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문제 정의
- 본 논문에서의 빙축열시스템 운전최적화는 운전하기 전에 이미 그날의 냉방부하를 예측한 후에 이 냉방부하를 만족하면서, 하루 중 운전 비용을 최소화하기 위하여 냉동기와 빙축열조가 냉방부하를 어떻게 담당할 것인가를 계획하는 것으로 정의한다. 그러므로, 본 연구에서 건물의 다음날 냉방부하는 미리 정확히 예측된 것으로 가정한다.
- 본 논문은 빙축열시스템의 냉방운전에 대하여 냉동기 운전을 On-Off로 제 어 하면서 냉동기 가동시 에는 전부하(full capacity)로 운전하도록 하여 부분 부하 운전에 의한 비효율성을 배제한 효율적 운전을 도모하고, 냉동기 가동시간을 결정함에 있어서 시스템의 운전비용을 최소화하기 위한 운전기법을 적용하여 시뮬레이션과 실험실 규모에서 적용 시험한 결과로부터 운전비 절감효과를 비교분석하고자 한다.
가설 설정
- 그러므로, 본 연구에서 건물의 다음날 냉방부하는 미리 정확히 예측된 것으로 가정한다. 냉동기는 용량제어를 하지 않고, 기동 및 정지를 통한 운전을 하는 것으로 하였다.
- (5)에 의하여 실험적 데이터를 이용한 부분부하-전력소비모델을 사용하였다. 브라인펌프, 냉각탑, 냉각수펌프 등의 소비전력은 냉동기 작동과 함께 정격용량으로 소비되는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- 개발된 최적운전계획 알고리즘은 실험실 규모 빙축열 시스템에 적용되어 운전을 시험하였다. 실험실 규모 시험이므로 냉방부하는 보일러를 이용하여 온수를 저장하고 임의의 부하를 생성하기 위한 온수의 온도를 제어하여 열교환기를 통과 시켜 브라인과 열교환되도록 하였다.
- 시스템의 운전은 30분 간격으로 제어되지만, 냉방부하는 1시간 간격으로 변화하는 것으로 설정하였으며, 실제로 건물의 냉방부하는 그다지 동적이지는 않으므로 1시간 간격으로 변하는 것으로 보아도 무방할 것이다. 냉방부하 발생시간은 하루 중 9시부터 오후 6시까지 9시간으로 하였다.
- 본 논문에서는 실험실 규모의 빙축열 시스템에 대하여 냉동기의 전부하 가동-정지 (on-off) 운전방식을 고려한 최적운전기 법을 시뮬레이션하고, 시험설비에 적용 시험하여 냉동기우선 운전방식과 비교하였다. 시뮬레이션 결과에서는 냉동 기의 부분 부하 운전을 고려한 최적운전기법에 비하여 냉동기 on-off제어에 의한 최적운전기법의 운전 비용이 약 2% 미만 정도로 증가할 것으로 나타나 운전비용 효과적인 측면에서 비슷한 성능을 나타내어, 냉동기의 on-off운전에 의한 최적 운전계획을 통하여 최적운전에 가까운 비용절감을 이룰 수 있을 것을 알 수 있었다.
- 빙축열시스템에 대한 최소비용을 위하여 제3절에서 기술한 최적운전기법을 종래 운전방식이라고 할 수 있는 냉동기우선 운전기법과 시뮬레이션을 통하여 비교하였다. 고부하 냉방부하 조건에 대한 냉동기와 빙축열조 부하를 냉동 기우 선과 최적화 운전기법에 대하여 Fig.
- 빙축열조 내의 매순간 축열량은 축열조의 브라인 입출구 온도와 유량으로부터 계산한 방냉량의누적값으로 구하였다.
- 실험실 규모 시험이므로 냉방부하는 보일러를 이용하여 온수를 저장하고 임의의 부하를 생성하기 위한 온수의 온도를 제어하여 열교환기를 통과 시켜 브라인과 열교환되도록 하였다. 운전자는 밸브 개도 상태, 냉동기 On-off상태, 펌프 운전상태, 냉각탑 운전상태 등을 MMI 프로그램을 통하여 감시하고 제어할 수 있도록 구성하였다.
