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문제 정의
- 본 연구에서는 중앙난방시스템의 난방수 유량 제어방식에 따른 에너지 소모특성을 살펴보기 위하여 유량제어방식을 두 가지 방식으로 나누어 구분하였다.
- 발생을 막아주고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 각 제어방법별로 제어신호의 하한값을 변화 시켜 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 이에 따라 본 연구에서는 현재 국내 건축물의 냉난방 시스템으로써 많이 적용되고 있는 공조방식과 팬코일 유닛을 동시에 이용한 난방시스템에 대해 시뮬레이션 프로그램을 구성하고 시뮬레이션을 수행하여 실제에너지 사용량과 시뮬레이션 에너지 사용량을 살펴보았으며, 또한 난방수의 유량을 제어하는 방식에 있어서 펌프 인버터제어와 밸브제어를 적용하였을 때 에너지 소모량에 관해서 비 교분석하였다.
- 시뮬레이션 대상모델의 설비기기들은 H 빌딩의 설계데이터를 토대로 하여 시뮬레이션 프로그램을 작성하고 해석을 수행하였고, 실내 부하 모델의 경우 건물의 전체 부하를 팬코일 유닛과 공조기를 통해 감당하도록 모델링 하였으며, 공조기 팬의 경우 구역별로 3대로 구분되어져 있으나 통합하여 실내부하모델의 부하를 처리 하도록 하였다. 팬코일 유닛 또한 다수의 기기가 건물 곳곳에 설치되어 있으나 통합적으로 난방부하를 처리하도록 모델링을 수행하였다.
- 하였다. 팬코일 유닛 또한 다수의 기기가 건물 곳곳에 설치되어 있으나 통합적으로 난방부하를 처리하도록 모델링을 수행하였다.
- 또한 난방수에 대한 유량제어방식에 대하여 밸브제어방식과 펌프 인버터제어방식에 관하여 각각 시뮬레이션 모델을 구성하였다.
- 먼저 본 연구의 대상모델이 된 건물에 적용된 밸브제어 방식으로 실내공기 온도에 따라 공급되는 난방 수의 유량을 밸브를 통하여 조절하고 나머지의 유량을 바이패스 시키는 방식과 난방수가 순환 펌프 인버터제어로 인하여 공급되는 유량이 직접 조절되는 방식에 대하여 중앙난방시스템의 에너지 소모특성을 살펴보았다.
- 먼저 Fig. 1은 실제 건물데이터를 기초로 하여 구성된 TRNSYS프로그램의 모습을 나타낸 것이다’ 그림에서 살펴보면 대상건물의 기존의 난방시스템과 동일하도록 용량을 산정하여 보일러(Type 659), 온수순환펌프(Type 695), 열교환기 (Type 670), 급배기팬(Type 662)등의 설비기기들과 팬 코일 유닛의 해석이 가능하도록 통합되어진 실내부하 모델(Type 6ffl)로 구성하였으며, 유량 제어가 가능하도록 제어기(Type 713)를 설치하고 연구대상 모델을 근거로 하여 난방수 유량을 실내공기 온도에 따라 밸브로 제어하는 방식에 관하여 시뮬레이션 프로그램에 적용하였다";
- 본 연구에서는 실제 건물데이터를 토대로 하여 시뮬레이션 프로그램을 구성하고 이를 통하여 실제적으로 사용된 에너지 소모량과 비교한 후 난방 수 밸브제어방식과 순환펌프 인버터제어 방식에 관하여 비교 연구를 수행하였다.
- 다음과 같은 시뮬레이션을 통해 얻어낸 보일러의 가스에너지 소모량과 실제 가스에너지 소모량을 비교 분석한 후 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 난방수 밸브제어방식과 순환펌프 인버터제어방식에 관하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 난방수 제어방식에 따른 시뮬레이션은 20(密년 1월 1달간에 관하여 비교분석을 수행하였으며, 각 제어방식별로 제어신호의 하한값을 변경시켜 시뮬레이션을 수행하였다.
- 따라서 본 연구에서는 각 제어신호의 하한값을 모두 고려하여 시뮬레이션 하였으나 비교 분석에 있어서는 이러한 점을 고려하여 검토하였으며, 각 제어방식에 따른 제어신호의 하한값은 다음 Table 1과 같다.
- 시뮬레이션에 적용된 외기온도 데이터의 경우 실제 기상청 데이터를 1시간 간격으로 하여 입력데이 터로 주었으며, 실내공기온도의 설정온도는 2 4笆, 시뮬레이션 해석시간 간격은 1분으로 하였다.
- 본 연구에서는 중앙난방시스템으로 구성된 실제 건물을 대상으로 하여 시뮬레이션 프로그램을 구성하고 난방수 조절방식을 밸브제어방식과 순환 펌프 인버터제어방식으로 구분하여 에너지 소모량에 관하여 시뮬레이션을 수행하여 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 중앙난방시스템의 유량제어 방식에 따른 에너지 소모특성에 대하여 살펴보기 위하여 중앙난방시스템을 채택한 대상 모델을 선정하였다. 4)
- 선정된 건물은 강동구 성내동의 H빌딩으로 지흐卜 4층, 지상 10층으로 되어 있으며 연면적은 7, 150m2이다. 난방시스템의 열원은 보일러를 사용하고, 운전방식은 팬코일 유닛을 주로 사용하고 부하가 초과할 경우 공조기를 사용하여 중앙난방을 겸용하는 방식으로 되어 있다.
