적인 에너지 제어방법과 다양한 제어 알고리즘의 적용을 통하여 에너지 절약을 극대화할 수 있다.
- Fig. 10은 오후 7시에 일괄적으로 냉/난방 운전 을 정지하는 시간과 최적 정지 제어 알고리즘을 적용하였을 때의 시스템 정지시간을 비교한 것으로, 최적 정지 알고리즘을 적용하여 운전을 정하는 것이 하루 평균 7분 정도의 시간을 덜 운전하는 것으로 나타나 최적 정지 제어 알고리즘을 적용하여 시스템을 정지하는 것이 보다 효율적인 방법임을 확인하였다.
- Fig. 9에서 1년간 측정된 운전시작 예상시간은 기존 운전시간에 비해 하루 평균 7분 정도의 시간을 더 늦게 시작하는 것으로 나타나 최적기동 제어 알고리즘을 적용하여 시스템을 가동하는 것 이 보다 효율적인 방법임을 확인하였다.
- 최적 기동/정지 운전은 실제 1년간 측정한 데이터에서 산정되었으며, 절전 운전 및 엔탈피 제어는, 일부기간 측정된 데이터를 근 거로 연감 절감액을 추정하였다. 여기에서 기존의 운전방식으로 소요된 전력요금은 353, 628, 000 원이고, 에너지관리 제어 알고리즘으로 절감 가 능한 금액은 22, 262, 775원이며, 총 에너지 절감 효율은 6.3%로 나타났다.
- 12는 2003년 9월 8일 엔탈피 제어 알고리즘을 적용하여 공조시스템을 운영한 결과를 나타내고 있다. 여기에서 시스템 가동시간 중, 총 174분의 급기팬, 환기팬의 운전시간을 절감했으며, 전 력량으로는 약 130kW를 절감하였다.
- 11은 2003년 6월 20일의 절전운전 제어 알고리즘을 적용하여 공조시스템을 운영한 결과를 나타내고 있다. 여기에서 절전 운전 제어 알고리즘을 적용한 밸브와 댐퍼 개도치, 급/배기팬 의 상태를 나타낸 것으로 시스템 가동시간 중, 총 80분의 급기팬, 환기팬의 운전시간을 절감했으며, 전력량으로는 약 62kW를 절감하였다.
- 이 기술을 통해 빌딩 자동제어 현장에 직접 가지 않아도 에너지 절감효과를 모니터링할 수 있었으며, 그 결과와 분석을 실시간으로 확인할 수 있었다.
- 8은 에너지관리 알고리즘이 적용되지 않은 기존 공조기의 전력사용량과 에너지관리 알고리즘이 적용된 공조기의 전력사용량을 측정하 는 파워메타를 나타내고 있다. 이 파워메타를 통해 동일한 운전시간 동안에 두 공조기 사이에 얼마만큼의 에너지 차이가 생겼는지 분석하여 에너지 관리 알고리즘을 통해 절감된 에너지량을 얻을 수 있었다.
- 현장 테스트 결과, 에너지관리 제어 알고리즘 을 적용했을 경우 연 6%의 에너지 절감효과를 얻을 수 있음을 확인하였으며, Fig. 1의 알고리즘 구성과 같이 아직 적용하지 못한 에너지 관리제 어 알고리즘까지 사용했을 경우 연 10% 이상의 에너지 절감효과를 얻을 것으로 기대 되었다.
후속연구
- 효율적인 제어 알고리즘이 적용된 에너지 관리 기법과 인터넷 원격제어 기술은 빌딩 자동제어 시스템의 장비보호 및 빌딩 에너지 절감에 크게 기여할 것으로 예상되며, 빌딩 통합관리에 효과적인 솔루션을 제공할 것으로 기대된다.
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