- 운전시험의 시작은 시험 전날 빙축열조에 대하여 완전축열운전을 하여둔 상태에서 냉방 운전이 시작되는 시점으로 하였고, 운전의 종료시점은 냉방 운전 후 다시 축열운전을 하여 냉동기의 축열 종료 조건에 의하여 제빙운전을 마치는 시각으로 하였다.
- 실험실 규모 시험이므로 냉방부하는 보일러를 이용하여 온수를 저장하고 임의의 부하를 생성하기 위한 온수의 온도를 제어하여 열교환기를 통과 시켜 브라인과 열교환되도록 하였다. 운전자는 밸브 개도 상태, 냉동기 On-off상태, 펌프 운전상태, 냉각탑 운전상태 등을 MMI 프로그램을 통하여 감시하고 제어할 수 있도록 구성하였다.
- 운전제 어 장치 로서 시 스템 의 운전시 에 시 험 데 이 터를 취득하고 기기의 작동상황을 감시하며 최종적으로 얻어진 최적제어기로 시스템의 운전을 제어할 수 있는 측정 및 제어 시스템을 구성하였다. 이러한 측정데이터, 기기의 작동상태 및 제어 신호의 송수신은 MMI 프로그램을 통하여 이루어진다.
- 5% 이하임을 확인하였다. 유량계는 브라인의 총 유량, 브라인의 축열조 통과 유량, 브라인의 열교환기 통과유량 냉동기의 냉각수 유량, 냉방 부하용 냉수 유량 등을 즉정할 수 있는 각 위치에 설치하였다.
- 제 5.4절에서 설명한 실험용 빙축열시스템과 이에 대한 모델을 이용한 최적운전 알고리즘 및 냉동기 우선 운전방식 등 두 가지의 운전계획을 적용한 운전제어 시험을 수행하였다. 냉동기 우선 방식과 최적운전 방식에 의한 운전시험에서의 측정한 냉동기 소비전력과 각종 기기에 대한 소비전력을 그에 합한 총 소비전력을 Fig.
- 온도센서는 냉동기 브라인의 입출구, 냉동기 냉각수 입출구, 빙축열조 입출구, 빙축열조 출구혼합위치, 열교환기 브라인 측 입출구, 열교환기 브라인 측 출구혼합 위치, 열교환기 부하측 입출구 등에 설치하였다. 측정 데이터의 신뢰성을 높이기 위하여, 측정시스템의 구성을 완성하고 센서를 웰(well)에 설치하기 전에 항온조를 이용하여 MMI에 표시되는 측정값을 기록하며 ±0.1 ℃의 정밀도로 보정시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 빙축열시스템의 주요 구성요소는 냉동기, 냉각탑, 캡슐형 빙축열조, 브라인 펌프, 냉수펌프, 열교환기 등이다. 본 실험용 빙축열 시스템의 빙축열조와 냉동기 용량은 앞서 설명한 시뮬레이션에서 사용된 시스템에서의 빙축열 조와 냉동기 용량과는 차이가 있다.
- 유량은 0~40m3/hr의 유량범위의 오리피스 유량계를 사용하였다. 사용된 유량계는 국가교정검사기관에서의 보정시험을 수행하여 오차가 ±0.
- 전력량은 전류변환기를 사용한 전력량계를 사용하여 냉동기의 소비전력과 시스템의 총 소비전력 데이터를 수집하였다.
- 5m의 직육면체형 탱크이다. 총 축열량 설계치는 737Mcal(243.8RT-hrs) 이며 잠열분은 635 Meal (210RT-hrs)이고, 빙축열조에 담겨진 캡슐의 총개수는 17, 000개이다. 냉각탑의 형식은 대향류형이며, 냉각능력은 120, 960kcal/hr(40 RT)으로 냉각탑 팬의 소비전력은 0.
- 7kW이다. 캡슐형 빙축열조의 체적은 21.9 m3으로서 가로, 세로, 높이는 각각 2.5m, 2.5m, 3.5m의 직육면체형 탱크이다. 총 축열량 설계치는 737Mcal(243.