- 먼저 난방시스템의 시뮬레이션 프로그램 검증을 위하여 실제 건물데이터를 토대로 하여 시뮬레이션 프로그램 구성하고 为07년 12월~2(廊년 2월, 2(X)8년 12월 ~ 2(炀년 2월(총 6개월)에 걸쳐 시뮬레이션을 수행하였다.
성능/효과
- 시뮬레이션 대상건물의 실제 가스에너지 소모량과 시뮬레이션 결과를 비교한 결과 2(X)7년 12 월~ 2008년 2월까지 2007년 동절기의 가스 에너지 소모량을 비교한 경우 실제 가스사용량이 시뮬레이션 결과보다 약 1% 정도 많게 나타났으며, 2008년 12월~ 2009년 2월까지 2008년 동절기의 경우 약 2%정도 실제 가스사용량이 더 많게 나타났다. 가장 많은 차이가 나타난 달은 2008년 1월로써 약 9%정도의 오차를 나타냈다.
- 그러나 난방수 순환펌프의 에너지 소모량을 살펴보았을 때 밸브제어방식에 비해 펌프 인버터제어방식이 16%정도의 에너지 절감을 나타냈으며, 보일러의 경우도 약 2%의 에너지 절감 성능을 나타내었고, 전체적으로 약 2.6% 정도의 에너지가 절약됨을 알 수 있었다.
- 공조기의 팬 전력량을 살펴보았을 때 Fig. 5의 경우와 마찬가지로 에너지 소모량의 차이는 나타나지 않았으며, 난방수 순환펌프의 에너지 소모량을 살펴보았을 때 밸브제어방식에 비해 펌프 인버터제어방식이 12%, 보일러의 경우 약 6%, 전체 에너지 소비량에 있어서는 약 5% 정도의 에너지가 절약됨을 알 수 있었다. 이것은 펌프의 경우 밸브제어방식은 펌프가 항상 정속운전을 수행하지만 인버터제어방식의 경우 회전수가 변화함으로 나타나는 특성이며, 보일러의 경우 밸브제어방식은 정속 운전하는 펌프의 영향으로 보일러의 온수 순환량이 바이패스에 의하여 거의 일정하게 유지되지만 인버터제어방식은 순환유량을 제어함에 따라 밸브제어방식에 비해 상대적으로 부하가 작아지기 때문에 나타나는 현상이다.
- 6에서 살펴볼 때 최저 제어 신호가 높아 졌음에도 불구하고 펌프 인버터제어방식의 순환 펌프 에너지 소비량의 차이가 눈에 띄게 나타나지 않는 것을 알 수 있다. 본래 펌프의 에너지 소비량은 펌프의 회전수비의 세제곱에 비례하기 때문에 최저제어신호가 바뀌면 펌프에너지 소비량에 있어서 큰 차이가 나타나야 하는 것이 옳으나, Fig. 4의 밸브제어방식의 제어신호의 동특성 그래프를 살펴볼 때 제어신호는 외기온도 변화에 따라서 최대부하 운전을 하는 경우가 많을 뿐만 아니라 부분부하 운전일 경우에도 최저제어 신호를 0.1 로 하였음에도 불구하고 최저 약 0.3 이상의 제어신호로 운전함에 따라 큰 차이가 나타나지 않는 것으로 판단된다.
- 보일러의 에너지 소모량을 살펴보면 전체적으로 순환펌프 인버터제어 방식이 밸브제어방식보다 에너지가 적게 소모가 되는 것을 알 수 있다. 이는 밸브제어방식의 경우 바이패스 되는 유량이 발생하게 되어 순환펌프 인버터 제어방식보다 난방 수의 열량손실이 발생하는 것으로 사료된다.
- 전체적으로 살펴볼 때 제어신호의 하한값을 낮게 두었을 경우 밸브제어방식과 펌프 인버터제어방식 모두 전체적인 소모량에 있어서 적게 나타났으며, 특히 펌프 인버터 제어방식의 경우 펌프 에너지 소모량과 보일러 에너지 소모량에 있어서 더욱 절감 되었다. 그러나 본 연구의 경우 난방 수의 밸브제어방식과 순환펌프 인버터제어 방식에 대하여 각 제어방식별로 제어신호의 하한값의 변화에 따라 데이터를 분석하였으나 실제적으로 건물 등에 적용함에 있어 하한값의 선정에 있어 여러 가지 문제점이 발생할 수 있다.
- (1) 팬코일유닛과 공조기로 구성된 중앙난방시스템의 실제 건물을 대상으로 하여 시뮬레이션 프로그램을 작성하여 실제 가스 에너지 소모량과 시뮬레이션 결과값을 비교한 결과 2007년 동절기에 약 1%, 2008년 동절기에 약 2%의 양호한 차이를 나타내었다.
- (2) 중앙난방시스템의 난방수 제어방식을 밸브제어방식과 순환펌프 인버터제어 방식으로 구분하여 시뮬레이션 해본 결과 순환 펌프 에너지 소모량의 경우 최대부하 운전 기간이 길었음에도 불구하고 크게 약 16% 정도의 에너지 절감성능을 보였으며, 부분 부하 운전이 많아질 경우 더욱 많은 에너지 절감 성능을 보일 것으로 사료된다.
- (3) 순환펌프를 인버터제어 하였을 경우 밸브제어방식보다 난방수 제어방식에 있어서 열원기기 에너지 절감효율에 있어서 효과적인 것으로 나타났으며, 제어신호의 하한값을 작게 하는 것이 밸브제어방식 및 펌프 인버터제어방식에 있어서 에너지 절감적인 측면에 있어서 모두 효과적일 것으로 사료되나 펌프 수두 측면 등 여러가지 설비 시스템적인 문제점을 충분히 고려하여 결정해야 할 것으로 판단된다.
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