이론/모형
- 냉동기의 모델은 Lee et al.(5)에 의하여 실험적 데이터를 이용한 부분부하-전력소비모델을 사용하였다. 브라인펌프, 냉각탑, 냉각수펌프 등의 소비전력은 냉동기 작동과 함께 정격용량으로 소비되는 것으로 가정하였다.
- 이러한 최적화 문제를 풀기 위하여 Lee et al.(5)이 적용한 바 있는 동적계획 법 (Dynamic programming을 이용하였다.
- al.(6)이 발표한 빙축열조 모델을 이용하였다. 냉동기의 모델은 Lee et al.
성능/효과
- 두 냉방부하 중 하나는 '고부하(Higher load)'라고 하고, 다른 하나는 '저부하'(Lower load)로 한다. 고부하의 최대 냉방부하 값은 오후 3시에 발생하여 116Mcal/hr (38.4 RT)의 값을 나타내며, 하루 중 냉방 시간대는 오전 8시부터 10시간 동안으로 하였으며, 총 냉방부하는 10, 292 Meal로서 부하율은 89%이다. 한편, 중부하 조건은 최대 100 Mcal/hr(33.
- 8에 냉동기 우선과 최적운전에 대하여 함께 나타내었다. 냉동기우선 방식에서 축열조 통과유량은 큰 변화가 없으나, 최전운전방식에서 초기의 3시간가량은 빙축열조 단독으로 냉방부하를 만족시키기 위하여 급격하게 축열조 통과유량이 증가되었으며, 그 이후로는 동시운전모드로서 유량이 감소되어 유지되었다.
- 사용하였다. 사용된 유량계는 국가교정검사기관에서의 보정시험을 수행하여 오차가 ±0.5% 이하임을 확인하였다. 유량계는 브라인의 총 유량, 브라인의 축열조 통과 유량, 브라인의 열교환기 통과유량 냉동기의 냉각수 유량, 냉방 부하용 냉수 유량 등을 즉정할 수 있는 각 위치에 설치하였다.
- 비교하였다. 시뮬레이션 결과에서는 냉동 기의 부분 부하 운전을 고려한 최적운전기법에 비하여 냉동기 on-off제어에 의한 최적운전기법의 운전 비용이 약 2% 미만 정도로 증가할 것으로 나타나 운전비용 효과적인 측면에서 비슷한 성능을 나타내어, 냉동기의 on-off운전에 의한 최적 운전계획을 통하여 최적운전에 가까운 비용절감을 이룰 수 있을 것을 알 수 있었다. 실험용 빙축열 시스템을 대상으로 하여 냉방 9시간 운전과 축열 운전을 포함한 일일주기의 하루 운전시험결과, 최적 운전기법으로 운전된 경우의 운전비용이 기존 냉동기 우선 운전에 비하여 총 운전비용 약 14% 정도가 절감됨을 보였다.
- 시뮬레이션 결과에서는 냉동 기의 부분 부하 운전을 고려한 최적운전기법에 비하여 냉동기 on-off제어에 의한 최적운전기법의 운전 비용이 약 2% 미만 정도로 증가할 것으로 나타나 운전비용 효과적인 측면에서 비슷한 성능을 나타내어, 냉동기의 on-off운전에 의한 최적 운전계획을 통하여 최적운전에 가까운 비용절감을 이룰 수 있을 것을 알 수 있었다. 실험용 빙축열 시스템을 대상으로 하여 냉방 9시간 운전과 축열 운전을 포함한 일일주기의 하루 운전시험결과, 최적 운전기법으로 운전된 경우의 운전비용이 기존 냉동기 우선 운전에 비하여 총 운전비용 약 14% 정도가 절감됨을 보였다.
- 열교환기 입구 브라인온도는 3 ℃ 정도로 유지되었고, 열교환기 냉수측 온도 또한 7 내지 8 ℃ 가 유지되어, 주어진 냉방부하를 두 운전방식에서 모두 잘 만족시켰음을 알 수 있다.
- 저부하에 대하여 나타내었다. 이들 냉방부하 조건에 있어서 냉동기우선 방식에 대한 최적 운전방식의 운전비용 절감율은 약 8% 정도로 계산되었다. 이러한 운전비용 절감은 냉방부하의 패턴과 시스템의 설계 용량에 따라 달라질 수 있을 것이다.
- 이상의 결과로부터 냉동기의 가동이 시작되는 시간이 중요한 요소가 된다는 것을 짐작할 수 있을 것이다. 그러므로, 냉방부하를 만족하면서 비용을 절감하기 위한 운전을 계획함에 있어서 냉방부하의 예측 정확도가 매우 중요함을 알 수 있으며, 냉방부하 총량 예측뿐만이 아니라 시간에 따른 냉방부하 예측 또한 중요하다고 할 수 있다.
- (5)이 사용한 요금단가와 같은 값을 적용하였으며, 단가에 따라 운전비 절감은 다소 달라질 수 있다. 전력소비량과 운전 비용 측면에서 보면, 낮 시간의 냉방시간대 전력사용량 측면에서는 최적운전기법에서 더 많은 소비량을 보였지만, 심야전기요금 단가가 냉방 시간대에 비하여 더 낮기 때문에 축열과정 중 전력을 많이 소비하였지만, 전기요금단가가 더 높은 냉방 시간대에 소비전력량을 절감할 수 있었다. 이와 같이빙축열시스템의 운전비 용 절감은 전기요금체계에 따라 크게 좌우되므로, 전기요금체계의 적절 한지원이 빙축열시스템에 의한 전력수요를 이전하는데 주요한 영향을 미치며, 이에 따른 수요반응을 적절히 제어함으로써 피크부하 절감을 위한 운전과 운전비용 최적운전의 효과를 극대화할 수 있을 것이다.
- 8% 정도의 운전비용만이 증가했음을 알 수 있다. 즉, 냉동기의 부분 부하 운전제어를 배제한 가동-정지 방식에 의하여 구속조건이 더 강화되었지만, 냉동기 가동시간을 잘 이용함으로써 운전비용 절감에 큰 손실없이 비용 효과적인 운전이 가능할 것으로 보인다.
후속연구
- 또한 매우 더운 여름철의 경우 설계부하에 근접하는 부하 발생시기에는 운전기법에 따라 운전 비용에 있어서 큰 차이는 없을 것으로 보이므로, 연간 표준기후 데이터와 건물에 대한 냉방부하 모델 그리고 빙축열시스템 모델을 연계한 1년의 기간에 대한 냉방운전을 시뮬레이션하고, 이에 대한 운전비용 비교를 통하여 경제성 분석이 이루어진다면 매우 유용한 자료가 될 것이다.
- 즉, 전력피크수요가 냉방부하에 의하여 매우 높게 나타나는 기간에는 부하관리형 운전기법을 적용함으로써 피크시간대 냉동기 전력소비를 최소화시키도록 할 수 있을 것이다. 또한 이러한 운전기법이 적용될 수 있도록 전력회사 또는 정부의 수요관리 프로그램에 의한 인센티브 등의 지원제도가 우선 마련되어야 할 것이다. 한편, 부하 관리기간 이외의 기간에는 빙축열시스템의 냉방 운전 비용을 절감할 수 있는 운전기법을 적용할 수 있다.
- 본 연구에서는 비교대상으로서 냉동기 우선 운전기법을 사용하였으나, 실제 빙축열 냉방 시스템의 운전자는 중저부하의 덜 더운 여름의 날씨 조건하에서는 나름대로의 경험적인 운전기법을 사용할 것이므로, 운전절감효과는 이러한 운전자의 경험에 의한 기존운전방식에 따라 다소 달라질 수 있을 것이다.
- 본 연구에서는 운전계획수립 이전에 이미 다음날에 대한 건물의 냉방부하가 예측이 된 것으로 가정하였으므로, 개발된 운전알고리즘을 실제 건물의 냉방운전에 적용하기 위해서는 외기환경예측 및 냉방부하예측 프로그램(8-9)과의 통합된 적용이 필요하다.
- 빙 축열시스템의 구성면에 있어서는 빙축열조의방냉측면에서 효율적인 냉동기 하류방식에 대한 경우만 본 논문에서 검토되었으나, 냉동기 운전효율 측면에서 우수한 냉동기 상류방식에서의 빙축열 우선운전 방식에 대해서도 면밀한 비교검토가 필요할 것이다.
- '"3>, (5-7) 하지만, 빙축열 시스템을 피 크시 간대 부하를 줄이기 위한 직접부하제어 (8)에의 이용 등에 대한 연구가 진행된 바가 없다. 심야시간의 전기를 이용한 빙축열조의 저장 열량은 전력회사의 원격 on-off식 직접제어 방식으로 최대한 피크부하 절감에 이용하여 전력부하 안정화를 위하여 활용할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로 빙축열시스템을 이용하여 피크부하 절감을 꾀하는 프로그램에 있어서 운전비용을 절감할 수 있는 부가적인 서비스 형태로의 제어기법이 개발되어 피크절감이 필요치 않은 시기에 이용할 수 있을 것이다.
- 심야시간의 전기를 이용한 빙축열조의 저장 열량은 전력회사의 원격 on-off식 직접제어 방식으로 최대한 피크부하 절감에 이용하여 전력부하 안정화를 위하여 활용할 수 있을 것이다. 이러한 방식으로 빙축열시스템을 이용하여 피크부하 절감을 꾀하는 프로그램에 있어서 운전비용을 절감할 수 있는 부가적인 서비스 형태로의 제어기법이 개발되어 피크절감이 필요치 않은 시기에 이용할 수 있을 것이다. 한편, 시스템 사용자측면에서는 on-off제어에 의하여 냉동기의 부분부하 운전을 회피함으로써 보다 효율적인 냉동기의 운전이 가능할 것이며, 현장 적용측면에서 더욱 용이한 제어기법이 될 것이다.
- 전력소비량과 운전 비용 측면에서 보면, 낮 시간의 냉방시간대 전력사용량 측면에서는 최적운전기법에서 더 많은 소비량을 보였지만, 심야전기요금 단가가 냉방 시간대에 비하여 더 낮기 때문에 축열과정 중 전력을 많이 소비하였지만, 전기요금단가가 더 높은 냉방 시간대에 소비전력량을 절감할 수 있었다. 이와 같이빙축열시스템의 운전비 용 절감은 전기요금체계에 따라 크게 좌우되므로, 전기요금체계의 적절 한지원이 빙축열시스템에 의한 전력수요를 이전하는데 주요한 영향을 미치며, 이에 따른 수요반응을 적절히 제어함으로써 피크부하 절감을 위한 운전과 운전비용 최적운전의 효과를 극대화할 수 있을 것이다.
- 이러한 방식으로 빙축열시스템을 이용하여 피크부하 절감을 꾀하는 프로그램에 있어서 운전비용을 절감할 수 있는 부가적인 서비스 형태로의 제어기법이 개발되어 피크절감이 필요치 않은 시기에 이용할 수 있을 것이다. 한편, 시스템 사용자측면에서는 on-off제어에 의하여 냉동기의 부분부하 운전을 회피함으로써 보다 효율적인 냉동기의 운전이 가능할 것이며, 현장 적용측면에서 더욱 용이한 제어기법이 될 것이다.
- 향후에는 하계 피크부하절감을 위한 프로그램으로서 빙축열시스템을 이용하기 위한 시스템 구성이나 빙축열시스템 사용자의 수요반응①R, de mand response)을 이용한 제어시스템에 대한 연구를 통하여 운전비용절감과 피크부하절감의 통합적 제어시스템에 대한 연구가 필요할 것이다. 즉, 전력피크수요가 냉방부하에 의하여 매우 높게 나타나는 기간에는 부하관리형 운전기법을 적용함으로써 피크시간대 냉동기 전력소비를 최소화시키도록 할 수 있을 것이다.
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